DE102021208183A1

DE102021208183A1 - Stator für eine elektrische Maschine, Verfahren zur Herstellung eines Stators elektrische Maschine für ein Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102021208183A1
Application number: DE102021208183.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Spirk; Stefan Ötzel
Original assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2021-07-29
Filing date: 2021-07-29
Publication date: 2023-02-02
Also published as: WO2023006823A1

Abstract

Stator (1) für eine elektrische Maschine (101), aufweisend- einen Statorkern (2) mit zwei axialen Stirnseiten (3, 4);- eine Statorwicklung (5), die sich in axialer Richtung durch den Statorkern (2) erstreckt und aus mehreren Leitersegmenten (8a, 8b) gebildet ist, wobei die Leitersegmente (8a, 8b) an einer der Stirnseiten (3) Endabschnitte (9) aufweisen; und- eine Klemmvorrichtung (10) mit mehreren Klemmelementen (11), die jeweils ein Paar der Endabschnitte (9) zusammenhalten, sodass die Endabschnitte (9) paarweise elektrisch leitfähig und mechanisch zu Endabschnittsanordnungen (12) verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, aufweisend einen Statorkern mit zwei axialen Stirnseiten und eine Statorwicklung, die sich in axialer Richtung durch den Statorkern erstreckt und aus mehreren Leitersegmenten gebildet ist, wobei die Leitersegmente an einer der Stirnseiten Endabschnitte aufweisen.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine.
Aus der DE 10 2019 126 338 A1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine bekannt. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Pins, die in Nuten im Stator angeordnet sind, seriell miteinander verbunden sind und eine Windung bilden. Pinfüße der Pins sind dabei durch Schweißverbindungen verbunden.
Bei Statoren mit einer aus Leitersegmenten gebildeten Statorwicklung, auch Haarnadelwicklung (englisch hair pin winding) genannt, ist es seit langem bekannt, Endabschnitte der Leitersegmente durch eine Schweißverbindung elektrisch leitfähig und mechanisch zu verbinden. Das Schweißen ist jedoch ein aufwendiger Fertigungsschritt. Da nach dem Schweißen ferner elektrisch leitfähige Teile der Leitersegmente freiliegen, wird regelmäßig ein weiterer Fertigungsschritt erforderlich, bei dem die verschweißten Endabschnitte mit einer Isolationsschicht überzogen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, insbesondere aufwandsärmere, Möglichkeit zur Fertigung eines Stators mit einer Statorwicklung aus Leitersegmenten anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stator der eingangs genannten Art gelöst, welcher ferner eine Klemmvorrichtung mit mehreren Klemmelementen aufweist, die jeweils ein Paar der Endabschnitte zusammenhalten, sodass die Endabschnitte paarweise elektrisch leitfähig und mechanisch zu Endabschnittsanordnungen verbunden sind.
Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine weist einen Statorkern auf. Der Statorkern weist zwei axiale Stirnseiten auf. Der erfindungsgemäße Stator weist ferner eine Statorwicklung auf. Die Statorwicklung erstreckt sich in axialer Richtung durch den Statorkern. Die Statorwicklung ist aus mehreren Leitersegmenten gebildet. Die Leitersegmente weisen an einer der Stirnseiten Endabschnitte auf. Der erfindungsgemäße Stator weist ferner eine Klemmvorrichtung auf. Die Klemmvorrichtung weist mehrere Klemmelemente auf. Die Klemmelemente halten jeweils ein Paar der Endabschnitte zusammen, sodass die Endabschnitte paarweise elektrisch leitfähig und mechanisch zu Endabschnittsanordnungen verbunden sind.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, eine elektrisch leitfähige und mechanische Verbindung der Paare durch die Klemmelemente auszubilden, um so insbesondere auf eine aufwändige stoffschlüssige Verbindung der Endabschnitte, insbesondere durch Schweißen, verzichten zu können. Dadurch kann ein aufwändiger Fertigungsschritt eingespart werden, sodass ein insgesamt aufwandsärmer fertigbarer Stator angegeben wird.
Der Statorkern ist beispielsweise aus einer Vielzahl von axial geschichteten und gegeneinander elektrisch isolierten Einzelblechen gebildet. Der Statorkern kann insoweit auch als Statorblechpaket bezeichnet werden. Im Statorkern ist bevorzugt eine Vielzahl von sich axial durch den Statorkern erstreckenden Nuten ausgebildet. Die Statorwicklung umfasst vorzugsweise mehrere Stränge, die jeweils einer Phase des Stators zugeordnet sind. Die Anzahl der Phasen beträgt vorzugsweise wenigstens drei. Die aus den Leitersegmenten gebildete Statorwicklung kann auch als Haarnadelwicklung bezeichnet werden.
Die Leitersegmente sind bevorzugt aus einem Metall, insbesondere aus Kupfer, gebildet. Die Leitersegmente können einen rechteckigen, insbesondere auch abgerundet rechteckigen, Querschnitt aufweisen. Zweckmäßigerweise ist jedes Leitersegment durch einen, gegebenenfalls mehrfach, gebogenen Metallstab ausgebildet. Jeder Endabschnitt umfasst insbesondere ein freies Ende des Leitersegments.
Die Leitersegmente können Leitersegmente erster Art umfassen, die neben zwei Endabschnitten zwei innerhalb des Statorkerns angeordnete Innenabschnitte aufweisen und einen Verbindungsabschnitt, der die Innenabschnitte auf der den Endabschnitten gegenüber liegenden Stirnseite elektrisch leitfähig verbindet. Die Innenabschnitte und/oder der Verbindungsabschnitt und/oder die Endabschnitte sind vorzugsweise einstückig ausgebildet. Die Innenabschnitte der Leitersegmente erster Art sind vorzugsweise in unterschiedlichen der Nuten angeordnet.
Die Leitersegmente können ferner Leitersegmente zweiter Art umfassen, welche neben einem Endabschnitt einen innerhalb des Statorkerns angeordneten Innenabschnitt und einen auf der dem Endabschnitt gegenüber liegenden Stirnseite angeordneten Anschlussabschnitt aufweisen. Der Anschlussabschnitt und/oder der Innenabschnitt und/oder der Endabschnitt sind vorzugsweise einstückig ausgebildet. Der Innenabschnitt der Leitersegmente erster Art ist vorzugsweise in einer der Nuten angeordnet.
Die Innenabschnitte der Leitersegmente sind vorzugsweise radial geschichtet in den Nuten angeordnet. Insbesondere sind die Innenabschnitte in einer geraden Anzahl von Schichten, vorzugsweise in vier Schichten, sechs Schichten oder acht Schichten, angeordnet.
Ein jeweiliges Klemmelement hält das Paar der Endabschnitte vorzugsweise durch Ausüben einer Rückstellkraft auf die Endabschnitte zusammen. Dabei können sich die Endabschnitte berühren. Die Klemmelemente können aus einem elektrisch leitfähigen Metall, vorzugsweise aus Stahl oder Kupfer oder Aluminium, gebildet sein. Insbesondere sind die Endabschnitte einer jeweiligen Endabschnittsanordnung nicht stoffschlüssig miteinander verbunden.
Vorzugsweise sind die Endabschnittsanordnungen in Umfangsrichtung verteilt, insbesondere an einheitlich beabstandeten Positionen in Umfangsrichtung, angeordnet. Erste Endabschnittsanordnungen der Endabschnittsanordnungen können an einer ersten Radialposition angeordnet sein. Zweite Endabschnittsanordnungen der Endabschnittsanordnungen können an einer von der ersten Radialposition unterschiedlichen, insbesondere weiter innen liegenden, zweiten Radialposition angeordnet sein. Weitere Endabschnittsanordnungen der Endabschnittsanordnungen, beispielsweise dritte und/oder vierte und/oder fünfte Endabschnittsanordnungen, können an weiteren unterschiedlichen Radialpositionen angeordnet sein.
In bevorzugter Ausgestaltung des Stators ist jedes Klemmelement zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähig. Dabei kann jedes Klemmelement das Paar der Endabschnitte elektrisch leitfähig verbinden. Alternativ oder zusätzlich können sich die Endabschnitte dabei berühren und so eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Endabschnitt herstellen.
In bevorzugter Ausgestaltung des Stators verbindet ein Klemmelement ein Paar der Endabschnitte ausschließlich formschlüssig. Dadurch kann der Stator am Ende seiner Lebensdauer unter Kraftaufwand und/oder mit einem Werkzeug wieder einfacher zerlegt werden. Die einzelnen Teile können materialgerecht wiederverwendet oder recycelt werden.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass jedes Klemmelement einen Buchsenabschnitt aufweist, welcher die Endabschnittsanordnung umgibt und die Endabschnitte zusammenhält. Der Buchsenabschnitt kann als, insbesondere gerader, Zylinder ausgebildet sein. Der Begriff Zylinder ist hier nicht auf einen Kreiszylinder beschränkt.
In bevorzugter Ausgestaltung weist der Buchsenabschnitt ein rechteckiges Querschnittsprofil auf. Alternativ kann der Buchsenabschnitt ein rundes, insbesondere ovales, Querschnittsprofil aufweisen.
Es ist ferner bevorzugt, dass jedes Klemmelement einen Führungsabschnitt aufweist. Der Führungsabschnitt kann zum Einführen der Klemmabschnitte in das Klemmelement dienen. Besonders bevorzugt ist der Führungsabschnitt gegenüber dem Buchsenabschnitt aufgeweitet. Ferner kann der Führungsabschnitt in axialer Richtung zwischen dem Buchsenabschnitt und dem Statorkern zum Statorkern hinweisend angeordnet sein. Der Führungsabschnitt und der Buchsenabschnitt sind vorzugsweise einstückig ausgebildet. Der Führungsabschnitt kann, insbesondere bei dem rechteckigen Querschnittsprofil des Buchsenabschnitts, die Form eines Pyramidenstumpfes aufweisen. Alternativ kann der Führungsabschnitt, insbesondere bei dem runden Querschnittsprofil, die Form eines, insbesondere geraden, Kegelstumpfes aufweisen. Der Begriff des Kegels ist hier nicht auf einen Kreiskegel beschränkt.
In bevorzugter Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Klemmvorrichtung einen Haltekörper aufweist, welcher die Klemmelemente in einer vorgegebenen Relativposition zueinander hält. Durch den Haltekörper kann ein Einführen der Endabschnitte in die Klemmelemente vereinfacht werden, indem in einem Arbeitsgang die Klemmvorrichtung mit allen ihren Klemmelementen an den Endabschnitten angeordnet wird. Der Haltekörper kann aus einem Kunststoff gebildet sein. Vorzugsweise schließt der Haltekörper die dem Statorkern abgewandten Enden der Klemmelemente, insbesondere die dem Statorkern abgewandten Enden der Buchsenabschnitte, ab.
Der Haltekörper kann bevorzugt sichelförmig oder ringsektorförmig ausgebildet sein. Der Haltekörper kann aus mehreren Teilen zusammengefügt sein und den Stator abschnittsweise an der Stirnseite überspannen.
Der Haltekörper ist bevorzugt ringförmig ausgebildet. Der Haltekörper kann einen freien Durchführungsraum für eine Welle eines Rotors der elektrischen Maschine umschließen.
Ferner kann der Haltekörper die Klemmelemente gegeneinander elektrisch isolieren. Dadurch kann die Einhaltung von Isolationsabständen zwischen den Klemmelementen bzw. zwischen den Endabschnittsanordnungen sichergestellt werden. Insbesondere kann so auf einen zusätzlichen Fertigungsschritt des Aufbringens einer Isolationsschicht auf die Endabschnittsanordnen, wie es regelmäßig bei der Verwendung von Schweißverfahren erforderlich ist, verzichtet werden.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Haltekörper als Gusskörper, insbesondere als Spritzgusskörper, ausgebildet, in welchem die Klemmelemente zumindest abschnittsweise vergossen sind. Die Klemmvorrichtung lässt sich so in hoher Stückzahl und kostengünstig herstellen.
Mit Vorteil kann ferner vorgesehen sein, dass die Klemmelemente zum Statorkern hinweisend aus dem Haltekörper herausragen. Der Haltekörper kann nur einen Teil der Klemmelemente, insbesondere in axialer Richtung einfassen. Der Haltekörper muss also die Klemmelemente nicht vollständig entlang ihrer gesamten axialen Erstreckung einfassen. Dadurch kann der Haltekörper gewichts- und materialsparend gefertigt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, insbesondere einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, aufweisend folgende Schritte: Bereitstellen eines Statorkerns mit zwei axialen Stirnseiten und mehrerer Leitersegmente, die sich abschnittsweise in axialer Richtung durch den Statorkern erstrecken und an einer der Stirnseiten Endabschnitte aufweisen; und Anordnen einer mehrere Klemmelemente aufweisenden Klemmvorrichtung an den Endabschnitten derart, dass die Klemmelemente jeweils ein Paar der Endabschnitte zusammenhalten, sodass die Endabschnitte paarweise elektrisch leitfähig und mechanisch zu Endabschnittsanordnungen verbunden werden.
Es wird ferner bevorzugt, dass ein jeweiliges Paar vor oder während des Anordnens mittels eines Werkzeugs zusammengeführt wird, um die Endabschnitte des Paares in das Klemmelement einzuführen. Mithilfe des Werkzeugs können die Endabschnitte so nah zusammengeführt werden, dass sie leicht, vorzugsweise durch die Führungsabschnitte, in die Klemmelemente einführbar sind.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Endabschnitte eines jeweiligen Paares an derselben Position in Umfangsrichtung des Statorkerns angeordnet sind. Ferner kann das Werkzeug mehrere relativ zueinander bewegliche Werkzeugabschnitte aufweisen, die jeweils wenigstens eine Aufnahme für eines der Paare aufweisen. Vorzugsweise werden die Werkzeugabschnitte zum Zusammenführen radial an die Paare herangeführt werden, sodass sich in jeder Aufnahme der Werkzeugabschnitte eines der Paare befindet.
Ein jeweiliger Werkzeugabschnitt kann mehrere Schenkel aufweisen, sodass zwischen einem jeweiligen Paar von Schenkeln die Aufnahme oder eine der Aufnahmen ausgebildet ist. In einer Stellung, in welcher die Paare in den Aufnahmen aufgenommen sind, erstrecken sich die Schenkel vorzugsweise in Radialrichtung. Außerdem kann ein jeweiliger Werkzeugabschnitt einen Steg aufweisen, welcher die Schenkel verbindet und/oder eine radiale Begrenzung der Aufnahme ausbildet. In einer Stellung, in welcher die Paare in den Aufnahmen aufgenommen sind, erstreckt sich der Steg vorzugsweise in Umfangsrichtung.
Es kann vorgesehen sein, dass die Paare der Endabschnitte erste Paare, die an einer ersten Radialposition angeordnet ist, und zweite Paare, die einer von der ersten Radialposition unterschiedlichen zweiten Radialposition angeordnet sind, umfassen. Dabei kann das Werkzeug mehrere relativ zueinander bewegliche zweite Werkzeugabschnitte aufweisen, die jeweils wenigstens eine Aufnahme für eines der zweiten Paare aufweisen. In bevorzugter Weiterbildung werden die ersten Werkzeugabschnitte an die ersten Paare herangeführt werden und die zweiten Werkzeugabschnitte zum Zusammenführen radial an die an die zweiten Paare herangeführt, sodass sich in jeder Aufnahme der zweiten Werkzeugabschnitte eines der zweiten Paare befindet. Vorzugsweise werden die ersten Werkzeugabschnitte einerseits und die zweiten Werkzeugabschnitte andererseits radial aufeinander zu bewegt.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Radialposition weiter außen liegt als die zweite Radialposition. Vorzugsweise weisen die ersten Werkzeugabschnitte jeweils eine größere Anzahl der Ausnehmungen als ein jeweiliger zweiter Werkzeugabschnitt auf. Insbesondere weist ein jeweiliger zweiter Werkzeugabschnitt genau zwei Aufnahmen auf. Ein jeweiliger erster Werkzeugabschnitt kann wenigstens vier, bevorzugt wenigstens sechs, besonders bevorzugt genau sechs, Aufnahmen aufweisen. Die zweiten Werkzeugabschnitte sind insbesondere exzentrisch geformt.
Es ist ferner möglich, dass die Paare der Endabschnitte mittels eines Hebelwerkzeugs zusammengeführt werden, um die Endabschnitte des Paares in das Klemmelement einzuführen. Das Hebelwerkzeug kann in die Klemmvorrichtung integriert sein oder separat zur Klemmvorrichtung ausgebildet sein. Das Hebelwerkzeug kann so ausgestaltet sein, dass die Paare zusammengepresst werden. Das Hebelwerkzeug kann ferner einen Verriegelungsmechanismus aufweisen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug, aufweisend einen erfindungsgemäßen Stator oder einen durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Stator und einen Rotor, der drehbar bezüglich des Stators gelagert ist.
Die elektrische Maschine ist vorzugsweise als, insbesondere permanenterregte, Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgebildet. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) oder um ein Hybridfahrzeug handeln. Die elektrische Maschine ist insbesondere dazu eingerichtet, das Fahrzeug anzutreiben.
Die elektrische Maschine weist vorzugsweise ferner eine drehfest mit dem Rotor verbundene Welle auf. Die Welle kann durch den vom Haltekörper umschlossenen Durchführungsraum hindurchgeführt sein.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, wobei während eines Drehbetriebs der elektrischen Maschine, insbesondere beim Antreiben des Fahrzeugs, die Klemmvorrichtung auf den Endabschnitt angeordnet ist. Insbesondere ist die Klemmvorrichtung während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs auf den Endabschnitt angeordnet.
Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Stator lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren, die erfindungsgemäße elektrische Maschine, das erfindungsgemäße Betriebsverfahren und umgekehrt übertragen, sodass auch mit diesen die zuvor beschriebenen Vorteile erzielt werden können.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stators;
2 eine Prinzipskizze eines Leitersegments erster Art gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 eine Prinzipskizze eines Leitersegments zweiter Art gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 eine perspektivische Ansicht auf die Stirnseite des Stators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
5 eine geschnittene Darstellung der Klemmvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
6 eine stirnseitige Ansicht des Stators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
7 u. 8 jeweils eine perspektivische Ansicht eines Klemmelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
9 eine perspektivische Ansicht eines Klemmelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stators;
10 eine Prinzipskizze des Stators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
11 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens;
12 u. 13 jeweils eine perspektivische Ansicht eines beim Durchführen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens verwendeten Werkzeugs;
14 eine Draufsicht auf das Werkzeug; und
15 eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.

1 ist eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels eines Stators 1 für eine elektrische Maschine 101 (vgl. 15).
Der Stator 1 weist einen Statorkern 2 mit einer axialen ersten Stirnseite 3 und mit einer gegenüber liegenden axialen zweiten Stirnseite 4 auf. Der Statorkern 2 ist exemplarisch als Statorblechpaket aus einer Vielzahl von axial geschichteten und gegeneinander isolierten Einzelblechen gebildet.
Daneben umfasst der Stator 1 eine Statorwicklung 5, die sich in axialer Richtung durch den Statorkern 2 erstreckt. Rein schematisch sind dazu Wicklungsköpfe 6, 7 an den Stirnseiten 3, 4 dargestellt. Die Statorwicklungen 5 ist aus mehreren Leitersegmenten 8a, 8b gebildet, die in 1 ebenfalls nur schematisch angedeutet sind. Die Leitersegmente 8a, 8b weisen an der ersten Stirnseite 3 Endabschnitte 9 auf. Die Statorwicklung 5 ist hier exemplarisch eine dreiphasige Wicklung mit drei Strängen.
Der Stator 1 zeichnet sich durch eine Klemmvorrichtung 10 aus. Die Klemmvorrichtung 10 umfasst mehrere Klemmelemente 11, von denen in 1 nur eines andeutungsweise dargestellt ist. Ein jeweiliges Kernelement 11 hält ein Paar der Endabschnitte 9 zusammen, sodass die Endabschnitte 9 paarweise elektrisch leitfähig und mechanisch zu Endabschnittsanordnungen 12 verbunden sind.
2 ist eine Prinzipskizze eines Leitersegment 8a, 8b erster Art gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das Leitersegment 8 a, 8b erster Art weist zwei Endabschnitte 9 auf. Daneben umfasst das Leitersegment 8a, 8b erster Art zwei Innenabschnitte 11, die sich axial durch den Statorkern erstrecken (siehe 1). Die Innenabschnitte 11 schließen sich unmittelbar an die Endabschnitte 9 auf der ersten Stirnseite 3 an. Die Innenabschnitte 11 sind durch einen Verbindungsabschnitt 13 auf der zweiten Stirnseite 4 elektrisch leitfähig verbunden. Die Endabschnitte 9, die Innenabschnitte 11 und der Verbindungsabschnitt 13 sind einstückig ausgebildet.
3 ist eine Prinzipskizze eines Leitersegment 8a, 8b zweiter Art. Das Leitersegment 8a, 8b zweiter Art weist nur einen Endabschnitt 9 und einen sich daran anschließenden Innenabschnitt 11 auf. An der zweiten Stirnseite 4 schließt sich an den Innenabschnitt 11 ein Anschlussabschnitt 14 an, über den die Statorwicklung 5 (siehe 1) bzw. ein jeweiliger ihrer Stränge angeschlossen werden kann. Der Endabschnitt 9, der Innenabschnitt 11 und der Anschlussabschnitt 14 sind einstückig ausgebildet.
Die in 2 und 3 gezeigten Leitersegmente 8a, 8b sind aus mehrfach gebogenen Kupferstäben gebildet, die im Wesentlichen nicht biegeschlaff sind. Sie weisen einen abgerundet rechteckigen Querschnitt auf. Ersichtlich umfasst ein jeweiliger Endabschnitt 9 ein freies Ende eines jeweiligen Leitersegment 8a, 8b. Jeder Endabschnitt 9 eines Leitersegment 8a ist mit dem Endabschnitt 9 eines anderen Leitersegment 8b zum Ausbilden der Statorwicklung 5 (siehe 1) elektrisch leitfähig und mechanisch zu einer Endabschnittsanordnung 12 verbunden.
4 ist eine perspektivische Ansicht auf die erste Stirnseite 3 des Stators 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Klemmvorrichtung 10 weist ferner einen Haltekörper 16 auf, der die Klemmelemente 11 in einer vorgegebenen Relativposition zueinander hält. Der Haltekörper 16 ist exemplarisch als Spitzgussteil aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet. Der Haltekörper 16 ist ringförmig ausgebildet, sodass er einen freien Durchführungsraum 17 für eine Welle 18 eines Rotors der elektrischen Maschine (nicht gezeigt) umschließt. Der Haltekörper 16 isoliert die Klemmelemente 11 gegeneinander elektrisch. An seiner der ersten Stirnseite 3 zugewandten Seite ragen die Klemmelemente 11 aus dem Haltekörper 16 heraus.
5 ist eine geschnittene Darstellung der Klemmvorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Jedes Klemmelement 11 verbindet ein Paar der Endabschnitte 9 elektrisch zur Endabschnittsanordnung 12. In 5 ist ferner zu erkennen, dass ein Buchsenabschnitt 19 eines jeweiligen Klemmelements 11 die Endabschnittsanordnung 12 umgibt und die Endabschnitt 9 zusammenhält. Der Buchsenabschnitt 19 hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein rechteckiges Querschnittsprofil. Die Endabschnittsanordnungen 12 sind in Umfangsrichtung verteilt angeordnet, wobei sich erste Endabschnittsanordnungen 12a an einer radial äu-ßeren Radialposition und zweite Endabschnittsanordnungen 12b an einer radial inneren Radialposition befinden.
6 ist eine stirnseitige Ansicht des Stators 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Klemmvorrichtung 10 erstreckt sich hier innerhalb eines Radialbereichs, der durch eine innere Mantelfläche 20 und eine äußere Mantelfläche 21 des Statorkerns 2 begrenzt ist. Der Haltekörper 16 schließt die - in 6 verdeckten - Klemmelemente 11 an ihrer dem Statorkern 2 abgewandten Seite ab.
7 und 8 sind jeweils eine perspektivische Ansicht eines Klemmelements 11 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das Klemmelement 11 weist neben dem Buchsenabschnitt 19 einen Führungsabschnitt 21 auf, der gegenüber dem Buchsenabschnitt 19 aufgeweitet ist und in axialer Richtung zwischen dem Buchsenabschnitt 19 und dem Statorkern 2 zum Statorkern 2 hinweisend angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Führungsabschnitt 21 die Form eines Pyramidenstumpfs auf und ragt aus dem Haltekörper 16 heraus (vgl. 4).
9 und 10 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Stators 1, wobei 9 eine perspektivische Ansicht eines Klemmelements 11 und 10 eine stirnseitige Prinzipskizze ist. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel, soweit im Folgenden nichts Abweichendes beschreiben wird.
Der Buchsenabschnitt 19 des Klemmelements 11 weist beim zweiten Ausführungsbeispiel ein ovales Querschnittsprofil auf. Selbstverständlich kann das Klemmelement 11 gemäß weitere Ausführungsbeispiele auch einen Führungsabschnitt aufweisen, der sich statorkernseitig an den Buchsenabschnitt anschließt und beispielsweise die Form eines Kegelstumpfs mit ovaler Grundfläche aufweist.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Stators 1 gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beschrieben. Das Herstellungsverfahren wird anhand von 11 bis 14 näher beschrieben. In 12 und 13 ist der Haltekörper zur besseren Illustration transparent gezeigt, sodass nur seine Konturen dargestellt sind. Dabei sind gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit identischen Bezugszeichen versehen.
Das Verfahren weist einen ersten Schritt S1 des Bereitstellens eines Statorkerns 2 mit zwei axialen Stirnseiten 3, 4 und mehrerer Leitersegmente 8a, 8b, die sich abschnittsweise in axialer Richtung durch den Statorkern 2 erstrecken und an der ersten Stirnseiten 3 Endabschnitte 9 aufweisen.
In einem zweiten Schritt S2 wird ein jeweiliges ein jeweiliges Paar der Endabschnitte mittels eines Werkszeugs 30 zusammengeführt.
Ersichtlich sind die Endabschnitte 9 eines jeweiligen Paares an derselben Position in Umfangsrichtung des Statorkerns 2 angeordnet. Die Paare umfassen dabei erste Paare, die an einer äußeren ersten Radialposition angeordnet sind, und zweite Paare, die an einer inneren zweiten Radialposition angeordnet sind. Das Werkzeug 30 weist erste Werkzeugabschnitte 31 für die an der ersten Radialposition angeordneten Paare und zweite Werkzeugabschnitte 32 für die an der zweiten Radialposition angeordneten Paare auf.
Jeder Werkzeugabschnitt 31, 32 weist mehrere Aufnahmen 33, in die jeweils eines der Paare eingeführt wird, auf. Die ersten Werkzeugabschnitte 31 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel exemplarisch jeweils sechs Aufnahmen 33 auf und die zweiten Werkzeugabschnitte 32 jeweils zwei Aufnahmen 33. Dazu umfasst jeder Werkzeugabschnitt 31, 32 mehrere radiale Schenkel 35, die durch einen Steg 36 in Umfangsrichtung miteinander verbunden sind. Ersichtlich sind die zweiten Werkzeugabschnitte 32 bzw. ihre Stege 36 exzentrisch ausgebildet, um von innen an die Endabschnitte 9 herangeführt werden zu können.
Im Schritt S2 werden die Werkzeugabschnitte 31, 32 zum Zusammenführen radial an die Paare herangeführt, sodass sich in jeder Aufnahme 33 der Werkzeugabschnitte eines der Paare befindet. Die Werkzeugabschnitte 31, 32 werden dabei radial aufeinander zu bewegt und führen so die Endabschnitte 9 zusammen.
In einem Schritt S3 wird die Klemmvorrichtung 10 an den Endabschnitten 9 derart angeordnet, dass die Klemmelemente 11 jeweils ein Paar der Endabschnitte 9 zusammenhalten, sodass die Endabschnitte 9 paarweise elektrisch leitfähig und mechanisch zu den Endabschnittsanordnungen 12 verbunden werden. Dabei werden die Endabschnitte 9 - soweit vorhanden - durch die aufgeweiteten Führungsabschnitte 22 in die Klemmelemente 11 eingeführt.
In einem Schritt S4 wird das Werkzeug 30 gelöst und entfernt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Schritte S2 und S3 zu einem Schritt zusammengefasst.
Alternativ zur Verwendung des Werkzeugs 30 kann im Schritt S2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Hebelwerkzeug (nicht gezeigt) zum Zusammenführen verwendet werden. Das Hebelwerkzeug kann in die Klemmvorrichtung integriert sein oder separat zur Klemmvorrichtung, im einfachsten Fall als Stange oder Schraubenzieher, ausgebildet sein. Das Hebelwerkzeug ist so ausgestaltet, dass die Paare zusammengepresst werden. Das Hebelwerkzeug kann ferner einen Verriegelungsmechanismus aufweisen.
15 ist eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs 100 mit einem Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 101.
Die elektrische Maschine 101 weist einen Stator 1 gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele oder einen durch ein Herstellungsverfahren gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele erhalten Stator 1 auf. Innerhalb des Stators 1 ist ein Rotor 102 drehbar gelagert, der drehfest mit der Welle 18 gekoppelt ist.
Die elektrische Maschine 101 ist eine, insbesondere permanenterregte, Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine und dazu eingerichtet, das Fahrzeug 100 anzutreiben. Das Fahrzeug 100 ist ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) oder ein Hybridfahrzeug.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben der elektrischen Maschine 101 ist die Klemmvorrichtung 10 während des Drehbetriebs der elektrischen Maschine 101, insbesondere beim Antreiben des Fahrzeugs, auf den Endabschnitt 9 angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019126338 A1 [0003]

Claims

Stator (1) für eine elektrische Maschine (101), aufweisend - einen Statorkern (2) mit zwei axialen Stirnseiten (3, 4) und - eine Statorwicklung (5), die sich in axialer Richtung durch den Statorkern (2) erstreckt und aus mehreren Leitersegmenten (8a, 8b) gebildet ist, wobei die Leitersegmente (8a, 8b) an einer der Stirnseiten (3) Endabschnitte (9) aufweisen, gekennzeichnet durch - eine Klemmvorrichtung (10) mit mehreren Klemmelementen (11), die jeweils ein Paar der Endabschnitte (9) zusammenhalten, sodass die Endabschnitte (9) paarweise elektrisch leitfähig und mechanisch zu Endabschnittsanordnungen (12) verbunden sind.
Stator nach Anspruch 1, wobei jedes Klemmelement (11) zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähig ist und das Paar der Endabschnitte (9) elektrisch leitfähig verbindet.
Stator nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Klemmelement (11) einen Buchsenabschnitt (19) aufweist, welcher die Endabschnittsanordnung (12) umgibt und die Endabschnitte (9) zusammenhält.
Stator nach Anspruch 3, wobei der Buchsenabschnitt (19) - eine rechteckiges Querschnittsprofil oder - ein rundes, insbesondere ovales, Querschnittsprofil aufweist.
Stator nach Anspruch 3 oder 4, wobei jedes Klemmelement (11) einen Führungsabschnitt (21) aufweist, welcher gegenüber dem Buchsenabschnitt (19) aufgeweitet ist und in axialer Richtung zwischen dem Buchsenabschnitt (19) und dem Statorkern (2) zum Statorkern (2) hinweisend angeordnet ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Klemmvorrichtung (10) einen Haltekörper (16) aufweist, welcher die Klemmelemente (11) in einer vorgegebenen Relativposition zueinander hält.
Stator nach Anspruch 6, wobei der Haltekörper (16) ringförmig oder ringsektorförmig ausgebildet ist und/oder die Klemmelemente (11) gegeneinander elektrisch isoliert.
Stator nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Haltekörper (16) als Gusskörper ausgebildet ist, in welchem die Klemmelemente (11) zumindest abschnittsweise vergossen sind.
Stator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Klemmelemente (11) um Statorkern (2) hinweisend aus dem Haltekörper (16) herausragen.
Verfahren zur Herstellung eines Stators (1) für eine elektrische Maschine (101), insbesondere eines Stators (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend folgende Schritte: - Bereitstellen eines Statorkerns (2) mit zwei axialen Stirnseiten (3, 4) und mehrerer Leitersegmente (8a, 8b), die sich abschnittsweise in axialer Richtung durch den Statorkern (2) erstrecken und an einer der Stirnseiten (3) Endabschnitte (9) aufweisen, und - Anordnen einer mehrere Klemmelemente (11) aufweisenden Klemmvorrichtung (10) an den Endabschnitten (9) derart, dass die Klemmelemente (11) jeweils ein Paar der Endabschnitte (9) zusammenhalten, sodass die Endabschnitte (9) paarweise elektrisch leitfähig und mechanisch zu Endabschnittsanordnungen (12) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein jeweiliges Paar vor oder während des Anordnens mittels eines Werkszeugs (30) zusammengeführt wird, um die Endabschnitte (9) des Paares in das Klemmelement (11) einzuführen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Endabschnitte (9) eines jeweiligen Paares an derselben Position in Umfangsrichtung des Statorkerns angeordnet sind und das Werkzeug (30) mehrere relativ zueinander bewegliche Werkzeugabschnitte (31) aufweist, die jeweils wenigstens eine Aufnahme (33) für eines der Paare aufweisen, wobei die Werkzeugabschnitte (31) zum Zusammenführen radial an die Paare herangeführt werden, sodass sich in jeder Aufnahme (33) der Werkzeugabschnitte (31) eines der Paare befindet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Paare der Endabschnitte (9) erste Paare, die an einer ersten Radialposition angeordnet sind, und zweite Paare, die einer von der ersten Radialposition unterschiedlichen zweiten Radialposition angeordnet sind, umfassen, wobei das Werkzeug (30) mehrere relativ zueinander bewegliche zweite Werkzeugabschnitte (32) aufweist, die jeweils wenigstens eine Aufnahme (33) für eines der zweiten Paare aufweisen, wobei die ersten Werkzeugabschnitte (31) an die ersten Paare herangeführt werden und die zweiten Werkzeugabschnitte (32) zum Zusammenführen radial an die an die zweiten Paare herangeführt werden, sodass sich in jeder Aufnahme (33) der zweiten Werkzeugabschnitte (32) eines der zweiten Paare befindet.
Elektrische Maschine (101) für ein Fahrzeug (100), aufweisend - einen Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einen durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14 erhaltenen Stator (1) und - einen Rotor (102), der drehbar bezüglich des Stators (1) gelagert ist.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (101) nach Anspruch 14, wobei während eines Drehbetriebs der elektrischen Maschine (101), insbesondere beim Antreiben des Fahrzeugs (100), die Klemmvorrichtung (10) auf den Endabschnitten (9) angeordnet ist.