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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine und eine elektrische Rotationsmaschine, die eine gemäß dem Verfahren hergestellte leistungserzeugende Komponente aufweist.
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Der elektrische Antriebsstrang ist nach dem Stand der Technik bekannt. Dieser besteht aus Komponenten zur Energiespeicherung, Energiewandlung und Energieleitung. Zu den Komponenten der Energiewandlung gehören elektrische Maschinen. Elektrische Rotationsmaschinen umfassen als elektrische Leistungskomponenten einen Rotor und einen Stator.
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Je nach Leistungsbereich bzw. Anwendungsfall ist es oftmals notwendig, in elektrischen Maschinen durch verschiedene Verluste entstehende Wärme durch eine effektive Kühlung abzuführen. Die Kühlung sorgt dafür, dass kritische Temperaturen, welche zu Beschädigungen an Materialien und Komponenten führen könnten, vermieden werden. Darüber hinaus trägt die Kühlung zur Verbesserung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bei, da insbesondere der ohmsche Widerstand in elektrischen Leitern stark temperaturabhängig ist, wodurch bei höheren Temperaturen die Leistungsverluste zunehmen. Insbesondere bei elektrischen Maschinen, welche eine hohe Drehmoment- bzw. Leistungsdichte aufweisen, reicht eine Oberflächenkühlung mit Wärmeabgabe an die umgebende Luft oftmals nicht aus, so dass eine Kühlung durch ein Kühlfluid erforderlich ist. Als Kühlfluide können prinzipiell Öle, Wasser bzw. Wassergemische wie z. B. Wasser-Glykol, aber auch dielektrische Flüssigkeiten zum Einsatz kommen.
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Dabei besteht üblicherweise auch die Anforderung, dass das Kühlsystem bei geringem finanziellen sowie technologischen Aufwand einen möglichst geringen Bauraumbedarf aufweist und einen optimalen Wärmeübergang gewährleistet.
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Zur flexiblen Fertigung von Wicklungen und Wickelköpfen elektrischer Leistungskomponenten, wie zum Beispiel des Stators der elektrischen Rotationsmaschine, ist es bekannt, auch additive Verfahren zur Fertigung von Verteilern, die auch als Busbars bzw. Schaltring bezeichnet werden, und/oder kompletter Wickelköpfe einzusetzen. Diese werden entweder separat additiv gefertigt, und dann mit den elektrischen Leitern in den Nuten der elektrischen Leistungskomponente verbunden, wie zum Beispiel geschweißt. Eine alternative Fertigungsvariante sieht vor, mittels additiver Fertigung direkt auf den Leiterenden einer teilweise vorliegenden Wicklung Stromführungsanschlüsse zu generieren. Hinsichtlich der Wicklungskühlung ist bekannt, ein Kühlungsmedium in einem elektrisch nicht leitenden Material wie zum Beispiel in einem Kühlkanal im Kühlmantel oder auch in einem Spaltrohr in einer Nut oder auch in einem Kanal in einem den Körper der leistungserzeugenden Komponente ausbildenden Blechpaket zu führen. Alternativ kann ein Kühlungsmedium auch direkt in einer Nut geführt werden, wobei dann die Nut radial sowie axial abzudichten ist, wie zum Beispiel mittels Spritzguss. Zusätzlich ist ein weiteres Bauteil zum Anschluss an der Nut zwecks Medienführung am Wickelkopf vorzusehen, welches gegebenenfalls ein Urformteil sein kann, und welches entweder separat gefertigt wird und dann an eine betreffenden Nut montiert wird, oder aber auch unmittelbar an der Nut durch Urformen erzeugt wird.
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Weiterhin ist es bekannt, zur Führung des Kühlmediums Hohlleiter zu nutzen, die gleichzeitig die elektrischen Leitungselemente ausbilden. Hier bestehen jedoch erhöhte Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Isolierung sowie der hydraulischen Kontaktierung.
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So beschreibt unter anderem die
DE 10 2014 0155 64 A1 eine elektrische Leitereinheit aus einem oder mehreren Kapillarleitern, insbesondere geeignet für die Verwendung bei elektrischen Spulen. Hier erfolgt eine elektrische Kontaktierung mittels eines separat zu montierendem Anschlussstück.
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Entsprechendes lehrt auch die
DE 10 2017119033 A1 , welche ein Wicklungsstück, insbesondere in Form einer Haarnadel, offenbart, das dazu vorgesehen ist, in die Nuten eines Elektromotors eingesetzt zu werden.
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Die
WO 2015/150 556 A1 offenbart einen entsprechenden elektrischen Hohlleiter in Form eines rohrförmigen Körpers mit einem hohlen Innenraum zum kontinuierlichen Wickeln einer elektromagnetischen Spule.
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Die Kontaktierung mittels eines separat zu montierenden Hülsenwerkzeuges ist der
DE 10 2014 0155 64 A1 entnehmbar, und die Kontaktierung mittels Aufcrimpen eines Verbindungsstückes lehrt die
US 5,659,944 , die auf ein Verfahren zum Reparieren einer Verbindung zwischen Leiterelementen eines Statorwicklungsstabs einer elektrischen Maschine und einer Verbindungsvorrichtung gerichtet ist, die mit einem Ende des Statorwicklungsstabs verbunden ist, um eine elektrische Verbindung und einen Kühlmittelfluss für die Leiterelemente bereitzustellen.
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Des Weiteren offenbart die
US 2002 079 773 A1 ein Kopfdesign für einen flüssigkeitsdichten, stromführenden Kopf, der den direkten Kontakt zwischen dem flüssigen Kühlmittel und den gelöteten Verbindungen reduziert. Dabei sind die hohlen Stränge an einem ersten Ende des Kopfs zusammengruppiert, um ein Hohlstrangpaket zu bilden und die hohlen Stränge und die massiven Stränge sind an einem zweiten Ende des Kopfteils zusammengruppiert, um ein gemischtes Strangpaket zu bilden. Das Hohlstrangpaket kann mit einer Auskleidung des Kopfstücks verschmolzen werden.
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Somit sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Ansätze zur Implementierung von Kühlkonzepten zur Fluidführung in und durch Wickelköpfe bekannt.
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Diesen Verfahren gemein ist, dass neben einer Kontaktierung bzw. Verschaltung der Wicklung mit einem Verteiler wenigstens ein weiterer Prozessschritt nachfolgend erfolgen muss, um Elemente zur Kühlung bzw. zur Medienführung im Wickelkopf zu installieren. Durch diese sequentielle Fertigung ergeben sich Restriktionen im Bauraum der Wicklung und des Verteilers, die insbesondere für die direkte Montage von Kühlelementen im Wickelkopf oder die Montage und Demontage von Werkzeugen für Spritzgussverfahren eine Herausforderung darstellen.
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Bei Verwendung additiver Verfahren zur Anordnung von Kühlanschlüssen besteht außerdem das Problem, dass eine dafür zu nutzen der Vorrichtung ebenfalls einen gewissen Raumbedarf aufweist, sodass dadurch entweder nicht alle Bewegungsfreiheitsgrade der Vorrichtung möglich sind, und/oder die Designmöglichkeiten des Verbinder bzw. einer Sammeleinrichtung und/oder des Wickelkopfes eingeschränkt sind. Dies bedingt zu dem, dass Verteiler bzw. Wickelköpfe und Kühlungsanschlüsse konstruktiv voneinander getrennt entwickelt werden müssen, aber trotzdem hinsichtlich ihrer Bauraum Anforderungen aufeinander abgestimmt werden müssen.
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Im Detail bedeutet dies bei herkömmlichen Ausführungsformen, dass beispielsweise bei einem mit Hairpins ausgestatteten Stator zunächst die Hairpins in den Stator eingebracht werden müssen, und danach aufgeweitet, verdreht und/oder verschaltet werden müssen. Danach muss die Montage eines Kühlelements bzw. eines Spaltrohrs oder Spritzgussteils erfolgen, sowie die Installation einer Sammeleinrichtung bzw. eines Verbinders. Der Verbinder ist elektrisch zu kontaktieren, und es ist eine strömungstechnische Kontaktierung der Kühlungseinrichtung zu realisieren.
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In alternativer Ausführungsform kann auch ein Urformverfahren zur Fertigung eines Kühlkanals im Wickelkopfbereich bspw. durch Transfermolding, erfolgen.
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Bei der Herstellung eines Wellenwicklungsstators erfolgt zunächst ein Wickeln der Wellenwicklung, Wicklungsmontage im Stator, ein Verschweißen der Wicklungsanschlüsse zu paralleler Schaltung oder Reihenschaltung, die Installation eines Kühlelementes bspw. eines Spaltrohrs oder Spritzgussteils, Installation einer Sammeleinrichtung bzw. eines Verbinders, Kontaktierung des Verbinders, und die strömungstechnische Kontaktierung der Kühlungseinrichtung durch Montage oder Spritzgussverfahren eines entsprechenden Anschlussstückes.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine zur Verfügung zu stellen, mit dem in einfacher, zeitsparender sowie flexibler Weise eine elektrische Kontaktierung einer Wicklung sowie eine strömungstechnische Verbindung zur Zuführung eines Kühlungsmediums an der leistungserzeugenden Komponente realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-9 angegeben.
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Ergänzend wird eine elektrische Rotationsmaschine mit einer gemäß dem Verfahren hergestellten leistungserzeugenden Komponente nach Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine, bei dem ein Komponentenkörper sowie im Komponentenkörper angeordnete elektrische Leiter zur Verfügung gestellt werden, und mittels generativer Fertigung an Anschlussenden der elektrischen Leiter elektrische Kontaktierungselemente erzeugt werden und mittels generativer Fertigung Strömungsanschlusselemente an Strömungskanälen im Komponentenkörper erzeugt werden. Die leistungserzeugende Komponente der elektrischen Rotationsmaschine kann dabei ein Stator einer elektrischen Rotationsmaschine sein, wobei allerdings die Anwendung der vorliegenden Erfindung in einem Rotor als leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine nicht ausgeschlossen sein soll. Im Falle der Ausführung der leistungserzeugenden Komponente als Stator ist der Komponentenkörper entsprechend der Statorkörper, der beispielsweise als Blechpaket ausgeführt sein kann.
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Die elektrischen Kontaktierungselemente sind elektrisch leitfähig ausgebildet und können als proximale Enden von sogenannten Hair Pins mit einer distal liegenden gebogenen Leitergeometrie im Wickelkopfbereich, als I-Pins mit jeweils beidseitig axial ausstehenden Leiterenden oder auch als Anschlüsse einer Wicklung wie z.B. einer Wellenwicklung ausgeführt sein.
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Unter einer generativen Fertigung kann auch eine additive Fertigung verstanden werden, bzw. ein 3-D-Druckverfahren, oder auch ein Auftrags-Schweißverfahren. Das bedeutet, dass mittels generativer Fertigung bzw. additiver Fertigung sowohl an Anschlussenden der elektrischen Leiter elektrische Kontaktierungselemente elektrisch leitfähig angeschlossen werden als auch Strömungsanschlusselemente an im Komponentenkörper vorhandene Strömungskanäle in jeweils gewünschter Geometrie, gegebenenfalls in Form eines integrierten Schaltrings, realisiert werden.
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Die Strömungsanschlusselemente können dabei an Eingängen oder Ausgängen oder an Ein- und Ausgängen der Strömungskanäle realisiert sein.
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Die elektrischen Kontaktierungselemente und die Strömungsanschlusselemente können dabei materialtechnisch separat voneinander gefertigt werden, so dass sie keine generativ gefertigte materialtechnische Verbindung zueinander aufweisen. In alternativer Ausgestaltung kann es auch möglich sein, dass Strömungsanschlusselemente und elektrische Kontaktierungselemente als mittels der generativen Fertigung miteinander verbundene Einheiten gefertigt werden.
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Das generative Fertigungsverfahren kann beispielsweise das selektive Laserschmelzverfahren sein.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die elektrischen Leiter Hohlleiter sind und selbst Strömungskanäle ausbilden, und dass Strömungsanschlusselemente mittels generativer Fertigung an den Hohlleitern generiert werden. Dadurch wird es ermöglicht, dass die linearen Leiterabschnitte der elektrischen Leiter in den Nuten mit Kühlmittel gekühlt werden.
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Das bedeutet, dass ein im Körper der elektrischen Leistungskomponente angeordneter Hohlleiter strömungstechnisch angeschlossen wird, indem an einem Eingang des Hohlleiters ein komplexes Gesamtverbindungselement im Sinne einer Sammeleinrichtung, die auch als Busbar bzw. Verbinder bezeichnet werden kann, oder mehrere einzelne Verbindungselemente additiv gefertigt werden.
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Die generative Fertigung erlaubt eine Führung des Kühlfluides direkt in die Hohlleiter.
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Eine weitere Ausführung sieht vor, dass die Strömungskanäle in Bezug zu elektrischen Leitern separat ausgebildet sind, und dass Strömungsanschlusselemente mittels generativer Fertigung an separaten Strömungskanälen generiert werden.
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Beispielsweise können neben elektrischen Leitern in einer Nut hohle Kanalelemente angeordnet sein, an deren Endbereichen mittels generativer Fertigung Strömungsanschlusselemente erzeugt werden. In alternativer Ausgestaltung können auch Strömungskanäle außerhalb der Nuten im Körper der elektrischen Leistungskomponente vorhanden sein, wobei auch in dieser Ausführung Strömungsanschlusselemente mittels generativer Fertigung an diesem separaten Strömungskanälen generiert werden. Die Strömungsanschlusselemente können dabei Strömungskanäle untereinander verbinden und/ oder die Verbindung von wenigstens einem Strömungskanal mit einer externen Kühleinrichtung oder einem Kühlkreislauf realisieren.
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Die elektrischen Leiter können Steckelemente, wie z.B. Steckspulen in U-Geometrie sein. Unter derartigen Steckspulen in U-Geometrie werden auch sogenannte Hairpins verstanden.
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In dieser Ausführungsform umfassen die elektrischen Leiter im wesentlichen lineare Leiterabschnitte, die durch einen gekrümmten Bereich miteinander verbunden sind.
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In alternativer Ausführungsform können die Steckelemente auch sogenannte I-Pins sein, also im Wesentlichen ausschließlich lineare Elemente.
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Wenn die Steckelemente als Hohlleiter ausgeführt sind wird es ermöglicht, dass die linearen Leiterabschnitte der elektrischen Leiter in den Nuten mit Kühlmittel gekühlt werden. Die Endbereiche der linearen Abschnitte können mittels generativer Fertigung mit den elektrischen Kontaktierungselementen und gleichzeitig mit Strömungsanschlusselementen ausgestattet werden. Dabei können die elektrischen Kontaktierungselemente und die Strömungsanschlusselemente zumindest abschnittsweise Bestandteile eines gemeinsamen multifunktionalen Anschlussbereichs sein.
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Mittels der generativen Fertigung kann dabei zumindest abschnittsweise ein Wickelkopf an den Anschlussenden der Steckelemente erzeugt werden.
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Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass mit der generativen Fertigung zumindest abschnittsweise eine Sammeleinrichtung an den Anschlussenden der Steckelemente erzeugt wird. Eine solche Sammeleinrichtung wird oftmals auch als Busbar oder Verbinder bezeichnet und kann als eine Anordnung von Leitern eine Sammelschiene sein, die als zentraler Verteiler von elektrischer Energie dient.
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Das Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente kann auch ausgeführt werden, wenn die elektrischen Leiter Bestandteile einer Wicklung sind. Eine derartige Wicklung kann eine sogenannte Wellenwicklung sein.
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Bei der kontinuierlichen Wellenwicklung als Fertigungsverfahren wird eine oftmals verteilte Wicklung in einem Wickel- oder Biege- und Schicht- bzw. Webverfahren erstellt und anschließend in Nuten einer elektrischen Leistungskomponente wie z.B. in den Nuten eines Stators platziert.
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In alternativer Ausführungsform ist die Wicklung eine Schleifenwicklung, bei der die Wicklung lediglich eine Spule ausbildet, deren lineare Abschnitte in nur zwei Nuten platziert sind.
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Eine derart ausgebildete elektrische Leistungskomponente ist ein Formspulenstator.
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Bei einer Wellenwicklung oder auch bei der Schleifenwicklung kann ebenfalls vorgesehen sein, dass deren Leiter als Hohlleiter ausgestaltet sind, wobei mittels der generativen Fertigung elektrische Kontaktierungselemente an wenigstens einem von der Wicklung ausgebildeten Wickelkopf angeschlossen werden, sowie eine strömungstechnische Verbindung mittels der generativen Fertigung an einen oder mehrere der von den Hohlleitern der Wicklung realisierten Strömungskanäle geschaffen wird.
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Mit der generativen Fertigung kann zumindest abschnittsweise eine Sammeleinrichtung an den Anschlussenden eines Wickelkopfes der Wicklung erzeugt werden. In diesem Fall existiert bereits ein Wickelkopf. Entsprechend ist hier vorgesehen, dass mittels generativer Fertigung eine Sammeleinrichtung erzeugt wird, die an den Wickelkopf anschließt. Das bedeutet, dass die realisierten elektrischen Kontaktierungselemente zumindest Bestandteil einer Sammeleinrichtung sein können oder diese vollständig ausbilden können.
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Eine Sammeleinrichtung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung als eine Einrichtung definiert, die dazu eingerichtet ist, mehrere Spulen einer Phase in Reihe oder parallel zu schalten, eine Dreiecks- oder Stern-Schaltung mehrerer Spulen zu realisieren und/ oder Leitungsanschlüsse zur Peripherie der leistungserzeugenden Komponente zu realisieren, wie z.B. zu einem Inverter.
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Entsprechend bildet eine Sammeleinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung auch eine Verteilerfunktion aus. Die Sammeleinrichtung kann dabei mit wenigstens einem Kühlkanal ausgestattet sein, der mittels generativer Fertigung erzeugt wird. Die Sammeleinrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass sie einen strömungstechnischen und/ oder elektrischen Anschluss zu elektrischen Leitern in vielen oder in allen Nuten bzw. zu dortigen Strömungskanälen realisiert.
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Die generativ hergestellten elektrischen Kontaktierungselemente können derart eingerichtet sein, dass sie der Stromführung von elektrischen Leitern untereinander dienen, der Führung des Stroms zu einer Stern- oder Dreiecksschaltung dienen und/ oder der Verschaltung von Spulengruppen in Parallel- oder Reihenschaltung dienen. Alternativ oder hinzukommend können die generativ hergestellten elektrischen Kontaktierungselemente auch dem elektrischen Anschluss der leistungserzeugenden Komponente an einer externen Leistungselektronik und/ oder an Phasenanschlüssen dienen.
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Die elektrischen Kontaktierungselemente und die Strömungsanschlusselemente können mit dem gleichen generativen Fertigungsverfahren in einem Arbeitsvorgang hergestellt werden.
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Das bedeutet, dass unter Verwendung derselben Einrichtung zur Ausführung des generativen Herstellungsverfahrens sowohl die elektrischen Kontaktierungselemente als auch die Strömungsanschlusselemente erzeugt werden, ohne die Einrichtung zu wechseln. Entsprechend ist es nicht notwendig, neben allen bereits erzeugten elektrischen Anschlüssen alle Strömungsanschlüsse zu erzeugen, und umgekehrt. Als generativ verarbeitetes Material kann Kupfer oder Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung oder CuCrZr verwendet werden. Dabei kann das gleiche Material für die generative Herstellung der Kontaktierungselemente als auch der Strömungsanschlusselemente eingesetzt werden.
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Das Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine kann dadurch ergänzt sein, dass zumindest auf die elektrischen Kontaktierungselemente wenigstens teilweise eine Isolationsschicht mittels eines Tauch- oder Träufelverfahrens aufgebracht wird. Einem solchen Beschichtungsverfahren kann gegebenenfalls auch die gesamte Sammeleinrichtung unterzogen werden. Entsprechend lassen sich mit dem vorgestellten Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente in einfacher und flexibler Weise generativ elektrische Verbindungselemente zur elektrischen Kontaktierung sowie strömungstechnische Verbindungselemente zurück Zu -und/oder Abführung eines Kühlmediums im Wesentlichen zur gleichen Zeit fertigen.
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Dabei kann das Verfahren je nach Ausgestaltung der Art durchgeführt werden, dass durch die generativ erzeugte Sammeleinrichtung einzelne Wicklungssegmente einer Hairpin-Wicklung oder auch von Wellenwicklungsmatten verbunden werden, wie zum Beispiel zum Verschalten einer oder mehrerer Wellenwicklungsmatten zu einer Stufenwicklung, und/oder
zur Implementierung von so genannten Lagensprüngen über mehrere Wicklungs-Lagen hinweg.
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Des Weiteren kann die generativ erzeugte Sammeleinrichtung zum Verbinden von Spulengruppen einer Phase in serieller oder Reihenschaltung, zum Verbinden der Phasen in einer gewünschten Stern- oder Dreiecktopologie, zur Realisierung der Phasenanschlüsse für die elektrische Kontaktierung zum Inverter dienen.
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Neben der elektrischen Kontaktierung kann die generativ hergestellte Sammeleinrichtung auch der Medienführung zwischen verschiedenen Strömungskanälen in den Nuten des Stators dienen, wobei die Sammeleinrichtung an ein metallisches Spaltrohr angeschlossen sein kann, oder aber auch an Hohlleiter, die mit der Sammeleinrichtung strömungstechnisch sowie elektrisch leitfähig kontaktiert werden können.
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Strömungstechnisch kann dabei mit der Sammeleinrichtung eine Verzweigung der Strömungsfaden eines Kühlungsmediums realisiert werden, oder aber auch eine Bündelung in einem zentralen Kühlkanal.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls eine leistungserzeugende Komponente, welche gemäß dem beschriebenen Verfahren in wenigstens einer seiner Ausgestaltungen hergestellt ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Rotationsmaschine, welche wenigstens eine gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente hergestellte elektrische Leistungskomponente, wie z.B. einen Stator, aufweist.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: eine leistungserzeugende Komponente in Explosionsdarstellung;
- 2: eine teilweise Schnittansicht des Komponentenkörpers der leistungserzeugenden Komponenten; und
- 3: ein generativ hergestellter Wickelkopf mit Sammeleinrichtung.
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Die 1-3 erläutern das vorliegende Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine anhand der generativen Herstellung eines kompletten Wickelkopfes mit Sammeleinrichtung. 1 zeigt dabei eine leistungserzeugende Komponente 10 in Explosionsdarstellung, wobei hier die leistungserzeugende Komponente 10 ein Stator einer elektrischen Rotationsmaschine ist. Dieser Stator umfasst einen Komponentenkörper 11, der entsprechend der Statorkörper ist, der gegebenenfalls aus einem Blechpaket ausgeführt sein kann.
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Im Komponentenkörper 11 sind in Spulen hier nicht dargestellte elektrische Leiter angeordnet, deren Anschlussenden 12 axial aus dem Komponentenkörper 11 herausragen. Dieser Anschlussenden 12 können die Enden von sogenannten Hairpins sein, oder aber auch die Anschlüsse einer Wellenwicklung.
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Neben, in oder an den Anschlussenden 12 sind Strömungskanäle 13 ausgebildet. Durch ein generatives Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel 3-D-Druck werden komplette Wickelköpfe 20 gefertigt, die mehrere elektrische Kontaktierungselemente 21 sowie mehrere Strömungsanschlusselemente 22 aufweisen. Diese Wickelköpfe 20 werden derart am Komponentenkörper 11 angeordnet, dass die elektrische Kontaktierungselemente 21 mittels der generativen Fertigung mit den Anschlussenden 12 der elektrischen Leiter elektrisch leitfähig verbunden werden, und die Strömungsanschlusselemente 22 strömungstechnisch mit den Strömungskanälen 13 verbunden werden.
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Derart lässt sich in flexibler Weise ein kompletter Wickelkopf 20 unter gleichzeitiger Realisierung der elektrischen Anschlüsse als auch der Strömungsanschlüsse erzeugen, sodass die Herstellungsprozesse der elektrischen Anschlüsse sowie auch der Strömungsanschlüsse einander nicht behindern.
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2 zeigt im Schnitt einen Ausschnitt aus dem Komponentenkörper 11. Hier ist zu erkennen, dass in einer Nut 17 mehrere elektrische Leiter 14 parallel zueinander verlaufen. Zwischen den elektrischen Leitern 14 befinden sich Hohlräume 15, die mittels eines jeweiligen Isolators 16 vom Komponentenkörper 11 bzw. von benachbarten elektrischen Leitern elektrisch isoliert sind. Die Hohlräume 15 bilden Strömungskanäle 13 aus.
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Die zu 1 beschriebenen elektrischen Kontaktierungselemente 21 werden generativ an die elektrischen Leiter 14 angeschlossen, und die Strömungsanschlüsse Elemente 22 werden an die von den Hohlräumen 15 realisierten Strömungskanäle 13 angeschlossen.
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3 zeigt einen generativ gefertigten Wickelkopf 20 in perspektivischer Ansicht. Es ist ersichtlich, dass der Wickelkopf 20 eine Vielzahl von Leitungsabschnitten umfasst, die derart angeordnet sind, um in einzelnen Nuten im Komponentenkörper befindliche elektrische Leiter zu kontaktieren und daraus durch entsprechende Verschaltungen Spulen zu bilden. Am Wickelkopf 20 sind drei elektrische Kontaktierungselemente 21 generativ ausgebildet, die zum Anschluss an eine externe Stromversorgung bzw. an einen Inverter dienen. In der hier dargestellten Ausführungsform sind an den elektrischen Kontaktierungselementen 21 Strömungsanschlusselemente 22 ausgebildet, zur Ausbildung von Kühlkanälen 31 zwecks Zu- oder Abführung eines Kühlmediums in Strömungskanäle im Komponentenkörper.
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Des Weiteren ist am Wickelkopf ein Verschaltungselement 23 generativ ausgebildet, welches zum Verschalten der Phasen in Dreiecks-bzw. Sternschaltung sowie zur elektrischen Verschaltung erzeugter Wicklungsspulen parallel oder seriell dient.
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Die elektrischen Kontaktierungselemente 21 bilden zusammen mit dem Verschaltungselement 23 eine Sammeleinrichtung 30 aus, die auch als Busbar bzw. Verbindungselement bezeichnet werden kann.
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Durch die Integration der elektrischen Kontaktierung sowie der Strömungsanschlüsse bildet die Sammeleinrichtung 30 entsprechend mehrere multifunktionale Anschlussbereiche 32 aus.
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Zur Vorbereitung der generativen Fertigung des Wickelkopfes 20 sowie der Sammeleinrichtung 30 werden bei Verwendung von Steckspulen bzw. sogenannten Hairpins diese gebogen und in den Komponentenkörper eingebracht. Die Enden der Steckspulen werden dann mittels des generativen Verfahrens mit elektrischen Kontaktierungselementen 21 ausgestattet. Bei Bedarf kann auch noch ein Teil der hergestellten Wicklung geschränkt und/oder geschweißt werden.
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Bei Verwendung einer Wellenwicklung ist vorgesehen, dass eine oder mehrere Wickelmatten durch Wickeln erzeugt werden, in den Komponentenkörper eingerollt werden und dort expandieren.
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Anschlussenden der Wellenwicklung werden dann mittels des generativen Verfahrens mit elektrischen Kontaktierungselementen 21 ausgestattet. Gleichzeitig mit der Erstellung der elektrischen Kontaktierungselemente 21 werden auch Strömungsanschlusselemente 22 generativ erzeugt. Die Sammeleinrichtung 30 wird durch generative Fertigung an den Anschlusselementen realisiert.
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Daran anschließen kann sich ein Beschichtungsprozess, der nach dem generativen Herstellungsverfahren eine Isolationsschicht auf die Sammeleinrichtung 30 aufbringen kann, beispielsweise in einem Tauch- oder Träufelverfahren, mit dem die Oberfläche der Sammeleinrichtung 30 eine elektrisch isolierende Wirkung erhält.
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Neben dem Vorteil der flexiblen Fertigung von elektrischen Anschlüssen sowie Strömungsanschlüssen geht das vorliegende Verfahren mit einer Minimierung von additiv gefertigtem Volumen einher, wodurch die für die Serienapplikation kritischen Prozesskosten und Materialkosten gesenkt werden können.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine lässt sich in einfacher, zeitsparender sowie flexibler Weise eine elektrische Kontaktierung einer Wicklung sowie eine strömungstechnische Verbindung zur Zuführung eines Kühlungsmediums an der leistungserzeugenden Komponente realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- leistungserzeugende Komponente
- 11
- Komponentenkörper
- 12
- Anschlussende
- 13
- Strömungskanal
- 14
- elektrischer Leiter
- 15
- Hohlraum
- 16
- Isolator
- 17
- Nut
- 20
- Wickelkopf
- 21
- elektrisches Kontaktierungselement
- 22
- Strömungsanschlusselement
- 23
- Verschaltungselement
- 30
- Sammeleinrichtung
- 31
- Kühlkanal
- 32
- multifunktionaler Anschlussbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014015564 A1 [0007, 0011]
- DE 102017119033 A1 [0008]
- US 6577038 B2 [0009]
- WO 2015150556 A1 [0010]
- US 5659944 [0011]
- US 2002079773 A1 [0012]
