DE102022117680A1

DE102022117680A1 - Stator mit aussendurchmesser-sammelschienenanschluss

Info

Publication number: DE102022117680A1
Application number: DE102022117680.0A
Authority: DE
Inventors: Tim Beatty; Kirk Neet; Ryan J. Jones; Dave Durant
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2023-01-19
Also published as: CN115622309A; US20230016106A1

Abstract

Ein Stator für eine elektrische Maschine umfasst einen zylindrischen Kern, der eine innere zylindrische Oberfläche und eine äußere zylindrische Oberfläche definiert, wobei mehrere Nuten zwischen der inneren zylindrischen Oberfläche und der äußeren zylindrischen Oberfläche ausgebildet sind. Auf dem zylindrischen Kern sind Wicklungen positioniert. Die Anschlussdrähte der Wicklungen beinhalten mehrere innere Anschlussdrähte, die Leitern in einer inneren Schicht der Nuten zugeordnet sind, und mehrere äußere Anschlussdrähte, die Leitern in einer äußeren Schicht der Nuten zugeordnet sind. Eine Sammelschienenanordnung beinhaltet mehrere innere Sammelschienen und mehrere äußere Sammelschienen, wobei die mehreren inneren Sammelschienen mit den mehreren inneren Anschlussdrähten verbunden sind und die mehreren äußeren Sammelschienen mit den mehreren äußeren Anschlussdrähten verbunden sind. Die mehreren äußeren Sammelschienen sind von den Endwindungen der Wicklungen radial nach außen und von der äußeren zylindrischen Oberfläche radial nach innen positioniert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/221,720 , eingereicht am 14. Juli 2022, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
GEBIET
Diese Anmeldung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen und insbesondere auf Wicklungsanordnungen und Klemmenanschlüsse für elektrische Maschinen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrische Maschinen sind so konzipiert, dass sie spezifischen Betriebsanforderungen und räumlichen Beschränkungen gerecht werden. Beispiele für Konstruktionsmerkmale, die zur Betriebsleistung beitragen, beinhalten die Statorgröße, die Rotorgröße, die Art und Anordnung der Wicklungen und beliebige von verschiedenen anderen Designparametern, wie der Durchschnittsfachmann erkennen wird. Alle Betriebsanforderungen für die elektrische Maschine müssen erfüllt werden, während auch bestimmte räumliche Beschränkungen eingehalten werden, die von der Anwendung für die elektrische Maschine abhängig sind. Bei Fahrzeuganwendungen ist der Platz innerhalb des Motorraums begrenzt, und Konstrukteure müssen den Gesamtdurchmesser und die Gesamtlänge der elektrischen Maschine berücksichtigen. Dementsprechend ist es wichtig, die Größe einer elektrischen Maschine ohne Abstriche bei Leistungsmerkmalen zu begrenzen.
Statoren von elektrischen Maschinen beinhalten Wicklungen, die auf einem Statorkern positioniert sind. Die Wicklungen beinhalten Leiter, die sich durch die Nuten des Statorkerns erstrecken, Endwindungen, die sich zwischen den Leitern in den Nuten erstrecken, und zahlreiche Anschlussdrähte, die sich von bestimmten Leitern innerhalb der Nuten erstrecken. Diese Statoren benötigen häufig eine Sammelschiene mit Kupferbahnen, die die folgenden Verbindungen an den Anschlussdrähten herstellen, um eine oder mehrere der folgenden Aufgaben auszuführen: (i) Anschlussdrähte parallel schalten, (ii) den Sternpunkt für die Wicklungsanordnung herstellen, (iii) Phasenanschlussdrähte zu einem Anschlusspunkt für einen Wechselrichter führen und (iv) Anschlussdrähte verbinden, um Reihenschaltungen für Wicklungspfade herzustellen. Alle diese Verbindungen neigen dazu, miteinander um denselben Platz zu konkurrieren. Folglich können die Sammelschienen in einer axialen Richtung (d. h. definiert durch eine Achse, die sich durch eine Mitte des Statorkerns erstreckt) ziemlich hoch werden, wobei sie sich über die Wicklungsendwindungen hinaus erstrecken.
Im Hinblick auf das Vorstehende kann es schwierig sein, den Stator und die Sammelschienenanordnung innerhalb des begrenzten Platzes des Fahrzeugmotorraums richtig unterzubringen. Das Problem verschärft sich, wenn der Wicklung noch mehr Anschlussdrähte zugeordnet sind, weil die Wicklung eine erhöhte Anzahl von Nuten pro Pol pro Phase, eine erhöhte Anzahl paralleler Drähte pro Phase oder eine erhöhte Anzahl von Phasen aufweist. Das Problem verschlimmert sich besonders bei einem Stator, der Reihenschaltungen zwischen Wicklungspfaden und eine hohe Anzahl von Nuten pro Pol pro Phase (z. B. drei oder vier) erfordert.
Im Hinblick auf das Vorstehende wäre es wünschenswert, einen Stator für eine elektrische Maschine mit einer alternativen Sammelschienenkonfiguration bereitzustellen, die zu einer verringerten Länge des Stators führt, und insbesondere Statoren mit Wicklungen mit einer erhöhten Anzahl von Nuten pro Pol und Phase, einer erhöhten Anzahl von Paralleldrähten pro Phase, einer erhöhten Anzahl von Phasen, einer erhöhten Anzahl von Reihenschaltungen und/oder einer hohen Anzahl von Nuten pro Pol pro Phase. Es wäre weiterhin von Vorteil, wenn ein derartiger Stator leicht hergestellt werden könnte, wodurch Herstellungszeit und -kosten verringert würden. Während es wünschenswert wäre, einen Stator bereitzustellen, der eines oder mehrere der vorstehenden oder andere vorteilhafte Merkmale bereitstellt, wie für diejenigen, die diese Offenbarung prüfen, ersichtlich ist, erstrecken sich die hierin offenbarten Lehren auf jene Ausführungsformen, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen, unabhängig davon, ob sie einen oder mehrere der vorstehend genannten Vorteile erzielen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß mindestens einer Ausführungsform der Offenbarung umfasst ein Stator für eine elektrische Maschine einen zylindrischen Kern, Wicklungen und eine Sammelschienenanordnung. Der zylindrische definiert eine innere zylindrische Oberfläche und eine äußere zylindrische Oberfläche mit mehreren Nuten, die zwischen der inneren zylindrischen Oberfläche und der äußeren zylindrischen Oberfläche ausgebildet sind. Die Wicklungen sind auf dem zylindrischen Kern positioniert. Die Wicklungen beinhalten durch die Nuten hindurch verlaufende In-Nut-Abschnitte, Endwindungen und Anschlussdrähte, wobei die Anschlussdrähte der Wicklungen mehrere innere Anschlussdrähte beinhalten, die Leitern in einer inneren Schicht der Nuten zugeordnet sind, und mehrere äußere Anschlussdrähte, die Leitern in einer äußeren Schicht der Nuten zugeordnet sind. Die Sammelschienenanordnung beinhaltet mehrere innere Sammelschienen und mehrere äußere Sammelschienen, wobei die mehreren inneren Sammelschienen mit den mehreren Anschlussdrähten verbunden sind und die mehreren äußeren Sammelschienen mit den mehreren äußeren Anschlussdrähten verbunden sind. Die mehreren äußeren Sammelschienen sind von den Endwindungen der Wicklungen radial nach außen und von der äußeren zylindrischen Oberfläche radial nach innen positioniert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung umfasst ein Stator für eine elektrische Maschine einen Kern, der mehrere Nuten definiert, Wicklungen, die auf dem Kern positioniert sind, wobei die Wicklungen In-Nut-Abschnitte, Endwindungen und Anschlussdrähte beinhalten, wobei die Anschlussdrähte der Wicklungen mehrere innere Anschlussdrähte beinhalten, die Leitern in einer inneren Schicht der Nuten zugeordnet sind, und mehrere äußere Anschlussdrähte, die Leitern in einer äußeren Schicht der Nuten zugeordnet sind. Der Stator umfasst ferner eine Sammelschienenanordnung, die mehrere innere Sammelschienen und mehrere äußere Sammelschienen beinhaltet, die von einer Halterung gehalten werden. Die mehreren inneren Sammelschienen sind mit den mehreren inneren Anschlussdrähten verbunden, und die mehreren äußeren Sammelschienen sind mit den mehreren äußeren Anschlussdrähten verbunden. Die mehreren inneren Sammelschienen sind von Spitzen der Endwindungen axial nach außen positioniert. Die mehreren äußeren Sammelschienen sind von den Endwindungen radial nach außen und von den Spitzen der Endwindungen axial nach innen positioniert.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung beinhaltet eine Sammelschienenanordnung mehrere innere Sammelschienen, die mehrere Phasenanschlussschienen und eine Neutralleiteranschlussschiene beinhalten, wobei jede der inneren Sammelschienen einen Umfangsabschnitt und mehrere axiale Verbindungsarme beinhaltet. Die Sammelschienenanordnung umfasst ferner eine erste Halterung, die mit jeder der inneren Sammelschienen in Eingriff steht, wobei die erste Halterung einen ersten nichtleitenden Bogenabschnitt beinhaltet. Zusätzlich umfasst die Sammelschienenanordnung mehrere äußere Sammelschienen, die von den mehreren inneren Sammelschienen radial nach außen angeordnet sind, wobei jede der äußeren Sammelschienen einen Umfangsabschnitt beinhaltet, der sich zwischen zwei axialen Verbindungsarmen erstreckt. Die Sammelschienenanordnung umfasst auch eine zweite Halterung, die mit jeder der äußeren Sammelschienen in Eingriff steht, wobei die zweite Halterung einen zweiten nichtleitenden Bogenabschnitt mit mindestens einem axialen Schenkel beinhaltet, der sich von dem zweiten nichtleitenden Bogenabschnitt erstreckt. Die Neutralleiteranschlussschiene ist zwischen der ersten Halterung und der zweiten Halterung positioniert.
Die vorstehend beschriebenen Merkmale und Vorteile sowie andere werden für den Durchschnittsfachmann unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen leichter ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Stators, der einen Statorkern und eine zweiteilige Sammelschienenanordnung beinhaltet, die Außendurchmesser-Reihenschaltungen und Innendurchmesser-Phasenschaltungen für Statorwicklungen bereitstellt;
2 ist eine perspektivische Ansicht der vom Statorkern isolierten Sammelschienenanordnung von 1, wobei die Sammelschienenanordnung eine zweiteilige Umhausung und mehrere in die Umhausung eingebettete Sammelschienen beinhaltet;
3 ist eine perspektivische Ansicht von Außendurchmesser-Sammelschienen und Innendurchmesser-Sammelschienen der Sammelschienenanordnung von 2, wobei die Sammelschienen in Verbindung mit den Statorwicklungen, aber isoliert von der Umhausung der Sammelschienenanordnung gezeigt sind;
4 ist eine Seitenansicht der Sammelschienen und Statorwicklungen von 3;
5 ist eine perspektivische Ansicht der Außendurchmesser-Sammelschienen der Sammelschienenanordnung von 2, wobei die Außendurchmesser-Sammelschienen isoliert von der Umhausung der Sammelschienenanordnung gezeigt sind;
6 ist eine perspektivische Ansicht der Außendurchmesser-Sammelschienen einer alternativen Ausführungsform von 1, wobei die Sammelschienen den Statorwicklungen zugeordnet und isoliert von der Umhausung der Sammelschienenanordnung gezeigt sind;
7 ist eine axiale Endansicht der Sammelschienen von 6;
8 ist eine axiale Endansicht einer alternativen Ausführungsform der Sammelschienen von 7; und
9 ist eine axiale Endansicht einer anderen alternativen Ausführungsform der Sammelschienen von 7.

BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet eine elektrische Maschine einen Stator 12 mit einer darauf positionierten Sammelschienenanordnung 40. Der Stator 12 beinhaltet einen Statorkern 14 mit einer auf dem Kern 14 positionierten Wicklungsanordnung 30. Ein Rotor der elektrischen Maschine (nicht gezeigt) ist dazu konfiguriert, innerhalb des Kerns 14 drehbar montiert zu sein. Die Wicklungsanordnung 30 beinhaltet mehrere Phasenwicklungen, wobei jede der Phasenwicklungen in einem von mehreren Anschlussdrähten 36 endet. Die Sammelschienenanordnung 40 ist an einem Ende der Statoranordnung 12 bereitgestellt und ist mit den Wicklungsanschlussdrähten 36 elektrisch verbunden. Wie hierin beschrieben, ist die Sammelschienenanordnung 40 von den Endwindungen 34 der Wicklungsanordnung 30 sowohl axial nach außen als auch radial nach außen positioniert. Gleichzeitig ist die Sammelschienenanordnung 40 auch vom Außendurchmesser des Statorkerns radial nach innen positioniert (d. h. innerhalb des zylindrischen Raums, der durch den Statorkern definiert ist und sich axial über die Enden des Statorkerns hinaus erstreckt).
Statorkern und Wicklungen
Weiterhin in Bezug auf 1 besteht der Statorkern 14 aus einem ferromagnetischen Material und ist typischerweise aus mehreren Stahlblechen gebildet, die gestanzt und aufeinandergestapelt werden, um ein Blechpaket zu bilden. Der Statorkern 14 ist allgemein zylindrisch geformt, wie durch eine Mittelachse 20 definiert, und beinhaltet eine Innenumfangsfläche 22 und eine Außenumfangsfläche 24. Die Innenumfangsfläche 22 definiert einen Innendurchmesser (ID) für die Statoranordnung 12 (die hierin auch als innere zylindrische Oberfläche bezeichnet werden kann). Die Außenumfangsfläche 24 definiert einen Außendurchmesser (OD) für die Statoranordnung 12 (die hierin auch als innere zylindrische Oberfläche bezeichnet werden kann). Mehrere Zähnen 16 sind an der Innenseite des Statorkerns 14 ausgebildet und in Richtung der Mittelachse 20 nach innen gerichtet. Jeder Zahn 16 erstreckt sich radial nach innen und endet an der Innenumfangsfläche 22. In dem Statorkern 14 sind zwischen den Zähnen 16 axiale Nuten 18 ausgebildet.
Die von den Zähnen 16 definierten Nuten 18 können entlang der Innenumfangsfläche 22 des Statorkerns 14 offen sein, oder sie können halbgeschlossene Nuten sein, wobei jede Nut 18 nahe der Innenumfangsfläche 22 eine kleinere Breite als die Breite näher an der Außenumfangsfläche 24 aufweist. Öffnungen zu den Nuten 18 sind durch die Innenumfangsfläche sowie durch die beiden Enden des Statorkerns 14 bereitgestellt. Jede Nut 18 ist zwischen benachbarten Zähnen 16 definiert, wobei zwei benachbarte Zähne zwei einander gegenüberliegende radiale Wände für eine Nut bilden. Da die Nuten 18 radial nach innen auf dem Statorkern 14 positioniert sind, ist der äußere Abschnitt des Statorkerns frei von Nuten 18. An jedem Ende des Stators ist zwischen der Außenumfangsfläche 24 und den Nuten eine Schulter 19 ausgebildet.
Der Statorkern 14 ist dazu konfiguriert, die Wicklungsanordnung 30 (die hierin auch einfach als „Wicklungen“ bezeichnet werden kann) innerhalb der Nuten 18 des Statorkerns 14 zu halten. In mindestens einer Ausführungsform ist die Wicklungsanordnung 30 aus mehreren länglichen Drähten (z. B. Kupferdrähten) ausgebildet, die in die Nuten 18 auf dem Statorkern 14 fortlaufend gewickelt sind, um die Wicklungen zu bilden. In mindestens einer alternativen Ausführungsform ist die Wicklungsanordnung 30 aus mehreren segmentierten Leitern (z. B. Kupferleitersegmenten, die manchmal als „Haarnadel“- oder „U-Bogen“-Leiter bezeichnet werden) ausgebildet, wie für den Fachmann erkennbar ist. Die segmentierten Leiter werden von einem ersten Ende 26 (z. B. einem „Einführungsende“) des Statorkerns 14 in die Nuten 18 eingeführt. Die segmentierten Leiter sind an einem gegenüberliegenden Ende 28 (z. B. einem „Schweißnahtende“) des Statorkerns 14 miteinander verbunden.
Die Leiter der fertiggestellten Wicklungsanordnung 30 bilden mehrere Phasenwicklungen. In mindestens einer Ausführungsform beinhaltet die Wicklungsanordnung drei Phasenwicklungen (z. B. U-Phasen-Wicklungen, V-Phasen-Wicklungen und W-Phasen-Wicklungen) mit mehreren Pfaden für jede Phase. Die drei Phasenwicklungen können abhängig von der gewünschten Wicklungskonfiguration in Stern („Y“) oder in Dreieck („Δ“) geschaltet sein.
Die Leiter, die die fertiggestellten Wicklungen 30 auf dem Statorkern bilden, beinhalten In-Nut-Abschnitte 32, Endwindungen 34 und Wicklungsanschlussdrähte 36. Die In-Nut-Abschnitte 32 sind gerade Abschnitte der Leiter, die sich durch die Nuten 18 des Statorkerns 14 erstrecken. Jeder In-Nut-Abschnitt 32 führt Strom von einem Ende 26/28 des Statorkerns 14 zu dem gegenüberliegenden Ende 28/26 des Statorkerns. Wie der Fachmann erkennen wird, können die In-Nut-Abschnitte 32 in einer einzigen Reihe in jeder Nut ausgerichtet sein, und jede Position in der Reihe kann als eine Leiter-„Schicht“ bezeichnet werden. Beispielsweise kann jede Nut 18 vier Schichten, sechs Schichten, acht Schichten oder eine andere Anzahl von Schichten von Leitern enthalten, die in einer einzigen Reihe von einer innersten Schicht zu einer äußersten Schicht angeordnet sind.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 verbinden die Endwindungen 34 die In-Nut-Abschnitte der Wicklungen. Insbesondere verbindet jede Endwindung 34 einen In-Nut-Abschnitt in einer ersten Nut mit einem anderen In-Nut-Abschnitt in einer zweiten Nut. Die Anzahl der Nuten, die von der Endwindung überspannt werden, definiert eine „Teilung“ der Endwindung (z. B. Fünfer-, Sechser-, Siebener-Teilung usw.). Wenn die Wicklungen aus segmentierten Leitern ausgebildet sind, beinhalten die Endwindungen 34 gebogene Abschnitte (auch als „U-Bogen“ bezeichnet), die an einem Einführungsende des Kerns angeordnet sind, und geschweißte Abschnitte an einem Verbindungsende (auch als „Schweißende“ bezeichnet) des Statorkerns. In diesem Fall beinhaltet jeder segmentierte Leiter einen ersten Schenkel, der sich durch eine Nut erstreckt, einen zweiten Schenkel, der sich durch eine andere Nut erstreckt, und einen U-Bogen, der sich zwischen den beiden Schenkeln erstreckt. Die U-Bögen stellen Endwindungen 34a an dem Einführungsende 26 des Kerns 14 bereit. Die Schenkelenden, die sich von dem Verbindungsende 28 des Stators erstrecken, sind gebogen, um benachbarte Schenkelenden zu bilden. Benachbarte Schenkelenden sind verschweißt oder anderweitig miteinander verbunden, um Endwindungen 34b an dem Verbindungsende 28 des Statorkerns zu bilden.
Die Wicklungen 30 und der Statorkern 14 definieren verschiedene Statorabmessungen. Beispielsweise kann die zylindrische Form des Statorkerns 14 durch den AD und den ID definiert werden. Zusätzlich wird die Länge des Statorkerns 14 in der axialen Richtung durch den Abstand zwischen der axial gerichteten Oberfläche an dem Verbindungsende und der gegenüberliegenden axial gerichteten Oberfläche an dem Schweißnahtende definiert. In Bezug auf die Wicklungen 30 ist die axiale Länge der Wicklungen 30 größer als die axiale Länge des Statorkerns 14, da sich die Wicklungsendwindungen 34 in der axialen Richtung über den Statorkern 14 hinaus erstrecken. Die axiale Länge der Wicklungen 30 kann durch den Abstand zwischen den Spitzen der Endwindungen 34 an gegenüberliegenden Enden 26, 28 des Statorkerns 14 definiert sein. Die „Spitze“ einer Endwindung 34 kann als der/die äußerste Punkt/Region an der Endschleife in der axialen Richtung von dem Statorkern 14 betrachtet werden. Wenn davon ausgegangen wird, dass die Spitzen der Endwindungen 34 auf jeder Seite des Stators in einer einzigen Ebene liegen, kann die axiale Länge der Wicklungen 30 als der Abstand zwischen diesen zwei Ebenen definiert werden. Außerdem hat die Wicklung 30 eine Breite w, die zwischen inneren Leitern, die sich von einer innersten Schicht einer Statornut 18 erstrecken, und äußeren Leitern, die sich von einer äußersten Schicht der Statornut erstrecken, definiert ist. Die Endwindungen 34 werden auch durch die gleiche Breite w definiert, wie in 1 gezeigt. Da die Endwindungen 34 kreisförmig um den Statorkern herum angeordnet sind, können die Außenleiter so betrachtet werden, dass sie einen Außendurchmesser 31 für die Endwindungen 34 definieren, und die Innenleiter können so betrachtet werden, dass sie einen Innendurchmesser 29 für die Endwindungen 34 definieren. Die Breite der Endwindungen ist der Abstand zwischen dem Außendurchmesser 31 und dem Innendurchmesser 29.
Die Wicklungsanschlussdrähte 36 sind Leiterabschnitte (z. B. Schenkelenden), die sich in der axialen Richtung über die Spitzen der Endwindungen 34 hinaus erstrecken. Jeder Leiter, der einen Wicklungsanschlussdraht 36 bildet, ist mit einem In-Nut-Abschnitt der Wicklungen verbunden und erstreckt sich von den Endwindungen 34 nach außen. Wie am besten in 4 und 5 gezeigt, erstreckt sich jeder der Wicklungsanschlussdrähte 36 in einer axialen Richtung etwas über die Endwindungen 34 hinaus. In zumindest einigen Ausführungsformen sind die Wicklungsanschlussdrähte 36 gebogene Leiter (z. B. auf ähnliche Weise wie die Schenkelenden, die benachbarte Schenkelenden zum Zusammenschweißen bilden) und weisen somit eine radiale oder Umfangskomponente auf. In anderen Ausführungsformen können ein oder mehrere Wicklungsanschlussdrähte 36 Schenkelenden sein, die nicht gebogen sind und sich direkt aus einer Nut des Statorkerns 16 in der axialen Richtung erstrecken. In jedem Fall erstreckt sich jeder Wicklungsanschlussdraht 36 von einer Nut weg und endet an einem Ende. Wie nachstehend ausführlicher erläutert, ist das Ende jedes Anschlussdrahts 36 mit einer der Sammelschienen der Sammelschienenanordnung 40 verbunden. Es versteht sich, dass die Verbindung zwischen den Anschlussdrähten 36 und den Sammelschienen 42 eine von verschiedenen Formen annehmen kann, wie etwa Löten oder Schweißen (z. B. eine Wolfram-Inertgas-(WIG)-Schweißung).
Die Wicklungen 30 in den hierin offenbarten Ausführungsformen beinhalten eine relativ große Anzahl von Anschlussdrähten 36. Wie zuvor angemerkt, ist der Grund für eine relativ große Anzahl von Anschlussdrähten von der Konfiguration der Wicklung 30 abhängig, z. B. einer Dreiphasenwicklung mit einer relativ hohen Anzahl von Nuten pro Pol pro Phase, wobei jede Phase mehrere Pfade und mehrere Reihenschaltungen beinhaltet, die sich zwischen den mehreren Pfaden in jeder Phase erstrecken. Insgesamt sechsunddreißig Anschlussdrähte 36 sind in der Wicklungsanordnung von 1, 4 und 5 gezeigt.
Die Anschlussdrähte 36 beinhalten einen Satz innerer Anschlussdrähte 37, die sich von einer inneren Schicht der Wicklungen (und insbesondere der innersten Schicht) erstrecken, und einen Satz äußerer Anschlussdrähte 38, die sich von einer äußeren Schicht der Wicklungen (und insbesondere der äußersten Schicht) erstrecken. Die inneren Anschlussdrähte 37 und die äußeren Anschlussdrähte 38 befinden sich beide am gleichen Ende des Statorkerns wie die Sammelschienenanordnung (d. h. das Schweißnahtende 28). Die inneren Anschlussdrähte 37 beinhalten Phasenanschlussdrähte (z. B. Anschlussdrähte für die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase einer Dreiphasen-Wicklungsanordnung) und Neutralleiter für die Statorwicklungen 30. Die äußeren Anschlussdrähte 38 sind alle Wicklungspfadanschlussdrähte, die verschiedene Wicklungspfade verbinden (z. B. Anschlussdrähte für eine Reihenschaltung zwischen zwei Wicklungspfaden, derart, dass die zwei Wicklungspfade verbunden sind, um einen längeren Wicklungspfad bereitzustellen). Ein Beispiel eines derartigen Stators mit Innenschicht-Wicklungsanschlussdrähten und Außenschicht-Wicklungsanschlussdrähten ist in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US-2020-0244125 , veröffentlicht am 30. Juli 2020, gezeigt, deren Inhalt durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen ist.
Sammelschienenanordnung
Mit besonderer Bezugnahme nun auf 2 ist die Sammelschienenanordnung 40 isoliert von der Statoranordnung 12 gezeigt. Die Sammelschienenanordnung 40 beinhaltet mehrere elektrisch leitende Sammelschienen 42, die von einer nichtleitenden Halterung 48 gehalten werden (wobei die Halterung alternativ als „Körper“ oder „Lager“ bezeichnet werden kann). Die Sammelschienen 42 beinhalten innere Sammelschienen 44 und äußere Sammelschienen 46. In der hierin offenbarten Ausführungsform ist die Halterung 48 eine zweiteilige Struktur, die eine nichtleitende innere Sammelschienenhalterung 50, die die inneren Sammelschienen 44 hält, und eine nichtleitende äußere Sammelschienenhalterung 60, die die äußeren Sammelschienen 46 hält, beinhaltet. Der Begriff „nichtleitend“ oder „isolierend“, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf einen Gegenstand, der aus einem Material besteht, das Elektrizität nicht ohne weiteres leitet, wie etwa Kunststoff/Polymer, Glas, Porzellan, Gummi oder eines von verschiedenen anderen Materialien, wie der Fachmann erkennen wird. Im Gegensatz dazu bezieht sich der Begriff „leitfähig“, wie er hier verwendet wird, auf einen Gegenstand, der aus einem Material besteht, das Elektrizität leicht leitet, wie etwa Kupfer, Silber, Aluminium, Gold oder eines von verschiedenen anderen Materialien, wie der Fachmann erkennen wird.
Innere Sammelschienenhalterung
Die innere Sammelschienenhalterung 50 besteht aus einem nichtleitenden Material. Die innere Sammelschienenhalterung 50 ist allgemein halbkreisförmig und beinhaltet einen Bogenabschnitt 52, der mehrere Durchgänge für die inneren Sammelschienen 44 definiert. Der Bogenabschnitt 52 ist durch eine Halbkreisform definiert, die konzentrisch zu der kreisförmigen Querschnittsform des Statorkerns 14 ist. Der Bogenabschnitt 52 beinhaltet eine Umfangsseitenwand 54, die den Umfang des Bogenabschnitts 52 definiert, eine erste Fläche, die axial nach innen weist (nicht gezeigt), und eine gegenüberliegende zweite Fläche, die axial nach außen weist (wie in 2 gezeigt).
Mehrere Klemmenbrücken 56 sind auf der zweiten Fläche positioniert und erstrecken sich auf der Halterung 50 axial nach außen. Insbesondere erstreckt sich jede Klemmenbrücke 56 auf der zweiten Fläche nach außen und stellt eine Plattform bereit, derart, dass ein Raum unter (d. h. axial nach innen von) jeder Plattform definiert ist. Ein Plattformloch 58 ist auf jeder Klemmenbrücke 56 nahe der Mitte der zugeordneten Plattform definiert. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, ist jede Klemmenbrücke 56 so konfiguriert, dass sie eine Klemmenplatte 72 einer Phasenanschlussschiene 70 trägt und es einem Phasenklemmenstift (nicht gezeigt) ermöglicht, sich durch das Plattformloch 58 und unter die zugeordnete Plattform zu erstrecken. In zumindest einigen Ausführungsformen ist eine Klemmenmutter 71 (siehe 3) unter jeder Klemmenbrücke 56 positioniert und für einen Gewindeeingriff mit dem Klemmenstift konfiguriert.
Die innere Sammelschienenhalterung 50 beinhaltet auch mindestens ein Montageloch 59. In der Ausführungsform von 2 ist das Montageloch 59 an einem Ende des Bogenabschnitts 52 positioniert und erstreckt sich durch den Bogenabschnitt 52, wodurch ein Durchgang von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche bereitgestellt wird. Wie nachstehend ausführlicher erläutert, ist das Montageloch 59 dazu konfiguriert, einen Stift oder anderen Vorsprung aufzunehmen, der sich von der äußeren Sammelschienenhalterung 60 erstreckt, und zu ermöglichen, dass die innere Sammelschienenhalterung 50 mit der äußeren Sammelschienenhalterung 60 gekoppelt wird.
Innere Sammelschienen
Die inneren Sammelschienen 44 werden alle durch die innere Sammelschienenhalterung 50 gehalten und/oder greifen in diese ein. Die inneren Sammelschienen 44 beinhalten mehrere Phasenanschlussschienen 70 und eine Neutralleiteranschlussschiene 78 (die Neutralleiteranschlussschiene 78 ist am besten in 3 gezeigt). Jede innere Sammelschiene 44 einschließlich der Phasenanschlussschienen 70 und der Neutralleiteranschlussschiene 78 besteht aus einem leitfähigen Material. Wie nachstehend erläutert und wie in 1-5 gezeigt, sind alle der inneren Sammelschienen 44 von den Spitzen der Endwindungen 34 axial nach außen und von dem durch die Endwindungen definierten Außendurchmesser 31 radial nach innen positioniert.
Wie in 2 und 3 gezeigt, sind drei verschiedene Phasenanschlussschienen 70 in der hierin offenbarten Sammelschienenanordnung 40 enthalten, wobei eine Phasenanschlussschiene jeder Phase der Dreiphasenwicklung zugeordnet ist. Jede Phasenanschlussschiene 70 beinhaltet eine Klemmenplatte 72, eine Umfangsverlängerung 74 und mehrere axiale Verbindungsarme 76 (die hierin auch als „axiale Arme“ bezeichnet werden können).
Jede Klemmenplatte 72 ist im Allgemeinen flach und weist eine rechteckige Form auf. Jede Klemmenplatte 72 ist dazu konfiguriert, mit der Plattform einer der Klemmenbrücken 56 der inneren Halterung 50 in Eingriff zu treten und auf dieser aufzuliegen. Die Klemmenplatte 72 beinhaltet ein Loch, das ähnlich bemessen und mit dem Mittelloch 58 der zugeordneten Klemmenbrücke 56 ausgerichtet ist. Wie zuvor angemerkt, da unter der Klemmenbrücke 56 Raum bereitgestellt ist, kann eine Phasenklemme (z. B. ein Bolzen oder eine ähnliche Struktur) durch das Loch der Klemmenplatte 72 und das zugeordnete Mittelloch 58 der Brücke hindurchgeführt werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Klemme an die Phasenanschlussschiene 70 angeschlossen wird.
Die Umfangsverlängerung 74 der Phasenanschlussschiene 70 ist ein allgemein flaches und längliches Element, das die Klemmenplatte 72 mit den axialen Armen 76 verbindet. Die Umfangsverlängerung 74 wird innerhalb eines Durchgangs der inneren Sammelschienenhalterung 50 gehalten. Zu diesem Zweck kann das elektrisch isolierende Material (z. B. ein Polymer oder ein anderes Material), das die innere Sammelschienenhalterung 50 bildet, während der Herstellung der Sammelschienenanordnung 40 um die Umfangsverlängerung herum gegossen oder anderweitig ausgebildet werden. Dadurch werden die Sammelschienenhalterung 50 und die Phasenanschlussschienen 70 als eine einheitliche Komponente wiedergegeben, wobei die einzelnen Phasenanschlussschienen 70 unter Umständen nicht von der Sammelschienenhalterung 50 ohne Zerstörung der Halterung 50 entfernt werden können. In mindestens einer alternativen Ausführungsform wird, nachdem die Phasenanschlussschienen 70 mit der Sammelschienenhalterung 50 in Eingriff gebracht wurden, die Sammelschienenhalterung 50 mit Kunststoff umspritzt, wodurch eine Isolierung für die Phasenanschlussschienen 70 in der Nähe der Eingriffspunkte mit der inneren Sammelschienenhalterung 50 bereitgestellt wird.
Die axialen Arme 76 jeder Phasenanschlussschiene 70 erstrecken sich weg von der Umfangsverlängerung 74. Jeder axiale Arm 76 beinhaltet ein proximales Ende, das mit der Umfangsverlängerung 74 verbunden ist, und ein distales Ende, das zur Verbindung mit den Phasenanschlussdrähten konfiguriert ist. Während die proximalen Enden der axialen Arme 76 eine radiale Komponente aufweisen können, erstrecken sich die distalen Enden der axialen Arme 76 in einer axialen Richtung weg von der Umfangsverlängerung 74. Die distalen Enden der axialen Arme 76 sind stiftartige Strukturen mit einer ähnlichen Querschnittsgröße und -form wie die Wicklungsanschlussdrähte 36 und sind auch ähnlich voneinander beabstandet. Dementsprechend können die distalen Enden der axialen Arme 76 benachbart zu den inneren Anschlussdrähten 37 positioniert sein, derart, dass eine Schweißung oder eine andere Verbindung leicht zwischen den axialen Armen 76 und den inneren Anschlussdrähten 37 abgeschlossen werden kann. Während die axialen Arme 76 hierin als stiftartige Elemente gezeigt und beschrieben wurden, die in einer Reihe angeordnet sind, wobei jedes Stiftelement eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweist, versteht es sich, dass die axialen Arme 76 alternativ in anderen Ausbildungen, Formen und Anordnungen bereitgestellt werden können.
Wie am besten in 3 gezeigt, beinhaltet die Neutralleiteranschlussschiene 78 eine Umfangsverlängerung 80 und mehrere axiale Verbindungsarme 82 (die hierin auch als „axiale Arme“ bezeichnet werden können). Die Umfangsverlängerung 80 der Neutralleiteranschlussschiene 78 ist ein allgemein flaches und längliches Element, wobei sich die mehreren axialen Arme 82 von einer Innenseite der Schiene weg erstrecken. Die Umfangsverlängerung ist sandwichartig zwischen der inneren Sammelschienenhalterung 50 und der äußeren Sammelschienenhalterung 60 angeordnet oder anderweitig positioniert. Zum Beispiel beinhaltet die innere Sammelschienenhalterung 50 in mindestens einer Ausführungsform einen Durchgang, der die Umfangsverlängerung 80 hält. In mindestens einer alternativen Ausführungsform greift die Umfangsverlängerung 80 sowohl in die innere Sammelschienenhalterung 50 als auch in die äußere Sammelschienenhalterung 60 ein.
Die axialen Arme 82 erstrecken sich von der Umfangsverlängerung 80 der Neutralleiteranschlussschiene 78 weg. Jeder axiale Arm 82 beinhaltet ein proximales Ende, das mit der Umfangsverlängerung 80 verbunden ist, und ein distales Ende, das zur Verbindung mit den Neutralleitern konfiguriert ist. Während die proximalen Enden der axialen Arme 82 eine radiale Komponente aufweisen können, erstrecken sich die distalen Enden der axialen Arme 82 in einer axialen Richtung weg von der Umfangsverlängerung 80. Die distalen Enden der axialen Arme 82 sind stiftartige Strukturen mit einer ähnlichen Querschnittsgröße und -form wie die Wicklungsanschlussdrähte 36 und sind auch ähnlich voneinander beabstandet. Dementsprechend können die distalen Enden der axialen Arme 82 benachbart zu den inneren Anschlussdrähten 37 positioniert sein, derart, dass eine Schweißung oder eine andere Verbindung leicht zwischen den axialen Armen 82 und den inneren Anschlussdrähten 37 abgeschlossen werden kann.
Äußere Sammelschienenhalterung
Die äußere Sammelschienenhalterung 60 besteht aus einem nichtleitenden Material. Die äußere Sammelschienenhalterung 60 ist im Allgemeinen halbkreisförmig und beinhaltet einen Bogenabschnitt 62 mit mehreren axialen Schenkeln 68, die sich von dem Bogenabschnitt 62 weg erstrecken.
Der Bogenabschnitt 62 ist durch eine Halbkreisform definiert, die konzentrisch zu der kreisförmigen Querschnittsform des Statorkerns 14 ist. Der Bogenabschnitt 62 beinhaltet eine Umfangsseitenwand 64, die den Umfang des Bogenabschnitts 62 definiert, eine erste Fläche, die axial nach innen weist (nicht gezeigt), und eine gegenüberliegende zweite Fläche, die axial nach außen weist (wie in 2 gezeigt). Die erste Fläche des Bogenabschnitts 62 ist im Allgemeinen flach und dazu konfiguriert, mit den Spitzen der Endwindungen 34 an dem Schweißnahtende 28 des Statorkerns in Eingriff zu kommen/darauf aufzuliegen. In ähnlicher Weise ist die erste Fläche des Bogenabschnitts 52 der inneren Sammelschienenhalterung 50 dazu konfiguriert, mit der zweiten Fläche des Bogenabschnitts 62 der äußeren Sammelschienenhalterung 60 in Eingriff zu kommen/darauf aufzuliegen. Wie zuvor angemerkt, ist die Neutralleiteranschlussschiene 78 zwischen dem Bogenabschnitt 52 der inneren Sammelschienenhalterung 50 und dem Bogenabschnitt 62 der äußeren Sammelschienenhalterung 60 positioniert und/oder zwischen diesen sandwichartig angeordnet.
Der Bogenabschnitt 62 beinhaltet ferner mehrere Löcher 66, die Durchgänge durch die äußere Sammelschienenhalterung 60 von der ersten Fläche zu der gegenüberliegenden zweiten Fläche bereitstellen. Jedes Loch 66 ist dazu ausgelegt und bemessen, sowohl ein Ende einer äußeren Sammelschiene 46 als auch einen äußeren Anschlussdraht 38 aufzunehmen. Die Löcher 66 sind in einer gleichmäßig beabstandeten Weise in der Nähe der Seitenwand 64 angeordnet, derart, dass die ähnlich beabstandeten äußeren Anschlussdrähte 38 ohne zusätzliches Biegen der Anschlussdrähte 38 leicht durch die Löcher eingeführt werden können. Sobald die äußeren Anschlussdrähte 38 durch die Löcher eingeführt sind, grenzt jeder äußere Anschlussdraht 38 an ein Ende einer äußeren Sammelschiene 46 an, derart, dass eine Schweißung oder andere Verbindung leicht zwischen jedem angrenzenden äußeren Anschlussdraht und dem Sammelschienenende hergestellt werden kann.
Die äußere Sammelschienenhalterung 60 beinhaltet auch mindestens einen Montagestift 63. In der Ausführungsform von 2 ist der Montagestift 63 an einem Ende des Bogenabschnitts 62 positioniert und erstreckt sich von dem Bogenabschnitt axial nach außen. Der Montagestift 63 ist so konstruiert und dimensioniert, dass er vollständig durch das Montageloch 59 an der inneren Sammelschienenhalterung 50 hindurchgeht, wie in 2 gezeigt. Infolgedessen wird die innere Sammelschienenhalterung 50 durch den Eingriff des Montagestifts 63 mit dem Montageloch 59 gekoppelt und an Ort und Stelle gehalten. In zumindest einigen Ausführungsformen kann der Stift 63 heißverstemmt, geschweißt oder anderweitig verformt werden, um die innere Sammelschienenhalterung 50 dauerhaft an der äußeren Sammelschienenhalterung 60 zu sichern. Nach der Verformung des Stifts 63 werden die erste Sammelschienenhalterung 50 und die zweite Sammelschienenhalterung 60 als eine einheitliche Komponente wiedergegeben, wobei die zwei Halterungen nicht voneinander entfernt werden können, ohne die Sammelschienenanordnung 40 zu zerstören.
Die axialen Schenkel 68 der äußeren Sammelschienenhalterung 60 sind einstückig mit dem Bogenabschnitt 62 entlang der Seitenwand 64 ausgebildet und erstrecken sich von dem Bogenabschnitt 62 nach unten (d. h. axial nach innen). Die Schenkel 68 sind im Wesentlichen massiv, beinhalten jedoch eine Anzahl von darin ausgebildeten Löchern 67. Die Löcher 67 stellen Durchgänge durch die Schenkel 68 für die äußeren Sammelschienen 46 bereit. Jeder der axialen Schenkel 68 weist eine Länge auf, die im Wesentlichen gleich der Höhe der Endwindungen 34 der Wicklungsanordnung 30 ist. Wenn dementsprechend die erste Fläche des Bogenabschnitts 62 mit den Spitzen der Endwindungen 34 in Eingriff steht, weisen die Schenkel 68 der äußeren Sammelschienenhalterung eine ausreichende Länge auf, um an der Schulter 19 des Statorkerns 14 anzuliegen. Wie in 1 gezeigt, können die Schenkel 68 alle durch Füße 69 verbunden sein, die sich zwischen den Schenkeln 68 entlang der Schulter 19 des Statorkerns 14 erstrecken.
Zusätzlich zu den Löchern 67 in den Schenkeln 68 sind ähnliche Löcher auch in dem Bogenabschnitt 62 vorgesehen. Es versteht sich, dass diese Löcher 67 zusammen mit den Schenkeln 68 alle in einer beabstandeten Beziehung angeordnet sind und somit zugeordnete Freiräume zwischen den Reihenschaltungsschienen (d. h. den äußeren Sammelschienen 46) bereitstellen. Diese Freiräume ermöglichen vorteilhafterweise eine Öl- oder Luftkühlung der Reihenschaltungsschienen/Sammelschienen 46 und der Wicklungen im Bereich der äußeren Sammelschienenhalterung 60.
Äußere Sammelschienen
Die äußeren Sammelschienen 46 werden alle durch die äußere Sammelschienenhalterung 60 gehalten. In der offenbarten Ausführungsform sind alle der äußeren Sammelschienen 46 Reihenschaltungsschienen, die aus Leitersegmenten mit zwei Enden ausgebildet sind. Wie nachstehend erläutert und wie in 1-5 gezeigt, sind alle äußeren Sammelschienen 46 radial nach außen von den Endwindungen 34, radial nach innen von dem Außendurchmesser 24 des Statorkerns und axial nach innen von den Spitzen der Endwindungen 34 positioniert.
Jede äußere Sammelschiene 46 besteht aus einem leitfähigen Material, und in mindestens einer Ausführungsform besteht jede äußere Sammelschiene 46 aus einem Drahtsegment mit der gleichen Querschnittsform und Größe wie der isolierte Kupferdraht, der zum Bilden der Wicklungen 30 verwendet wird. Die Drahtsegmente sind außerdem mit isolierendem Material wie Polyester, Amidimid oder PEEK beschichtet. Ähnlich wie die Schenkelenden der U-förmigen Leiter, die zum Bilden der Wicklungen 30 verwendet werden, werden auch die Enden des für die äußeren Sammelschienen 46 verwendeten Drahts beschnitten, um das leitende Material freizulegen, so dass die Enden leicht mit den äußeren Anschlussdrähten 38 der Wicklungen 30 verbunden werden können.
Wie in 1-5 gezeigt, ist jede äußere Sammelschiene 46 durch ein U-förmiges Leitersegment 90 mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden ersten Ende 92, einer mit dem ersten Ende verbundenen ersten radial nach außen gerichteten Biegung 93, einem sich in axialer Richtung erstreckenden zweiten Ende 94, einer mit dem zweiten Ende verbundenen zweiten radial nach außen gerichteten Biegung 95, und einem länglichen Umfangsabschnitt 96, der sich in einer Umfangsrichtung zwischen der ersten Biegung 93 und der zweiten Biegung 95 erstreckt, bereitgestellt. Das erste Ende 92 und das zweite Ende 94 jedes Leitersegments 90 erstrecken sich in axialer Richtung (d. h. parallel zu der durch den Statorkern definierten Mittelachse 20) und sind somit zur Ausrichtung mit den äußeren Anschlussdrähten 38 der Wicklungen 30 konfiguriert. Die radial nach außen gerichteten Biegungen 93, 95 überführen die Form jeder äußeren Sammelschiene 46 von der axialen in die radiale Richtung (d. h. senkrecht zur Mittelachse 20 des Statorkerns und von den Wicklungen 30 weg verlaufend). Der längliche Umfangsabschnitt 96 erstreckt sich dann in einer Umfangsrichtung zwischen den radial nach außen gerichteten Biegungen 93, 95 (d. h. senkrecht zu der axialen Richtung und konzentrisch/ausgerichtet mit dem Innendurchmesser des Statorkerns).
Es versteht sich, dass die Struktur jeder äußeren Sammelschiene 46 einfach ist und eine einzelne Länge eines Leiters beinhaltet, die sich zwischen zwei Enden 92, 94 erstreckt. Diese zwei Enden 92, 94 werden verwendet, um eine Verbindung mit zwei äußeren Anschlussdrähten 38 von unterschiedlichen Pfaden der Wicklung 30 herzustellen. Dementsprechend wird jede der äußeren Sammelschienen 46 dazu verwendet, eine Reihenschaltung zwischen zwei Wicklungspfaden bereitzustellen.
Wie vorstehend angemerkt, sind die Enden 92, 94 der äußeren Sammelschienen 46 stiftartige Strukturen mit einer ähnlichen Querschnittsgröße und Form wie die der äußeren Anschlussdrähte 38 der Wicklung 30. Somit können die Enden 92, 94 leicht benachbart zu den äußeren Anschlussdrähten 38 positioniert werden, und dies erleichtert das Verbinden der Enden 92, 94 mit den äußeren Anschlussdrähten 38 (z. B. durch Schweißen oder eine ähnliche Verbindung).
Obwohl jedes der U-förmigen Leitersegmente 90 eine ähnliche Form aufweist, ist zu erkennen, dass diese Formen nicht genau dieselben sind. Während die axialen Längen des ersten und des zweiten Endes 92, 94 dieselbe Sammelschiene sind, sind insbesondere die axialen Längen des ersten und des zweiten Endes 92, 94 auf unterschiedlichen Sammelschienen unterschiedlich. Wie beispielsweise in 5 gezeigt, sind die axialen Längen der ersten und zweiten Enden 92, 94 des ersten Leitersegments 90a deutlich kürzer als die axiale Länge des ersten und des zweiten Endes des neunten Leitersegments 90j. Diese Differenz in den axialen Längen des ersten und des zweiten Endes ermöglicht, dass jeder der Umfangsabschnitte 96 in unterschiedlichen axialen Ebenen angeordnet ist, die voneinander getrennt sind, derart, dass sich die Umfangsabschnitte 96 auf der Sammelschienenanordnung 40 nicht schneiden oder überlappen. Dadurch können auch alle Umfangsabschnitte 96 axial übereinander (oder mit anderen Worten: mit dem gleichen radialen Abstand zum Außendurchmesser des Statorkerns) angeordnet werden. Außerdem ist die Länge unterschiedlicher Umfangsabschnitte 96 nicht gleichmäßig, da sich unterschiedliche Umfangsabschnitte über eine unterschiedliche Anzahl von Nuten erstrecken. Beispielsweise ist die Umfangslänge des ersten Leitersegments 90a größer als die Umfangslänge des neunten Leitersegments 90j.
Wie zuvor angemerkt, werden die äußeren Sammelschienen 46 alle durch die äußere Sammelschienenhalterung 60 gehalten. Insbesondere, wie in 1 und 2 gezeigt, erstreckt sich jedes der Leitersegmente 90 durch mehrere Durchgänge in der äußeren Sammelschienenhalterung 60, derart, dass die U-förmigen Leitersegmente innerhalb der äußeren Sammelschienenhalterung 60 nicht lösbar gehalten werden. Diese Durchgänge enthalten die Löcher 66, die durch die Enden 92, 94 der äußeren Sammelschienen 46 hindurchgehen, sowie die Löcher 67 in den Schenkeln 68, die Durchgänge für die länglichen Umfangsabschnitte 96 bereitstellen. Zu diesem Zweck kann das elektrisch isolierende Material (z. B. ein Polymer oder ein anderes Material), das die äußere Sammelschienenhalterung 60 bildet, während der Herstellung der Sammelschienenanordnung 40 um verschiedene Teile der Leitersegmente 90 herum gegossen oder anderweitig geformt werden. Als Ergebnis werden die Sammelschienenhalterung 60 und die Leitersegmente 90 als eine einheitliche Komponente wiedergegeben, wobei die einzelnen Leitersegmente 90 von der Sammelschienenhalterung 60 nicht gelöst werden können, ohne die Halterung 60 zu zerstören. Während die Sammelschienenhalterung 60 um Abschnitte der Leitersegmente 90 herum ausgebildet ist (z. B. an den Löchern 66 und 67), versteht sich, dass verlängerte Abschnitte der Leitersegmente nicht von der Sammelschienenhalterung 60 umschlossen sind und somit Öl oder anderes Kühlfluid während des Betriebs des Stators um die Leitersegmente 90 strömen kann, wodurch eine wirksame Kühlung der Sammelschienenanordnung 40 und der zugeordneten Wicklungen 30 bereitgestellt wird.
Einbau und Betrieb
Angesichts der vorstehenden Beschreibung ist zu erkennen, dass die Sammelschienenanordnung 40 so konfiguriert ist, dass die inneren Sammelschienen 44 und die äußeren Sammelschienen 46 auf dem Stator 12 derart angeordnet sind, dass der Stator eine verringerte axiale Länge und eine verringerte Grundfläche aufweist. Insbesondere sind die inneren Sammelschienen 44 von Spitzen der Endwindungen 34 axial nach außen und von dem Außendurchmesser der Endwindungen 34 radial nach innen positioniert. Gleichzeitig sind die äußeren Sammelschienen 46 von den Spitzen der Endwindungen 34 axial nach innen und von dem Außendurchmesser der Endwindungen radial nach außen positioniert. Die inneren Sammelschienen 44 sind zur Verbindung mit inneren Anschlussdrähten 37 konfiguriert, einschließlich Phasenanschlussdrähten und Neutralleitern, die sich von der inneren Schicht der Wicklungen weg erstrecken. Die äußeren Sammelschienen 46 sind zur Verbindung mit äußeren Anschlussdrähten 38 konfiguriert, die Wicklungspfadanschlussdrähte sind, die sich von der äußeren Schicht der Wicklungen weg erstrecken.
Die Anordnung der Sammelschienenanordnung 40 auf dem Stator stellt auch eine verbesserte Halterungsanordnung für die Sammelschiene bereit. Insbesondere wenn die Sammelschienenanordnung 40 auf einem Stator 12 angeordnet ist, ist die äußere Sammelschienenhalterung 60 so konfiguriert, dass sie mit den Spitzen der Endwindungen 34 der Wicklungen 30 in Eingriff kommt/darauf aufliegt, und die innere Sammelschienenhalterung 50 ist so konfiguriert, dass sie mit der äußeren Sammelschienenhalterung 60 in Eingriff kommt/darauf aufliegt. Gleichzeitig erstrecken sich die axialen Schenkel 68 der äußeren Sammelschienenhalterung 60 axial entlang des Außendurchmessers der Endwindungen über die Länge der Endwindungen 34 und kommen in Eingriff mit der Schulter 19 des Statorkerns 14/liegen auf ihr auf. Dies stellt eine verbesserte Stabilität für die Sammelschienenanordnung bereit, wenn sie auf dem Stator 12 positioniert ist. Außerdem erstreckt sich die gesamte Sammelschienenanordnung 40 einschließlich der inneren Sammelschienenhalterung 50 und der äußeren Sammelschienenhalterung 60 nicht radial über den Außendurchmesser des Statorkerns hinaus. Dies führt sowohl zu einer reduzierten Größe des Stators 12 als auch zu einer verbesserten Stabilität für die Sammelschienenanordnung 40. Da darüber hinaus große Teilabschnitte der Sammelschienen 42 innerhalb der Sammelschienenanordnung 40 freiliegen, kann Kühlfluid zwischen den Sammelschienen fließen und eine verringerte Temperatur in den Statorwicklungen aufrechterhalten.
Alternative Ausführungsformen
Nun Bezug nehmend auf 6 und 7 ist eine erste alternative Ausführungsform der äußeren Sammelschienen 46 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind die äußeren Sammelschienen 46 als V-förmige Leitersegmente 100 bereitgestellt, im Gegensatz zu den U-förmigen Leitersegmenten 90, die in 1-5 gezeigt sind. Jedes V-förmige Leitersegment 100 beinhaltet ein erstes Ende 102, das sich in axialer Richtung erstreckt, eine mit dem ersten Ende 102 verbundene erste radial nach außen gerichtete Biegung 103, ein zweites Ende 104, das sich in axialer Richtung erstreckt, eine mit dem zweiten Ende 104 verbundene zweite radial nach außen gerichtete Biegung 105, und einen länglichen Abschnitt 106, der sich axial und in Umfangsrichtung zwischen der ersten Biegung 103 und der zweiten Biegung 105 erstreckt. Das erste Ende 102 und das zweite Ende 104 jedes Leitersegments 100 erstrecken sich in axialer Richtung (d. h. parallel zu der durch den Statorkern definierten Mittelachse 20) und sind somit zur Ausrichtung mit den äußeren Anschlussdrähten 38 der Wicklungen 30 konfiguriert. Die radial nach außen gerichteten Biegungen 103, 105 überführen die Form jeder äußeren Sammelschiene 46 von der axialen in die radiale Richtung (d. h. senkrecht zur Mittelachse 20 des Statorkerns und von den Wicklungen 30 weg verlaufend). Der längliche Abschnitt 106 definiert einen Verlauf, der im Allgemeinen V-förmig ist und sich zwischen den radial nach außen gerichteten Biegungen 103, 105 erstreckt.
Der durch den länglichen Abschnitt 106 definierte Verlauf ist im Allgemeinen durch axiale und Umfangskomponenten definiert (d. h. im Allgemeinen parallel zu der Oberfläche, die durch den Innendurchmesser des Kerns definiert ist), kann aber auch zusätzliche radiale Komponenten enthalten. Somit beinhaltet der längliche Abschnitt 106 zusätzlich zu einer Biegung, die den Scheitelpunkt für die V-Form definiert, auch eine oder mehrere zusätzliche Biegungen, die den Verlauf auf irgendeine Weise anpassen. Beispielsweise beinhaltet der längliche Abschnitt 106 des Leitersegments 100a, das in 6 gezeigt ist, eine erste Biegung 110, die eine leichte Krümmung von etwa 30° nach unten definiert (d. h. der definierte Verlauf folgt an der Krümmung 110 einer eher axialen Biegung). Das Leitersegment 100a beinhaltet auch eine zweite Biegung 112, die eine Krümmung von ungefähr 90° nach oben definiert (d. h. die Bahn des Verlaufs ändert sich an der Biegung 112 von einer Bewegung axial nach unten und in Umfangsrichtung zu axial nach oben und in Umfangsrichtung; diese Biegung definiert auch den Scheitelpunkt für die V-Form). Das Leitersegment 100a beinhaltet ferner eine dritte Biegung 114, die den Verlauf leicht radial nach innen bewegt (d. h. in Richtung der Endwindungen 34), und eine vierte Biegung 116, die bewirkt, dass der Verlauf auf der vorherigen axial nach oben und in Umfangsrichtung verlaufenden Bahn fortgesetzt wird. Der restliche Verlauf für den länglichen Abschnitt 106 wird dann beibehalten, bis der V-förmige Abschnitt an das zweite Ende 102 anschließt.
7 zeigt die äußeren Sammelschienen von 6 auf den Wicklungen positioniert. Wie in der Figur gezeigt, sind die Enden 102, 104 der V-förmigen Leiter 100 mit den äußeren Anschlussdrähten 38 ausgerichtet, wodurch eine schnelle und einfache Verbindung zwischen jedem Ende 102, 104 und einem der äußeren Anschlussdrähte 38 ermöglicht wird. Die länglichen Abschnitte 106 werden entlang Bahnen geführt, die sich zuerst axial nach unten bewegen, an einem Scheitelpunkt schwenken und sich dann axial nach oben bewegen, wie vorstehend definiert. Die Biegungen (z. B. 110, 112, 114, 116) führen jeden länglichen Abschnitt 106 auf eine Weise, die die länglichen Abschnitte der anderen V-förmigen Leiter umgeht, und einige der Leiter sind in anderen Leitern verschachtelt (z. B. 110c in 110a verschachtelt). Aufgrund der Trennung zwischen den V-förmigen Leitern 100 kann Kühlfluid während des Betriebs der elektrischen Maschine zwischen jedem der V-förmigen Leiter 100 fließen.
Während 6 und 7 alternative Konfigurationen der äußeren Sammelschienen 46 zeigen, versteht sich, dass weitere alternative Konfigurationen ebenfalls in Betracht gezogen werden. Zum Beispiel 8 und 9, zwei weitere Ausführungsformen der äußeren Sammelschienen 46, die denen von 6 ähnlich sind, und ähnliche Reihenschaltungen zwischen den äußeren Anschlussdrähten herstellen, aber die äußeren Sammelschienen 46 in 8 und 9 sind anders geformt und beinhalten andere Biegungen als die von 6. Die unterschiedlichen Formen, Biegungen und Darüber- und Darunter-Beziehungen zwischen den Sammelschienen ermöglichen unterschiedliche Verschachtelungs- und Überlappungskonfigurationen zwischen den Sammelschienen und erleichtern auch unterschiedliche Anschlussdrahtverbindungen für unterschiedliche Wicklungsanordnungen.
Die vorstehende ausführliche Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen des Stators mit Sammelschienen anderer Außendurchmesser wurde hierin nur beispielhaft und nicht einschränkend dargelegt. Es versteht sich, dass bestimmte hierin beschriebene individuelle Merkmale und Funktionen Vorteile aufweisen, die erhalten werden können, ohne andere hierin beschriebene Merkmale und Funktionen einzubeziehen. Darüber hinaus versteht es sich, dass verschiedene Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen der vorstehend offenbarten Ausführungsformen und anderer Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon wünschenswerterweise zu vielen anderen unterschiedlichen Ausführungsformen, Systemen oder Anwendungen kombiniert werden können. Derzeit unvorhergesehene oder unerwartete Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen daran, die ebenfalls von den beigefügten Ansprüchen abgedeckt sein sollen, können nachfolgend von Fachleuten vorgenommen werden. Daher sollten der Geist und Umfang jeglicher beigefügter Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hierin enthaltenen Ausführungsformen beschränkt sein.
Verschiedene Ausführungsformen sind in den Zeichnungen und in der begleitenden Beschreibung dargestellt. Alternative Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und deren Äquivalente können konzipiert werden, ohne sich vom Geist oder Umfang der vorliegenden Offenbarung zu entfernen. Es sollte beachtet werden, dass jede Erörterung hierin in Bezug auf „eine bestimmte Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“, „eine beispielhafte Ausführungsform“ und dergleichen darauf hinweist, dass die beschriebene Ausführungsform ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft enthalten kann und dass ein derartiges bestimmtes Merkmal, eine derartige bestimmte Struktur oder Eigenschaft nicht notwendigerweise in jeder Ausführungsform enthalten sein muss. Außerdem umfassen Verweise auf das Vorhergehende nicht notwendigerweise einen Verweis auf dieselbe Ausführungsform. Unabhängig von einer expliziten Beschreibung wird der Durchschnittsfachmann problemlos erkennen, dass die besonderen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften der gegebenen Ausführungsformen jeweils in Verbindung oder Kombination mit denen einer anderen hier erörterten Ausführungsform verwendet werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63221720 [0001]
US 20200244125 [0021]

Claims

Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator umfasst: einen zylindrischen Kern, der eine innere zylindrische Oberfläche und eine äußere zylindrische Oberfläche definiert, wobei mehrere Nuten zwischen der inneren zylindrischen Oberfläche und der äußeren zylindrischen Oberfläche ausgebildet sind; Wicklungen, die auf dem zylindrischen Kern angeordnet sind, wobei die Wicklungen sich durch die Nuten erstreckende In-Nut-Abschnitte, Endwindungen und Anschlussdrähte beinhalten, wobei die Anschlussdrähte der Wicklungen mehrere innere Anschlussdrähte beinhalten, die Leitern in einer inneren Schicht der Nuten zugeordnet sind, und mehrere äußere Anschlussdrähte, die Leitern in einer äußeren Schicht der Nuten zugeordnet sind; und eine Sammelschienenanordnung, die mehrere innere Sammelschienen und mehrere äußere Sammelschienen beinhaltet, wobei die mehreren inneren Sammelschienen mit den mehreren inneren Anschlussdrähten verbunden sind und die mehreren äußeren Sammelschienen mit den mehreren äußeren Anschlussdrähten verbunden sind, wobei die mehreren äußeren Sammelschienen von den Endwindungen der Wicklungen und radial nach außen und von der äußeren zylindrischen Oberfläche radial nach innen positioniert sind.
Stator nach Anspruch 1, wobei die inneren Anschlussdrähte mehrere Phasenanschlussdrähte und mehrere Neutralleiter beinhalten und wobei die äußeren Anschlussdrähte mehrere Wicklungspfadanschlussdrähte beinhalten.
Stator nach Anspruch 2, wobei die inneren Sammelschienen mindestens drei mit den Phasenanschlussdrähten verbundene Phasenschaltungen und mindestens eine neutrale Verbindung beinhalten, und wobei jede der äußeren Sammelschienen eine Reihenschaltung zwischen zwei Wicklungspfadanschlussdrähten bereitstellt.
Stator nach Anspruch 1, wobei sich die mehreren inneren Anschlussdrähte in einer axialen Richtung erstrecken und die inneren Sammelschienen axiale Verbindungsarme beinhalten, die angrenzend an die inneren Anschlussdrähte positioniert sind, und wobei sich die mehreren äußeren Anschlussdrähte in der axialen Richtung erstrecken und die äußeren Sammelschienen axiale Verbindungsarme beinhalten, die benachbart zu den äußeren Anschlussdrähten positioniert sind.
Stator nach Anspruch 1, wobei die Sammelschienenanordnung eine Halterung beinhaltet, die aus einem nichtleitenden Material besteht, und die inneren Sammelschienen und die äußeren Sammelschienen sich durch die Halterung erstrecken, wobei die Halterung mindestens einen Bogenabschnitt beinhaltet, der von den Endwindungen axial nach außen positioniert ist und mindestens einen axialen Schenkel, der sich zwischen dem Bogenabschnitt und einer Schulter des zylindrischen Kerns erstreckt.
Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator umfasst: einen Kern, der mehrere Nuten definiert; Wicklungen, die auf dem Kern angeordnet sind, wobei die Wicklungen In-Nut-Abschnitte, Endwindungen und Anschlussdrähte beinhalten, wobei die Anschlussdrähte der Wicklungen mehrere innere Anschlussdrähte, die Leitern in einer inneren Schicht der Nuten zugeordnet sind, und mehrere äußere Anschlussdrähte, die Leitern in einer äußeren Schicht der Nuten zugeordnet sind, beinhalten; und eine Sammelschienenanordnung, die mehrere innere Sammelschienen und mehrere äußere Sammelschienen beinhaltet, die von einer Halterung gehalten werden, wobei die mehreren inneren Sammelschienen mit den mehreren inneren Anschlussdrähten verbunden sind und die mehreren äußeren Sammelschienen mit den mehreren äußeren Anschlussdrähten verbunden sind, wobei die mehreren inneren Sammelschienen von Spitzen der Endwindungen axial nach außen positioniert sind, und wobei die mehreren äußeren Sammelschienen von den Endwindungen radial nach außen und von den Spitzen der Endwindungen axial nach innen positioniert sind.
Stator nach Anspruch 6, wobei die In-Nut-Abschnitte in Nuten des Kerns positioniert sind, die Endwindungen der Wicklungen sich von den In-Nut-Abschnitten an gegenüberliegenden Enden des Kerns erstrecken, und die Anschlussdrähte der Wicklungen sich von den In-Nut-Abschnitten an einem der Enden des Kerns erstrecken, wobei sich die Anschlussdrähte in axialer Richtung über die Endwindungen hinaus erstrecken.
Stator nach Anspruch 7, wobei die innere Schicht der Nuten eine innerste Schicht ist und die äußere Schicht der Nuten eine äußerste Schicht ist.
Stator nach Anspruch 8, wobei die mehreren inneren Sammelschienen ferner von den mehreren äußeren Sammelschienen radial nach innen positioniert sind.
Stator nach Anspruch 9, wobei sowohl die mehreren inneren Sammelschienen als auch die mehreren äußeren Sammelschienen ferner von einem Außendurchmesser des Kerns radial nach innen und von einem Innendurchmesser des Kerns radial nach außen positioniert sind.
Stator nach Anspruch 6, wobei die Halterung ein erstes Halterungselement beinhaltet, das aus einem nichtleitenden Material besteht, und ein zweites Halterungselement, das aus einem nichtleitenden Material besteht, wobei sich das erste Halterungselement von dem zweiten Halterungselement unterscheidet, wobei zumindest einige der mehreren inneren Sammelschienen durch das erste Halterungselement gehalten werden, und wobei die mehreren äußeren Sammelschienen durch das zweite Halterungselement gehalten werden.
Stator nach Anspruch 11, wobei das erste Halterungselement einen ersten Bogenabschnitt beinhaltet, wobei das zweite Halterungselement einen zweiten Bogenabschnitt beinhaltet, wobei eine Seite des zweiten Bogenabschnitts dem ersten Bogenabschnitt zugewandt ist und wobei eine andere Seite des zweiten Bogenabschnitts mit den Spitzen der Endwindungen in Eingriff kommt.
Stator nach Anspruch 12, wobei das erste Halterungselement mehrere Klemmenbrücken beinhaltet, die sich von dem ersten Bogenabschnitt axial nach außen erstrecken, und wobei das zweite Halterungselement mehrere axiale Schenkel beinhaltet, die sich von dem zweiten Bogenabschnitt weg erstrecken und mit dem Kern in Eingriff kommen.
Stator nach Anspruch 13, wobei die mehreren inneren Sammelschienen Phasensammelschienen beinhalten, wobei jede Phasensammelschiene eine Klemmenplatte beinhaltet, die mit einer der Klemmenbrücken in Eingriff kommt.
Stator nach Anspruch 6, wobei jede der äußeren Sammelschienen durch ein U-förmiges Leitersegment mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden ersten Ende, einer mit dem ersten Ende verbundenen radial nach außen gerichteten ersten Biegung, einem sich in axialer Richtung erstreckenden zweiten Ende, einer mit dem zweiten Ende verbundenen radial nach außen gerichteten zweiten Biegung und einem länglichen Umfangsabschnitt, der sich zwischen der ersten Biegung und der zweiten Biegung in einer Umfangsrichtung erstreckt, bereitgestellt ist.
Stator nach Anspruch 15, wobei die länglichen Umfangsabschnitte der äußeren Sammelschienen getrennt und in unterschiedlichen Ebenen positioniert sind und wobei sich jeder der länglichen Umfangsabschnitte durch einen axialen Schenkel der Halterung erstreckt.
Stator nach Anspruch 14, wobei jede der äußeren Sammelschienen durch ein V-förmiges Leitersegment mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden ersten Ende, einer mit dem ersten Ende verbundenen ersten radial nach außen gerichteten Biegung, einem sich in axialer Richtung erstreckenden zweiten Ende, einer mit dem zweiten Ende verbundenen zweiten radial nach außen gerichteten Biegung, und einem V-förmigen Abschnitt, der sich zwischen der ersten Biegung und der zweiten Biegung entlang eines Verlaufs erstreckt, der Umfangskomponenten, axiale Komponenten und radiale Komponenten beinhaltet, bereitgestellt ist.
Stator nach Anspruch 11, wobei die mehreren inneren Sammelschienen eine zwischen dem ersten Halterungselement und dem zweiten Halterungselement angeordnete Neutralleiterschiene beinhalten.
Stator nach Anspruch 6, wobei die mehreren äußeren Sammelschienen mindestens eine Reihenschaltung zwischen zwei Wicklungspfaden bereitstellen, die an den äußeren Anschlussdrähten enden, und wobei jede der mehreren äußeren Sammelschienen (i) dieselbe Querschnittsform aufweist wie die Anschlussdrähte der Wicklungen, (ii) mit einem isolierenden Material beschichtet ist und (iii) ein beschnittenes Ende enthält, das leitendes Material der Sammelschiene an dem beschnittenen Ende freilegt.
Sammelschienenanordnung, umfassend: mehrere innere Sammelschienen, die mehrere Phasenanschlussschienen und eine Neutralleiteranschlussschiene beinhalten, wobei jede der inneren Sammelschienen einen Umfangsabschnitt und mehrere axiale Verbindungsarme beinhaltet; eine erste Halterung, die mit jeder der inneren Sammelschienen in Eingriff steht, wobei die erste Halterung einen ersten nichtleitenden Bogenabschnitt beinhaltet; mehrere äußere Sammelschienen, die von den mehreren inneren Sammelschienen radial nach außen angeordnet sind, wobei jede der äußeren Sammelschienen einen Umfangsabschnitt beinhaltet, der sich zwischen zwei axialen Verbindungsarmen erstreckt; und eine zweite Halterung, die mit jeder der äußeren Sammelschienen in Eingriff steht, wobei die zweite Halterung einen zweiten nichtleitenden Bogenabschnitt mit mindestens einem axialen Schenkel beinhaltet, der sich von dem zweiten nichtleitenden Bogenabschnitt erstreckt, und wobei die Neutralleiteranschlussschiene zwischen der ersten Halterung und der zweiten Halterung positioniert ist.