DE102022130338A1

DE102022130338A1 - Spulenbauteil für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Herstellen eines Spulenbauteils

Info

Publication number: DE102022130338A1
Application number: DE102022130338.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bluemel; Juergen Huettinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2024104753A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spulenbauteil (10) für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Träger (12), welcher eine Vielzahl von in Umfangsrichtung (U) des Trägers (12) verteilt angeordnete, sich in axialer Richtung erstreckende Nuten (14) aufweist, mehreren Hairpins (16), welche zumindest bereichsweise in den Nuten (14) angeordnet sind, und wenigstens einem in einer der Nuten (14) angeordneten Isolierelement, mittels welchem die in dieser Nut (14) angeordneten Hairpins (16) gegen eine die Nut (14) begrenzende Nutwand des Trägers (12) elektrisch isoliert sind, wobei das Isolierelement (18, 30, 36) über eine Keilgeometrie (28) gegen die Nutwand des Trägers (12) abgestützt ist, wodurch eine in axialer Richtung (A) auf die Keilgeometrie (28) wirkende Kraft in eine in Umfangsrichtung (U) wirkende Kraft umgewandelt wird, mittels welcher das Isolierelement (18, 30, 36) in Umfangsrichtung (U) an die Hairpins (16) gepresst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spulenbauteil für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Spulenbauteils für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs.
Aus der WO 2022/033627 A1 ist ein Spulenbauteil für eine elektrische Maschine mit einem Träger und einer zumindest abschnittsweise in dem Träger aufgenommenen Spulenwicklung bekannt. Der Träger weist einen Ringbereich mit mehreren in einer Umfangsrichtung verteilt angeordneten Nuten auf, wobei in jeder Nut mehrere Wicklungsabschnitte der Spulenwicklung aufgenommen sind. In zumindest einer Nut ist eine Isolationsschicht zwischen dem Träger und den Wicklungsabschnitten angeordnet und steht zu einer radialen Öffnung der zumindest einen Nut hin mit zwei Verlängerungsabschnitten über die Wicklungsabschnitte hinweg über. In der zumindest einen mit der Isolationsschicht ausgestatteten Nut ist zu der radialen Öffnung hin ein Verschlusselement in dem Träger aufgenommen, wobei die beiden Verlängerungsabschnitte derart ausgebildet und angeordnet sind, dass das Verschlusselement durch die Verlängerungsabschnitte von dem Träger beabstandet ist.
Es ist bereits bekannt, dass Statornuten mit Flächenisolationsmaterial isoliert werden. Nach dem Einbau einer Wicklung wird diese mit einem Kunstharz imprägniert, um sie im Stator zu fixieren, den Wärmeübergang zum Blechpaket zu verbessern und eine Teilentladungsfestigkeit zu erhöhen. Es besteht jedoch eine Unverträglichkeit einer Lackisolation der Statorwicklung mit diesem Imprägnierharz. Beim Träufelimprägnieren kann Imprägnierharz auf die Wickelköpfe des Stators gelangen. Dort kann es zum Versagen der Lackisolation der Wicklung führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, mittels welcher eine Spule eines Spulenbauteils besonders gut zu einem Träger elektrisch isoliert wird und ein Versagen einer Lackisolation der Spule vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.
Die Erfindung betrifft ein Spulenbauteil für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Spulenbauteil kann es sich um einen Rotor oder um einen Stator für die elektrische Maschine handeln. Bei dieser elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um eine Traktionsmaschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug elektrisch antreibbar ist. Das Spulenbauteil umfasst einen Träger, welcher eine Vielzahl von in Umfangsrichtung des Trägers verteilt angeordnete, sich in axialer Richtung erstreckende Nuten aufweist. Der Träger kann beispielsweise ein Blechpaket aus einer Vielzahl an in einer Stapelrichtung aufeinander gestapelten Blechen umfassen oder einstückig hergestellt sein, beispielsweise im Rahmen eines Sinterverfahrens. Das Spulenbauteil umfasst des Weiteren mehrere Hairpins, welche zumindest bereichsweise in den Nuten angeordnet sind. Diese Hairpins können auch als Steckspulen bezeichnet werden. Bei diesen Hairpins kann es sich um U-förmig gebogene lackierte Kupferflachdrähte handeln, welche in die Nuten des Trägers eingesteckt werden. Alternativ können die Hairpins als I-Pins und somit als geradlinige Kupferflachdrahtelemente ausgebildet sein. Die Gesamtheit der Hairpins des Spulenbauteils bildet eine Spule des Spulenbauteils. Das bedeutet, dass die Spule sämtliche Hairpins des Spulenbauteils umfasst, wobei die Hairpins in die Nuten des Trägers eingesteckt sind. Insbesondere ist in jeder Nut des Trägers mindestens ein Hairpin angeordnet. Insbesondere sind in jeder Nut des Trägers mehrere Hairpins angeordnet.
Das Spulenbauteil umfasst weiterhin wenigstens ein in einer der Nuten angeordnetes Isolierelement, mittels welchem die in dieser Nut angeordneten Hairpins gegen eine die Nut begrenzende Nutwand des Trägers elektrisch isoliert sind. Insbesondere umfasst das Spulenbauteil mehrere Isolierelemente, wobei in jeder der Nuten des Trägers wenigstens ein Isolierelement angeordnet ist, mittels welchem die in dieser Nut angeordneten Hairpins gegen eine diese Nut begrenzende Nutwand des Trägers isoliert sind. Um einen besonders guten Wärmeübergang von den Hairpins auf den Träger zu gewährleisten, ist es vorgesehen, dass das Isolierelement über eine Keilgeometrie gegen die Nutwand des Trägers abgestützt ist. Eine in axialer Richtung des Trägers auf die Keilgeometrie wirkende Kraft wird über die Keilgeometrie in eine in Umfangsrichtung des Trägers wirkende Kraft umgewandelt, mittels welcher das Isolierelement in Umfangsrichtung an die Hairpins gepresst wird. Die axiale Richtung des Trägers fällt insbesondere mit einer Rotationsachse des Rotors beziehungsweise einer Mittelachse des Stators als Spulenbauteil zusammen. Die Umfangsrichtung fällt mit einer Rotationsrichtung des Rotors relativ zu dem Stator in der elektrischen Maschine zusammen. Über die Keilgeometrie erfolgt somit ein Verspannen des wenigstens einen Isolierelements in der Nut, wodurch das wenigstens eine Isolierelement besonders nah und insbesondere flächig an die Hairpins angelegt wird. Hierdurch kann ein besonders guter Wärmeabtransport von den Hairpins über das Isolierelement an den Träger ermöglicht werden. Dieser besonders gute Wärmeübergang ermöglicht ein besonders gutes Kühlen der Hairpins, wodurch ein Überhitzen der Hairpins besonders gut vermieden werden kann. Infolgedessen kann die elektrische Maschine besonders effizient und mit einer besonders großen Leistung betrieben werden.
In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Isolierelement die Keilgeometrie aufweist, sodass zwei Seitenflächen des Isolierelements unter einem spitzen Winkel zusammenlaufen. Mit anderen Worten umfasst die Keilgeometrie des Isolierelements eine erste Fläche und eine dazu schräg ausgerichtete zweite Fläche, welche sich in axialer Richtung einander annähern und insbesondere in einer zugespritzten Kante aneinander angrenzen. Dadurch, dass das Isolierelement selbst die Keilgeometrie aufweist, sind besonders wenige Komponenten in dem Spulenbauteil notwendig, um zum einen die Hairpins gegen den Träger elektrisch zu isolieren und zum anderen das Isolierbauteil besonders nah an die Hairpins anzulegen. Hierdurch kann das Spulenbauteil besonders einfach hergestellt werden.
In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Isolierelement einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Hierbei tritt die U-Form des Querschnitts bei einem eingesteckten Zustand des Isolierelements in axialer Richtung in eine Nut des Trägers insbesondere bei einem senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Schnitt durch das Isolierelement auf. Durch diesen U-förmigen Querschnitt des Isolierelements kann mittels des Isolierelements wenigstens einer der in dieser Nut angeordneten Hairpins, insbesondere sämtliche in dieser Nut angeordneten Hairpins, zumindest zu drei Seiten hin elektrisch isoliert werden. Hierdurch können die Hairpins mittels des Isolierelements besonders großflächig zum Träger hin elektrisch isoliert werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass in einer Nut mehrere Isolierelemente in axialer Richtung übereinander angeordnet und teilweise ineinander eingesteckt sind, wodurch die jeweiligen Isolierelemente mit ihren jeweiligen Keilgeometrien aneinander anliegen. Über die aneinander anliegenden Keilgeometrien der in einer gemeinsamen Nut angeordneten Isolierelemente können sich die Isolierelemente gegenseitig innerhalb der Nut verspannen, wodurch eines der Isolierelemente ein weiteres der Isolierelemente in derselben Nut besonders fest an die in dieser Nut angeordneten Hairpins drückt.
In diesem Zusammenhang kann es insbesondere vorgesehen sein, dass zwei Isolierelemente in der Nut vorgesehen sind, deren jeweilige Schenkel des U-förmigen Querschnitts zueinander hin ausgerichtet sind, wodurch die Isolierelemente gemeinsam einen in axialer Richtung verlaufenden Kanal umschließen, durch welchen sich die Hairpins hindurch erstrecken. Das bedeutet, dass die Hairpins in den Kanal eingesteckt sind, welcher mit seiner Längserstreckungsrichtung in axialer Richtung des Trägers verläuft, wodurch die in einer gemeinsamen Nut angeordneten Hairpins umfangsseitig von den beiden Isolierelementen zuverlässig relativ zu dem Träger elektrisch isoliert sind. Mit anderen Worten sind die jeweiligen offenen Seiten des U-förmigen Querschnitts der Isolierelemente zueinander hin ausgerichtet, sodass die Schenkel und die Rücken der Isolierelemente gemeinsam den Kanal umfangsseitig begrenzen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Isolierelement wenigstens einen in axialer Richtung verlaufenden geraden Abschnitt mit konstanter Wanddicke und wenigstens eine in axialer Richtung an den geraden Abschnitt anschließende Keilgeometrie aufweist. Das Isolierelement kann beispielsweise in seinem in die Nut eingesteckten Zustand den geraden Abschnitt mittig aufweisen und in axialer Richtung nach oben an den geraden Abschnitt anschließend die Keilgeometrie und in axialer Richtung nach unten an den geraden Abschnitt anschließend eine weitere Keilgeometrie aufweisen. Hierdurch kann das Isolierelement sowohl in axialer Richtung nach oben als auch in axialer Richtung nach unten mit jeweils einem weiteren Isolierelement verkeilt werden. Somit können in der Nut in axialer Richtung mehrere Isolierelemente übereinander angeordnet und über ihre jeweiligen Keilgeometrien miteinander verkeilt sein. Dies ermöglicht ein besonders einfaches Spritzgießen der jeweiligen Isolierelemente, da diese mit einer im Rahmen des Spritzgießens besonders einfach herstellbaren und besonders stabilen Länge hergestellt werden können. Es werden einfach so viele der Isolierelemente in axialer Richtung übereinander angeordnet, bis die in der Nut angeordneten Hairpins über die gesamte Länge der Nut mittels jeweiliger Isolierelemente elektrisch gegen den Träger isoliert sind. Es wird somit zum einen ein besonders einfaches Herstellen der Isolierelemente mit einer besonders großen Stabilität ermöglicht und zum anderen ein besonders sicheres elektrisches Isolieren der Hairpins zu dem Träger ermöglicht.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das wenigstens eine Isolierelement einen Anschlag aufweist, welcher an eine Stirnseite des Trägers anschlagen kann und eine axiale Endlage des Isolierelements vorgibt. Weist das Spulenbauteil mehrere Isolierelemente auf, dann kann wenigstens eines dieser Isolierelemente bzw. können höchstens zwei der Isolierelemente, diesen Anschlag aufweisen, wobei das erste dieser Isolierelemente mit dem Anschlag an eine erste Stirnseite des Trägers anschlägt und das zweite Isolierelement mit seinem Anschlag an die der ersten Stirnseite gegenüberliegende zweite Stirnseite des Trägers anschlägt. Das den Anschlag aufweisende Isolierelement stellt bei einem Anschlagen des Anschlags an der Stirnseite des Trägers sicher, dass die Hairpins in der zugehörigen Nut an dem Ende der Nut, an welchem dieses Isolierelement angeordnet ist, vollständig bis zur Stirnfläche hin zu dem Träger elektrisch isoliert sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass die in der Nut angeordneten Hairpins vollständig bis zum Rand der Nut elektrisch zum Träger hin isoliert sind und nicht das Isolierelement in die Nut hineinrutscht und somit an einem äußeren Rand der Nut eine elektrische Kontaktierung zwischen den Hairpins und dem Träger auftritt.
In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Isolierelement mittels eines dazu separaten, die Keilgeometrie aufweisenden Nutisolationskeils an die Hairpins gedrückt wird. Das bedeutet, dass das Isolierelement nicht die Keilgeometrie aufweist. Beispielsweise kann es sich bei dem Isolierelement um ein Nutisolationspapier handeln. Dieses Nutisolationspapier kann über seine gesamte in axialer Richtung verlaufende Höhe eine konstante Dicke aufweisen. Mittels des die Keilgeometrie aufweisenden Nutisolationskeils kann das Nutisolationspapier an die Hairpins gedrückt werden. Hierfür ist der Nutisolationskeil zwischen dem Träger und dem Isolierelement eingesteckt und verklemmt, wodurch das Isolierelement unmittelbar an die Hairpins angelegt und insbesondere angedrückt wird. Es kann somit eine besonders einfach herzustellende Isolation der Hairpins mittels des Nutisolationspapiers erfolgen, wobei ein großflächiges Anlegen des Nutisolationspapiers an die Hairpins sowie ein Ausfüllen eines Spalts zwischen dem Nutisolationspapier und dem Träger durch den wenigstens einen Nutisolationskeil sichergestellt wird. Ein Vergießen eines Spaltes zwischen dem Nutisolationspapier und dem Träger mit Imprägnierharz kann somit entfallen.
Um ein Einführen der keilförmigen Geometrie zwischen den Träger und die Hairpins zu vereinfachen, kann der Träger eine Einführschräge aufweisen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines Spulenbauteils für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs. Die elektrische Maschine umfasst einen Träger, welcher eine Vielzahl von in Umfangsrichtung des Trägers verteilt angeordnete, sich in axialer Richtung erstreckende Nuten aufweist. Bei dem Spulenbauteil kann es sich beispielsweise um einen Rotor oder um einen Stator der elektrischen Maschine handeln. Im Rahmen des Verfahrens wird insbesondere ein Spulenbauteil, wie es bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Spulenbauteil beschrieben worden ist, hergestellt. Bei dem Verfahren ist es vorgesehen, dass mehrere Hairpins sowie zumindest ein Isolierelement zumindest bereichsweise in den Nuten angeordnet werden, wobei mittels des wenigstens einen Isolierelements die Hairpins gegen eine die Nut begrenzende Nutwand des Trägers elektrisch isoliert werden. Insbesondere werden bei dem Verfahren mehrere Hairpins sowie wenigstens ein Isolierelement in jede der Nuten des Trägers eingesteckt. Bei dem Verfahren ist es weiterhin vorgesehen, dass das wenigstens eine Isolierelement über eine Keilgeometrie gegen die Nutwand des Trägers abgestützt wird, wodurch eine in axialer Richtung auf die Keilgeometrie wirkende Kraft in eine in Umfangsrichtung wirkende Kraft umgewandelt wird, mittels welcher das Isolierelement in Umfangsrichtung an die Hairpins gepresst wird. Durch das Pressen des Isolierelements an die Hairpins besteht eine besonders große Kontaktfläche zwischen den Hairpins und dem Isolierelement, wodurch Wärme besonders effizient über das Isolierelement von den Hairpins in Richtung des Trägers abtransportiert werden kann. Hierdurch können die Hairpins besonders effizient gekühlt werden. Es ist möglich, dass das Isolierelement die Keilgeometrie aufweist oder dass das Isolierelement keine Keilgeometrie aufweist und in der Nut zusätzlich ein die Keilgeometrie aufweisender Nutisolationskeil angeordnet ist, mittels welchem das Isolierelement an die Hairpins gedrückt wird. Das Verfahren ermöglicht, dass ein Verwenden eines Imprägnierharzes zum elektrischen Isolieren der Hairpins gegen den Träger entfallen kann. Infolgedessen kann eine Gefahr eines Versagens einer Lackisolation der Spule aufgrund eines Kontakts von Imprägnierharz mit der Lackisolation beseitigt werden. Hierdurch kann eine besonders hohe Lebensdauer des Spulenbauteils erreicht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Spulenbauteil beziehungsweise bei dem Verfahren erfolgt ein Weglassen des Imprägnierharzes und stattdessen ein Verwenden einer mehrteiligen Kunststoffnutisolation mit keilförmigem Wandlängsschnitt, die durch Ineinanderstecken die Hairpins im Träger, insbesondere in einem Blechpaket, verspannt und so fixiert.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Schnittansicht eines Bereichs eines Spulenbauteils einer elektrischen Maschine in einer ersten Ausführungsform;
2 eine Explosionsdarstellung von in einer Nut eines Trägers der elektrischen Maschine angeordneten Hairpins sowie zwei in dieser Nut angeordnete Isolierelemente gemäß der Ausführungsform von 1;
3 eine schematische Perspektivansicht eines Bereichs des Spulenbauteils der ersten Ausführungsform;
4 eine schematische Schnittansicht eines Bereichs des Spulenbauteils in einer zweiten Ausführungsform;
5 eine Explosionsdarstellung eines Bereichs des Spulenbauteils der zweiten Ausführungsform;
6 eine schematische Schnittansicht eines Bereichs des Spulenbauteils in einer dritten Ausführungsform; und
7 eine Explosionsdarstellung eines Bereichs des Spulenbauteils der dritten Ausführungsform.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den Fig. ist ein Spulenbauteil 10 für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Bei dieser elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um eine Traktionsmaschine für das Kraftfahrzeug, mittels welcher das Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie angetrieben werden kann. Vorliegend handelt es sich bei dem Spulenbauteil 10 um einen Stator der elektrischen Maschine. Insbesondere handelt es sich bei dem Stator um einen Hairpinstator.
Dieser Hairpinstator umfasst einen Träger 12, welcher vorliegend als Blechpaket ausgebildet ist. Dieser Träger 12 weist eine Vielzahl von in Umfangsrichtung U des Trägers 12 verteilt angeordneten Nuten 14 auf, welche sich mit ihrer Längserstreckungsrichtung in axialer Richtung A des Trägers 12 erstrecken. Das Spulenbauteil 10 umfasst des Weiteren mehrere Hairpins 16, bei welchen es sich um jeweilige Phasendrähte handelt und welche in die Nuten 14 des Trägers 12 eingesteckt sind. Die Gesamtheit der Hairpins 16 bildet eine Spule. Jeder der Hairpins 16 erstreckt sich über eine gesamte, in axialer Richtung A verlaufende Länge der zugeordneten Nut 14. Vorliegend sind in jeder Nut 14 mehrere Hairpins 16 nebeneinander angeordnet. Hierbei sind die Hairpins 16 in radialer Richtung R des Trägers 12 auf einer Linie hintereinander angeordnet. Die radiale Richtung R steht senkrecht auf der axialen Richtung A. Um die in den Nuten 14 des Trägers 12 angeordneten Hairpins 16 elektrisch gegen den Träger 12 zu isolieren, ist pro Nut 14 wenigstens ein Isolierelement beziehungsweise sind pro Nut 14 mehrere Isolierelemente vorgesehen, mittels welchen die Hairpins 16 gegen den Träger 12 elektrisch isoliert sind.
In den 1, 2 und 3 ist das Spulenbauteil 10 in einer ersten Ausführungsform gezeigt, in den 4 und 5 ist das Spulenbauteil 10 in einer zweiten Ausführungsform gezeigt und in den 6 und 7 ist das Spulenbauteil 10 in einer dritten Ausführungsform gezeigt. Die Ausführungsformen unterscheiden sich insbesondere in der Ausgestaltung der jeweiligen Isolierelemente. Allen Ausführungsformen ist gemein, dass die jeweiligen Isolierelemente über wenigstens eine keilförmige Geometrie gegen den Träger 12 verspannt werden, wodurch die Isolierelemente besonders nah und insbesondere besonders großflächig an die Hairpins 16 angelegt werden. Hierdurch ist ein besonders guter Wärmeübergang von den Hairpins 16 an die jeweiligen Isolierelemente möglich, wodurch die Hairpins 16 wiederum besonders gut im Betrieb gekühlt werden können. Sämtliche der Ausführungsformen haben somit gemein, dass in jeder der Nuten 14 wenigstens ein Isolierelement angeordnet ist, mittels welchem die in dieser Nut 14 angeordneten Hairpins 16 gegen eine die Nut 14 begrenzende Nutwand des Trägers 12 elektrisch isoliert sind, wobei das Isolierelement über eine Keilgeometrie gegen die Nutwand des Trägers 12 abgestützt ist. Hierdurch wird eine in axialer Richtung A auf die Keilgeometrie wirkende Kraft zumindest teilweise in eine in Umfangsrichtung U wirkende Kraft umgewandelt, mittels welcher das Isolierelement in Umfangsrichtung U an die Hairpins 16 gepresst wird. Durch die in Umfangsrichtung wirkende Verpressung können Toleranzen ausgeglichen werden.
Die in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen haben gemein, dass das wenigstens eine Isolierelement die Keilgeometrie aufweist. Bei der in den 6 und 7 gezeigten dritten Ausführungsform der Erfindung weist nicht das Isolierelement die Keilgeometrie auf, sondern es ist wenigstens ein zu dem Isolierelement separat ausgebildeter, die Keilgeometrie aufweisender Nutisolationskeil 38 in der jeweiligen Nut 14 vorgesehen, mittels welchem das Isolierelement an die Hairpins 16 gedrückt wird.
Bei der in den 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsform des Spulenbauteils 10 ist es vorgesehen, dass das Spulenbauteil 10 zwei erste Isolierelemente 18 aufweist. Die ersten Isolierelemente 18 weisen bei einem senkrecht zur axialen Richtung A verlaufenden Querschnitt eine U-Form auf. In der Nut 14, in welcher die ersten Isolierelemente 18 angeordnet sind, wie in 3 besonders gut erkannt werden kann, sind die beiden ersten Isolierelemente 18 mit ihren jeweiligen Schenkeln des U-förmigen Querschnitts zueinander hin ausgerichtet. Hierdurch ergibt sich, dass die beiden ersten Isolierelemente 18 gemeinsam einen in axialer Richtung A verlaufenden Kanal 20 in der Nut 14 umfangsseitig umschließen. In diesem Kanal 20 sind sämtliche dieser Nut 14 zugeordneten Hairpins 16 angeordnet. Folglich sind die in dem Kanal 20 angeordneten Hairpins 16 von den beiden ersten Isolierelementen 18 vollständig umfangsseitig zu jeweiligen die Nut 14 begrenzenden Nutwänden des Trägers 12 hin elektrisch isoliert. Ein elektrisch leitender Kontakt zwischen den Hairpins 16 und dem Träger 12 kann hierdurch besonders zuverlässig vermieden werden.
Wie in 1 besonders gut erkannt werden kann, weist das erste Isolierelement 18 an seinem einen Ende einen Kragen 22 auf, durch welchen ein Anschlag 24 bereitgestellt wird. Der Kragen 22 liegt an einer ersten Stirnseite 26 des Trägers 12 auf, wodurch der Anschlag 24 an der ersten Stirnseite 26 des Trägers 12 anschlägt. Durch das Anschlagen des Anschlags 24 an der ersten Stirnseite 26 des Trägers 12 ist eine axiale Endlage des ersten Isolierelements 18 in der Nut 14 vorgegeben. Aus 2 wird ersichtlich, dass beide erste Isolierelemente 18 der ersten Ausführungsform jeweils einen Kragen 22 mit einem Anschlag 24 aufweisen. Das weitere erste Isolierelement 18 kann mit seinem Kragen 22 an einer der ersten Stirnseite 26 gegenüberliegenden, in den Fig. nicht gezeigten zweiten Stirnseite des Trägers 12 anliegen, wodurch das weitere erste Isolierelement 18 mit seinem Anschlag 24 an dieser zweiten Stirnseite anschlägt und dadurch auch für das weitere erste Isolierelement 18 eine axiale Endlage vorgegeben ist. Durch diese vorgegebenen axialen Endlagen der ersten Isolierelemente 18 beziehungsweise durch das Anlegen der Krägen 22 der ersten Isolierelemente 18 an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Trägers 12 ist sichergestellt, dass mittels der ersten Isolierelemente 18 die Hairpins 16 in den jeweiligen Nuten 14 über eine gesamte Länge der Nuten 14 in axialer Richtung A durch den von den ersten Isolierelementen 18 gebildeten Kanal 20 zu dem Träger 12 hin elektrisch isoliert sind. Eine Gefahr eines Stromflusses zwischen den Hairpins 16 und dem Träger 12 kann somit besonders gering gehalten werden.
Um ein besonders flächiges Anlegen wenigstens eines der ersten Isolierelemente 18 an die Hairpins 16 sowie ein Vermeiden beziehungsweise eine Verringerung von Luftspalten zwischen den Hairpins 16 und der die Nut 14 begrenzenden Nutwand des Trägers 12 sicherzustellen, weisen die ersten Isolierelemente 18 jeweils eine Keilgeometrie 28 auf. Wie in 1 erkannt werden kann, kann ein in axialer Richtung A oberes erstes Isolierelement 18 eine keilförmige Innenkontur aufweisen, wohingegen das in axialer Richtung A untere erste Isolierelement 18 eine keilförmige Außenkontur aufweist. Die keilförmige Innenkontur des oberen ersten Isolierelements 18 liegt an der keilförmigen Außenkontur des unteren ersten Isolierelements 18 an. Bei einer in axialer Richtung A auf eines der ersten Isolierelemente 18 in Richtung des weiteren ersten Isolierelements 18 wirkenden Kraft werden die keilförmigen Geometrien der ersten Isolierelemente 18 aneinander entlang bewegt. Hierdurch wird durch das Prinzip der schiefen Ebene die in axialer Richtung A wirkende Kraft zumindest teilweise durch die keilförmigen Geometrien in eine in Umfangsrichtung wirkende Kraft umgewandelt, wodurch die ersten Isolierelemente 18 aneinander sowie an die Nutwand und an die Hairpins 16 gedrückt werden. Infolgedessen können Luftspalte in der mit den Hairpins 16 gefüllten Nut 14 reduziert beziehungsweise insbesondere vollständig beseitigt werden. Hierdurch wird ein besonders guter Wärmeübergang von den Hairpins 16 an den Träger 12 ermöglicht.
Bei der ersten Ausführungsform werden somit zwei erste Isolierelemente 18 in Form von zwei U-förmigen Hülsen mit keilförmiger Geometrie an der Innenkontur beziehungsweise an der Außenkontur verwendet. Eine Axialkraft wird über die Keilgeometrie in eine Tangentialkraft umgewandelt. Daraus resultiert eine Flächenpressung zwischen den keilförmigen Bereichen der ersten Isolierelemente 18, dem insbesondere als Blechpaket ausgebildeten Träger 12 sowie den Phasendrähten und somit den Hairpins 16 bei Montage in axialer Endlage. Bei den jeweiligen ersten Isolierelementen 18 kann die Keilgeometrie durch eine Wandstärkenverjüngung über den Verlauf der axialen Richtung A sowie gegebenenfalls zusätzlich über eine Wandstärkenverjüngung in radialer Richtung R umgesetzt werden. Es ist somit eine Verkeilung der ersten Isolierelemente 18 miteinander in Umfangsrichtung U möglich. Die Isolierelemente der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform sind vorliegend aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff hergestellt.
Für die Montage des Spulenbauteils 10 werden bei der ersten Ausführungsform die hülsenförmigen ersten Isolierelemente 18 in axialer Richtung A in die Nuten 14 des Trägers 12 eingesteckt. Je nach axialer Lage der Hülsen kann ein Tangentialmaß zwischen den Hülsen und den Phasendrähten angepasst werden. Es erfolgt eine Flächenpressung zwischen den keilförmigen Bereichen der ersten Isolierelemente 18, dem Blechpaket und den Phasendrähten bei Montage in Endlage, woraus eine hohe Tangentialkraft resultiert. Das Spulenbauteil 10 der ersten Ausführungsform ist wiederzerlegbar, kann in einer niedrigen Taktzeit hergestellt werden, umfasst kein Vergussharz, weist einen sehr hohen Nutfüllgrad auf und ermöglicht eine Zentrierung der Phasendrähte in der Nut 14.
Bei der zweiten Ausführungsform, welche in den 4 und 5 gezeigt ist, ist es vorgesehen, dass in der Nut 14 wenigstens ein erstes Isolierelement 18 sowie wenigstens ein zweites Isolierelement 30 angeordnet sind. Das erste Isolierelement 18 weist den den Anschlag 24 bereitstellenden Kragen 22 auf, wodurch die axiale Endlage des ersten Isolierelements 18 vorgegeben ist. Das zweite Isolierelement 30 weist einen in axialer Richtung A verlaufenden geraden Abschnitt 32 sowie zwei Keilabschnitte 34 auf, welche sich in axialer Richtung A nach oben und nach unten jeweils an den geraden Abschnitt 32 anschließen. Die Keilabschnitte 34 weisen die Keilgeometrie auf. Bei einem senkrecht zur axialen Richtung A verlaufenden Querschnitt des zweiten Isolierelements 30 weist dieses zweite Isolierelement 30 einen U-förmigen Querschnitt auf. Hierbei sind in dem eingesteckten Zustand des zweiten Isolierelements 30 in die Nut 14 die Schenkel dieses U-förmigen Querschnitts radial in die gleiche Richtung ausgerichtet wie die Schenkel des U-förmigen Querschnitts des ersten Isolierelements 18. Das bedeutet, dass die U-förmigen Querschnitte des ersten Isolierelements 18 sowie des zweiten Isolierelements 30 mit ihrer Öffnung in die gleiche Richtung zeigen. Bei einem in axialer Richtung A verlaufenden Längsschnitt senkrecht zur radialen Richtung R durch einen der Schenkel des U-förmigen Querschnitts des zweiten Isolierelements 30 weist dieser Längsschnitt eine trapezförmige Geometrie mit zueinander parallel ausgerichteten gegenüberliegenden Seiten auf. Das bedeutet, dass vorliegend das zweite Isolierelement 30 in dem geraden Abschnitt 32 eine konstante Wanddicke aufweist, wohingegen sich die Wanddicke des zweiten Isolierelements 30 in den Keilabschnitten 34 für das Bereitstellen der keilförmigen Geometrie hin zu jeweiligen Enden, vorliegend einem in axialer Richtung A oberen Ende und einem in axialer Richtung A unteren Ende, verjüngt.
In einer jeweiligen Nut 14 können in der zweiten Ausführungsform mehrere zweite Isolierelemente 30 in axialer Richtung A übereinander angeordnet sein, um sicherzustellen, dass die Hairpins 16 über die gesamte, in axialer Richtung A verlaufende Länge der Nut 14 von jeweiligen Isolierelementen zu dem Träger 12 hin elektrisch isoliert ist. Beispielsweise kann in der Nut 14 in axialer Richtung ganz oben ein erstes Isolierelement 18 angeordnet sein, anschließend in axialer Richtung A ein oder mehrere zweite Isolierelemente 30 folgen und in axialer Richtung unten wieder ein erstes Isolierelement 18 angeordnet sein. Jeweilige in axialer Richtung A übereinander angeordnete Isolierelemente liegen mit ihren Keilgeometrien aneinander an, um über das Prinzip der schiefen Ebene durch Einbringen von einer axialen Kraft das Verpressen der Isolierelemente miteinander sowie mit den als Haipins 16 ausgebildeten Phasendrähten und jeweiligen die Nut 14 begrenzenden Nutwände zu ermöglichen. Die Ausgestaltung der Isolierung in der Nut 14 mit den mehreren zweiten Isolierelementen 30 ermöglicht, dass diese zweiten Isolierelemente 30 sowie das wenigstens eine erste Isolierelement 18 besonders einfach spritzgegossen werden können, da eine in axialer Richtung A verlaufende Länge der jeweiligen Isolierelemente für einen Spritzgießprozess angepasst werden kann. Das bedeutet, dass die Längen der Isolierelemente derart gewählt werden, dass diese besonders einfach in einem Spritzgießprozess hergestellt werden können. Es wird somit eine besonders einfache Herstellung der jeweiligen Isolierelemente sowie eine besonders hohe Stabilität der Isolierelemente ermöglicht.
Bei der zweiten Ausführungsform des Spulenbauteils 10 ist es somit vorgesehen, dass als zweite Isolierelemente 30 eine trapezförmige Nutisolation herangezogen wird mit Abschrägung zu jeweiligen Stirnseiten des Trägers 12, insbesondere des Blechpakets, hin. An den jeweiligen Stirnseiten des Trägers 12 können jeweils U-förmige Hülsen mit keilförmiger Geometrie angeordnet sein, welche vorliegend in ihrer Form analog zu den im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen ersten Isolierelementen 18 ausgebildet sind. Bei der zweiten Ausführungsform erfolgt eine Flächenpressung zwischen den Keilgeometrien der Nutisolation und den Phasendrähten bei Montage in axialer Endlage.
Bei der zweiten Ausführungsform wird es ermöglicht, dass je nach axialer Lage des Nutkeils ein Tangentialmaß zwischen den Nutkeilen und den Phasendrähten an den Stirnseiten angepasst werden kann. Durch die Flächenpressung erfolgt eine besonders hohe Tangentialkraft. Da bei dieser zweiten Ausführungsform kein Nutisolationspapier verwendet wird, besteht keine Gefahr eines Überstehens vom Nutisolationspapier. Das Spulenbauteil 10 der zweiten Ausführungsform ist besonders einfach wiederzerlegbar, umfasst kein Vergussharz, kann in einer besonders niedrigen Taktzeit gefertigt werden, weist einen sehr hohen Nutfüllgrad auf und ermöglicht eine Zentrierung der Phasendrähte in der jeweiligen Nut 14.
In den 6 und 7 ist die dritte Ausführungsform des Spulenbauteils 10 gezeigt, bei welcher die jeweiligen Hairpins 16 über ein Nutisolationspapier 36 als Isolierelement gegen jeweilige die zugehörige Nut 14 begrenzende Nutwände des Trägers 12 isoliert sind. Das Nutisolationspapier 36 erstreckt sich in axialer Richtung A über eine gesamte Höhe der Nut 14, wodurch die in der Nut 14 angeordneten Hairpins 16 über die gesamte Höhe der Nut 14 elektrisch zu dem Träger 12 isoliert sind. Vorliegend weist das Nutisolationspapier 36 über seine gesamte Erstreckung eine konstante Wandstärke auf. Um sicherzustellen, dass das Nutisolationspapier 36 besonders eng an den jeweiligen Hairpins 16 anliegt, um dadurch einen besonders guten Wärmeübergang zu gewährleisten, sind jeweilige Nutisolationskeile 38 vorgesehen, welche die Keilgeometrie aufweisen. Die Nutisolationskeile 38 werden jeweils zwischen das Nutisolationspapier 36 und die die Nut 14 begrenzende Wand in die jeweilige Nut 14 eingesteckt. Das bedeutet, dass die Nutisolationskeile 38 sowohl an der die Nut 14 begrenzenden Nutwand als auch an dem Nutisolationspapier 36 anliegen. Bei den Nutisolationskeilen 38 laufen die jeweiligen an dem Nutisolationspapier 36 und an der Nutwand anliegenden Seitenflächen unter einem spitzen Winkel in axialer Richtung A zusammen. Hierbei ist eine spitze Kante des Nutisolationskeils 38 jeweils in axialer Richtung A zu einer Mitte des Trägers 12 hin ausgerichtet. Durch ein Einschieben der Nutisolationskeile 38 in die Nut 14 wird somit das Nutisolationspapier 36 in Umfangsrichtung U an die Hairpins 16 angedrückt. Vorliegend sind in jeder Nut 14 jeweils wenigstens zwei Nutisolationspapiere 36 angeordnet an in Umfangsrichtung U gegenüberliegenden Seiten der Hairpins 16. Die Hairpins 16 sind somit an ihren in Umfangsrichtung U einander gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils durch ein Nutisolationspapier 36 elektrisch zu dem Träger 12 isoliert.
Bei der dritten Ausführungsform sind somit zwei Nutisolationskeile 38 pro Nut 14 und pro Stirnseite des Trägers 12 vorgesehen. Die zwei Nutisolationskeile 38 pro Stirnseite drücken das Nutisolationspapier 36 als drittes Isolierelement an die Phasendrähte des Spulenbauteils 10. Eine Axialkraft bei der Klemmung der Nutisolationskeile 38 wird in eine in Umfangsrichtung U wirkende Tangentialkraft umgewandelt. Um ein Einführen der Nutisolationskeile 38 in die jeweiligen Nuten 14 zu erleichtern, kann die Nut 14 an den jeweiligen Stirnseiten des Trägers 12 für jeden Nutisolationskeil 38 eine jeweilige Einführschräge 40 aufweisen.
Je nach axialer Lage der Nutisolationskeile 38 kann das Tangentialmaß zwischen den Nutisolationskeilen 38 und den Phasendrähten an der jeweiligen Stirnseite des Trägers 12 angepasst werden. Es erfolgt eine Flächenpressung zwischen den Nutisolationskeilen 38, dem Träger 12 und damit vorliegend dem Blechpaket sowie den Phasendrähten bei der Montage in Endlage, woraus eine besonders hohe Tangentialkraft in Umfangsrichtung U resultiert. Ein Überstehen des Nutisolationspapiers 36 unterbleibt. Das Spulenbauteil 10 der dritten Ausführungsform ist besonders einfach wiederzerlegbar, umfasst kein Vergussharz, ist in einer besonders niedrigen Taktzeit herstellbar, weist einen sehr hohen Nutfüllgrad auf und ermöglicht eine Zentrierung der Phasendrähte in der Nut 14.
Insgesamt zeigt die Erfindung, wie eine keilförmige Nutisolation für Statorwicklungen elektrischer Maschinen eingesetzt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Spulenbauteil
12: Träger
14: Nut
16: Hairpin
18: erstes Isolierelement
20: Kanal
22: Kragen
24: Anschlag
26: erste Stirnseite
28: Keilgeometrie
30: zweites Isolierelement
32: gerader Abschnitt
34: Keilabschnitt
36: Notisolationspapier
38: Notisolationskeil
40: Einführschräge
A: axiale Richtung
U: Umfangsrichtung
R: radiale Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2022033627 A1 [0002]

Claims

Spulenbauteil (10) für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, mit - einem Träger (12), welcher eine Vielzahl von in Umfangsrichtung (U) des Trägers (12) verteilt angeordnete, sich in axialer Richtung erstreckende Nuten (14) aufweist, - mehreren Hairpins (16), welche zumindest bereichsweise in den Nuten (14) angeordnet sind, - wenigstens einem in einer der Nuten (14) angeordneten Isolierelement, mittels welchem die in dieser Nut (14) angeordneten Hairpins (16) gegen eine die Nut (14) begrenzende Nutwand des Trägers (12) elektrisch isoliert sind, wobei das Isolierelement (18, 30, 36) über eine Keilgeometrie (28) gegen die Nutwand des Trägers (12) abgestützt ist, wodurch eine in axialer Richtung (A) auf die Keilgeometrie (28) wirkende Kraft in eine in Umfangsrichtung (U) wirkende Kraft umgewandelt wird, mittels welcher das Isolierelement (18, 30, 36) in Umfangsrichtung (U) an die Hairpins (16) gepresst wird.
Spulenbauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement (18, 30) die Keilgeometrie (28) aufweist, sodass zwei Seitenflächen des Isolierelements (18, 30) unter einem spitzen Winkel zusammenlaufen.
Spulenbauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement (18, 30) einen U-förmigen Querschnitt aufweist.
Spulenbauteil (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Nut (14) mehrere Isolierelemente (18, 30) in axialer Richtung (A) übereinander angeordnet und teilweise ineinander eingesteckt sind, wodurch die jeweiligen Isolierelemente (18, 30) mit ihren jeweiligen Keilgeometrien (28) aneinander anliegen.
Spulenbauteil (10) nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Isolierelemente (18) in der Nut (14) vorgesehen sind, deren jeweilige Schenkel des U-förmigen Querschnitts zueinander hin ausgerichtet sind, wodurch die Isolierelemente (18) gemeinsam einen in axialer Richtung (A) verlaufenden Kanal (20) umschließen, durch welchen sich die Hairpins (16) hindurch erstrecken.
Spulenbauteil (10) nach Anspruch 2 oder 3 bis 5 in Rückbezug auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement (30) wenigstens einen in axialer Richtung (A) verlaufenden geraden Abschnitt (32) mit konstanter Wanddicke und wenigstens eine in axialer Richtung (A) an den geraden Abschnitt (32) anschließende Keilgeometrie (28) aufweist.
Spulenbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement (18) einen Anschlag (24) aufweist, welcher an eine Stirnseite (26) des Trägers (12) anschlagen kann und eine axiale Endlage des Isolierelements (18) vorgibt.
Spulenbauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement (36) mittels eines dazu separaten, die Keilgeometrie (28) aufweisenden Nutisolationskeils (38) an die Hairpins (16) gedrückt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Spulenbauteils (10) für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Träger (12), welcher eine Vielzahl von in Umfangsrichtung (U) des Trägers (12) verteilt angeordnete, sich in axialer Richtung (A) erstreckende Nuten (14) aufweist, bei welchem - mehrere Hairpins (16) sowie zumindest ein Isolierelement (18, 30, 36) zumindest bereichsweise in den Nuten (14) angeordnet werden, wobei mittels des wenigstens einen Isolierelements (18, 30, 36) die Hairpins (16) gegen eine die Nut (14) begrenzende Nutwand des Trägers (12) elektrisch isoliert werden, und - das wenigstens eine Isolierelement (18, 30, 36) über eine Keilgeometrie (28) gegen die Nutwand des Trägers (12) abgestützt wird, wodurch eine in axialer Richtung (A) auf die Keilgeometrie (28) wirkende Kraft in eine in Umfangsrichtung (U) wirkende Kraft umgewandelt wird, mittels welcher das Isolierelement (18, 30, 36) in Umfangsrichtung (U) an die Hairpins (18) gepresst wird.