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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Anschlusskörper zum Anschließen einer Spulenanordnung, insbesondere eines Elektromotors, sowie die Spulenanordnung, die über den Anschlusskörper insbesondere an eine Leistungselektronik anschließbar ist.
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Die Mobilitätswende hat das Ziel, den Verbrauch fossiler Brennstoffe weiter zu reduzieren. Im Verkehr und der Mobilität soll hierzu der Einsatz nachhaltiger Energieträger deutlich in den nächsten Jahren ausgebaut werden. Die Elektrifizierung neuer Kraftfahrzeuge ist dabei eine der grundsätzlichen Änderungen, die viele neue Herausforderungen schafft. Eine effiziente, variable und kostengünstige Serienfertigung neuer elektrischer Fahrzeuge und ihrer Antriebe ist dabei eine der Hauptherausforderungen. Auch Elektromotoren werden ähnlich wie Verbrennungsmotoren entsprechend einer Leistungsanforderung und einer Bauraumanforderung ausgelegt und variieren in ihren Abmessungen.
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Elektromotoren setzen sich grundsätzlich aus einem außenliegenden Stator mit einer Wicklung und einem innenliegenden Rotor zusammen. Durch ein im Stator verursachtes Magnetfeld kann der Rotor durch eine Abstoßung bzw. Anziehung von Magnetpolen in Bewegung versetzt werden.
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Die elektrische Auslegung des Elektromotors kann unter anderem über eine Variation einer Statorgeometrie und einer Spulenwicklung erfolgen. Entsprechend einem späteren Anwendungsfall kann auch ein Anschluss der Spulenwicklung, beispielsweise über eine Stern- oder Dreieckschaltung erfolgen und damit ein Anschlussbereich am Elektromotor variieren.
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Bis vor wenigen Jahren waren elektrische Fahrzeuge noch eher eine Randerscheinung. Die Fertigung unterschiedlicher Elektromotoren erforderte viele unterschiedliche Einzelteile. Es gab daher nur eine geringe Kompatibilität der Einzelteile unter verschiedenen Typen von Elektromaschinen.
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Ein Grund hierfür ist, dass Elektromotoren bisher je nach Typ, Leistungsart und Bauraumanforderung grundlegend unterschiedlich konstruiert und gefertigt wurden. Einzelteile, die Typenübergreifend eingesetzt werden können, sind bisher aufgrund geringer Stückzahlen selten. Die Elektromotoren sind dabei teilweise auch so konstruiert, dass eine automatisierte Fertigung nicht durchgängig möglich ist. Die kontinuierlich steigende Nachfrage nach elektrischen Fahrzeugen und damit nach leistungsfähigen elektrischen Maschinen erfordert aber eine effiziente und wirtschaftliche Produktion.
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Aus diesem Grund findet im Bereich der Herstellung des Stators und der Wicklung die sogenannte Hairpin-Technologie als Wickelverfahren in den letzten Jahren immer mehr Verwendung. Bei diesem Verfahren wird die bislang aufwändige Wicklung eines dünnen Drahtes durch eine Vielzahl einzelner Steckspulenelemente substituiert. Die Steckspulen können innerhalb einer Produktionsanlage Inline gebogen werden und anschließend in (axialen) Nuten am Stator eingesetzt werden. Die Steckspulen werden an ihren Endbereichen miteinander verschalten bzw. angeschlossen. Durch die Hairpin-Technologie kann unter anderem der Automatisierungsgrad der Fertigung von Stator und Wicklung weiter gesteigert werden.
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Auch elektrische Maschinen werden je nach Bauraumanforderung und Leistungsart zunehmend individuell ausgelegt und konstruiert. Dies hat den Nachteil, dass für jeden Elektromaschinentyp unterschiedliche Wicklungen und spezielle Einzelkomponenten verwendet werden, die nicht Typen übergreifend miteinander kompatibel sind. Wird beispielsweise eine Elektromaschine in einer Dreieckverschaltung angeschlossen, wird ein grundsätzlich anderer Anschlusskörper benötigt als bei einer Sternverschaltung. Variiert die Bauraumanforderung im Fahrzeug oder variiert eine aktive Länge eines Stators, müssen die Steckspulenwicklung und der Anschlusskörper und unter Umständen sogar das Motorgehäuse verändert werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Anschlusskörper und eine Spulenanordnung bereitzustellen, bei der die oben angegebenen Nachteile wenigstens teilweise verringert werden.
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Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung. Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Anschlusskörper mit einer Leiteranschlusselementanordnung, die drei Leiteranschlusselemente mit jeweils einem Leiterkontaktbereich umfasst, wobei die Leiteranschlusselementanordnung dazu ausgebildet ist, mehrere Steckspulen einer Spulenanordnung in einer Dreieckverschaltung anzuschließen, wobei an dem Anschlusskörper ein Aufnahmebereich für ein Sternleiteranschlusselement ausgebildet ist.
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Der Anschlusskörper stellt eine Schnittstelle zwischen der Spulenanordnung einer elektrischen Maschine und einer Leistungselektronik dar. Der Anschlusskörper kann mehrteilig ausgebildet sein und einen Grundkörper umfassen, der dazu ausgebildet ist, die Leiteranschlusselementanordnung aufzunehmen.
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Der Anschlusskörper bzw. der Grundkörper kann aus einem elektrisch nichtleitenden (isolierenden) Material bestehen. Das elektrisch nichtleitende Material kann ein Kunststoff oder ein keramischer Werkstoff oder ein metallischer Werkstoff oder ein anderer Werkstoff oder eine Kombination aus verschiedenen Werkstoffen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Werkstoff ein PPS-Kunststoff mit einer 40%igen Glasfaserverstärkung sein. Der Anschlusskörper kann in einem Spritzgussprozess hergestellt werden.
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Die Leiteranschlusselementanordnung kann drei oder mehrere Leiteranschlusselemente umfassen, die am oberen Bereich des Anschlusskörpers angeordnet sein können. Die Leiteranschlusselemente können als Einzelteile ausgebildet sein oder untereinander verbunden sein. Die Leiteranschlusselemente können mit dem Anschlusskörper formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig verbunden sein. In einer Ausführungsform können die Leiteranschlusselemente über eine Klippverbindung mit dem Anschlusskörper verbunden sein. In weiteren Ausführungsformen können die Leiteranschlusselemente über eine Umspritzung oder Klebung mit dem Anschlusskörper verbunden sein, oder über eine Schraub-oder Nietverbindung mit dem Anschlusskörper verbunden sein.
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An jedem Leiteranschlusselement befindet sich ein Leiterkontaktbereich. Das Leiteranschlusselement und der Leiterkontaktbereich können einstückig in einem elektrisch leitenden Material ausgeführt sein. Der Leiterkontaktbereich kann dabei anders als das Leiteranschlusselement verlaufen, insbesondere abgekantet sein. Der Leiterkontaktbereich kann als ein Verbindungsabschnitt zwischen dem Anschlusskörper und den Steckspulen ausgebildet sein.
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Die Geometrie des Leiterkontaktbereichs ist je nach Ausführung der Spulenanordnung adaptierbar. Beispielsweise ist die Breite der Leiterkontaktbereiche variabel, wenn mehrere Steckspulen an einem Leiterkontaktbereich angeschlossen werden. Dadurch ist zur Realisierung eines Gleichteilansatzes der gleiche Anschlusskörper für unterschiedliche elektrische Maschinen bzw. für unterschiedliche Typen verwendbar.
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Der Aufnahmebereich für das Sternleiteranschlusselement kann ein Bereich sein, der speziell für die Aufnahme des Sternleiteranschlusselements vorgesehen und entsprechend vorbereitet ist. Der Aufnahmebereich kann am unteren Bereich des Anschlussköpers angeordnet sein. Der Aufnahmebereich kann eine Vertiefung oder Kavität im unteren Bereich des Anschlusskörpers sein. Der Aufnahmebereich kann separiert und kontaktlos zu der Leiteranschlusselementanordnung () angeordnet sein.
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Weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Anschlusskörpers für eine Spulenanordnung;
- 2 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anschlusskörpers mit einem Sternleiteranschlusselement;
- 3 eine Untersicht des erfindungsgemäßen Anschlusskörpers mit dem Sternleiteranschlusselement;
- 4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung, die in einer Sternverschaltung mit dem erfindungsgemäßen Anschlusskörper verbunden ist;
- 5 eine perspektivische Ansicht der Spulenanordnung, die in einer Dreieckverschaltung mit dem erfindungsgemäßen Anschlusskörper verbunden ist;
- 6a eine perspektivische Ansicht der Spulenanordnung in der Dreieckverschaltung, die über den Anschlusskörper mit einer Leistungselektronik verbunden ist;
- 6b eine perspektivische Ansicht der Spulenanordnung in der Sternverschaltung, die über den Anschlusskörper mit der Leistungselektronik verbunden ist;
- 7 eine Draufsicht der Spulenanordnung mit dem Anschlusskörper;
- 8a eine schematische Schnittansicht eines beispielhaften Anschlusspins der Spulenanordnung
- 8b verschiedene Ausführungsformen des Anschlusspins;
- 9 zwei verschiedene Ausführungsformen von elektrischen Maschinen mit dem erfindungsgemäßen Anschlusskörper und der erfindungsgemäßen Spulenanordnung.
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Vor einer detaillierten Beschreibung der Figuren folgen allgemeine Bemerkungen zu den Ausführungsformen.
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Der Begriff „Steckspule“ unter anderen in Anspruch 1 ist ein allgemeiner Begriff für sogenannte Hairpin-Steckspulen. Steckspulen können unter anderem eine U-förmige Geometrie oder I-förmige Geometrie haben oder als Wellenwicklung (Continuous Hairpin) ausgebildet sein.
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Der Begriff „Mehrere“ unter anderem in Anspruch 1 bezieht sich auf die Steckspulen, die an Kontaktbereichen des Anschlusskörpers angeschlossen sind. Diese Steckspulen sind als Anschluss(hair)pins in der Spulenanordnung ausgebildet.
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Der Begriff „Vielzahl“ unter anderem in Anspruch 5 bezieht sich im Gegensatz zu den „mehreren“ Steckspulen auf eine Gesamtheit aller Steckspulen, die gemeinsam eine Wickelanordnung bilden. Die „mehreren“ Steckspulen sind eine Teilmenge der „Vielzahl“ der Steckspulen in der Wickelanordnung.
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Der Begriff „Zweige“ unter anderem in Anspruch 7 meint, dass die Spulenanordnung mehrere parallel verlaufende Wickelanordnungen (Windungen) umfassen kann. Ein „Zweig“ entspricht in diesem Fall einer Windung der Wickelanordnung.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen das Sternleiteranschlusselement in dem Aufnahmebereich des Anschlusskörpers angeordnet ist, wobei das Sternleiteranschlusselement entsprechende Sternleiterkontaktbereiche umfasst, wobei das Sternleiteranschlusselement dazu ausgebildet ist, die Steckspulen an dem Anschlusskörper mit der Leiteranschlusselementanordnung in einer Sternverschaltung anzuschließen. Das Sternleiteranschlusselement kann aus einem elektrisch leitenden Material einstückig ausgeführt sein. Das Sternleiteranschlusselement kann mindestens drei Sternleiterkontaktbereiche umfassen, die analog zu den Leiterkontaktbereichen ausgeführt sein.
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Das Sternleiteranschlusselement kann bei Bedarf in oder an dem Aufnahmebereich des Anschlusskörpers angeordnet werden oder sich dauerhaft an dem Anschlusskörper befinden. In einem Fall, in dem sich das Sternleiteranschlusselement dauerhaft an dem Anschlusskörper befindet, kann es als Blindanschluss am Anschlusskörper verbleiben, ohne dass eine Steckspule daran angeschlossen wird.
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Das Sternleiteranschlusselement kann in oder an dem Aufnahmebereich formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig befestigt sein. In einer ersten Ausführungsform kann das Sternleiteranschlusselement in den Aufnahmebereich eingeklippt werden. In anderen Ausführungsformen kann das Sternleiteranschlusselement über eine Umspritzung in dem Aufnahmebereich nicht lösbar befestigt werden oder über eine Verschraubung in dem Aufnahmebereich befestigt werden.
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Die Geometrie der Sternleiterkontaktbereiche kann je nach Ausführung analog zu den Leiterkontaktbereichen angepasst werden.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen der Anschlusskörper einen Anbindungsbereich umfasst, der so ausgebildet ist, dass der Anschlusskörper an einer Elektromaschinenkomponente fixierbar ist. Der Anbindungsbereich kann direkt in die Geometrie des Anschlusskörpers integriert sein, beispielsweise als eine Bohrung, ein Pin, ein Gewinde oder ein anderes Verbindungselement.
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Der Anbindungsbereich kann auch eine separate Komponente sein, beispielsweise ein Inlay oder Gewindeauge, das in den Anschlusskörper geschraubt, geklebt, gepresst wird oder über eine Umspritzung integriert wird. Die Anzahl der Anbindungsbereiche am Anschlusskörper kann variieren. Vorteilhafterweise gibt es zwei Anbindungsbereiche an dem Anschlusskörper.
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Die Elektromaschinenkomponente kann beispielsweise ein Gehäuse oder ein Rahmen oder ein Gestell einer elektrischen Maschine sein. Der Anschlusskörper selbst kann innerhalb oder außerhalb der elektrischen Maschine positioniert sein.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen die Spulenanordnung über die Leiterkontaktbereiche an dem Anschlusskörper angeschlossen wird oder über die Leiterkontaktbereiche und die Sternleiterkontaktbereiche an dem Anschlusskörper angeschlossen wird.
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Wird die Spulenanordnung über die Leiterkontaktbereiche angeschlossen, kann die Spulenanordnung in einer Dreieckverschaltung an den Anschlusskörper angeschlossen werden. Eine elektrische Maschine mit einer Dreieckverschaltung ist für einen hohen Anlaufstrom geeignet. Dreieckverschaltungen werden vorzugsweise für elektrische Maschinen nach dem Erreichen einer Betriebsdrehzahl verwendet. Bei elektrischen Fahrzeugen eignet sich die Dreieckverschaltung besonders für den Normalbetrieb, also nachdem eine Zielgeschwindigkeit erreicht wurde. Die kann beispielsweise nach einem Anfahr- oder Beschleunigungsvorgang zutreffen.
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Wird die Spulenanordnung über die Leiterkontaktbereiche und die Sternleiterkontaktbereiche angeschlossen, kann die Spulenanordnung in einer Sternverschaltung an den Anschlusskörper angeschlossen werden. Bei einer Sternverschaltung kann der Anlaufstrom deutlich geringer sein als bei einer Dreieckverschaltung. Elektrische Maschinen mit einer Sternverschaltung können bevorzugt für einen Anlauf der elektrischen Maschine eingesetzt werden, damit der Anlaufstrom gering bleibt. Bei elektrischen Fahrzeugen eignet sich die Sternvershaltung besonders als Beschleunigungsmotor für einen Anlaufvorgang bzw. einen Beschleunigungsvorgang. Elektrische Fahrzeuge können mehrere elektrische Maschinen umfassen, wobei die mehreren elektrischen Maschinen mit einer unterschiedlichen Verschaltung angeschlossen sein können.
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Unabhängig davon, ob die Spulenanordnung als eine Dreieckverschaltung oder eine Sternverschaltung ausgeführt ist, kann der identische Anschlusskörper zum Anschluss verwendet werden. Dadurch kann eine Schnittstelle zu einer Leistungselektronik unabhängig vom Typ der elektrischen Maschine identisch bleiben.
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Der Leiterkontaktbereich kann eine Verbindung zwischen dem Anschlusskörper und den Steckspulen sein. Der Anschluss der Steckspulen an dem Leiterkontaktbereich bzw. an dem Sternleiterkontaktbereich kann über eine Schweißverbindung, Lötverbindung, Schraubverbindung, Crimpverbindung, Steckverbindung oder einer Kombination verschiedener Verbindungen ausgeführt werden.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen die Spulenanordnung eine Wickelanordnung und einem Spulenkörper umfasst, wobei die Wickelanordnung aus der Vielzahl von Steckspulen gebildet wird, wobei die mehreren Steckspulen als Anschlusspins ausgeführt sind, die einen Anschlussabschnitt umfassen, wobei die Anschlusspins im Bereich des Spulenkörpers parallel zu einer Rotationsachse des Spulenkörpers ausgerichtet sind und um die Rotationsachse radial beabstandet angeordnet sind.
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Die Wickelanordnung der Spulenanordnung ist die Summe aller Steckspulen, die im Bereich des Spulenkörpers angeordnet sind. Die Spulenanordnung kann Steckspulen unter anderem mit einer U-förmigen Geometrie und einer I-förmigen Geometrie umfassen. Entsprechend einem Schaltplan werden die Enden der Steckspulen miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen den Steckspulen kann eine Schweißverbindung, eine Lötverbindung oder eine andere geeignete elektrische Verbindung sein.
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Der Spulenkörper kann ein Blechpaket eines Stators einer elektrischen Maschine sein. Das Blechpaket kann eine zylinderförmige Geometrie haben. Das Blechpaket kann sich aus mehreren gestapelten Einzelblechen zusammensetzen. Eine innere Oberfläche des zylinderförmigen Blechpakets kann mehrere axiale Nuten beinhalten, die parallel zu der Rotationsachse verlaufen.
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Die Steckspulen können gebogene oder geradlinige Kupferflachdrähte sein, mit einen viereckigen, runden oder ovalen Querschnitt. Die Steckspulen können eine U-förmige Geometrie oder eine I-förmige Geometrie haben. Die Steckspulen können länger sein als der Spulenkörper und über beide Stirnseiten des zylinderförmigen Spulenkörpers hinausragen. Im Abschnitt des Spulenkörpers/Blechpakets können die Steckspulen im Bereich der axialen Nuten geradlinig verlaufen.
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Die Anschlusspins können eine I-förmige Geometrie haben. Die Anschlusspins können innerhalb der Spulenanordnung, genauer gesagt zwischen der Stirnseite des Spulenkörpers und dem Anschlusskörper eine Biegung aufweisen. Die Anschlusspins innerhalb derselben Spulenanordnung können jeweils eine unterschiedliche Biegung aufweisen.
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Der Anschlussabschnitt jedes Anschlusspins kann parallel zur Rotationsachse des Spulenkörpers verlaufen. Dahingegen können die anderen Steckspulen eine U-förmige Geometrie haben. Lediglich durch eine Variation der Gesamtzahl der Anschlusspins innerhalb der Spulenanordnung und eine Variation der Biegung der Anschlusspins kann ein unterschiedlicher Typ einer elektrischen Maschine oder eine unterschiedliche Leistung realisiert werden.
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Durch die Variation der Anschlusspins kann innerhalb einer gleichen Produktionsanlage/Wickelanlage sowohl eine Spulenanordnung mit einer Dreieckverschaltung und einer Sternverschaltung gefertigt werden. Auch eine Variation unterschiedlicher Leistungsarten kann durch die Variation der Anschlusspins umgesetzt werden. Das Prinzip der Wicklung bleibt dabei identisch.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen die Anschlussabschnitte der Anschlusspins den Leiter- oder den Sternleiterkontaktbereichen des Anschlusskörpers zugeordnet sind, wobei bei einer Dreieckverschaltung die Anschlussabschnitte von entsprechenden Anschlusspins mit je einem Leiterkontaktbereich an dem Anschlusskörper verbunden werden und bei einer Sternverschaltung zusätzlich die Anschlussabschnitte mit jeweils einem weiteren Anschlusspin mit je einem Sternleiterkontaktbereich an dem Anschlusskörper verbunden werden.
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In einer Ausführungsform mit drei Leiteranschlusselementen können bei einer Dreieckverschaltung drei Anschlusspins an den Anschlusskörper angeschlossen werden und bei der Sternverschaltung können sechs Anschlusspins an den Anschlusskörper angeschlossen werden. Dadurch kann ein Anschlussbereich zwischen der Spulenanordnung und dem Anschlusskörper kompakt gehalten werden. Trotz einer unterschiedlichen Anzahl an Anschlusspins kann der benötigte Bauraum unverändert bleiben.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen die Wickelanordnung mehrere Zweige umfasst, die über Anschlusspins an dem Anschlusskörper angeschlossen sind, wobei die Anzahl der Anschlusspins die an jedem einzelnen Leiter- oder Sternleiterkontaktbereich angeschlossen werden, der Anzahl der Zweige entspricht. Entsprechend einer elektrischen Auslegung der elektrischen Maschine kann die Spulenanordnung eine unterschiedliche Anzahl an Zweigen aufweisen. Die einzelnen Zweige können unter anderem im Anschlussabschnitt parallel zueinander verlaufen.
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An den Anschlusskörper können ein, zwei, drei oder mehrere Zweige angeschlossen werden. In einem Fall, in dem sich die Anzahl der Zweige erhöht, kann die Breite der Leiterkontaktbereiche bzw. der Sternleiterkontaktbereiche entsprechend um die Breite der zusätzlichen Anschlussabschnitte der Zweige erhöht werden. Es kann der gleiche Anschlusskörper lediglich durch eine Adaption der Kontaktbereiche verwendet werden. Auf eine Adaption kann verzichtet werden, wenn die Kontaktbereiche vorsorglich breiter gestaltet sind.
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Bei einem Anschluss von zwei parallelen Zweigen in einer Dreieckverschaltung werden 6 Anschlusspins an dem Anschlusskörper angeschlossen. Bei einer Sternverschaltung werden bei zwei parallelen Zweigen 12 Anschlusspins an den Anschlusskörper angeschlossen. Bei drei parallelen Zweigen werden 9 Anschlusspins bei einer Dreieckverschaltung und 18 Anschlusspins bei einer Sternverschaltung an dem Anschlusskörper angeschlossen.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen der Anschlusspin einen Spulenabschnitt und den Anschlussabschnitt umfasst, die über einen Ausgleichsabschnitt miteinander verbunden sind, wobei der Spulenabschnitt und der Anschlussabschnitt parallel zu der Rotationsachse des Spulenkörpers ausgerichtet sind, wobei der Ausgleichsabschnitt derart ausgerichtet ist, eine Differenz in axialer Richtung entlang der Rotationsachse und/oder einen Versatz in Umfangsrichtung, um die Rotationsachse zwischen der Wickelanordnung und den Leiter- oder den Sternleiterkontaktbereichen an dem Anschlusskörper auszugleichen.
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Der Ausgleichsabschnitt kann durch die Biegung am Anschlusspin variabel eingestellt werden. Der Ausgleichsabschnitt kann durch eine Änderung der Biegung und einer Änderung einer Länge variiert werden. Innerhalb der Spulenanordnung kann der Ausgleichsabschnitt eines jeden Anschlusspins unterschiedlich ausgebildet sein. Der Ausgleichsabschnitt kann Abschnitte aufweisen, die parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sind oder die orthogonal zur Rotationsachse angeordnet sind, oder die diagonal zur Rotationsachse angeordnet sind. Weiterhin kann sich der Ausgleichsabschnitt aus einer Kombination mehrerer dieser Abschnitte zusammensetzen.
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Der Spulenabschnitt kann auf einer ersten Kreisbahn angeordnet sein, die mit einem ersten Radius um die Rotationsachse radial verläuft. Der Anschlussabschnitt kann auf einer zweiten Kreisbahn angeordnet sein, die in einem zweiten Radius um die Rotationsachse radial verläuft. Der zweite Radius kann größer, kleiner oder identisch als der erste Radius sein. In einem Fall, in dem der zweite Radius größer oder kleiner als der erste Radius ist, kann der Anschlusspin im Bereich des Ausgleichsabschnitts zusätzlich konisch zur Rotationsachse verlaufen.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen die Ausrichtung des Ausgleichsabschnitts der Anschlusspins entsprechend einer Länge des Wickelabschnitts und/oder dem Versatz in Umfangsrichtung des Anschlusspins angepasst ist, wobei die Spulenanordnung bei einer gleichbleibenden Position des Anschlusskörpers und variabler Länge des Wickelabschnitts an den Anschlusskörper anschließbar ist.
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Mit der Länge des Wickelabschnitts ist eine aktive Gesamtlänge der Spulenanordnung entlang der Rotationsachse gemeint. Wenn sich eine Bauraumanforderung ändert oder wenn die Leistung oder der Typ der elektrischen Maschine variiert, kann die Länge des Wickelabschnitts variieren. Wenn die Länge des Wickelabschnitts zunimmt, kann auch eine aktive Länge der elektrischen Maschine zunehmen. Dadurch kann es zu einer Änderung einer räumlichen Position des Spulenabschnitts des Anschlusspins kommen. Durch eine Anpassung des Ausgleichsabschnitts der Anschlusspins kann die Positionsänderung des Spulenabschnitts bei gleichbleibender Position des Anschlusskörpers über den Ausgleichsabschnitt ausgeglichen werden.
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Wenn sich die Länge des Wickelabschnitts vergrößert, verringert sich ein Abstand zwischen der Anschlussanordnung und der Spulenanordnung. Durch eine „Stauchung“ der Anschlusspins kann der Ausgleichsabschnitt den verringerten Abstand zwischen der Anschlussanordnung und der Spulenanordnung ausgleichen.
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Durch den Ausgleichsabschnitt können verschiedene Typen von elektrischen Maschinen und elektrische Maschinen mit unterschiedlichen äußeren Abmessungen bei gleichbleibendem Bauraum, gleichbleibender Anschlussanordnung und gleichbleibender Position der Anschlussanordnung verbaut werden.
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Ein weiterer Aspekt der Anmeldung betrifft eine elektrische Maschine, die mit einer Spulenanordnung mit einem Anschlusskörper gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgesehen ist. Die elektrische Maschine kann als Motor oder Generator genutzt werden. Die elektrische Maschine kann unter anderem ein Fahrmotor oder ein Anlassermotor/Startermotor oder ein Hilfsmotor sein. Die elektrische Maschine kann unter anderem in einem Kraftfahrzeug verbaut sein. Das Kraftfahrzeug kann ein Elektrokraftfahrzeug oder ein Hybridelektrofahrzeug (HEV) sein. Ein Kraftfahrzeug kann unter anderem ein Zweirad, Pkw, Omnibus oder Lkw sein. Weiterhin kann die elektrische Maschine in einem Fahrrad mit Hilfsmotor verbaut werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Bauteile werden mit einheitlichen Bezugszeichen bezeichnet,
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Gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Anschlusskörpers 1. Der Anschlusskörper 1 setzt sich aus einem Grundkörper 2 und verschiedenen Einzelteilen zusammen. Der Grundkörper 2 hat eine halbmondförmige Geometrie und liegt in einer Einbauposition auf einer Grundfläche der halbmondförmigen Geometrie. Auf einer dem Boden abgewandten Fläche des Grundkörpers 2 ist eine Leiteranschlusselementanordnung 3 angebracht. Die Leiteranschlusselementanordnung 3 setzt sich aus drei einzelnen Leiteranschlusselementen 5A, 5B, 5C zusammen, die nebeneinander angeordnet sind. An den drei Leiteranschlusselementen 5A, 5B, 5C ist jeweils ein Leiteranschlusskontaktbereich 7A, 7B, 7C ausgebildet. Die Leiteranschlusselemente 5 sind an dem Grundkörper 2 eingeklippt. Der Leiteranschlusskontaktbereich 7 ist gegenüber dem Leiteranschlusselement 5 senkrecht umgeformt. Der Leiteranschlusskontaktbereich 7 ist gegenüber der Grundfläche des Grundkörpers 2 vertikal ausgerichtet und fahnenartig.
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An den beiden Endbereichen des halbmondförmigen Grundkörpers 2 ist jeweils ein Anbindungsbereich 15 angeordnet. Der Anbindungsbereich 15 ist als ein Inlay mit einem Durchgangsloch ausgebildet, dessen Mittelachse vertikal zu einer Grundfläche des Grundkörpers 2 ausgerichtet ist.
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Im unteren Bereich der Grundfläche des Grundkörpers 2 ist ein Aufnahmebereich 9 für ein Sternleiteranschlusselement 9 angeordnet. Der Aufnahmebereich 9 ist als ein steckplatzartiger Abschnitt mit partiellen Auflagebereichen in dem Grundkörper 2 ausgeformt.
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2 zeigt die erste Ausführungsform des Anschlusskörpers 1 mit einem Sternleiteranschlusselement 11. Das Sternleiteranschlusselement 11 ist einstückig und hat ebenfalls eine halbmondförmige Geometrie. An dem Sternleiteranschlusselement 11 sind drei Sternleiterkontaktbereiche 13A, 13B, 13C ausgebildet. Die Sternleiterkontaktbereiche 13 sind analog zu den Leiteranschlusskontaktbereichen 7 ausgebildet und vertikal zu der Grundfläche des Grundkörpers 2 ausgerichtet. Das Sternleiteranschlusselement 11 ist im Aufnahmebereich 9 des Anschlusskörpers 1 eingesetzt und wird über die Auflagebereiche an dem Grundkörper 2 gehalten.
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3 zeigt eine Untersicht des Anschlusskörpers 1 mit dem Sternleiteranschlusselement 11. Das Sternleiteranschlusselement 11 ist in der ersten Ausführungsform über mehrere an den Randbereichen des Aufnahmebereichs 9 befindliche Auflageflächen formschlüssig eingeklippt. Die vertikal zur Grundfläche des Anschlusskörpers 1 ausgerichteten flächigen Leiter- und Sternleiterkontaktbereiche 7, 13 liegen auf einer gemeinsamen kreisartigen Bahn.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung 20, die in einer Sternverschaltung S an dem erfindungsgemäßen Anschlusskörper 1 angeschlossen ist. Die Spulenanordnung 20 hat in einem äußeren Bereich einen zylinderförmigen Spulenkörper 22 mit einer zentrischen Rotationsachse 50. Der zylinderförmige Spulenkörper 22 und der halbmondförmige Anschlusskörper 1 sind konzentrisch zueinander ausgerichtet. Der Anschlusskörper 1 ist oberhalb der Spulenanordnung 20 mit einem Abstand angeordnet.
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In einer inneren zylindrischen Oberfläche des zylinderförmigen Spulenkörpers 22 verläuft in Umfangsrichtung eine Vielzahl von axialen Nuten 35, die parallel zu der Rotationsachse 50 ausgerichtet sind und radial beabstandet sind. In die axialen Nuten 35 ist eine Vielzahl von Steckspulen 23 eingesetzt, die gemeinsam eine Wickelanordnung 21 bilden. Die Steckspulen 23 sind U-förmig gebogen und haben zwei parallel angeordnete Spulenabschnitte 27. Jede U-förmige Steckspule 23 verläuft über die beiden parallelen Spulenabschnitte 27 in zwei axialen Nuten 35, wobei der U-förmige Abschnitt jeder U-förmigen Steckspule 23 auf der Anschlusskörpers 1 zugewandten Seite über eine Stirnseite des Spulenkörper 22 hinaus verläuft bzw. hinausragt. Zwischen dem U-förmigen Abschnitt der Steckspule 23 und einer Grundfläche des Anschlusskörpers 1 besteht ein Abstand.
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Die Grundfläche des Anschlusskörpers 1 ist mit dem Abstand parallel zu der Stirnfläche des Spulenkörpers 22 ausgerichtet. Im Aufnahmebereich 9 des Anschlusskörpers 1 ist ein Sternleiteranschlusselement 11 angeordnet. Die Spulenanordnung 20 ist über Anschlussabschnitte 29 von insgesamt zwölf I-förmigen Anschlusspins 25 mit dem Anschlusskörper 1 verbunden. Sechs Anschlusspins 25 sind mit den drei Leiteranschlusselementen 5A, 5B, 5C verbunden und sechs Anschlusspins 25 sind mit den drei Sternleiteranschlusselementen 11A, 11B, 11C verbunden. Jeweils zwei Anschlusspins 25 verlaufen parallel als parallele Zweige und sind über den Anschlussabschnitt 29 mit je einem Leiterkontaktbereich 7 oder Sternleiterkontaktbereich 13 verbunden.
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Die Ausrichtung der Ausgleichsabschnitte 31 der jeweiligen Anschlusspins 25 ist unterschiedlich. Die Ausrichtungen der Ausgleichsabschnitte 31 sind parallel zur Rotationsachse 50 oder diagonal zur Rotationsachse 50, oder eine Kombination beider Ausrichtungen.
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5 zeigt die Spulenanordnung 20, die im Unterschied zu 4 in einer Dreieckverschaltung D an dem Anschlusskörper 1 angeschlossen ist. Die Anordnung von Spulenanordnung 20 und Anschlusskörper 1 zueinander ist analog zu der Anordnung in 4. Im Unterschied zu 4 ist in dem Aufnahmebereich 9 des Anschlusskörpers 1 kein Sternleiteranschlusselement 11 angeordnet.
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Die Spulenanordnung 20 ist über sechs Anschlusspins 25 mit dem Anschlusskörper 1 verbunden.
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Jeweils zwei Anschlusspins 25 sind mit je einem Leiterkontaktbereich 7 der drei Leiterkontaktbereiche 7A, 7B, 7C verbunden und verlaufen mindestens im Bereich des Anschlussabschnitts 29 als zwei parallele Zweige.
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6a zeigt die Spulenanordnung 20, die in einer Dreieckverschaltung D mit dem Anschlusskörper 1 verbunden ist. Der Anschlusskörper 1 ist im oberen Bereich mit einer Leistungselektronik 60 (partiell dargestellt) über die Leiteranschlusselemente 5 verbunden.
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Im Unterschied zu 6a ist die Spulenanordnung 20 in 6b in einer Sternverschaltung S mit dem Anschlusskörper 1 verbunden. Im Aufnahmebereich 9 ist zusätzlich ein Sternleiteranschlusselement 11 angeordnet. Der Anschluss bzw. die Verbindung zwischen der Leistungselektronik 60 (partiell dargestellt) und dem Anschlusskörper 1 ist analog zu 6a.
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7 zeigt eine Draufsicht der Spulenanordnung 20 mit dem Anschlusskörper 1. Der Anschlusskörper 1 ist konzentrisch zur Spulenanordnung 20 bzw. Wickelanordnung 21 ausgerichtet. Eine äußere Mantelfläche des halbmondförmigen Anschlusskörpers 1 ragt über eine äußere Mantelfläche der zylinderförmigen Wickelanordnung 21 hinaus. Eine innere Mantelfläche des halbmondförmigen Anschlusskörpers 1 ist zwischen der äußeren Mantelfläche und einer inneren Mantelfläche der zylinderförmigen Wickelanordnung 21 angeordnet.
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8a zeigt eine schematische Schnittansicht des Anschlusspins 25. Der Anschlusspin 25 hat eine I-förmige Grundgeometrie. Der Anschlusspin 25 unterteilt sich in drei Abschnitte. Den Anschlussabschnitt 29, den Ausgleichsabschnitt 31 und den Spulenabschnitt 27. Der Spulenabschnitt 27 ist im unteren Bereich geschnitten dargestellt. In einer Einbaurichtung ist der Anschlussabschnitt 29 dem Anschlusskörper 1 (nicht dargestellt) zugewandt, der Spulenabschnitt 27 ist der Spulenanordnung 20 (nicht dargestellt) zugewandt. Der Anschlussabschnitt 29 und der Spulenabschnitt 27 im Bereich des Spulenkörpers 22 (nicht dargestellt) sind parallel zueinander ausgerichtet. Der Anschlussabschnitt 29 und der Spulenabschnitt 27 sind über den Ausgleichsabschnitt 31 miteinander verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform verläuft der Ausgleichsabschnitt 31 diagonal und gleicht eine vertikale Differenz und eine horizontale Differenz zwischen dem Anschlussabschnitt 29 und dem Spulenabschnitt 27 aus.
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8b zeigt beispielhaft sechs Anschlusspins 25A bis 25F, wobei die vertikale Differenz und die horizontale Differenz zwischen dem Anschlussabschnitt 29 und dem Spulenabschnitt 27 bei jedem Anschlusspin 25 unterschiedlich ist. Durch diese Variation der vertikalen und horizontalen Differenzen ist der Ausgleichsabschnitt 31 bei den sechs Anschlusspins 25 jeweils unterschiedlich ausgeführt. Je nach Ausführung ist der Ausgleichsabschnitt 31 zusätzlich in mehrere Teilabschnitte unterteilbar. Die Teilabschnitte sind räumlich betrachtet jeweils unterschiedlich ausgerichtet. In 8b ist zur Vereinfachung lediglich ein zweidimensionaler Raum dargestellt. Die Teilabschnitte der beispielhaften Anschlusspins 25A bis 25F sind folgendermaßen ausgerichtet:
- - 25A: Vertikal → Diagonal → Vertikal
- - 25B: Diagonal → Vertikal
- - 25C: Vertikal → Horizontal → Diagonal → Vertikal
- - 25D: Horizontal → Vertikal
- - 25E: Vertikal → Diagonal
- - 25F: Vertikal
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9 zeigt beispielhaft zwei Ausführungsformen von elektrischen Maschinen 100A, 100B. Die elektrischen Maschinen 100A, 100B sind nicht komplett dargestellt, unter anderem sind ein Rotor und eine Welle der elektrischen Maschinen 100A, 100B nicht dargestellt. Beide elektrischen Maschinen 100A, 100B sind über eine Dreieckverschaltung D angeschlossen. Eine Gesamtlänge B von Spulenanordnung 20 und Anschlusskörper 1 ist bei beiden elektrischen Maschinen 100 identisch. Eine Position des Anschlusskörpers 1 ist bei beiden elektrischen Maschinen 100A, 100B ebenfalls identisch. Die Länge eines Wickelabschnitts LWA und eine Länge des Spulenkörpers 22 ist bei der linksseitigen elektrischen Maschine 100A geringer als der Wickelabschnitt LW B und die Länge des Spulenkörpers 22 bei der rechtsseitigen elektrischen Maschine 100B. Daraus resultiert, dass die Spulenanordnung 20 der linksseitigen elektrischen Maschine 100A entlang der Rotationsachse 50 kürzer ist als die Spulenanordnung 20 der rechtsseitigen Maschine 100B.
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Ein Abstand zwischen einer Stirnseite der Wickelanordnung 21 und den Leiterkontaktbereichen 7 ist bei der linksseitigen elektrischen Maschine 100A größer als bei der rechtsseitigen elektrischen Maschine 100B. Zum Ausgleich der Differenz haben die Anschlussabschnitte 29 der Anschlusspins 25 an der linksseitigen elektrischen Maschine 100A teilweise eine andere Ausrichtung, also in der rechtsseitigen elektrischen Maschine 100B.
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Der erfindungsgemäße Anschlusskörper ist nicht auf elektrische Maschinen begrenzt, die in der Hairpin-Technologie hergestellt werden. Der Anschlusskörper kann auch für elektrische Maschine verwendet werden, die in einer anderen Wickeltechnologie hergestellt werden, wie z.B. einer Spulenwickeltechnik.
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Bezugszeichen
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- 1
- Anschlusskörper
- 2
- Grundkörper
- 3
- Leiteranschlusselementanordnung
- 5
- Leiteranschlusselemente
- 7
- Leiterkontaktbereiche
- 9
- Aufnahmebereich für Sternleiteranschlusselement
- 11
- Sternleiteranschlusselement
- 13
- Sternleiterkontaktbereiche
- 15
- Anbindungsbereich
- 20
- Spulenanordnung
- 21
- Wickelanordnung
- 22
- Spulenkörper
- 23
- Steckspulen
- 25
- Anschlusspin
- 27
- Spulenabschnitt
- 29
- Anschlussabschnitt
- 31
- Ausgleichsabschnitt
- 33
- Zweig
- 35
- Axiale Nut
- 50
- Rotationsachse
- 60
- Leistungselektronik
- 100
- Elektrische Maschine
- D
- Dreieckverschaltung
- S
- Sternverschaltung
- LW
- Länge Wickelabschnitt
- B
- Gesamtlänge Spulenanordnung und Anschlusskörper
