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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen
US-Anmeldung Nr. 63/388,893 , eingereicht am 13. Juli 2022, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
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GEBIET
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Diese Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen und insbesondere auf Statorwicklungsanordnungen und Verbindungen für derartige Wicklungsanordnungen.
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STAND DER TECHNIK
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Elektrische Maschinen sind so konzipiert, dass sie bestimmte Betriebsanforderungen erfüllen, die zumindest teilweise von der vorgesehenen Anwendung der elektrischen Maschine abhängen. Beispiele für Konstruktionsmerkmale, die zur Betriebsleistung beitragen, schließen die Statorgröße, die Rotorgröße, die Art und Anordnung der Wicklungen und beliebige von verschiedenen anderen Designparametern ein, wie der Durchschnittsfachmann erkennen wird. Alle Betriebsanforderungen für die elektrische Maschine müssen erfüllt werden, während auch bestimmte räumliche Beschränkungen eingehalten werden, die von der vorgesehenen Anwendung für die elektrische Maschine abhängig sind. Bei Kraftfahrzeuganwendungen ist der Platz im Motorraum begrenzt, und die Ingenieure müssen auf den Gesamtdurchmesser und die Länge der elektrischen Maschine achten. Dementsprechend ist die Begrenzung der Größe einer elektrischen Maschine ohne Einbußen bei den Leistungsmerkmalen eine wichtige Überlegung bei der Konstruktion einer elektrischen Maschine.
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Statoren für elektrische Maschinen schließen einen Kern mit einer Vielzahl von Wicklungen ein, die auf dem Kern angeordnet sind, wobei jede der Wicklungen aus einer Anzahl von verbundenen Drähten oder anderen Leitern besteht. Bei den Leitern, aus denen die Wicklungen bestehen, handelt es sich häufig um segmentierte Leiter (die hier auch als „Haarnadelleiter“ bezeichnet werden können), wie sie in den US-Patenten Nr.
7,622,843 und
7,348,705 offenbart sind, deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Haarnadelleiter schließen eine vorgeformte Endschleife (180°-Drehung) mit zwei geraden Schenkeln ein, die von gegenüberliegenden Seiten der Endschleife ausgehen. Die Schenkel der Haarnadelleiter werden in den Statorkern eingeführt, wobei sich die Endschleifen an einem Kopfende befinden und die Schenkel sich durch die Nuten des Statorkerns erstrecken. Die Schenkelenden, die sich von dem Verbindungsende erstrecken, werden dann gebogen und miteinander verbunden, um eine gewünschte Wicklungskonfiguration zu bilden. Wie im
US-Patent Nr. 7,348,705 erwähnt, können segmentierte Leiter verwendet werden, um sowohl Wellenwicklungen als auch Schleifenwicklungen zu bilden.
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Je nach den Wicklungsmerkmalen und der Art der Wicklung für eine elektrische Maschine stehen die Konstrukteure vor unterschiedlichen Herausforderungen. Zum Beispiel ist es bei einer bestimmten Wicklungsanordnung oft eine Herausforderung, spezielle Verbindungen zwischen bestimmten Wicklungssegmenten herzustellen, einschließlich solcher Verbindungen, die sich zwischen verschiedenen Schichten, verschiedenen Pfaden und/oder solchen, die zu verschiedenen Spulen gehören, erstrecken. Bei der Herstellung solcher Verbindungen muss darauf geachtet werden, dass die gewünschten Betriebsanforderungen eingehalten werden und die Wicklung gleichzeitig innerhalb der gewünschten Größenbeschränkungen bleibt.
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In Anbetracht dessen wäre es wünschenswert, eine elektrische Maschine mit speziellen Wicklungsverbindungen für Schleifenwicklungen bereitzustellen. Es wäre vorteilhaft, wenn solche Wicklungsverbindungen in ihrer Größe und Länge begrenzt wären. Es wäre auch wünschenswert, solche Verbindungen herzustellen, ohne die Betriebsanforderungen der elektrischen Maschine zu beeinträchtigen.
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Während es wünschenswert wäre, eine elektrische Maschine bereitzustellen, die eine oder mehrere der vorgenannten oder andere vorteilhafte Eigenschaften aufweist, wie sie für diejenigen, die diese Offenbarung lesen, offensichtlich sein mögen, erstrecken sich die hierin offenbarten Lehren auf diejenigen Ausführungsformen, die in den Anwendungsbereich der letztendlich beigefügten Ansprüche fallen, unabhängig davon, ob sie einen oder mehrere der oben genannten Vorteile erzielen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Phase einer Wicklungsanordnung, die aus Schleifenwicklungen besteht, wobei die Wicklungsanordnung drei Phasen, drei parallele Pfade pro Phase und sechs Leiter pro Nut umfasst.
- 2 zeigt eine Vergrößerung der Nuten 1-22 der schematischen Anordnung von 1, wobei das Schema die Richtung der jeder Schicht zugeordneten Leiterverdrehung sowie die Richtung der Reihenverbindungen am Außendurchmesser zwischen den Wicklungsspulen veranschaulicht.
- 3 zeigt eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der äußeren Reihenverbindungen von 2.
- 4 zeigt eine Draufsicht auf ein Schweißmuster für die Wicklungen von 1, wobei die Wicklungen die alternative Ausführungsform der äußeren Reihenverbindung von 3 aufweisen.
- 5 zeigt eine Seitenansicht eines Stators mit den Wicklungen von 1 und der alternativen Ausführungsform der äußeren Reihenverbindung von 3.
- 6 zeigt eine Seitenansicht einer anderen alternativen Ausführung der äußeren Reihenverbindung von 2.
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KURZDARSTELLUNG
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In mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schließt eine elektrische Maschine einen Statorkern und eine Vielzahl von Wicklungen ein, die auf den Statorkern gewickelt sind. Die Vielzahl von Wicklungen schließt eine erste Spulengruppe ein, die in mehreren Schichten des Statorkerns angeordnet ist, und eine zweite Spulengruppe, die in den mehreren Schichten des Statorkerns angeordnet ist. Mindestens ein Verbindungsleiter erstreckt sich zwischen der ersten Spulengruppe und der zweiten Spulengruppe. Der mindestens eine Verbindungsleiter ist in mindestens einer extra-äußeren Schicht des Statorkerns vorgesehen.
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In mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schließt ein Stator einen zylindrischen Kern ein, der durch einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser mit einer Vielzahl von Zähnen definiert ist, die sich radial nach innen zum Innendurchmesser erstrecken, sowie Nuten, die zwischen den Zähnen ausgebildet sind. Eine Wicklungsanordnung wird durch eine Vielzahl von segmentierten Leitern gebildet, die in den Nuten des Kerns angeordnet sind. Die Vielzahl von segmentierten Leitern sind in Schichten innerhalb der Nuten angeordnet und an einem Verbindungsende des Kerns, das einem Kopfende des Kerns gegenüberliegt, miteinander verbunden. Die Schichten des Kerns schließen eine Innenschicht und eine Außenschicht ein. Die verbundenen segmentierten Leiter bilden mindestens eine erste Spule und mindestens eine zweite Spule auf dem Kern. Die segmentierten Leiter, die sich von der äußeren Schicht aus erstrecken, sind am Verbindungsende des Kerns in einer ersten Richtung verdreht. Mindestens ein Verbindungsleiter erstreckt sich von der äußeren Schicht und ist von den in der äußeren Schicht des Kerns angeordneten segmentierten Leitern in eine Position radial nach außen gebogen. Der mindestens eine Verbindungsleiter verbindet die mindestens eine erste Spule mit der mindestens einen zweiten Spule des Kerns.
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In mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schließt eine elektrische Maschine eine Vielzahl von Schleifenwicklungen ein, die auf einem Statorkern angeordnet sind. Die Vielzahl von Schleifenwicklungen schließt mindestens eine erste Spule und mindestens eine zweite Spule ein. Die mindestens eine erste Spule ist zwischen einer inneren Leiterschicht und einer äußeren Leiterschicht des Statorkerns angeordnet, wobei die mindestens eine erste Spule mehrere Schleifen durch Nuten des Statorkerns macht, die mit einem ersten Polpaar der elektrischen Maschine verbunden sind. Die mindestens eine zweite Spule ist ebenfalls zwischen der inneren Leiterschicht und der äußeren Leiterschicht des Statorkerns angeordnet, wobei die mindestens eine zweite Spule mehrfache Schleifen durch Nuten des Statorkerns macht, die einem zweiten Polpaar der elektrischen Maschine zugeordnet sind. Mindestens ein Verbindungsleiter befindet sich in einer extra-äußeren Schicht des Statorkerns und verbindet die mindestens eine erste Spule mit der mindestens einen zweiten Spule.
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BESCHREIBUNG
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Ein Stator mit einer Wicklungsanordnung mit Reihenverbindungen am Außendurchmesser wird hier offenbart. Die Wicklungsanordnung besteht aus segmentierten Leitern, die zu Schleifenwicklungen geformt sind und spezielle Verdrehungen bestimmter Drähte entlang des Außendurchmessers aufweisen, um Reihenverbindungen zwischen verschiedenen Spulen der Schleifenwicklungen herzustellen.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Wicklungsanordnung 120 von einem Kopfende des Stators aus gesehen gezeigt, wobei sich die Leitungen in die Seite (d. h. in eine vom Betrachter wegführende Richtung) erstrecken. Die Wicklungsanordnung 120 besteht aus segmentierten Leitern, die jeweils die Form einer Haarnadel haben, wobei die Schenkel jedes segmentierten Leiters in die Nuten eines Statorkerns eingeführt sind. Die Schenkel der verschiedenen Leiter sind in der Regel in einer einzigen Reihe in jeder Nut angeordnet, wobei jede Position in der Nut eine „Schicht“ der Nut darstellt. Wie in 1 gezeigt, ist Schicht 1 die innerste Schicht der Nut (d. h. am nächsten zum Innendurchmesser des Kerns), und Schicht 6 ist die äußerste Schicht der Nut (d. h. am nächsten zum Außendurchmesser des Kerns). Sobald die Schenkel eines segmentierten Leiters in zwei Nuten des Kerns eingeführt sind, wird der Endschleifenabschnitt des segmentierten Leiters an einem Einführungsende des Statorkerns (d. h. dem Kopfende) angeordnet, die Schenkel erstrecken sich durch Nuten des Kerns, und die Schenkelenden erstrecken sich vom Schweißende des Statorkerns. Die tabellarische Darstellung von 1 ist vom Kopfende aus gesehen, so dass die Enden der segmentierten Leiter in die Seite hineinragen und verdreht sind, um Schleifenwicklungen zu bilden.
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Die Wicklungsanordnung von 1 ist durch sechs Pole definiert, schließt sechs Leiter pro Nut ein (d. h. sechs Lagen von Leitern in jeder Nut) und umfasst drei parallele Pfade pro Phase. In 1 ist nur eine Phase der Wicklungsanordnung 120 gezeigt, und es ist zu erkennen, dass in der Wicklungsanordnung auch zwei weitere Phasen eingeschlossen sind, die jedoch der Einfachheit halber in den Zeichnungen nicht gezeigt sind.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 1, schließt jede Phase der Wicklungsanordnung 120 drei parallele Pfade ein. Die drei parallelen Pfade sind in 1 durch einen ersten Pfad „A“ (hier auch als „A-Pfad“ bezeichnet und in 1 und 2 durch Kästchen mit Nummerierung und einem Hintergrund ohne diagonale Linien und Tüpfelung gekennzeichnet), einen zweiten Pfad „B“ (hier auch als „B-Pfad“ bezeichnet und in 1 und 2 durch Kästchen mit Nummerierung und einem Hintergrund aus diagonalen Linien gekennzeichnet), und einen dritten Pfad „C“ (hier auch als „C-Pfad“ bezeichnet und in 1 und 2 durch Kästchen mit Nummerierung und einem Hintergrund aus Tüpfeln gekennzeichnet). Jeder der Pfade A, B und C schließt achtundvierzig Nutenabschnitte ein, wie in den 1 und 2 durch die Kästchen 1-48 für jeden der Pfade A, B und C angegeben. Jedes der Kästchen 1-48 ist mit einem Leitersegment verbunden (das hier einfach als „Segment“, „Leiter“ oder „Schenkel“ bezeichnet werden kann), das in einer Nut des Statorkerns positioniert ist.
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Jeder Pfad (A, B und C) jeder Phase der Wicklung definiert eine erste Spulengruppe, die durch erste Leitersegmente 1-24 gebildet wird, und eine zweite Spulengruppe, die durch zweite Leitersegmente 25-48 gebildet wird. Für jeden Pfad (A, B und C), der in den 1 und 2 gezeigt ist, wird die erste Spulengruppe durch die Zahlen 1-24 in nicht schattierten Kästchen gekennzeichnet (d. h. nicht schattierte Kästchen 1-24 des Pfades A ohne Hintergrund, nicht schattierte Kästchen 1-24 des Pfades B mit diagonalem Linienhintergrund und nicht schattierte Kästchen 1-24 des Pfades C mit Tüpfelhintergrund). In ähnlicher Weise wird die zweite Spulengruppe für jeden Pfad durch die Zahlen 25-48 in schattierten Kästchen gekennzeichnet (d. h., Pfad A schattierte Kästchen 25-48 ohne Hintergrund, Pfad B schattierte Kästchen 25-48 mit diagonalen Linienhintergründen und Pfad C schattierte Kästchen 25-48 mit Tüpfelhintergründen). Wie in 1 zu erkennen ist, überlappen sich die erste Spulengruppe und die zweite Spulengruppe jedes Pfades in einem mittleren Satz der Nuten, die einem der Pole der Wicklung 120 zugeordnet sind (d. h. sie teilen sich dieselben Nuten). So befindet sich beispielsweise für den Pfad A die erste Spulengruppe (gekennzeichnet durch die Kästchen mit den Nummern 1-24 und ohne Hintergrundschattierung) in den Nuten 53-56 und 65-68, während sich die zweite Spulengruppe (gekennzeichnet durch die Kästchen mit den Nummern 25-48 und mit Hintergrundschattierung) in den Nuten 41-44 und 53-56 befindet. Daher überlappen sich die erste Gruppe von Spulen und die zweite Gruppe von Spulen beim Pfad A in den Nuten 53-56. Anders ausgedrückt, für den Pfad A ist die erste Spulengruppe den Polen 1 und 2 und die zweite Spulengruppe den Polen 2 und 3 zugeordnet, so dass sich die erste und die zweite Spulengruppe bei Pol 2 überschneiden.
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In 2 ist die Verdrehungsrichtung der Leiter auf der rechten Seite des Diagramms für jede Schicht der Wicklung veranschaulicht, um die Art der Endschleifen zu erläutern, die für die Verbindungen zwischen den Leitersegmenten sorgen (diese Endschleifen können hier auch als „Endwindungen“ bezeichnet werden). Wie in 2 gezeigt, sind die Leiter in den Schichten eins, drei und fünf alle nach rechts verdreht, während die Leiter in den Schichten zwei, vier und sechs alle nach links verdreht sind (mit Ausnahme bestimmter Verbindungsleiter in Schicht sechs, wie weiter unten näher beschrieben). Obwohl in 2 nur die Leiter des B- und C-Pfades gezeigt sind, ist zu erkennen, dass die Biege-/Verdrehungsrichtung für jeden der A-, B- und C-Pfade in jeder Schicht gleich ist. Somit sind die Leiter in jeder Schicht alle in eine Richtung gebogen/verdreht, und die Leiter sind in abwechselnden Schichten in entgegengesetzte Richtungen gebogen/verdreht (d. h. die Leiter in den Schichten 1, 3 und 5 für jeden der Pfade A, B und C sind alle in eine erste Richtung gebogen, und die Leiter in den Schichten 2, 4 und 6 für jeden der Pfade A, B und C sind alle in eine zweite Richtung gebogen, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist). Diese abwechselnde Biege-/Verdrehungsrichtung in abwechselnden Schichten gilt sowohl für die Verdrehungsrichtung der Enden der Schenkel am Schweißende als auch für die Biege-/Verdrehungsrichtung der aus den Nuten am Kopfende austretenden Leiter. Zusätzlich wird anerkannt, dass die Worte „biegen“ und „verdrehen“ hier austauschbar verwendet werden, um sich auf die Manipulation eines Leiters zu beziehen, um ihn in eine gewünschte Position mit einer gewünschten Form zu bringen. Dementsprechend impliziert die Verwendung der Begriffe „gebogen“ oder „verdreht“ zumindest eine gewisse Biegung und/oder Verdrehung des Leiters in radialer Richtung oder in Umfangsrichtung, um den Leiter in die gewünschte Form zu bringen.
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Mit der Kenntnis der Verdrehungsrichtung der Leiter in jeder Schicht kann ein kompletter Pfad für die Wicklungsanordnung verfolgt werden, indem man nacheinander durch jedes der Kästchen 1-48 innerhalb des Pfades fährt. Die Verfolgung des A-Pfades beginnt beispielsweise in Feld 1 des A-Pfades von 1. Hier ist zu erkennen, dass sich eine Leitung (veranschaulicht durch ein fett umrandetes Kästchen) am Schweißende des Statorkerns in Schicht 1 der Nut 68 nach außen erstreckt. Der Leiter 1 (d. h. der Leiterschenkel, der in der Schicht 1 der Nut 68 angeordnet ist) erstreckt sich dann vom Schweißende zum Kopfende des Kerns. Am Kopfende des Kerns verbindet eine Endwindung den Leiter 1 mit dem Leiter 2 (d. h. dem Leiterschenkel in Schicht 2 der Nut 55). Da sich diese Endwindung von Nut 55 bis Nut 68 erstreckt, ist zu erkennen, dass es sich um eine Endwindung mit 13 Teilungen handelt (d. h. 68-55=13). Die meisten Endwindungen am Kopfende haben dieselbe Teilung von 13, mit Ausnahme bestimmter Endschleifen, die weiter unten näher beschrieben werden.
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Nach der Endwindung erstreckt sich der Leiter 2 vom Kopfende zurück zum Schweißende des Statorkerns. Am Schweißende ist das Schenkelende des Leiters 2 nach links verdreht (wie alle anderen Leiter in Schicht 2) und mit dem Schenkelende des Leiters 3 verschweißt oder anderweitig verbunden, das nach rechts verdreht ist (wie alle anderen Leiter in Schicht 1). Da sich der Leiter 2 in der Nut 55 und der Leiter 3 in der Nut 67 befindet, ist zu erkennen, dass die resultierende Endwindung zwischen den Leitern 2 und 3 am Schweißende des Statorkerns eine Endwindung mit 12 Teilungen (d. h. 67-55=12) ist. Alle Endwindungen am Schweißende haben dieselbe 12er-Teilung, mit Ausnahme einiger Ausführungsformen der Reihenverbindungen am Außendurchmesser zwischen den Leitern 24 und 25 jedes Pfades, wie weiter unten näher beschrieben.
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Wenn man mit der Verfolgung des Pfades A in 1 fortfährt, erstreckt sich der Leiter 3 durch die Nut 19 des Statorkerns und führt den Pfad zum Kopfende zurück. Am Kopfende verbindet eine weitere Endschleife den Leiter 3 mit dem Leiter 4. Da sich der Leiter 3 in der Nut 67 und der Leiter 4 in der Nut 54 befindet, ist zu erkennen, dass die resultierende Endschleife zwischen den Leitern 3 und 4 am Kopfende des Statorkerns eine Endschleife mit 13 Teilungen (d. h. 67-54=13) ist.
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Das oben beschriebene Muster wird fortgesetzt, bis eine Endschleife den Leiter 7 mit dem Leiter 8 verbindet. Diese Endschleife ist eine Endschleife mit 9er-Teilung, da sie den Leiter in Nut 65 mit dem Leiter in Nut 56 verbindet (d. h. 65-56=9). Es ist zu erkennen, dass die Leiter 1-8 somit vier Schleifen einer Spule in den Schichten 1 und 2 der Nuten 65-68 und 53-56 bilden (d. h. die Leiter machen vier Schleifen durch die Pole 2 und 3 in den Schichten 1 und 2 von 1). Diese vier Schleifen schließen eine erste Schleife ein, die von den Leitern 1 und 2 gebildet wird, eine zweite Schleife, die von den Leitern 3 und 4 gebildet wird, eine dritte Schleife, die von den Leitern 5 und 6 gebildet wird, und eine vierte Schleife, die von den Leitern 7 und 8 gebildet wird. Die 9-teilige Endschleife, mit der die Verbindungsleiter 7 und 8 verbunden sind, bildet die Endschleife der letzten Windung für die Leiter eines bestimmten Schichtenpaares (d. h. Schichtenpaar 1-2), die sich durch die beiden Pole winden (und kann daher als „Endschleife der letzten Windung“ bezeichnet werden). Da diese Endschleife am Kopfende nur eine 9er-Teilung aufweist, während die anderen Endschleifen am Kopfende des Schichtenpaares eine 13er-Teilung haben, wird die Endschleife der letzten Windung als Endschleife mit „kurzer Teilung“ betrachtet (d. h. die Endschleife hat eine kürzere Teilung als die Standard-Endschleifen am Kopfende). Nach der Endschleife der letzten Windung geht der Wickelpfad in ein anderes Schichtenpaar über (d. h. Schichtenpaar 3-4), in dem weitere Windungen gebildet werden, wie in den folgenden Abschnitten beschrieben.
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Setzt man die Verfolgung des A-Pfades von Leiter 8 am Schweißende des Stators fort, so verdreht sich Leiter 8 nach links (d. h. wie die anderen Leiter in Schicht 2). Allerdings wird der Leiter 8 nicht wie bisher mit einem Leiter der Schicht 1 verbunden, sondern mit einem der Leiter der Schicht 3. Der Leiter 8 ist insbesondere mit dem Leiter 9 der Schicht 3 am Schweißende des Statorkerns verbunden. Diese Schleife zwischen Leiter 8 und Leiter 9 ist eine standardmäßige Endschleife mit 12er-Teilung, ähnlich wie andere Endschleifen, die am Schweißende des Statorkerns gebildet werden. Anschließend bilden die Leiter 9-16 in ähnlicher Weise wie die Leiter 1-8 vier weitere Windungen einer Spule in den Schichten 3 und 4 der Nuten 65-68 und 53-56. Dieses Muster wird dann für die Leiter 17-24 kopiert, und vier weitere Windungen einer Spule werden in den Schichten 5 und 6 der Nuten 65-68 und 53-56 gebildet, wie in 1 gezeigt. Infolgedessen ist zu erkennen, dass die Leiter 1-24 des A-Pfades drei Spulen bilden, die in Reihe geschaltet und in den Polen 1 und 2 der Wicklung angeordnet sind: Die Leiter 1-8 bilden eine erste Spule im Schichtenpaar 1-2; Die Leiter 9-16 bilden eine zweite Spule im Schichtenpaar 3-4; und die Leiter 17-24 bilden eine dritte Spule im Schichtenpaar 5-6. Diese drei Spulen bilden zusammen eine erste Spulengruppe für den A-Pfad.
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Anschließend, am Schweißende des Statorkerns, wird der Leiter 24 mit dem Leiter 25 verbunden. Bei dieser Verbindung, die im Folgenden näher beschrieben wird, handelt es sich um eine Reihenverbindung zwischen der ersten Spulengruppe des A-Pfades (d. h. den Leitern 1-24, wie im vorhergehenden Absatz erläutert und in 1 durch die durchsichtigen Kästchen ohne Hintergrundlinien oder Tüpfel veranschaulicht) und einer zweiten Spulengruppe des A-Pfades (d. h. den Leitern 25-48, die durch die schattierten Kästchen ohne Hintergrundlinien oder Tüpfel veranschaulicht sind). Ein ähnliches Muster wie bei den Leitern 1-24 wird dann mit den Leitern 25-48 des A-Pfades wiederholt, und die Leiter 25-48 bilden zwölf Spulenwicklungen in den Nuten 41-44 und 53-56. Insbesondere bilden die Leiter 25-48 des A-Pfades drei Spulen, die in Reihe geschaltet und in den Polen 2 und 3 der Wicklung angeordnet sind: Die Leiter 25-32 bilden eine erste Spule im Schichtenpaar 5-6; die Leiter 33-40 bilden eine zweite Spule im Schichtenpaar 3-4; und die Leiter 41-48 bilden eine dritte Spule im Schichtenpaar 1-2. Diese drei Spulen bilden zusammen die zweite Spulengruppe für den A-Pfad. Auch hier ist zu erkennen, dass sich die Spulen der ersten Spulengruppe des A-Pfades mit den Spulen der zweiten Spulengruppe des A-Pfades an den Nuten 53-56 überlappen. Mit anderen Worten: Die Spulen der ersten Spulengruppe und der zweiten Spulengruppe überlappen sich am Pol 2.
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Die Verbindung zwischen der ersten Spulengruppe und der zweiten Spulengruppe des A-Pfades wird zwischen den Leitern 24 und 25 hergestellt. Bei dieser Verbindung zwischen den Leitern 24 und 25 handelt es sich um eine spezielle Verbindung, die in einer oder mehreren äußeren Schichten der Wicklungsanordnung gebildet wird. Mit anderen Worten, die Verbindung zwischen der ersten Spulengruppe und der zweiten Spulengruppe des A-Pfades wird von der äußeren Schicht der Wicklung radial nach außen gebildet, und diese radial nach außen gerichtete Schicht kann als extra-äußere Schicht der Wicklung betrachtet werden. In der Ausführungsform von 1 und 2 wird die Schicht 6 als äußere Schicht betrachtet, und die Verbindung zwischen der ersten Spulengruppe und der zweiten Spulengruppe des A-Pfades kann als zumindest teilweise in einer extra-äußeren Schicht 7 am Außendurchmesser des Statorkerns liegend betrachtet werden. Während die Schicht 6 in den 1 und 2 als äußere Schicht der Wicklung betrachtet wird, versteht es sich, dass die äußere Schicht in anderen Ausführungsformen auch eine anders nummerierte Schicht sein kann (wenn die Wicklung z. B. aus acht Schichten besteht, kann die Schicht 8 die äußere Schicht sein). Diese Reihenverbindung zwischen den Leitern 24 und 25 kann auf verschiedene Weise in einer oder mehreren extra-äußeren Schichten erfolgen. Beispielhafte Ausführungsformen dieser Verbindung werden im Folgenden näher beschrieben.
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Eine erste Ausführungsform der Außenschicht-Reihenverbindung zwischen den Leitern 24 und 25 ist in 2 in Bezug auf den C-Pfad detailliert veranschaulicht. Obwohl 2 insbesondere die C-Pfad-Verbindung zwischen den Leitern 24 und 25 zeigt, versteht es sich, dass die Verbindung zwischen den Leitern 24 und 25 für den A-Pfad und den B-Pfad die gleiche wie für den C-Pfad ist (aber auch hier sind der A-Pfad und der C-Pfad in verschiedenen Nuten des Statorkerns angeordnet). Der hier verwendete Begriff „Verbindungsleiter“ bezieht sich auf einen der Leiter 24, 25, der die Verbindung zwischen der ersten Spulengruppe (d. h. den Leitern 1-24) und der zweiten Spulengruppe (d. h. den Leitern 25-48) herstellt. Wie in 2 gezeigt, erstreckt sich der Leiter 24 in einer Ausführungsform von der Schicht 6 aus, ist aber am Schweißende des Statorkerns radial nach außen in eine zusätzliche Schicht 7 gebogen. Diese zusätzliche Schicht 7 wird als „extra-äußere“ Schicht bezeichnet, weil es keine äquivalente Schicht innerhalb der Nuten gibt, in denen sich die Leiter befinden, sondern sie wird an einer Stelle gebildet, die sich radial außerhalb der Leiter am Schweißende und axial außerhalb des Kerns 110 befindet. In den meisten Ausführungsformen befindet sich die extra-äußere Schicht auch radial einwärts von einem Zylinder, der durch den Außendurchmesser des Kerns 110 definiert ist (siehe z. B. den durch die gepunkteten Linien in 5 angedeuteten Zylinder 112). Mit anderen Worten, während die Position der extra-äußeren Schicht radial außerhalb der Schicht 6 liegt, ist sie in der Regel radial innerhalb eines zylindrischen Raums begrenzt, der durch die Außenwand des Statorkerns 110 definiert ist, wobei sich dieser zylindrische Raum bis zu den axialen und Kopfenden der Wicklungen 120 erstreckt.
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Nachdem er radial nach außen in die extra-äußere Schicht 7 gebogen wurde, ist der Leiter 24 (in 2 in Verbindung mit dem C-Pfad gezeigt) in der extra-äußeren Schicht 7 in Umfangsrichtung um einige Nuten (z. B. sechs Nuten) nach rechts gebogen. Es ist zu beachten, dass die Richtung dieser Biegung des Leiters 24 (d. h. nach rechts) der Richtung der anderen Leiter, die sich von der Schicht 6 aus erstrecken (d. h. nach links), entgegengesetzt ist. In ähnlicher Weise erstreckt sich der Leiter 25 (der wiederum in 2 für den C-Pfad gezeigt ist) von der Nut 68 des Kerns (die Nut 68 ist in 2 nicht gezeigt, aber in 1) radial nach außen in eine andere extra-äußere Schicht 8 am Schweißende des Statorkerns gebogen und dann um einige Nuten (z. B. sechs Nuten) nach links (d. h. zum Ende des Leiters 24) gebogen. Es ist zu beachten, dass die Richtung dieser Verdrehung des Leiters 25 (d. h. nach links) dieselbe Richtung ist wie die anderer Leiter, die sich von der Schicht 6 aus erstrecken (d. h. nach links). Die Enden der Leiter 24 und 25 liegen dann in den Schichten 7 und 8 nebeneinander und werden miteinander verschweißt, um am Schweißende des Statorkerns eine Endwindung mit 12er-Teilung zu bilden.
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Unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 wird in mindestens einer Ausführungsform die Reihenverbindung zwischen den Leitern 24 und 25 in der extra-äußeren Schicht dadurch gebildet, dass nur der Leiter 24 nach rechts gebogen wird, ohne dass der Leiter 25 anders gebogen wird als die anderen Leiter der Schicht 6. Nach links, genau wie alle Drähte in Schicht 6 (ohne den Leiter in irgendeine zusätzliche Schicht zu biegen). Der Leiter 24 wird zur Schicht 7 gebogen und um 6 Nuten nach rechts verdreht (d. h. entgegen der Verdrehungsrichtung der anderen Leiter in Schicht 6) und mit dem Leiter 25 verschweißt. Bei dieser Ausführungsform werden keine Leiter in eine extra-äußere Schicht 8 gebogen (d. h., diese Ausführungsform schließt die in 2 gezeigte extra-äußere Schicht 8 nicht ein). Wie in 3 gezeigt, ist der Leiter 24 in der Schicht 7 in einer Richtung verdreht, die allen anderen Leitern der Schicht 6 entgegengesetzt ist.
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4 zeigt, dass eine Verbindung 90 zwischen den Leitern 24 und 25 radial nach außen von allen anderen Leitern der Schichten 5 und 6 hergestellt wird. Diese Verbindung zwischen den Leitern 24 und 25 wird an einer Stelle zwischen der Schicht 6 und der extra-äußeren Schicht 7 hergestellt. Diese Verbindung wird durch eine Schweißnaht (oder einen Heizstab oder eine andere Verbindung) zwischen den Spitzen der Schenkelenden der Leiter 24 und 25 hergestellt, die eine durchgehende elektrische Verbindung zwischen den Leitern 24 und 25 ermöglicht.
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5 zeigt eine Seitenansicht eines Stators 100 und eines Statorkerns 110 mit der darauf angeordneten Wicklungsanordnung 120. Wie hierin bereits zuvor erläutert, schließt die Wicklungsanordnung 120 ein Kopfende 122 und ein Schweißende 124 ein. Eine Stromschiene 125 und Phasenklemmen 127 sind auf dem Schweißende 124 angeordnet und vervollständigen die Wicklungsanordnung, wie jeder Durchschnittsfachmann erkennen kann. Der Kern 110 ist ein im Allgemeinen zylindrisches Bauteil, das aus einem ferromagnetischen Material besteht (z. B. ein Blechpaket aus Stahlplatten). Der Statorkern 110 schließt einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser ein, wobei innerhalb des Außendurchmessers ein zylindrischer Raum definiert ist, wie durch die gestrichelten Linien 115 in 5 vermerkt. Nuten und Zähne (in 5 nicht gezeigt) sind zwischen dem Innen- und Außendurchmesser des Kerns 110 ausgebildet. Die Zähne erstrecken sich radial nach innen zum Innendurchmesser und die Nuten sind zwischen den Zähnen ausgebildet. Die Wicklungen 120 sind in den Nuten des Kerns 110 angeordnet. Ein Rotor (nicht gezeigt) ist innerhalb des Innendurchmessers des Kerns 110 angeordnet. Zusammen bilden der Stator 100 und der Rotor eine elektrische Maschine. Diese kann für verschiedene Zwecke verwendet werden (z. B. als elektrischer Antrieb für ein Kraftfahrzeug), wie jeder Durchschnittsfachmann erkennen kann.
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Aus 5 ist ersichtlich, dass die Leiter, die für die Reihenverbindungen am Außendurchmesser zwischen zwei Spulengruppen jedes Pfades sorgen (z. B. die Leiter 24a, 24b und 24c), zu einer extra-äußeren Schicht 7 gebogen sind, die sich von der äußeren Schicht 6 radial nach außen erstreckt und in einer Richtung verdreht ist, die allen anderen Leitern der Schicht 6 entgegengesetzt ist.
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Unter Bezugnahme auf 6 wird in mindestens einer alternativen Ausführungsform die Reihenverbindung an der äußeren Schicht zwischen den Leitern 24 und 25 gebildet, indem der Leiter 25 in eine beliebige extra-äußere Schicht 7 gebogen und weit nach links verdreht wird. In dieser Ausführungsform ist der Leiter 24 wie alle Drähte der Außenschicht 6 nach links verdreht, und der Leiter 24 verbleibt in der Schicht 6 am Schweißende des Statorkerns. Der Leiter 25 wird jedoch zu einer extra-äußeren Schicht 7 gebogen und dann weit nach links verdreht (d. h. 18 Nuten nach links). Durch diese lange Biegung über 18 Nuten wird das Ende des Leiters 25 neben dem Ende des Leiters 24 zwischen der Schicht 6 und der extra-äußeren Schicht 7 positioniert, und an dieser Stelle können die beiden Leiter 24 und 25 leicht miteinander verschweißt werden, um die Verbindung zwischen zwei verschiedenen Spulengruppen des Wicklungspfades herzustellen. Ähnlich wie bei der Ausführungsform der 3 bis 5 müssen bei der Ausführungsform von 6 keine Leiter in die Schicht 8 gebogen werden.
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Obwohl die verschiedenen Ausführungsformen hierin bereitgestellt wurden, werden Fachleute erkennen, dass andere Implementierungen und Anpassungen möglich sind. Obwohl die Wicklungsanordnung hier als aus segmentierten Leitern mit an einem Ende zusammengeschweißten Schenkelenden gebildet beschrieben wurde, wäre es zum Beispiel auch möglich, die Wicklung aus durchgehenden Drahtabschnitten zu bilden. Als weiteres Beispiel wurde die Wicklungsanordnung zwar in Verbindung mit einem bestimmten Statorkern und einer bestimmten Wicklung beschrieben, doch sind auch andere Statorkerne und Wicklungsanordnungen denkbar, wie Statorkerne mit weniger oder mehr Nuten, Wicklungen mit mehr oder weniger als zwei Spulengruppen pro Wicklungspfad. Zusätzlich versteht es sich, dass bestimmte Begriffe wie „oben“, „unten“, „links“, „rechts“ usw. Begriffe der Zweckmäßigkeit sind, die auf einer bestimmten Ausrichtung und einem bestimmten Blickwinkel des Stators basieren, und dass je nach Perspektive entgegengesetzte oder andere Begriffe verwendet werden können, um dieselbe Ausführungsform des Stators zu beschreiben. Ferner können Aspekte der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen kombiniert oder durch Aspekte von anderen Merkmalen ersetzt werden, um zu anderen Ausführungsformen als den hier beschriebenen zu gelangen. Darüber hinaus versteht es sich, dass verschiedene der vorstehend offenbarten und andere Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon wünschenswerter Weise in viele andere unterschiedliche Systeme oder Anwendungen kombiniert werden können. Verschiedene derzeit unvorhergesehene oder nicht erwartete Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen daran können anschließend vom Fachmann vorgenommen werden, die ebenfalls von jeglichen schließlich beigefügten Ansprüchen abgedeckt sein sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 63388893 [0001]
- US 7622843 [0004]
- US 7348705 [0004]
