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Stand der Technik
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Statorwicklungen
von Elektromotoren bestehen beispielsweise aus Einzelspulen und
haben in der Regel einen hohen Verschaltungsaufwand. Wechsel- und
Drehstrommotoren benötigen
beispielsweise viele Verbindungsstellen, zum Beispiel Schweißverbindungen,
um einzelne Spulendrähte auf
Phasenpotentiale zu verschalten. Die Schweißstellen können beispielsweise aufgrund
von geringem zur Verfügung
stehenden Arbeitsplatz schwer zugänglich für Schweißwerkzeuge sein.
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Ferner
können
blanke Verbindungs- bzw. Schweißstellen
nicht isoliertes Phasenpotential offenlegen. Diese müssen mit
einem Isoliermaterial isoliert werden. Der Prozess des Aufbringens
des Isoliermaterials kann mit einem erheblichen Platzbedarf verbunden
sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
kann daher ein Bedarf an einem verbesserten Stator und einem Verfahren
zur Herstellung eines Stators mit einem entsprechenden isolierenden Halteelement
bestehen, die die Umgehung der oben dargestellten Probleme ermöglichen.
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Diese
Aufgabe kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im
Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung
gemäß Ausführungsform
der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Stator für einen elektrischen Motor
beschrieben. Der Stator weist mindestens zwei Phasenpotential-Schienen
und ein isolierendes Halteelement auf. Das isolierende Halteelement
weist ein erstes Bauelement auf, welches ausgestaltet ist, die Phasenpotential-Schienen
aufzunehmen und diese elektrisch von einander zu isolieren. Ferner
weist das isolierende Halteelement ein zweites Bauelement auf, welches
zusammen mit dem ersten Bauelement eine an die Phasenpotential-Schienen
angrenzende Wanne bildet. Dabei ist das zweite Bauelement separat
vom ersten Bauelement ausgeführt.
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Anders
ausgedrückt
basiert die Idee der Erfindung auf einer zweiteiligen Ausführung des
isolierenden Halteelements des Stators. Hierdurch wird beispielsweise
ermöglicht,
dass zunächst
Phasenpotential-Schienen in das erste Bauelement eingeführt werden
und optimal zugänglich
für Schweißwerkzeuge
an den Verbindungsstellen sind. Ferner ist das erste Bauelement
als Teil einer Wannenform ausgeführt,
die durch das zweite Bauelement ergänzt bzw. vervollständigt wird,
so dass das isolierende Halteelement für einen an die Verschweißung anschließenden Vergussprozess
mit einem Isoliermaterial geeignet ist.
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Das
isolierende Halteelement ist als Teil eines Stators eines elektrischen
Motors ausgeführt. Das
erste Bauelement kann beispielsweise als Träger bzw. Verschaltungsring
ausgeführt
sein und mindestens zwei Phasenpotential-Schienen aufnehmen. Die
Phasenpotential-Schienen können
beispielsweise auf zueinander parallelen Kreisbahnen, d. h. auf konzentrischen
Kreisen, verlaufen. Zur Aufnahme der Phasenpotential-Schienen weist
das erste Bauelement Aussparungen auf, in die die Phasenpotential-Schienen
eingesetzt werden können.
Das erste Bauelement weist ein isolierendes Material bzw. eine isolierende
Beschichtung auf, so dass die Potential-Schienen elektrisch voneinander
isoliert sind.
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Die
Phasenpotential-Schienen sind Strom- bzw. Verteilerschienen (im
englischen bus bar genannt). Die Phasenpotential-Schienen entsprechen unterschiedlichen
Phasen. Beispielsweise können auch
drei Phasenpotential-Schienen vorgesehen sein, die den drei Phasen
eines Dreiphasenmotors entsprechen. Dabei können benachbarte Phasenpotential-Schienen
jeweils unterschiedliche Potentiale aufweisen.
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Das
zweite Bauelement kann beispielsweise als ein Aufsatzstück zu dem
ersten Bauelement ausgeführt
sein. Zum Beispiel kann das zweite Bauelement als ein Spundwandring
ausgeführt
sein. Im zusammengebauten Zustand bilden das erste und das zweite
Bauelement eine Wanne bzw. einen Hohlraum, der Platz für die Phasenpotential-Schienen und
ein isolierendes Material bietet. Der Hohlraum entsteht zwischen
dem ersten und zweiten Bauelement und grenzt an die Aussparungen
für die
Phasenpotential-Schienen an. Das zweite Bauelement kann zwei Teile
aufweisen, z. B. eine Innen- und eine Außenwand. Die Innenwand kann
z. B. einen kleineren Umfang bzw. Durchmesser aufweisen als die
Außenwand.
Die Innen- und die Außenwand
können
z. B. separat ausgeführt
sein und jeweils auf gegenüberliegenden
Seiten des ersten Bauelements platziert werden. Alternativ können die
Innen- und Außenwand
des zweiten Bauelements durch Stege miteinander verbunden sein.
Die Innen- und die Außenwand
des zweiten Bauelements können
senkrecht zum ersten Bauelement und parallel zu einander positioniert
werden, so dass eine nach oben hin offene Wanne entsteht. Alternativ
können
das erste und das zweite Bauelement zusammen einen Hohlraum bilden,
so dass ein geschlossener Raum um die Phasenpotential-Schienen entsteht,
der Öffnungen
bzw. Ausnehmungen aufweist, durch die ein Isoliermaterial eingefüllt werden
kann.
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Die
Ausgestaltung des zweiten Bauelements separat vom ersten Bauelement
ermöglicht
zunächst die
Einbettung der Phasenpotential-Schienen in das erste Bauelement
und ein Verschweißen
von den zum jeweiligen Phasenpotential gehörenden Spulendrähten mit
den Phasenpotential-Schienen bei guter Zugänglichkeit für die Schweißwerkzeuge.
Nach dem Aufsetzen des zweiten Bauelements wird eine dichte Vergusswanne
gebildet, durch die beispielsweise der komplette Verschaltungsbereich
mit einem isolierenden Material ausgegossen werden kann. Nachdem das
isolierende Material aushärtet,
bilden das erste und zweite Bauelement eine Einheit und bleiben
zusammen. Ferner macht das zweite Bauelement eine mehrteilige platzaufwendige
Vergusswanne, in die das erste Element eingefügt werden müsste, entbehrlich und sorgt
damit für
eine Platzersparnis.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist das zweite Bauelement eine erste Ausnehmung
zum Einfüllen
des isolierenden Materials auf. Das zweite Bauelement kann mehrere
erste Ausnehmungen aufweisen, die so dimensioniert sind, dass ein
Einfüllen
des isolierenden Materials möglich ist.
Die erste Ausnehmung kann durchgehend sein, das heißt, das
zweite Bauelement kann aus zwei parallelen Seitenwänden und
mehreren diese Seitenwände
zusammenhaltenden Verbindungselementen bestehen. Die erste Ausnehmung
kann als obere Öffnung
der Wanne ausgeführt
sein. Das isolierende Material kann beispielsweise ein Harz, ein
Kunststoff oder Silikon sein.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird das zweite Bauelement, nachdem die Phasenpotential-Schienen
in das erste Bauelement integriert sind, zum Bilden der Wanne bzw.
eines Hohlraums auf das zweite Bauelement aufgesteckt bzw. aufgesetzt.
Anders ausgedrückt
werden beide Bauelemente zusammengefügt.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist das zweite Bauelement ausgestaltet, mit dem ersten
Bauelement automatisch einzurasten. Hierzu können beispielsweise Rastnasen
am ersten Bauelement und/oder am zweiten Bauelement angeordnet sein.
Zusätzlich
oder alternativ kann eine sogenannte Click-and-Snap-Verbindung vorgesehen sein.
Sind beispielsweise Rastnasen am zweiten Bauelement vorgesehen,
so können
entsprechende Führungselemente
am ersten Bauelement vorgesehen sein. Das zweite Bauelement rastet
automatisch mit dem ersten Bauelement ein, das heißt, mit
Hilfe der Rastnasen und Führungselemente
wird das zweite Bauelement in Bezug auf das erste Bauelement positioniert
und fixiert, ohne dass dieses durch einen Benutzer genau ausgerichtet
werden müsste.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung weist das isolierende Halteelement ein isolierendes Material
mit einer bestimmten Zähigkeit auch
Viskosität
genannt auf. Das isolierende Material wird durch die erste Ausnehmung
im zweiten Bauelement in die Wanne eingefüllt und füllt diese aus. Das isolierende
Material ist elektrisch nichtleitend.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement
mindestens eine zweite Ausnehmung vorgesehen. Anders ausgedrückt können die
Begrenzungen der Wanne bzw. des Hohlraums mindestens eine zweite
Ausnehmung aufweisen. Die Begrenzungen des Hohlraums werden durch
das erste und zweite Bauelement gebildet. Ferner können weitere
Elemente wie beispielsweise eine Rückwand eines Spulenträgers einen
Teil der Begrenzung des Hohlraums bilden. Die zweite Ausnehmung
können
beispielsweise ein oder mehrere Spalte sein, die zwischen den den
Hohlraum bildenden Begrenzungen vorhanden sind. Dabei sind die Abmessungen
der zweiten Ausnehmung, also die Abstände zwischen den die Begrenzungen
des Hohlraums bzw. der Wanne bildenden Elementen so gewählt, dass
das isolierende Material aufgrund seiner Zähigkeit die zweite Ausnehmung
nicht passieren kann. Das heißt,
das isolierende Material kann durch einen Spalt bzw. eine Lücke beispielsweise
zwischen dem ersten und zweiten Bauelement nicht abfließen.
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Die
Zähigkeit
bzw. Viskosität
gemessen in Millipascalsekunden kann bei Harzen z. B. 2250 ± 250 mPas
(MF8044 UV) oder 7000 ± 500
mPas (E 4011 UV) betragen. Bei Silikon kann die Viskosität z. B.
bei Elastosil RT705 in Ruhe 72500 mPas und dynamisch (z. B. gerührt) 13000
mPas betragen. Bei Elastosil RT772 kann die Viskosität dynamisch 20000
mPas betragen. Der Härter
T77 kann z. B. eine Viskosität
von 150000 mPas aufweisen. Eine Mischung aus RT772 und T77 kann
z. B. eine Viskosität
von 35000 mPas aufweisen.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung weist das zweite Bauelement eine dritte Ausnehmung auf,
die eine Geometrie aufweist, die dem Querschnitt eines Drahts, beispielsweise
eines Spulendrahts, entspricht. Anders ausgedrückt weist das Aufsatzstück eine
spezielle Aussparung auf, die dem einlaufenden Spulendraht angepasst
ist. Dieser Bereich des zweiten Bauelements kann als Drahtdurchbruch
ausgeführt
sein und zum Beispiel einem Querschnitt eines gewickelten Spulendrahts
entsprechen. Dabei sind die Abmessungen bzw. die Geometrie der dritten
Ausnehmung so gewählt,
dass einerseits Fertigungstoleranzen des Spulendrahts, wie z. B.
unterschiedliche Wickeldurchmesser um Zapfen von Spulenträgern, berücksichtigt
sind. Und andererseits eine möglichst
hohe Abdichtung zwischen den einzelnen Bauteilen gegeben ist.
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Die
Abmessungen der zweiten Ausnehmung können z. B. zwischen dem Außendurchmesser
des zweiten Bauelements und dem ersten Bauelement ca. 0,1 bis 0,2
mm betragen. Die Abmessungen der zweiten Ausnehmung bzw. des Spalts
zwischen Aufsatzstück
und Spulenträgerwand
können
z. B. 0,2 bis 0,4 mm betragen. Die Abmessungen der dritte Ausnehmung
bzw. des Drahtdurchbruchs können
z. B. zwischen 0,1 und 0,5 mm liegen. Bei diesen Abmessungen kann
das isolierende Material mit einer Zähigkeit von z. B. 35000 mPas
die Ausnehmungen nicht passieren.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist das isolierende Halteelement ringförmig ausgeführt. Alternativ kann das isolierende Halteelement
oval oder als Segment eines Rings ausgeführt sein. Durch die ringförmige Ausgestaltung kann
das isolierende Halteelement an den Stator eines scheibenartigen
schmalen elektrischen Motors angepasst sein.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist das zweite Bauelement zweiteilig ausgeführt. Das
zweite Bauelement weist dabei einen inneren Ring und einem äußeren Ring
auf, die unabhängig
voneinander montiert und/oder verrastet werden können.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein elektrischer Motor beschrieben.
Dabei weist der elektrische Motor einen oben beschriebenen Stator
mit einem isolierenden Halteelement auf.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
eines Stators mit einem oben beschriebenen isolierenden Haltelement beschrieben.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines
ersten Bauelements mit Aussparungen für Phasenpotential-Schienen; Einfügen der
Phasenpotential-Schienen in das erste Bauelement; Anschweißen von
Spulendrähten
an die Phasenpotential-Schienen; Aufsetzen eines zweiten Bauelements
auf das erste Bauelement, so dass das erste Bauelement und das zweite
Bauelement eine an die Phasenpotential-Schienen angrenzende Wanne
bilden; Auffüllen
der Wanne mit einem isolierenden Material durch die erste Ausnehmung
im zweiten Bauelement.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann
aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen,
die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter
Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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1 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht eines ringförmigen Stators mit einem isolierenden
Haltelement
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2 zeigt
eine Draufsicht auf den Stator in 1
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3 zeigt
einen Querschnitt des Stators aus 2 entlang
der Linie L-L
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4 zeigt
einen Querschnitt des Stators aus 2 entlang
der Linie K-K
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5 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht eines ersten Bauelements mit
Phasenpotential-Schienen
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6 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht eines Ausschnitts des Stators
mit dem ersten Bauelement
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7 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht eines Ausschnitts des Stators
mit dem ersten und zweiten Bauelement
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8 zeigt
eine perspektivische Draufsicht auf das zweite Bauelement
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Alle
Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen
bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung. Insbesondere Abstände
und Größenrelation
sind in den Figuren nicht maßstabgetreu
wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende
Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In 1 ist
eine perspektivische Seitenansicht eines ringförmigen Stators für einen
schmalen Motor dargestellt. Der ringförmige Stator 25 mit
dem isolierenden Halteelement 1 kann beispielsweise in Hybridfahrzeugen
verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel
in 1 ist ein Dreiphasenmotor mit 36 Spulen 27 dargestellt.
In 2 ist eine Draufsicht auf den Stator aus 1 dargestellt.
An den im isolierenden Halteelement 1 angeordneten Phasenpotential-Schienen 3 sind
sogenannte vorstehende Lappen 29 angeordnet. An den vorstehenden
Lappen 29 sind unterschiedliche Potentiale, hier mit U,
V, W bezeichnet, angelegt.
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3 und 4 zeigen
unterschiedliche Schnitte des in 2 dargestellten
Stators 25. Beispielsweise ist in 3 ein Querschnitt
des Stators aus 2 entlang der Linie L-L dargestellt.
Daraus ist ersichtlich, wie das isolierende Halteelement 1 am Rande
der Spulen 27 an dem Stator 25 angeordnet ist.
Dabei sind die drei Phasenpotential-Schienen 3 in das erste
Bauelement 5, hier als Verschaltungsring ausgeführt, integriert.
Das zweite Bauelement 7, hier ausgeführt als Aufsatzstück, wird ähnlich einem
separaten Spundwandring auf das erste Bauelement 5 gesetzt.
Dabei kann das zweite Bauelement 7 aus einer Innenwand 37 bzw.
Innenring und Außenwand 39
bzw.
Außenring
bestehen, die konzentrisch angeordnet sind. Die Innenwand 37 und
die Außenwand 39 können separat
ausgeführt
sein oder durch Stege 41 miteinander verbunden sein.
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Die
Darstellung in 3 zeigt Querschnitte des Stators 25 auf
der Höhe
einer Spule 27, so dass auch ein Querschnitt der Spule 27 sichtbar
ist. Ferner ist in 3 ein Verbindungs-Steg 41 zwischen
Innen- und Außenwand 37, 39 dargestellt.
In 4 ist ein Querschnitt auf Höhe einer dritten Ausnehmung 21 also
an der Stelle eines Drahtdurchbruchs in der Innenwand 37 des
zweiten Bauelements 7 gezeigt.
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In 5 ist
das erste Bauelement 5 im Detail dargestellt. Drei Phasenpotential-Schienen 3 sind
jeweils in separate Aussparungen 11 des ersten Bauelements 1 eingefügt. Die
Phasenpotential-Schienen 3 weisen eine Vielzahl an Stromfahnen 31 auf,
an die Spulendrähte 23 angeschweißt werden
können.
Wie in den 5 und 6 ersichtlich,
ermöglicht
das erste Bauelement 5 eine optimale Zugänglichkeit
für Schweißwerkzeuge
an den Verbindungsstellen, wie beispielsweise an den Stromfahnen 31.
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In 6 ist
dargestellt wie die von den Spulen 27 führenden Spulendrähte 23 um
Zapfen 35 des Spulenträgers 33 gewickelt
und mit den Stromfahnen 31 verschweißt sind. Das erste Bauelement 5 ermöglicht eine
freie Auswahlmöglichkeit
des Schweiß- bzw.
Verbindungsverfahrens ohne Einschränkung der Zugänglichkeit
zu den Schweißfahnen
bzw. Stromfahnen 31.
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Wie
in 7 dargestellt, kann nach dem Verschweißprozess
das zweite Bauelement 7, hier als Aufsatzstück ausgeführt, auf
das erste Bauelement 5 gesteckt werden. In 7 befindet
sich das zweite Bauelement 7 oberhalb des ersten Bauelements 5. Es
wird auf das erste Bauelement 5 gesteckt und bildet so
eine Wannenform 9 bzw. einen vordefinierten Hohlraum. Durch
die so entstandene Wannenform kann der komplette Verschaltungsbereich
mit einem isolierenden Material (in den Fig. nicht dargestellt) ausgegossen
werden. Die Vergussmasse bzw. das isolierende Material kann z. B.
ein Harz, ein Kunststoff oder Silikon sein.
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Der
Hohlraum 9 kann beispielsweise durch die Höhe der Seitenwände des
zweiten Bauelements definiert sein. Das zweite Bauelement 7 kann
eine erste Ausnehmung 13 bzw. erste Aussparung aufweisen,
durch die das isolierende Material eingefüllt werden kann. Die erste
Aussparung kann beispielsweise ein Loch darstellen, durch welches
die Wanne 9 bzw. der Hohlraum befüllt wird. Alternativ ist die
erste Ausnehmung 13 durch eine fehlende Decke über den
Wänden
des zweiten Bauelements, wie in 7 gezeigt,
realisiert. Die Begrenzungen der Wanne 9 bzw. des Hohlraums
weisen eine zweite Ausnehmung auf. Anders ausgedrückt sind
zwischen dem ersten Bauelement 5 und dem zweiten Bauelement 7 Spalte 19 vorhanden.
Die Abmessungen dieser Spalte bzw. der zweiten Ausnehmung 19 sind
so gewählt, dass
nach dem Verrasten des ersten Bauelements 5 mit dem zweiten
Bauelement 7 die Vergussmasse durch ihre Zähigkeit
am Ablauf gehindert wird.
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Wie
in 7 gezeigt, kann die Wanne 9 bzw. der
Hohlraum auch von weiteren Bauelementen begrenzt werden. Ein zusätzliches
Element, welches die Wanne 9 begrenzen kann, ist beispielsweise
die Rückwand
des Spulenträgers 33.
Dabei kann das zweite Bauelement 7 unter Einhaltung eines
Spaltmaßes
mit der Rückwand
des Spulenträgers 33 abschließen, so
dass der entstehende Spalt 19 als Labyrinthdichtstelle
für die
Vergussmasse wirkt. Die Vergussmasse wird durch die Labyrinthdichtstelle
am Abfließen
aus der Wannenform 9 gehindert. Das bedeutet eine Erweiterung
der wirksamen Dichtstrecke um ein weiteres Bauteil, nämlich den
Spulenträger 33.
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Das
Aufsatzstück
bzw. das zweite Bauelement 7 weist ferner eine dritte Ausnehmung 21 auf, die
in der Geometrie dem einlaufenden Spulendraht 23 angepasst
ist. Somit wird an dieser Stelle eine hohe Abdichtung bei größtmöglichem
Fügespalt
erreicht. Die dritte Aussparung 21 kann auch als Drahtdurchbruch
bezeichnet werden und ist in seiner Form und Position dem gewickelten
Spulendraht 23 angelehnt.
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Ferner
weist das erste Bauelement 5 und/oder das zweite Bauelement 7 Rastnasen 17 auf,
so dass bei der Montage eine selbstständige Fixierung ermöglicht wird,
die eine zusätzliche
Positionierung und/oder Halterung während des Vergussprozesses
und des anschließenden
Härtevorgangs der
isolierenden Masse überflüssig macht.
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Das
isolierende Material geht während
oder nach dem Aushärtungsprozess
eine feste chemische und/oder formschlüssige Verbindung mit dem ersten Bauelement 5,
mit dem zweiten Bauelement 7 und ggf. mit den Phasenpotential-Schienen 3 ein.
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In 8 ist
das ringförmige
zweite Bauelement 7 detailliert dargestellt. Es weist eine
Innenwand 37 und eine Außenwand 39 auf, die
separat montiert werden können
und im Ausführungsbeispiel durch
Stege 41 verbunden sind. Das zweite Bauelement 7 weist
z. B. an der Innenwand 37 Rastnasen 17 auf, die
eine Positionierung und Fixierung des Aufsatzes gewährleisten
können.
Ferner können
Verrastelemente 43 an der Außenwand 39 vorgesehen sein,
die mit entsprechenden Elementen auf dem ersten Bauelement 5 eingreifen
können.
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Abschließend wird
angemerkt, dass Ausdrücke
wie „aufweisend” oder ähnliche
nicht ausschließen
sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des
Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in
Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale
beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt,
dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der
Ansprüche beschränkend ausgelegt
werden sollen.
