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Die Erfindung betrifft einen Stator eines Elektromotors mit einer mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Statorwicklung mit einer ersten Anzahl von Spulen und mit einer stirnseitig angeordneten kreisbogenförmigen Verschaltungseinheit für die Spulen, wobei die Verschaltungseinheit eine zweite Anzahl von Stromschienen mit jeweils einer dritten Anzahl von Wickel- und/oder Kontaktelementen für die Spulen aufweist. Sie betrifft weiter eine Stromschiene einer solchen Verschaltungseinheit.
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Ein insbesondere bürstenloser Elektromotor als elektrische Drehstrommaschine weist einen Stator mit einer Anzahl von beispielsweise sternförmig angeordneten Statorzähnen auf, welche eine elektrische Statorwicklung in Form einzelner Statorspulen tragen, die ihrerseits aus einem Isolierdraht gewickelt sind. Die Spulen sind mit deren Spulenenden einzelnen Strängen zugeordnet und untereinander in einer vorbestimmten Weise über gemeinsame Verbindungsleiter verschaltet. Im Falle eines bürstenlosen Elektromotors als dreiphasige Drehstrommaschine weist der Stator drei Stränge und damit zumindest drei Verbindungsleiter auf, die jeweils phasenversetzt mit elektrischem Strom beaufschlagt werden, um ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen, in dem ein üblicherweise mit Permanentmagneten versehener Rotor oder Läufer rotiert. Die Verbindungsleiter werden zur Ansteuerung des Elektromotors an eine Motorelektronik geführt. Die Spulen der Statorwicklung werden mittels der Verbindungsleiter in bestimmter Weise miteinander verschaltet. Die Art der Verschaltung ist durch das Wickelschema der Statorwicklung bestimmt, wobei als Wickelschema eine Sternschaltung oder eine Dreiecksschaltung der Spulen üblich ist.
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Zur Reduzierung des Verschaltungsaufwandes ist es aus der
EP 1 526 628 B1 bekannt, die phasenselektiven Verbindungsleiter im Form von dort als Schaltringe bezeichneten Stromschienen auszuführen, die als Stanz-Biegeteile aus einem Kupfermaterial hergestellt sind. Hierzu werden aus einem entsprechenden Blechmaterial die Stromschienen inklusive einer Anzahl von haken- und/oder steckzungenförmigen Kontaktelementen ausgestanzt und die dadurch gebildete Stromschiene ringförmig gebogen.
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Nachteilig hierbei ist, dass im Zuge des Stanzprozesses zur Herstellung der Stromschienen, die im Anschluss an den Biegevorgang die dortigen Schaltringe bilden, ein unerwünscht hoher Blechverschnitt von üblicherweise 54% praktisch unvermeidbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stator der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem der Verschnitt bei der Herstellung der Stromschienen der Verschaltungseinheit möglichst gering ist. Des Weiteren sollen eine solche Stromschiene angegeben werden.
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Bezüglich des Stators wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich der Stromschiene mit den Merkmalen des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Stators, der insbesondere für einen bürstenlosen Elektromotor vorgesehen und eingerichtet ist, ist dieser geeigneterweise als Blechpaket mit einer Anzahl von sternförmig angeordneten Statorzähnen ausgeführt, deren Zahnenden als Polschuhe unter Bildung eines Luftspaltes einem mit Permanentmagneten versehenen Rotor zugewandt sind. Die Statorzähne sind mit, insbesondere aus Isolierdraht bestehenden, Spulen bewickelt, die in der Gesamtzahl die Statorwicklung bilden und hierzu mit einer Verschaltungseinheit, beispielsweise in Stern- oder Dreieckschaltung, miteinander verschaltet sind. Die Verschaltungseinheit umfasst vorzugsweise eine der Anzahl der Phasen entsprechende Anzahl von Stromschienen, die ringförmig gebogen sind. Jede der Stromschienen ist aus einem Stanzstreifen einerseits und einer Anzahl von separaten Stanzelementen andererseits gebildet, die mit dem Stanzstreifen formschlüssig gefügt sind.
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Die formschlüssige Fügeverbindung zwischen dem jeweiligen, vorzugsweise bandförmigen Stanzstreifen und den diesem zur Bildung der Stromschiene zugeordneten Stanzelementen ist besonders bevorzugt eine formschlüssige Verzahnung in Form geeigneterweise wiederum gegengleicher Stanzkonturen des Stanzstreifens und der Stanzelemente. Besonders zweckmäßig sind hierbei puzzle- oder schwalbenschwanzförmige Fügekonturen (Fügeelemente) und entsprechende Gegenkonturen (Fügeelemente) der Stanzelemente und des Stanzstreifens. Geeigneterweise sind hierbei die Fügeöffnungen im Stanzstreifen und die korrespondierenden Fügezapfen an den Stanzelementen vorgesehen.
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Die Stanzstreifen sind zumindest in denjenigen Bereichen bandförmig, in welchem die gestanzten Fügekonturen zur Aufnahme der gegengleichen Stanz- oder Fügekonturen der Stanzelemente vorgesehen sind. Je nach Ausgestaltung einzelner Stanzelemente können diese auch bereits Bestandteil des Stanzstreifens sein, insbesondere im Falle steckzungenartiger Kontaktelemente zur phasenselektiven Steckkontaktierung der Verschaltungseinheit, d. h. deren Stromschienen mit einer Motorelektronik zur Bestromung und Ansteuerung des Elektromotors beziehungsweise dessen Statorwicklung.
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Zur Bereitstellung der Stromschienen werden geeigneterweise unterschiedliche Stanzelemente gefertigt, die hakenförmig, doppelhakenförmig oder steckzungenartig sind. Vorzugsweise werden zur Bereitstellung der jeweiligen Stromschiene jeweils ein einzelnes steckzungenartiges Steckelement als Phasenkontakt, ein einzelnes doppelhakenförmiges Stanzelement und mehrere hakenförmige Stanzelemente als bereitgestellt. Letzte dienen als Wickelhaken oder Wickelelemente für Spulenanfänge oder Spulenenden oder für Drahtabschnitte zwischen zwei Spulen, wobei bei einem durch diesen Haken geführten Wicklungsdraht im Zuge eines Schweißvorgangs die Drahtisolierung geschmolzen und eine Klemmkontaktierung durch entsprechendes Umbiegen des Hakens hergestellt wird.
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Das Stanzelement mit Doppelhaken dient zur beidseitigen Durchführung jeweils eines Wicklungsanfangs und eines Wicklungsendes der Spulen, die dieser Stromschiene zugeordnet und je nach Dreiecks- oder Sternschaltung in Reihe oder parallel verschaltet sind. Das steckzungenartige Stanzelement dient zur Kontaktierung dieser Stromschiene mit einem korrespondierenden Anschlusselement der Motorelektronik durch Herstellung einer entsprechenden Steckverbindung der Verschaltungseinheit mit der Motorelektronik.
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Die entsprechende Stromschiene einer Verschaltungseinheit für die Statorwicklung eines Elektromotors besteht vorzugsweise aus einem bandförmigen Stanzstreifen und einer Anzahl von separaten Stanzelementen, die mit dem Stanzstreifen vorzugsweise mittels Verzahnung formschlüssig gefügt sind.
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Zur Herstellung einer solchen Stromschiene wird zunächst aus einem (ersten) Kontaktblech ein Stanzstreifen mit einer Anzahl von Fügekonturen ausgestanzt. Zudem wird aus dem oder einem weiteren Kontaktblech eine Anzahl von Stanzelementen mit zu den Fügekonturen des Stanzstreifens korrespondierenden, d. h. gegengleichen Fügekonturen ausgestanzt. Danach werden die Stanzelemente mit dem Stanzstreifen, geeigneterweise unter Bildung formschlüssiger Verzahnungen in einem Pressvorgang, gefügt. Die Stanzelemente können einzeln oder zusammenhängend aus dem entsprechenden Kontaktblech ausgestanzt und erst nach dem Fügevorgang mit dem Stanzstreifen eines weiteren Stanzprozesses vereinzelt werden.
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Die auf diese Art und Weise hergestellte Stromschiene wird geeigneterweise erst anschließend ringförmig zu einem vorzugweise offenen Ring im Zuge eines entsprechenden Biegevorgangs gebogen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch Bereitstellung von Stromschienen für eine Verschaltungseinheit zur Verschaltung von Spulen einer Statorwicklung eines Elektromotors in Form jeweils eines Stanzstreifens und einer Anzahl separater Stanzelemente, die anschließend mit dem Stanzstreifen mittels geeigneterweise gegengleicher Stanzkonturen gefügt werden, der Blechverschnitt minimiert, insbesondere auf beispielsweise 36% reduziert wird. Eine weitere Reduzierung des Blechverschnitts wird erreicht, indem die ringförmigen Stromschienen als einseitig offene Ringstreifenbleche ausgeführt sind.
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Der offene Kreisbogenabschnitt ist dabei zweckmäßigerweise an die erforderliche Stromtragfähigkeit der Stromschiene sowie an die geometrische Anordnung deren separat gefügten Stanzelemente angepasst, die als Wickel- und/oder Kontaktelemente dienen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in perspektivischer Ansicht einen Stator mit einer Statorwicklung und mit einer ringförmigen Verschaltungseinheit (Terminationsring),
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2 in perspektivischer Explosionsdarstellung die Verschaltungseinheit gemäß 1 mit drei im Stanz-, Füge- und Biegeverfahren hergestellten Stromschienen mit jeweils einem Stanzstreifen und damit durch Verzahnung formschlüssig gefügten Stanzelementen als Wickel- und Kontaktelemente für die Statorwicklung,
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3 in einer Aufsicht eine der Stromschienen als ungebogener Stanzstreifen mit gefügten Stanzelementen,
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4 in perspektivischer Darstellung die drei ringförmig gebogenen Stromschienen in konzentrischer und gegeneinander verdrehte Anordnung, und
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5a bis 5d in Draufsicht Ausführungsvarianten hakenförmiger Stanzelemente mit unterschiedlichen Fügekonturen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 gezeigte Stator 1 weist geeigneterweise ein Blechpaket als Statorgrundkörper auf und wirkt in nicht näher dargestellter Art und Weise mit einem Rotor eines Elektromotors zusammen. Der Stator 1 weist zudem an einer Stirnseite eine ringförmige Verschaltungseinheit 2 und auf der gegenüberliegenden Stirnseite einen Isolierring 3 oder eine weitere Verschaltungseinheit auf. Der Stator 1 umfasst bezüglich dessen Statorgrundkörper eine Vielzahl von sich nach innen erstreckenden Statorzähnen 4, deren Zahnenden unter Bildung von Polschuhen dem nicht dargestellten Rotor unter Spaltbildung zugewandt sind. Jeder Statorzahn 4 trägt eine beispielsweise als Einzelzahnwicklung ausgeführte Spule 5a, die in deren Gesamtheit die Statorwicklung 5 bilden.
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Die Verschaltungseinheit 2 weist umfangsseitig sich bezogen auf die Motorachse (zentrale Statorachse) in Axialrichtung erstreckende Umlenkelemente 6 und eine Vielzahl von in 1 nicht näher bezeichneten Schlitzen auf, durch welche Stanzelemente als Kontaktteile 7, 8 nach außen geführt sind. Des Weiteren weist die Verschaltungseinheit 2 ein Drahtführungselement 9 auf, das mit zwei Einkerbungen zur Aufnahme des Anfangs und des Endes der als Wicklungsdraht ausgeführten Statorwicklung versehen ist. Die Umlenkelemente 6 und das Drahtführungselement 9, das einem die Statorzähne 4 verbindenden Statorjoch 10 zugewandt ist, sind an ein Trägerbauteil 11 der Verschaltungseinheit 2 angeformt. Das Trägerbauteil 11 ist aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial, vorzugsweise im Spritzgussverfahren, hergestellten.
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2 zeigt in einer Explosionsdarstellung die Verschaltungseinheit 2, die mit Bezug auf 1 auf der vorderen Stirnseite des Statorgrundkörpers angeordnet ist. Erkennbar sind das aus elektrisch isolierendem Material bestehende Trägerbauteil 11, eine erste Stromschiene 12, eine zweite Stromschiene 13, eine dritte Stromschiene 14 sowie eine wiederum geeigneterweise aus einem elektrisch isolierenden Material bestehende und im Kunststoff-Spritzgiesverfahren hergestellte ringförmige Abdeckung 15. Die Abdeckung 15 dient zum Verschließen des Trägerbauteils 11, nachdem in diesen die gebogenen Stromschienen 12 bis 14 eingesetzt sind. Hierzu weist die Abdeckung 15 mehrere Rastklammern 16 auf, die beim Verschließen der Verschaltungseinheit 2 in jeweils zugehörige (nicht sichtbare) Nuten des Trägerbauteils 11 einrasten. Benachbart zu jedem der Umlenkelemente ist ein Schlitz 17 in das Trägerbauteil 11 eingebracht. Über die Schlitze 17 ragen die Kontaktteile 7, 8 der in das Trägerbauteil 11 eingelegten Stromschienen 12 bis 14 aus der Verschaltungseinheit 2 heraus.
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3 zeigt eine der Stromschienen, nämlich die Stromschiene 12 aus 2 in langgestreckter, noch nicht gebogener Form. Die Stromschiene 12 besteht aus einem Stanzstreifen 12a und einer Anzahl separater Stanzelemente 12b, die mit dem Stanzstreifen 12a gefügt sind. Die Fügeverbindungen sind durch gegengleiche, nachfolgend als Fügeelemente 18, 19 bezeichnete Stanzkonturen hergestellt. Dabei sind die dem Stanzstreifen 12a zugeordneten Fügeelemente 18 als Stanzöffnungen und die dem jeweiligen Stanzelemente 12b zugeordneten Fügeelemente 19 als Stanzzapfen ausgeführt. Erkennbar sind vier der insgesamt sechs Stanzelemente 12b unter Bildung jeweils eines der Kontaktteile 8 mit einem einzelnen Haken 20 (Wickelhaken) ausgeführt, während lediglich bei der dargestellten Stromschiene 12 ein einzelnes Stanzelement 12b als Kontaktteil 8 mit einem Doppelhaken 21 (Wickeldoppelhaken) ausgeführt ist. Ein weiteres der Stanzelemente 12b, das unter Bildung des Kontaktteils 7 als Steckzunge geformt ist, dient als Phasenkontakt der von dieser Stromschiene 12 repräsentierten Phase (u, v, w) der dreiphasigen Statorwicklung 5.
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Analog sind die beiden anderen Stromschienen 13 und 14 aus jeweils einem Stanzstreifen 13a, 14b und mit diesen gefügten Stanzelementen 13b bzw. 14b gebildet. Bei der Herstellung der jeweiligen Stromschiene 12, 13, 14 wird in einen Blechstreifen aus elektrisch leitendem Material, insbesondere Kupfer, eine der Anzahl der Stanzelemente 12b entsprechende Anzahl von Fügeelementen 18 durch Stanzen als entsprechende Stanzöffnungen eingebracht. Aus einem weiteren Blechstreifen werden die Stanzelemente 12b mit deren gegengleichen Fügekonturen 19 als entsprechende Stanzzapfen ausgestanzt. Anschließend werden die Stanzelemente 12b vermittels der gegengleichen Stanz- oder Fügekonturen 18, 19 verpresst und somit die Stanzelemente 12b mit dem Stanzstreifen 12a durch Verzahnung gefügt. Dabei kann die Vereinzelung der Stanzelemente 12b vor oder nach dem Fügevorgang (Pressfitting) erfolgen. In einem anschließenden Schritt wird die Stromschiene 12 in die Kreis- oder Ringform gemäß 2 gebogen. Die Herstellung der beiden anderen Stromschienen 13 und 14 erfolgt analog.
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4 zeigt die drei konzentrisch ineinander gelegten Stromschienen 12 bis 14, die in Umfangsrichtung derart gegeneinander verdreht sind, dass sich die lediglich bei der Stromschiene 12 sichtbaren offenen Bereiche 22 nicht überlappen und die einzelnen Kontaktteile 7, 8, d. h. die Wickelhaken und die Phasenkontakte in Form der Stanzelemente 12b, 13b, 14b in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind. Zudem befinden sich in Folge der Anordnung der Stromschienen 12 bis 14 zueinander deren von den entsprechenden Stanzelementen 12b, 13b, 14b gebildeten steckzungenartigen Kontaktteile 7 auf demselben Drittel des Kreisumfangs der konzentrisch zueinander angeordneten Stromschienen 12 bis 14.
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Die 5a bis 5d zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen der Fügeelemente 19 der Stanzelemente 12b, 13b, 14b der jeweiligen Stromschiene 12, 13 beziehungsweise 14 am Beispiel eines als hakenförmiges Kontaktteil 8, d. h. als Wickelhaken ausgebildeten Stanzelementes. Die dargestellten Stanz- oder Fügekonturen 19 können in nicht näher gezeigter Art und Weise auch bei dem als Phasenkontakt dienenden steckzungenartigen Kontaktteil 7 vorgesehen sein.
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So zeigt 5a die auch bereits in 3 veranschaulichte puzzleartige Füge- beziehungsweise Stanzkontur 19 des jeweiligen Stanzelementes 12b, 13b, 14b. 5b zeigt eine schwalbenschwanzförmige Stanz- oder Fügekontur 19. Die 5c zeigen weitere Varianten federartiger Füge- oder Stanzkonturen 19, welche ebenso wie die in den 5a und 5b gezeigten Konturen 19 mit den gegengleichen Stanzkonturen 18 des jeweiligen Stanzstreifens 12a, 13a, 14a in der formschlüssigen Verzahnung als Fügeverbindung zusammenwirken.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom den Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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So können beispielsweise die als Fügeöffnungen ausgeführten Fügeelemente 18 in den Stanzelementen 12b, 13b, 14b und die gegengleichen zapfenartigen Fügekonturen 19 im jeweiligen Stanzstreifen 12a, 13a beziehungsweise 14a vorgesehen sein.
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Des Weiteren kann die Anordnung der Stromschienen 12, 13, 14 innerhalb des Trägerbauteils 11 auch unter Ausbildung von Abständen zwischen den einzelnen Stromschienen 12 bis 14 erfolgen. Hierzu sind Zwischenwände in das Trägerbauteil 11 unter Bildung von Ringnuten eingebracht, in welche die einzelnen Stromschienen 12 bis 14 eingelegt sind. Demgegenüber sind bei der vergleichsweise raumsparenden Ausführungsform nach 4 die Stromschienen 12 bis 14 aneinanderliegend angeordnet und hierzu mit einer Isolierschicht versehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Verschaltungseinheit
- 3
- Isolierring
- 4
- Statorzahn
- 5
- Statorwicklung
- 5a
- Statorspule
- 6
- Umlenkelement
- 7
- steckzungenartiges Kontaktteil
- 8
- hakenartiges Kontaktteil
- 9
- Drahtführungselement
- 10
- Statorjoch
- 11
- Trägerbauteil
- 12
- Stromschiene
- 13
- Stromschiene
- 14
- Stromschiene
- 15
- Abdeckung
- 16
- Rastklammer
- 17
- Schlitz
- 18
- Fügeelement/Stanzkontur
- 19
- Fügeelement/Stanzkontur
- 20
- Haken
- 21
- Doppelhaken
- 22
- offener Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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