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Die Erfindung betrifft einen Stator eines Elektromotors, mit einer mehrphasigen Statorwicklung mit je Phase einer Anzahl von Spulen mit jeweils ersten und zweiten Spulenenden sowie mit einer Schalteinheit mit einer Anzahl von Kontaktdrähten, die zum Anschluss diesen jeweils zugeordneten Spulenenden eine Anzahl von ösenartig ausgebogenen Kontakthaken mit einander beabstandet gegenüberliegenden Drahtschenkel unter Bildung einer Anschlussöffnung aufweisen, die das zugeordnete axial orientierte Spulenende aufnimmt. Sie betrifft weiter eine solche Schalteinheit mit einer Anzahl von Kontaktdrähten.
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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 Verbindungsleiter einer Schalteinheit 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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Aus der
EP 1 526 628 B1 ist es bekannt, die phasenselektiven Verbindungsleiter in 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. 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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Die
US 2011/0057524 A1 offenbart eine elektrische Steckverbinderanordnung für einen bürstenlosen elektromagnetischen Motor. Dieser umfasst eine dreiphasige Statorwicklung mit einer Anzahl von Wicklungen pro Phase, welche entweder parallel oder in Reihe verschaltet sind. Die Steckverbinderanordnung umfasst ein ringförmiges Drahtleitelement zur Aufnahme der Enden der Wicklungen sowie eine Verbindungsaufnahme in Form von drei ringförmigen Verbindungsschienen, die jeweils als Erfindung einen Kabelschuh aufweisen. Außerdem weisen die Verbindungsschienen axial erweiterte Drahtklemmen zur Sicherstellung des elektrischen Kontaktes für die drei Phasen durch die Schlitze des Drahtleitelementes auf.
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Aus der
US 2005/0088049 A1 ist ein Stator für einen elektrischen Motor mit ringförmigem Statorpaket mit mehreren Statorzähnen bekannt. Eine ringförmige Verbindungseinheit ist an einer End- oder Stirnseite des Stators angebracht. Die ringförmige Verbindungseinheit umfasst Ablenkungselemente sowie ein Tragelement, welches mit einer Aufnahme und Schlitzen ausgestattet ist. In der Aufnahme befinden sich eine Reihe von gegeneinander isolierten Verbindungsringen, deren jeder Kontaktelemente aufweist, welche durch die Schlitze nach außen geführt sind.
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Die
DE 10 2007 040 809 A1 offenbart einen Drehstrommotor mit mehreren, parallel geschaltete Spulen aufweisenden Strängen eines Stators. Der Stator weist ringförmig gestaltete Kontaktschienen zur Kontaktierung der Spulen auf, die ihrerseits mit nutförmigen Kontakthaltern als bauliche Einheit gestaltet sind. Die Kontakthalter sind aus Kunststoff gefertigt und an den Spulen angespritzt.
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Aus der
DE 10 2009 036 128 A1 ist ein Elektromotor mit einem Stator mit zwölf Statorwicklungen bekannt, die teilweise in Reihe und letztendlich zu einer Sternschaltung verschaltet sind. Zur Verschaltung sind ein Tragelement und eine Leiterbahnstruktur aus vier Drähten vorgesehen, die von dem Tragelement aufgenommen sind, indem die Drähte in dieses Tragelement eingeklipst sind. Die Drähte bilden einen vollständigen Ring oder teilweise Ringabschnitte, wobei ein solcher Draht als vollständiger Ring im Zusammenhang mit den Spulenenden der Statorwicklungen die Sternschaltung ausbildet. Das Tragelement weist axiale Führungen für die Spulenenden auf, wobei die elektrische Verbindung zwischen den Spulenenden und den jeweiligen Drähten durch Löten, Schweißen oder Heißverstemmen erfolgt.
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Ähnliche Schaltungseinheiten mit aus Runddraht bestehenden Kotaktdrähten zur Verbindung und Kontaktierung der Spulenenden sind aus der
US 7,948,130 B2 und aus der
DE 102 61 611 A1 bekannt.
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Bei aus Runddraht bestehenden Kotaktdrähten ist die Kontaktierung mit den Spulenenden mittels üblicherweise Widerstandsschweißen problematisch, da aufgrund der runden Drahtquerschnitte sowohl der Spulenenden als auch des jeweiligen Kontaktdrahtes diese die beteiligten Drähte beim Verschweißen mittels glatten oder planflächigen Elektroden zum Verkippen neigen. Eine solche Verkippung der Drähte führt aufgrund häufiger Fehlschweißungen zu einem unerwünscht hohen Ausschuss. Um ein Verkippen der Drähte zu vermeiden müssen die Toleranzen extrem gering sein, was kosten- und fertigungstechnisch entsprechend aufwändig ist. Zwar könnte dem Verkippen der Drähte durch den Einsatz von Formelektroden (Prisma) entgegengewirkt werden. Jedoch können derartige Formelektroden die Toleranzen nur bedingt ausgleichen. Alternativ wäre der Einsatz eines Messsystems denkbar, welches die Drähte vor dem Verschweißen vermisst. Jedoch ist auch diese Methode unerwünscht aufwendig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stator mit einer zur einfachen sowie zuverlässigen Verbindung und Kontaktierung der Wicklungsspulen besonders geeigneten Schalteinheit anzugeben. Insbesondere soll ein Verkippen der Spulen- und/oder Kontaktdrähte während des Schweißvorgangs zur stoffschlüssigen Verbindung des jeweiligen Kontaktdrahtes und der jeweiligen Spulenenden möglichst vermieden werden. Des Weiteren soll eine Schalteinheit mit zumindest einem diesbezüglich besonders geeigneten Kontaktdraht angegeben werden.
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Bezüglich des Stators wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Schalteinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Hierzu ist dem Stator, der mit einer mehrphasigen Statorwicklung mit je Phase einer Anzahl von Spulen mit jeweils ersten und zweiten Spulenenden eine Schalteinheit mit einer Anzahl von Kontaktdrähten, vorzugsweise mit je Phase mindestens zwei Kontaktdrähten, zugeordnet. Der jeweilige Kontaktdraht ist als Runddraht mit kreisförmigem Drahtquerschnitt ausgeführt und weist zum Anschluss der diesem zugeordneten Spulenenden eine Anzahl von ösenartig ausgebogenen Kontakthaken auf. Diese wiederum weisen einander beabstandet gegenüberliegende Drahtschenkel auf, zwischen denen eine Anschlussöffnung gebildet ist, die das zugeordnete axial orientierte Spulenende aufnimmt. Die durch U-förmiges Biegen des Kontaktdrahtes hergestellten Kontakthaken bilden zwischen dessen Drahtschenkel eine einseitig offene Hakenöffnung aus.
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Im Bereich der Kontakthaken ist der Kontaktdraht auf den der Anschlussöffnung abgewandten Schenkelaußenseiten der Drahtschenkel unter Bildung planarer Anlagefläche flach geprägt, so dass für die Schweißkontaktierung des jeweiligen Kontaktdrahtes mit den zugeordneten Spulenenden im Beriech der Kontakthaken die eine flache Schweißelektrode zum Ausgleich von Toleranzen verwendet werden kann. Dabei ist der Kontaktdraht vorzugsweise in den verbleibenden Drahtabschnitten unverändert als Runddraht belassen. Der oder jeder Kontaktdraht ist vorzugsweise als Kupferdraht mit verzinnten Kontakthaken ausgeführt.
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Die im Biegeverfahren hergestellten Kontakthaken sind in der bestimmungsgemäßen Lageposition des entsprechend gebogenen Kontaktdrahtes derart orientiert, dass bezogen auf die zentrale Achse des zur Aufnahme des Rotors eines damit aufgebauten Elektromotors zylinderförmigen Stators alle Drahtschenkel entweder radial oder tangential verlaufen. Hierdurch wird eine entsprechend jeweils stets gleiche Positionierung und Orientierung der Schweißelektroden bei Schweißkontaktierung der Kontakthaken mit den Spulenenden ermöglicht.
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Der jeweilige Kontaktdraht ist im den Kontakthaken bildenden Bereich vorzugsweise lediglich einseitig flach geprägt. Infolge eines U-förmigen Biegens des Kontaktdrahtes derart, dass der jeweilige flache Drahtabschnitt beim Biegeprozess die Außenseite darstellt, liegt die gegenüberliegende Rundseite dieses Kontaktdrahtbereichs innen und bildet somit die Wandung der jeweiligen Anschlussöffnung für das entsprechende Spulenende.
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In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Schalteinheit ein ringförmiges, vorzugsweise aus Kunststoff bestehendes, Rahmenteil, in welchem die den Phasen der Statorwicklung zugeordneten Kontaktdrähte bereichsweise einliegen. Deren Kontakthaken ragen auf der den Spulen abgewandten Ringseite aus dem Rahmenteil heraus und sind somit von der entsprechenden Statorstirnseite für das anschließende Verschweißen der Kontakthaken mit den jeweiligen Spulenenden montagetechnisch gut und einfach zugänglich. Geeigneterweise weist das Rahmenteil im Montagezustand von den Spulenenden durchsetzte Durchführungen (Durchtrittsöffnungen) auf, die mit den Anschlussöffnungen der Kontakthaken fluchten.
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Eine derart ausgestaltete Schalteinheit für einen Stator eines Elektromotors, mit vorzugsweise einer der Phasen der Statorwicklung entsprechenden oder die Phasenanzahl übersteigenden Anzahl von Kontaktdrähten, die als Runddraht mit kreisförmigem Drahtquerschnitt ausgeführt und im Bereich der Kontakthaken auf der der Anschlussöffnung abgewandten Schenkelaußenseite der Drahtschenkel unter Bildung planarer Anlageflächen flach geprägt sind, ermöglicht eine besonders fehlersichere Montage und Spulenverschaltung sowie insbesondere eine einfache, zeitsparende und zuverlässige Schweißkontaktierung der Spulenenden und Kontaktdrähte.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines als Blechpakte ausgeführten Stators mit auf dessen Statorzähne aufgesteckten bewickelten Spulenrahmen in beispielhaft sechs Spulenpaaren mit jeweils zwei Spulenenden,
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2 in perspektivischer Darstellung eine ringförmige Schalteinheit mit einem Rahmenteil und darin einliegenden Kontaktdrähten mit zur Spulenverschaltung ausgebogenen und dabei tangential orientierten Kontakthaken zur Aufnahme der in 1 gezeigten der Spulenenden der Statorwicklung,
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3 eine Schaltungseinheit gemäß 2 mit radial orientierten Kontakthaken der Kontaktdrähte,
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4a und 4b schematisch in einer Seitenansicht bzw. in Frontansicht mit Blick in eine Anschlussöffnung für eines der Spulenenden einen Kontakthaken mit einander beabstandet gegenüberliegenden und außenseitig abgeflachten Drahtschenkeln des als Runddraht ausgeführten Kontaktdrahtes,
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5 eine Schnittdarstellung des Kontaktdrahtes innerhalb dessen flach geprägten Kontakthakenbereichs, und
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6 in einer stirnseitigen Aufsicht auf die montierte und schweißkontaktierte Schalteinheit des Stators.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Stator 1 eines Elektromotors, in dem der Stator 1 einen in der perspektivische Darstellung nicht gezeigten Rotor konzentrisch umgibt ist, mit dem der Stator 1 in üblicher Weise zusammenwirkt. Zu einem sternförmigen Blechpaket gestapelte Statorbleche bestehen üblicherweise aus weichmagnetischem Eisen, wobei das dem Stator 1 zugeordnete Statorjoch in 1 nicht gezeigt ist.
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Der Stator 1 weist ausgehend vom Pohlschuh 2 unter Bildung von nicht näher bezeichneten Statornuten radial nach außen gerichtete Statorzähne 3 auf, auf die rahmenartige Wicklungsträger 4 aufgesteckt sind. Jeder der rahmenartigen Wicklungsträger 4 trägt eine Spulenwicklung oder Spule 5 als Teil der Statorwicklung. Jeweils zwei aufeinanderfolgende Spulen 5 sind durchgehend verbunden und bilden ein Spulenpaar mit den Spulen 5 in Serienschaltung. Die Spulenpaare sind jeweils über zwei Spulenenden 6 kontaktierbar. Die dargestellten, insgesamt zwölf Spulenenden 6 sind zur weiteren Verschaltung und Kontaktierung mittels einer nachfolgend näher beschriebenen Schalteinheit 7 axial, d. h. in Richtung der gezeigten Stator- und Motorachse A orientiert bzw. ausgerichtet.
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Die 2 und 3 zeigen in perspektivischen Darstellungen jeweils eine Schalteinheit 7 mit einem ringförmigen Rahmenteil 8, das vorzugsweise aus Kunststoff besteht und als Formteil gespritzt ist. Das Rahmenteil 8 weist auf dessen Kontaktierungsseite 8a eingeformte Schlitzkonturen und/oder sickenartigen Nutenkonturen 8b auf, in denen mehrere Kontaktdrähte 9 bereichsweise einliegen. Jeder Kontaktring 9 bildet ein Verschaltungsteil zum Verbinden bestimmter Spulenenden 6 der Statorwicklung unter Herstellung einer Stern- oder Dreieckschaltung sowie gegebenenfalls ein Anschlussende 10 zum phasenselektiven Anschluss der aus den verschalteten Spulen 5 gebildeten Statorwicklung an eine nicht dargestellte Ansteuerelektronik zur phasenrichtigen Bestromung der Spulen 5 bzw. Spulenpaare der Statorwicklung im elektromotorischen Betrieb.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst der Stator 1 insgesamt zwölf Spulen 5, die zu Spulenpaaren mit insgesamt zwölf Spulenenden 6 gewickelt sind. Der Anordnung und axialen Ausrichtung der Spulenenden 6 entspricht die Anzahl und azimutale Anordnung von Durchgangsöffnungen oder Durchführungen 11 im Rahmenteil 8 der Schalteinheit 7. An den den Durchführungen 11 zugeordneten Positionen weist das Rahmenteil 8 von den Durchführungen 11 durchsetzte Stütz- und/oder Führungsdome 12 auf, die sich in Axialrichtung A erstrecken.
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Der jeweilige Kontaktdraht 9 ist ein Runddraht. Besonders bevorzugt ist ein im Querschnitt runder (kreisförmiger) Kupferdraht, der vollständig oder zumindest bereichs- oder abschnittsweise verzinnt ist. Der verwendete Runddraht wird zur Bereitstellung des jeweiligen Kontaktdrahtes 9 zum einen insgesamt kreisbogenförmig in Anpassung an die Ringform des Rahmenteils gebogen. Andererseits werden aus dem jeweiligen Runddraht im Zuge des Biegeverfahrens ösenartig gebogene Kontakthaken 13 hergestellt. Die jeweiligen Biegestellen der Kontaktdrähte 9 sind derart positioniert und ausgebildet, dass die zwischen den einander gegenüberliegenden Drahtschenkeln 13a, 13b gebildeten Anschlussöffnungen 14 mit den zugeordneten Durchführung 11 des Rahmenteils 8 fluchten. Auf diese Weise durchsetzen die Spulenenden 6 im Zuge der Montage der Schalteinheit 7 auf die entsprechende Stirnseite des Stators 1 in Axialrichtung A sowohl die Durchführungen 11 des Rahmenteils 8 als auch die korrespondierenden Anschlussöffnungen 14 der entsprechenden Kontakthaken 13. Dies ermöglicht eine einfache, zuverlässige und fehlersichere Anbringung der Schalteinheit 7 auf der Statorstirnseite im Zuge der Herstellung des Stators 1.
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Während bei der Ausführungsform der Schalteinheit 7 gemäß 2 die Kontakthaken 13 der Kontaktdrähte 9, das heißt die jeweiligen Drahtschenkel 13a, 13b der entsprechenden Kontakthaken 13 in Tangentialrichtung T ausgerichtet sind, ist die Ausrichtung der Drahtschenkel 13a, 13b der Kontaktdrähte 9 bei der Ausführungsform der Schalteinheit 7 gemäß 3 in Radialrichtung R. Ansonsten weist Einheit 7 gemäß der Ausführungsform nach 3 ebenfalls mehrere Kontaktdrähte 9 auf.
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Die Ausgestaltung der Kontaktdrähte 9 mit deren Kontakthaken 13 sowie den zwischen deren Drahtschenkeln 13a, 13b gebildeten Anschlussöffnungen 14 ist derart, dass diese im Zuge der Montage des Stators 1 die in Axialrichtung A orientierten Spulenenden 6 aufnehmen, wobei diese die von den Kontakthaken 13 gebildeten Anschlussflächen 14 bezogen auf deren Flächenebene normal durchsetzen. Im Anschluss an diesen Fügevorgang erfolgt die Schweißkontaktierung der Spulenenden 6 mit den zugeordneten Kontakthaken 13. Nach erfolgtem Verschweißen der Spulenenden 6 mit den zugeordneten Kontaktdrähten 9 ist die bestimmungsgemäße Verschaltung der Spulen 5 in Stern- oder Dreieckschaltung hergestellt. Über die den Phasen u, v, w zugeordneten Anschlussenden 10 kann somit die phasenselektive Bestromung der Spulen 5 des Stators 1 erfolgen.
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Um während des Schweißvorgangs fertigungsbedingte Toleranzen auszugleichen, sind die als Runddraht ausgeführten Kontaktdrähte 9 im Bereich der Kontakthaken 13 einseitig abgeflacht. Dies ist in den 4a und 4b sowie in 5 veranschaulicht. Darin zeigt 5 eine lokale einseitig flache Ausprägung des Kontaktdrahtes 9 unter Bildung einer ebenen (planaren) Anlagefläche 15. Der übrige Querschnittsbereich 16 des den jeweiligen Kontakthaken 13 bildenden Drahtabschnitts des Kontaktdrahtes 9 verbleibt auch in diesem lokalen Drahtabschnitt (Drahtbereich) des Kontaktdrahtes 9 als Rundform.
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Im unter Bildung des jeweiligen Kontakthakens 13 gebogenen Zustand des entsprechenden Drahtabschnitts des Kontaktdrahtes 9 sind die gebildeten Drahtschenkel 13a, 13b außenseitig unter Bereitstellung der planaren Anlagefläche 15 entsprechend flach geprägt ausgebildet. Die zwischen den beiden Drahtschenkeln 13a und 13b gebildete Anschlussöffnung 14, in welche gemäß 4a das entsprechende Spulenende 6 geführt ist, ist im Bereich der beiden Drahtschenkel 13a und 13b und dem diese verbindenden Biegebereich 13c von der der Anschlussfläche 15 gegenüberliegenden kreisbogenförmigen Drahtkontur des Kontaktdrahtes 9 begrenzt. Innerhalb der Anschlussöffnung 14 liegen somit die zylindrischen Mantelflächen des ebenfalls als Runddraht ausgeführten Spulenendes 6 und des Kontaktdrahtes 9 aneinander.
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Die ebenen, flächigen bzw. planaren Anlageflächen 15 an der Schenkelaußenseite des jeweiligen Drahtschenkels 13a, 13b des entsprechenden Kontakthakens 13 dienen zur Anlage flacher Elektroden 17 einer Schweißeinrichtung, insbesondere zum Widerstandsschweißen. Aufgrund der planaren Anlageflächen 15 und der ebenfalls flachen Schweißelektrode 17 können in einfacher und zuverlässiger Art und Weise Fertigungstoleranzen der Kontaktdrähte 9 und ggf. der Spulenenden 6 zuverlässig ausgeglichen werden. Zudem bietet der im Zuge des Flachprägens der Kontaktdrähte 9 in deren die Kontakthaken 13 bildenden Drahtabschnitten praktisch zwangsläufig eine Anlagekontur 18 im Übergangsbereich der flachgeprägten und sich an die Anlagefläche 15 anschließenden runden Drahtabschnitt (Drahtbereich) des Kontaktdrahtes 9. Diese Anlagekontur 18 bietet somit praktisch inhärent eine Positionier- und/oder Stützhilfe für die dem entsprechenden Drahtschenkel 13a zugeordnete Schweißelektrode 17.
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6 zeigt in einer Draufsicht auf die montierte Schalteinheit 7 deren mit den Spulenenden 6 schweißkontaktierten Kontaktdrähten 9 im Bereich deren Kontakthaken 13.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem 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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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Polschuh
- 3
- Statorzahn
- 4
- Wicklungsträger
- 5
- Spule/Spulenwicklung
- 6
- Spulenende
- 7
- Schalteinheit
- 8
- Rahmenteil
- 8a
- Kontaktierungsseite
- 8b
- Schlitz-/Nutenkontur
- 9
- Kontaktdraht
- 10
- Anschlussende
- 11
- Durchführung/Durchgangsöffnung
- 12
- Stütz-/Führungsdom
- 13
- Kontakthaken
- 13a, b
- Drahtschenkel
- 14
- Anschlussöffnung
- 15
- Anlagefläche
- 16
- Drahtbereich
- 17
- Schweißelektrode
- 18
- Übergangsbereich
- 19
- Drahtabschnitt/-bereich
- A
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
- T
- Tangentialrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1526628 B1 [0003]
- US 2011/0057524 A1 [0004]
- US 2005/0088049 A1 [0005]
- DE 102007040809 A1 [0006]
- DE 102009036128 A1 [0007]
- US 7948130 B2 [0008]
- DE 10261611 A1 [0008]
