EP4222847A1

EP4222847A1 - Verfahren zur herstellung eines geschrägten stators

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Publication number: EP4222847A1
Application number: EP21783420.9A
Authority: EP
Inventors: Regina Bach; Sebastian Beetz; Boris Dotz; Christian FINGER-ALBERT; Carsten Siepker; Sebastian Waider
Original assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2021-09-21
Publication date: 2023-08-09
Also published as: DE102020212358A1; WO2022069289A1; CN116210148A; JP2023543481A; KR20230058138A; US20230361660A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geschrägten Stators (103), der eine Statorwicklung aus Formleitern (7) aufweist, aufweisend folgende Schritte: - Bereitstellen eines Statorkerns (1), der eine Vielzahl von Nuten (2) aufweist, die sich von einer ersten Stirnseite (3) des Statorkerns (1) zu einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite (4) des Statorkerns (1) erstrecken und eine Schrägung in Umfangsrichtung aufweisen, - Bereitstellen wenigstens einer Anordnung (10) mit wenigstens einem Formleiter (7), der zwei zueinander parallele ausgerichtete gerade Beinabschnitte (8) und einen die zwei Beinabschnitte (8) verbindenden Verbindungsabschnitt (9) aufweist, - Einführen der Anordnung (10), deren Formleiter die geraden Beinabschnitte (8) aufweist, in den die geschrägten Nuten (2) aufweisenden Statorkern (1) an der ersten Stirnseite (3) mittels einer Relativbewegung in Axialrichtung zwischen dem Statorkern (1) und der Anordnung (10), wodurch die Beinabschnitte (8) des wenigstens einen Formleiters (7) infolge der Relativbewegung derart gebogen werden, dass der Verlauf der in den Startorkern (1) eingeführten Beinabschnitte (8) eine der Schrägung der Nuten (2) entsprechenden Schrägung erhalten.

Description

Verfahren zur Herstellung eines geschrägten Stators

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geschrägten Stators, der eine Statorwicklungen aus Formleitern aufweist.

Zur Vermeidung unerwünschter Rastmomente und Drehmomentrippel beim Betrieb einer elektrischen Maschine ist es allgemein bekannt, einen geschrägten Stator und/oder einen geschrägten Rotor zu verwenden.

Die CN 109 639 078 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung eines Motors mit Haarnadelwicklungen, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines Statorkerns mit einer schrägen Nut; Bereitstellen einer Vielzahl von Haarnadeln mit einer quadratischen Querschnittsfläche; Verdrehen von Beinen der Haarnadeln entsprechend einer Spiralform der schrägen Nuten, sodass ein Winkel der Beine einem Winkel der Nuten entspricht; Gruppieren von freien Enden der Beine mehrerer verdrehter Haarnadeln zu einem Käfig; Einsetzen des Käfigs in den Statorkern durch Rotation; und elektrisches Verbinden der freien Ende zu Paaren, um eine Wicklung auszubilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zum Herstellen eines geschrägten Stators anzugeben, dessen Statorwicklung Formleitern aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines geschrägten Stators, der eine Statorwicklung aus Formleitern aufweist, aufweisend folgende Schritte:

Bereitstellen eines Statorkerns, der eine Vielzahl von Nuten aufweist, die sich von einer ersten Stirnseite des Statorkerns zu einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Statorkerns erstrecken und eine Schrägung in Umfangsrichtung aufweisen, Bereitstellen wenigstens einer Anordnung mit wenigstens einem Formleiter, der zwei zueinander parallele ausgerichtete gerade Beinabschnitte und einen die zwei Beinabschnitte verbindenden Verbindungsabschnitt aufweist,

Einführen der Anordnung, deren Formleiter die geraden Beinabschnitte aufweist, in den die geschrägten Nuten aufweisenden Statorkern an der ersten Stirnseite mittels einer Relativbewegung in Axialrichtung zwischen dem Statorkern und der Anordnung, wodurch die Beinabschnitte des wenigstens einen Formleiters infolge der Relativbewegung derart gebogen werden, dass der Verlauf der in den Startorkern eingeführten Beinabschnitte eine der Schrägung der Nuten entsprechenden Schrägung erhalten.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein geschrägter Stator hergestellt. Unter einem geschrägten Stator versteht man einen Stator, dessen für die Statorwicklungen vorgesehenen Nuten sich nicht nur in axialer Richtung erstrecken, sondern zusätzlich eine Schrägung in Umfangsrichtung aufweisen. Diese Nuten verlaufen vorzugsweise helixförmig.

Des Weiteren umfasst der Stator Formaleiter als Statorwicklungen. Die Formleiter weisen zwei Beinabschnitte und einen Verbindungsabschnitt auf, der die Beinabschnitte insbesondere elektrisch leitend verbindet. Solche Form leiter werden insbesondere als U-Pin- oder Hairpinwicklungen bezeichnet. Die Beinabschnitte umfassen insbesondere jeweils ein freies Ende und ein mit dem Verbindungsabschnitt verbundenes Ende.

Um den geschrägten Stator herzustellen, werden die Formleiter derart bereitgestellt, dass ihre Beinabschnitte zunächst gerade sind. Insbesondere werden diese derart bereitgestellten Form leiter in den bereits die geschrägten Nuten aufweisenden Statorkern hineingeschoben, wodurch die Beinabschnitte der in den Statorkern hineingeschobenen Formleiter einen den Nuten entsprechenden Verlauf, insbesondere eine der helixförmig verlaufenen Nuten helixförmigen Verlauf erhalten. Allgemein ist es somit für die Herstellung des geschrägten Stators vorgesehen, die bereitgestellte Anordnung, deren Formleiter zunächst die geraden Beinabschnitte aufweist, in den die geschrägten Nuten aufweisenden Statorkern an der ersten Stirnseite mittels einer Relativbewegung in Axialrichtung zwischen dem Statorkern und der Anordnung einzuführen, wodurch die Beinabschnitte des wenigstens einen Formleiters infolge der Relativbewegung derart gebogen werden, dass der Verlauf der in den Startorkern eingeführten Beinabschnitte eine der Schrägung des Nuten entsprechende Schrägung erhalten. Insbesondere erfolgt eine Relativbewegung ausschließlich in Axialrichtung. Vorzugsweise ist der Statorkern unbewegt und die Anordnung wird in Axialrichtung, insbesondre ausschließlich in Axialrichtung relativ zum unbewegten Statorkern bewegt.

Somit kann insbesondere ein kontinuierlich geschrägter Stator mit insbesondere einer weitestgehenden Optimierung der Reduktion der Rastmomente und der Dreh- momentrippel beim Betrieb der elektrischen Maschine realisiert werden. Gleichsam werden die Vorteile einer Statorwicklung aus Formleitern, insbesondere die einfache Fertigung und die Ermöglichung eines hohen Automatisierungsgrades im Vergleich zu Wicklungen aus Runddrähten, erzielt. Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Stator erlaubt es mit Vorteil ferner, einen ungeschrägten Rotor zu verwenden, was die Fertigungskosten einer elektrischen Maschine ganz erheblich senkt. Außerdem kann durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise auf ein Biegen der Beinabschnitte in einem separaten Verfahrensschritt vor dem Einführen in die Nuten verzichtet werden, was den Herstellungsprozess vereinfacht.

Vor dem Einführen der Anordnung, d.h. der geraden Beinabschnitte des Formleiters in die Nuten wird insbesondere die bereitgestellte Anordnung, deren Formleiter die geraden Beinabschnitte aufweist, derart relativ zum Statorkern ausgerichtet, dass die geraden Beinabschnitte parallel zur Längsausdehnung bzw. zur Längsachse des Statorkerns ausgerichtet sind. Insbesondere werden die Beinabschnitte mit ihren freien Enden an der ersten Stirnseite des Statorkerns in die Nuten eingeführt.

Ein Formleiter, der auch als Haarnadelleiter (englisch: hair pin) bezeichnet werden kann, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er aus massivem Metall, insbesondere aus Kupfer, gebildet ist. Typischerweise weist der Formleiter einen, gegebenenfalls abgerundet, rechteckigen Querschnitt auf. Der Formleiter ist bevorzugt nicht biegeschlaff ausgebildet. Die Beinabschnitte des Formleiters können stabförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Beinabschnitte in ihrem Querschnitt so ausgebildet, dass eine vorgegebene Anzahl von Beinabschnitten, beispielsweise höchstens 16 Beinabschnitte, bevorzugt höchstens zwölf Beinabschnitte, besonders bevorzugt höchstens acht Beinabschnitte, radial geschichtet innerhalb einer Nut wenigstens 40 %, insbesondere wenigstens 60 %, bevorzugt wenigstens 80 %, der Querschnittsfläche der Nut ausfüllen.

Ferner kann es vorgesehen sein, dass in eine jeweilige Nut eine gerade Anzahl von Beinabschnitten, insbesondere wenigstens zwei Beinabschnitte, bevorzugt wenigstens vier Beinabschnitte, weiter bevorzugt wenigstens sechs Beinabschnitte, besonders bevorzugt wenigstens acht Beinabschnitte, eingeführt werden. Insbesondere ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Beinabschnitte und die Nuten, bevorzugt unmittelbar, vor dem Schritt des Durchführens der Relativbewegung gerade in Axialrichtung verlaufen und erst während des Schritts des Durchführens der Relativbewegung die jeweilige Schrägung erhalten. Typischerweise sind die Beinabschnitte und der sie verbindende Verbindungsabschnitt einstückig ausgebildet.

Vorzugsweise umfasst der Statorkern eine Vielzahl axial geschichteter Statorkernelemente, beispielsweise scheibenförmige Statorbleche bzw. Einzelbleche. Der Statorkern ist insbesondere ein Blechpaket. Es wird bevorzugt, wenn die Statorkernelemente des Statorkerns drehfest miteinander verbunden sind. Die Statorkernelemente können stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen, bevorzugt Laser- schweißen, miteinander verbunden sein. Die Statorkernelemente weisen beispielsweise jeweils eine Dicke von 0,27 mm bis 0,5 mm auf. Die Statorkernelemente sind bevorzugt elektrisch gegeneinander isoliert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Schritt des Bereitstellens des Statorkerns insbesondere folgende Unterschritte umfassen: Bereitstellen einer Vielzahl von Statorkernelementen; Anordnen der Statorkernelemente derart, dass Durchgangsöffnungen der Statorkernelemente, welche die Nuten des Statorkerns ausbilden, die Schrägung aufweisen; und Verfügen der Statorkernelemente, sodass diese drehfest miteinander verbunden sind.

Im Rahmen des Anordnens der Statorkernelemente kann vorgesehen sein, dass diese mit einem die Schrägung ausbildenden Versatz zueinander axial geschichtet werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Statorkernelemente axial geschichtet aufeinander angeordnet werden, sodass die Durchgangsöffnungen der Statorkernelemente, welche die Nuten des Statorkerns ausbilden, sich gerade in Axialrichtung erstrecken. Dabei kann die Schrägung realisiert werden, indem die Durchgangsöffnungen kollektiv gegeneinander versetzt werden. Dazu ist es möglich, dass radial von innen ein Versatzwerkzeug, das sich axial entlang aller geschichteter Statorkernelemente erstreckt, in eine oder mehrere Nuten eingeführt und zum Erzeugen der Schrägung verschwenkt wird. Ein solches Versatzwerkzeug kann auch als Schwert bezeichnet werden.

Vorzugsweise ist die Schrägung der Nuten helixförmig. Die helixförmige bzw. schraubenförmige Schrägung zeichnet sich insbesondere durch eine konstante Ganghöhe und/oder einen entlang der Axialrichtung konstanten Schrägungswinkel aus.

Es wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner bevorzugt, wenn sich eine axiale Öffnung einer jeweiligen Nut an der ersten Stirnseite an einer Winkelposition in Umfangsrichtung befindet, an der sich eine axiale Öffnung einer unmittelbar be- nachbarten Nut an der zweiten Stirnseite befindet. Dadurch kann eine in elektromagnetischer Hinsicht und für die Reduktion der Rastmomente und der Drehmomenttripel besonders günstige Schrägung um eine Nutteilung realisiert werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Anordnung so viele Formleiter umfasst, dass die Beinabschnitte der Formleiter radial geschichtet alle Nuten des Statorkerns füllen, insbesondere vollständig ausfüllen. Eine solche Anordnung kann auch als Formleiter-Korb bezeichnet werden. Es wird mithin eine Anordnung bereitgestellt, deren Form leiter entsprechend einem vorgegebenen Wicklungsschema der Statorwicklung angeordnet sind und in einem Einführungsvorgang die Nuten vollständig ausfüllen oder soweit ausfüllen, dass lediglich einzelne zusätzliche Formleiter zum Anschließen der Statorwicklung, beispielsweise zum Ausbilden von Phasenanschlüssen und/oder zum Ausbilden von einem oder mehreren Sternpunktverbindern, einzuführen sind. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist das zügige Einbringen der Formleiter in den Statorkern.

Alternativ dazu kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass mehrere Anordnungen mit jeweils mehreren Formleitern bereitgestellt werden, die nacheinander in den Statorkern eingeführt werden, wobei die Beinabschnitte der Form leiter der mehreren Anordnungen radial geschichtet alle Nuten des Statorkerns füllen. Derartige Anordnungen können auch als Formleiter-Teilkörbe bezeichnet werden. Es werden mithin mehrere Anordnung bereitgestellt, deren Form leiter entsprechend einem vorgegebenen Wicklungsschema der Statorwicklung angeordnet sind und in mehreren Einführungsvorgängen die Nuten vollständig ausfüllen oder soweit ausfüllen, dass lediglich einzelne zusätzliche Formleiter zum Anschließen der Statorwicklung, beispielsweise zum Ausbilden von Phasenanschlüssen und/oder zum Ausbilden von einem oder mehreren Sternpunktverbindern, einzuführen sind. Dabei kann eine jeweilige Anordnung so viele Formleiter umfassen, dass die Beinabschnitte der Formleiter radial geschichtet Nuten des Statorkerns in einem Winkelbereich in Umfangsrichtung von höchstens 180°, bevorzugt höchstens 120°, besonders bevorzugt höchstens 90°, füllen. Insofern können die Beinabschnitte lediglich in der Umfangsrichtung einen Sektor der Nuten ausfüllen. Alternativ oder zusätzlich kann eine jeweilige Anordnung so viele Formleiter umfassen, dass die Beinabschnitte der Formleiter radialgeschichtet in den Nuten höchstens die Hälfte, bevorzugt höchstens ein Drittel, besonders bevorzugt höchstens ein Viertel, der radialen Erstreckung einer jeweiligen Nut füllen. Dementsprechend kann eine solche Anordnung nur einen Teil der für die Anordnung der Formleiter vorgesehenen Schichten in den Nuten füllen.

Grundsätzlich ist es möglich, dass sich die zuvor beschriebenen Anordnungen in Radialrichtung und/oder in Umfangsrichtung überlappen. Die Verwendung mehrerer Anordnungen ermöglicht es dabei, dass sich auch komplexe Statorwicklungen, die sich nur schwierig durch eine einzige Anordnung realisieren lassen, einfach handhaben lassen und dann modulartig in die Nuten eingeführt werden können.

Grundsätzlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, dass jede Anordnung genau einen Formleiter umfasst, sodass diese einzeln nacheinander die Nuten eingeführt werden können.

Es kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass der Statorkern mit elektrisch isolierenden Nutkästen, die in einer jeweiligen Nut des Statorkerns angeordnet sind, bereitgestellt wird. Alternativ kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine jeweilige Nut ein elektrische isolierender Nutkasten eingeführt werden. Unter einem Nutkasten ist insbesondere eine Vorrichtung zu verstehen, die sich über die gesamte axiale Erstreckung der Nut erstreckt und die Nut in Umfangsrichtung vollständig auskleidet, um das Innere der Nut gegen den Statorkern elektrisch zu isolieren. Typischerweise ist ein solcher Kasten aus Isolierpapier gebildet. Es wird bevorzugt, wenn das Material des Nutkastens so gewählt ist, dass es sich beim Einführen in die geschrägten Nuten an die Schrägung anschmiegt.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass vor dem Durchführen der Relativbewegung ein Führungswerkzeug auf der ersten Stirnseite des Statorkerns angeordnet wird oder ist, wobei ein jeweiliger Beinabschnitte beim Durchführen der Relativbewegung vor einem Erreichen der Nut am Führungswerkzeug anschlägt und derart gebogen wird, dass die Schrägung ausgebildet wird. Das Biegen der Beinabschnitte kann somit nicht unmittelbar am Statorkern selbst erfolgen, sondern kurz vor deren Erreichen der ersten Stirnseite, um eine Beschädigung der Beinabschnitte oder der Innenoberfläche der Nuten zu vermeiden. Das Führungswerkzeug weist insbesondere eine höhere mechanische Festigkeit als die Formleiter auf. So kann eine hinreichend hohe Festigkeit erzielt werden, um Biegekräfte während des Biegens aufzunehmen.

Vorzugsweise weist das Führungswerkzeug für jeden Beinabschnitt eine Oberfläche auf, an welcher der Beinabschnitt anschlägt und tangential gebogen wird. Alternativ oder Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Führungswerkzeug für jeden Beinabschnitt eine Oberfläche aufweist, an welcher der Beinabschnitt anschlägt und in Radialrichtung gebogen wird. Durch die jeweilige Oberfläche erhält der Beinabschnitt während des Einführens seine Biegung in Umfangs- bzw. Radialrichtung, um der Schrägung der Nuten passend zu folgen. Vorzugsweise ist die oder eine jeweilige Oberfläche oder das Führungswerkzeug aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet.

Die Oberflächen des Führungswerkzeugs sind vorzugweise verrundet und/oder glatter als Oberflächen des Statorkerns innerhalb der Nuten ausgebildet. Durch eine solche sehr glatte und verrundete Oberfläche können die Beinabschnitte leichter an den Oberflächen als am Statorkern entlanggleiten.

Es wird ferner bevorzugt, wenn die oder eine jeweilige Oberfläche gegenüber der Mittelachse stärker geneigt ist als ein Schrägungswinkel der Nuten. Dadurch kann ein Rückfedern der Beinabschnitte nach dem Biegen kompensiert werden, sodass die Beinabschnitte leicht in die Nuten einführbar sind.

Mit besonderem Vorteil kann ferner vorgesehen sein, dass das Führungswerkzeug aus einer Vielzahl von Segmenten ausgebildet ist, wobei sich die Segmente während des Biegens in einer radial eingerückten Stellung am Statorkern befinden können und zum Entfernen des Führungswerkzeugs radial nach außen ausgerückt werden können. Die Segmente können jeweils zwei radiale Vorsprünge aufweisen, wobei die Beinabschnitte von Nut zu Nut abwechselnd zwischen den Vorsprüngen eines der Segmente und zwischen einem jeweiligen Vorsprung zweier benachbarter Segmente durgeführt werden.

Um eine Beschädigung der Nutkästen zu vermeiden wird es besonders bevorzugt, wenn die Relativbewegung derart durchgeführt wird, dass freie Enden der Beinabschnitte die Nutkästen nicht berühren. Dazu können die Nutkästen mittels des Führungswerkzeugs fixiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise Formleiter verwendet, deren Verbindungsabschnitte derart gebogen sind, dass die Beinabschnitte des Formleiters einen Versatz um mehrere Nuten in Umfangsrichtung und/oder einen Versatz um eine oder mehrere Schichten in Radialrichtung realisieren. Das Bereitstellen der wenigstens einen Anordnung kann ein Biegen eines lang gestreckten elektrisch leitfähigen Stabes umfassen, sodass die zwei parallelen Beinabschnitte und/oder der Verbindungsabschnitt, der den Versatz in Umfangsrichtung und/oder Radialrichtung realisiert, ausgebildet werden.

Es ist ferner möglich, dass die Formleiter beim Bereitstellen der wenigstens einen Anordnung durch Rotationszugbiegen, beispielsweise mittels einer 3D-Biegevor- richtung, ausgebildet werden.

Im Anschluss an das Durchführen der Relativbewegung kann folgender weiterer Schritt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein: Biegen freier Enden eines jeweiligen Beinabschnitts an der zweiten Stirnseite, sodass die freien Enden unterschiedlicher Formleiter aneinander liegen. Zusätzlich kann folgender Schritt vorgesehen sein: Elektrisch leitfähiges Verbinden der aneinander liegenden freien Enden. Das Verbinden erfolgt vorzugsweise durch ein Fügeverfahren, insbesondere durch Schweißen, bevorzugt Laserschweißen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:

Fig. 1 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine Frontalansicht eines im Rahmen des Verfahrens verwendeten Statorkerns;

Fig. 3 eine Prinzipskizze eines im Rahmen des Verfahrens verwendeten Formleiters;

Fig. 4 eine Prinzipskizze einer Nut mit darin angeordneten Beinabschnitten der Formleiter;

Fig. 5 eine Prinzipskizze eines Einführungsvorgangs einer Anordnung von Formleitern in den Statorkern im Rahmen des Verfahrens;

Fig. 6 u. 7 jeweils eine perspektivische Darstellung eines im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Führungswerkzeugs; und

Fig. 8 eine Prinzipskizze eines Beispiels eines Fahrzeugs mit einem Beispiel einer elektrischen Maschine, welche einen durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Stator aufweist. Fig. 1 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines geschrägten Stators.

Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt S10, in dem ein Statorkern 1 , der insbesondere als Blechpaket ausgebildet ist, bereitgestellt wird.

Fig. 2 ist eine Frontalansicht des Statorkerns 1.

Der Statorkern 1 umfasst vorliegend exemplarisch 54 Nuten 2, die sich von einer ersten Stirnseite 3, die in Fig. 2 gezeigt ist, zu einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 4 (siehe Fig. 3) erstrecken. Die Nuten 2 weisen eine helixförmige Schrägung um eine Nutteilung auf. Dementsprechend befindet sich eine axiale Öffnung einer jeweiligen Nut 2 an der ersten Stirnseite 3 an einer Winkelposition in Umfangsrichtung, an der sich eine axiale Öffnung einer unmittelbar benachbarten Nut an der zweiten Stirnseite 4 (siehe Fig. 3) befindet.

Der Schritt S10 des Bereitstellens des Statorkerns 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel fünf Teilschritte S11 bis S15:

Im Unterschritt S11 wird eine Vielzahl von Statorkernelementen 5 bereitgestellt, die insbesondere jeweils als Einzelblech bzw. Statorblech, z.B. mit 0,27 mm bis 0,5 mm Dicke, ausgebildet sind und Durchgangsöffnungen zur Ausbildung der Nuten 2 aufweisen. In Fig. 2 ist dabei das axial äußerste Statorkernelement 5 zu sehen. Typischerweise werden die Statorkernelemente 5 durch Stanzen ausgebildet. Im anschließenden Unterschritt S12 werden die Statorkernelemente 5 axial geschichtet aufeinander angeordnet, sodass sich die Durchgangsöffnungen der Statorkernelemente 5 gerade in Axialrichtung erstrecken. Im anschließenden Unterschritt S13 wird die Schrägung des Statorkerns 1 erzeugt, indem die Durchgangsöffnungen kollektiv gegeneinander versetzt werden. Dazu wird ein Versatzwerkzeug, das sich entlang aller geschichteter Statorkernelemente 5 erstreckt, radial von innen in eine oder mehrere Nuten 2 eingeführt und zum Erzeugen der Schrägung verschwenkt. Im anschließenden Unterschritt S14 werden die Statorkernelemente 5 miteinander verfügt, sodass sie drehfest miteinander verbunden sind. Dazu werden mehrere axiale Schweißnähte auf der Außenseite des so bereitgestellten Statorkerns 1 erzeugt. Dies erfolgt bevorzugt durch Laserschweißen. Im Unterschritt S15 wird in jede Nut 2 ein elektrisch isolierender Nutkasten 6 (siehe Fig. 4) aus Isolierpapier eingebracht, der sich vollständig in Axialrichtung zwischen den Stirnseiten 3, 4 erstreckt und die Nut 2 in Umfangsrichtung vollständig auskleidet.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel wird auf den Schritt S13 verzichtet, wenn die Statorkernelemente 5 bereits mit dem die Schrägung ausbildenden Versatz zueinander axial geschichtet werden.

Fig. 3 ist eine Prinzipskizze eines im Rahmen des Verfahrens verwendeten Formleiters 7. Fig. 4 ist eine Prinzipskizze einer Nut 2 mit darin aufgenommenen Formleitern 7.

Der Formleiter 7 umfasst zwei gerade Beinabschnitte 8, die sich äquidistant erstrecken und einen Verbindungsabschnitt 9, der die Beinabschnitte 7 elektrisch leitend verbindet. Der Verbindungsabschnitt 8 ist dabei derart ausgebildet, dass die Beinabschnitte 7, wenn sie in die Nuten 2 eingeführt sind, in unterschiedlichen Nuten 2 und in unterschiedlichen radialen Schichten innerhalb einer jeweiligen Nut 2 angeordnet, insbesondere formschlüssig sind. Fig. 4 zeigt dazu, dass acht Beinabschnitte 8 in acht Schichten einer Nut 2, die vom Nutkasten 6 ausgekleidet ist, ca. 80 % der Querschnittsfläche der Nut 2 ausfüllen. Ersichtlich weisen die Beinabschnitte 8 einen abgerundet rechteckigen Querschnitt auf. Jeder Formleiter 7 ist dabei aus Kupfer gebildet, wobei die Beinabschnitte 8 einstückig mit dem Verbindungsabschnitt 9 ausgebildet sind.

Fig. 5 ist eine Prinzipskizze eines Einführungsvorgangs einer Anordnung 10 von Formleitern 7 in den Statorkern 1 im Rahmen des Verfahrens. In einem Schritt S20 des Verfahrens wird die Anordnung 10 aus einer Vielzahl von Formleitern 7 bereitgestellt, wobei die Beinabschnitte gerade sind und parallel zueinander ausgerichtet sind. Der Schritt S20 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel drei Unterschritte S21 bis S23:

Im Unterschritt S21 wird ein Stab aus Kupfer bereitgestellt. Dieser wird im Unterschritt S22 gebogen, sodass einerseits der Verbindungsabschnitt 9 ausgebildet wird und andererseits die Beinabschnitte 8, die gerade und parallel zueinander verlaufen ausgebildet werden. Dabei werden die Verbindungsabschnitte 9 so gebogen, dass die Beinabschnitte 8 des Formleiters 7 einen Versatz um mehrere Nuten in Umfangsrichtung und einen Versatz um eine oder mehrere Schichten in Radialrichtung realisieren. Das Ausbilden des Verbindungsabschnitts 9 erfolgt durch Rotationszugbiegen, beispielsweise mittels einer 3D-Biegevorrichtung.

Im Unterschritt S23 werden so viele Formleiter 7 zur Anordnung 10 in Form eines Formleiter-Korbes angeordnet, dass die Beinabschnitte der Formleiter radial geschichtet alle Nuten 2 des Statorkerns 1 vollständig ausfüllen oder nahezu ausfüllen. Bei der Anordnung 10 befinden sich alle Verbindungsabschnitte 9 an einem axialen Ende der Anordnung 10 und alle freien Enden der Beinabschnitte 8 am anderen axialen Ende der Anordnung 10.

Fig. 6 und Fig. 7 sind jeweils eine perspektivische Darstellung eines im Rahmen des Verfahrens verwendeten Führungswerkzeugs 11. Das Führungswerkzeug 11 ist aus einer Vielzahl von Segmenten 11 a gebildet, deren Anzahl der Hälfte der Nuten 2 des Statorkerns 1 entspricht. Die Segmente 11 a sind in Fig. 6 in einer eingerückten Stellung und in Fig. 7 in einer ausgerückten Stellung gezeigt. Jedes Segment 11 a weist zwei radiale Vorsprünge 11 b auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Führungswerkzeug 11 exemplarisch aus Stahl gebildet und weist eine höhere mechanische Festigkeit als die Formleiter 7 auf.

In einem Schritt S30 wird das Führungswerkzeug 11 auf der ersten Stirnseite 3 des Statorkerns 1 angeordnet. Dazu werden die Segmente 11 a in ihrer eingerückten Stellung so auf dem Statorkern 1 angeordnet, dass sich jede zweite Nut 2 zwischen den Vorsprüngen 11 b eines jeweiligen Segments 11 a und die übrigen Nuten 2 zwischen den Vorsprüngen 11 b zweier benachbarter Segmente 11 a befinden. Die das Führungswerkzeug 11 bzw. ein jeweiliges Segment 11a fixiert dabei die Nutkästen 6.

Wie Fig. 5 zu entnehmen ist, wird in einem Schritt S40 eine Relativbewegung in Axialrichtung zwischen dem Statorkern 1 und der Anordnung 10 durchgeführt. Dabei wird lediglich eine Linearbewegung in Axialrichtung der Anordnung 10 durchgeführt, wobei der Statorkern 1 unbewegt bleibt. Durch die Relativbewegung werden die Formleiter 7 in die Nuten 2 eingeführt. Dabei schlägt ein jeweiliger Beinabschnitt 8 an eine Oberfläche 12 (siehe Fig. 7) des Führungswerkzeugs 11 an und wird tangential gebogen. Eine jeweilige Oberfläche 12 ist dabei gegenüber der Mittelachse des Statorkerns 1 stärker geneigt als ein Schrägungswinkel der Nuten 2, sodass die Beinabschnitte 8 nach dem Biegen zurückfedern können. Die Oberflächen 12 sind zudem glatter als die Oberflächen des Statorkerns 1 innerhalb der Nuten 2 ausgebildet, damit die Beinabschnitte 8 leicht über die Oberflächen 12 gleiten können. Gegebenenfalls kann der Relativbewegung in Axialrichtung eine Relativbewegung in Umfangrichtung überlagert sein.

Die Relativbewegung wird durchgeführt, bis die freien Enden der Beinabschnitte 8 an der zweiten Stirnseite 4 aus dem Statorkern 1 herausragen. Die Relativbewegung erfolgt dabei derart, dass die freien Enden der Beinabschnitte 8 die Nutkästen 6 nicht berühren, um eine Beschädigung der Nutkästen 6 zu vermeiden. Dazu sind die Nutkästen 6 wie zuvor beschrieben durch das Führungswerkzeug 11 fixiert. Außerdem befindet sich die Oberfläche 12 axial weiter außen als die Nutkästen 6.

Im Rahmen weiterer Ausführungsbeispiele ist es möglich, dass während der Relativbewegung die Anordnung 10 unbewegt verbleibt und der Statorkern 1 in Axialrichtung bewegt wird. Weiter ist es möglich, dass während der Relativbewegung sowohl die Anordnung 10 als auch der Statorkern 1 bewegt werden. In einem anschließenden Schritt S50 wird das Führungswerkzeug 11 vom Statorkern 1 entfernt. Dazu werden die Segmente 11 a, wie in Fig. 7 gezeigt, radial nach außen ausgerückt.

In einem anschließenden Schritt S60 werden die freien Enden der Beinabschnitte 8 an der zweiten Stirnseite 4 so gebogen, dass freie Enden zweier unterschiedlicher Beinabschnitte aneinander liegen. In einem anschließenden Schritt S70 werden die aneinander liegenden freien Enden stoffschlüssig mittels Laserschweißens elektrisch leitend verbunden.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel werden im Schritt S20 mehrere Anordnungen 10 als Formleiter-Teilkörbe bereitgestellt bzw. im Unterschritt 23 angeordnet. Eine jeweilige Anordnung 10 umfasst dabei so viele Formleiter 7, dass deren Beinabschnitte radial geschichtet Nuten 2 es Statorkerns 1 in einem vorgegebenen Winkelbereich in Umfangsrichtung von höchstens Statorkernelemente 90° und/oder radial geschichtet in den Nuten 2 ein Viertel, der radialen Erstreckung einer jeweiligen Nut 2, füllen. Diese Anordnungen 10 werden nacheinander im Schritt S40 in die Nuten 2 eingeführt.

Fig. 8 ist eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs 100 mit einer elektrischen Maschine 101 , welche einen durch das zuvor beschriebene Verfahren erhaltenen Stator 103 aufweist.

Innerhalb des Stators 103 der elektrischen Maschine 101 , die vorliegend exemplarisch als permanenterregter Synchronmotor ausgebildet ist, ist ein ungeschrägter Rotor 102 drehbar bezüglich des Stators 103 gelagert. Erkennbar ist, dass sich an der ersten Stirnseite 3 des Statorkerns 1 ausschließlich Verbindungsabschnitte 9 der Formleiter 7 befinden und an der zweiten Stirnseite 4 des Statorkerns 1 ausschließlich die verschweißten freien Enden der Beinabschnitte 8 der Formleiter 7 befinden. Die elektrische Maschine 101 ist dazu eingerichtet, das Fahrzeug 100 anzutreiben. Dieses ist als teilweise oder vollständig elektrisch antreibbares Fahrzeug, beispielsweise als batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) oder als Hybridfahrzeug ausgebildet.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines geschrägten Stators (103), der eine Statorwicklung aus Formleitern (7) aufweist, aufweisend folgende Schritte:

Bereitstellen eines Statorkerns (1 ), der eine Vielzahl von Nuten (2) aufweist, die sich von einer ersten Stirnseite (3) des Statorkerns (1 ) zu einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite (4) des Statorkerns (1 ) erstrecken und eine Schrägung in Umfangsrichtung aufweisen,

Bereitstellen wenigstens einer Anordnung (10) mit wenigstens einem Formleiter

(7), der zwei zueinander parallele ausgerichtete gerade Beinabschnitte (8) und einen die zwei Beinabschnitte (8) verbindenden Verbindungsabschnitt (9) aufweist,

Einführen der Anordnung (10), deren Formleiter die geraden Beinabschnitte (8) aufweist, in den die geschrägten Nuten (2) aufweisenden Statorkern (1 ) an der ersten Stirnseite (3) mittels einer Relativbewegung in Axialrichtung zwischen dem Statorkern (1 ) und der Anordnung (10), wodurch die Beinabschnitte (8) des wenigstens einen Formleiters (7) infolge der Relativbewegung derart gebogen werden, dass der Verlauf der in den Startorkern (1 ) eingeführten Beinabschnitte

(8) eine der Schrägung der Nuten (2) entsprechenden Schrägung erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Schrägung der Nuten (2) helixförmig ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anordnung (10) so viele Formleiter (7) umfasst, dass die Beinabschnitte (8) der Formleiter (7) radial geschichtet alle Nuten (2) des Statorkerns (1 ) füllen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehrere Anordnungen (10) bereitgestellt werden, die nacheinander in den Statorkern eingeführt werden, wobei die Beinabschnitte (8) der Formleiter (7) der mehreren Anordnungen (10) radial geschichtet alle Nuten (2) des Statorkerns (1 ) füllen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine jeweilige Anordnung (10) so viele Formleiter (7) umfasst, dass die Beinabschnitte (8) der Formleiter (7)

- radial geschichtet Nuten (2) des Statorkerns (1 ) in einem Winkelbereich in Umfangsrichtung von höchstens 180°, bevorzugt höchstens 120°, besonders bevorzugt höchstens 90°, und/oder

- radial geschichtet in den Nuten (2) höchstens die Hälfte, bevorzugt höchstens ein Drittel, besonders bevorzugt höchstens ein Viertel, der radialen Erstreckung einer jeweiligen Nut (2), füllen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Durchführen der Relativbewegung ein Führungswerkzeug (11 ) auf der ersten Stirnseite (3) des Statorkerns (1 ) angeordnet wird oder ist, wobei ein jeweiliger Beinabschnitt (8) beim Durchführen der Relativbewegung vor einem Erreichen der Nut (2) am Führungswerkzeug (11 ) anschlägt und derart gebogen wird, dass die Schrägung ausgebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Führungswerkzeug (11 ) für jeden Beinabschnitt (8)

- eine Oberfläche (12), an welcher der Beinabschnitt (8) anschlägt und tangential gebogen wird, und/oder

- eine Oberfläche (13), an welcher der Beinabschnitt (8) anschlägt und in Radialrichtung gebogen wird, aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Führungswerkzeug (11 ) aus einer Vielzahl von Segmenten (11 a) ausgebildet ist wobei sich die Segmente während des Biegens in einer radial eingerückten Stellung am Statorkern (1 ) befinden und zum Entfernen des Führungswerkzeugs radial nach außen ausgerückt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 19

- der Statorkern (1 ) mit elektrisch isolierenden Nutkästen (6), die in einer jeweiligen Nut (2) des Statorkerns (1 ) angeordnet sind, bereitgestellt wird oder

- in eine jeweilige Nut (2) ein elektrisch isolierender Nutkasten (6) eingeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Relativbewegung derart durchgeführt wird, dass freie Enden der Beinabschnitte (8) die Nutkästen (6) nicht berühren.