WO2020064869A1 - Isoliereinheit für eine elektrische maschine - Google Patents

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WO2020064869A1
WO2020064869A1 PCT/EP2019/075923 EP2019075923W WO2020064869A1 WO 2020064869 A1 WO2020064869 A1 WO 2020064869A1 EP 2019075923 W EP2019075923 W EP 2019075923W WO 2020064869 A1 WO2020064869 A1 WO 2020064869A1
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hairpin
unit
openings
winding
electrical machine
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PCT/EP2019/075923
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English (en)
French (fr)
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Jochen Wittmann
Stefan Reuter
Christoph Wieder
Daniel Schmitt
Katja WILLACKER
Andre Grübel
Martin Heßdörfer
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • H02K2203/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the windings
    • H02K2203/09—Machines characterised by wiring elements other than wires, e.g. bus rings, for connecting the winding terminations

Definitions

  • the present invention relates to an insulating unit for an electrical machine with a winding of a plurality of shaped bars which pass through at least two grooves spaced in the circumferential direction and have contact points on one side of the electrical machine, which are connected to one another to form the winding.
  • Such windings are also referred to as hairpin windings or wave windings, only the term hairpin or hairpin windings being used in the following, which also includes shaft windings and the like in the sense of the application.
  • the object of the present invention is to provide an insulation of the hair pin ends which is simple and quick to produce and which represents a reliable insulation of the hair pin ends.
  • an insulation unit for an electrical machine with a hairpin winding having a plurality of connection pins for the electrical connection with a circuit and a plurality of welded Hairpin ends, which have contact pairs
  • the insulating unit having a base body, which has an insulating material and extends at least over part of the circumference of the hairpin winding, characterized in that the base body extends in the axial direction, through openings and that each opening is associated with a hairpin end or a connection pin.
  • a hairpin winding is formed from several hairpins or shaped rods which have contact points at their ends on the winding head. At the contact points in pairs are electrically connected to each other in order to produce the coils of the hairpin winding from the hairpins.
  • the contact points connected in pairs are referred to as hairpin ends and the respective individual contact points at the start and end of the respective coils are referred to as connection pins.
  • the connection pins are connected in an electrically conductive manner in order to connect them to the power electronics for controlling the electrical machine.
  • the insulation unit here has a base body which comprises an electrically insulating material.
  • Plastic is preferably used as the material, execution forms with other electrically insulating materials, such as rubber or other elastic materials or ceramic materials, are also possible.
  • the base body can be made in one piece or in multiple parts and extends at least over part of the circumference. Due to the design, the distances between the connection pins and the hairpin ends may be smaller, in particular in the area of the connection pins, or the distance from the hairpin ends to other electrically conductive components may be small at other points on the circumference, which is why insulation is necessary especially in these areas.
  • inventions are therefore possible in which it is sufficient that only a part of the circumference of the hairpin winding is covered by the insulating unit.
  • preferred embodiments have a base body that covers the entire circumference of the hairpin winding or the hairpin ends.
  • the base body viewed in the axial direction of the electrical machine, has openings which extend over the thickness of the base body and are thus continuous. Due to the through openings, the air can escape when the hairpin ends are encapsulated, as a result of which air pockets and the like can be reliably avoided.
  • each opening is assigned a hairpin end or a pair of contacts made of interconnected conductor elements or a connecting pin.
  • Embodiments of an insulation unit are characterized in that the base body has projections on its side facing away from the hairpin winding, which serve as spacers for a circuit arrangement.
  • projections are provided on the base body, by means of which a minimum distance between the end face of the base body with the openings and a neighboring component is ensured. This ensures that, even in the case of potting, for example after the circuit has been attached and connected, the openings continue to be continuous and potting compound can enter at the openings or air can escape.
  • Preferred embodiments of an insulating unit are characterized in that the projections are arranged evenly distributed over the circumference. The minimum distance over the entire circumference is ensured by an even distribution and symmetries can be used.
  • Isolation unit are characterized in that the projections are not arranged directly adjacent to an opening for a connecting pin. With a connection connected to a connection pin, a directly adjacent projection can lead to an undesirable shortening of the creepage distance for the insulation. Therefore, there is preferably none of the material of the base body directly surrounding an opening for a connecting pin Projection provided, but the projections are arranged between the opening for hairpin ends.
  • an insulating unit is characterized in that the projections are T-shaped. Due to the T-shape, reliable support can be ensured even with relatively few protrusions, and tilting can be avoided even with a system on a single protrusion. Furthermore, T-shaped projections can be arranged well between the openings.
  • Embodiments of an insulation unit are characterized in that at least one opening has a widening for receiving a temperature sensor.
  • a temperature sensor To monitor the temperature of the hairpin winding during operation, who uses the temperature sensors.
  • a temperature sensor In order to enable the most accurate measurement possible, a temperature sensor must be attached as close as possible, preferably touching, to a conductor element of the winding.
  • an expansion is provided in at least one continuous opening, as a result of which the clear width of the opening is increased in order to be able to record a temperature sensor in addition to the hairpin end or the connecting pin.
  • the temperature sensor is held securely and positioned for hairpin winding. Furthermore, the temperature sensor can be secured by the sealing compound at the same time as the hairpin end.
  • Embodiments of an insulation unit are preferably characterized in that the widening tapers along the axial extent of the opening in order to ensure that the temperature sensor bears against the hairpin winding. Due to the resulting wedge effect, the temperature sensor can be better positioned and an insertion that is too deep is avoided until the temperature sensor on the opposite side passes through.
  • Embodiments of an insulation unit are characterized in that the base body is constructed in several parts.
  • the base body can be designed as a one-piece ring body.
  • fertilization of the body from several sub-elements may be advantageous.
  • these sub-elements on their mutually facing contact surfaces connec tion means such as tongue and groove connections or other plug and / or Rastverbin connections, whereby the base body can be easily assembled into a structural unit.
  • Insulating units according to embodiments are characterized in that a cover plate is provided on the projections, or that the hairpin winding is closed from the ends of the openings facing away from it, or have a reduced clear width which is less than the cross section of a contact pair.
  • a cover plate is provided on the projections, or that the hairpin winding is closed from the ends of the openings facing away from it, or have a reduced clear width which is less than the cross section of a contact pair.
  • Another aspect of the invention is an electrical machine with a hairpin winding, which is characterized in that an insulation unit according to one of the described embodiments is provided.
  • the electrical machine thus has the properties described for the insulation unit, and good insulation of the hairpin ends and secure attachment of the insulation unit to the hairpin winding are ensured.
  • an electrical machine is characterized in that the openings are filled with a casting compound.
  • the thermal conductivity of the casting compound may be increased by appropriate admixture to the casting compound, whereby the cooling of the hairpin winding can be improved.
  • the invention is also a method for producing an electrical machine with an insulation unit according to the invention comprising providing the hairpin winding, positioning the insulation unit on the hairpin winding, the hairpin ends being positioned in the openings of the insulation unit, bringing one Potting compound into the openings from an axial direction, whereby the air escapes from the opposite end of the opening in the axial direction.
  • the winding is first provided, in particular the winding of the stator of an electrical machine, and a structure according to the invention can also be used for a rotor or rotor and stator of an electrical machine .
  • the insulation unit is positioned on the winding head of the hairpin winding in order to align the hairpin ends and the connection pins to the openings and the interconnection. Through the openings that are common, it is ensured that when the potting compound is introduced from one axial end of the openings, the air can escape from the opposite end of the opening and thus no air pockets occur. A uniform insulation of the hairpin ends is achieved.
  • Embodiments of the method are characterized in that a circuit is placed on the insulating unit and the connection pins are connected to the circuit in an electrically conductive manner. Through the connection, the coils of the hairpin winding can be supplied with current in order to operate the electrical machine.
  • Preferred embodiments of a method are characterized in that the potting compound is introduced after the connection has been put in place.
  • this can advantageously be potted together with the insulating unit. This has the advantage that an additional connection between the circuitry and the insulation unit takes place through a joint encapsulation and at the same time an insulation of the circuitry is generated.
  • the interconnection is preferably placed on projections which are provided on the isolating unit, as a result of which the interconnection is spaced apart from the isolating unit. This spacing prevents contact between the circuit and the contact pairs. Furthermore, the through openings remain accessible from both axial ends over the distance, which is why the casting compound can be brought in and the air can escape.
  • FIG 1 illustrates an embodiment of an isolation unit.
  • Fig. 2 shows a section through an embodiment in the installed state.
  • Fig. 3 shows an enlarged detail view of an embodiment of an Isolierein unit.
  • Fig. 4 shows an enlarged detail view of an embodiment of an Isolierein unit.
  • Fig. 1 shows an embodiment of an insulating unit (1) in a perspective view.
  • the insulating unit (1) comprises a base body (2) which has a multiplicity of openings (3).
  • the through-holes in the axial direction (3) are arranged in several of the layers of the winding of the electrical machine corresponding con centric diameter next to each other to receive a hairpin end (7) not shown in FIG. 1.
  • the embodiment shown is in the form of a circular ring which extends through 360 °.
  • designs as a full-surface disk are also possible, for example for rotor windings or if a simultaneous covering of the inner region is to be provided.
  • the openings (3) shown have for the most part a round cross section, but can also have rectangular or other polygonal cross sections. However, the cross-sectional area must be larger than the cross-section of a pair of interconnected hairpin ends (7). Only at the openings (3) for the passage of the connecting pins (6) can the cross section be made smaller, which must still be larger than the cross section of the connecting pins (6).
  • the openings (3) for the connection pins (6) are designed as rectangular openings (3) on the inner circumference.
  • the connection pins (6) can also be arranged on the outer circumference or on both circumferential surfaces and / or in the center.
  • the example shown in FIG. 1 has on its upper side facing away from the winding a plurality of projections (4) distributed over the circumference.
  • the projections (4) are T-shaped and are provided between the openings (3), for example to support an interconnection (8) following in the axial direction at a distance from the base body (2) and thus to form a gap between the components. So that especially for the connection pins (6) air gaps or space for insulating potting compound are preserved and creepage distances are avoided, the projections (4) are each in the circumferential direction between the openings for the connection pins (6) and in the opposite Randbe rich, here arranged in the outer peripheral region.
  • the outer peripheral surface of the base body (2) is provided in the example shown with optional elevations and grooves which, in addition to saving weight, also as positioning aids during assembly and / or as an anti-rotation device in the installed state, with corresponding counterparts on a housing (9 ), can be used.
  • FIG. 2 an upper portion of a stator with a winding head is shown in section.
  • the winding head here is that of a hairpin winding, in which a large number of shaped bars are arranged in pairs with their contact points and are connected to one another in an electrically conductive manner, as a result of which the hairpin ends (7) form.
  • the connections at the hairpin ends (7) result in the coils of the hairpin winding, which each have individual connection pins (6) on the coil ends, from the shaped rods.
  • the hairpin ends (7) are in the continuous Conventional openings (3) of the base body (2), the hairpin ends (7) ending within the openings (3) and thus not projecting over the base body (2).
  • the, also in openings (3) NEN connection pins (6) over the base body (2).
  • connection pins (6) are connected to a connection (8) placed on the insulation unit (1), with which the various connection pins (6) are connected with each other and with power electronics.
  • the circuit (8) is formed from a plurality of ring conductors (12) which are arranged adjacent to one another in the axial direction and are insulated from one another and which have contact points (13) projecting in the direction of the connection pins (6).
  • the contact points (13) are electrically conductively connected to the connection pins (6), preferably welded ver.
  • the circuit (8) rests on the axial projections (4) of the base body (2) of the insulating unit (1).
  • the projections (4) ensure that a free gap remains between the circuit (8) and the base body (2), through which air can escape from the openings (3) or a casting compound into the openings when a potting compound, not shown, is brought in (3) can flow. This ensures that there are no air pockets in the casting compound that can reduce the insulating effect.
  • the circuit (8) in the example shown also includes optional support arms (14) which are supported on the housing (9) of the electrical machine in order to improve the positioning of the circuit (8).
  • the circuit (8) can also be designed differently, for example with coaxial conductor sleeves.
  • Fig. 3 shows a portion of an insulating unit (1) according to an exemplary embodiment.
  • the openings (3) and partially a projection (4) can be seen on the top.
  • Round and rectangular openings (3) for receiving hairpin ends (7) are shown.
  • the openings (3) for the passage of the connection pins (6) have a widening (10) on their upper side. These openings (3) thus have a larger cross-section on the upper side, which decreases along the axial course of the opening (3).
  • the widening (10) enables a temperature sensor (1 1) to be accommodated in the opening (3) next to the connection pin (6). Due to the tapering cross-section, the temperature sensor (11) is prevented from being pushed through the opening (3) and is thus positioned. Due to a continuously tapering cross section, the tip of the temperature sensor (11) at the connection pin (6) is approximated in order to achieve the most precise measurements possible.
  • the widening (10) can also extend over the entire axial length of the opening (3) or instead of a continuous change in the cross section.
  • the insulation unit (1) can also only extend over a peripheral region of the hairpin winding in which the connection pins (6) are located.
  • simple insulation of the hairpin ends (7) without an insulation unit (1) may be sufficient in this area, since these may be sufficiently spaced from one another in the further course of the circumference.
  • the further circumference could, for example, be insulated with at least one further insulation unit.
  • Fig. 4 shows a portion of another embodiment, wherein the base body (2) is narrower in the radial direction.
  • an insulation unit (1) can only be used for the two layers, in the example shown, in which connection pins (6) are arranged.
  • This also enables a modular structure, in which an insulation unit (1) consists of a plurality of ring-shaped or ring-shaped segment-like insulation units with different diameters is put together.
  • grooves or corresponding elevations are preferably provided on the peripheral surfaces in order to enable a form-fitting interlocking.
  • the individual segments can be joined together using separate connecting means, such as screws, clips or adhesive, and the casting compound introduced in the further process can also serve as a connecting means.
  • connection pins (6) also shows openings (3) for connection pins (6) with an expansion (10) according to FIG. 3, a temperature sensor (11) being arranged on a connection pin (6).
  • a temperature sensor (11) being arranged on a connection pin (6).
  • any number of temperature sensors (1 1) can be provided on the hairpin winding.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isoliereinheit (1) für eine elektrische Maschine mit Hairpin-Wicklung, wobei die Hairpin-Wicklung eine Mehrzahl von Anschlusspins (6) für die elektrische Verbindung mit einer Verschaltung (8) sowie eine Vielzahl von verschweißten Hairpin-Enden (7), welche Kontaktpaare bilden. aufweist, wobei die Isoliereinheit (1) einen Grundkörper (2) aufweist, welcher einen isolierenden Werk- stoff aufweist und sich zumindest über einen Teil des Umfangs der Hairpin-Wicklung erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) in axialer Richtung erstreckende, durchgängige Öffnungen (3) aufweist, und dass jede Öffnung (3) einem Hairpin-Ende (7) oder einem Anschlusspin (6) zugeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer derartigen Isoliereinheit (1) sowie eine Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrischen Maschine.

Description

Isoliereinheit für eine elektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isoliereinheit für eine elektrische Maschine mit einer Wicklung aus mehrere Formstäben, die zumindest zwei in Umfangsrichtung beabstandete Nuten durchlaufen und auf einer Seite der elektrischen Maschine Kon taktstellen aufweisen, welche zur Bildung der Wicklung miteinander verbunden wer den. Derartige Wicklungen werden auch als Hairpin-Wicklung oder Wellenwicklung bezeichnet, wobei im Folgenden nur die Bezeichnung Hairpin beziehungsweise Hairpin-Wicklung verwendet wird, wobei hiermit im Sinne der Anmeldung auch Wel lenwicklungen und dergleichen umfasst sind.
Im Stand der Technik ist bekannt bei Wicklungen von elektrischen Maschinen, insbe sondere des Stators, nicht isolierte Bereiche mit einer isolierenden Vergussmasse abzudecken. Für Hairpin-Wicklungen ist bekannt, am Wickelkopf die nicht isolierten Hairpin-Enden, welche zur Bildung der Spulen miteinander verbunden sind, nach dem Verbinden durch eine Vergussmasse gegeneinander und gegen die Umgebung zu isolieren. Auch die Verwendung von geschlossenen Kappen, wie beispielsweise in JP 2000-209802 A, ist bekannt.
Probleme des Standes der Technik liegen in der Aufbringung und Verarbeitung der Vergussmasse, insbesondere hinsichtlich eines blasenfreien Verguss sowie der vom Spannungsniveau der elektrischen Maschine abhängig einzuhaltenden Luft- und Kriechstrecken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Isolierung der Hair pin-Enden, die einfach und schnell herzustellen ist sowie eine sichere Isolierung der Hairpin-Enden darstellt.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Isoliereinheit und einer elektrischen Maschine sowie einem Verfahren zu deren Herstellung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ist eine Isoliereinheit für eine elektrische Maschine mit Hairpin- Wicklung, wobei die Hairpin-Wicklung eine Mehrzahl von Anschlusspins für die elekt rische Verbindung mit einer Verschaltung sowie eine Vielzahl von verschweißten Hairpin-Enden, welche Kontaktpaare bilden aufweist, wobei die Isoliereinheit einen Grundkörper aufweist, welcher einen isolierenden Werkstoff aufweist und sich zu mindest über einen Teil des Umfangs der Hairpin-Wicklung erstreckt, dadurch ge kennzeichnet, dass der Grundkörper in axialer Richtung erstreckende, durchgängige Öffnungen aufweist, und dass jede Öffnung einem Hairpin-Ende oder einem An schlusspin zugeordnet ist.
Eine Hairpin-Wicklung wird aus mehreren Hairpins beziehungsweise Formstäben gebildet, die an ihren Enden am Wickelkopf Kontaktstellen aufweisen. An den Kon taktstellen werden jeweils paarweise miteinander elektrisch leitend verbunden um aus den Hairpins die Spulen der Hairpin-Wicklung herzustellen. Die paarweise mitei nander verbundenen Kontaktstellen werden als Hairpin-Enden bezeichnet und die jeweiligen einzelnen Kontaktstellen am Start und Ende der jeweiligen Spulen werden als Anschlusspins bezeichnet. Die Anschlusspins werden mit einer Verschaltung elektrisch leitend verbunden, um die mit der Leistungselektronik zu Steuerung der elektrischen Maschine zu verbinden.
Durch die Verwendung einer Isoliereinheit als eigenständiges Bauteil kann die Posi tionierung sowie die Handhabung deutlich vereinfacht werden. Die Isoliereinheit weist hierbei einen Grundkörper auf, der einen elektrisch isolierenden Werkstoff um fasst. Als Werkstoff wird bevorzugt Kunststoff verwendet, wobei auch Ausführungs formen mit anderen elektrisch isolierenden Werkstoffen, wie Kautschuk beziehungs weise weitere elastische Materialien oder auch keramische Materialien, möglich sind. Der Grundkörper kann einteilig oder auch mehrteilig ausgebildet sein und erstreckt sich zumindest über einen Teil des Umfangs. Bauartbedingt können insbesondere im Bereich der Anschlusspins die Abstände zwischen den Anschlusspins und Hairpin- Enden geringer sein oder auch an anderen Stellen des Umfangs der Abstand von Hairpin-Enden zu anderen elektrisch leitfähigen Bauteilen gering sein, weshalb vor allem in diesen Bereichen eine Isolierung notwendig ist. Abhängig von der Konstruk tion der elektrischen Maschine sind daher Ausführungsformen möglich, bei denen es ausreichend ist, dass durch die Isoliereinheit nur ein Teil des Umfangs der Hairpin- Wicklung abgedeckt wird. Bevorzugte Ausführungsformen weisen allerdings einen Grundkörper auf der den kompletten Umfang der Hairpin-Wicklung beziehungsweise der Hairpin-Enden abdeckt. Um die Hairpin-Enden gegeneinander zu isolieren, weist der Grundkörper, in axialer Richtung der elektrischen Maschine gesehen, Öffnungen auf, welche sich über die Dicke des Grundkörpers erstrecken und somit durchgängig sind. Aufgrund der durchgängigen Öffnungen kann bei einem Verguss der Hairpin-Enden die Luft ent weichen, wodurch Lufteinschlüsse und dergleichen sicher vermieden werden kön nen. Gleichzeitig wird durch das zwischen den Öffnungen vorhandene Material des Grundkörpers eine Isolierung der Hairpin-Enden zueinander, insbesondere hinsicht lich des Luftspalts zueinander, verbessert. Jede Öffnung ist hierbei einem Hairpin- Ende beziehungsweise einem Kontaktpaar aus miteinander verschweißten Lei terelementen oder einem Anschlusspin zugeordnet.
Ausführungsformen einer Isoliereinheit sind dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper an seiner der Hairpin-Wicklung abgewandten Seite Vorsprünge auf weist, welche als Abstandshalter für eine Verschaltungsanordnung dienen. Um zu verhindern, dass beispielsweise durch eine aufgesetzte Verschaltung oder andere Bauteile, Dämpfungselemente die durchgängigen Öffnungen verschlossen werden, sind am Grundkörper Vorsprünge vorgesehen, durch welche ein Mindestabstand zwischen der Stirnfläche des Grundkörpers mit den Öffnungen und einem benach barten Bauteil gewährleistet ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass auch bei einem Verguss nachdem zum Beispiel die Verschaltung aufgesetzt und verbunden wurde, weiterhin die Öffnungen durchgängig sind und an den Öffnungen Vergussmasse ein- treten beziehungsweise Luft entweichen kann.
Bevorzugte Ausführungsformen einer Isoliereinheit sind dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind. Durch eine gleichmäßige Verteilung wird der Mindestabstand über den kompletten Umfang sichergestellt und es können Symmetrien genutzt werden.
Isoliereinheit gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind dadurch ge kennzeichnet, dass die Vorsprünge nicht direkt benachbart zu einer Öffnung für ei nen Anschlusspin angeordnet sind. Bei einer mit einem Anschlusspin verbundenen Verschaltung kann ein direkt benachbarter Vorsprung zu einer unerwünschten Ver kürzung der Kriechstrecke für die Isolierung führen. Daher ist vorzugsweise am eine Öffnung für einen Anschlusspin direkt umgebenden Material des Grundkörpers kein Vorsprung vorgesehen, sondern die Vorsprünge sind zwischen Öffnung für Hairpin- Enden angeordnet.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen einer Isoliereinheit sind dadurch gekenn zeichnet, dass die Vorsprünge T-förmig ausgebildet sind. Aufgrund der T-Form kann auch bei relativ wenigen Vorsprünge eine zuverlässige Abstützung sichergestellt werden und selbst bei einer Anlage an einem einzelnen Vorsprung ein Verkippen vermieden werden. Des Weiteren lassen sich T-förmige Vorsprünge gut zwischen den Öffnungen anordnen.
Ausführungsformen einer Isoliereinheit sind dadurch gekennzeichnet, dass zumin dest eine Öffnung eine Aufweitung zur Aufnahme eines Temperatursensors aufweist. Zur Überwachung der Temperatur der Hairpin-Wicklung während des Betriebs wer den Temperatursensoren verwendet. Um eine möglichst genaue Messung zu ermög lichen, ist ein Temperatursensor möglichst nahe, vorzugsweise berührend an einem Leiterelement der Wicklung anzubringen. Hierfür ist bei zumindest einer durchgängi gen Öffnung eine Aufweitung vorgesehen, wodurch die lichte Weite der Öffnung ver größert wird, um neben dem Hairpin-Ende beziehungsweise dem Anschlusspin noch einen Temperatursensor aufnehmen zu können. Durch einen derartigen Aufbau ist der Temperatursensor sicher gehalten und zur Hairpin-Wicklung positioniert. Des Weiteren kann der Temperatursensor gleichzeitig mit dem Hairpin-Ende durch die Vergussmasse gesichert werden.
Vorzugsweise sind Ausführungsformen einer Isoliereinheit dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung sich entlang der axialen Erstreckung der Öffnung verjüngt, um ein Anliegen des Temperatursensors an der Hairpin-Wicklung sicherzustellen. Auf grund der hierdurch entstehenden Keilwirkung, kann der Temperatursensor besser positioniert werden und eine zu tiefes einschieben eventuell bis zu einem Durchtritt des Temperatursensors auf der Gegenseite wird vermieden.
Ausführungsformen einer Isoliereinheit sind dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper mehrteilig ausgebildet ist. Der Grundkörper kann als ein einteiliger Ringkörper ausgebildet werden. Zur Reduzierung der Größe der Einzelteile und um gegebenenfalls zum Teil gleiche Teilelemente über den Umfang verteilt oder bei ver schiedenen Modellen einer elektrischen Maschine zu verwenden, kann eine Ausbil- düng des Grundkörpers aus mehreren Teilelementen vorteilhaft sein. Insbesondere weisen diese Teilelemente an ihren einander zugewandten Kontaktflächen Verbin dungsmittel, wie Nut-Feder-Verbindungen oder andere Steck- und/oder Rastverbin dungen, auf, wodurch der Grundkörper leicht zu einer Baueinheit zusammengesetzt werden kann.
Isoliereinheiten gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass auf den Vorsprüngen eine Deckplatte vorgesehen ist, oder die der Hairpin-Wicklung ab gewandten Enden der Öffnungen geschlossen oder eine verringerte lichte Weite, welche geringer als der Querschnitt eines Kontaktpaars ist, aufweisen. Indem eine beispielsweise ringförmige Deckplatte vorgesehen wird, oder die lichte Weite der Öffnungen verringert wird, kann verhindert werden, dass die Hairpin-Enden durch den Grundkörper durchgeschoben werden, was die Isolierung verschlechtern kann und eventuell zu Problemen mit benachbarten Bauteilen führen kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine elektrische Maschine mit einer Hairpin- Wicklung, welche dadurch gekennzeichnet, dass eine Isoliereinheit gemäß einer der beschriebenen Ausführungsform vorgesehen ist. Somit weist die elektrische Maschi ne die zur Isoliereinheit beschriebenen Eigenschaften auf und es ist eine gute Isolie rung der Hairpin-Enden sowie eine sichere Befestigung der Isoliereinheit auf der Hairpin-Wicklung gewährleitstet.
Weitere Ausführungsformen einer elektrischen Maschine sind dadurch gekennzeich net, dass die Öffnungen mit einer Vergussmasse gefüllt sind. Wie bereits zur Isolie reinheit beschrieben, kann durch den Aufbau mit durchgängigen Öffnungen eine möglichst gute Isolierung erreicht werden, da eine Vergussmasse ohne Luftein schlüsse erzeugt wird. Durch entsprechende Beimischung zur Vergussmasse kann gegebenenfalls noch die Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse erhöht werden, wodurch die Kühlung der Hairpin-Wicklung verbessert werden kann.
Erfindungsgemäß ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Ma schine mit einer erfindungsgemäßen Isoliereinheit umfassend ein Bereitstellen der Hairpin-Wicklung, ein Positionieren der Isoliereinheit auf der Hairpin-Wicklung, wobei die Hairpin-Enden in den Öffnungen der Isoliereinheit positioniert werden, ein Ein bringen einer Vergussmasse in die Öffnungen von einer axialen Richtung aus, wobei die Luft aus dem in axialer Richtung gegenüberliegenden Ende der Öffnung ent weicht. Wie bereits oben zur Isoliereinheit beziehungsweise elektrischen Maschine ausgeführt, wird zunächst die Wicklung bereitgestellt, wobei es sich insbesondere um die Wicklung des Stators einer elektrischen Maschine handelt, wobei ein erfindungs gemäßer Aufbau auch für einen Rotor oder Rotor und Stator einer elektrischen Ma schine verwendet werden kann. Auf den Wicklungskopf der Hairpin-Wicklung wird die Isoliereinheit positioniert, um eine Ausrichtung der Hairpin-Enden sowie den An schlusspins zu den Öffnungen und der Verschaltung herzustellen. Durch die durch gängigen Öffnungen ist sichergestellt, dass beim Einbringen der Vergussmasse von einem axialen Ende der Öffnungen aus die Luft aus dem gegenüberliegenden Ende der Öffnung entweichen kann und somit keine Lufteinschlüsse entstehen. Es wird damit eine gleichmäßige Isolierung der Hairpin-Enden erreicht.
Ausführungsformen des Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass eine Ver schaltung auf der Isoliereinheit aufgesetzt wird und die Anschlusspins mit der Ver schaltung elektrisch leitend verbunden werden. Durch die Verschaltung können die Spulen der Hairpin-Wicklung mit Strom versorgt werden, um die elektrische Maschi ne zu betreiben.
Bevorzugte Ausführungsformen eines Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Vergussmasse nach dem Aufsetzen der Verschaltung vor genommen wird. Durch einen Verguss nach dem Aufsetzen der Verschaltung kann diese vorteilhafter Weise zusammen mit der Isoliereinheit vergossen werden. Dies weist den Vorteil auf, dass durch einen gemeinsamen Verguss eine zusätzliche Ver bindung zwischen Verschaltung und Isoliereinheit erfolgt und gleichzeitig eine Isolie rung der Verschaltung erzeugt wird.
Die Verschaltung wird dabei vorzugsweise auf Vorsprünge, welche an der Isolierein heit vorgesehen sind, aufgelegt, wodurch die Verschaltung zur Isoliereinheit beab- standet wird. Durch diese Beabstandung wird ein Kontakt zwischen der Verschaltung und den Kontaktpaaren vermieden. Des Weiteren bleiben über den Abstand die durchgängigen Öffnungen von beiden axialen Enden zugänglich, weshalb das Ein bringen der Vergussmasse sowie das Entweichen der Luft erfolgen kann. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Bauteile werden mit einheitlichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 stellt eine Ausführungsform einer Isoliereinheit dar.
Fig. 2 stellt einen Schnitt durch eine Ausführungsform im verbauten Zustand dar.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht einer Ausführungsform einer Isolierein heit.
Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Detailansicht einer Ausführungsform einer Isolierein heit.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Isoliereinheit (1 ) in einer perspektivischen Ansicht. Die Isoliereinheit (1 ) umfasst einen Grundkörper (2), der eine Vielzahl von Öffnungen (3) aufweist. Die in axialer Richtung durchgängigen Öffnungen (3) sind in mehreren der Lagen der Wicklung der elektrischen Maschine entsprechenden kon zentrischen Durchmessers nebeneinander angeordnet, um jeweils ein in Fig. 1 nicht dargestelltes Hairpin-Ende (7) aufzunehmen. Die gezeigte Ausführung ist in Form eines Kreisrings ausgeführt, der sich um 360° erstreckt. Alternativ sind auch Ausfüh rungen als vollflächige Scheibe möglich, beispielsweise für Rotorwicklungen oder falls eine gleichzeitige Abdeckung des Innenbereichs vorgesehen sein soll. Ebenso sind entsprechend Kreis- oder Ringsegmente, die sich nur über einen Teil des Um fangs erstrecken, möglich, wobei in diesen Fällen gegebenenfalls Teile der Hairpin- Enden nicht isoliert werden oder mehrere über den Umfang verteilte Isoliereinheiten (1 ) verwendet werden. Geteilte Ausführungen können insbesondere für elektrische Maschinen mit großen Durchmessern vorteilhaft sein.
Die dargestellten Öffnungen (3) weisen größtenteils einen runden Querschnitt auf, können allerdings auch rechteckig oder sonstige polygone Querschnitte aufweisen. Die Querschnittsfläche muss hierbei jedoch größer als der Querschnitt eines Paars von miteinander verbundenen Hairpin-Enden (7) sein. Einzig bei den Öffnungen (3) für den Durchtritt der Anschlusspins (6) kann der Querschnitt kleiner ausgeführt wer den, wobei dieser weiterhin größer als der Querschnitt des Anschlusspins (6) sein muss.
Die Öffnungen (3) für die Anschlusspins (6) sind im gezeigten Beispiel am inneren Umfang als rechteckige Öffnungen (3) ausgeführt. Abhängig von der Wicklung kön nen die Anschlusspins (6) auch am äußeren Umfang oder an beiden Umfangsflächen und/oder mittig angeordnet sein.
Des Weiteren weist das in Fig. 1 dargestellte Beispiel an seiner der Wicklung abge wandten Oberseite eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Vorsprüngen (4) auf. Die Vorsprünge (4) sind T-förmig ausgeführt, und zwischen den Öffnungen (3) vorgesehen, um beispielsweise eine in axialer Richtung folgende Verschaltung (8) mit einem Abstand zum Grundkörper (2) abzustützen und somit einen Spalt zwischen den Bauteilen auszubilden. Damit vor allem für die Anschlusspins (6) Luftspalte be ziehungsweise Platz für isolierende Vergussmasse erhalten bleiben und Kriechstre cken vermieden werden, sind die Vorsprünge (4) jeweils in Umfangsrichtung zwi schen den Öffnungen für die Anschlusspins (6) und im gegenüberliegenden Randbe reich, hier im äußeren Umfangsbereich angeordnet.
Die äußere Umfangsfläche des Grundkörpers (2) ist im gezeigten Beispiel mit optio nalen Erhebungen und Nuten versehen, welche neben einer Gewichtsersparnis ebenfalls als Positionierhilfen bei der Montage und/oder als eine Verdreh-Sicherung im verbauten Zustand, mit entsprechenden Gegenstücke an einem Gehäuse (9), verwendet werden können.
In Fig. 2 ist ein oberer Teilbereich eines Stators mit Wicklungskopf im Schnitt gezeigt. Der Wicklungskopf ist hierbei der einer Hairpin-Wicklung, bei der eine Vielzahl von Formstäben mit ihren Kontaktstellen entsprechend paarweise angeordnet und elektrisch leitend miteinander verbunden werden, wodurch sich die Hairpin-Enden (7) ausbilden. Durch die Verbindungen an den Hairpin-Enden (7) entstehen aus den Formstäben die Spulen der Hairpin-Wicklung, welche jeweils an den Spulenenden einzelnen Anschlusspins (6) aufweisen. Die Hairpin-Enden (7) sind in den durchgän- gigen Öffnungen (3) des Grundkörpers (2) aufgenommen, wobei die Hairpin-Enden (7) innerhalb der Öffnungen (3) enden und somit nicht über den Grundkörper (2) vor stehen. Im Gegensatz hierzu stehen die, ebenfalls in Öffnungen (3) aufgenomme nen, Anschlusspins (6) über den Grundkörper (2) über.
Die Anschlusspins (6) sind mit einer auf die Isoliereinheit (1 ) aufgesetzten Verschal tung (8) verbunden, mit der die verschiedenen Anschlusspins (6) entsprechend mit einander und mit einer Leistungselektronik verschalten sind. Im dargestellten Beispiel ist die Verschaltung (8) aus mehreren in axialer Richtung benachbart angeordneten sowie gegeneinander isolierten Ringleiter (12) gebildet, welche in Richtung der An schlusspins (6) vorstehende Kontaktstellen (13) aufweisen. Die Kontaktstellen (13) sind mit den Anschlusspins (6) elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise ver schweißt.
Die Verschaltung (8) liegt auf den axialen Vorsprüngen (4) des Grundkörpers (2) der Isoliereinheit (1 ) auf. Durch die Vorsprünge (4) ist sichergestellt, dass zwischen Ver schaltung (8) und Grundkörper (2) ein freier Spalt verbleibt, durch welchen beim Ein bringen einer nicht dargestellten Vergussmasse, Luft aus den Öffnungen (3) entwei chen beziehungsweise Vergussmasse in die Öffnungen (3) einfließen kann. Somit ist gewährleistet, dass in der Vergussmasse keine Lufteinschlüsse entstehen, welche die Isolierwirkung verringern können.
Die Verschaltung (8) umfasst im dargestellten Beispiel zusätzlich optionale Stützar me (14), welche sich am Gehäuse (9) der elektrischen Maschine abstützen, um eine Positionierung der Verschaltung (8) zu verbessern.
Die Verschaltung (8) kann abhängig von der Konstruktion der elektrischen Maschine auch anders, beispielsweise mit koaxial angeordneten Leiterhülsen, ausgeführt sein.
Fig. 3 zeigt einen Teilbereich einer Isoliereinheit (1 ) gemäß einem Ausführungsbei spiel. Hierbei sind in der Darstellung im Grundkörper (2) die Öffnungen (3) und teil weise ein Vorsprung (4) an der Oberseite erkennbar. Es sind runde sowie rechtecki ge Öffnungen (3) für die Aufnahme von Hairpin-Enden (7) gezeigt. Weiter sind Öff- nungen (3) gezeigt, durch welche die Anschlusspins (6) durch den Grundkörper (2) durchtreten, um mit den Kontaktstellen (13) der Verschaltung (8) elektrisch leitend verbunden zu werden.
Die Öffnungen (3) für den Durchtritt der Anschlusspins (6) weisen an ihrer Oberseite eine Aufweitung (10) auf. Somit weisen diese Öffnungen (3) an der Oberseite einen größeren Querschnitt auf, welcher sich entlang des axialen Verlaufs der Öffnung (3) verringert. Die Aufweitung (10) ermöglicht, einen Temperatursensor (1 1 ) neben den Anschlusspin (6) in die Öffnung (3) aufzunehmen. Aufgrund des sich verjüngenden Querschnitts wird verhindert, dass der Temperatursensor (1 1 ) durch die Öffnung (3) durchgeschoben wird und wird somit positioniert. Durch einen sich kontinuierlich ver jüngenden Querschnitt wird gleichzeitig die Spitze des Temperatursensors (11 ) an dem Anschlusspin (6) angenähert, um möglichst präzise Messungen zu erreichen. Alternativ kann sich die Aufweitung (10) auch über die gesamte axiale Länge der Öffnung (3) erstrecken oder anstelle einer kontinuierlichen eine sprunghafte Ände rung des Querschnitts aufweisen.
Die Isoliereinheit (1 ) kann sich entgegen zum Beispiel der Fig. 1 auch nur über einen Umfangsbereich der Hairpin-Wicklung, in dem sich die Anschlusspins (6) befinden, erstrecken. Abhängig von der konstruktiven Auslegung der elektrischen Maschine kann eine einfache Isolierung der Hairpin-Enden (7) ohne Isoliereinheit (1 ) in diesem Bereich ausreichend sein, da im weiteren Umfangsverlauf diese ausreichend vonei nander beabstandet sein können. Alternativ könnte der weitere Umfang zum Beispiel mit zumindest einer weiteren Isoliereinheit isoliert werden.
Fig. 4 zeigt einen Teilbereich eines weiteren Ausführungsbeispiels, wobei der Grund körper (2) in radialer Richtung schmäler ausgebildet ist.
Derartige Ausführungsformen können neben Hairpin-Wicklungen mit entsprechend geringer Anzahl von Lagen auch dafür genutzt werden, nur einen Teil in radialer Richtung abzudecken. So kann beispielweise eine Isoliereinheit (1 ) nur für die, im gezeigten Beispiel beiden inneren, Lagen in denen Anschlusspins (6) angeordnet sind, verwendet werden. Auch kann hierdurch ein modularer Aufbau ermöglicht wer den, bei dem eine Isoliereinheit (1 ) aus mehrere ringförmige beziehungsweise ring- segmentartige Isoliereinheiten mit unterschiedlichen Durchmessern zusammenge setzt wird. Um bei einem derartigen modularen Aufbau die einzelnen Segmente bes ser zueinander positionieren zu können, sind an den Umfangsflächen vorzugsweise Nuten oder entsprechende Erhebungen vorgesehen, um ein formschlüssiges inei- nandergreifen zu ermöglichen. Die einzelnen Segmente können über gesonderte Verbindungsmittel, wie Schrauben, Klammern oder Klebstoff, miteinander gefügt werden, wobei auch die im weiteren Prozess eingebrachte Vergussmasse als Ver bindungsmittel dienen kann.
In Fig. 4 sind ebenfalls Öffnungen (3) für Anschlusspins (6) mit einer Aufweitung (10) gemäß Fig. 3 gezeigt, wobei an einem Anschlusspin (6) ein Temperatursensor (1 1 ) angeordnet ist. Abhängig von der Konstruktion, Redundanz, Kosten und dergleichen kann eine beliebige Anzahl an Temperatursensoren (1 1 ) an der Hairpin-Wicklung vorgesehen werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungen eingeschränkt. Es kön nen wie oben ausgeführt, auch nur einzelne vorteilhafte Merkmale vorgesehen wer den beziehungsweise verschiedene Merkmale unterschiedlicher Beispiele miteinan der kombiniert werden.
Bezuqszeichen Isoliereinheit
Grundkörper
Öffnungen
Vorsprung
Stator mit Wicklungskopf
Anschlusspin
Hairpin-Ende
Verschaltung
Gehäuse
Aufweitung
Temperatursensor
Ringleiter
Kontaktstelle
Stützarm

Claims

Patentansprüche
1. Isoliereinheit (1 ) für eine elektrische Maschine mit Hairpin-Wicklung, wobei die Hairpin-Wicklung eine Mehrzahl von Anschlusspins (6) für die elektrische Verbin dung mit einer Verschaltung (8) sowie eine Vielzahl von verschweißten Hairpin- Enden (7), welche Kontaktpaare bilden aufweist, wobei die Isoliereinheit (1 ) ei nen Grundkörper (2) aufweist, welcher einen isolierenden Werkstoff aufweist und sich zumindest über einen Teil des Umfangs der Hairpin-Wicklung erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) in axialer Richtung erstre ckende, durchgängige Öffnungen (3) aufweist, und dass jede Öffnung (3) einem Hairpin-Ende (7) oder einem Anschlusspin (6) zugeordnet ist.
2. Isoliereinheit (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkör per (2) an seiner der Hairpin-Wicklung abgewandten Seite Vorsprünge (4) auf weist, welche als Abstandshalter für die Verschaltung (8) dienen.
3. Isoliereinheit (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprün ge (4) gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind.
4. Isoliereinheit (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge nicht direkt benachbart zu einer Öffnung (3) für einen Anschlusspin (6) angeordnet sind.
5. Isoliereinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (4) T-förmig ausgebildet sind.
6. Isoliereinheit (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zumindest eine Öffnung (3) eine Aufweitung (10) zur Aufnahme eines Temperatursensors (1 1 ) aufweist.
7. Isoliereinheit (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung (10) sich entlang der axialen Erstreckung der Öffnung (3) verjüngt, um ein Anlie gen des Temperatursensors (1 1 ) an der Hairpin-Wicklung sicherzustellen.
8. Isoliereinheit (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Grundkörper (2) mehrteilig ausgebildet ist.
9. Isoliereinheit (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass auf den Vorsprüngen (4) eine Deckplatte vorgesehen ist, oder die der Hairpin-Wicklung abgewandten Enden der Öffnungen (3) geschlossen oder eine verringerte lichte Weite, welche geringer als der Querschnitt eines Kontakt paars ist, aufweisen.
10. Elektrische Maschine mit einer Hairpin-Wicklung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isoliereinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen ist.
1 1. Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Öff nungen (3) mit einer Vergussmasse gefüllt sind.
12. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprü che 10 oder 1 1 mit einer Isoliereinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 um fassend ein Bereitstellen der Hairpin-Wicklung, ein Positionieren der Isoliereinheit (1 ) auf der Hairpin-Wicklung, wobei die Hairpin-Enden (7) in den Öffnungen (3) der Isoliereinheit (1 ) positioniert werden, ein Einbringen einer Vergussmasse in die Öffnungen (3) von einer axiale Richtung aus, wobei die Luft aus dem in axia ler Richtung gegenüberliegenden Ende der Öffnung (3) entweicht.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschaltung (8) auf der Isoliereinheit (1 ) aufgesetzt wird und die Anschlusspins (6) mit der Verschaltung (8) elektrisch leitend verbunden werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Vergussmasse nach dem Aufsetzen der Verschaltung (8) vorgenommen wird.
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