WO2021124021A1 - Verfahren zum bewickeln eines stators eines bürstenlosen gleichstrommotors - Google Patents

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WO2021124021A1
WO2021124021A1 PCT/IB2020/061670 IB2020061670W WO2021124021A1 WO 2021124021 A1 WO2021124021 A1 WO 2021124021A1 IB 2020061670 W IB2020061670 W IB 2020061670W WO 2021124021 A1 WO2021124021 A1 WO 2021124021A1
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WO
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winding
stator
pairs
wound
wire
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PCT/IB2020/061670
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Schmid
Thomas KÜBLER
Original Assignee
Nidec Corporation
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Publication date
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Priority to US17/787,005 priority patent/US20230034199A1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/08—Forming windings by laying conductors into or around core parts
    • H02K15/095—Forming windings by laying conductors into or around core parts by laying conductors around salient poles

Definitions

  • the present invention relates to a method for winding a stator of a brushless DC motor with the features of the preamble of claim 1, a stator for a brushless DC motor with the features of the preamble of claim 5, and a method for manufacturing an electric motor with the features of the preamble of claim 5 Claim 6.
  • Brushless DC motors of the type relevant here are referred to as internal rotors and have a rotor which is connected to a motor shaft and is rotatably mounted in a housing.
  • the rotor is provided with permanent magnets.
  • a stator is arranged around the motor and carries a number of windings on an iron core. When properly controlled, the windings generate a magnetic field that drives the rotor to rotate.
  • the windings are usually wound in three phases and are accordingly provided with three electrical connections via which the windings can be connected to a control unit (ECU).
  • ECU control unit
  • the axis of rotation of the motor is assumed as the central axis and axis of symmetry.
  • the stator is arranged concentrically with the axis of rotation and the rotor.
  • the axis of rotation also defines an axial direction.
  • a radial direction is used with respect to the central axis, which indicates the distance from the central axis, and a circumferential direction, which is distinguished tangentially to a certain arranged in the radial direction radius.
  • the object of the present invention is to provide a method for winding a stator of a brushless direct current motor, which represents an optimization of quality by reducing the risk of an electrical short circuit between the phases and which allows the axial extension of the stator core and thus also the overall height of the electric motor in the axial direction to reduce.
  • This object is achieved by a method for winding a stator of a brushless DC motor with the features of claim 1, a stator for a brushless DC motor with the features of claim 5, and a method for producing an electric motor with the features of claim 6.
  • a method for winding a stator of a multiphase brushless DC motor having uniformly spaced stator teeth that protrude inward from a stator core and leave a cylindrical inner area free, and the are wound in pairs with a winding wire to form a winding pair, and each winding pair is wound with the following steps:
  • the winding pairs are designed to be supplied with current in such a way that the direction of the current flow is reversed through opposing winding pairs in the circumferential direction, so that a north pole and a south pole are opposite each other in the circumferential direction in the stator.
  • the first direction and the corresponding winding directions are the same for each winding pair.
  • the winding scheme has the advantage that the winding of each pair of teeth is the same and thus different components can be avoided, which in turn saves costs. Furthermore, the risk of an electrical short circuit between the phases is significantly reduced since the wires do not cross over.
  • each pair of windings is wound with a single winding wire.
  • at least two winding pairs are wound with a single winding wire to form a coil chain.
  • the stator has six pairs of windings.
  • a stator for a brushless DC motor is provided with a stator core and stator teeth that are uniformly spaced in the circumferential direction and protrude inwards from the stator core and leave a cylindrical inner area free, the stator teeth in pairs a winding wire are wound to form a winding pair according to the method described above.
  • This has the great advantage that the winding process can be wound with a single winding scheme.
  • a six-spindle winding machine can be used.
  • a method for producing a multiphase brushless DC motor comprising a stator and an internal rotor, the stator having evenly spaced stator teeth which protrude inward from a stator core and leave a cylindrical inner area free, and which are paired with a winding wire to form a winding pair are wound, and each winding pair is wound with the following steps:
  • the first direction and the corresponding winding directions are the same for each winding pair.
  • the winding scheme has the advantage that the winding of each pair of teeth is the same, thus avoiding different components which in turn saves costs. Because the winding process comprises a single winding scheme, z. B. a six-spindle winding machine can be used. Furthermore, the risk of an electrical short circuit between the phases is significantly reduced since the wires do not cross over.
  • each pair of windings is wound with a single winding wire.
  • at least two winding pairs are wound with a single winding wire to form a coil chain.
  • the stator has six pairs of windings. In this case it is advantageous if the winding wire ends to be interconnected extend over a circular sector of approximately 150 ° to form a phase.
  • the contacting device can be a busbar unit. Contacting via busbars can therefore be much more compact.
  • the internal rotor is preferably 10-pole.
  • the electric motor is three-phase.
  • FIG. 2 a further schematic illustration of the wound stator in FIG.
  • FIG. 3 a schematic representation of the stator from FIG. 2 with
  • FIG. 4 a schematic illustration of the power source connections of the three busbars shown in FIG. 3, as well as Fig. 5: a longitudinal section through a shown schematically
  • FIG. 1 schematically shows a stator 1 of a brushless direct current motor which surrounds a rotor 2.
  • the stator 1 has 12 stator slots and thus 12 stator teeth Z that are spaced apart from one another.
  • the rotor 2 has 10 poles.
  • a three-phase electric motor is to be implemented in which the three phase phases of the stator winding are in the form of a delta connection.
  • Figure 1 shows an example of the winding scheme for four teeth ZI, Z2, Z3 and Z4. In the clockwise direction, two immediately successive stator teeth Z1, Z2 are wound one after the other, starting from a wire beginning 3, forming two coils. In other words, two stator teeth Z1, Z2 separated by a single groove are wound one after the other in one work step.
  • the winding scheme is shown schematically.
  • the arrows indicate the winding direction.
  • the winding wire is wound counterclockwise onto the first stator tooth ZI. If this first stator tooth ZI is wound, the winding wire is led to the second stator tooth Z2 following in a clockwise direction and wound there around the second stator tooth Z2 in a clockwise direction.
  • the first tooth Z3 is wound counterclockwise and the tooth Z4 following clockwise in the circumferential direction is wound clockwise.
  • the necessary reversal of the magnetic poles is achieved by an inverted electrical connection, i.e. H. the winding pairs lying opposite in the circumferential direction are energized in such a way that the current flows in opposite directions.
  • the coils of the other phases are designed with the same winding scheme.
  • the wrapping thus takes place for each pair of teeth Z1, Z2 and Z3, Z4 according to the same scheme. It is also conceivable that a coil chain is wound, ie tooth pairs are wound one after the other without interruption with alternating winding direction between adjacent teeth.
  • the winding scheme has the advantage that the winding of each pair of teeth is the same and thus different components can be avoided, which in turn saves costs. Furthermore, the risk of an electrical short circuit between the phases is significantly reduced since the wires do not cross over.
  • the wire ends to be interconnected are at an angle of approximately 150 °, which means that a busbar unit can be designed in only two layers instead of three layers and thus has a significantly more compact structure.
  • the fully wound stator 1 is shown in FIG.
  • the stator 1 of the electric motor consists of an iron core and has three phase windings 5 composed of several coils 4 on the poles to form a four-pole motor, the coils 4 being wound on the respective poles.
  • the stator teeth Z extend inward from the iron core and leave a cylindrical inner area free, within which the rotor of the motor, not shown, rotates during operation.
  • the three phases U, V, W are formed by interconnected winding pairs 6, so that two parallel current paths are created in a delta connection.
  • a first coil of each winding pair 6 is formed by winding a tooth in a counterclockwise direction.
  • the winding wire ends 7 of the winding pairs 6 are electrically contacted towards the center of the stator.
  • the winding of all six winding pairs 6 takes place according to the same scheme.
  • the necessary reversal of the magnetic pole between two pairs of windings 6 of a phase U, V, W is achieved by an inverted electrical connection and a reversal of the direction of the current flow.
  • the wire ends 7 to be interconnected with one another are thus at an angle of approximately 150 °.
  • the respective contacts of a phase are distributed over a range of approximately 210 °.
  • FIG. 3 schematically shows a busbar unit 8 of the stator 1 shown in FIG. 1 in a view from above.
  • the busbar unit 8 comprises a busbar holder (not shown) and three busbars 9, 10, 11 mounted on the busbar holder.
  • the Busbars 9, 10, 11 are made of an electrically conductive material, preferably metal, in particular copper.
  • the busbar holder consists at least partially or completely of an electrically insulating material, so that short circuits between the busbars 9, 10, 11 can be effectively prevented.
  • the busbar holder is preferably produced by injection molding and extends over part of the busbars 9, 10, 11. In this way, a firm and well-defined physical connection can be provided between the busbar holder and the busbars 9, 10, 11.
  • the busbar holder is designed to be positioned on an axial side of the stator (top side).
  • the busbar unit 8 is set up to make electrical contact with the coils 4 of the stator 1 by means of the busbars 9, 10, 11.
  • the coils 4 are grouped into the three phase groups U, V, W.
  • Four winding wire end sections 7 each contact a busbar.
  • the busbar of a phase extends over a range of 210 °.
  • Each of the busbars 9,10,11 has one
  • Power source connection terminal 12,13,14 which is configured to electrically connect the busbar 9,10,11 to a line source.
  • the busbars 9, 10, 11 are each arranged with a base section 9 ', 10', 11 'along the circumference with a fixed radius.
  • the base sections 9 ', 10', 11 ' are shaped like segments of a ring.
  • busbars 9, 10, 11 appear to lie on different radii in order to show the arrangement of the busbars 9, 10, 11 on different levels. This arrangement of the busbars 9, 10, 11 is described below.
  • a first busbar 9 extends over an area of approximately 210 ° with its base section 9 'along the circumference. This first busbar is in a first level El. At one end of the base section 9 'it has the connection 12 for the power source. Starting from the power source connection terminal 12, the base section 9 ′ extends in a clockwise direction.
  • a second busbar 10 extends with her Base section 10 'also over an area of approximately 210 ° along the circumference with the same radius as the first busbar. The second busbar lies in a second level E2. At one end of the base section 10 ', it has the connection 13 for the power source. Starting from the power source connection terminal 13, the base portion 10 'extends counterclockwise.
  • the two busbars 9, 10 are arranged in an overlapping manner at their ends remote from the power source in plan view.
  • the two planes E1 and E2 are selected in such a way that although the ends lie one above the other in the axial direction, they do not touch and are electrically isolated from one another.
  • the two busbars have a spacing a in the axial direction.
  • the third bus bar 11 has a
  • Power source connection terminal 14 which is located in the circumferential direction between the terminals 12,13 of the first and second busbars 9,10. All three connections 12, 13, 14 are in close proximity to one another.
  • the third busbar 11 extends in a first area 11 ′′ in the direction of the first busbar 9 on the second level E2 and in a second area 11 ′ ′′ in the direction of the second busbar 10 on the first level El.
  • the third busbar 11 is thus arranged in plan view in the first area 11 ′′ overlapping with the first busbar 9 and in the second area 11 ′ ′′ overlapping with the second busbar 10.
  • Each of the areas 11 ′′, 11 ′ ′′ extends over approximately 105 ° in the manner of a ring segment.
  • FIGS. 4 and 5 show the arrangement of the busbars 9, 10, 11 in the axial direction 100.
  • the third busbar 11 changes plane on half of the base section 11 '.
  • the base section of the third busbar is thus divided between the two areas 11 ′′, 11 ′ ′′.
  • the third busbar 11 thus has a shoulder 15 in the base section 11 ′.
  • the power source connection terminal 12 of the first busbar 9 lies in the first plane El
  • the connection 13 for the power source of the second busbar 10 lies in the second plane E2
  • the power source connection terminal 14 of the third busbar 11 lies in the axial direction between the two planes E1, E2.
  • the three Busbars 9, 10, 11 are distributed over only two levels E1, E2.
  • FIG. 5 shows schematically an electric motor 16 with a stator 1, which carries the busbar unit 8 on its end face.
  • the busbars 10, 11 are in two different levels E1, E2.
  • the third busbar 11 is contacted with a winding wire end section 7 of the associated coil.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewickeln eines Stators (1) eines mehrphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors, wobei der Stator (1) gleichmäßig beabstandete Statorzähne (Z) aufweist, die ausgehend von einem Statorkern nach innen ragen und einen zylinderförmigen Innenbereich freilassen, und die paarweise mit einem Wicklungsdraht zur Ausbildung eines Wicklungspaares (6) bewickelt werden, wobei die Bewicklung jedes Wicklungspaares (6) mit folgenden Schritten erfolgt: - Ausgehend von einem Drahtanfang (3) eines Wicklungsdrahtes, Bewickeln eines ersten Statorzahnes (Z1) in einer ersten Richtung, - Führen des Wicklungsdrahtes zu einem zweiten Statorzahn (Z2), der in einer ersten Umfangsrichtung unmittelbar auf den ersten Statorzahn (Z1) folgt, und - Bewickeln des zweiten Statorzahnes (Z2) in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung, und wobei - die Wicklungspaare dazu ausgebildet sind, derart mit Strom versorgt zu werden, dass die Richtung des Stromflusses durch sich in Umfangsrichtung gegenüberliegende Wicklungspaare (6) umgekehrt ist, so dass sich im Stator (1) in Umfangsrichtung jeweils ein Nordpol und ein Südpol gegenüberliegen.

Description

Verfahren zum Bewickeln eines Stators eines bürstenlosen Gleichstrommotors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewickeln eines Stators eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, einen Stator für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
Bürstenlose Gleichstrommotoren der hier relevanten Bauart werden als Innenläufer bezeichnet und weisen einen Rotor auf, der mit einer Motorwelle verbunden ist und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Um den Motor herum ist ein Stator angeordnet, der auf einem Eisenkern eine Anzahl von Wicklungen trägt. Bei geeigneter Ansteuerung erzeugen die Wicklungen ein Magnetfeld, das den Rotor zur Rotation antreibt. Die Wicklungen werden üblicherweise dreiphasig gewickelt und werden dementsprechend mit drei elektrischen Anschlüssen versehen, über die die Wicklungen mit einer Steuereinheit (ECU) verbunden werden können.
Zum Zwecke der geometrischen Beschreibung des Elektromotors wird zum einen die Drehachse des Motors als Mittelachse und Symmetrieachse angenommen. Der Stator ist konzentrisch mit der Drehachse und dem Rotor angeordnet. Die Drehachse definiert gleichzeitig eine Axialrichtung. Außerdem wird bezüglich der Mittelachse von einer Radialrichtung gesprochen, die den Abstand von der Mittelachse angibt, sowie von einer Umfangsrichtung, die tangential zu einem bestimmten in Radialrichtung angeordneten Radius ausgezeichnet ist.
Es ist bekannt, die Statorwicklung eines bürstenlosen dreiphasigen Elektromotors im Sinne einer Dreieckschaltung zu realisieren. Eine herkömmliche Auslegung des Stators bedingt zwei unterschiedliche Ausführungen der Zahnpaarbewicklung. Diese werden dann alternierend im Stator montiert. Bei einem jeweiligen Spulenpaar liegt dabei das lose Spulenende im Wickelraum angrenzend zum Spulenende eines Spulenpaares einer anderen Phase. Dadurch besteht die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses zwischen zwei Phasen. Ein weiterer Nachteil bei dem Wickelschema liegt in der Anordnung der zueinander zu verschaltenden Drahtenden. Diese liegen bei einem Winkel von annähernd 180°. Eine Sammelschienen aufweisende Sammelschieneneinheit, die zur Kontaktierung der Drahtenden des Stators erforderlich ist, benötigt zur Kontaktierung der Drahtenden jeweils eine Lage einer Sammelschiene, was sich negativ auf die axiale Erstreckung des Sammelschienenhalters und somit des Elektromotors auswirkt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bewickeln eines Stators eines bürstenlosen Gleichstrommotors anzugeben, das eine Qualitätsoptimierung durch Reduzierung der Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Phasen darstellt und das erlaubt, die axiale Erstreckung des Statorpakets und damit auch die Bauhöhe des Elektromotors in Axialrichtung zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren zum Bewickeln eines Stators eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Stator für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit den Merkmalen des Anspruchs 5, sowie einem Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Demnach ist ein Verfahren zum Bewickeln eines Stators eines mehrphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors vorgesehen, wobei der Stator gleichmäßig beabstandete Statorzähne aufweist, die ausgehend von einem Statorkern nach innen ragen und einen zylinderförmigen Innenbereich freilassen, und die paarweise mit einem Wicklungsdraht zur Ausbildung eines Wicklungspaares bewickelt werden, und die Bewicklung jedes Wicklungspaares mit folgenden Schritten erfolgt:
• Ausgehend von einem Drahtanfang eines Wicklungsdrahtes, Bewickeln eines ersten Statorzahnes in einer ersten Richtung,
• Führen des Wicklungsdrahtes zu einem zweiten Statorzahn, der in einer ersten Umfangsrichtung unmittelbar auf den ersten Statorzahn folgt, und
• Bewickeln des zweiten Statorzahnes in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung, und wobei
• die Wicklungspaare dazu ausgebildet sind, derart mit Strom versorgt zu werden, dass die Richtung des Stromflusses durch sich in Umfangsrichtung gegenüberliegende Wicklungspaare umgekehrt ist, so dass sich im Stator in Umfangsrichtung jeweils ein Nordpol und ein Südpol gegenüberliegen.
Die erste Richtung und die entsprechenden Wicklungsrichtungen sind dabei für jedes Wicklungspaar dieselben.
Durch das Wicklungsschema ergibt sich der Vorteil, dass die Bewicklung jedes Zahnpaares gleich ist und somit unterschiedliche Bauteile vermieden werden können, was wiederum Kosten einspart. Weiterhin wird die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Phasen deutlich reduziert, da eine Überkreuzung der Drähte vermieden wird.
Es ist bevorzugt, wenn jedes Wicklungspaar mit einem einzelnen Wicklungsdraht bewickelt wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Wicklungspaare mit einem einzelnen Wicklungsdraht zur Ausbildung einer Spulenkette bewickelt werden.
In einer Ausführungsform weist der Stator sechs Wicklungspaare auf.
Weiterhin ist ein Stator für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem Statorkern und in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete Statorzähne, die ausgehend von dem Statorkern nach innen ragen und einen zylinderförmigen Innenbereich freilassen, vorgesehen, wobei die Statorzähne paarweise mit einem Wicklungsdraht zur Ausbildung eines Wicklungspaares nach dem zuvor beschriebenen Verfahren bewickelt sind. Dadurch ergibt sich der große Vorteil, dass beim Wickelprozess mit einem einzigen Wickelschema gewickelt werden kann. Somit kann z. B. eine Sechsspindel-Wickelmaschine eingesetzt werden.
Außerdem ist ein Verfahren zur Herstellung eines mehrphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors umfassend einen Stator und einen Innenläufer vorgesehen, wobei der Stator gleichmäßig beabstandete Statorzähne aufweist, die ausgehend von einem Statorkern nach innen ragen und einen zylinderförmigen Innenbereich freilassen, und die paarweise mit einem Wicklungsdraht zur Ausbildung eines Wicklungspaares bewickelt werden, und die Bewicklung jedes Wicklungspaares mit folgenden Schritten erfolgt:
• Ausgehend von einem Drahtanfang eines Wicklungsdrahtes, Bewickeln eines ersten Statorzahnes in einer ersten Richtung,
• Führen des Wicklungsdrahtes zu einem zweiten Statorzahn, der in einer ersten Umfangsrichtung unmittelbar auf den ersten Statorzahn folgt, und
• Bewickeln des zweiten Statorzahnes in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung, wobei das Verfahren nach der Bewicklung aller Wicklungspaare folgenden Schritt umfasst:
• Elektrisch leitfähig Kontaktieren der Wicklungsdrahtenden der Wicklungspaare an eine Kontaktiervorrichtung, die im Betrieb derart bestromt wird, dass die Richtung des Stromflusses durch sich in Umfangsrichtung gegenüberliegende Wicklungspaare umgekehrt ist, so dass sich im Stator in Umfangsrichtung jeweils ein Nordpol und ein Südpol gegenüberliegen.
Die erste Richtung und die entsprechenden Wicklungsrichtungen sind dabei für jedes Wicklungspaar dieselben.
Durch das Wicklungsschema ergibt sich der Vorteil, dass die Bewicklung jedes Zahnpaares gleich ist und somit unterschiedliche Bauteile vermieden werden können, was wiederum Kosten einspart. Dadurch das der Wickelprozess ein einziges Wickelschema umfasst, kann z. B. eine Sechsspindel-Wickelmaschine eingesetzt werden. Weiterhin wird die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Phasen deutlich reduziert, da eine Überkreuzung der Drähte vermieden wird.
Es ist bevorzugt, wenn jedes Wicklungspaar mit einem einzelnen Wicklungsdraht bewickelt wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Wicklungspaare mit einem einzelnen Wicklungsdraht zur Ausbildung einer Spulenkette bewickelt werden.
In einer Ausführungsform weist der Stator sechs Wicklungspaare auf. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn sich die zu verschaltenden Wicklungsdrahtenden zur Ausbildung einer Phase über einen Kreissektor von etwa 150° erstrecken. Die Kontaktiervorrichtung kann eine Sammelschieneneinheit sein. Eine Kontaktierung über Sammelschienen kann somit deutlich kompakter ausfallen.
Vorzugsweise ist der Innenläufer 10 polig. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor dreiphasig.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Stators in Draufsicht mit
Wicklungsschema,
Fig. 2: eine weitere schematische Darstellung des bewickelten Stators in
Draufsicht,
Fig. 3: eine schematische Darstellung des Stators der Fig. 2 mit
Sammelschienen,
Fig. 4: eine schematische Darstellung der Leistungsquellenanschlüsse der drei in Fig. 3 dargestellten Sammelschienen, sowie Fig. 5: einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten
Elektromotor mit Stator und Sammelschienen.
Figur 1 zeigt schematisch einen Stator 1 eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der einen Rotor 2 umgibt. Der Stator 1 weist 12 Statornuten und somit 12 voneinander beabstandete Statorzähne Z auf. Der Rotor 2 weist 10 Pole auf. Ein dreiphasiger Elektromotor soll realisiert werden, bei welchem die drei Phasenstränge der Statorwicklung in Form einer Dreieckschaltung vorliegen. Figur 1 zeigt exemplarisch das Wicklungsschema für vier Zähne ZI, Z2, Z3 und Z4. Im Uhrzeigersinn zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Statorzähne Z1,Z2 werden ausgehend von einem Drahtanfang 3 nacheinander unter Ausbildung zweier Spulen bewickelt. In anderen Worten zwei durch eine einzige Nut getrennte Statorzähne Z1,Z2 werden in einem Arbeitsschritt nacheinander bewickelt. Das Wickelschema ist schematisch dargestellt. Die Pfeile zeigen den Wickelsinn an. Dabei wird der Wickeldraht auf den ersten Statorzahn ZI gegen den Uhrzeigersinn aufgewickelt. Ist dieser erste Statorzahn ZI bewickelt, wird der Wickeldraht zu dem im Uhrzeigersinn darauffolgenden zweiten Statorzahn Z2 geführt und dort im Uhrzeigersinn um den zweiten Statorzahn Z2 gewickelt. Dasselbe erfolgt mit einem weiteren Wicklungsdraht bzw. Drahtanfang 3 für die zwei weiteren Statorzähne Z3,Z4, die dem ersten Wicklungspaar in Umfangsrichtung gegenüberliegen. Hier wird ebenfalls der erste Zahn Z3 gegen den Uhrzeigersinn bewickelt und der im Uhrzeigersinn in Umfangsrichtung folgende Zahn Z4 im Uhrzeigersinn bewickelt. Die notwendige Umkehr der magnetischen Pole wird durch einen invertierten elektrischen Anschluss erreicht, d. h. die in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Wicklungspaare werden derart bestromt, dass der Strom in entgegengesetzte Richtungen fließt.
Die Spulen der weiteren Phasen werden mit demselben Wicklungsschema ausgebildet.
Die Bewicklung erfolgt somit für jedes Zahnpaar Z1,Z2 und Z3,Z4 nach demselben Schema. Es ist auch denkbar, dass eine Spulenkette bewickelt wird, d. h. Zahnpaare werden ohne Unterbrechung nacheinander mit wechselnder Wicklungsrichtung zwischen benachbarten Zähnen bewickelt. Durch das Wicklungsschema ergibt sich der Vorteil, dass die Bewicklung jedes Zahnpaares gleich ist und somit unterschiedliche Bauteile vermieden werden können, was wiederum Kosten einspart. Weiterhin wird die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Phasen deutlich reduziert, da eine Überkreuzung der Drähte vermieden wird. Die zueinander zu verschaltenden Drahtenden liegen bei einem Winkel von annährend 150°, wodurch eine Sammelschieneneinheit in nur zwei Lagen, anstelle von drei Lagen, ausgeführt werden kann und somit einen deutlich kompakteren Aufbau aufweist.
In der Figur 2 ist der vollständig bewickelte Stator 1 dargestellt. Der Stator 1 des Elektromotors besteht aus einem Eisenkern und weist drei aus mehreren Spulen 4 aufgebaute Phasenwicklungen 5 auf den Polen auf, um einen vierpoligen Motor zu bilden, wobei auf die jeweiligen Pole die Spulen 4 gewickelt werden. Die Statorzähne Z erstrecken sich vom Eisenkern nach innen und lassen einen zylinderförmigen Innenbereich frei, innerhalb dessen sich im Betrieb der nicht dargestellte Rotor des Motors dreht. Die drei Phasen U,V,W werden durch verschaltete Wicklungspaare 6 gebildet, so dass in einer Dreiecksschaltung zwei parallel Strompfade entstehen. Wie bereits zu Figur 1 beschrieben wird eine erste Spule eines jeden Wicklungspaares 6 durch Bewicklung eines Zahns gegen den Uhrzeigersinn ausgebildet. Darauf folgt ohne Unterbrechung die Bewicklung eines im Uhrzeigersinn unmittelbar zum ersten Zahn benachbarten zweiten Zahn des Wicklungspaares 6, der im Uhrzeigersinn bewickelt wird. Die Wicklungsdrahtenden 7 der Wicklungspaare 6 werden zur Statormitte hin elektrisch kontaktiert. Die Bewicklung aller sechs Wicklungspaare 6 erfolgt nach demselben Schema. Die notwendige Umkehr des magnetischen Poles zwischen zwei Wicklungspaaren 6 einer Phase U,V,W wird durch einen invertierten elektrischen Anschluss und einer Umkehr der Richtung des Stromflusses erreicht. Die zueinander zu verschaltenden Drahtenden 7 liegen somit bei einem Winkel von annähernd 150°. Die jeweiligen Kontakte einer Phase sind über einen Bereich von etwa 210° verteilt.
Figur 3 zeigt schematische eine Sammelschieneneinheit 8 des in Figur 1 dargestellten Stators 1 in Ansicht von oben. Die Sammelschieneneinheit 8 umfasst einen nicht dargestellten Sammelschienenhalter und drei an dem Sammelschienenhalter montierte Sammelschienen 9,10,11. Die Sammelschienen 9,10,11 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer. Der Sammelschienenhalter besteht wenigstens zum Teil oder vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass Kurzschlüsse zwischen den Sammelschienen 9,10,11 effektiv verhindert werden können. Der Sammelschienenhalter ist bevorzugt durch Spritzgießen hergestellt und erstreckt sich über einen Teil der Sammelschienen 9,10,11. Auf diese Weise kann eine feste und wohldefinierte physische Verbindung zwischen dem Sammelschienenhalter und den Sammelschienen 9,10,11 bereitgestellt werden. Der Sammelschienenhalter ist dazu eingerichtet, auf einer axialen Seite des Stators (Oberseite) positioniert zu werden.
Die Sammelschieneneinheit 8 ist dazu eingerichtet, die Spulen 4 des Stators 1 mittels der Sammelschienen 9,10,11 elektrisch zu kontaktieren. Die Spulen 4 sind in den drei Phasengruppen U, V, W gruppiert. Vier Wicklungsdrahtendabschnitte 7 kontaktieren jeweils eine Sammelschiene. Die Sammelschiene einer Phase erstreckt sich über einen Bereich von 210°. Jede der Sammelschienen 9,10,11 weist einen
Leistungsquellenverbindungsanschluss 12,13,14 auf, der dazu eingerichtet ist, die Sammelschiene 9,10,11 mit einer Leitungsquelle elektrisch zu verbinden.
Die Sammelschienen 9,10,11 sind jeweils mit einem Basisabschnitt 9', 10', 11' entlang des Umfangs mit festem Radius angeordnet. Die Basisabschnitte 9', 10', 11' sind ringsegmentartig ausgeformt.
In der Darstellung der Figur 3 liegen die Sammelschienen 9,10,11 scheinbar auf verschiedenen Radien, um die Anordnung der Sammelschienen 9,10,11 auf verschiedenen Ebenen darzustellen. Diese Anordnung der Sammelschienen 9,10,11 wird im Folgenden beschrieben.
Eine erste Sammelschiene 9 erstreckt sich über einen Bereich von etwa 210° mit ihrem Basisabschnitt 9' entlang des Umfangs. Diese erste Sammelschiene liegt in einer ersten Ebene El. Sie weist an einem Ende des Basisabschnitts 9' den Anschluss 12 für die Leistungsquelle auf. Ausgehend von dem Leistungsquellenverbindungsanschluss 12 erstreckt sich der Basisabschnitt 9' im Uhrzeigersinn. Eine zweite Sammelschiene 10 erstreckt sich mit ihrem Basisabschnitt 10' ebenfalls über einen Bereich von etwa 210° entlang des Umfangs mit demselben Radius, wie die erste Sammelschiene. Die zweite Sammelschiene liegt in einer zweiten Ebene E2. Sie weist an einem Ende des Basisabschnitts 10' den Anschluss 13 für die Leistungsquelle auf. Ausgehend von dem Leistungsquellenverbindungsanschluss 13 erstreckt sich der Basisabschnitt 10' gegen den Uhrzeigersinn. Die beiden Sammelschienen 9,10 sind in Draufsicht an ihren leistungsquellenfernen Enden überlappend angeordnet. Die beiden Ebenen El und E2 sind dabei so gewählt, dass die Enden zwar in Axialrichtung übereinander liegen, sich aber nicht berühren und elektrisch zueinander isoliert sind. Die beiden Sammelschienen weisen in Axialrichtung einen Abstand a auf.
Die dritte Sammelschiene 11 weist einen
Leistungsquellenverbindungsanschluss 14 auf, der in Umfangsrichtung zwischen den Anschlüssen 12,13 der ersten und zweiten Sammelschiene 9,10 liegt. Alle drei Anschlüsse 12,13,14 liegen in unmittelbarer Nähe zueinander. Ausgehend von dem dritten Leistungsquellenanschluss 14 erstreckt sich die dritte Sammelschiene 11 in einem ersten Bereich 11" in Richtung der ersten Sammelschiene 9 auf der zweiten Ebene E2 und in einem zweiten Bereich 11'" in Richtung der zweiten Sammelschiene 10 auf der ersten Ebene El. Die dritte Sammelschiene 11 ist somit in Draufsicht in dem ersten Bereich 11" überlappend mit der ersten Sammelschiene 9 und in dem zweiten Bereich 11'" überlappend mit der zweiten Sammelschiene 10 angeordnet. Jeder der Bereiche 11", 11'" erstreckt sich ringsegmentartig über etwa 105°.
Die Figuren 4 und 5 zeigen die Anordnung der Sammelschienen 9,10,11 in Axialrichtung 100. Wie in Figur 4 dargestellt, wechselt die dritte Sammelschiene 11 auf der Hälfte des Basisabschnitts 11' die Ebene. Der Basisabschnitt der dritten Sammelschiene ist somit auf die beiden Bereiche 11", 11'" aufgeteilt. Die dritte Sammelschiene 11 weist somit im Basisabschnitt 11' einen Absatz 15 auf. Der Leistungsquellenverbindungsanschluss 12 der ersten Sammelschiene 9 liegt in der ersten Ebene El, der Anschluss 13 für die Leistungsquelle der zweiten Sammelschiene 10 liegt in der zweiten Ebene E2 und der Leistungsquellenverbindungsanschluss 14 der dritten Sammelschiene 11 liegt in Axialrichtung zwischen den beiden Ebenen E1,E2. Die drei Sammelschienen 9,10,11 sind auf lediglich zwei Ebenen E1,E2 verteilt angeordnet. Die axiale Erstreckung des Statorpakets und damit auch die Bauhöhe des Elektromotors in Axialrichtung sind daher minimal gehalten, um Bauraum einzusparen. Figur 5 zeigt schematisch einen Elektromotor 16 mit Stator 1, der an seiner Stirnseite die Sammelschieneneinheit 8 trägt. Die Sammelschienen 10,11 liegen in zwei unterschiedlichen Ebenen E1,E2. Die dritte Sammelschiene 11 ist mit einem Wicklungsdrahtendabschnitt 7 der zugehörigen Spule kontaktiert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bewickeln eines Stators (1) eines mehrphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors, wobei der Stator (1) gleichmäßig beabstandete Statorzähne (Z) aufweist, die ausgehend von einem Statorkern nach innen ragen und einen zylinderförmigen Innenbereich freilassen, und die paarweise mit einem Wicklungsdraht zur Ausbildung eines Wicklungspaares (6) bewickelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewicklung jedes Wicklungspaares (6) mit folgenden Schritten erfolgt:
• Ausgehend von einem Drahtanfang (3) eines Wicklungsdrahtes, Bewickeln eines ersten Statorzahnes (ZI) in einer ersten Richtung,
• Führen des Wicklungsdrahtes zu einem zweiten Statorzahn (Z2), der in einer ersten Umfangsrichtung unmittelbar auf den ersten Statorzahn (ZI) folgt, und
• Bewickeln des zweiten Statorzahnes (Z2) in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung, und wobei
• die Wicklungspaare dazu ausgebildet sind, derart mit Strom versorgt zu werden, dass die Richtung des Stromflusses durch sich in Umfangsrichtung gegenüberliegende Wicklungspaare (6) umgekehrt ist, so dass sich im Stator (1) in Umfangsrichtung jeweils ein Nordpol und ein Südpol gegenüberliegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wicklungspaar (6) mit einem einzelnen Wicklungsdraht bewickelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Wicklungspaare (6) mit einem einzelnen Wicklungsdraht zur Ausbildung einer Spulenkette bewickelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1) sechs Wicklungspaare (6) aufweist.
5. Stator (1) für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem Statorkern und in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete Statorzähne (Z), die ausgehend von dem Statorkern nach innen ragen und einen zylinderförmigen Innenbereich freilassen, wobei die Statorzähne paarweise mit einem Wicklungsdraht zur Ausbildung eines Wicklungspaares (6) nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 bewickelt sind.
6. Verfahren zur Herstellung eines mehrphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors umfassend einen Stator (1) und einen Innenläufer (2), wobei der Stator (1) gleichmäßig beabstandete Statorzähne (Z) aufweist, die ausgehend von einem Statorkern nach innen ragen und einen zylinderförmigen Innenbereich freilassen, und die paarweise mit einem Wicklungsdraht zur Ausbildung eines Wicklungspaares bewickelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewicklung jedes Wicklungspaares (6) mit folgenden Schritten erfolgt:
• Ausgehend von einem Drahtanfang (3) eines Wicklungsdrahtes, Bewickeln eines ersten Statorzahnes (ZI) in einer ersten Richtung,
• Führen des Wicklungsdrahtes zu einem zweiten Statorzahn (Z2), der in einer ersten Umfangsrichtung unmittelbar auf den ersten Statorzahn (Z2) folgt, und
• Bewickeln des zweiten Statorzahnes (Z2) in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung,
• wobei das Verfahren nach der Bewicklung aller Wicklungspaare (6) folgende Schritte umfasst:
• Elektrisch leitfähig Kontaktieren von Wicklungsdrahtenden (7) der Wicklungspaare (6) an eine Kontaktiervorrichtung, die im Betrieb derart bestromt wird, dass die Richtung des Stromflusses durch sich in Umfangsrichtung gegenüberliegende Wicklungspaare (6) umgekehrt ist, so dass sich im Stator (1) in Umfangsrichtung jeweils ein Nordpol und ein Südpol gegenüberliegen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wicklungspaar (6) mit einem einzelnen Wicklungsdraht bewickelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Wicklungspaare (6) mit einem einzelnen Wicklungsdraht zur Ausbildung einer Spulenkette bewickelt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator sechs Wicklungspaare (6) aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschaltenden Wicklungsdrahtenden (7) zur Ausbildung einer Phase (U,V,W) sich über einen Kreissektor von etwa 150° erstrecken.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenläufer (2) 10 polig ist.
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