WO2023242164A1 - Verfahren zur herstellunq einer leistunqserzeuqenden komponente einer elektrischen rotationsmaschine und elektrische rotationsmaschine - Google Patents

Verfahren zur herstellunq einer leistunqserzeuqenden komponente einer elektrischen rotationsmaschine und elektrische rotationsmaschine Download PDF

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WO2023242164A1
WO2023242164A1 PCT/EP2023/065740 EP2023065740W WO2023242164A1 WO 2023242164 A1 WO2023242164 A1 WO 2023242164A1 EP 2023065740 W EP2023065740 W EP 2023065740W WO 2023242164 A1 WO2023242164 A1 WO 2023242164A1
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electrical
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winding
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PCT/EP2023/065740
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Jakob JUNG
Florian SELL-LE BLANC
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a power-generating component of an electric rotary machine and an electric rotary machine which has a power-generating component produced according to the method.
  • the cooling ensures that critical temperatures, which could lead to damage to materials and components, are avoided.
  • the cooling contributes to improving the efficiency of the electrical machine, since the ohmic resistance in electrical conductors in particular is highly dependent on temperature, which means that power losses increase at higher temperatures.
  • surface cooling with heat released into the surrounding air is often not sufficient, so that cooling by a cooling fluid is necessary.
  • oils, water or water mixtures such as. B. water glycol, but also dielectric liquids are used.
  • a cooling medium in an electrically non-conductive material such as in a cooling channel in the cooling jacket or in a slot tube in a groove or in a channel in a laminated core forming the body of the power-generating component.
  • a cooling medium can also be guided directly in a groove, in which case the groove must then be sealed radially and axially, for example by means of injection molding.
  • a further component must be provided for connection to the groove for the purpose of media guidance on the winding head, which can optionally be an original molding and which is either manufactured separately and then mounted on a relevant groove, or is also produced directly on the groove by original molding.
  • US 6577038 B2 also shows a similar solution.
  • WO 2015/150 556 A1 discloses a corresponding electrical waveguide in the form of a tubular body with a hollow interior for continuously winding an electromagnetic coil.
  • the wave winding When producing a wave winding stator, the wave winding is first wound, the winding is assembled in the stator, the winding connections are welded to form a parallel connection or series connection, the installation of a cooling element, for example a can or injection molded part, installation of a collecting device or a connector, contacting the connector, and the fluidic contact of the cooling device through assembly or injection molding of a corresponding connection piece.
  • a cooling element for example a can or injection molded part
  • the present invention is based on the object of providing a method for producing a power-generating component of an electrical rotary machine, with which electrical contacting of a winding and a fluidic connection for supplying a cooling medium to the power-generating machine can be made in a simple, time-saving and flexible manner Component can be realized.
  • the invention relates to a method for producing a power-generating component of an electrical rotary machine, in which a component body and electrical conductors arranged in the component body are provided, and electrical contacting elements are produced at connection ends of the electrical conductors by means of generative manufacturing and flow connection elements on flow channels in the Component bodies are created.
  • the power-generating component of the electric rotary machine can be a stator of an electric rotary machine, although the application of the present invention in a rotor as a power-generating component of an electric rotary machine should not be excluded. If the power-generating component is designed as a stator, the component body is correspondingly the stator body, which can be designed, for example, as a laminated core.
  • the electrical contacting elements are designed to be electrically conductive and can be designed as proximal ends of so-called hair pins with a distal curved conductor geometry in the winding head area, as I-pins with conductor ends projecting axially on both sides, or as connections of a winding such as a wave winding.
  • Generative manufacturing can also be understood as additive manufacturing, or a 3D printing process, or even a deposition welding process.
  • electrical contacting elements are connected in an electrically conductive manner to the connection ends of the electrical conductors, and flow connection elements are realized in flow channels present in the component body in the desired geometry, if necessary in the form of an integrated switching ring.
  • the electrical contacting elements and the flow connection elements can be manufactured separately from one another in terms of material technology, so that they do not have a generatively manufactured material connection to one another.
  • the generative manufacturing process can be, for example, the selective laser melting process.
  • the electrical conductors are waveguides and themselves form flow channels, and that flow connection elements are generated on the waveguides by means of generative manufacturing. This makes it possible for the linear conductor sections of the electrical conductors in the grooves to be cooled with coolant.
  • a waveguide arranged in the body of the electrical power component is fluidically connected by additively manufacturing a complex overall connecting element in the sense of a collecting device, which can also be referred to as a busbar or connector, or several individual connecting elements at an input of the waveguide.
  • Generative manufacturing allows the cooling fluid to be guided directly into the waveguide.
  • a further embodiment provides that the flow channels are designed separately in relation to electrical conductors, and that flow connection elements are generated on separate flow channels using generative manufacturing.
  • hollow channel elements can be arranged in a groove, at the end regions of which flow connection elements are produced using generative manufacturing.
  • flow channels can also be present outside the grooves in the body of the electrical power component, with flow connection elements also being generated on these separate flow channels by means of generative manufacturing in this embodiment.
  • the flow connection elements can connect flow channels to one another and/or realize the connection of at least one flow channel to an external cooling device or a cooling circuit.
  • the electrical conductors comprise substantially linear conductor sections interconnected by a curved region.
  • the plug-in elements can also be so-called I-pins, i.e. essentially exclusively linear elements.
  • the plug-in elements are designed as waveguides, it is possible for the linear conductor sections of the electrical conductors in the grooves to be cooled with coolant.
  • the end regions of the linear sections can be equipped with the electrical contacting elements and at the same time with flow connection elements using generative manufacturing.
  • the electrical contacting elements and the flow connection elements can be, at least in sections, components of a common multifunctional connection area.
  • a winding head can be produced at least in sections at the connection ends of the plug-in elements.
  • An alternative embodiment provides that with the generative production, at least in sections, a collecting device at the connection ends of the Plug-in elements are generated.
  • a collecting device is often also referred to as a busbar or connector and, as an arrangement of conductors, can be a busbar that serves as a central distributor of electrical energy.
  • the method for producing a power-generating component can also be carried out when the electrical conductors are components of a winding.
  • a winding can be a so-called wave winding.
  • the winding is a loop winding, in which the winding merely forms a coil whose linear sections are placed in only two slots.
  • An electrical power component designed in this way is a shaped coil stator.
  • their conductors are designed as waveguides, with electrical contacting elements being connected to at least one winding head formed by the winding by means of generative manufacturing, as well as a fluidic connection to one or more by means of generative manufacturing several of the flow channels realized by the waveguides of the winding are created.
  • a collecting device can be produced at least in sections at the connection ends of a winding head of the winding. In this case a winding head already exists. Accordingly, it is provided here that a collecting device is created using generative manufacturing, which connects to the winding head.
  • the implemented electrical contacting elements can at least be part of a collecting device or can form it completely.
  • a collecting device is defined as a device that is designed to connect several coils of a phase in series or parallel, to implement a delta or star connection of several coils and / or to provide line connections to the periphery of the power-generating component realize, such as an inverter.
  • a collection device in the sense of the present invention also forms a distribution function.
  • the collecting device can be equipped with at least one cooling channel, which is generated using generative manufacturing.
  • the generatively produced electrical contacting elements can be set up in such a way that they serve to conduct current between electrical conductors, serve to conduct the current to a star or delta connection and/or serve to connect groups of coils in parallel or series connection. Alternatively or additionally, the generatively produced electrical contacting elements can also serve to electrically connect the power-generating component to external power electronics and/or to phase connections.
  • the electrical contacting elements and the flow connection elements can be produced in one operation using the same generative manufacturing process.
  • the generatively produced collecting device can also serve to guide media between different flow channels in the grooves of the stator, whereby the collecting device can be connected to a metallic can, or also to waveguides, which can be contacted with the collecting device in a fluidic and electrically conductive manner .
  • the collecting device can be used to branch out the flow threads of a cooling medium, or also to bundle them in a central cooling channel.
  • Another aspect of the present invention is a rotary electric machine having at least one electric power component, such as a stator, manufactured according to the method for producing a power generating component.
  • Figure 2 a partial sectional view of the component body of the power-generating components
  • Figure 3 a winding head produced by additive manufacturing with a collecting device.
  • Figures 1-3 explain the present method for producing a power-generating component of an electrical rotary machine based on the generative production of a complete winding head with a collecting device.
  • connection ends 12 are arranged in coils, the connection ends 12 of which protrude axially from the component body 11.
  • connection ends 12 can be the ends of so-called hairpins, or also the connections of a wave winding.
  • Flow channels 13 are formed next to, in or on the connection ends 12.
  • complete winding heads 20 are manufactured, which have several electrical contacting elements 21 and several flow connection elements 22.
  • These winding heads 20 are arranged on the component body 11 in such a way that the electrical contacting elements 21 are electrically conductively connected to the connection ends 12 of the electrical conductors by means of generative manufacturing, and the flow connection elements 22 are fluidly connected to the flow channels 13.
  • a complete winding head 20 can be produced in a flexible manner while simultaneously implementing the electrical connections and the flow connections, so that the manufacturing processes of the electrical connections and the flow connections do not interfere with one another.
  • Figure 2 shows a section of a section of the component body 11. Here it can be seen that several electrical conductors 14 run parallel to one another in a groove 17. Between the electrical conductors 14 there are cavities 15 which are electrically insulated from the component body 11 or from adjacent electrical conductors by means of a respective insulator 16. The cavities 15 form flow channels 13.
  • the electrical contacting elements 21 described in FIG. 1 are connected generatively to the electrical conductors 14, and the flow connection elements 22 are connected to the flow channels 13 realized by the cavities 15.
  • FIG. 3 shows a generatively manufactured winding head 20 in a perspective view.
  • the winding head 20 comprises a plurality of line sections which are arranged to be located in individual slots in the component body to contact electrical conductors and form coils from them using appropriate interconnections.
  • Three electrical contacting elements 21 are designed in a generative manner on the winding head 20, which are used for connection to an external power supply or to an inverter.
  • flow connection elements 22 are formed on the electrical contacting elements 21 to form cooling channels 31 for the purpose of supplying or discharging a cooling medium into flow channels in the component body.
  • a connecting element 23 is designed in a generative manner on the winding head, which is used to interconnect the phases in delta or. Star connection and for the electrical connection of winding coils generated in parallel or series.
  • the collecting device 30 By integrating the electrical contact and the flow connections, the collecting device 30 accordingly forms several multifunctional connection areas 32.
  • plug-in coils or so-called hairpins In preparation for the generative production of the winding head 20 and the collecting device 30, when using plug-in coils or so-called hairpins, these are bent and inserted into the component body. The ends of the plug-in coils are then equipped with electrical contacting elements 21 using the generative method. If necessary, part of the winding produced can also be set and/or welded.
  • one or more winding mats are created by winding, rolled into the component body and expanded there.
  • connection ends of the wave winding are then equipped with electrical contacting elements 21 using the generative method.
  • electrical contacting elements 21 are created, flow connection elements 22 are also generated generatively.
  • the collecting device 30 is realized by generative manufacturing on the connection elements.
  • a coating process that applies an insulating layer to the collecting device 30 using the generative manufacturing process can, for example in a dipping or dripping process, with which the surface of the collecting device 30 has an electrically insulating effect.
  • the present process is accompanied by a minimization of additively manufactured volume, which means that the process costs and material costs that are critical for series applications can be reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine und eine elektrische Rotationsmaschine, die eine gemaR> dem Verfahren hergestellte leistungserzeugende Komponente aufweist. Bei dem Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente (10) einer elektrischen Rotationsmaschine werden ein Komponentenkbrper (11 ) sowie im Komponentenkbrper (11 ) angeordnete elektrische Leiter zur Verfugung gestellt, und mittels generativer Fertigung werden an Anschlussenden (12) der elektrischen Leiter elektrische Kontaktierungselemente (21 ) erzeugt und mittels generativer Fertigung werden Strbmungsanschlusselemente (22) an Stromungskanalen (13) im Komponentenkbrper (11 ) erzeugt. Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine lasst sich in einfacher, zeitsparender sowie flexibler Weise eine elektrische Kontaktierung einer Wicklung sowie eine strbmungstechnische Verbindung zur Zufuhrung eines Kuhlungsmediums an der leistungserzeugenden Komponente realisieren.

Description

Verfahren zur Herstellung einer leistunqserzeuqenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine und elektrische Rotationsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine und eine elektrische Rotationsmaschine, die eine gemäß dem Verfahren hergestellte leistungserzeugende Komponente aufweist.
Der elektrische Antriebsstrang ist nach dem Stand der Technik bekannt. Dieser besteht aus Komponenten zur Energiespeicherung, Energiewandlung und Energieleitung. Zu den Komponenten der Energiewandlung gehören elektrische Maschinen. Elektrische Rotationsmaschinen umfassen als elektrische Leistungskomponenten einen Rotor und einen Stator.
Je nach Leistungsbereich bzw. Anwendungsfall ist es oftmals notwendig, in elektrischen Maschinen durch verschiedene Verluste entstehende Wärme durch eine effektive Kühlung abzuführen. Die Kühlung sorgt dafür, dass kritische Temperaturen, welche zu Beschädigungen an Materialien und Komponenten führen könnten, vermieden werden. Darüber hinaus trägt die Kühlung zur Verbesserung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bei, da insbesondere der ohmsche Widerstand in elektrischen Leitern stark temperaturabhängig ist, wodurch bei höheren Temperaturen die Leistungsverluste zunehmen. Insbesondere bei elektrischen Maschinen, welche eine hohe Drehmoment- bzw. Leistungsdichte aufweisen, reicht eine Oberflächenkühlung mit Wärmeabgabe an die umgebende Luft oftmals nicht aus, so dass eine Kühlung durch ein Kühlfluid erforderlich ist. Als Kühlfluide können prinzipiell Öle, Wasser bzw. Wassergemische wie z. B. Wasser-Glykol, aber auch dielektrische Flüssigkeiten zum Einsatz kommen.
Dabei besteht üblicherweise auch die Anforderung, dass das Kühlsystem bei geringem finanziellen sowie technologischen Aufwand einen möglichst geringen Bauraumbedarf aufweist und einen optimalen Wärmeübergang gewährleistet. Zur flexiblen Fertigung von Wicklungen und Wickelköpfen elektrischer Leistungskomponenten, wie zum Beispiel des Stators der elektrischen Rotationsmaschine, ist es bekannt, auch additive Verfahren zur Fertigung von Verteilern, die auch als Busbars bzw. Schaltring bezeichnet werden, und/oder kompletter Wickelköpfe einzusetzen. Diese werden entweder separat additiv gefertigt, und dann mit den elektrischen Leitern in den Nuten der elektrischen Leistungskomponente verbunden, wie zum Beispiel geschweißt. Eine alternative Fertigungsvariante sieht vor, mittels additiver Fertigung direkt auf den Leiterenden einer teilweise vorliegenden Wicklung Stromführungsanschlüsse zu generieren. Hinsichtlich der Wicklungskühlung ist bekannt, ein Kühlungsmedium in einem elektrisch nicht leitenden Material wie zum Beispiel in einem Kühlkanal im Kühlmantel oder auch in einem Spaltrohr in einer Nut oder auch in einem Kanal in einem den Körper der leistungserzeugenden Komponente ausbildenden Blechpaket zu führen. Alternativ kann ein Kühlungsmedium auch direkt in einer Nut geführt werden, wobei dann die Nut radial sowie axial abzudichten ist, wie zum Beispiel mittels Spritzguss. Zusätzlich ist ein weiteres Bauteil zum Anschluss an der Nut zwecks Medienführung am Wickelkopf vorzusehen, welches gegebenenfalls ein Urformteil sein kann, und welches entweder separat gefertigt wird und dann an eine betreffenden Nut montiert wird, oder aber auch unmittelbar an der Nut durch Urformen erzeugt wird.
Weiterhin ist es bekannt, zur Führung des Kühlmediums Hohlleiter zu nutzen, die gleichzeitig die elektrischen Leitungselemente ausbilden. Hier bestehen jedoch erhöhte Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Isolierung sowie der hydraulischen Kontaktierung.
So beschreibt unter anderem die DE 10 2014 0155 64 A1 eine elektrische Leitereinheit aus einem oder mehreren Kapillarleitern, insbesondere geeignet für die Verwendung bei elektrischen Spulen. Hier erfolgt eine elektrische Kontaktierung mittels eines separat zu montierendem Anschlussstück.
Entsprechendes lehrt auch die DE 10 2017119033 A1 , welche ein Wicklungsstück, insbesondere in Form einer Haarnadel, offenbart, das dazu vorgesehen ist, in die Nuten eines Elektromotors eingesetzt zu werden.
Ebenfalls zeigt die US 6577038 B2 eine ähnliche Lösung. Die WO 2015/150 556 A1 offenbart einen entsprechenden elektrischen Hohlleiter in Form eines rohrförmigen Körpers mit einem hohlen Innenraum zum kontinuierlichen Wickeln einer elektromagnetischen Spule.
Die Kontaktierung mittels eines separat zu montierenden Hülsenwerkzeuges ist der DE 10 2014 0155 64 A1 entnehmbar, und die Kontaktierung mittels Aufcrimpen eines Verbindungsstückes lehrt die US 5,659,944, die auf ein Verfahren zum Reparieren einer Verbindung zwischen Leiterelementen eines Statorwicklungsstabs einer elektrischen Maschine und einer Verbindungsvorrichtung gerichtet ist, die mit einem Ende des Statorwicklungsstabs verbunden ist, um eine elektrische Verbindung und einen Kühlmittelfluss für die Leiterelemente bereitzustellen.
Des Weiteren offenbart die US 2002 079 773 A1 ein Kopfdesign für einen flüssigkeitsdichten, stromführenden Kopf, der den direkten Kontakt zwischen dem flüssigen Kühlmittel und den gelöteten Verbindungen reduziert. Dabei sind die hohlen Stränge an einem ersten Ende des Kopfs zusammengruppiert, um ein Hohlstrangpaket zu bilden und die hohlen Stränge und die massiven Stränge sind an einem zweiten Ende des Kopfteils zusammengruppiert, um ein gemischtes Strangpaket zu bilden. Das Hohlstrangpaket kann mit einer Auskleidung des Kopfstücks verschmolzen werden.
Somit sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Ansätze zur Implementierung von Kühlkonzepten zur Fluidführung in und durch Wickelköpfe bekannt.
Diesen Verfahren gemein ist, dass neben einer Kontaktierung bzw. Verschaltung der Wicklung mit einem Verteiler wenigstens ein weiterer Prozessschritt nachfolgend erfolgen muss, um Elemente zur Kühlung bzw. zur Medienführung im Wickelkopf zu installieren. Durch diese sequentielle Fertigung ergeben sich Restriktionen im Bauraum der Wicklung und des Verteilers, die insbesondere für die direkte Montage von Kühlelementen im Wickelkopf oder die Montage und Demontage von Werkzeugen für Spritzgussverfahren eine Herausforderung darstellen.
Bei Verwendung additiver Verfahren zur Anordnung von Kühlanschlüssen besteht außerdem das Problem, dass eine dafür zu nutzen der Vorrichtung ebenfalls einen gewissen Raumbedarf aufweist, sodass dadurch entweder nicht alle Bewegungsfreiheitsgrade der Vorrichtung möglich sind, und/oder die Designmöglichkeiten des Verbinder bzw. einer Sammeleinrichtung und/oder des Wickelkopfes eingeschränkt sind. Dies bedingt zu dem, dass Verteiler bzw. Wickelköpfe und Kühlungsanschlüsse konstruktiv voneinander getrennt entwickelt werden müssen, aber trotzdem hinsichtlich ihrer Bauraum Anforderungen aufeinander abgestimmt werden müssen.
Im Detail bedeutet dies bei herkömmlichen Ausführungsformen, dass beispielsweise bei einem mit Hairpins ausgestatteten Stator zunächst die Hairpins in den Stator eingebracht werden müssen, und danach aufgeweitet, verdreht und/oder verschaltet werden müssen. Danach muss die Montage eines Kühlelements bzw. eines Spaltrohrs oder Spritzgussteils erfolgen, sowie die Installation einer Sammeleinrichtung bzw. eines Verbinders. Der Verbinder ist elektrisch zu kontaktieren, und es ist eine strömungstechnische Kontaktierung der Kühlungseinrichtung zu realisieren.
In alternativer Ausführungsform kann auch ein Urformverfahren zur Fertigung eines Kühlkanals im Wickelkopfbereich bspw. durch Transfermolding, erfolgen.
Bei der Herstellung eines Wellenwicklungsstators erfolgt zunächst ein Wickeln der Wellenwicklung, Wicklungsmontage im Stator, ein Verschweißen der Wicklungsanschlüsse zu paralleler Schaltung oder Reihenschaltung, die Installation eines Kühlelementes bspw. eines Spaltrohrs oder Spritzgussteils, Installation einer Sammeleinrichtung bzw. eines Verbinders, Kontaktierung des Verbinders, und die strömungstechnische Kontaktierung der Kühlungseinrichtung durch Montage oder Spritzgussverfahren eines entsprechenden Anschlussstückes.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine zur Verfügung zu stellen, mit dem in einfacher, zeitsparender sowie flexibler Weise eine elektrische Kontaktierung einer Wicklung sowie eine strömungstechnische Verbindung zur Zuführung eines Kühlungsmediums an der leistungserzeugenden Komponente realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-9 angegeben.
Ergänzend wird eine elektrische Rotationsmaschine mit einer gemäß dem Verfahren hergestellten leistungserzeugenden Komponente nach Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine, bei dem ein Komponentenkörper sowie im Komponentenkörper angeordnete elektrische Leiter zur Verfügung gestellt werden, und mittels generativer Fertigung an Anschlussenden der elektrischen Leiter elektrische Kontaktierungselemente erzeugt werden und mittels generativer Fertigung Strömungsanschlusselemente an Strömungskanälen im Komponentenkörper erzeugt werden. Die leistungserzeugende Komponente der elektrischen Rotationsmaschine kann dabei ein Stator einer elektrischen Rotationsmaschine sein, wobei allerdings die Anwendung der vorliegenden Erfindung in einem Rotor als leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine nicht ausgeschlossen sein soll. Im Falle der Ausführung der leistungserzeugenden Komponente als Stator ist der Komponentenkörper entsprechend der Statorkörper, der beispielsweise als Blechpaket ausgeführt sein kann.
Die elektrischen Kontaktierungselemente sind elektrisch leitfähig ausgebildet und können als proximale Enden von sogenannten Hair Pins mit einer distal liegenden gebogenen Leitergeometrie im Wickelkopfbereich, als I-Pins mit jeweils beidseitig axial ausstehenden Leiterenden oder auch als Anschlüsse einer Wicklung wie z.B. einer Wellenwicklung ausgeführt sein.
Unter einer generativen Fertigung kann auch eine additive Fertigung verstanden werden, bzw. ein 3-D-Druckverfahren, oder auch ein Auftrags-Schweißverfahren. Das bedeutet, dass mittels generativer Fertigung bzw. additiver Fertigung sowohl an Anschlussenden der elektrischen Leiter elektrische Kontaktierungselemente elektrisch leitfähig angeschlossen werden als auch Strömungsanschlusselemente an im Komponentenkörper vorhandene Strömungskanäle in jeweils gewünschter Geometrie, gegebenenfalls in Form eines integrierten Schaltrings, realisiert werden.
Die Strömungsanschlusselemente können dabei an Eingängen oder Ausgängen oder an Ein- und Ausgängen der Strömungskanäle realisiert sein.
Die elektrischen Kontaktierungselemente und die Strömungsanschlusselemente können dabei materialtechnisch separat voneinander gefertigt werden, so dass sie keine generativ gefertigte materialtechnische Verbindung zueinander aufweisen. In alternativer Ausgestaltung kann es auch möglich sein, dass Strömungsanschlusselemente und elektrische Kontaktierungselemente als mittels der generativen Fertigung miteinander verbundene Einheiten gefertigt werden.
Das generative Fertigungsverfahren kann beispielsweise das selektive Laserschmelzverfahren sein.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die elektrischen Leiter Hohlleiter sind und selbst Strömungskanäle ausbilden, und dass Strömungsanschlusselemente mittels generativer Fertigung an den Hohlleitern generiert werden. Dadurch wird es ermöglicht, dass die linearen Leiterabschnitte der elektrischen Leiter in den Nuten mit Kühlmittel gekühlt werden.
Das bedeutet, dass ein im Körper der elektrischen Leistungskomponente angeordneter Hohlleiter strömungstechnisch angeschlossen wird, indem an einem Eingang des Hohlleiters ein komplexes Gesamtverbindungselement im Sinne einer Sammeleinrichtung, die auch als Busbar bzw. Verbinder bezeichnet werden kann, oder mehrere einzelne Verbindungselemente additiv gefertigt werden.
Die generative Fertigung erlaubt eine Führung des Kühlfluides direkt in die Hohlleiter.
Eine weitere Ausführung sieht vor, dass die Strömungskanäle in Bezug zu elektrischen Leitern separat ausgebildet sind, und dass Strömungsanschlusselemente mittels generativer Fertigung an separaten Strömungskanälen generiert werden. Beispielsweise können neben elektrischen Leitern in einer Nut hohle Kanalelemente angeordnet sein, an deren Endbereichen mittels generativer Fertigung Strömungsanschlusselemente erzeugt werden. In alternativer Ausgestaltung können auch Strömungskanäle außerhalb der Nuten im Körper der elektrischen Leistungskomponente vorhanden sein, wobei auch in dieser Ausführung Strömungsanschlusselemente mittels generativer Fertigung an diesem separaten Strömungskanälen generiert werden. Die Strömungsanschlusselemente können dabei Strömungskanäle untereinander verbinden und/ oder die Verbindung von wenigstens einem Strömungskanal mit einer externen Kühleinrichtung oder einem Kühlkreislauf realisieren.
Die elektrischen Leiter können Steckelemente, wie z.B. Steckspulen in U-Geometrie sein. Unter derartigen Steckspulen in U-Geometrie werden auch sogenannte Hairpins verstanden.
In dieser Ausführungsform umfassen die elektrischen Leiter im wesentlichen lineare Leiterabschnitte, die durch einen gekrümmten Bereich miteinander verbunden sind. In alternativer Ausführungsform können die Steckelemente auch sogenannte I-Pins sein, also im Wesentlichen ausschließlich lineare Elemente.
Wenn die Steckelemente als Hohlleiter ausgeführt sind wird es ermöglicht, dass die linearen Leiterabschnitte der elektrischen Leiter in den Nuten mit Kühlmittel gekühlt werden. Die Endbereiche der linearen Abschnitte können mittels generativer Fertigung mit den elektrischen Kontaktierungselementen und gleichzeitig mit Strömungsanschlusselementen ausgestattet werden. Dabei können die elektrischen Kontaktierungselemente und die Strömungsanschlusselemente zumindest abschnittsweise Bestandteile eines gemeinsamen multifunktionalen Anschlussbereichs sein.
Mittels der generativen Fertigung kann dabei zumindest abschnittsweise ein Wickelkopf an den Anschlussenden der Steckelemente erzeugt werden. Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass mit der generativen Fertigung zumindest abschnittsweise eine Sammeleinrichtung an den Anschlussenden der Steckelemente erzeugt wird. Eine solche Sammeleinrichtung wird oftmals auch als Busbar oder Verbinder bezeichnet und kann als eine Anordnung von Leitern eine Sammelschiene sein, die als zentraler Verteiler von elektrischer Energie dient.
Das Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente kann auch ausgeführt werden, wenn die elektrischen Leiter Bestandteile einer Wicklung sind. Eine derartige Wicklung kann eine sogenannte Wellenwicklung sein.
Bei der kontinuierlichen Wellenwicklung als Fertigungsverfahren wird eine oftmals verteilte Wicklung in einem Wickel- oder Biege- und Schicht- bzw. Webverfahren erstellt und anschließend in Nuten einer elektrischen Leistungskomponente wie z.B. in den Nuten eines Stators platziert.
In alternativer Ausführungsform ist die Wicklung eine Schleifenwicklung, bei der die Wicklung lediglich eine Spule ausbildet, deren lineare Abschnitte in nur zwei Nuten platziert sind.
Eine derart ausgebildete elektrische Leistungskomponente ist ein Formspulenstator.
Bei einer Wellenwicklung oder auch bei der Schleifenwicklung kann ebenfalls vorgesehen sein, dass deren Leiter als Hohlleiter ausgestaltet sind, wobei mittels der generativen Fertigung elektrische Kontaktierungselemente an wenigstens einem von der Wicklung ausgebildeten Wickelkopf angeschlossen werden, sowie eine strömungstechnische Verbindung mittels der generativen Fertigung an einen oder mehrere der von den Hohlleitern der Wicklung realisierten Strömungskanäle geschaffen wird.
Mit der generativen Fertigung kann zumindest abschnittsweise eine Sammeleinrichtung an den Anschlussenden eines Wickelkopfes der Wicklung erzeugt werden. In diesem Fall existiert bereits ein Wickelkopf. Entsprechend ist hier vorgesehen, dass mittels generativer Fertigung eine Sammeleinrichtung erzeugt wird, die an den Wickelkopf anschließt. Das bedeutet, dass die realisierten elektrischen Kontaktierungselemente zumindest Bestandteil einer Sammeleinrichtung sein können oder diese vollständig ausbilden können. Eine Sammeleinrichtung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung als eine Einrichtung definiert, die dazu eingerichtet ist, mehrere Spulen einer Phase in Reihe oder parallel zu schalten, eine Dreiecks- oder Stern-Schaltung mehrerer Spulen zu realisieren und/ oder Leitungsanschlüsse zur Peripherie der leistungserzeugenden Komponente zu realisieren, wie z.B. zu einem Inverter.
Entsprechend bildet eine Sammeleinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung auch eine Verteilerfunktion aus. Die Sammeleinrichtung kann dabei mit wenigstens einem Kühlkanal ausgestattet sein, der mittels generativer Fertigung erzeugt wird.
Die Sammeleinrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass sie einen strömungstechnischen und/ oder elektrischen Anschluss zu elektrischen Leitern in vielen oder in allen Nuten bzw. zu dortigen Strömungskanälen realisiert.
Die generativ hergestellten elektrischen Kontaktierungselemente können derart eingerichtet sein, dass sie der Stromführung von elektrischen Leitern untereinander dienen, der Führung des Stroms zu einer Stern- oder Dreiecksschaltung dienen und/ oder der Verschaltung von Spulengruppen in Parallel- oder Reihenschaltung dienen. Alternativ oder hinzukommend können die generativ hergestellten elektrischen Kontaktierungselemente auch dem elektrischen Anschluss der leistungserzeugenden Komponente an einer externen Leistungselektronik und/ oder an Phasenanschlüssen dienen.
Die elektrischen Kontaktierungselemente und die Strömungsanschlusselemente können mit dem gleichen generativen Fertigungsverfahren in einem Arbeitsvorgang hergestellt werden.
Das bedeutet, dass unter Verwendung derselben Einrichtung zur Ausführung des generativen Herstellungsverfahrens sowohl die elektrischen Kontaktierungselemente als auch die Strömungsanschlusselemente erzeugt werden, ohne die Einrichtung zu wechseln. Entsprechend ist es nicht notwendig, neben allen bereits erzeugten elektrischen Anschlüssen alle Strömungsanschlüsse zu erzeugen, und umgekehrt. Als generativ verarbeitetes Material kann Kupfer oder Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung oder CuCrZr verwendet werden. Dabei kann das gleiche Material für die generative Herstellung der Kontaktierungselemente als auch der Strömungsanschlusselemente eingesetzt werden.
Das Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine kann dadurch ergänzt sein, dass zumindest auf die elektrischen Kontaktierungselemente wenigstens teilweise eine Isolationsschicht mittels eines Tauch- oder Träufelverfahrens aufgebracht wird. Einem solchen Beschichtungsverfahren kann gegebenenfalls auch die gesamte Sammeleinrichtung unterzogen werden. Entsprechend lassen sich mit dem vorgestellten Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente in einfacher und flexibler Weise generativ elektrische Verbindungselemente zur elektrischen Kontaktierung sowie strömungstechnische Verbindungselemente zurück Zu -und/oder Abführung eines Kühlmediums im Wesentlichen zur gleichen Zeit fertigen.
Dabei kann das Verfahren je nach Ausgestaltung der Art durchgeführt werden, dass durch die generativ erzeugte Sammeleinrichtung einzelne Wicklungssegmente einer Hairpin-Wicklung oder auch von Wellenwicklungsmatten verbunden werden, wie zum Beispiel zum Verschalten einer oder mehrerer Wellenwicklungsmatten zu einer Stufenwicklung, und/oder zur Implementierung von so genannten Lagensprüngen über mehrere Wicklungs- Lagen hinweg.
Des Weiteren kann die generativ erzeugte Sammeleinrichtung zum Verbinden von Spulengruppen einer Phase in serieller oder Reihenschaltung, zum Verbinden der Phasen in einer gewünschten Stern- oder Dreiecktopologie, zur Realisierung der Phasenanschlüsse für die elektrische Kontaktierung zum Inverter dienen.
Neben der elektrischen Kontaktierung kann die generativ hergestellte Sammeleinrichtung auch der Medienführung zwischen verschiedenen Strömungskanälen in den Nuten des Stators dienen, wobei die Sammeleinrichtung an ein metallisches Spaltrohr angeschlossen sein kann, oder aber auch an Hohlleiter, die mit der Sammeleinrichtung strömungstechnisch sowie elektrisch leitfähig kontaktiert werden können. Strömungstechnisch kann dabei mit der Sammeleinrichtung eine Verzweigung der Strömungsfaden eines Kühlungsmediums realisiert werden, oder aber auch eine Bündelung in einem zentralen Kühlkanal.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls eine leistungserzeugende Komponente, welche gemäß dem beschriebenen Verfahren in wenigstens einer seiner Ausgestaltungen hergestellt ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Rotationsmaschine, welche wenigstens eine gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente hergestellte elektrische Leistungskomponente, wie z.B. einen Stator, aufweist.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
Figur 1 : eine leistungserzeugende Komponente in Explosionsdarstellung;
Figur 2: eine teilweise Schnittansicht des Komponentenkörpers der leistungserzeugenden Komponenten; und
Figur 3: ein generativ hergestellter Wickelkopf mit Sammeleinrichtung.
Die Figuren 1-3 erläutern das vorliegende Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine anhand der generativen Herstellung eines kompletten Wickelkopfes mit Sammeleinrichtung.
Figur 1 zeigt dabei eine leistungserzeugende Komponente 10 in Explosionsdarstellung, wobei hier die leistungserzeugende Komponente 10 ein Stator einer elektrischen Rotationsmaschine ist. Dieser Stator umfasst einen Komponentenkörper 11 , der entsprechend der Statorkörper ist, der gegebenenfalls aus einem Blechpaket ausgeführt sein kann.
Im Komponentenkörper 11 sind in Spulen hier nicht dargestellte elektrische Leiter angeordnet, deren Anschlussenden 12 axial aus dem Komponentenkörper 11 herausragen. Dieser Anschlussenden 12 können die Enden von sogenannten Hairpins sein, oder aber auch die Anschlüsse einer Wellenwicklung.
Neben, in oder an den Anschlussenden 12 sind Strömungskanäle 13 ausgebildet. Durch ein generatives Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel 3-D-Druck werden komplette Wickelköpfe 20 gefertigt, die mehrere elektrische Kontaktierungselemente 21 sowie mehrere Strömungsanschlusselemente 22 aufweisen. Diese Wickelköpfe 20 werden derart am Komponentenkörper 11 angeordnet, dass die elektrische Kontaktierungselemente 21 mittels der generativen Fertigung mit den Anschlussenden 12 der elektrischen Leiter elektrisch leitfähig verbunden werden, und die Strömungsanschlusselemente 22 strömungstechnisch mit den Strömungskanälen 13 verbunden werden.
Derart lässt sich in flexibler Weise ein kompletter Wickelkopf 20 unter gleichzeitiger Realisierung der elektrischen Anschlüsse als auch der Strömungsanschlüsse erzeugen, sodass die Herstellungsprozesse der elektrischen Anschlüsse sowie auch der Strömungsanschlüsse einander nicht behindern.
Figur 2 zeigt im Schnitt einen Ausschnitt aus dem Komponentenkörper 11. Hier ist zu erkennen, dass in einer Nut 17 mehrere elektrische Leiter 14 parallel zueinander verlaufen. Zwischen den elektrischen Leitern 14 befinden sich Hohlräume 15, die mittels eines jeweiligen Isolators 16 vom Komponentenkörper 11 bzw. von benachbarten elektrischen Leitern elektrisch isoliert sind. Die Hohlräume 15 bilden Strömungskanäle 13 aus.
Die zu Figur 1 beschriebenen elektrischen Kontaktierungselemente 21 werden generativ an die elektrischen Leiter 14 angeschlossen, und die Strömungsanschlüsse Elemente 22 werden an die von den Hohlräumen 15 realisierten Strömungskanäle 13 angeschlossen.
Figur 3 zeigt einen generativ gefertigten Wickelkopf 20 in perspektivischer Ansicht. Es ist ersichtlich, dass der Wickelkopf 20 eine Vielzahl von Leitungsabschnitten umfasst, die derart angeordnet sind, um in einzelnen Nuten im Komponentenkörper befindliche elektrische Leiter zu kontaktieren und daraus durch entsprechende Verschaltungen Spulen zu bilden. Am Wickelkopf 20 sind drei elektrische Kontaktierungselemente 21 generativ ausgebildet, die zum Anschluss an eine externe Stromversorgung bzw. an einen Inverter dienen. In der hier dargestellten Ausführungsform sind an den elektrischen Kontaktierungselementen 21 Strömungsanschlusselemente 22 ausgebildet, zur Ausbildung von Kühlkanälen 31 zwecks Zu- oder Abführung eines Kühlmediums in Strömungskanäle im Komponentenkörper.
Des Weiteren ist am Wickelkopf ein Verschaltungselement 23 generativ ausgebildet, welches zum Verschalten der Phasen in Dreiecks-bzw. Sternschaltung sowie zur elektrischen Verschaltung erzeugter Wicklungsspulen parallel oder seriell dient.
Die elektrischen Kontaktierungselemente 21 bilden zusammen mit dem Verschaltungselement 23 eine Sammeleinrichtung 30 aus, die auch als Busbar bzw. Verbindungselement bezeichnet werden kann.
Durch die Integration der elektrischen Kontaktierung sowie der Strömungsanschlüsse bildet die Sammeleinrichtung 30 entsprechend mehrere multifunktionale Anschlussbereiche 32 aus.
Zur Vorbereitung der generativen Fertigung des Wickelkopfes 20 sowie der Sammeleinrichtung 30 werden bei Verwendung von Steckspulen bzw. sogenannten Hairpins diese gebogen und in den Komponentenkörper eingebracht. Die Enden der Steckspulen werden dann mittels des generativen Verfahrens mit elektrischen Kontaktierungselementen 21 ausgestattet. Bei Bedarf kann auch noch ein Teil der hergestellten Wicklung geschränkt und/oder geschweißt werden.
Bei Verwendung einer Wellenwicklung ist vorgesehen, dass eine oder mehrere Wickelmatten durch Wickeln erzeugt werden, in den Komponentenkörper eingerollt werden und dort expandieren.
Anschlussenden der Wellenwicklung werden dann mittels des generativen Verfahrens mit elektrischen Kontaktierungselementen 21 ausgestattet. Gleichzeitig mit der Erstellung der elektrischen Kontaktierungselemente 21 werden auch Strömungsanschlusselemente 22 generativ erzeugt. Die Sammeleinrichtung 30 wird durch generative Fertigung an den Anschlusselementen realisiert.
Daran anschließen kann sich ein Beschichtungsprozess, der nach dem generativen Herstellungsverfahren eine Isolationsschicht auf die Sammeleinrichtung 30 aufbringen kann, beispielsweise in einem Tauch- oder Träufelverfahren, mit dem die Oberfläche der Sammeleinrichtung 30 eine elektrisch isolierende Wirkung erhält.
Neben dem Vorteil der flexiblen Fertigung von elektrischen Anschlüssen sowie Strömungsanschlüssen geht das vorliegende Verfahren mit einer Minimierung von additiv gefertigtem Volumen einher, wodurch die für die Serienapplikation kritischen Prozesskosten und Materialkosten gesenkt werden können.
Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine lässt sich in einfacher, zeitsparender sowie flexibler Weise eine elektrische Kontaktierung einer Wicklung sowie eine strömungstechnische Verbindung zur Zuführung eines Kühlungsmediums an der leistungserzeugenden Komponente realisieren.
Bezuqszeichenliste
10 leistungserzeugende Komponente
11 Komponentenkörper
12 Anschlussende
13 Strömungskanal
14 elektrischer Leiter
15 Hohlraum
16 Isolator
17 Nut
20 Wickelkopf
21 elektrisches Kontaktierungselement
22 Strömungsanschlusselement
23 Verschaltungselement
30 Sammeleinrichtung
31 Kühlkanal
32 multifunktionaler Anschlussbereich

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente (10) einer elektrischen Rotationsmaschine, bei dem ein Komponentenkörper (11 ) sowie im Komponentenkörper (11 ) angeordnete elektrische Leiter zur Verfügung gestellt werden, und mittels generativer Fertigung an Anschlussenden (12) der elektrischen Leiter elektrische Kontaktierungselemente (21 ) erzeugt werden und mittels generativer Fertigung Strömungsanschlusselemente (22) an Strömungskanälen (13) im Komponentenkörper (11 ) erzeugt werden. Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter Hohlleiter sind und selbst Strömungskanäle (13) ausbilden, und dass Strömungsanschlusselemente (22) mittels generativer Fertigung an den Hohlleitern generiert werden. Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (13) in Bezug zu elektrischen Leitern (14) separat ausgebildet sind, und dass Strömungsanschlusselemente (22) mittels generativer Fertigung an separaten Strömungskanälen (13) generiert werden. Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (14) Steckelemente sind. Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der generativen Fertigung zumindest abschnittsweise ein Wickelkopf (20) an den Anschlussenden (12) der Steckspulen erzeugt wird.
6. Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der generativen Fertigung zumindest abschnittsweise eine Sammeleinrichtung (30) an den Anschlussenden (12) der Steckspulen erzeugt wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (14) Bestandteile einer Wicklung sind.
8. Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit der generativen Fertigung zumindest abschnittsweise eine Sammeleinrichtung (30) an den Anschlussenden (12) eines Wickelkopfes (20) der Wicklung erzeugt wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktierungselemente (21 ) und die Strömungsanschlusselemente (22) mit dem gleichen generativen Fertigungsverfahren in einem Arbeitsvorgang hergestellt werden.
10. Elektrische Rotationsmaschine, umfassend wenigstens eine gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer leistungserzeugenden Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellte leistungserzeugende Leistungskomponente
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