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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Steckwicklung und einer Kontaktierungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung der elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Die Schrift
DE 103 15 361 A1 und das Dokument
DE 10 2014 208 082 A1 beschreiben Verfahren zur Herstellung von mehrphasigen Wicklungen einer elektrischen Maschine, wobei U-förmige Wicklungsdrähte einer Steckwicklung nach der Anordnung in Nuten eines Stators zunächst geschränkt und anschließend verschweißt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die elektrische Verschaltung von Wicklungsdrähten einer Steckwicklung zu vereinfachen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Wicklungsträger, wobei der Wicklungsträger ein Weicheisenteil mit Aufnahmen für Wicklungsdrähte ist. Insbesondere ist der Wicklungsträger ein Statorkern oder ein Rotorkern. Am Wicklungsträger sind eine Vielzahl an Wicklungsdrähten in den Aufnahmen des Wicklungsträgers angeordnet. Die elektrische Maschine weist des Weiteren eine Kontaktierungsvorrichtung auf. Die Kontaktierungsvorrichtung umfasst einen Grundkörper und eine Vielzahl an Verbindungselementen, wobei die Verbindungselemente vom Grundköper gehalten sind. Vorteilhafterweise ist der Grundkörper ringförmig. Alternativ kann der Grundkörper eine scheibenförmige oder teilkreisförmige Form aufweisen. Jedes Verbindungselement weist jeweils zwei Fixierungsbereiche auf. Jeder Fixierungsbereich kontaktiert ein Wicklungsdrahtende unterschiedlicher Wicklungsdrähte elektrisch, wodurch die Vielzahl an Wicklungsdrähten mittels der Kontaktierungsvorrichtung zu einer mehrphasigen Steckwicklung der elektrischen Maschine elektrisch verschaltet ist. Durch die elektrische Maschine entsteht der Vorteil, dass die elektrischen Verbindungen zwischen den Wicklungsdrähten langzeitstabil ausgestaltet sind und die elektrischen Verbindungen zwischen den Wicklungsdrähten im Vergleich zu bekannten Herstellungsverfahren kostengünstig gefertigt werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Fixierungsbereiche jeweils ein Aufnahmeprofil für die Wicklungsdrahtenden auf, wobei die Aufnahmeprofile parallel zur Drehachse eines Läufers der elektrischen Maschine verlaufen. Durch diese Ausgestaltung kann die Kontaktierungsvorrichtung vorteilhafterweise leicht auf die Wicklungsdrahtenden aufgeschoben beziehungsweise aufgesteckt werden, wodurch ein einfacher Fertigungsprozess und eine robuste elektrische Verschaltung der Wicklungsdrahtenden zu einer mehrphasigen Steckwicklung resultiert.
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In einer Weiterführung sind die Verbindungselemente mittels einer Presspassung an den Wicklungsdrahtenden fixiert. Durch diese Weiterführung kann vorteilhafterweise auf eine stoffliche Verbindung zwischen den Wicklungsdrahtenden und den Verbindungselementen verzichtet werden, wodurch der Herstellungsprozess vereinfacht wird. Außerdem sind die Presspassungen zwischen den Wicklungsdrahtenden und den Verbindungselementen sehr langzeitstabil.
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In einer Ausgestaltung sind die Verbindungselemente in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Läufers der elektrischen Maschine angeordnet. Durch diese Ausgestaltung wird der Vorteil erreicht, dass wenig Platz für die Kontaktierungsvorrichtung in Richtung der Drehachse des Läufers der elektrischen Maschine resultiert, weshalb die elektrische Maschine in dieser Ausgestaltung kompakt baut. Eine kompakt bauende elektrische Maschine ist in vielen Anwendungsfällen gewünscht, beispielsweise für Elektrofahrräder.
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Vorzugsweise weisen die Verbindungselemente eine wellenartige Form auf, wobei benachbarte Verbindungselemente mittels der wellenartigen Form ineinander greifen. Durch diese Ausgestaltung wird eine in Richtung der Rotationsachse des Läufers sehr kompakt bauende Kontaktierungsvorrichtung zur elektrischen Verschaltung einer mindestens dreiphasigen Steckwicklung ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführung sind die Verbindungselemente mittels des Grundkörpers der Kontaktierungsvorrichtung zueinander elektrisch isoliert. Dadurch entsteht der Vorteil, dass die Kontaktierungsvorrichtung mittels eines Mould- oder Spritzgussprozesses mit metallischen Verbindungselementen als Einlegteile kostengünstig hergestellt werden kann. Die metallischen Verbindungselemente umfassen bevorzugt Kupfer- oder Aluminiumlegierungen.
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Vorzugsweise weist der Grundkörper der Kontaktierungsvorrichtung ein Polymer, insbesondere ein Thermoplast und/oder ein Harz, auf. Dadurch wird vorteilhafterweise die elektrische Isolation zwischen den Verbindungselementen und/oder ein Mould- oder Spritzgussprozesses zur Herstellung der Kontaktierungsvorrichtung ermöglicht.
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In einer bevorzugten Weiterführung ist zumindest ein Wicklungsdraht U-förmig, insbesondere sind alle Wicklungsdrähte U-förmig. Der gebogene U-förmige Wicklungsdraht weist einen Scheitelbereich und zwei Wicklungsdrahtschenkel auf, wobei die Wicklungsdrahtschenkel insbesondere eine näherungsweise gleicher Länge aufweisen. Der Wicklungsdraht ist mit einem ersten Wicklungsdrahtschenkel in einer Aufnahme und mit einem zweiten Wicklungsdrahtschenkel in einer anderen Aufnahme des Wicklungsträgers angeordnet. Durch die Anordnung von U-förmigen Wicklungsdrähten entsteht der Vorteil, dass die Anzahl von elektrischen Verbindungstellen zwischen Wicklungsdrähten halbiert und die Anordnung der Wicklungsdrähte in den Aufnahmen des Wicklungsträgers vereinfacht wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die U-förmigen Wicklungsdrähte mit dem Scheitelbereich an einer ersten Stirnseite des Wicklungsträgers angeordnet. Dadurch entsteht der Vorteil, dass eine sehr kompakt bauende Ausgestaltung der elektrischen Maschine mit einer Kontaktierungsvorrichtung ermöglicht wird.
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Des Weiteren kann in einer alternativen Ausgestaltung die Kontaktierungsvorrichtung ein Sternpunktverbindungselement aufweisen, wobei das Sternpunktverbindungselement mindestens drei Sternpunktfixierungsbereiche aufweist. Jeder Sternpunktfixierungsbereich ist an einem Wicklungsdrahtende eines Wicklungsdrahtes einer anderen elektrischen Phase der mehrphasigen Steckwicklung fixiert, wodurch das Sternpunktverbindungselement die Wicklungsdrähte elektrisch zu einem Sternpunkt der mehrphasigen Steckwicklung verbindet. Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhafterweise auf eine zusätzliche Verschaltung des Sternpunktes außerhalb der Kontaktierungsvorrichtung verzichtet und somit der Herstellungsprozess der elektrischen Maschine vereinfacht werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung der elektrischen Maschine. Das Verfahren beginnt mit einer Bereitstellung des Wicklungsträgers. Anschließend wird die Vielzahl an Wicklungsdrähten in den Aufnahmen des Wicklungsträgers angeordnet. In einem daran anschließenden Verfahrensschritt wird die mindestens eine Kontaktierungsvorrichtung mit den Fixierungsbereichen an den Wicklungsdrahtenden angeordnet. Danach erfolgt eine Fixierung der Wicklungsdrahtenden an den Fixierungsbereichen der Verbindungselemente der Kontaktierungsvorrichtung, wodurch jedes Verbindungselement zwei unterschiedliche Wicklungsdrähte elektrisch miteinander verbindet und eine mehrphasige elektrische Steckwicklung erzeugt wird.
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Vorzugsweise erfolgt die Anordnung der Kontaktierungsvorrichtung an die Wicklungsdrahtenden durch Aufschieben der Fixierungsbereiche der Verbindungelemente auf die Wicklungsdrahtenden. Insbesondere weisen die Verbindungselemente als Fixierungsbereiche profilierte Aufnahmen für die Wicklungsdrahtenden auf. Dadurch wird die Anordnung der Kontaktierungsvorrichtung an die Wicklungsdrahtenden erleichtert.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Kontaktierungsvorrichtung vor der Anordnung der Kontaktierungsvorrichtung an die Wicklungsdrahtenden erwärmt. Die Fixierung der Wicklungsdrahtenden an den Fixierungsbereichen erfolgt in dieser Ausgestaltung durch ein Schrumpfen der Kontaktierungsvorrichtung beim Abkühlen beziehungsweise mittels einer Presspassung. Durch diese Ausgestaltung wird das Verfahren erleichtert.
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In einer alternativen oder optionalen Ausgestaltung wird die Fixierung der Wicklungsdrahtenden an den Fixierungsbereichen mittels einer stofflichen Verbindung durchgeführt, insbesondere mittels Ultraschallschweißen. Durch diese Ausgestaltung werden die Verbindungselemente an die Wicklungsdrahtenden stofflich und damit sehr langzeitstabil fixiert.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert.
- 1: Verbindungselement
- 2: Kontaktierungsvorrichtung
- 3: Wicklungsdrahtende eines Wicklungsdrahtes
- 4: Anordnungsprinzip eines Verbindungselements an einem Wicklungsdrahtende durch Aufstecken
- 5: elektrische Maschine mit Kontaktierungsvorrichtung in seitlicher Ansicht
- 6: elektrische Maschine mit Kontaktierungsvorrichtung in Ansicht von oben
- 7: elektrische Maschine mit Kontaktierungsvorrichtung und U-förmigem Wicklungsdraht
- 8: elektrische Maschine nach dem Stand der Technik ohne Kontaktierungsvorrichtung
- 9a: Aufsicht auf die erste Stirnseite des Wicklungsträgers
- 9b: abstrahierte Darstellung einer Aufsicht auf die erste Stirnseite des Wicklungsträgers
- 10: Ablauf des Verfahrens zur Herstellung der elektrischen Maschine als Blockdiagramm
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Verbindungselement 100. Das Verbindungselement 100 weist zwei Fixierungsbereiche 110 auf. Die Fixierungsbereiche 110 sind in diesem Ausführungsbeispiel zylindrische Aufnahmehohlräume. Die Fixierungsbereiche 110 können alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform beispielsweise einseitig geschlossen ausgestaltet sein. Die Fixierungsbereiche 110 sind dazu eingerichtet, auf ein Wicklungsdrahtende 310 eines Wicklungsdrahtes 300 aufgeschoben zu werden. Das Verbindungselement 100 weist ferner eine wellenartige Form auf.
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2 zeigt eine Kontaktierungsvorrichtung 200. Die Kontaktierungsvorrichtung 200 weist eine Vielzahl an Verbindungselementen 100 auf, welche von einem ringförmigen Grundkörper 210 gehalten werden. Der ringförmige Grundkörper 210 isoliert die Verbindungselemente 100 optional elektrisch voneinander. Der Grundkörper 210 kann alternativ auch scheibenförmig oder teilkreisförmig ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Verbindungselemente 100 jeweils eine Isolationsbeschichtung aufweisen. Die Verbindungselemente 100 sind in diesem Ausführungsbeispiel in einer Ebene angeordnet, wobei die Kontaktierungsvorrichtung 200 dazu eingerichtet ist, auf Wicklungsdrahtenden 310 von Wicklungsdrähten 300 eines Wicklungsträgers 550 aufgeschoben zu werden, d.h. die Ebene des Grundkörpers 210 bzw. der Verbindungselemente 100 erstreckt sich senkrecht zu der Drehachse 220 des Läufers der elektrischen Maschine 500. Die Verbindungselemente 100 greifen in diesem Ausführungsbeispiel mittels einer wellenartigen Struktur bzw. Form in jeweils benachbarte Verbindungselemente 100 ein. Dadurch wird eine sehr kompakte Ausgestaltung der Kontaktierungsvorrichtung 200 in radialer Richtung 230 und in Axialrichtung 220 des Grundkörpers 210 erreicht, da die Verbindungselemente 100 nicht auf mehrere Ebenen verteilt bzw. übereinander angeordnet werden.
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In 3 ist ein Wicklungsdrahtende 310 eines Wicklungsdrahtes 300 dargestellt. Der Wicklungsdraht 300 ist beispielsweise in einer Aufnahme eines Wicklungsträgers 500 angeordnet (nicht dargestellt). Bevorzugt ist der Wicklungsdraht 300 gerade oder U-förmig ausgestaltet und in die Aufnahmen des Wicklungsträgers 550 gesteckt. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Wicklungsdrahtende 310 eine zylindrische Form auf, wodurch das Wicklungsdrahtende 310 beispielsweise leicht in ein Verbindungselement 100 nach 1 eingeschoben werden kann. Alternativ können die Wicklungsdrahtenden 310 sowie das Hohlraumprofil des Fixierungsbereichs 110 der Verbindungselemente 100 beispielsweise rechteckig, quadratisch oder oval ausgestaltet sein. Des Weiteren weist das dargestellte Wicklungsdrahtende 310 des Wicklungsdrahtes 300 einen Anschlag 320 auf. Dieser Anschlag 320 begrenzt das Aufschieben des Verbindungselementes 100 auf das Wicklungsdrahtende 310 beziehungsweise definiert der Anschlag 320 die Position des Wicklungsdrahtendes 310 zu dem Verbindungselement 100 nach der Anordnung der Kontaktierungsvorrichtung 200.
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In 4 ist das Anordnungsprinzip eines Verbindungselements 100 an einem Wicklungsdrahtende 310 eines Wicklungsdrahtes 300 durch Aufstecken dargestellt. Das Verbindungselement 100, welches in dem Grundkörper 210 der Kontaktierungsvorrichtung 200 aufgenommen ist (hier nicht dargestellt), wird mit dem Fixierungsbereich 110, welcher eine Aufnahme mit einem zylindrischen Hohlraumprofil aufweist, auf das zylindrisch ausgeformte Wicklungsdrahtende 310 bis zum Anschlag 320 des Wicklungsdrahtes 300 aufgeschoben.
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In 5 ist eine elektrische Maschine 500 mit Kontaktierungsvorrichtung 200 in seitlicher Ansicht dargestellt. Der Wicklungsträger 550 der elektrischen Maschine 500, in diesem Ausführungsbeispiel ein Statorkern, weist Aufnahmen 560 für die Wicklungsdrähte 300 auf. Der Wicklungsträger 550 umfasst beispielsweise gestapelte Stahlbleche beziehungsweise ein Weicheisen. Die in den Aufnahmen 560 des Wicklungsträgers 550 aufgenommenen Wicklungsdrähte 300 ragen mit ihren Wicklungsdrahtenden 310 über den Wicklungsträger 550 hinaus. Die Kontaktierungsvorrichtung 200 ist mit den Fixierungsbereichen 110 an den Wicklungsdrahtenden 310 angeordnet und auf die Wicklungsdrahtenden 310 aufgeschoben bzw. aufgesteckt. Demnach nehmen die Fixierungsbereiche 110 die Wicklungsdrahtenden 310 auf, wobei die Wicklungsdrahtenden 310 in diesem Ausführungsbeispiel die Fixierungsbereiche 110 überragen. Die Fixierungsbereiche 110 sind in diesem Ausführungsbeispiel des Weiteren als zylindrisch ausgeformte Aufnahmehohlräume ausgestaltet, siehe auch 1. Die Die Fixierungsbereiche 110 sind demnach profilierte Aufnahmen für die Wicklungsdrahtenden 310, welche parallel zur Drehachse 220 des Läufers (nicht dargestellt) der elektrischen Maschine 500 bzw. zur Axialrichtung 220 des ringförmigen Grundkörpers 210 verlaufen.
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In 6 ist die elektrische Maschine 500 mit Kontaktierungsvorrichtung 200 aus 5 in einer Ansicht von oben bzw. in Draufsicht dargestellt. In dieser Ansicht ist das Ineinandergreifen der Verbindungselemente 100 leicht zu erkennen. Es wird durch die wellenartige Struktur der Verbindungselemente 100 ermöglicht. Dadurch wird die Ausdehnung des Grundkörpers 210 bzw. der Kontaktierungsvorrichtung 200 in Radialrichtung 230 sowie die Ausdehnung in Richtung der Drehachse 220 des Läufers der elektrischen Maschine 500 reduziert (der Läufer ist nicht dargestellt).
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In 7 ist eine elektrische Maschine 500 mit Kontaktierungsvorrichtung 200 und U-förmigem Wicklungsdraht 300 dargestellt. Die U-förmig gebogenen Wicklungsdrähte 300 reduzieren die Anzahl der elektrisch zu verbindenden Wicklungsdrahtenden 310 zur Verschaltung der Wicklungsdrähte 300. Beispielsweise sind alle Wicklungsdrähte 300 U-förmig gebogen, wodurch die Anzahl der elektrisch zu verbindenden Wicklungsdrahtenden 310 näherungsweise halbiert wird. Ein U-förmig gebogener Wicklungsdraht 300 weist einen Scheitelbereich 750 und zwei Wicklungsdrahtschenkel mit jeweils einem Wicklungsdrahtende 310 auf. In 7 sind alle U-förmig gebogenen Wicklungsdrähte 300 mit dem Scheitelbereich 750 auf einer ersten Stirnseite 710 angeordnet. Zur Verschaltung der Wicklungsdrahtenden 310 zu einer mehrphasigen Steckwicklung ist in diesem Ausführungsbeispiel nur eine Kontaktierungsvorrichtung 200 vorgesehen.
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Alternativ zu dem Ausführungsbeispiel aus 7 können die Wicklungsdrähte 300 gerade ausgeführt und eine erste Kontaktierungsvorrichtung 200 auf der ersten Stirnseite 710 und eine zweite Kontaktierungsvorrichtung 200 auf der zweiten Stirnseite 720 angeordnet sein. Durch dieses Ausführungsbeispiel wird der Fertigungsaufwand um das U-förmige Biegen der Wicklungsdrähte 300 reduziert, da dieses entfällt.
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In 8 ist eine elektrische Maschine 500 nach dem Stand der Technik mit einem Wicklungsträger 550, welcher Aufnahmen 560 für die Wicklungsdrähte umfasst, dargestellt. Die elektrische Maschine weist im Stand der Technik keine Kontaktierungsvorrichtung 200 und verschränkte Wicklungsdrahtenden 310 auf. Die benachbarten verschränkten Wicklungsdrahtenden 310 werden mittels einer Vielzahl von Schweißprozessen miteinander gemäß eines Verschaltungsprinzips zu einer mehrphasigen Steckwicklung verschweißt. Durch die Vielzahl an Schweißprozessen ist die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers an einer Schweißstelle der elektrischen Maschine 500 relativ hoch, wodurch in der Fertigung der elektrischen Maschine 500 ein hoher Ausschuss resultiert. Um die Anzahl an Schweißstellen im Stand der Technik zu reduzieren werden die Wicklungsdrähte 300 U-förmig gebogen, wobei der Scheitelbereich 750 aller Wicklungsdrähte 300 an einer ersten Stirnseite 710 des Wicklungsträgers 550 angeordnet wird.
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In 9a ist eine Aufsicht auf die erste Stirnseite 710 eines Wicklungsträgers 550 dargestellt. Die Wicklungsdrähte 300 sind in Aufnahmen 560 des Wicklungsträgers 550 durch ein Einstecken angeordnet. Man kann die in diesem Ausführungsbeispiel U-förmig gebogenen Scheitelbereiche 750 der Wicklungsdrähte 300 erkennen.
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In 9b stellt die Aufsicht aus 9a abstrahiert dar, wodurch das Verschaltungsprinzip der elektrischen Steckwicklung auf der ersten Stirnseite 710 mittels der U-förmig gebogenen Wicklungsdrähte 300 deutlich wird. Erfindungsgemäß erfolgt auf der am Wicklungsträger 550 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 720 die elektrische Verschaltung der Wicklungsdrähte 300 zur mehrphasigen Steckwicklung mit der Kontaktierungsvorrichtung 200, siehe beispielsweise 7.
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In 10 ist der Ablauf des Verfahrens zur Herstellung der elektrischen Maschine 500 als Blockdiagramm dargestellt. Das Verfahren beginnt mit einer Bereitstellung 810 des Wicklungsträgers 550. Der Wicklungsträger 550 weist die Aufnahmen 560 für Wicklungsdrähte 300 auf, insbesondere sind die Aufnahmen 560 Nuten, siehe beispielsweise 9. In den Aufnahmen 560 des Wicklungsträgers 550 wird in einem nächsten Schritt 820 die Vielzahl an Wicklungsdrähten 300 angeordnet. Anschließend erfolgt eine Anordnung 840 der Kontaktierungsvorrichtung 200 mit einer Vielzahl an Verbindungselementen 100 mit den Fixierungsbereichen 110 der Verbindungselemente 100 an den Wicklungsdrahtenden 310 der Wicklungsdrähte 300. Die Anordnung 840 der Kontaktierungsvorrichtung 200 an die Wicklungsdrahtenden 310 erfolgt beispielsweise durch Aufschieben der Fixierungsbereiche 110 der Verbindungelemente auf die Wicklungsdrahtenden 310, siehe auch 4.
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Abschließend wird eine Fixierung 850 der Wicklungsdrahtenden 310 an den Fixierungsbereichen 110 der Verbindungselemente 100 der Kontaktierungsvorrichtung 200 durchgeführt. Mittels der Fixierung 850 verbindet jedes Verbindungselement 100 zwei unterschiedliche Wicklungsdrähte 300 elektrisch miteinander, wodurch eine mehrphasige elektrische Steckwicklung resultiert.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Verfahren zusätzlich den Verfahrensschritt 830 einer Erwärmung der Kontaktierungsvorrichtung 200 aufweist. In dieser Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Fixierung 850 der Wicklungsdrahtenden 310 an den Fixierungsbereichen 110 mittels einer Presspassung nach dem Abkühlen der Kontaktierungsvorrichtung 200. Die Fixierung 850 kann alternativ oder zusätzlich mittels einer stofflichen Verbindung erfolgen, insbesondere mittels Ultraschallschweißen oder Kleben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10315361 A1 [0002]
- DE 102014208082 A1 [0002]
