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Die Erfindung betrifft ein Elektromotor mit einem Stator mit einem Hairpin-Wickelsystem, bei dem die Anschlusspins der Spulen zur Herstellung des elektrischen Kontaktes mit einer Leistungselektronik über die Verschaltungsanordnung verbunden sind. Die Erfindung betrifft auch ein Elektromotor mit dem Stator und ein Fahrzeug mit dem Elektromotor. Sie findet insbesondere Anwendung in der Fahrzeugtechnik.
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Eine Hairpin-Wicklung wird aus mehreren Formstäben mit einem in der Regel rechteckigem Querschnitt, auch Hairpins genannt, gebildet, deren Enden sich jeweils an einem Wickelkopf befinden und die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wodurch sie als in Reihe geschaltete Hairpins eine Wicklung bilden. Eine oder auch mehrere parallel geschaltete Wicklungen bilden eine Spule. Ein Hairpin-Wicklungssystem eines Stators enthält in der Regel drei oder auch sechs Spulen, die jeweils einer Phase des Netzes zugeordnet sind. Die Enden der Wicklungen, die jeweils durch ein Ende eines die Wicklung begrenzenden Hairpins gebildet sind, werden als Anschlusspins bezeichnet. Bei den in das Blechpaket eines Stators eingefügten Hairpin-Wicklungen liegen die Hairpins in zueinander parallel und axial verlaufenden Nuten, wobei die Wickelköpfe auf den Stirnseiten des Blechpaketes angeordnet sind. Die Anschlusspins befinden sich dabei bevorzugt auf der gleichen Stirnseite des Blechpaketes. Zur Steuerung des Elektromotors werden die Anschlusspins mit einer Netzphase oder einem Neutralleiter verbunden werden. Das erfolgt in der Regel über eine Leistungselektronik.
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Damit die Leistungselektronik gegebenenfalls mehrere Wicklungen einer Spule, das heißt mehr als zwei Anschlusspins, mit einem gemeinsamen Kontakt versorgen kann, bzw. Anschlusspins für eine Dreiecksschaltung oder Sternschaltung untereinander verbunden werden können, sind häufig Verbindungselemente vorgesehen. Für eine Dreieckschaltung ist eine Verschaltung einzelner Anschlusspins die einer Phase zugeordnet werden, über jeweils einen Schaltring üblich. Jeder Schaltring ist mit einer Phase der Leistungselektronik bzw. dem Nullleiter verbunden. Dabei ist unter einem Schaltring nicht zwingend ein geschlossener Ring zu verstehen, sondern in der Regel ein Ringabschnitt der einen bestimmten Winkelbereich abdeckt innerhalb dem alle Anschlusspins liegen, die mit einer gleichen Phase verbunden werden sollen. Die Schaltringe, auch ringförmige Stromschienen genannt, weisen Kontaktstellen auf, in einer gleichen Anzahl wie jeweils mit dem Schaltring Anschlusspins kontaktiert werden. Außerdem weisen sie eine Schnittstelle zur elektrischen Kontaktierung mit einer Phase einer Leistungselektronik auf. Die Schaltringe bilden gemeinsam die Verschaltungsanordnung.
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Im Stand der Technik der leistungsstarken Elektroantriebe auf Basis der Hairpin-Technologie sind bereits Lösungen für Verschaltungsanordnungen bekannt, die insbesondere eine dauerhafte und zuverlässige Kontaktierung der Anschlusspins des Hairpin-Wicklungssystems trotzt mechanischer und thermischer Wechselbelastungen des Elektroantriebs gewährleisten. Die Lösungen sind insbesondere angepasst an die räumliche Anordnung der Leistungselektronik und des Elektromotors und die Platzverhältnisse dazwischen.
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So ist aus der
US 2003/0094879 A1 eine zentralisierte Stromverteilereinheit für einen bürstenlosen Fahrzeugmotor mit mehreren Stromschienen und einem Isolierhalter mit mehreren Haltenuten, die die Stromschienen halten, bekannt. Die Stromschienen sind in einer Richtung vorgebogen, um eine Ringform auszubilden. Abgewinkelte Anschlussabschnitte der Stromschienen stehen von einem eingebetteten Bereich der Stromschiene in einem rechten Winkel radial nach außen ab.
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Eine ähnliche Lösung ist in der
DE 10 2018 219 539 A1 offenbart, in der eine Verschaltungsanordnung einer elektrischen Maschine mit einer Mehrzahl von Schaltringen in einem gemeinsamen Träger beschrieben ist, wobei Leitungsanschlüsse direkt an den Schaltringen in einem tangential ausgerichteten Teilbereich der Schaltringe starr an diesen angebracht sind. Die starre Anbindung erfolgt hier mittelbar über ein Verbindungsstück, dort Stromschiene genannt, welches den jeweiligen Schaltring vorteilhaft dreiseitig flächig umschließt um eine große Kontaktfläche zu schaffen und auf dem der Leitungsanschluss mit einer Stirnfläche ganzflächig aufsitzt.
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Ferner ist in der
DE 10 2019 202 911 A1 eine Verschaltungsanordnung für den Außenanschluss eines Stators offenbart, die eine Halterung und geformte Stromschienen umfasst. In der Halterung werden die Stromschienen zueinander angeordnet und gegeneinander elektrisch isoliert gehalten. Die Stromschienen sind Biegeteile, die drei verschiedene Bereiche aufweisen. Ein erster Bereich weist eine Anschlussstelle zum Verbinden mit einem Außenanschluss auf, zwecks elektrischer Kontaktierung der Stromschiene. In einem zweiten Bereich befinden sich die Verbindungsstellen zum Verbinden der Stromschiene mit der Statorwicklung. Die Verbindungsstellen werden durch einfach abgewinkelte Füße gebildet, deren Breite und Abstand durch die Breite und den Abstand der Anschlusspins vorgegeben ist. Der erste und der zweite Bereich liegen bevorzugt in zueinander parallelen Ebenen und sind über den dritten Bereich miteinander monolithisch verbunden. Die dort beschriebenen Stromschienen zeichnen sich dadurch aus, dass die Winkel zwischen dem ersten und dritten Bereich bzw. zwischen dem zweiten und dritten Bereich von rechten Winkeln abweichend sind, womit die Stromschiene eine geringfügige Elastizität erhält. Durch die Vielzahl der Biegestellen sind die Stromschienen vergleichsweise aufwendig herstellbar und auch Schwingungsanfällig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor mit einem Stator mit Hairpin-Wicklungssystem und einer Verschaltungsanordnung bereitzustellen, bei der die Stromschienenmit wenig Biegeaufwand herstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird für einen Elektromotor mit einem Stator mit Hairpin-Wicklungssystem, bei dem aus einer Stirnfläche des Stators kreisringförmig angeordnete Anschlusspins des Hairpin-Wicklungssystems in axialer Richtung des Stators ragen, und einer Verschaltungsanordnung, die eine Halterung und wenigstens drei Stromschienen enthält, die jeweils drei Bereiche aufweisen, einen ersten Bereich für je eine Anschlussstelle zur elektrischen Kontaktierung, einen zweiten Bereich mit Verbindungsstellen zur Kontaktierung je eines der Anschlusspins und einen dritten Bereich, wobei der dritte Bereich, jeweils den ersten Bereich und den zweiten Bereich verbindet und die zweiten Bereiche wenigstens teilweise durch einen Ringabschnitt mit einem gleichen Radius gebildet sind, dadurch gelöst, dass die Verbindungsstellen (5) durch an den Ringabschnitten oder einer nach innen gerichteten radialen Auskargung eines der Ringabschnittes eingebrachte Nuten gebildet sind und die Anschlussstelle wenigstens einer der Stromschienen in gleicher axiale Höhe gegenüber dem Stator angeordnet ist wie die Nuten. Die Stromschienen sind damit mit weniger Biegeaufwand herstellbar.
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Es ist von Vorteil, wenn die drei Bereiche der zweiten Stromschiene in einer Ebene liegen und die ersten Bereiche der ersten und der dritten Stromschiene zu deren dritten Bereichen im entgegengesetzten Richtungssinn abgewinkelt sind. Damit gelangen die Anschlussstellen in unterschiedliche axiale Höhen gegenüber dem Stator, womit mehr Raum in axialer Richtung für mit den Anschlussstellen zu kontaktierende Leiter geschaffen wird.
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Um einen Abstand für die Anschlussstellen vom Rotor zu schaffen sind die dritten und zweiten Bereiche vorteilhaft durch an den Ringabschnitten radial nach außen gerichtete Auskargungen gebildet, wobei sie in den zweiten Bereichen in einer Ebene mit den Ringabschnitten liegen.
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Dabei wird mehr Raum in radialer Richtung für mit den Anschlussstellen zu kontaktierende Leiter geschaffen, wenn die Auskargungen bevorzugt eine unterschiedliche Länge in radialer Richtung aufweisen, die sich in Längenunterschieden in den dritten Bereichen auswirkt.
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Bevorzugt weist der Ringabschnitt der zweiten Stromschiene in einer Umfangsrichtung eine größere Länge aufweist, als Längen der Ringabschnitte der ersten Stromschiene und der dritten Stromschiene zusammen, wobei die erste und die dritte Stromschiene so zur zweiten Stromschiene elektrisch isoliert angeordnet sind, dass deren Ringabschnitte den Ringabschnitt der zweiten Stromschiene überlappen. Die Verschaltung gewinnt durch die Überlappung der Stromschienen an Stabilität.
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Die Stabilität kann weiter verbessert werden, wenn der dritte Bereich der zweiten Stromschiene zwischen den dritten Bereichen der ersten und der dritten Stromschiene angeordnet ist.
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Auch ist es von Vorteil, wenn die Ringabschnitte der ersten und der dritten Stromschiene auf entgegengesetzten Stirnseiten des Ringabschnittes der zweiten Stromschiene angeordnet sind.
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Die Stabilität wird auch positiv beeinflusst, wenn die Halterung wenigstens alle Ringabschnitte mittelbar oder unmittelbar auf vom Stator abgewandten Deckflächen sowie inneren und äußeren Umfangsflächen überdeckt.
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Um Lagetoleranzen der Anschlusspins auszugleichen sind die Nutbreiten der Nuten bevorzugt über ein Spiel hinaus größer als die Pinbreite der Anschlusspins ist.
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Vorteilhaft ist auch eine Nuttiefe größer ist als eine Pindicke der Anschlusspins, womit die Anschlusspins jeweils über drei Seiten mit einer der Stromschienen verbunden werden. Bevorzugt ist die Verbindung eine Schweißverbindung.
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Vorteilhaft ist ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Elektromotor ausgestattet.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung der anhängenden Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
- 1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit dem Stator und der Verbindungsanordnung in perspektivischer Draufsicht,
- 2 die drei Stromschienender Verbinduingsgruppe, zueinander angeordnet, gemäß 1 und
- 3 die drei stromschien einzeln in der Ansicht A.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors mit einem Stator mit Hairpin-Wicklungssystem und einer planaren Verschaltungsanordnung anhand einer Teilansicht gezeigt. Zu sehen ist der Stator mit Hairpin-Wicklungssystem, bei dem aus einer Stirnfläche des Stators kreisringförmig angeordnete Anschlusspins des Hairpin-Wicklungssystems in axialer Richtung des Stators ragen. Auf der Seite dieser Stirnfläche befindet sich eine Verschaltungsanordnung, die eine Halterung 6 und drei Stromschienen 1, 2, 3 enthält, die genauer in den 2 und 3 zu sehen sind. Die Stromschienen 1, 2, 3 weisen jeweils drei Bereiche auf, einen ersten Bereich 11, 21, 31, für je eine Anschlussstelle 4 zur elektrischen Kontaktierung, einen zweiten Bereich 12, 22, 32 mit Verbindungsstellen 5, zur Kontaktierung je eines der Anschlusspins und einen dritten Bereich 13, 23, 33, wobei der dritte Bereich 13, 23, 33, jeweils den ersten Bereich 11, 21, 31 und den zweiten Bereich 12, 22, 32 verbindet. Die zweiten Bereiche 12, 22, 32 enthalten jeweils einen Ringabschnitt 121, 221, 321 mit einem gleichen Radius r. Alle dritten Bereiche 13, 23, 33 enthalten darüber hinaus an den Ringabschnitten 121, 221, 321 ausgebildet jeweils eine radial nach außen gerichtete Auskargung, die in einer Ebene mit dem jeweiligen Ringabschnitt 121, 221, 321 liegt, an der sie ausgebildet ist. Bei dieser Beschreibung wurde vereinfacht von einer Dicke Null für den Ringabschnitt ausgegangen, der dann in der Ebene liegt. Die radial nach außen gerichteten Auskargungen haben eine abgestufte unterschiedliche Länge, womit die ersten Bereiche 11, 21, 31 und sich damit die Anschlussstellen 4 in einem unterschiedlichen Abstand in radialer Richtung zum Stator befinden. Während die drei Bereiche 21, 22, 23 der zweiten Stromschiene in einer Ebene liegen, sind die ersten Bereiche 11, 31 der ersten und der dritten Stromschiene zu deren dritten Bereichen 13, 33 im entgegengesetzten Richtungssinn abgewinkelt. Dadurch befinden sich die Anschlussstellen 4 in unterschiedlicher Höhe in axialer Richtung des Stators. Die beiden vorgenannten Maßnahmen bedingen einander nicht, führen aber insbesondere in ihre Kombination mit wenig technischen Aufwand bei der Herstellung der Verbindungsanordnung zu bequem zugängigen Anschlussstellen und ausreichend Bauraum für die Anordnung von Leitern, wie Kabel oder Schienen, an den Anschlussstellen einer flachen Verbindungsanordnung.
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In diesem ersten Ausführungsbeispiel weist der Ringabschnitt 221 der zweiten Stromschiene eine Länge in einer Umfangsrichtung R auf, die größer ist, als die Längen der Ringabschnitt 121, 321 der ersten Stromschiene und der dritten Stromschiene zusammen. Damit können die erste und die dritte Stromschiene 1, 3 so zur zweiten Stromschiene elektrisch isoliert 1 angeordnet sein, dass deren Ringabschnitte 121, 321 den Ringabschnitt 121 der zweiten Stromschiene überlappen. Dabei sind die Ringabschnitte 121, 321 der ersten und der dritten Stromschiene auf entgegengesetzten Stirnseiten des Ringabschnittes 221 der zweiten Stromschiene angeordnet. Der dritte Bereich 23 der zweiten Stromschiene befindet sich zwischen den dritten Bereichen 13, 33 der ersten und der dritten Stromschiene.
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An der zweiten Stromschien 2 ist eine radial nach innen gerichtete Auskargung 7 vorhanden an der Nuten 8 ausgebildet sind, die die Verbindungstellen 5 bilden. Die Verbindungsstellen 5 der zweiten der ersten und dritten Stromschiene sind durch an den Ringabschnitten 121, 321 ausgebildeten Nuten 8 gegeben, wobei die Ringabschnitte 121, 321 in radialer Richtung eine Breite aufweisen, die der Summe einer Ringbreite des zweiten Ringabschnitts zuzüglich einer Breite der daran ausgebildeten radial nach innen gerichteten Auskargung 7 entspricht, sodass die Nuten 8 aller Stromschienen auf einem gedachten Kreisring liegen. Die Anschlussstelle 4 der zweiten Stromschiene ist in gleicher axiale Höhe gegenüber dem Stator angeordnet ist wie die Nuten 8.
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Die Halterung 6 überdeckt die an den Ringabschnitten 121, 221, 321 vorhanden vom Stator abgewandten Deckflächen sowie innere und äußere Umfangsflächen mittelbar oder unmittelbar, womit die Stromschienen fixiert und in ihrer Anordnung zueinander stabilisiert sind.
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Die Nuten 8 weisen eine Nutbreite b auf die über ein Spiel hinaus größer ist als eine Pinbreite der Anschlusspins. Außerdem ist deren Nuttiefe t größer ist als eine Pindicke der Anschlusspins. Damit kann eine Lagetoleranz zwischen den mit einer Stromschien zu verbindenden Anschlusspins bei der Montage ausgeglichen werden und es kann eine dreiseitige Verbindung hergestellt werden. Die Kontaktfläche zwischen der Stromschiene und dem Anschlusspin ist damit deutlich größer, als wenn der Anschlusspin nur einseitig befestigt wird, womit eine stabilere Verbindung hergestellt werden kann. Bevorzugt ist die Verbindung eine Schweißverbindung.
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Die Verbindungsanordnung wird als eine flache Verbindungsanordnung verstanden, da sie durch ihre Merkmale eine wesentlich geringere Ausdehnung in axialer Richtung des Stators im Vergleich zur radialen Ausdehnung aufweist.
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Bezugszeichen
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- 1
- erste Stromschiene
- 11
- erster Bereich der ersten Stromschiene
- 12
- zweiter Bereich der ersten Stromschiene
- 121
- Ringabschnitt der ersten Stromschiene
- 13
- dritter Bereich der ersten Stromschiene
- 2
- zweite Stromschiene
- 21
- erster Bereich der zweiten Stromschiene
- 22
- zweiter Bereich der zweiten Stromschiene
- 221
- Ringabschnitt der zweiten Stromschiene
- 23
- dritter Bereich der zweiten Stromschiene
- 3
- dritte Stromschiene
- 31
- erster Bereich der dritten Stromschiene
- 32
- zweiter Bereich der dritten Stromschiene
- 321
- Ringabschnitt der dritten Stromschiene
- 33
- dritter Bereich der dritten Stromschiene
- 4
- Anschlussstelle
- 5
- Verbindungsstelle
- 6
- Halterung
- 7
- nach innen gerichtete radiale Auskargung
- 8
- Nut
- r
- Radius
- R
- Umfangsrichtung
- b
- Nutbreite
- t
- Nuttiefe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20030094879 A1 [0005]
- DE 102018219539 A1 [0006]
- DE 102019202911 A1 [0007]