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Title:
CONNECTION OF "N"-BUSBARS IN AN ELECTRIC MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/179558
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a connection (1) of cylindrical windings of an electric motor with "n"-busbars (2) in order to produce interconnections between the individual windings, wherein the busbars (2) are geometrically arranged in three planes (3,4,5), wherein a plane (5) is defined as a concentric layer relative to the winding and follows a constant radius, wherein busbars (2) on the same plane (3) cross that busbar (2) on the other plane (4).

Inventors:
GRAMANN, Matthias (Lilienweg, Renchen, 77871, DE)
Application Number:
DE2019/100194
Publication Date:
September 26, 2019
Filing Date:
March 05, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG (Industriestraße 1-3, Herzogenaurach, 91074, DE)
International Classes:
H02K3/52
Domestic Patent References:
WO2017162568A12017-09-28
Foreign References:
EP1811634A12007-07-25
DE102010039335A12012-02-16
EP2413479A12012-02-01
DE10328720A12005-01-27
DE102014201637A12015-07-30
DE10261611A12004-07-08
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Claims:
Ansprüche

1. Verschaltung (1 ) von zylindrischen Wicklungen eines Elektromotors mit vier

Stromschienen (2) zum Herstellen von Schaltverbindungen zwischen den einzelnen Wicklungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienen (2) in drei Ebenen geometrisch angeordnet sind, wobei eine Ebene als eine

konzentrische Schicht relativ zur Wicklung definiert ist und einem konstanten Radius folgt, wobei Stromschienen (2) auf derselben Ebene (3) jene Stromschiene (2) auf der anderen Ebene (4) kreuzen.

2. Verschaltung (1 ) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass radial auf der einen Seite der Wicklungen die Stromschienen (2) auf mehr Ebenen (3, 4) verteilt sind als radial auf der gegenüberliegenden Seite der Wicklungen.

3. Verschaltung (1 ) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radial auf der einen Seite angeordneten Stromschienen (2) auf weniger Ebenen (3, 4) verteilt sind, als die radial entgegengesetzt dazu angeordneten

Stromschienen (2) verteilt sind.

4. Verschaltung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromschiene (2) mit einem ersten Ende einer Wicklung verbunden ist und mit einem zweiten Ende einer anderen Wicklung verbunden ist, wobei ein Brückenstück (7) die elektrische Verbindung der auf zwei unterschiedlichen radialen Ebenen (3, 4, 5) befindlichen Stromschiene (2) sicher stellt, wobei das Brückenstück (7) in einer senkrecht zu den radialen Ebenen (3, 4, 5)

ausgerichteten Brückenebene angeordnet ist.

5. Verschaltung (1 ) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es„n“- Brückenstücke (7) gibt, die alle in derselben Brückenebene angeordnet sind.

6. Verschaltung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Stromschienen (2) über wenigstens eine Isolierung voneinander und/oder von den jeweils den anderen Stromschienen (2) zugeordneten Wicklungen elektrisch getrennt sind.

7. Verschaltung (1 ) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Wicklungen aufgebauter Stator in radialer Richtung (6) nach innen und nach außen um die Stromschienen-Dicke (9) und die Dicke der Isolierung erweitert ist.

8. Verschaltung (1 ) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator in axialer Richtung (8) um die Dicke (10) des Brückenstücks (7) und die Dicke der Isolierung erweitert ist.

9. Verschaltung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass Stromschienen (2) der einen Ebene (3) derart ausgelegt sind, dass diese näher zu den Wicklungen angeordnet sind, als die Stromschienen (2) der anderen Ebene (4).

10. Elektromotor mit der Verschaltung (1 ) gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein mehrphasiger Motor ist.

Description:
Verschaltung von„n“-Stromschienen in einem Elektromotor

Die Erfindung betrifft eine Verschaltung von zylindrischen Wicklungen eines

Elektromotors mit vier Stromschienen, wobei diese Stromschienen als elektrische Leiterstreifen zum Herstellen von Schaltverbindungen zwischen den einzelnen

Wicklungen dienen.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Verschaltungsarten in 3-phasigen Maschinen bekannt. Beispielsweise wird in der DE 103 28 720 A1 ein Verschaltungselement für eine aus Spulen zusammengesetzte, mehrsträngige Wicklung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors, angegeben, das einen ringförmigen Träger aus einem Isoliermaterial und im Träger angeordnete Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung der Spulen und Wicklungsstränge aufweist. Zur

kostengünstigen Fertigung eines kompakten, kleinbauenden Verschaltungselements sind die Leiterbahnen von Blechteilen gebildet, die hochkant radial hintereinander gestaffelt und in Umfangsrichtung zueinander versetzt in den ringförmigen Träger eingesetzt sind. Die Blechteile sind so konfiguriert, das die Zahl von formgleichen Blechteilen so groß wie möglich ist.

Das Verwenden von Verschaltungsarten einer 3-phasigen Maschine mit einer

Wellenwicklung, wie es bisher vorgenommen wird, hat den Nachteil, dass die

Verbindung von der jeweiligen Stromschiene zu dem Draht den Stator axial, parallel zur Motorachse, erheblich verlängert, da radial innen drei Ebenen verwendet werden müssen und die Entflechtung zu den radial außen liegenden Drähten auf der Stirnfläche erfolgt. Alternativ hierzu kann die Entflechtung auf Zylinderebenen erfolgen, welche radial außen liegen. Diese würden schließlich den radialen Bauraum vergrößern. Auch eine Kombination der beiden Entflechtungen ist eine bekannte Verschaltungsart.

Hierbei erfolgt eine Teil-Entflechtung auf der Stirnfläche und die restliche Teil- Entflechtung auf den äußeren Zylinderflächen, wodurch sowohl die axiale Länge als auch der radiale Bauraum um den entsprechenden Entflechtungsteil vergrößert wird. Weiterhin offenbart zum Beispiel die DE 10 2014 201 637 A1 ein Verfahren zum

Herstellen eines Stators, der mehrere Statorpole und wenigstens eine Stromschiene zum elektrischen Verbinden der Enden der Wicklungen unterschiedlicher Statorpole aufweist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromschiene mehrteilig ausgebildet ist und mehrere Halteteile, an denen jeweils wenigstens ein Wickeldraht fixierbar ist, und ein Verbindungsteil zum elektrischen Verbinden der Halteteile aufweist, und dass zeitlich vor einem Wickelvorgang zunächst die Halteteile an einem

Trägerbauteil angeordnet werden und anschließend der Wickelvorgang erfolgt, bei dem wenigstens ein Wickeldraht auf Statorzähne aufgewickelt und an den Halteteilen fixiert wird. Zeitlich nach dem Wickelvorgang wird die Stromschiene dadurch

zusammengesetzt, dass die Halteteile mittels des Verbindungsteils elektrisch leitend verbunden werden.

Auch wird in der DE 102 61 611 A1 ein Verschaltungselement für eine aus Spulen zusammengesetzte, mehrsträngige Wicklung einer elektrischen Maschine,

insbesondere eines bürstenlosen Kleinmotors, offenbart, das einen Träger aus

Isoliermaterial und auf dem Träger angeordnete elektrische Leiterstreifen zum

Herstellen von Schaltverbindungen zwischen den Spulen aufweist. Zur Verringerung der Werkstoffkosten sind die Leiterstreifen als gebogene Drähte ausgeführt, die vorzugsweise in im Träger ausgebildeten Rinnen eingelegt und mittels zweier ringförmiger Abdeckelemente aus Isoliermaterial festgelegt sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verschaltung für Stromschienen bereitzustellen, welche es ermöglicht, sowohl die axialen als auch die radialen

Dimensionen zu verkleinern. Durch den Einsatz einer solchen Verschaltung in einen Elektromotor soll Bauraum bei gleichbleibender Leistung gespart werden. Insbesondere sollen die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile abgestellt werden oder zumindest gemindert werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird bei einer gattungsmäßigen Vorrichtung

erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die bevorzugt vier Stromschienen in einer minimalen Anzahl von bevorzugt drei Ebenen geometrisch angeordnet sind, wobei eine Ebene als eine konzentrische Schicht relativ zur Wicklung definiert ist und einem konstanten Radius folgt, wobei Stromschienen auf derselben Ebene jene Stromschiene auf der anderen Ebene kreuzen, d.h. das„Entflechten“ kann beliebig oft in diesen hier genannten zwei Ebenen stattfinden. Es können durch diese Art der Anordnung, die Ausmaße der Stromschienenbereiche zur Verschaltung einer Wicklung optimiert werden. Eine bauraumoptimierte Lösung ist also die Folge. Mit einer

Stromschienenverteilung auf den besagten drei Ebenen ist auch eine Realisierung von vielphasigen Motoren, d.h. mehr als 3-phasigen Motoren, möglich.

Durch den Einsatz einer derartigen Verschaltung und einer geschickten Kreuzung (Entflechtung) der verbauten Ebenen, kann im Idealfall die Verschaltung nahezu bauraumneutral und insgesamt mit nur minimalsten Verlängerungen der Stator- Dimensionen realisiert und bereitgestellt werden. In anderen Worten, bei der Annahme von vier vorhandenen Stromschienen, kreuzen zwei Stromschienen, welche auf einer Ebene liegen, jene eine Stromschiene, welche auf der anderen Ebene liegt. Bei einem Innenläufer, wie er exemplarisch auch in der Zeichnung wiedergegeben ist, liegt die Ebene mit der einen einzelnen Stromschiene radial weiter innen als die Ebene mit den zwei Stromschienen. Die vierte Stromschiene hat weder Einfluss auf die äußere als auch auf die innere Erweiterung der radialen Dimensionen und wird später genauer beschrieben.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.

So ist es beispielsweise bei einem Innenläufer zweckmäßig, wenn radial auf der einen Seite der Wicklungen, bspw. außen von den Wicklungen / radial außerhalb der

Wicklungen, die Stromschienen auf mehr Ebenen verteilt sind als radial auf der gegenüberliegenden Seite der Wicklung, bspw. innen von den Wicklungen / radial innerhalb der Wicklungen. Bei einem Außenläufer kann dies evtl gerade

entgegengesetzt / vice versa realisiert sein. Eine radiale Erweiterung nach außen in einem solchen Motor bietet sich an, da dies Bauraum ist, welcher (ohnehin) etwas mehr vorhanden ist. Im Inneren des Stators liegt der Rotor, dessen möglichst große

Ausbildung vorteilhaft ist, um von einem besseren Drehmoment profitieren zu können. Somit ist in mehreren radialen Ebenen nach außen die notwendige Überkreuzung der Verschaltung vorgesehen. Natürlich können die innen liegenden Bauteile / Ebenen auch außen sein bzw. vice versa.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die radial auf der einen Seite angeordneten

Stromschienen, bspw. innen, auf weniger Ebenen verteilt sind als die radial

entgegengesetzt dazu angeordneten Stromschienen, bspw. radial außen, verteilt sind, die nämlich auf einer anderen Ebene und sogar auf der anderen Seite der Wicklungen vorhanden sind. Auf diese Weise wird im Inneren des Stators für vier Stromschienen eine Ebene weniger verbaut als radial außen. Die Stromschienenbereiche zur

Verschaltung im Inneren, die die radiale Dimension des Stators beeinflussen, müssen minimal bezüglich des Radialbauraums gestaltet sein.

In anderen Worten, werden somit radial außen zwei (der Umfangrichtung folgende) Zylinderebenen / Ebenen vorgehalten und radial innerhalb der Wicklungen wird nur eine „radiale“ Ebene, Zylinderebene, ausgebildet, wenn wiederum von beispielsweise vier Stromschienen ausgegangen wird.

Insbesondere, wenn eine Stromschiene mit einem ersten Ende einer Wicklung verbunden ist und mit einem zweiten Ende einer anderen Wicklung verbunden ist, wobei ein Brückenstück die elektrische Verbindung der auf zwei unterschiedlichen radialen Ebenen befindlichen Stromschienen sicher stellt, wobei das Brückenstück in einer senkrecht zu den radialen Ebenen ausgerichteten Brückenebene angeordnet ist, dann werden die Stromschienenbereiche zur Verschaltung der Wicklungen, die die axiale Länge des Stators beeinflussen, optimiert. Eine minimale, axiale Verlängerung hat den Vorteil, dass der Antriebsstrang kürzer gehalten werden kann.

Ein weiterer Vorteil entsteht, wenn es mehrere Brückenstücke, bspw. drei

Brückenstücke gibt, die alle in derselben Brückenebene angeordnet sind. Dadurch ist, bei der Annahme von den obengenannten verwendeten vier Stromschienen, in der axialen Dimension nur eine Brückenebene für die vier Stromschienen notwendig.

Hierbei liegt die vorstehend bereits erwähnte vierte Stromschiene in der einen

Brückenebene und verbindet in dieser einen (bestimmten) Brückenebene die jeweiligen Enden der Spulen. In anderen Worten, kann im Idealfall die Verschaltung bis auf die eine Ebene, die vierte Stromschiene umfassend, axial über dem Wickelkopf bauraumneutral und insgesamt mit minimalen axialen Verlängerungen des Stators realisiert werden.

Es ist bevorzugt, wenn die Wicklungen als Stabwellenwicklungen ausgebildet sind und/oder die Wicklungen aufgrund der jeweils drei Stränge pro Wicklung, die mit jeweils beispielhaft sechs Drähten ausgebildet sind, 3x6 freie Enden ausbilden.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die jeweiligen drei Stränge mit den jeweiligen Enden der Stromschienen auf der Stirnfläche der Wicklungen laserverschweißt sind, wobei die Stirnflächen axial leicht verkürzt sind oder - in anderen Worten - mit gleichem Resultat entsprechend angeprägt sein können. Durch diese Verbindung der Drähte mit den Stromschienen, kann die Dimension des Stators in axialer Richtung unbeeinflusst bleiben.

Ein Vorteil der Verschaltung ist, wenn die Stromschienen über wenigstens eine

Isolierung voneinander und/oder von den jeweils den anderen Stromschienen zugeordneten Wicklungen elektrisch getrennt sind.

Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn ein durch die Wicklungen aufgebauter Stator in radialer Richtung nach innen und nach außen um die Stromschienen-Dicke und die Isolierungs-Dicke erweitert ist. Auf diese Weise kann jede Stromschiene isoliert von den übrigen Stromschienen und isoliert zu den Wicklungen, welche in radialer Betrachtung von den Stromschienen umgeben werden, in den jeweiligen Zylinderebenen geführt werden, ohne dass sich diese gegenseitig stören oder ungewollt berühren können. In anderen Worten können Wechselwirkungen zwischen den Stromschienen verhindert werden. Die zu verwendende Isolationsstärke kann geschickt den jeweils vorliegenden Bedingungen entsprechend angepasst werden und hat somit nur einen geringen Einfluss auf die Vergrößerung der radialen Dimensionen.

Zudem hat die Verschaltung einen Vorteil, wenn der Stator in axialer Richtung um die Brückenstück-Dicke und die Isolierungs-Dicke erweitert ist. Dies ist eine minimale Verlängerung des Stators in die axiale Richtung. Auch hierbei kann jede Stromschiene isoliert von den übrigen Stromschienen bzw. Wicklungen als Brückenstück in der Brückenebene geführt werden.

Es wird bevorzugt, wenn die Stromschienen der einen Ebene derart ausgelegt sind, dass diese näher zu den Wicklungen angeordnet sind, als die sich überkreuzenden Stromschienen der anderen Ebene. Auf diese Weise wird sowohl Bauraum als auch Material gespart.

Die Erfindung betrifft auch einen Elektromotor mit der Verschaltung gemäß den vorstehenden Aspekten, wobei der gezeigte Elektromotor ein mehrphasiger, etwa 3- phasiger Motor ist, wobei die vorgestellte Lösung aber auch für andere Phasigkeiten anwendbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung erläutert: Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht der Verschaltung ohne Darstellung der Wicklungen, die in Realität zwischen Stromschienen aufnehmenden„radialen“ Ebenen vorhanden sind.

Die Figur ist lediglich schematischer Natur und dient ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht der Verschaltung 1 von zylindrischen

Wicklungen eines Elektromotors. Die Verschaltung 1 enthält vier Stromschienen 2, welche jeweils mit dem einen Ende an einer Wicklung, das auf der radialen Innenseite des Stators liegt, verbunden ist und mit dem jeweiligen anderen Ende an einer anderen Wicklung, das auf der radialen Außenseite des Stators liegt, verbunden ist.

Außerhalb des Stators sind die drei Stromschienen 2 in zwei unterschiedlichen Ebenen 3 und 4 (Zylinderebenen selbst, nicht dargestellt) angeordnet. Hierbei sind zwei

Stromschienen 2 auf derselben Ebene 3 und die dritte Stromschiene 2 auf der anderen Ebene 4 vorgesehen. Die zwei der dargestellten Stromschienen 2 auf der Ebene 3 kreuzen die Stromschiene 2 auf der Ebene 4. An der radialen Innenseite des Stators sind drei Stromschienen 2 in einer Ebene 5 (Zylinderebene selbst, nicht dargestellt) angeordnet. Die Ebenen 3,4 und 5 vergrößern den Stator in radialer Richtung 6

Die Stromschienen 2 gehen in jeweils ein Brückenstück 7 über. Die Brückenstücke 7 liegen in einer gemeinsamen Brückenebene. Die Brückenebene ist senkrecht zu den Ebenen 3 ,4 und 5 ausgebildet. Jedes Brückenstück 7 verbindet den im Inneren des Stators in Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt einer Stromschiene 2 mit dem außerhalb des Stators in Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt derselben

Stromschiene 2. Die Brückenebene verlängert den Stator in der axialen Richtung 8.

In der Brückenebene liegt neben den Brückenstücken 7 die vierte Stromschiene 2, welche ebenfalls ein Ende einer Wicklung mit einem anderen Ende einer anderen Wicklung verbindet.

Jede Stromschiene 2 weist eine Stromschienen-Dicke 9 auf. Die Stromschienen-Dicke 9 definiert zusammen mit einer benötigten Isolierungs-Dicke (nicht dargestellt) die Dicken der jeweiligen Ebenen 3, 4 und 5 und somit die Ausmaße der

Dimensionsvergrößerung. Die Dicke der Brückenebene ist durch die Brückenschienen- Dicke 10 und die benötigte Isolierungs-Dicke (nicht dargestellt) definiert.

Eine jede Wicklung besteht aus drei Strängen 11 und jeder Strang 11 umfasst sechs Drähte (nicht dargestellt). Die Wicklungen und die Art, wie diese miteinander verbunden sind, stellen eine Stabwellenwicklung dar. Bezuqszeichenliste Verschaltung

Stromschiene(n)

Ebene mit zwei Stromschienen

Ebene mit einer Stromschiene

Ebene mit drei Stromschienen

radiale Richtung des Stators

Brückenstück(e)

axiale Richtung des Stators

Stromschienen-Dicke

Brückenstück-Dicke

Strang