Elektrische Baueinheit mit einer Wicklung sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Baueinheit

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Baueinheit mit einer Wicklung, insbesondere Maschinenbaueinheit wie Stator, mit in einen Aufnahmekörper eingebrach- ten Leiterabschnitten und an diese zum Herstellen der Wicklung endseitig anschlie- ßenden elektrisch leitenden Verbindungsstrukturen, die zumindest zum Teil durch eine in einer elektrisch isolierenden Trägerstruktur eingebrachte Leiterbahnstruktur ausgebildet sind, wobei die Trägerstruktur aus mehreren Trägerstrukturteilen aufgebaut ist, die plattenartig gestaltet und in Normalenrichtung zur Plattenebene zu einem Trägerstrukturpaket aufeinander geschichtet sind und mit miteinander zur Deckung gebrachten Durchgängen zur Aufnahme von endseitigen Anschlussabschnitten der Leiterabschnitte versehen sind, welche zum Herstellen von zu erzielenden Windungen der Wicklung mit betreffenden verbindenden Leiterelementen der Leiterbahnstruktur kontaktiert sind, sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Maschinenbaueinheit mit einer Wicklung. Eine elektrische Baueinheit dieser Art ausgebildet als Stator einer elektrischen Ma- schine, sowie ein Verfahren zu Ihrer Herstellung sind in der US 2014 / 0 319 960 A1 angegeben. Bei dieser bekannten elektrischen Baueinheit und dem Verfahren sind stirnseitig einer Statoreinheit, in die stabförmige Leiterabschnitte eingelegt sind, Ba- sisplatteneinheiten aufgesetzt, die die Leiterabschnitte des Stators in vorgewählter Weise verbinden. Die rechte und die linke Basisplatteneinheit sind ihrerseits aus zwei gegeneinander und gegenüber dem Statorkörper mit ringförmigen Isolierelementen isolierten Basisplatten aufgebaut. Die Basisplatten bestehen aus einem isolierenden Trägerkörper mit darin in Nuten eingelegten metallischen Verbindungsbahnen, die ihrerseits zum Verbinden der Leiterabschnitte zu einer Spule über Verbindungsstifte miteinander verbunden sind. Die anschlussseitigen Enden der Leiterabschnitte des Stators sind in den Basisplatten durch zugeordnete Durchgangslöcher geführt. Durch diesen Aufbau ergeben sich relativ komplexe Verbindungsstrukturen auf den beiden Basisplatten mit den zwischengefügten ringförmigen Isolierelementen.

In der US 2014 / 0 014 390 A1 ist eine Baueinheit mit einem Stator für eine mehrphasige elektrische Maschine gezeigt, die mehrere in axialer Richtung aufeinander- gestapelte ringförmige Busstränge aufweist. Zur Positionierung der Busstränge sind in einem gehäuseartigen Trägerkörper domartige Montagezapfen mit schulterförmi- gen Abstufungen vorgesehen. Die Kontaktierung an den ringförmigen Bussträngen erfolgt seitlich, wobei es um die Verbindung der verschiedenen Phasen geht.

Die WO 2015 / 092 192 A2 zeigt ebenfalls eine Statorbaueinheit, bei der die Wickelköpfe mit Ringleitern ausgestattet sind. Dabei sind Anschlüsse radial außen an den Ringleitern für Phasenanschlüsse positioniert. Die WO 2014 / 129 288 A1 hat einen radial geschichteten Ringleiter in einem isolierenden Träger zum Inhalt.Eine weitere elektrische Baueinheit mit einer Wicklung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, und zwar in Form eines Stators einer elektrischen Maschine, ist in der WO 2015/158508 A1 angegeben. Bei dieser elektrischen Bau- einheit ist, wie bei derartigen Statoren üblich, eine Wicklung mit mehreren Spulen und Windungen in Nuten eines Stator-Blechpakets elektrisch isoliert eingelegt. Die in den Nuten eines sie tragenden Aufnahmekörpers eingelegten Leiterabschnitte sind an ihren stirnseitigen Enden durch jeweils einen Wickelkopf zu den Spulen der Wicklung elektrisch verbunden. Zur Herstellung des Wickelkopfs sind verschiedene Vor- gehensweisen angegeben, wobei jeweils zwei Leiterenden miteinander elektrisch verbunden werden, beispielsweise indem die Leiterenden miteinander direkt verdrillt, direkt verlötet oder mit einem Verbindungsleiter verlötet werden. Die Wicklung wird im Bereich des Wickelkopfs mit einem Isolationsmaterial vergossen. Derartige Wickelköpfe besitzen in der Regel eine relativ große Ausdehnung und beanspruchen einen relativ hohen Anteil des Bauraums der Baueinheit. Auch wird beim Betrieb relativ viel Leistung durch eine starke Erwärmung in diesem Bereich verbraucht.

Auf solche Nachteile ist auch in der DE 10 2012 206442 A1 und der DE 10 2015 218 929 A1 hingewiesen, worin besondere Maßnahmen zur Wärmeabfuhr durch Einbet- tung der Wickelköpfe vorgeschlagen sind. Beispielsweise ist in der DE 10 2012 206 442 A1 zur Auskleidung mit isolierendem Auskleidungsmaterial ein Keramikmatrixmaterial vorgeschlagen, in welches z. B. Silber- oder Kupferpartikel eingelagert sind. In der DE 10 2015 218 929 A1 sind mehrere die Wickelköpfe einbettende ringförmige Elemente sowie eine Flüssigkeitskühlung in einer Tragestruktur des Stator- gehäuses gezeigt. Die Wärmeleiteinrichtung ist beispielsweise mit einer Keramik aus Aluminiumnitrid ausgestaltet. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Baueinheit, insbesondere Maschinenbaueinheit, wie Stator, der eingangs genannten Art bereitzustellen, die bei möglichst wenig Bauraum einen möglichst effizienten Betrieb ergibt, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Baueinheit anzugeben.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Aufbaus der Baueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Für die Ausbildung der elektrischen Baueinheit ist dabei vorgesehen, dass mindes- tens eine Verbindungsstruktur durch eine in einer elektrisch isolierenden Trägerstruktur eingebrachte Leiterbahnstruktur ausgebildet ist. Mit diesen Maßnahmen wird ein geringer Bauraum mit vorteilhaften Gestaltungsmöglichkeiten der Baueinheit, insbesondere Maschinenbaueinheit erreicht, wodurch sich auch Vorteile für einen effizien- ten Betrieb ergeben. Beispielsweise können die erfindungsgemäßen Maßnahmen sowohl bei Einbringung der Leiterabschnitte in axialer Richtung als auch in radialer Richtung in die Nuten des Aufnahmekörpers angewandt werden. Die Ausbildung der Verbindungsstruktur mittels der Trägerstruktur und der darin eingebrachten Leiterbahnstruktur ergibt einen kompakten Aufbau im Bereich der Wickelköpfe, da die Trä- gerstruktur dünn ausgeführt und die Ausdehnung des Wickelkopfs gering gehalten werden kann. Dadurch lässt sich auch eine hohe Leistungsdichte erhalten. Auch lässt sich durch die Anordnung ein hoher Kupferfüllfaktor und damit auch eine hohe Effizienz der damit aufgebauten Maschine erreichen. Mit dem Herstellungsverfahren, bei dem vorgesehen ist, dass zum Ausbilden mindestens einer Verbindungsstruktur eine elektrisch isolierende Trägerstruktur mit einer eingebrachten Leiterbahnstruktur hergestellt und bereitgestellt wird, und dass die in den Aufnahmekörper eingebrachten Leiterabschnite endseitig mit betreffenden Leiterelementen kontaktiert werden, werden mit einfachen Maßnahmen vielfältige Ge- staltungsmöglichkeiten erhalten, wobei mitels der Trägerstruktur und der Leiterbahnstruktur sich die Leiterabschnite in einfacher Weise zu Windungen und darüber zu Spulen der Wicklung verbinden lassen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben. Zwar ist es denkbar, die Trägerstruktur einstückig auszubilden. Jedoch wird ein vorteilhafter Aufbau, der auch unterschiedliche Anpassungsmöglichkeiten an jeweilige Gegebenheiten ergibt, dadurch erhalten, dass die Trägerstruktur aus mehreren Trägerstrukturteilen aufgebaut ist, die zu einem Trägerstrukturpaket zusammengefasst sind.

Dabei wird ein vorteilhafter Aufbau dadurch erreicht, dass die Trägerstrukturteile plattenartig gestaltet und in Normalenrichtung zur Platenebene zu dem Trägerstrukturpaket aufeinander geschichtet sind. Weitere vorteilhafte Maßnahmen für den Aufbau bestehen darin, dass die Trägerstrukturteile mit miteinander zur Deckung gebrachten Durchgängen zur Aufnahme von endseitigen Anschlussabschniten der Leiterabschnite versehen sind und dass die Leiterabschnite zum Herstellen von zu erzielenden Windungen der Wicklung mit betreffenden verbindenden Leiterelementen der Leiterbahnstruktur kontaktiert sind.

Beispielsweise sind solche Leiterelemente durch in die Trägerstrukturteile integrierte metallische Einlagen gebildet. Für einen effizienten Betrieb bei kompakter Ausbildung ist dabei die Maßnahme von Vorteil, dass die Trägerstruktur aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, insbesondere wenn vorgesehen ist, dass die Trägerstruktur ganz oder teilweise, zu mehr als 50 %, aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit im Be- reich von 100 bis 400 W/(m*K), insbesondere von 150 bis 300 W/(m ^» k), hergestellt ist.

Zu einer hohen Effizienz tragen auch die Maßnahmen bei, dass in mindestens ein Trägerstrukturteil eine Kühlkanalanordnung mit einer Anschlussanordnung für Kühl- mittel eingearbeitet ist.

Weitere Vorteile für den Aufbau und die Funktion ergeben sich dadurch, dass in min- destens ein Trägerstrukturteil mindestens eine Komponente einer Leistungselektronik für die Steuerung einer mit dem Maschinenbauteil aufgebauten elektrischen Maschine integriert ist.

Eine für den Aufbau und die Funktion vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Trägerstruktur zumindest teilweise aus gut wärmeleitfähigem Keramikmaterial, beispielsweise Aluminiumnitrid-Material, hergestellt ist. Alternativ kann vorteilhaft auch ein Aluminiumoxid-Material oder auch ein anderes keramisches Material mit guter elektrischer Isolationsfähigkeit und gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nähme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine elektrische Baueinheit, nämlich einen Stator, mit einem Mittelteil und seitlichen Wickelköpfen nach dem Stand der Technik, in perspektivischer Ansicht, Fig. 2 einen Trägerstrukturteil zum Aufbau einer Trägerstruktur im endseitigen Bereich einer Wicklung in einer axialen Draufsicht,

Fig. 3 eine auseinandergezogene Anordnung mehrerer Trägerstrukturteile nach Fig. 2 mit eingeführten Leiterabschnitten in perspektivischer Ansicht,

Fig. 4 ein aus mehreren Trägerstrukturteilen nach Fig. 3 geschichtetes

Trägerstrukturpaket in perspektivischer Ansicht und Fig. 5 eine elektrische Maschinenbaueinheit in Form eines Stators mit auf beiden Stirnseiten angeordneten Trägerstrukturen zum Bilden einer Verbindungsstruktur von Wickelköpfen.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine elektrische Baueinheit T mit einer Wicklung, nämlich einen Stator einer elektrischen Maschine (Elektromotor, Generator), mit einem die Leiterabschnitte einer Wicklung aufnehmenden Aufnahmekörper 2 in dem mittleren Statorabschnitt 20 und zwei stirnseitig von diesem abstehenden Wickelköpfen 21 , wobei die Leiterabschnitte in Aufnahmenuten am Innenumfang des Aufnahmekörpers 2 z. B. axial eingeführt oder radial eingelegt und über die Wickelköpfe 21 zu ei- ner oder mehreren Spulen der Wicklung elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Derartige Maschinenbaueinheiten T gehören zum Stand der Technik, wobei die seitlichen Wickelköpfe einen relativ großen Bauraum beanspruchen und außerdem einer relativ hohen Aufwärmung im Betrieb unterliegen, wie eingangs ausgeführt. Um diese Probleme zu beheben, ist erfindungsgemäß, wie nachstehend anhand der Fig. 2 bis 5 beschrieben, eine Trägerstruktur 5 (vgl. Fig. 5) vorgesehen, die aus meh- reren, insbesondere mehr als zwei, beispielsweise mehr als 4 oder 6, Trägerstruktur- teilen 3 zusammengesetzt ist, wie die Fig. 2 bis 4 zeigen.

Fig. 2 zeigt ein Trägerstrukturteil 3 in axialer Draufsicht bezüglich einer (in dieser Fig. nicht gezeigten) Maschinenbaueinheit 1, wie einem Stator. Das Trägerstrukturteil 3 ist dabei plattenartig in Form einer Kreisscheibe ausgestaltet und weist eine Leiter- bahnstruktur 30 sowie dazwischenliegende Durchgänge 31 zum Einführen von Endabschnitten der Leiterabschnitte 22 auf, wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich. Beispielsweise sind die Durchgänge 31 für die Leiterabschnitte 22 entsprechend der Querschnittsform der Leiterabschnitte als sich in radialer Richtung längs erstreckende rechteckförmige Durchbrüche ausgebildet, zwischen denen die Leiterbahnstruktur 30 angeordnet ist. Die Leiterbahnstruktur 30 ist ihrerseits auf oder in einem elektrisch isolierenden Trägermaterial, vorzugsweise Keramikmaterial, wie z. B. aus Aluminiumnitrid mit einer hohen spezifischen Wärmeleitfähigkeit l z. B. im Bereich von 180 bis 220 W/(m*K), ausgebildet. Auch andere Trägermaterialien, wie Aluminiumoxid- Material und allgemeiner Keramikmaterial mit guter elektrischer Isolationseigenschaft und möglichst hoher Wärmeleitfähigkeit können verwendet werden.

Die Leiterbahnstruktur 30 wird beispielsweise dadurch ausgebildet, dass in dem jeweiligen Trägerstrukturteil 3 an vorgegebenen Stellen Aufnahmebereiche, insbesondere vertiefte Ausnehmungen eingebracht werden, in die als Leiterelemente metalli- sehe Einlagen vorzugsweise aus Kupfer eingesetzt bzw. integriert werden. Vorteilhaft werden hierzu die vorgegebenen Stellen bzw. die Ausnehmungen mit einem metallischen Belag beschichtet, der eine gut haftende und gut wärmeleitende Verbindung zwischen den Einlagen und dem Trägermaterial ergibt. Die Vertiefungen können, wie auch die Durchgänge 31 , bereits im Grünling, also noch vor einem Sinterprozess, in dem Trägerstrukturteil 3 durch ein geeignetes Formgebungsverfahrn, wie z. B. spanabhebendes Bearbeiten (Schneiden, Fräsen und dgl.) eingearbeitet werden. Die Me- tallisierung bzw. das Einbringen des metallischen Belags bzw. der Einlage kann vor- teilhaft nach dem Sintern erfolgen. In dieser Bearbeitungsphase können an einem oder mehreren Trägerstrukturteilen auch Schaltungskomponenten einer Elektronik integriert werden wie nachfolgend angegeben. Für eine einfache elektrische Isolierung bei gut leitendem Wärmeübergang ist z.B. eine einseitige Aufbringung der metallischen Einlagen auf die einzelnen Trägerstrukturteile 3 von Vorteil, jedoch lässt sich auch eine zweiseitige Aufbringung bei geeigneter gut wärmeleitender Isolierung realisieren.

Im Innern des Trägermaterials ist in das gezeigte Trägerstrukturteil 3, das z.B. dicker ausgeführt sein kann als die anderen Trägerstrukturteile 3, eine Kühlkanalanordnung 60 eingearbeitet, der über eine Anschlussanordnung 61 Kühlflüssigkeit zirkulierend zugeführt werden kann. Mit dem gut wärmeleitenden Trägermaterial und der gegebenenfalls zusätzlich vorhandenen Kühlkanalanordnung 60 mit durchströmender Kühlflüssigkeit lässt sich auch eine große anfallende Wärmemenge mit hohem Wirkungsgrad aus dem Bereich der Leiterbahnstruktur 30 und der Leiterabschnitte 22 abführen.

Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, können die Endabschnitte der Leiterabschnitte 22 über die Leiterbahnstruktur 30, beispielsweise also über die integrierten Leiterelemente, vorteilhaft zu jeweiligen Windungen einer Spule und die Spulen vorteil- haft zu der in dem Maschinenbauteil angeordneten Wicklung elektrisch kontaktiert werden. Durch einen Durchgang 31 kann ein Leiterabschnittbündel mit mehreren gegeneinander isolierten Leiterabschnitten 22 geführt werden, wie aus Fig. 4 ersichtlich. Mit dem angegebenen Aufbau lassen sich unterschiedliche Verbindungen der Leiterabschnitte 22 je nach gewünschtem Aufbau hersteilen. Wie die Fig. 3 und 4 erkennen lassen, sind dabei in den einzelnen aufeinander geschichteten Trägerstrukturteilen 3 unterschiedliche Leiterbahnstrukturen 30 angeordnet, mit denen die Endabschnitte der Leiterabschnitte 22 elektrisch kontaktiert werden. Die Kontaktierung erfolgt dabei beispielsweise so, dass die Leiterbahnstruktur 30 an den betreffenden Stellen, beispielsweise also die betreffenden metallischen Einlagen, mit den zugeordneten Endabschnitten der Leiterabschnitte 22 verlötet werden, z.B. durch Weichlöten oder Hartlöten. Hierzu sind zumindest die Endabschnitte der Leiterabschnitte 22 mit einem genügend temperaturbeständigen Isolationsmaterial umgeben, wobei nur die zu kontaktierenden Enden frei liegen. Die zu kontaktierenden Stellen der Leiterbahnstruktur 30 bzw. der metallischen Einlagen können vor- teilhaft mit einem geeigneten Flussmittel versehen sein, wie z. B. aus der SMD- bzw. SMT-Technik bekannt. Die Zuführung der für die Lötverbindung erforderlichen Wärmeenergie kann beispielsweise induktiv erfolgen.

Die Verbindung zweier Leiterabschnitte 22 zu einer Windung erfolgt über ein Lei- terelement der Leiterbahnstruktur 30. Wie Fig. 3 auch zeigt kann beispielsweise mit einer auf einem Trägerstrukturteil 3 angeordneten Leiterbahnstruktur 30 eine Sternpunktverschaltung von Phasen erfolgen (s. zweites Trägerstrukturteil 3 von links).

Wie Fig. 5 zeigt, ist die Trägerstruktur 5, die aus dem Trägerstrukturpaket 4 mit den geschichteten Trägerstrukturteilen 3 gebildet ist, stirnseitig auf dem die Leiterabschnitte 22 tragenden Aufnahmekörper 2 aufgesetzt, wobei vorzugsweise auf jeder Stirnseite eine solche Trägerstruktur 5 angeordnet ist. Die Trägerstruktur 5 ergibt ei- ne kompakte Bauweise, wobei durch den beschriebenen Aufbau mit den Kühlkanälen 60 entstehende Wärme wirkungsvoll abgeführt werden kann. Die Trägerstruktur 5 ergibt dabei vorteilhafte Anpassungsmöglichkeiten für den Aufbau der Baueinheit bzw. Maschinenbaueinheit und an den Aufnahmekörper 2 mit den Leiterabschnitten 22. Der Aufnahmekörper 2 kann dabei zusammen mit der Trägerstruktur 5 in einer gemeinsamen Ummantelung untergebracht sein. Auch kann die kompakt ausgebildete Trägerstruktur 5 mit dem Aufnahmekörper 2 beispielsweise durch Kleben oder mittels Klammern an dem Aufnahmekörper 2 angebracht sein.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvariante der in beschriebener und gezeigter Weise aufgebauten Trägerstruktur 5 besteht darin, dass, wie vorstehend angesprochen, zumindest ein Trägerstrukturteil 3 mit einer Komponente einer Leistungselektronik für die Steuerung einer mit dem Bauteil aufgebauten elektrischen Maschine versehen ist. Dadurch kann die Leistungselektronik bzw. können eine oder mehrere wärmeproduzierende Komponenten vorteilhaft ohne zusätzlichen Bauraum untergebracht und gleichzeitig mit der Kühleinrichtung in der Trägerstruktur 5 gekühlt werden. Die Komponenten der Leistungselektronik können vorteilhaft z. B. auf axial weiter außen liegenden Trägerstrukturteilen angeordnet werden. Neben der Verschal- tung der Endabschnitte der Leiterabschnitte 22 erfüllt dabei die Trägerstruktur 5 weitere Versschaltungsfunktionen und ergibt vorteilhafte Ausbaumöglichkeiten, wobei eine erreichte dreidimensionale Strukturierung zusätzliche Vorteile für die kompakte Ausbildung bietet.