Wicklungsträgers

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wicklungsträgers (das heißt eines Stators) nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ei- nen solchen Wicklungsträger nach dem Anspruch 10. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Wicklungsverschaltung eines Stators einer Elektroma- schine.

Der Stator einer Elektromaschine wird in gängiger Praxis in der sogenannten Einziehtechnologie bewickelt. Dabei werden lose Kupferspulen mit einem Schablonenwickler erzeugt und dann halbautomatisch oder vollautomatisch mit Hilfe eines Einziehwerkzeuges in die Längsrouten des Stators eingezo- gen. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die fertigungstechnisch aufwändi- gen, weiteren Prozessschritte, nämlich das manuelle Anbringen der Pha- senisolierung, das Verschalten, das Zwischen- und Entformen sowie das Bandagieren. Das Verschalten erfolgt durch ein manuelles Verlegen der Wicklungsdrähte, bei denen die Drahtenden nach einem vorgegebenen Ver- schaltungsschema miteinander kontaktiert werden, und zwar beispielhaft unter Bildung dreier Phasen sowie zumindest eines Sternpunktes.

Die obige Einziehtechnologie ist prinzipbedingt auf die Anwendung von Runddrähten beschränkt. Bei der Verwendung von Runddrähten ergibt sich jedoch ein vergleichsweise geringerer Kupfer-Füllungsgrad in den Axialnu- ten, der ein Verhältnis zwischen dem Kupferquerschnitt und dem leeren Nut- bereich der jeweiligen Axialnut wiedergibt. Anstelle der Einziehtechnologie kann der Wicklungsträger auch unter Anwendung der Hairpin-Technologie bewickelt werden. Bei der Hairpin-Technologie wird ein U-förmiger Metall- draht-Bügel verwendet, dessen stabförmige Bügelschenkel in den Axialnuten abgelegt werden. Die beiden stabförmigen Bügelschenkel sind über einen Bügelsteg miteinander verbunden. Nach dem Ablegeprozess ragen die Bü- gelschenkel des U-förmigen Metalldraht-Bügels mit ihren freien Bügelenden von einer axialen Wicklungsträger-Stirnseite ab. Die freien Bügelenden wer- den nach einem vorgegebenen Verschaltungsschema elektrisch miteinander verschaltet.

Aus der DE 10 2015 221 923 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Wicklungsträgers bekannt, bei dem elektrisch leitfähige Wicklungsstäbe in den Axialnuten eines Stators abgelegt werden. Die Sta- benden der in den Axialnuten abgelegten Wicklungsstäbe überragen die axi- alen Stator-Stirnseiten. Beim Verschaltungsprozess werden die Stabenden in Durchführungen einer Leiterplatte eingesteckt. Anschließend werden die Stabenden um ca. 45° in eine Kontaktposition schräg abgestellt, in der die Stabenden elektrisch mit einer auf der Leiterplatte befindlichen Stromschiene kontaktiert werden.

Der obige Biegeprozess, in dem die Stabenden der Wicklungsstäbe in ihre schräggestellten Kontaktposition abgestellt werden, ist mit einem entspre- chenden Werkzeugaufwand sowie mit einer entsprechenden Prozessdauer verbunden. Zudem ergibt die elektrische Kontaktierung zwischen den schräg abgestellten Stabenden der Wicklungsstäbe und der auf der Leiterplatte an- geordneten Schiene einen insgesamt bauraumintensiven Wickelkopf.

Aus der EP 1 578 003 ist eine Elektromaschine mit einer Vorrichtung zum Verschalten von Leitungen des Wicklungssystems bekannt. Die Vorrichtung zur Verschaltung der Leitungen des Wicklungssystems weist eine flexible Leiterplatte auf, die an einer radial äußeren Mantelfläche des Stators ange- bracht ist und mit den in den Axialnuten des Stators abgelegten Leitungen verbindbar ist. Die Ausgangsbasis der Erfindung ist ein konventioneller Hairpin-Stator. Kon- ventionelle Hairpins verursachen einen beidseitig hohen Wickelkopf sowie das einseitige Verschränken einen entsprechenden Werkzeugaufwand. Eine Laserverschweißung der verschränkten Enden verursacht hohe Prozesszei- ten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Wicklungsträger (das heißt einen Stator) für eine Elektromaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wicklungsträgers bereitzustellen, bei dem eine im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch einfache sowie betriebssichere Wicklungsverschaltung ermöglicht ist.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Be- vorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offen- bart.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 werden die Stabenden der Wicklungsstäbe nicht mit einer auf der Leiterplatte angeordneten Strom- schiene elektrisch kontaktiert, sondern vielmehr unmittelbar mit zumindest einer Leiterbahn der Leiterplatte elektrisch kontaktiert, die in üblicher Weise aus einer dünnen Kupfer-Schicht zum Beispiel geätzt oder auf andere Weise aufgebracht wird.

Ein Vergleich zum Stand der Technik relevanter Fertigungsaspekt besteht darin, dass das jeweilige Stabende mit einem Überstand die Leiterplatten- Durchführung überragt, der nach erfolgter elektrischer Kontaktierung ohne eine zusätzliche Biegebearbeitung in axialer Flucht mit dem Stabende sowie der Leiterplatten-Durchführung ausgerichtet bleibt.

Im Vergleich zur eingangs erwähnten Ausgangsbasis der Erfindung (das heißt konventionelle Hairpins) fallen erfindungsgemäß mit Hilfe der Leiter- platte die aufwendigen Prozessschritte, nämlich ein Verschränken oder ein einzelnes Laserverschweißen, sowie der Nachteil der schwer einzubringen- den Phasenisolation weg. Der Öffnungsrandbereich der Leiterplatten-Durchführung ist bevorzugt von einem Leitermaterial der Leiterbahn gebildet. In diesem Fall kann das durch die Leiterplatten-Durchführung gesteckte Stabende elektrisch leitend, zum Beispiel durch Löten oder durch Laserschweißen, an die Leiterbahn ange- bunden werden.

In einer technischen Umsetzung kann der jeweilige Wicklungsstab nach dem Ablegeprozess von beiden gegenüberliegenden axialen Wicklungsträger- Stirnseiten mit je einem Stabende abragen. In diesem Fall können an den beiden axialen Wicklungsträger-Stirnseiten jeweils eine Leiterplatte angeord- net sein, die mit dem jeweiligen Stabende elektrisch verschaltet wird, wie es oben angegeben ist.

Die Leiterbahnen können beliebig in der Leiterplatte angeordnet ist. Insbe- sondere können sich auf allen vorhandenen Lagen der Leiterplatte Leiderb- ahnen befinden.

In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Leiterplatte beidseitig Leiter- bahnen aufweisen, die mit dem Stabende elektrisch kontaktierbar sind. Al ternativ oder zusätzlich dazu kann die Leiterplatte einen Mehrlagenaufbau aufweisen, bei dem eine Mehrzahl von Teil-Leiterplatten übereinander ge- stapelt sind. Die Teil-Leiterplatten können gegebenenfalls zumindest teilwei- se in Stapelrichtung in Flucht hintereinander positionierte Durchführungen aufweisen, durch die das Stabende des Wicklungsstabes gesteckt ist. Das Stabende kann dabei bevorzugt mit einer der Teil-Leiterplatten elektrisch kontaktiert sein.

Eine durchgängige Durchführung des Stabes durch die Teil-Leitplatten ist nicht zwingend erforderlich. Anstelle dessen kann bei einer elektrischen Kon- taktierung an zum Beispiel die erste Teil-Leiterplatte der Stab an der ersten Teil-Leiterplatte enden, ohne dass in den folgenden Teil-Leiterplatten Durch- führungsöffnungen vorzuhalten sind. Sollte dagegen der Stab mit der zweiten Teil-Leiterplatte elektrisch kontaktiert werden, so kann dieser durch eine Durchführungsöffnung der ersten Teil-Leiterplatter geführt werden und an der zweiten Teil-Leiterplatte enden.

Der Mittelstab ist mit seinem Stab-Mittel bereich in der jeweiligen Axialnut ab- gelegt. An dem Stab-Mittelbereich schließt sich zumindest ein, den Wick- lungsträger axial überragendes Stabende an. Im Hinblick auf einen gestei- gerten Kupfer-Füllungsgrad ist es bevorzugt, wenn der Stab-Mittelbereich einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist. Auf diese Weise können die Wi- ckelstäbe in hoher Packungsdichte in der jeweiligen Axialnut gestapelt wer- den. Das am Stab-Mittel bereich anschließende Stabende kann - im Ver- gleich zum Stab-Mittelbereich - querschnittsreduziert oder in etwa quer- schnittsgleich sein und einen runden Querschnitt aufweisen, der in eine als Kontaktbohrung ausgebildete Leiterplatten-Durchführung mit geringem Loch- spiel einsteckbar ist.

Es ist hervorzuheben, dass die Stäbe nicht außerhalb der Nut zwangsläufig gerade verlaufen müssen. Alternativ dazu können die Stäbe untereinander aufgeweitet bzw. gebogen werden, um in die Leiterplatte ohne Verjüngung eintauchen zu können. Wie bereits oben erwähnt, können das Quer- schnittsprofil am Stabende und am Stab-Mittel bereich unterschiedlich sein, während deren Querschnittsflächen weitgehend gleich bleiben. Beispielhaft kann der Stab-Mittel bereich einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen, während die Stab-Enden in einem Quetschvorgang einen Rundquerschnitt erhält. Entsprechend können das Stabende und der Stab-Mittelbereich un- terschiedliche Querschnittsgeometrien aufweisen, während deren Quer- schnittsflächen weitgehend identisch sein können.

Durch das Verlöten bzw. durch die Laserschweißverbindung kann der Wi- ckelstab gleichzeitig mechanisch an der Leiterplatte gehalten werden und elektrisch mit dieser verbunden werden.

Im Falle einer Lötverbindung zwischen dem Stabende und der Leiterplatte ist es bevorzugt, wenn der Lötvorgang sämtlicher Stabenden einer jeweiligen axialen Wicklungsträger-Stirnseite in einem Lötbad erfolgt. Zudem ist es im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der Elektromaschine bevorzugt, wenn mehrere Wicklungsstäbe in einer jeweiligen Axialnut des Wicklungsträgers angeordnet werden. Alternativ dazu können jedoch die Wicklungsstäbe auch nacheinander einzeln direkt in die Axialnuten des Wicklungsträgers abgelegt werden.

Beim elektrischen Verschalten der in den Axialnuten abgelegten Wicklungs- stäbe ist es bevorzugt wenn wenigstens zwei der Wicklungsstäbe elektrisch nicht parallelen geschaltet sind. Um sogenannte Skin-Effekte zu reduzieren, kann es zudem von Vorteil sein, wenn in einer Axialnut mehrere Wicklungs- stäbe parallel geschaltet sind.

Die auf der Leiterplatte aufgeätzten (oder auf andere Weise aufgebrachten) Kupferbahnen können in beliebiger Weise appliziert sein. Beispielhaft kann die Leiterplatte mehrere Lagen von Kupferleiterbahnen aufweisen. Auf der Leiterplatte können zusätzlich auch Phasen-Anschlusselemente zur Verbin- dung mit der Leistungselektronik der Elektromaschine und/oder weitere elektrische Bauteile appliziert sein.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefüg- ten Figuren beschrieben:

Es zeigen: Fig. 1 in einer perspektivischen Teilansicht einen Stator nach erfolg- tem Verschaltungsprozess;

Fig. 2 in einer Ansicht entsprechend der Fig. 1 den Stator mit davon noch demontierter Leiterplatte;

Fig. 3 bis 5 jeweils Teilseitenansichten, anhand derer ein Verschaltungs- prozess veranschaulicht ist; und Fig. 6 in einer schematischen Darstellung eine elektrische Kontaktie- rung zwischen einem Stabende eines Wicklungsstabes mit ei- ner mehrlagigen Leiterplatte.

In der Fig. 1 ist ein zylindrischer Stator 1 einer Elektromaschine gezeigt, der radial innen eine Rotorbohrung 3 begrenzt, in der ein nicht dargestellter Ro- tor drehbar um eine Rotorachse R gelagert ist. Der Stator 1 weist nach innen gerichtete, in Umfangsrichtung winkelversetzte Längsnuten 5 auf, in denen phasengeordnete Spulengruppen abgelegt sind. Die Spulengruppen sind in der Fig. 1 nicht durch Wicklungsdrähte aus einem Rundmaterial ausgebildet, sondern durch im Vergleich dazu querschnittsgrößere Wicklungsstäbe 7, wie sie in den Fig. 2 bis 5 gezeigt sind. Jeder der Wicklungsstäbe 7 weist einen in der jeweiligen Axialnut 5 abgelegten Stab-Mittelbereich 9 auf, der einen querschnittsgroßen, rechtwinkligen Stabquerschnitt aufweist. An den Stab- Mittelbereich 9 schließen sich beidseitig querschnittskleinere, zylindrische Stabenden 11 an. Die Stabenden 11 sind in der Fig. 1 über Lötverbindungen L elektrisch mit einer Kupferleiterbahn 13 kontaktiert, mittels der sämtliche, im Stator 1 abgelegten Wickelstäbe 7 miteinander elektrisch verschaltet sind.

Es ist hervorzuheben, dass eine Querschnittsreduzierung der Stabenden 11 nicht zwangsläufig erforderlich ist. Falls nicht anders möglich, ist eventuell ein Rundpressen des Rechteckdrahtes notwendig, um eine Kontaktierung sicherzustellen.

Wie aus den Fig. 2 bis 5 beispielhaft hervorgeht, sind in jeder der Axialnuten 5 insgesamt vier Wicklungsstäbe 7 mit ihren im Querschnitt rechtwinkligen Stab-Mittelbereichen 9 übereinander gestapelt. Alternativ dazu kann die An- zahl der Wicklungsstäbe 7 beliebig gewählt sein. Beispielhaft können sechs oder sogar acht Wicklungsstäbe 7 pro Axialnut 5 verwendet werden. Die Stabenden 11 der Wicklungsstäbe 7 sind in der Fig. 1 durch Kontaktbohrun- gen 15 (Fig. 2) geführt und über Lötverbindungen L mit Lötaugen 17 der je- weiligen Leiterbahnen 19 elektrisch kontaktiert. Bei der Stator-Herstellung werden zunächst in einem Ablegeprozess die Wicklungsstäbe 7 in sämtlichen Axialnuten 5 abgelegt. Anschließend erfolgt ein Verschaltungsprozess, bei dem die Wicklungsstäbe 7 miteinander elektrisch verschaltet werden. Hierzu werden gemäß der Fig. 2 oder 3 axial beidseitig des Stators 1 die Leiterplatten 13 positioniert und in einer Monta- gerichtung I auf die, von den Stator-Stirnseiten 21 abragenden Stabenden 1 1 aufgesteckt, so dass die Stabenden 21 durch die korrespondierenden Kon- taktbohrungen 15 der Leiterplatten 13 geführt sind, wie es in der Fig. 4 ge- zeigt ist, und zwar jeweils bis zu einem, auf der jeweiligen axialen Stator- Stirnseite 21 ausgebildeten Axialanschlag 23. Gemäß der Fig. 4 überragen die Stabenden 21 jeweils mit einem Überstand Aa die Leiterplatten 13. Der Überstand Aa der Stabenden 21 ist dabei nach wie vor in axialer Längsflucht zu dem jeweiligen Stabende 11 bzw. dem Stab-Mittelbereich 9 ausgerichtet.

Anschließend erfolgt eine elektrische Kontaktierung, bei der der jeweilige Überstand Aa der Stabenden 11 in Lötverbindung L mit den, die Kontaktboh- rung 15 umziehenden Lötaugen 17 der Leiterbahnen 19 gebracht wird, wie es in der Fig. 5 gezeigt ist. Die Leiterbahnen 19 sind dabei gemäß den Fig. 1 oder 2 auf der, der jeweiligen Stator-Stirnseite 21 abgeragten Leiterplatten- Seite angeordnet.

In der Fig. 6 ist in grob schematischer Darstellung eine weitere elektrische Kontaktierung zwischen einem Stabende 11 eines Wicklungsstabes 7 mit der Leiterplatte 13 gezeigt. Im Unterschied zu den vorangegangen Figuren ist in der Fig. 6 die Leiterplatte 13 als ein Mehrlagenaufbau realisiert, bei dem hier beispielhaft (das heißt nicht darauf beschränkt) zwei Teil-Leiterplatten 25 übereinander gestapelt sind. Die Teil-Leiterplatten 25 bilden die Layer einer Multilayer-Leiterplatte aus, bei der in Stapelrichtung in Flucht hintereinander positionierte Kontaktbohrungen 15 vorgesehen sind, durch die das Stabende 11 des Wicklungsstabes 7 gesteckt ist. Das Stabende 11 ist dabei über die angedeuteten Lötstellen L mit den oberen und unteren Teil-Leiterplatten 25 elektrisch kontaktiert. Wie aus der Figur 6 hervorgeht, ist an der Unterseite der unteren Teil-Leiterplatte 25 ein Lotmeniskus gebildet. Gegebenenfalls bildet sich, je nach Lotdurchstieg, auch noch an der Oberseite der oberen Teil-Leiterplatte 25 ein Lotmeniskus aus, wie es in der Fig. 6 angedeutet ist.