Beschreibung Hintergrund der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und einen Stator für eine elektrische Maschine und ein Her- stellungsverfahren dafür.

Hintergrund der Erfindung Derartige elektrische Maschinen und Statoren hierfür sind in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt.

Aus der EP 1 039 616 A2 ist eine elektrische Maschine mit ei- nem Innenrotor und einem Stator bekannt, der mehrere neben- einander angeordnete Nuten aufweist. Statorwicklungen sind aus in den Nuten angeordneten Leiterstäben sowie Wicklungs- köpfe bildenden Leiterteilen aufgebaut, wobei die Leiterstäbe an ihren Enden mit den Leiterteilen vernietet sind.

Aus der DE 43 21 236 Cl ist eine mehrphasige elektrische Ma- schine mit einer Wicklung aus flachen, in Nuten eingelegten Leiterformteilen bekannt. Beim Übergang aus einer an einem Stator ausgebildeten Nut in einen Wickelkopf erfolgt eine Vergrößerung des Leiterquerschnitts des Leiterformteils in Richtung der Nutbreite. Verbindungsstellen, die alle an Wickelkopfstirnseiten liegen, sind durch Schweißen oder Löten gebildet.

Unter einer elektrischen Maschine wird hierbei sowohl ein e- lektrischer Motor als auch ein elektrischer Generator ver- standen, wobei es unerheblich ist, ob diese Maschine als rund laufende Maschine oder zum Beispiel als Linearmotor ausges-

taltet ist. Außerdem ist die Erfindung sowohl bei Innenläu- fermaschinen als auch bei Außenläufermaschinen einsetzbar.

Ein wesentlicher Faktor, der den Wirkungsgrad einer elektri- schen Maschine erheblich mitbestimmt, ist der Füllfaktor der (Stator-) Wicklung (d. h. das Verhältnis des Wicklungsdrahtvo- lumens zum Gesamtvolumen der Wicklungskammer). Ein weiterer, den Wirkungsgrad erheblich mitbestimmender Faktor ist die Gestaltung der (axial über den Statorkörper hinausragenden) Wicklungsköpfe der Statorwicklung. Da insbesondere der über den Statorkörper axial hinausragende Wicklungsteil elektro- magnetisch nicht wirksam ist, gehen die Bestrebungen dahin, diesen Teil der Wicklungen möglichst raumsparend zu gestal- ten. Dies ist insbesondere bei Mehrphasen-Maschinen wichtig, da hier die räumliche Gestaltung der Wicklungsköpfe besonders aufwendig ist.

Um den Füllfaktor der (Stator-) Wicklung zu erhöhen ist es be- kannt, in die Wicklungskammern im Querschnitt rechteckige Leiterstäbe einzubauen, die mit entsprechenden Leiterteilen in den Spulenköpfen zu den jeweiligen Wicklungen verbunden sind.

Der Erfindung zugrundeliegendes Problem Die Verbindungsstellen der Leiterstäbe in den Wicklungskam-. mern mit den Leiterteilen in den Spulenköpfen sind für die Zuverlässigkeit der jeweiligen elektrischen Maschine ein we- sentlicher Faktor. Dies gilt umsomehr, als die räumlich sehr beengten Verhältnisse im Bereich der Wicklungsköpfe eine Rei- he von bekannten Verbindungstechniken ausschließen.

Alle bekannten Konzepte haben gemeinsam, daß bei ausreichend kompaktem Aufbau die Zuverlässigkeit für den Groß-Serien- Einsatz nicht erreicht wird. Außerdem sind bekannte Vorge- hensweisen in der Herstellung sehr kostenintensiv.

Auch scheidet zum Beispiel das Punktschweißen zumindest bei Maschinen im Leistungsbereich unter einem Megawatt aufgrund der dort vorherrschenden Größenverhältnisse aus, da die Ge- fahr des Verklebens der Schweiß-Elektroden mit den zu ver- schweißenden Teilen sehr hoch ist.

Aufgabe der Erfindung Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte elektrische Maschine, die kostengünstig im Großserienbetrieb hergestellt werden kann, sowie ein Verfahren zu deren Her- stellung bereitzustellen.

Erfindungsgemäße Lösung Zur Behebung der Nachteile des Standes der Technik lehrt die Erfindung eine elektrische Maschine, die durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist sowie ein Verfahren zur Her- stellung einer solchen elektrischen Maschine.

Aufbau und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine elektri- sche Maschine mit einem Stator, der mehrere, an seinem Umfang verteilt angeordnete, Wicklungskammern bildende Nuten zur Aufnahme von wenigstens einer Statorwicklung aufweist, wobei jede Statorwicklung aus im Querschnitt im wesentlichen recht- eckigen Leiterstäben in den Wicklungskammern und Wicklungs- köpfe bildenden Leiterteilen aufgebaut ist, wobei die Leiter- stäbe an ihren Enden mit den Leiterteilen elektrisch verbun- den sind, indem jedes der Leiterteile einen im wesentlichen U-förmig gestalteten Endabschnitt mit zwei gegenüberliegenden Schenkeln aufweist, deren einander zugewandte Innenseiten mit entsprechenden Seitenflächen eines Endabschnittes eines der Leiterstäbe verbunden sind.

Diese Lösung erlaubt eine besonders sichere und, auch im Mas- senfertigungsbetrieb, kostengünstige Herstellung der Stator- wicklungen mit hervorragenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist die Verbin- dung zwischen dem Endabschnitt des Leiterstabes und dem End- abschnitt des Leiterteils eine Schicht aus Hartlot, vorzugs- weise Silberhartlot, Zinnhartlot oder dergl. auf. Alternativ dazu kann die Verbindung zwischen dem Endabschnitt des Lei- terstabes und dem Endabschnitt des Leiterteils auch eine Schicht aus Hochtemperaturweichlot, vorzugsweise mit einem Schmelzpunkt von mindestens etwa 380 Grad Celsius aufweisen.

Um zu vermeiden, daß im Bereich der Wicklungsköpfe eine Ver- dickung der Wicklung (mit dem damit verbundenen Raumproblem) entsteht, ist vorzugsweise der Endabschnitt des Leiterstabes wenigstens etwa um die Wanddicke des im wesentlichen U-förmig gestalteten Endabschnittes des Leiterteiles verjüngt. Dies ist an all den Seitenflächen vorzusehen, an denen der Endab- schnitt des Leiterteils an dem Endabschnitt des Leiterstabes anliegt.

Wenn der Endabschnitt des Leiterteils lediglich an zwei (zum Beispiel einander gegenüberliegenden) Seitenflächen des End- abschnitts des Leiterstabes zur Anlage und zur (material- schlüssigen) Verbindung kommt, kann die Packungsdichte der Wicklungslagen im Wicklungskopf gleich groß gehalten werden wie in der Wicklungsnut.

Vorzugsweise weist jeder der einander gegenüberliegenden Schenkel an seiner dem Endabschnitt des Leiterstabes zuge- wandten Innenfläche einen Vorsprung auf, der mit den entspre- chenden Seitenflächen des Endabschnittes des Leiterstabes kontaktiert. Dies erleichtert bei dem Verbindungsvorgang ei- nen definierten Ablauf des Materialschlusses.

Auf besonders einfache Weise kann die materialschlüssige Ver- bindung durch Elektro-Impuls-Schweißen ausgeführt sein.

Insbesondere bei mehrphasigen elektrischen Maschinen ist es notwendig, daß die Wicklungsköpfe zueinander seitlich ver- setzt sind. Dies ist am einfachsten dadurch zu realisieren, daß das Leiterteil über den Endabschnitt des Leiterstabes axial hinausragt und abgekröpft ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung ei- ner elektrischen Maschine mit einem Stator, der mehrere, an seinem Umfang verteilt angeordnete, Wicklungskammern bildende Nuten zur Aufnahme von wenigstens einer Statorwicklung auf- weist, wie vorstehend definiert, mit den Schritten : Einbrin- gen eines im wesentlichen rechteckigen Leiterstabes in eine Wicklungskammer, so daß an wenigstens einer Stirnseite des Stators ein Endabschnitt des Leiterstabes übersteht, materi- alschlüssiges Anbringen eines Leiterteils am überstehenden Endabschnitt des Leiterstabes, wobei das Leiterteil einen im wesentlichen U-förmig gestalteten Endabschnitt mit zwei gege- nüberliegenden Schenkeln aufweist, deren einander zugewandte Innenseiten mit entsprechenden Seitenflächen eines Endab- schnittes eines der Leiterstäbe verbunden sind.

Dabei umfassen die zwei gegenüberliegenden Schenkel die je- weiligen Seitenflächen des Endabschnittes des Leiterstabes und werden gegen diese gepreßt.

Zeitgleich oder zeitlich nachgelagert zu dem Pressen werden jeweils an den Leiterstab und an das Leiterteil elektrische Kontakt-Elektroden angelegt, durch die dann ein vordefinier- ter elektrischer Leistungs-Impuls geleitet wird, der aus- reicht um an der/den Verbindungsstelle (n) das Material zum Schmelzen zu bringen.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist dabei, daß die Stellen, an denen an den Leiterstab und an das Leiterteil die elektri- schen Kontakt-Elektroden angelegt werden, von den Preß- Stellen unterschiedlich sind. Damit wird ein Zusammenkleben

oder Verschmelzen der Kontakt-Elektroden mit den zu verbin- denden Teilen vermieden.

Erfindungsgemäß ist die Leistung des Impulses so bestimmt, daß im Bereich der Verbindungsstelle im wesentlichen keine Wärme an die Umgebung abfließt. Dies wird insbesondere da- durch erreicht, daß die Leistung in einem möglichst kurzen Zeitintervall in die zu verbindenden Teile eingeleitet wird.

Dadurch findet der Verschmelzungsvorgang so schnell statt, daß kaum Energie an die Umgebung abgegeben wird, bevor der Verbindungsvorgang beendet ist.

Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Ab- wandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.

In Fig. 1 ist eine Abwicklung eines Stators für einen Elekt- romotor gemäß der Erfindung schematisch in der Draufsicht mit geschnittenen Statorwicklungen veranschaulicht.

In den Fig. 2 und 3 ist schematisch in perspektivischer Dar- stellung veranschaulicht, wie ein Leiterstab einer Wicklung gemäß Fig. 1 mit einem den Wicklungskopf bildenden Leiterteil zu verbinden ist.

In Fig. 4 ist in einer schematischen Draufsicht veranschau- licht, wie der Leiterstab und das Leiterteil aus Fig. 2,3 zusammengepreßt und mit einem elektrischen Leistungs-Impuls beschickt werden.

In Fig. 5 ist eine alternative Ausführungsform eines Leiter- teils in einer schematischen perspektivischen Darstellung ge- zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen In Fig. 1 ist ein Abschnitt einer Abwicklung eines Stators 10 einer (nicht weiter veranschaulichten) Innenläufermotorma- schine in einer Draufsicht gezeigt, wobei die Erfindung auch für eine Außenläufermaschine einsetzbar ist. Der Stator 10 ist in der vorliegenden Ausführungsform aus übereinanderge- stapelten Blechen aufgebaut, könnte aber auch aus zu der ent- sprechenden Form gepreßten Eisenpartikeln bestehen.

Der Stator 10 hat nebeneinander angeordnete Nuten 12, durch die Wicklungskammern für die entsprechenden Statorspulen- wicklungen 14 gebildet sind. In der gezeigten Ausführungsform haben die Wicklungskammern einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei sie an ihrer dem (nicht gezeigten) Rotor zugewandten Seite Schlitze 16 haben. Jeweils zwischen zwei Schlitzen 16 sind damit Zähne 18 gebildet.

Jede Statorwicklung 14 ist aus im Querschnitt im wesentlichen rechteckigen Leiterstäben 20 gebildet, welche in die Wick- lungskammern eingebracht sind und mit Leiterteilen 22 verbun- den sind, welche Wicklungsköpfe (siehe Fig. 2) bilden. Dabei sind die Leiterstäbe 20 an ihren Endabschnitten 26 mit den Leiterteilen 22 materialschlüssig und elektrisch verbunden.

Dies ist dadurch realisiert, daß jedes der Leiterteile 22 ei- nen im wesentlichen U-förmig gestalteten Endabschnitt 30 mit zwei gegenüberliegenden Schenkeln 32,34 aufweist, deren ein- ander zugewandte Innenseiten 32a, 34a mit entsprechenden Sei- tenflächen 26a, 26b des Endabschnittes 26 eines der Leiter- stäbe 20 verbunden sind. Dabei zeigen die Fig. 2 und 3 nur die Verbindung zwischen einem Ende eines Leiterstabes 20 und einer Hälfte eines (ansonsten spiegelbildlich) aufgebauten Leiterteils 22.

Um diese Verbindung herzustellen, ist an den Seitenflächen 26a, 26b des Endabschnittes 26 des Leiterstabes 20 eine Schicht aus (Silber-) Hartlot aufgebracht.

Wie in der Ausführungsform von Fig. 3 gezeigt ist, ist der Endabschnitt 26 des Leiterstabes 20 etwa um die Wanddicke des im wesentlichen U-förmig gestalteten Endabschnittes 30 des Leiterteiles 22 verjüngt. Damit wird erreicht, daß im Bereich der Wicklungsköpfe die räumlichen Verhältnisse nicht zu sehr beengt sind, bzw. daß die Wicklungsköpfe sehr kompakt aufge- baut sein können, so daß der elektromagnetisch nicht wirksame Teil der Statorspulenwicklung relativ klein ist. Da die Lei- terstäbe 20 und die Leiterteile 22 über die beiden Seitenflä- chen 26a, 26b bzw. Innenflächen 32a, 34a miteinander verbun- den werden, wird eine sehr große Verbindungsfläche und damit eine mechanisch und elektrisch sehr sichere Verbindung er- zielt.

An den einander zugewandten Innenflächen 32a, 34a der gegenü- berliegenden Schenkel 32,34 ist jeweils ein Vorsprung 38 in Form eines von der Außenseite her eingeprägten Kegels vorge- sehen. Da, wie weiter unten im Detail erläutert ist, die Ver- bindung zwischen dem Leiterstab 20 und dem Leiterteil 22 durch Elektro-Impuls-Schweißen ausgeführt ist, wird durch diesen Vorsprung 38 bei dem Schweißvorgang eine reproduzier- bare elektrische Kontaktierung und damit ein definierter Schmelzvorgang des zu verbindenden Materials erreicht.

Bei der Herstellung einer elektrischen Maschine mit dem vor- stehend beschriebenen Stator 10 ist wie folgt vorzugehen : Zu- nächst wird ein Stator 10 (siehe Fig. 1) bereitgestellt, der die entsprechenden Nuten 12 hat. In diese Nuten 12 werden die rechteckigen Leiterstäbe 20 eingelegt, welche so bemessen sind, daß an beiden Stirnseiten des Stators 10 jeweils ein Endabschnitt 26 des Leiterstabes 20 übersteht. Durch die Ver- wendung von Leiterstäben 20, deren Form an die Gestalt der Nuten 12 angepaßt ist, kann die Packungsdichte (d. h. der Füllfaktor) gegenüber den üblichen Spulenwicklungen aus Rund- draht erheblich gesteigert werden.

Anschließend wird ein Leiterteil 22 mit dem überstehenden Endabschnitt 26 des Leiterstabes 20 verbunden. Dazu werden die beiden gegenüberliegenden Schenkel 32,34 des Endab- schnitts 30 des Leiterteils 22 an die jeweiligen Seitenflä- chen 26a, 26b des Endabschnittes 26 des Leiterstabes 20 mit- tels zweier Preß-Backen 40,42 gepreßt (siehe Fig. 4). Im Ge- gensatz zu herkömmlichen Werkzeugen zum Elektro-Impuls- Schweißen fließt durch diese Preßbacken 40,42 kein Strom.

Vielmehr werden diese lediglich durch die Kräfte F zusammen- geschoben, so daß die beiden gegenüberliegenden Schenkel 32, 34 des Endabschnitts 30 des Leiterteils 22 an die jeweiligen Seitenflächen 26a, 26b des Endabschnittes 26 des Leiterstabes 20 gepreßt werden. Dabei kommen die Spitzen der Vorsprünge 38 jeweils mit Seitenflächen 26a, 26b des Endabschnittes 26 in Berührung. Gleichzeitig mit dem Zusammenpressen und der dabei auftretenden Berührung der Vorsprünge 38 mit den Sei- tenflächen 26a, 26b werden jeweils an den Leiterstab 20 und an das Leiterteil 22 elektrische Kontakte angelegt, durch die ein vordefinierter elektrischer Leistungs-Impuls fließt, der ausreicht, um an der/den Verbindungsstelle (n) das Material zum Schmelzen zu bringen.

Wie in Fig. 4 veranschaulicht ist, sind die Stellen, an denen an den Leiterstab 20 und an das Leiterteil 22 die elektri- schen Kontakte angelegt werden, von den Stellen unterschied- lich, an denen die Preß-Backen 40,42 die beiden gegenüber- liegenden Schenkel 32,34 des Endabschnitts 30 des Leiter- teils 22 an die jeweiligen Seitenflächen 26a, 26b des Endab- schnittes 26 des Leiterstabes 20 pressen. In der gezeigten Ausführungsform wird der elektrische Leistungs-Impuls durch zwei Kontakt-Stempel 50,52 eingeleitet, die einerseits an einem Mittelsteg 56 (siehe Fig. 2,4) des Leiterteils 22 und andererseits an einer Stirnfläche 26c des Leiterstabes 20 an- gelegt werden. Selbstverständlich können auch-abhängig von den räumlichen Gegebenheiten-andere Stellen zum Einleiten des elektrischen Leistungs-Impulses an dem Leiterteil 22 bzw. dem Leiterstab 20 verwendet werden. Entscheidend ist ledig-

lich, daß die Kontaktstellen für den elektrischen Leistungs- Impuls von den Stellen unterschiedlich sind, an denen das Leiterteil 22 mit dem Leiterstab 20 verbunden (verschweißt) wird. Dadurch, daß kein elektrischer Strom durch die Kraft- einleitungsstellen fließt, wird vermieden, daß die Preß- Backen 40,42 an einem der zu verbindenden Teile ankleben.

Um den Verbindungsvorgang möglichst effizient auszuführen, wird bei einer (nicht weiter veranschaulichten) Ausführungs- form der zwei Kontakt-Stempel 50,52 zu deren Kontaktfläche mit dem jeweiligen Teil (Leiterteil 22 oder Leiterstab 20) ein Weichlot (zum Beispiel in Form eines Weichlot-Drahtes durch einen Kanal) zugeführt. Beim Einleiten des elektrischen Leistungs-Impulses schmilzt auch das Weichlot. Während die Preß-Backen 40,42 noch die beiden Schenkel 32,34 des Lei- terteils 22 gegen den Endabschnitt 26 des Leiterstabes 20 drücken, werden die Kontakt-Stempel 50,52-solange das Weichlot noch flüssig ist-von dem Leiterteil 22 bzw. Lei- terstab 20 abgehoben. Erst anschließend werden auch die bei- den Preß-Backen 40,42 zurückgezogen. Damit wird sicherge- stellt, daß keiner der Kontakt-Stempel 50,52 an dem Leiter- teil 22 oder dem Leiterstab 20 anklebt.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform des Leiterteiles 22 bzw. des Leiterstabes 20 gezeigt, bei dem das Leiterteil 22 nur mit den beiden gegenüberliegenden Schenkeln 32,34 seines Endabschnitts 30 an den Seitenflächen 26a, 26b des Endabschnittes 26 des Leiterstabes 20 anliegt. Diese Ausfüh- rungsform hat den Vorteil, daß der Abstand zu dem benachbar- ten Leiterstab 20 in der gleichen Wicklungskammer nicht durch die Verbindung des Leiterstabes 20 mit seinem jeweiligen Lei- terteil 22 beeinträchtigt wird. Hierbei kann der an das Lei- terteil 22 anzulegende Kontaktstempel 50 an das die Stirnflä- che 26c des Leiterstabes 20 übergreifende Mittelstück 56 an- gelegt werden und der an den Leiterstab 20 anzulegende Kon- taktstempel 52 an dem entgegengesetzten Ende des Leiterstabes 20 angelegt werden.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht dar- in, daß der Endabschnitt 26 keine Verjüngungen aufweisen muß, um eine in den kritischen Orientierungen (insbesondere zu den benachbarten Leiterstäben) raumsparende Verbindung zwischen den Leiterstäben 20 und den Leiterteilen 22 zu realisieren.

Die in den Fig. gezeigten Verhältnisse der einzelnen Teile und Abschnitten hiervon zueinander und deren Materialdicken sind nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr können ein- zelne Abmessungen auch von den gezeigten abweichen.