Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wicklung eines Elekt romotors und ein Herstellungsverfahren für eine derartige Wicklung.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass eine Wicklung ei nes Elektromotors in ein Blechpaket eingebracht wird, das zu deren Aufnahme Nuten aufweist. Weiterhin ist bekannt, dass bei der Wicklung von Statoren für Elektromotoren ein möglichst ho her Kupfer-Füllfaktor in Nuten des Stators dadurch realisiert wird, dass sog. Haarnadel- bzw. Hairpin-Wicklungen oder der gleichen an der Stelle herkömmlicher Wickeltechnologien unter Verwendung von einstückigem Runddraht eingesetzt werden. Hair pin-Wicklungen, hier als Synonym für alle aus Teilstücken zu sammengesetzte Wicklung verwendet, werden unter Verwendung von Flachdraht statt Runddraht hergestellt und erreichen einen Füllfaktor von ca. 60%. Herkömmliche Hairpin-Wicklungen beste hen dabei aus einem massiven Profildraht aus Kupfer mit recht eckigen Querschnittsprofil, die in Form einzelner Hairpins o- der als entsprechend geordnetes Paket zahlreicher ausgerichte ter Hairpins in die Nuten des Stators eingelegt wird. Nachfol gend wird primär auf die Herstellung eine Wicklung an einem Stator eines Elektromotors eingegangen, da eine Wicklung an einem Stator prinzipiell größer als eine Wicklung eines Rotors ist und damit auch negative Effekt hier verstärkt auftreten.

Bei der Herstellung einer Hairpin-Wicklung ergeben sich aus einem sehr aufwändigen Isolationsprozess besondere Nachteile, die aus hohen Prozesszeiten, Fertigungs- und Maschinenaufwand sowie auch zusätzlichen Materialkosten herrühren: Erst muss eine Nutisolation gefaltet und in die jeweiligen Nuten einge schossen werden, siehe z.B. US 2017/0302143 Al. Daran schließt sich nach einem vorbestimmten Anordnen der Hairpins, einem Einschieben dieser Anordnung in die Nuten des Stators hinein, ein Einschieben von so genannten Deckschiebern zum Abschließen der Nuten, ein in Schaltposition Biegen der Hairpin-Enden und dem Verschalten der einzelnen Hairpins zu einer Wicklung gemäß eines Zonenplans ein sehr Zeit-intensiver Imprägnier-Prozess an mit den Teilschritten

- Aufheizen des Stators;

- Einbringen einer Imprägniermasse durch Tränken, Tauchen, Träufeln oder ähnliche Verfahren zum Einbringen einer Impräg niermasse zumindest im Bereich der Nuten des Stators;

- Angelieren der Imprägniermasse und/oder Abtropfen überschüs siger Imprägniermasse und schließlich

- Ausbacken der Imprägniermasse, wobei die genannten Teilschritte unter vergleichsweise schlechter Prozessüberwachung stattfinden. Es ist nach dem Stand der Technik jedoch erforderlich, dass ein Stator impräg niert wird, um eine Festigkeit und Positionierung der Wicklung in den Nuten des Stators bei verbesserter thermischer Anbin dung an den Stator und zugleich elektrischer Isolation gegen über dem metallischen Stator zu gewährleisten.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein effizienteres Herstellungsverfahren und auch eine verbesserte Hairpin-Wick- lung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von An spruch 1 gelöst. Demnach werden in einem erfindungsgemäßen Verfahren alle Hairpins einer jeweils herzustellenden Hairpin- Wicklung in einer Anordnung zum nachfolgenden Einbringen in Nuten des Blechpakets des Stators fixiert und in dieser Anord nung in einem Spritzgieß-Verfahren mit einer Isolierung aus einem Kunststoff versehen, durch die die einzelnen Hairpins bis zu ihren freien Endbereichen mit Kontaktfüßen hin über ei nen durch den Kunststoff umschlossenen Wickelkopf einstückig miteinander zu einem kronenartigen Bauteil verbunden werden. Gegenüber einem vorstehend beschriebenen Imprägnierungsverfah ren weist ein Spritzguss-Verfahren eine optimierte Prozess überwachung auf und ist in der Herstellung zudem deutlich schneller als jede bekannte Imprägnierung der Hairpins, die nach dem Stand der Technik noch durch eine vorab separat zu fertigende Isolierung in den Nuten des Stators zu ergänzen ist.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung sieht als Lösung der vorste hend genannten Aufgabe daher vor, dass eine in ein genutetes Blechpaket insbesondere eines Stators einsetzbare Hairpin- Wicklung eine Isolierung aufweist, die als einstückiges Spritzguss-Teil aus einem Kunststoff realisiert ist, wobei das Spritzguss-Teil alle Bereiche der Hairpins, die zum Einschie ben in entsprechende Nuten des Stators angeordnet sind, bis auf deren Endbereiche mit Kontaktfüßen umschließt und die Hairpins im Bereich eines Wickelkopfes durch das Spritzguss- Teil zu einem Bauteil verbunden sind. Alle Bereiche der im We sentlichen U-förmig geformten Hairpins sind bis auf Kontakt füße ab deren Endbereiche isolierend von Kunststoff umschlos sen und im Bereich eines Wickelkopfes zu einem Bauteil mitei nander verbunden. Damit weisen die Hairpins selber durch den Kunststoff eine elektrisch isolierende Imprägnierung und auch die Nuten des Stators keine sonst i.d.R. durch Papierhülsen gebildete Isolierung mehr auf.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach werden nach dem Einschieben der mit Kunststoff umspritzten Hairpins in die entsprechenden Nu ten des Stators die Kontaktfüße der Hairpins zur Bildung einer Verschaltung als vorbestimmte Wicklung gebogen und ver schweißt. Nachfolgend wird ein Bereich um die elektrisch ver bundenen Kontaktfüße mit dem Stator in ein Spritzgieß-Werkzeug eingelegt und zur Ausbildung eines weiteren Wicklungs- bzw. Wickelkopfes mit einer Isolierung aus einem Kunststoff um spritzt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden in dem Schritt eines Spritzgieß-Verfahrens an einem mit Kunststoff umschlossenen Wickelkopf Nuten angeformt. Diese Nu ten werden in einer Einbaulage des Wickelkopfs als Mittel zur Bildung einer Kühleinrichtung verwendet. Damit sind in einer Ausführungsform der Erfindung im Bereich des umspritzen Wi ckelkopfes miteinander verbundene Nuten als Kühlkanäle und ra dial geschlossene Nuten zur nachfolgenden Aufnahme von Dich tungen ausgebildet. So sind an einer Hairpin-Wicklung in der Spritzguss-Isolierung des jeweiligen Wickelkopfes Mittel für eine aktive Kühlung des elektrisch isolierend umspritzen Wi ckelkopfes während des normalen Betriebs zum Abführen elektri scher Verlustleistung vorgesehen, wie es am Stator selber be reits nach dem Stand der Technik realisiert ist. Dabei liegt eine wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Erfindung darin, dass die Wickelköpfe auch bei Hairpin-Wicklungen als thermi sche Hotspots in einem Elektro-Motor erkannt wurden. Eine zu mindest für Hairpin-Wicklungen bislang genutzte Kühlung eines Wickelkopfes, die bislang nur auf Konvektion und/oder Wärmeab- strahlung beruhte, führt aufgrund der hier auftretenden elektrischen Verluste zu einer großen Spreizung zwischen Peak- und Dauerleistung des Elektromotors. Eine nun durch Kanäle auch im Bereich des Wickelkopfs vorgesehene aktive Kühlung verringert hingegen diese Spreizung zwischen Peak- und Dauer leistung und reduziert bei einer kompakten Bauweise zudem die Verluste im Wickelkopf. Damit stellte diese Ausführungsform der Erfindung lediglich eine Erweiterung eines i.d.R. bereits vorhandenen Kühlkreises dar, der nun über den Bereich der Nu ten des Stators hinaus einen geringen zusätzlichen Aufwand be deutet.

In einer Weiterbildung eines Herstellungsverfahrens werden Hairpins, die in einer Anordnung zum Einbringen in den Stator fixiert sind, in einem Spritzgießwerkzeug zu einer sog. „Sta tor-Krone" mit einem isolierenden Kunststoff so umspritzt, dass diese Stator-Krone als Gesamtbauteil in den Stator ein schiebbar ist, wie dies nach dem Stand der Technik bislang nur mit einem entsprechend geordneten Paket Hairpins durchgeführt wird, das aus zahlreichen ausgerichteten, aber lose gehaltenen einzelnen Hairpins besteht. Vorteilhafterweise sind die Hair pins gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach dem isolie renden Umspritzen so vorbereite, dass jeder Zinken bzw. Fuß der Stator-Krone eine Rastnase zur selbsttätigen Fixierung und/oder ein Wellen- oder Tannenbaum-Profil zur Positionierung an dem Stator-Paket aufweist. Im Stator sind entsprechende Hinterschnitte in den metallischen Stator-Nuten für die aus dem Kunststoff der Umspritzung gebildeten Rastnase vorgesehen. Alternativ wird eine entsprechende Verrastung der aus den Nu ten des Stators frei austretenden Zinken genutzt, so dass hier keine Modifikationen innerhalb der Nuten des Stators erforder lich sind. Dementsprechend sind an Kunststoff-Umspritzungen der Hairpins vorgesehene Verrastungen in einer Einbaulage zum Verrasten an dem umspritzten Wickelkopf gegenüberliegenden En den der Nuten des Stators ausgebildet. Es schließen sich bei einer derartigen Anordnung nachfolgend bekannt Arbeitsschritte an, in denen die überstehenden, von jeder elektrischen Isola tion freie Enden der HairPins durch gezielte Verdrillung in eine vorgegebene Position gebracht und an ihren Enden jeweils paarweise verschweißt werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Die beschriebenen Rastnasen an den Zinken wirken in diesen Schritten durch die selbsttätige Fixierung der noch nicht verschlossenen Stator-Krone jeder Verschiebung gegenüber dem Stator bzw. innerhalb der Nuten des Stators wirksam entge gen.

Vorteilhafterweise weist der Wickelkopf der Stator-Krone Kühl kanäle auf, die mit zwei begrenzenden O-Ring Nuten versehen sind. In den O-Ring-Nuten fixiert eingesetzte O-Ringe dichten den Wickelkopf im Einsatz bzw. in einer Einbaulage des Stators mit den Wickelköpfen zu einem Motorgehäuse hin ab.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen den 0- Ring-Dichtungen mindestens ein Kühlkanal vorgesehen, der zwi schen den O-Ring-Dichtungen spiralförmig verlaufend bzw. als Wendel ausgebildet ist. Dieser Kühlkanal ist zum Abtransport der elektrischen Verluste in Form von Wärme in einer späteren Einbaulage des Stators an eine Motorkühlung angeschlossen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfin dung wird ein in der vorstehend beschriebenen Weise durch ver- rastendes Einschieben einer Stator-Krone vorbereiteter Stator mit verschalteten Kontaktfüßen abschließend in ein Spritzgieß werkzeug eingelegt und ein Bereich der verschalteten Kontakt füße wird zur Ausbildung eines zweiten Wickelkopfes mit einem Kunststoff umspritzt, wobei auch der Stator selber dann mit einer elektrisch isolierenden KunststoffSchicht überzogen ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet diese Umspritzung auch unter Bildung von Nuten für Dichtungen sowie Aussparungen für Kühlkanäle statt, wie vor stehend zu der Bildung der „Stator-Krone" beschrieben. Damit weist eine in einem Stator geschlossene Hairpin-Wicklung nun zwei Wickelköpfe auf, die jeweils über eine Kühlung zum Abfüh ren elektrischer Verluste verfügen. Die Erfindung ist vorstehend ausgehend nur auf U-förmig gebo gene Hairpins in einem Stator dargestellt worden. Prinzipiell ist die Erfindung aber für alle denkbaren Pin-Wicklungen an passbar, also insbesondere I-Pins. Ebenso können neben Stator- auch Rotor-Wicklungen unter Anpassung der Erfindung entspre chend ausgebildet sein, da auch hier genutete Blechpakete ver wendet werden.

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsge mäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Ausführungs beispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Figur 1: eine dreidimensionale Ansicht einer durch Umspritzen gebildeten Stator-Krone mit einer darin fixierten An ordnung aus einzelnen Hairpins;

Figur 2: eine dreidimensionale Ansicht einer Ausführungsform eines unter Verwendung einer Stator-Krone von Figur 1 fertiggestellten Stators;

Figur 3: ein Schnitt durch die Ausführungsform des fertigge stellten Stators von Figur 2 unter Andeutung eines inneren Aufbaus mit Verschaltung im Bereich der bei den Wickelköpfe und

Figuren 4a und 4b:

Ausschnittsvergrößerungen A und B von Figur 3.

Über die verschiedenen Abbildungen und Ausführungsbeispiele hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Figur 1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer durch Um spritzen mit einem Kunststoff gebildeten Stator-Krone 1 mit einer darin fixierten Anordnung aus einzelnen Hairpins 2. Alle Hairpins 2 der in einem hier nicht dargestellten Stator 3 her zustellenden Hairpin-Wicklung sind in dieser Anordnung zum nachfolgenden Einschieben in Nuten 4 des hier nur ein Blechpa ket umfassenden Stators 3 ausgerichtet fixiert. Diese Anord nung von Hairpins 2 wurde in einem Spritzgieß-Verfahren mit einer Isolierung aus Kunststoff 5 versehen. Die einzelnen Hairpins 2 sind bekannterweise U-förmig ausgebildet und hier bis zu freien Endbereichen 6 mit Kontaktfüßen 7 hin mit dem Kunststoff isoliert, wobei die Hairpins 2 über einen durch den Kunststoff 5 umschlossenen Wickelkopf 8 einstückig zu der Sta tor-Krone 1 verbunden worden sind. Diese Stator-Krone 1 wird dann in Richtung des Pfeils P von Figur 1 in einen Stator 3 so eingesetzt, dass die Nuten 4 des Stators 3 gefüllt sind und der Wickelkopf 8 mit dem Stator 3 abschließt.

Die Stator-Krone 1 weist im Bereich des durch den Kunststoff 5 umschlossenen Wickelkopfs 8 nicht nur die elektrischen An schlüsse 9 der aus den einzelnen Hairpins 2 noch fertigzustel lenden Wicklung auf, sondern auch unterschiedliche Arten von Nuten 10, in einer späteren Einbaulage als Mittel zur Bildung einer Kühleinrichtung ausgebildet sind. Dazu sind auch radial geschlossene Nuten vorgesehen, die in der Abbildung von Figur 1 bereits mit Dichtungen 11 versehen worden, im Bereich des umspritzen Wickelkopfes 8 sind damit miteinander in Form einer Wendel verbundene Nuten 10 als Kühlkanäle und radial geschlos sene Nuten zur Aufnahme von Dichtungen 11 vorgesehen.

Figur 2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Ausführungs form eines unter Verwendung der Stator-Krone 1 von Figur 1 Stator 3 mit fertiggestellter Wicklung. Diese Wicklung liegt im Inneren des dargestellten Stator 3, der zur spätestens Auf nahme eines Rotors einen Hohlzylinder mit einem geschlossenen Außenmantel bildet.

Figur 3 ist ein Schnitt durch die Ausführungsform des fertig gestellten Stators von Figur 2 entlang einer Mittelachse unter Andeutung eines inneren Aufbaus mit Verschaltung der Hairpins 2. Nach dem Einschieben des kronenartigen Bauteils 1 von Figur 1 in entsprechende Nuten 4 des Stators 3 sind die Kontaktfüße 7 zur Bildung einer entsprechenden Verschaltung der darin ent haltenen Hairpins 2 gebogen und verschweißt wurden. Um ein Verschieben der Stator-Krone 1 bei diesen Vorgängen zu verhin dern, sind Verrastungen aus dem Kunststoff 5 nahe des freien Endbereichs 6 der Hairpins 2 vorgesehen, die nachfolgend noch anhand von Ausschnittsvergrößerungen der Figuren 4a und 4b be schrieben werden.

An die Fertigstellung der Wicklung im Stator 3 wurde ein Be reich um die nun elektrisch verbundenen Kontaktfüße 7 mit ei nem angrenzenden Teil des Stators 3 in ein Spritzgieß-Werkzeug eingelegt und zur Ausbildung eines weiteren Wickelkopfes 12 mit einer ergänzenden Isolierung aus dem Kunststoff 5 um spritzt. Auch in diesem Wickelkopf 12 sind wieder Nuten 10 zur Ausbildung von Kanälen einer Kühlung in einem Einsatz vorgese hen, die ihrerseits über Dichtungen 11 gegenüber einem nicht weiter dargestellten zylindrischen Außengehäuse abdichten.

Die Abbildungen der Figuren 4a und 4b stellen in Ausschnitts vergrößerungen A und B von Figur 3 zwei Bauformen von Verras tungen dar, die bei der Herstellung einer Stator-Krone 1 auch aus dem Kunststoff 5 gebildet werden. Figur 4a zeigt eine fe derelastische Rastnase 13, die mit Erreichen einer Endstellung der Stator-Krone 1 beim Einschieben in die Nuten 4 des Stators 3 selbsttätig in Ausnehmungen 14 des Stators 3 eingreifen. Im Gegensatz dazu sind in dem Ausführungsbeispiel von Figur 4b keine Ausnehmungen 14 im Bereich des Stators 3 erforderlich. Die Rastnasen 13 sind an die freien Endbereiche 6 nahe der Kontaktfüße 7 so angeordnet, dass die Rastnase 13 mit Errei chen einer Endstellung der Stator-Krone 1 den Stator 3 hinter greifen und dabei lediglich minimal aus den Nuten 4 des Sta tors 3 heraus vorstehen.

Durch die vorstehend beschriebene Technologie ist es vorteil hafter Weise möglich, zahlreiche Zeit- und Material-aufwändige Schritte zur vorbereitenden Isolation von HairPins gegenüber den Nuten des Stators durch das Einsetzen einer Stator-Krone als halbfertigen Wicklung zu ersetzen. Neben einer elektri schen Isolierung werden zudem vorteilhafte neue Mittel zur Verbesserung einer Kühlung der Wickelköpfe als weiterer rele vanter Teile der Wicklung des Stators im Einsatz bereitge stellt.

Bezugszeichenliste Stator-Krone / kronenartiges Bauteil Hairpin Stator bzw. Stator-Blechpaket eines Elektromotors Nut des Blechpakets des Stators 3 Kunststoff als elektrische Isolierung freier Endbereich der Hairpins 2 Kontaktfuß umspritzter Wickelkopf, durch den Kunststoff 5 umschlossen elektrischer Anschluss der Wicklung des Stators 3 0 Nut für Kühlkreis in der Umspritzung des Wickelkopfes 8 1 Nut mit Dichtung 2 Wickelkopf 3 federelastische Rastnase 4 Ausnehmung im Bereich einer Nut 4 des Stators 3

P Einführrichtung beim Einschieben des kronenartiges Bau teils 1 in den Stator 3