Spulenträger für eine Statorwicklung eines Elektromotors

Die Erfindung betrifft einen Spulenträger für eine Statorwicklung eines Elektromo tors, aufweisend einen im Wesentlichen rechteckförmigen Hohlkörper mit einer Stecköffnung zum Aufsetzen des Hohlkörpers auf einen Statorzahn. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stator eines Elektromotors mit einem solchen Spulenträger, sowie einen Elektromotor mit einem derartigen Stator.

In einem modernen Kraftfahrzeug werden Elektromotoren in vielfältiger Weise als Antriebe für unterschiedliche Stellelemente eingesetzt. Elektromotoren werden beispielsweise als Fensterheber-, Schiebedach- oder Sitzverstellantriebe, als Len kungsantriebe (EPS, Electrical Power Steering), als Kühlerlüfterantriebe oder als Getriebeaktuatoren eingesetzt. Derartige Elektromotoren müssen eine relativ hohe Drehmoment- oder Leistungsdichte aufweisen, und auch bei hohen Temperaturen betriebssicher sein.

Ein insbesondere bürstenloser Elektromotor als elektrische (Drehstrom -)Maschine weist üblicherweise einen mit einer Feld- oder Statorwicklung versehenen Stator auf, welcher koaxial zu einem Rotor mit einem oder mehreren Permanentmagne ten angeordnet ist. Sowohl der Rotor als auch der Stator sind beispielsweise als Blechpakete aufgebaut, wobei Statorzähne in dazwischenliegenden Statornuten die Spulen der Feldwicklung tragen.

Die Spulen sind ihrerseits gängigerweise aus einem Isolierdraht gewickelt, und einzelnen Strängen oder Phasen der Maschine zugeordnet sowie untereinander in einer vorbestimmten Weise verschaltet. Die Art der Verschaltung ist durch das Wickelschema der Drehfeldwicklung bestimmt, wobei als Wickelschema eine Sternschaltung oder eine Dreiecksschaltung der Phasen- oder Spulenwicklungen üblich ist. Die verschaltete Statorwicklung wird von einer (elektronischen) Schal tung angesteuert, um ein Drehfeld zu erzeugen, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor verursacht.

Die Statorwicklung kann als eine Anzahl von Einzelspulen ausgeführt sein, wobei die einzelnen statorseitigen Spulen oder Spulenwicklungen beispielsweise auf Spulenträgern oder Spulenkörpern angeordnet sind, welche auf Statorzähne des Stators aufsteckbar oder aufsetzbar sind. Derartige Spulenträger sind beispiels weise als rahmenförmige oder rohrförmige Hohlkörper gebildet, deren Längs- und Querwände eine Stecköffnung zum Aufsetzten des Hohlkörpers beziehungsweise des Spulenträgers auf einen Statorzahn begrenzen.

Zur Fixierung der Statorwicklungen auf den Spulenträgern sowie zu deren Isolie rung gegenüber einem Statorjoch sind an den Hohlkörper beispielsweise beidsei tig der Stecköffnung Flanschkragen angeformt. Zwischen den radial innenseitigen Flanschkragen (Innenflansch) und dem radial außenseitigen Flanschkragen (Au ßenflansch) ist typischerweise ein Wickelbereich oder Wickelraum (Wickelkam mer) zur Aufnahme der Spulenwicklungen vorgesehen.

Die Spulen sind regelmäßig in mehreren übereinander angeordneten

(Spulen-)Windungen oder (Spulen-)Lagen auf den Spulenträger aufgebracht. Die geometrische Struktur und Anordnungen der Windungen beziehungsweise Win dungslagen sind hierbei nachfolgend auch als Wickelbild bezeichnet. Zur Verbes serung der Energieeffizienz und Bauraumnutzung des Elektromotors oder Stators ist regelmäßig ein besonders kompaktes und dichtes Wickelbild der Spulenwin dungen beziehungsweise der Spulenwicklungen an dem Spulenträger gewünscht.

Die in den zur Verfügung stehenden Wickelbereich eingebrachte Menge an Spu lenwicklungen ist durch den sogenannten mechanischen Füllfaktor charakterisiert oder charakterisierbar. Häufig werden sogenannte Runddrähte mit einem etwa kreisrunden Querschnitt als Spulendrähte verwendet. Bei derartigen Runddrähten ist ein geordneter Aufbau beziehungsweise eine geordnete Anordnung der Spu- lendrähte oder der Spulenwindungen besonders vorteilhaft, da somit weniger Luft oder Leerräume (Freiräume) in der Spulenwicklung, und somit ein höherer Füllfak tor und in der Folge eine höhere Effizienz und Leistung des Stators oder Elektro motors bewirkt werden.

Die diesbezüglich optimale Wicklung, bei welcher die runden Spulendrähte der Statorwicklung im Querschnitt im Wesentlichen nach Art einer dichtesten Kreispa ckung angeordnet sind, wird nachfolgend auch als orthozyklische Wicklung be zeichnet. Hierbei werden die Windungen einer Oberwicklung in die Täler oder Zwischenräume einer darunter liegenden (Unter-)Wicklung verlegt, so dass die Mittelpunkte eines Spulendrahts der Oberwicklung und die zwei benachbarten Spulendrähte der Unterwicklung etwa ein gleichwinkeliges Dreieck ausbilden.

Eine solche orthozyklische Wicklung weist für Runddrähte einen Füllfaktor von etwa 90,7 % auf. Eine im Wesentlichen ungeordnete Spulenwicklung im Wickelbe reich wird demgegenüber auch als wilde Wicklung bezeichnet, und weist einen gegenüber einer orthozyklischen Wicklung wesentlich reduzierten Füllfaktor auf.

Zur Bestückung derartiger Spulenträger ist es möglich, die Spulendrähte oder Spulenwicklungen mit einem Linearwickelprozess aufzubringen. Hierbei wird der Spulendraht durch eine Rotation des zu bewickelnden Spulenträgers auf diesen gewickelt. Vorzugsweise wird hierbei ein möglichst orthozyklisches Wickelbild an gestrebt, um den vorhandenen Wickelbereich möglichst optimal auszunutzen.

Um den maximal zur Verfügung stehenden Bauraum auszunutzen wird bei einem Linearwickelprozess der Wickelbereich bis auf einen Polschuh-Bereich des Spu lenträgers, welcher im Montagezustand auf einem Polschuh eines Statorzahns angeordnet ist, erweitert. Aufgrund des Polschuhwinkels, also der geometrischen Ausgestaltung und Anordnung der Statorzähne im Stator, ist hierbei typischer weise kein rechteckiger Nutraum zwischen den Statorzähnen gegeben, so dass in der Regel mehr Windungen oder Lagen im radial außenseitigen Bereich des Wi ckelbereichs angeordnet werden, als im radial innenseitigen Bereich. Mit anderen Worten nimmt die Anzahl der übereinander angeordneten Spulenwicklungen - bezogen auf den Montagezustand oder die Einbausituation - von radial innen nach radial außen im Wickelbereich zu. Dadurch besteht jedoch die Gefahr, dass die gewickelten Spulenwindungen aneinander abgleiten oder abrutschen, so dass sich eine wilde Wicklung ergibt.

Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass zusätzliche Stützvorrichtungen oder Stützwerkzeuge während des Wickelprozesses vorgesehen sind, welche den Spu lendraht an kritischen Stellen oder Positionen am Spulenträger zwangspositionie ren. Derartige Stützvorrichtungen erhöhen jedoch die Komplexität und die Kosten eines solchen Wickelprozesses. Des Weiteren wird durch die Positionierung die Taktzeit des Wickelprozesses reduziert, wodurch die Herstellung der Spulen, und somit des Stators sowie des Elektromotors nachteilig verzögert werden. Weiterhin kann es aufgrund des Drucks der übereinandern gestapelten Windungen oder La gen einer Oberwicklung auf die darunter liegenden, zwangspositionierten Unter- Wicklung dazu kommen, dass die Spulendrähte oder Spulenwicklungen aneinan der abgleiten oder abrutschen, so dass das gewünschte orthozyklische Wickelbild nachträglich zerstört und eine wilde Wicklung gebildet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Spulen- träger für eine Statorwicklung eines Elektromotors anzugeben. Insbesondere soll ein möglichst effizientes und bauraum kompaktes sowie dauerhaftes, vorzugswei se orthozyklisches, Wickelbild der Statorwicklung auf dem Spulenträger ermöglicht werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen besonders ge eigneten Stator mit einem solchen Spulenträger, sowie einen besonders geeigne- ten Elektromotor mit einem derartigen Stator anzugeben.

Hinsichtlich des Spulenträgers wird die Aufgabe mit den Merkmalen des An spruchs 1 und hinsichtlich des Stators mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie hinsichtlich des Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungs- gemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegen stand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf den Spulenträger ange führten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Stator und/oder den Elektromotor übertragbar und umgekehrt. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.

Der erfindungsgemäße Spulenträger ist für eine Statorwicklung eines Elektromo tors geeignet und eingerichtet. Hierzu weist der Spulenträger einen im Wesentli chen rechteckförmigen, beispielsweise rohrförmigen oder rahmenförmigen, Hohl körper mit einer Stecköffnung zum Aufsetzen oder Aufstecken auf einen Stator zahn auf. Der Hohlkörper ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material herge stellt. Insbesondere ist der Hohlkörper als ein Kunststoff-Spritzgussteil hergestellt. An den Hohlkörper ist mindestens ein die Stecköffnung zumindest teilweise um schließender Flanschkragen angeformt. Der Flanschkragen ist hierbei insbeson dere einstückig, also einteilig oder monolithisch, an den Hohlkörper angeformt.

An den Flanschkragen schließt sich ein Wickelbereich zur Aufnahme von Spulen windungen der Statorwicklung an. Der Wickelbereich ist hierbei ein außenwand seitiger Bereich des Hohlkörpers, welcher mittels des mindestens einen Flansch kragens begrenzt wird.

Erfindungsgemäß weist der Flanschkragen hierbei eine dem Wickelbereich zuge wandte Stützkontur auf, welche derart ausgebildet ist, dass übereinander ange ordnete Windungslagen einer aufgebrachten oder bestückten Spulen- oder Statorwicklung in ihrer relativen Lage zueinander gestützt gehalten sind. Mit ande ren Worten werden die verlegten Spulendrähte während oder nach dem Wickel prozess derart an der Stützkontur abgestützt, dass die Oberwicklungen und die Unterwicklungen der Spulenwindungen nicht gegeneinander abgleiten können. Dadurch wird das aufgebrachte und/oder gewünschte Wickelbild nicht nachträglich zerstört. Somit ist ein dauerhaftes Wickelbild der aufgebrachten Statorwicklung ermöglicht, wodurch ein besonders geeigneter Spulenträger realisiert ist.

Die Spulenwindungen oder Windungslagen werden hierbei mittels der am oder im Spulenträger integrierten Stützkontur im Bereich des Wickelkopfs gestützt, so dass prozesssicher ein orthozyklischer Wicklungsaufbau ermöglicht ist. Dadurch werden keine zusätzlichen Stützvorrichtungen oder Stützwerkzeuge bei einer Wi ckelanlage benötigt, wodurch die Taktzeit eines Wickelprozesses vorteilhaft redu ziert und der Wickelprozess besonders einfach und aufwandsreduziert ist.

Die Stützkontur ist somit im Wesentlichen eine im Spulenkörper integrierte Positi onierungshilfe für einen gewickelten Spulendraht. Die Geometrie der Stützkontur kann hierbei je nach Polschuhwinkel des Stators, dem Drahtdurchmesser des verwendeten Spulendrahts sowie der Windungszahl flexibel angepasst werden.

Der Hohlkörper ist beispielsweise außenwandseitig mit sickenartigen Windungsril len (Windungsnuten) versehen. Dadurch wird eine möglichst stabile Wicklungsla ge der Stator- oder Spulenwicklungen auf dem Spulenträger ermöglicht. Die Win dungsrillen können sich beispielsweise über Eckbereiche zwischen Längs- und Querwänden des Hohlkörpers erstrecken. Ebenso möglich ist es, dass sich diese Wicklungsrillen auch über die Querwände und die Eckbereiche zwischen diesen und den Längswänden sowie auch zumindest teilweise entlang der Längswände erstrecken.

Der Hohlkörper ist vorzugsweise einteilig oder einstückig, also monolithisch aus geführt, so dass der Spulenträger insbesondere für eine Einzelspule zur Bestü ckung eines einzelnen Statorzahns geeignet und eingerichtet ist.

Alternativ ist es beispielsweise ebenso möglich, dass der Hohlkörper mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgeführt ist. Beispielsweise ist der Hohlkörper als zwei Verlegeringe ausgeführt, welche jeweils auf gegenüberliegende Stirnseiten des Stators aufsetzbar sind, und welche mehrere Statorzähne umgeben.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Stützkontur eine dem Wickelbereich zugewandte, etwa trichterartige, Einführschräge auf. Dadurch wird eine zuverläs sige Abstützung der Spulenwindungen beziehungsweise Windungslagen ermög licht. In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführung ist die Stützkontur im Wesentli chen kegelstumpfförmig an den Flanschkragen angeformt. Dadurch ist eine gleichmäßige und zuverlässige Abstützung der Spulenwicklungen entlang des kompletten Umfangs des Wickelbereichs ermöglicht.

Die Neigung der Einführschräge beziehungsweise der Außenkontur des Kegel stumpfs ist hierbei insbesondere derart bemessen, dass die Spulenwindung einer jeweiligen Oberwicklung in einem flanschseitigen Tal der jeweiligen Unterwicklung verlegbar ist, und der Spulendraht zumindest abschnittsweise an der Stützkontur abgestützt anliegt. Mit anderen Worten ist die Steigung oder Neigung der Stütz kontur an den Versatz der Spulendrähte aufeinanderfolgender Windungslagen angepasst

Vorzugsweise weist die Stützkontur somit eine Steigung gleich der Steigung der Mittelpunkte eines Spulendrahts aufeinanderfolgender Ober- und Unterwicklungen entlang der Stützkontur auf. In einer besonders geeigneten Ausgestaltung weist die Stützkontur gegenüber dem Wickelbereich einen Neigungswinkel von 60° auf. Dadurch ist eine besonders sichere und zuverlässige Abstützung des Spulen drahts beziehungsweise der Windungslagen bei einem orthozyklischen Wickelbild sichergestellt.

In einer besonders stabilen Ausbildung erstreckt sich die Stützkontur über die Hö he von mindestens drei gestapelten Windungslagen. Dadurch ist eine besonders geeignete Dimensionierung der Stützkontur realisiert.

In einer zweckmäßigen Ausführung sind an den Hohlkörper ein innerer Flansch kragen (Innenflansch) und ein äußerer Flanschkragen (Außenflansch) angeformt. Der Innenflansch ist hierbei in einer Einbau- oder Montagesituation radial innen seitig und der Außenflansch radial außenseitig zu dem insbesondere dazwischen angeordneten Wickelbereich angeordnet. Dadurch wird ein ungewünschtes Her untergleiten des Spulendrahts von dem Hohlkörper beziehungsweise aus dem Wickelbereich vorteilhaft und einfach verhindert. In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Stützkontur an dem inneren Flansch kragen angeformt. Mit anderen Worten ist die Stützkontur in einer Einbau- oder Montagesituation im Bereich eines (Stator-)Polschuhs angeordnet. Dadurch wird eine besonders geeignete und zweckmäßige Abstützung realisiert.

Der erfindungsgemäße Stator ist für einen Elektromotor geeignet und eingerichtet. Der Stator weist einen Statorgrundkörper mit einer Anzahl von sich radial erstre ckenden Statorzähnen sowie mit darauf aufgesteckten, vorstehend beschriebe nen, Spulenträgern auf. Dadurch ist ein besonders geeigneter Stator realisiert.

In einer geeigneten Ausführung sind die Spulenkörper mit einer orthozyklischen Statorwicklung versehen. Dadurch ist ein besonders leistungseffizienter und bau raumkompakter Stator realisiert. Vorzugsweise ist die Statorwicklung hierbei mittels eines Linearwickelprozesses auf die Spulenträger aufgebracht. Aufgrund der Stützkonturen der Spulenträger ist hierbei am jeweiligen Wickelkopf eine erhöhte Wickelgeschwindigkeit ermöglicht, so dass die (Stator-)Spulen beziehungsweise die Statorwicklung besonders ein fach, zeitsparend und kostengünstig herstellbar sind.

In einer bevorzugten Anwendung ist der vorstehend beschriebene Stator Teil ei nes erfindungsgemäßen Elektromotors eines Kraftfahrzeugs. Durch die Spulen träger weist der Stator ein besonders kompaktes und dichtes, vorzugsweise or- thozyklisches, Wickelbild auf, wodurch der Elektromotor einer besonders vorteil- hafte Energieeffizienz und Bauraumnutzung aufweist.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 in Seitenansicht einen Spulenträger mit einer Stützkontur

Fig. 2 in Seitenansicht den Spulenträger in einem Wickelkopfbereich mit sche matisch dargestellten Spulenwindungen, und Fig. 3 in Draufsicht den Spulenträger mit schematisch dargestellten Spulenwin dungen.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den glei- chen Bezugszeichen versehen.

In der Fig. 1 ist in Seitenansicht ein Spulenkörper 2 für eine Statorwicklung 4 (Fig. 2, Fig. 3) eines nicht näher gezeigten Elektromotors beziehungsweise Stators gezeigt. Der Spulenträger 2 weist einen im Wesentlichen rechteckförmigen, insbe- sondere rohr- oder rahmenförmigen, Flohlkörper 6 mit einer Stecköffnung 8 zum Aufsetzen auf einen Statorzahn auf.

Der als Spritzgussteil hergestellte Flohlkörper weist hierbei einen radial innenseiti gen Flanschkragen oder Innenflansch 10 und einen radial außenseitigen Flansch- kragen oder Außenflansch 12 auf. Die Flanschkragen 10, 12 sind hierbei zumin dest teilweise umschließend zu der den Flohlkörper 6 radial durchsetzenden Stecköffnung 8 angeformt.

Zwischen den Flanschkragen 10 und 12 ist ein Wickelbereich 14 des FHohlkör- pers 6 gebildet, welcher zur Aufnahme von Spulenwindungen 16 (Fig. 2, Fig. 3) der Statorwicklung 4 vorgesehen und ausgebildet ist.

Der Innenflansch 10 ist hierbei mit einer dem Wickelbereich 14 zugewandten Stützkontur 18 versehen. Die Stützkontur 18 ist hierbei einteilig, also einstückig oder monolithisch, an den Innenflansch 10 beziehungsweise den Flohlkörper 6 angeformt.

Die Stützkontur 18 ist hierbei als eine integrierte Drahtpositionierungshilfe des Spulenträgers 2 ausgebildet, und dazu vorgesehen und eingerichtet übereinander angeordneten Windungslagen der Statorwicklung 4 derart zu stützen, dass die bewickelten Spulenwindungen 16 nicht gegeneinander abgleiten, und somit in ih rer relativen Lage zueinander abgestützt sind. Der Aufbau der Stützkontur 18 ist nachfolgend anhand der Figuren 2 und 3 näher erläutert.

Die Fig. 2 und die Fig. 3 zeigen schematisch und vereinfacht den Spulenträger 2 mit einer darauf aufgebrachten oder aufgewickelten Statorwicklung 4.

Die Statorwicklung 4 weist hierbei ein orthozyklisches Wickelbild auf. Die Stator wicklung 4 ist hierbei vorzugsweise in einem Linearwickelprozess mit einem Spu lendraht mit mehreren Spulenwindungen 16, in mehreren aufeinandergestapelten Windungslagen, auf den Wickelbereich 14 des Spulenträgers 2 aufgebracht. In der Fig. 2 und in der Fig. 3 sind die Spulenwindungen 16 des Spulendrahts lediglich beispielsweise mit Bezugszeichen versehen.

Die Spulenwindungen 16 der untersten Windungslage (Unterwicklung) sitzen hier- bei zumindest abschnittsweise in außenwandseitigen, etwa sickenartigen Win dungsrillen oder Windungsnuten 20 des Hohlkörpers 6 ein. Die Windungsrillen 20 sind in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.

Die Stützkontur 18 ist im Wesentlichen umlaufend an dem Innenflansch 10 nach Art einer Einführrampe oder Einführschräge 21 angeformt. Die Stützkontur 18 weist hierbei im Wesentlichen eine Kegelstumpfform auf, wobei die Einführschrä ge 21 im Wesentlichen als Mantelfläche des Kegelstumpfs ausgebildet ist. Die Stützkontur 18 beziehungsweise die Einführschräge 21 ist unter einem Neigungs winkel 22 gegenüber dem Wickelbereich 14 beziehungsweise dem Außenumfang des Hohlkörpers 6 geneigt angeordnet.

Der Neigungswinkel 22 ist auf etwa 60° dimensioniert, und somit - wie insbeson dere in den Figuren 2 und 3 ersichtlich - an die Steigung der aufeinander gesta pelten Windungslagen der orthozyklischen Statorwicklung 4 angepasst. Dadurch ist eine gleichmäßige und zuverlässige Abstützung der Spulenwindungen 16 ent lang des kompletten Umfangs des Wickelbereichs 14 realisiert. Wie in den Ansichten der Figuren 2 und 3 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, erstreckt sich die Stützkontur 18 in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen über die Höhe von drei aufeinanderfolgenden oder gestapelten Windungslagen.

Mit anderen Worten werden drei Windungslagen direkt an der Stützkontur 18 ab- gestützt.

Durch die im Einbau- oder Montagezustand polschuhseitige Abstützung der Statorwicklung 4 durch die Stützkontur 18 ist sichergestellt, dass das orthozykli- sche Wickelbild während oder nach einem Wickelprozess sicher und zuverlässig gestützt ist. Insbesondere wird einem gegenseitigen Abgleiten der Spulenwindun gen 16 aneinander, also einer Veränderung der relativen Lage, vorteilhaft und ein fach entgegengewirkt, so dass das orthozyklische Wickelbild dauerhaft erhalten ist. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu ver lassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbei spielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kom binierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

2 Spulenkörper

4 Statorwicklung

Hohlkörper

8 Stecköffnung

10 Flanschkragen/Innenflansch 12 Flanschkragen/Außenflansch 14 Wickelbereich

16 Spulenwindung

18 Stützkontur

20 Windungsrille

21 Einführschräge

22 Neigungswinkel