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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltring zur Festlegung einer Reihenfolge einer Bestromung von einer Anzahl Spulen einer Elektromaschine sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren für einen derartigen Schaltring.
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Eine rotatorische Elektromaschine besteht grundsätzlich aus Rotor und Stator. Jeweilige Wicklungen im Stator werden bestromt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, so dass eine Kraft auf den in dem Stator gelagerten Rotor wirkt und der Rotor sich bewegt.
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Insbesondere bei Elektromaschinen mit konzentrierten Wicklungen wird eine Verschaltung jeweiliger Spulen entsprechend eines vorgegebenen Wickelschemas mithilfe eines Schaltrings realisiert. Ein Schaltring stellt, mittels geeigneter Kontaktierverfahren, d. h. bspw. über Kontaktstellen, eine elektrische Verbindung zwischen jeweiligen Phaseneingängen und Spulenanschlüssen her. Dies bedeutet, dass ein Schaltring eine Bestromungsreihenfolge jeweiliger Spulen einer Elektromaschine festlegt.
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Schaltringe und Verfahren für deren Herstellung sind im Stand der Technik beschrieben.
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Die europäische Patentanmeldung
EP 2 112 747 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor sowie einer Vielzahl von Verbindungsringen, wobei jeder Ring von einem Isolierpapier umgeben ist.
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Die US-amerikanische Patentanmeldung US 2005/0023910 A1 betrifft eine elektrische Maschine mit einer Anzahl Windungen und einer Anzahl Verbindungsringen sowie einem neutralen Ring, wobei der neutrale Ring eine Vielzahl von Fortsätzen aufweist, um jeweilige Windungen elektrisch zu kontaktieren.
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Die internationale Veröffentlichung
WO 2007/012207 A1 betrifft einen elektrisch schaltbaren elektrischen Motor mit einer Anzahl Pole, wobei die jeweiligen Pole eine zylindrische Ausnehmung zur Aufnahme eines Rotors umgeben und jeder Pol eine Wicklung aus mehreren Drahtwindungen umfasst, wobei die Windungen der Wicklungen ohne Unterbruch miteinander um die Pole gewickelt angeordnet sind. Ferner offenbart die internationale Patentanmeldung ein Verfahren zum stirnseitigen Aufschieben von Kontaktringen mit Kontaktpunkten, die an ringförmigen Leitern angeordnet sind und die elektrische Kontakte zu jeweiligen Drahtübergängen herstellen.
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Eine Verschaltungseinheit mit axial angeordneten Schaltringen ist in der Druckschrift
EP 1 705 775 B1 dargestellt. Da jeweilige Drähte in einen Verschaltungsbereich hineingebogen werden müssen, eignet sich die Verschaltungseinheit lediglich für Runddraht. Weiterhin muss bei einer derartigen Verschaltungseinheit eine Verschaltung jeweiliger Spulenenden mit einem jeweiligen Schaltring mittels einer Klemmverbindung erfolgen, die anfällig für Vibrationen ist und einen hohen Übergangswiderstand aufweist.
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Eine weitere Verschaltungseinheit ist in der deutschen Druckschrift
DE 11 2010 000 704 T5 beschrieben. Dabei erfolgt eine Verschaltung mit einzelnen Verbindungsbrücken durch einen Schaltring. Aufgrund eines hohen Raumbedarfs einer derartigen Verschaltungseinheit reduziert sich eine Leistungsdichte einer entsprechenden Elektromaschine.
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Allen im Stand der Technik beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren ist gemeinsam, dass lediglich einfache Schaltschemata wie bspw. serielle, sternförmige oder dreieckförmige Anordnungen realisiert werden können. Für komplexere Verschaltungen, wie sie bspw. bei einer Kombination aus Parallel- und Reihenschaltung mit gemeinsamem Sternpunkt entstehen, sind die Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik nicht geeignet, da sie in der Regel viel Bauraum benötigen.
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Vor diesem Hintergrund wird ein Schaltring zur Festlegung einer Reihenfolge einer Versorgung einer Anzahl Spulen einer Elektromaschine mit Elektrizität vorgestellt, wobei der Schaltring axial über der Anzahl Spulen anzuordnen ist und aus einer Anzahl elektrisch leitender und elektrisch isolierender Schichten besteht, die jeweils entsprechend abwechselnd aus einem elektrischen Leiter und einem Isoliermaterial aufgebaut sind und wobei jeweilige Kontaktstellen zwischen jeweiligen elektrisch leitenden Schichten und jeweiligen Spulen nicht lösbar ausgebildet sind und verschiedene elektrisch leitende Schichten verschiedene Spulen mit Elektrizität versorgen.
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Der vorgestellte Schaltring vermeidet die Nachteile des Standes der Technik, indem eine beliebige Kombination aus Reihen- und Parallelverschaltungen sowie eine Verschaltung in Stern- wie auch in Dreiecksform ermöglicht wird. Eine Elektromaschine kann unter Verwendung des vorgestellten Schaltrings Spulen aufweisen, die alle eine gleiche Geometrie und Länge aufweisen.
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Es ist vorgesehen, dass der vorgestellte Schaltring auf einer Anzahl von elektrisch leitenden und elektrisch isolierenden bzw. nicht leitenden Schichten basiert, die sich abwechseln, d. h. in aufeinanderfolgender Reihenfolge zu einem Ring aufgeschichtet sind. Eine Isolierschicht kann dabei bspw. aus Kunststoff, Isolierpapier oder jedem weiteren elektrisch isolierenden Material aufgebaut sein. Eine elektrisch leitende Schicht kann bspw. aus Kupfer, Aluminium oder jedem weiteren technisch geeigneten elektrisch leitenden Material aufgebaut sein.
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Insbesondere ist bei dem vorgestellten Schaltring vorgesehen, dass sämtliche Kontaktstellen zwischen jeweiligen Spulen der Elektromaschine und dem Schaltring stoffschlüssig bzw. formschlüssig, d. h. ohne Einbringen zusätzlicher Materialen, bspw. durch Verschweißen, Verklemmen, Verkrimpen oder Verlöten realisiert werden.
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In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Schaltrings ist vorgesehen, dass tief bzw. unten liegende, elektrisch leitende Schichten des Schaltrings jeweilige Spulen einer Elektromaschine parallel verschalten, während eine oberste elektrisch leitende Schicht des Schaltrings der Elektromaschine jeweilige Spulen seriell verbindet. Durch eine flexible Kombination von axial, insbesondere kreisförmig übereinander liegenden Schichten für parallele und serielle Verschaltungen jeweiliger Spulen einer Elektromaschine sind auch komplexe Schaltschemata ohne großen Bauraumbedarf möglich.
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Durch eine Kombination von einem vorgegebenen Schaltschema entsprechend ausgeformten elektrisch leitenden Schichten zu einem entsprechenden Schaltring können Schaltringe in einer modularen Bauweise, d. h. in einem Baukastenprinzip, erstellt und entsprechende Elektromaschinen kompakt, effizient und kostengünstig hergestellt werden.
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Durch den vorgestellten Schaltring lassen sich auch Systeme, d. h. Elektromaschinen mit einer Phasenzahl, die von drei abweicht, wie es bspw. bei mehrfasigen Systemen der Fall ist, herstellen.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene stoffschlüssige Verbindung, die insbesondere durch Schweißen, wie bspw. Widerstandsschweißen, Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder ähnlichen Schweißtechniken zum Verbinden von einer Spule mit einer elektrisch leitenden Schicht eines jeweiligen Schaltrings geeignet ist, kann ein Übergang von elektrischer Energie durch den Schaltring auf eine jeweilige Spule, oder umgekehrt, mit einem besonders geringen Übergangswiderstand erfolgen.
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Da der erfindungsgemäße Schaltring aufgrund des Baukastenprinzips einfach in der Herstellung ist, kann der erfindungsgemäße Schaltring einfach und kostengünstig mittels automatisierter Prozesse hergestellt werden.
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Ein weiterer Vorteil des vorgestellten Schaltrings ist dessen Unabhängigkeit von einem jeweiligen Drahttyp. Dies bedeutet, dass der vorgestellte Schaltring für Rund- und Flachdrahtanwendungen geeignet ist.
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Ferner eignet sich der vorgestellte Schaltring für einfach geformte Spulenenden, so dass keine Biegevorgänge oder Abänderungen jeweiliger Spulenenden erforderlich sind.
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Der vorgestellte Schaltring ist aufgrund des schichtenförmigen Aufbaus kompakt und ermöglicht dadurch eine hohe Leistungsdichte, so dass jeweilige Bauräume in bspw. einem Fahrzeug effizient genutzt werden können.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltrings ist vorgesehen, dass ein Teil der elektrisch leitenden Schichten jeweilige Spulen in einer parallelen Anordnung mit Elektrizität versorgen und ein weiterer Teil der elektrisch leitenden Schichten weitere Spulen in einer seriellen Anordnung mit Elektrizität versorgen.
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Durch eine Kombination aus paralleler und serieller Verschaltung jeweiliger Spulen einer Elektromaschine können mittels des vorgestellten Schaltrings komplexe Verschaltungen realisiert werden, auch ohne dass dadurch ein zusätzlicher Veschaltungsaufwand notwendig wäre. Durch entsprechend ausgestaltete elektrisch leitende Schichten können bspw. Verschaltungen in Dreiecksanordnung oder in einer Sternanordnung verschaltet und ggf. mit weiteren parallel oder seriell verschalteteten Spulen einer jeweiligen Elektromaschine verbunden werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltrings ist vorgesehen, dass die Anzahl elektrisch leitender Schichten aus Flachdraht und/oder Runddraht ausgebildet sind.
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Um eine möglichst kompakte Bauweise zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der vorgestellte Schaltring aus Flachdraht gebildet wird, so dass jeweilige elektrisch leitende Schichten bspw. aus einem Blech ausgestanzt werden können und jeweilige Kontaktstellen der jeweiligen elektrisch leitenden Schichten für eine Kontaktaufnahme zu jeweiligen Spulen nur noch umgebogen werden müssen.
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Der vorgestellte Schaltring ist insbesondere für Elektromaschinen mit sogenannten ”konzentrierten Wicklungen” vorgesehen.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen Schaltring zur Festlegung einer Reihenfolge einer Versorgung einer Anzahl Spulen einer Elektromaschine mit Elektrizität, bei dem der Schaltring axial über der Anzahl Spulen angeordnet und aus einer Anzahl elektrisch leitender und elektrisch isolierender Schichten zusammengesetzt wird, die jeweils entsprechend abwechselnd aus einem elektrischen Leiter und einem Isoliermaterial aufgebaut sind und wobei jeweilige Kontaktstellen zwischen jeweiligen elektrisch leitenden Schichten und jeweiligen Spulen nicht lösbar ausgestaltet werden und wobei jeweilige Kontaktstellen elektrisch leitender Schichten zu jeweiligen Spulen so angeordnet werden, dass die jeweiligen Kontaktstellen die jeweiligen Spulen gemäß einem im Voraus bereitzustellenden Bestromungsschema mit Elektrizität versorgen.
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Unter einer Kontaktstelle ist im Kontext der vorliegenden Erfindung ein Übergang von dem erfindungsgemäßen Schaltring zu mindestens einer Spule einer Elektromaschine zu verstehen, durch den Elektrizität zwischen dem Schaltring und der mindestens einen Spule ausgetauscht werden kann.
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Es ist vorgesehen, dass jeweilige Kontaktstellen eines Schaltrings an einer, mehreren oder allen elektrisch leitenden Schichten des Schaltrings angeordnet bzw. in jeweilige elektrisch leitenden Schichten integriert sind.
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Zur Herstellung des vorgestellten Schaltrings ist insbesondere vorgesehen, dass jeweilige elektrisch leitende Schichten aus einem elektrisch leitenden Flachkörper, wie bspw. einem Blech ausgeschnitten bzw. ausgestanzt, mit einem Isolator, wie bspw. einem Isolierpapier umgeben und anschließend mit einer weiteren elektrisch leitenden Schicht aufgestapelt werden. Um einen fertigen Schaltring zu fixieren und gegenüber elektrischen Einflüssen zu isolieren, kann vorgesehen sein, dass der fertige Schaltring nach einem Verbindungsvorgang mit jeweiligen Spulen einer Elektromaschine bspw. mit einem Harz oder einer Vergussmasse umgeben wird.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren basiert auf einem modularen Baukastenprinzip, bei dem verschiedene elektrisch leitende Schichten derart ausgestaltet bzw. gewählt werden können, dass ein Schaltring entsteht, der sich bestmöglich zur Steuerung bzw. zum Schalten einer jeweiligen Elektromaschine eignet. Dies bedeutet, dass mittels elektrischen Schichten, die jeweilige Kontaktstellen zu jeweiligen Spulen umfassen, bspw. ein komplexes Schaltschema, bei dem sowohl parallele als auch serielle Verschaltungen vorgesehen sind, durch lediglich einen Schaltring umgesetzt werden können.
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Unter dem Begriff ”Baukastenprinzip” ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Herstellungsverfahren zu verstehen, bei dem mehrere vorgefertigte Grundelemente mit jeweiligen spezifischen Eigenschaften bzw. Strukturen frei miteinander kombiniert werden, so dass aus einer Anzahl Grundelemente ein spezifisches komplexes Gesamtkonstrukt entsteht, das eine bestimmte Verschaltung umsetzt bzw. realisiert. Dies bedeutet, dass die Grundelemente kostengünstig und schnell, ohne Rücksicht auf jeweilige komplexe Verschaltungen einer jeweiligen Elektromaschine hergestellt werden können und erst durch Verbinden der Grundelemente zu einem Schaltring spezifische Eigenschaften des jeweiligen Schaltrings bereitgestellt werden. Demnach reduziert sich ein Aufwand zur Kalibrierung einer Maschine zur Herstellung der Grundelemente jeweiliger Schaltringe für verschiedene Verschaltungen gegenüber einer traditionellen Herstellung.
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Durch das vorgestellte Herstellungsverfahren können verschiedene Verschaltungen, die bspw. anhand von Schaltplänen bereitgestellt werden, automatisch anhand vorgefertigter Grundelemente in einen jeweiligen Schaltring umgesetzt werden. Mittels einer entsprechenden Auswahl und Ausrichtung jeweiliger Grundelemente, d. h. bspw. elektrisch leitender Schichten, kann eine Verschaltung von bspw. einem Schaltplan effizient in einen entsprechenden Schaltring umgesetzt werden.
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In einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist vorgesehen, dass als Bestromungsschema ein Schaltplan mit seriellen und parallelen Verschaltungen gewählt wird.
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Aufgrund des voranstehend beschriebenen Baukastenprinzips ist es möglich, verschiedene Verschaltungen in verschiedenen Schichten zu realisieren und diese zu kombinieren, so dass komplexe Schaltpläne mit einer Anzahl paralleler und serieller Verschaltungen kostengünstig und effizient durch das vorgestellte Herstellungsverfahren in entsprechenden Elektromaschinen mit konzentrierten Wicklungen umgesetzt werden können.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Elektromaschine.
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2 zeigt einen schematischen Aufbau einer Elektromaschine mit einem einfachen Schaltring.
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3 zeigt einen schematischen Aufbau einer radialen Anordnung eines einfachen Schaltrings bei einer Elektromaschine mit konzentrierten Wicklungen.
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4 zeigt einen schematischen Aufbau einer axialen Anordnung eines einfachen Schaltrings bei einer Elektromaschine mit konzentrierten Wicklungen.
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5 zeigt ein komplexes Schaltschema bei 24 Einzelspulen einer Elektromaschine mit konzentrierten Wicklungen.
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6 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Schaltrings.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Herstellungsablaufs des vorgestellten Schaltrings.
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In 1 ist eine Elektromaschine 1 dargestellt, die einen Stator 3, einen Rotor 5 und eine Anzahl Spulen 7, 9 und 11 umfasst. Durch eine Bestromung, d. h. eine Versorgung der Spulen 7, 9 und 11, die jeweils von unterschiedlicher Phase sind, mit Elektrizität, wird ein drehendes Magnetfeld erzeugt, das eine Kraft auf den Rotor 5 ausübt.
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2 zeigt ein Funktionsprinzip einer Elektromaschine 13 anhand eines Schemas, bei dem eine Verschaltung jeweiliger Spulen 15 entsprechend eines vorgegebenen Wickelschemas mit Hilfe eines Schaltrings 17 realisiert ist. Der Schaltring 17 versorgt jeweilige Spulenanschlüsse 21 jeweiliger Spulen 15 über Phasenanschlüsse, d. h. Kontaktstellen, mit Elektrizität. Dazu werden die Spulenanschlüsse 21 mit dem Schaltring 17 über elektrisch leitende Kontaktstellen 19 verbunden.
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In 3 ist ein Funktionsprinzip einer Elektromaschine 23 mit kreisförmigen Schaltringen 25 anhand einer schematischen Zeichnung dargestellt. Bei der Elektromaschine 23 sind die Schaltringe 25 radial außerhalb bzw. innerhalb jeweiliger Spulen, die hier teilweise von dem Rotor 5 verdeckt sind, angeordnet.
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Eine axiale Anordnung eines Schaltrings 27 in einer Elektromaschine 29 ist in 4 dargestellt. Der Schaltring 27 liegt bei einer axialen Anordnung auf jeweiligen Spulen der Elektromaschine 29 auf. Sowohl die Anordnung der Schaltringe 25 als auch des Schaltrings 27 ermöglicht lediglich einfache Verschaltungen jeweiliger Spulen, wie bspw. eine Reihenschaltung. Für eine komplexe Verschaltung mit Kombinationen aus Reihen- und Parallelschaltungselementen wären zusätzliche Schaltringe 27 bzw. 25 erforderlich, die zusätzlichen Bauraum verbrauchen und eine Leistungsdichte einer entsprechenden Elektromaschine 23 bzw. 29 reduzieren würden. Teile der Elektromaschine 29 werden in 4 durch den Rotor 5 verdeckt.
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5 zeigt ein komplexes Schaltschema 31, das nicht durch die Schaltringe 25 bzw. 27 realisiert werden kann. Da das Schaltschema 31 verschiedene Ebenen 32 bis 38 umfasst, kann das Schaltschema nicht mit einem nur in einer Ebene ausgeprägten Schaltring 27 bzw. zwei jeweils in einer Ebene ausgeprägten Schaltringen 25 wiedergegebenen werden.
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Eine Möglichkeit zur Realisierung des Schaltschemas 31 aus 5 ist durch einen in 6 dargestellten Schaltring 40 denkbar. Der Schaltring 40 umfasst eine Anzahl elektrisch leitender Ebenen bzw. Schichten 41, die jeweils voneinander durch Isoliermaterial bzw. isolierende Schichten 43 elektrisch isoliert sind.
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Jeweilige Schichten 41 umfassen Kontaktstellen 45 zum Versorgen jeweiliger Spulenanschlüsse mit Elektrizität. Die Kontaktstellen 45 sind so ausgestaltet, dass die Spulen gemäß dem Schaltschema 31 bestromt werden. Dies bedeutet, dass die verschiedenen Ebenen 32 bis 38 des Schaltschemas 31 durch verschiedene Schichten 41 in dem Schaltring 40 wiedergegeben sind und jeweilige Kontaktstellen 45 jeweilige Spulenanschlüsse in einer bestimmten Ebene 32 bis 38 mit Elektrizität versorgen.
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Ein in 7 dargestellter Ablauf eines Herstellungsverfahrens für einen erfindungsgemäßen Schaltring 40 zeigt, dass in einem ersten Schritt 47 eine elektrisch leitende Schicht 49, aus bspw. Kupfer oder Aluminium oder jedem weiteren technisch geeigneten elektrisch leitenden Material, auf ein Isoliermaterial 51, aus bspw. Kunststoff oder Isolierpapier, aufgestapelt bzw. aufgesetzt wird, so dass die elektrisch leitende Schicht 49 durch das Isoliermaterial bzw. die isolierende Schicht 51 nach unten hin elektrisch isoliert wird.
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In einem zweiten Schritt 53 wird die elektrisch leitende Schicht 49 nach oben hin durch eine weitere Schicht Isoliermaterial 51 elektrisch isoliert. Durch Wiederholung der Schritte 47 und 53 kann eine Anzahl von Schichten 49 bzw. 51 zu einem Schaltring zusammengefügt bzw. aufgestapelt werden. Dabei werden jeweilige elektrisch leitende Schichten gemäß dem vorgegebenen Schaltschema angeordnet und ausgerichtet. Von einer jeweiligen elektrisch leitenden Schicht 49 umfasste Kontaktstellen 45 versorgen jeweilige Spulen bzw. Spulenanschlüsse einer entsprechenden Elektromaschine mit Elektrizität. Die Kontaktstellen 45 sind stoffschlüssig ausgestaltet, d. h. die Kontaktstellen 45 sind mit einer jeweiligen elektrisch leitenden Schicht 49 aus einem Rohmaterial, wie bspw. einem Blech ausgestanzt worden und mittels eines Verbindungsverfahrens, wie bspw. Kontaktschweißen mit jeweiligen Spulenanschlüssen zu verbinden.
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Um einen fertiggestellten Schaltring 40 zu fixieren, kann der Schaltring 40 mit einem Isoliermaterial, wie bspw. einem Harz ummantelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2112747 A1 [0005]
- WO 2007/012207 A1 [0007]
- EP 1705775 B1 [0008]
- DE 112010000704 T5 [0009]
