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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator für eine elektrische Maschine, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Mit der
DE 102012224153 A1 ist ein Stator einer elektrischen Maschine bekannt geworden, bei dem an einer Stirnseite eine Isolierlamelle und eine damit verbundenen Verschalteplatte angeordnet ist. An der Isolierlamelle sind an der äußeren Umfangsfläche umlaufende Rillen ausgeformt, in die der Vebindungsdraht zwischen einzelnen Spulen beim Wickeln eingelegt wird. Diese Ausführung hat den Nachteil, dass nach dem Wickeln die Spulen diese nochmals mit einer separaten Verschalteplatte kontaktiert werden müssen, um die Spulen mit einem Kundenstecker zu verbinden. Außerdem weist die Verschalteplatte mit den axial nebeneinander angeordneten Rillen eine große axiale Bauhöhe auf, wodurch der Stator nicht in einen begrenzten Bauraum passt.
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Die
DE 10328720A1 zeigt einen Stator, bei dem auf jeden Statorzahn eine separate Spule mit einem losen Drahtanfang- und ende gewickelt ist. Diese Drahtenden werden mit einem separaten Verschaltungselement verbunden, das nach dem Wickeln auf den Stator aufgesetzt wird. Das Verschaltungselement weist als Stanzteile ausgebildete Leiterbahnen auf, deren Längserstreckung größer ist als deren radiale Breite. Die Herstellung eines solchen Stators ist sehr aufwändig, da die Spulen einzeln gewickelt werden und die losen Drahtenden der Spulen jeweils einzeln an die Leiterstreifen angelötete oder geschweißt werden müssen, wobei eine solche Ausführung ebenfalls eine hohe axiale Ausdehnung aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Stator, sowie die erfindungsgemäße elektrische Maschine beinhaltend einen solchen Stator, sowie das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eines Stators nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Integration der Leiterstreifen in die Isoliermaske der Wickeldraht ununterbrochen durchgewickelt werden kann, wobei der Draht zwischen dem Wickeln der einzelnen Spulen direkt mit den Schweißkontakten der Leiterstreifen verbunden werden kann. Durch die axial über die Isolierlamelle überstehenden Schweißkontakte kann der Wickeldraht beim Nadelwickeln ohne Zusatzaufwand direkt in den Hakengrund der Schweißhaken eingelegt werden. Danach kann der Wickeldraht direkt mittels radial beweglicher Elektroden mit dem Schweißkontakt verschweißt werden. Durch die mechanisch stabile Ausführung der Schweißelemente mit den Schweißhaken kann auf zusätzliche Haltelemente für die radiale Positionierung des Wickeldrahts verzichtet werden. Damit übernehmen die Schweißelemente die Funktion der Führung und der zuverlässigen Positionierung des Wickeldrahts zwischen den einzelnen Spulen. Eine separate Montage einer zusätzlichen Verschaltungsplatte entfällt ebenfalls, wodurch auch axialer Bauraum eingespart wird. Dadurch eignet sich ein solcher Stator besonders für den Einbau in die beengten Platzverhältnisse innerhalb eines Kraftfahrzeugtanks.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Ausbildungen möglich. Besonders günstig kann der Schweißhaken durch das Ausstanzen einer Lasche aus dem Zentrum des Schweißelements hergestellt werden, die anschließend als Schweißhaken umgebogen wird. Durch das ausgestanzte Loch im Schweißelement werden beidseitig des Lochs axiale Stege gebildet, zwischen denen der Schweißhaken nach außen umgebogen ist. Dadurch kann der Wickeldraht flächig an der radialen Außenseite des Schweißelements angelegt werden und wird beim Verschweißen vollständig durch den Schweißhaken umschlossen.
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In den noch oben umgebogenen Schweißhaken kann der Wickeldraht mittels Nadelwickeln sehr schnell und einfach direkt in den Haken eingelegt werden, so dass beim Verbinden zweier benachbarter Spulen keine Wickelzeit durch die Kontaktierung mit den Schweißkontakten verloren geht.
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Um den Verbindungsdraht zwischen den Spulen möglichst tief in den Hakengrund hineinzuziehen, sind an den beiden Kanten des Schweißelements an beiden Umfangsrichtungen jeweils Kerben ausgeformt, durch die hindurch der Wickeldraht beim Umschlingen des Schweißelements geführt wird. Die Kerben sind dabei axial so tief angeordnet, dass der Draht beim Wickeln tief in den Hakengrund hinabgezogen wird, so dass danach eine zuverlässige Schweißverbindung gebildet werden kann.
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Die Schweißkontakte der Leiterstreifen sind jeweils in Umfangsrichtung genau zwischen zwei Spulen angeordnet und sind in Umfangsrichtung breiter als der freie Abstand zwischen den Spulen. Dadurch wird der Wickeldraht beim Umschlingen der Schweißkontakte an deren radialer Außenseite soweit aufgespreizt, dass die Spulen beim Wickeln immer zugezogen werden, wodurch eine straffe, kompakte Spulenwicklung erzeugt wird.
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Zur leichteren Montage der Leiterstreifen in die Nuten der Isoliermaske oder in das Isolatormodul können an den Leiterstreifen axiale Montagelaschen einstückig angeformt sein, auf die die axiale Montagekraft auf die Leiterstreifen ausgeübt wird. Dadurch wird verhindert, dass sich die Leiterstreifen bei deren Montage verbiegen. Außerdem kann optional auch das Isolatormodul mittels der Montagelaschen axial auf die Isolierlamelle gefügt werden.
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Prozesstechnisch können die Leiterstreifen sehr günstig als Biegestanzteile hergestellt werden, wobei durch das Biegen eines Rings aus einem ebenen Längsstreifen sehr wenig Blechverschnitt anfällt. Dabei können die Leiterstreifen derart aus dem Blech ausgestanzt werden, dass jeweils die einstückig angeformten Schweißkontakt-Elemente verzahnt ineinander greifen. Im Vergleich zu flächig in der Radialebene ausgebildeten Leiterelementen kann durch das Umbiegen zu einem ringförmigen Leiterstreifen sehr viel Blechmaterial eingespart werden. Dabei können die ringförmig gebogenen Leiterstreifen sehr kostengünstig direkt in ringförmig umlaufenden Vertiefungen in der Isolierlamelle eingelegt werden. Diese Vertiefungen sind vorzugsweise als Nuten mit einem rechteckförmigen Querschnitt entsprechend dem Querschnitt der Leiterstreifen ausgebildet. Dadurch ergeben sich zwischen den einzelnen Nuten in Axialrichtung axiale Trennwände zwischen den einzelnen Nuten, die sehr dünn ausgebildet sein können und als Isolierung zwischen den radial benachbarten Leiterstreifen dienen. Der ringförmige Basisring der Leiterstreifen ist bevorzugt axial vollständig in die entsprechende Nut der Isolierlamelle eingetaucht, so dass nur noch die Schweißkontakte und Phasenanschluss-Elemente und optional die Montagelaschen der Leiterstreifen axial aus den Nuten herausragen. Dadurch sind die Leiterstreifen elektrisch zuverlässig gegeneinander isoliert und mechanisch stabil in der Isoliermaske gehalten. Durch das hochkantige Einlegen der Leiterstreifen radial nebeneinander und die Anordnung der Leiterstreifen axial im Bereich der Wickelköpfe der Spulen, kann der Stator durch dieses Verfahren besonders flach gebaut werden. Zur Montage der Leiterstreifen können in der Isolierlamelle beispielsweise Klemmelemente ausgebildet sein, in die die Leiterstreifen direkt eingepresst werden. In einer bevorzugten Ausführung des Stators weist dieser genau drei Leiterstreifen auf, mittels deren Phasenanschluss-Elementen die Spulen bestromt werden. Dabei wird jeweils eine Phase durch genau einen Leiterstreifen gebildet, der entsprechende Schweißkontakte zur Verbindung mit dem Wickeldraht aufweist. Werden die Phasenanschluss-Elemente der Leiterstreifen axial zur Isolierlamelle aus dieser herausgeführt, kann der entsprechende Gegenstecker radial innerhalb des Außenumfangs des Stators angeordnet werden, wodurch radialer Bauraum eingespart wird.
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Damit die Phasenanschluss-Elemente in Umfangsrichtung nah beieinander angeordnet sind, können die Phasenanschluss-Elemente direkt am axialen Ende der Schweißkontakte als axiale Verlängerung derselben ausgebildet sein. Dabei kann die axiale Verlängerung bezüglich der Umfangsrichtung mittig am Schweißkontakt oder bündig an einer seitlichen Kante angeordnet sein.
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Um den Außendurchmesser des Stators im Bereich der elektrischen Kontaktierung der Spulen zu reduzieren, können die Schweißkontakte der Leiterstreifen eine radiale Kröpfung aufweisen, so dass die Schweißkontakte radial nach innen, beziehungsweise auch radial nach außen umgebogen sind. Dadurch können die Schweißhaken des äußeren und des inneren Leiterstreifens auf den Radius des mittleren Leiterstreifens umgebogen werden, so dass der Verbindungsdraht radial immer auf dem gleichen Radius (des mittleren Leiterstreifens) in die Schweißhaken eingelegt wird. Dadurch kann auch das Wickelverfahren vereinfacht werden, wobei dabei der mittlere Leiterstreifen vor den anderen beiden in die Isoliermaske eingesetzt werden muss.
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Alternativ zur einstückigen Ausbildung der Isoliermaske, kann diese auch in zwei getrennten Teilen gefertigt werden. Bevorzugt wird als erster Teil eine Isolierlamelle direkt auf den Statorgrundkörper aufgespritzt oder aufgesetzt (als zwei Halbschalen des ersten Teils). Dadurch sind insbesondere die Statorzähne optimal gegenüber der Drahtwicklung isoliert. Eine solche angespritzte Isolierlamelle kann sich über beide axiale Stirnseiten des Statorgrundkörpers erstrecken, die entlang den Statorzähnen einteilig miteinander verbunden sind. Die Leiterstreifen werden dann in ein separat gefertigtes Isolatormodul in dessen ringförmige Nuten eingesetzt. Dabei können mittels Spritzgießen des Isolatormoduls sehr günstig die Geometrien für die Nuten der Leiterstreifen ausgebildet werden. Dadurch können die sperrigen ringförmigen Leiterstreifen leichter transportiert und auf den Stator montiert werden. Bei der axialen Montage des Isolatormoduls mit den bereits eingesetzten Leiterstreifen, wird das Isolatormodul bevorzugt mittels einer Rast- oder Clipsverbindung mit dem ersten Teil (Isolatorlamelle) der Isolationsmaske verbunden.
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Der Stator kann sehr günstig aus einzelnen Blechlamellen aufgebaut werden, die als ringförmig geschlossene Blechlamellen ausgestanzt werden. Beim Stanzen kann gleichzeitig am radial äußeren Umfang eine Öse ausgebildet werden, die beim axialen Stapeln der einzelnen Blechlamellen eine Befestigungsbohrung für das Einfügen eines Verbindungselements bildet. Dabei erstrecken sich die Statorzähne bevorzugt radial nach innen, so dass der Rotor als Innenläufer ausgebildet ist. Um den hohen Schüttelbelastungen im Kraftfahrzeugbereich, insbesondere bei der Verwendung im LKW, gerecht zu werden, wird die komplette Drahtwicklung nach der elektrischen Kontaktierung mit den Kontaktelementen mit einer weiteren Kunststoffmasse umspritzt. Dadurch sind die elektrisch leitenden Elemente einerseits zuverlässig gegen Korrosion geschützt (was für den Einsatz im Kraftstofftank von Vorteil ist), und anderseits wird verhindert, dass der Wickeldraht bricht oder sich eine elektrische Kontaktierung löst. Da die Befestigungsöffnungen weiterhin aus der zweiten Kunststoffmasse radial hervor stehen, ist kein weiteres Gehäuse für den Stator notwendig, sondern dieser kann direkt mittels den Befestigungsöffnungen am Kraftfahrzeug festgeschraubt oder in anderer Weise befestigt werden. Bei dieser Ausführungen ist auf jedem Statorzahn immer nur genau eine Spule angeordnet, die über den ununterbrochenen Verbindungsdraht mit der in Umfangsrichtung benachbarten Spule verbunden ist. Mit dem erfindungsgemäßen ununterbrochenen Durchwickeln des Wickeldrahts können die einzelnen Spulen in einer Dreiecksschaltung in vierfacher paralleler Ausführung verschaltet werden. Dadurch kann eine optimale elektrische Ansteuerung der Spulen realisiert werden, um eine maximale Leistungsdichte des magnetischen Flusses zu erzeugen.
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Der erfindungsgemäße Stator wird in elektrischen Maschinen eingesetzt, beispielsweise in Antriebsmotoren, welche in Kraftfahrzeugen Verwendung finden. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen Innenläufermotor mit außen liegendem, ringförmigen Stator und einem innen liegenden Rotor. Eine elektrische Maschine mit solch einem Stator eignet sich aufgrund der besonders flachen Bauweise und der Kunststoffummantelung der stromleitenden Elemente besonders für den Einbau in den Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur Förderung von Diesel aus dem Tank zum Motor.
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Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann der Stator in einem Prozessschritt mit dem Wickeln der Spulen gleichzeitig mit den Phasenanschlüssen kontaktiert werden, ohne dass eine weitere separate Verschaltungsplatte montiert werden muss. Dadurch dass die Leiterstreifen vor dem Beginn des Wickelns in die Isolierlamelle eingebettet sind, können direkt parallele Dreiecksschaltungen der bewickelten Spulen hergestellt werden. Durch das Anspritzen sowohl der Isolierlamelle, als auch des weiteren Kunststoffkörpers nach dem Verschweißen des Wickeldrahts mit den Schweißkontakten, kann die Geometrie für die Leiterstreifen und deren Phasenanschluss-Kontakte leicht an die Kundenanforderungen angepasst werden. Durch das Einlegen des Wickeldrahts in die Schweißhaken an der radialen Außenseite der Schweißkontakte, können die Schweißelektroden vorteilhaft den Schweißhaken in radialer Richtung gegen den Schweißkontakt pressen, wodurch der Wickeldraht zuverlässig vom Schweißhaken umschlossen wird. Die radiale Verspannung der beiden Elektroden gegeneinander ist aufgrund des vorhandenen radialen Montageraums wesentlich einfacher, als eine Verspannung der Elektroden in Umfangsrichtung, da hier gleich die nächsten Schweißkontakte angeordnet sind.
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Da die elektrische Kontaktierung der Spulen vollständig auf einer ersten Stirnseite des Stators realisiert wird, sind auf der gegenüberliegenden zweiten Stirnseite keine elektrischen Kontakte mit Leiterelementen notwendig. Dadurch kann die Wicklung besonders vorteilhaft mittels einer Nadelwickelmaschine ausgeführt werden, bei der die Nadel axial durch den ringförmigen Stator hindurchgeführt wird. Dabei kann der Wickeldraht an der ersten Stirnseite direkt radial außen um die Schweißkontakte herum geführt und dabei in die Schweißhaken eingelegt werden. Legt die Wickelnadel den Wickeldraht direkt in die seitlich am Schweißkontakt ausgesparten radialen Führungsnuten ein, wird dadurch der Wickeldraht vorteilhaft besonders tief axial in den Schweißhaken hineingezogen, so der Wickeldraht straff gespannt zuverlässig für einer guten Schweißverbindung positioniert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 Eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Stators
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2 Eine Detailansicht der Leiterstreifen gemäß 1
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3 Einen Ausschnitt eines fertig gewickelten Stators
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4 Das Wickelschema einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung
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5 Eine Dreiecksschaltung einer der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele
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5 Eine weitere Ausführung eines komplett umspritzten Stators und
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6 Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators
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7 Eine Detailansicht der Montages eines Isolatormoduls gemäß 6
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8 Eine Ausführung eines nachträglich umspritzten Stators
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In 1 ist ein Stator 10 dargestellt, wie er beispielsweise in elektrischen Maschinen 11, insbesondere einem elektrisch kommutierten Elektromotor 12 verwendet wird. Der Stator 10 weist einen ringförmigen Statorgrundkörper 14 auf, der sich aus einzelnen Lamellenblechen 40 zusammensetzt. Dabei erstrecken sich vom Statorgrundkörper 14 in Radialrichtung 34 nach innen Statorzähne 16, die einteilig mit den jeweiligen Lamellenblechen 40 ausgebildet sind. Am radial äußeren Rand 42 weist der Statorgrundkörper 14 Aufnahmeöffnungen 44 für Verbindungselemente auf, mit denen der Stator 10 beispielsweise im Kraftfahrzeug befestigt werden kann. Die Lamellenbleche 40 sind beispielsweise als Stanzbleche ausgebildet, die einen geschlossenen Ring bilden, an dem die Aufnahmeöffnungen 44 einstückig ausgeformt sind. Auf dem Statorgrundkörper 14 ist an einer ersten Stirnseite 41 eine Isoliermaske 22 angeordnet, die näherungsweise die gesamte axiale Fläche der Lamellenbleche 40 abdeckt. Die Isoliermaske 22 erstreckt sich beispielsweise auch in Axialrichtung 30 entlang der Statorzähne 16. Ebenso ist die gegenüberliegende Stirnseite 43 mit der Isoliermaske 22 bedeckt, wobei im Ausführungsbeispiel der 1 die Isoliermaske 22 einstückig als Umspritzung des Statorgrundkörpers 14 ausgebildet ist. In einer alternativen Ausführung kann die Isoliermaske 22 jedoch auch als separat hergestelltes Bauteil ausgebildet sein, bei dem insbesondere zwei separate Teile jeweils axial auf die erste und zweite Stirnseite 41, 43 des Statorgrundkörpers 14 gefügt werden. In der Isoliermaske 22 sind ringförmige Nuten 46 ausgeformt, in die jeweils ringförmige Leiterstreifen 26 axial eingefügt werden. Hierzu sind beispielsweise in den Nuten 46 Klemmrippen angeordnet, um die Leiterstreifen 26 fest in den Nuten 46 zu verpressen. Die Leiterstreifen 26 sind als Biegestanzteile ausgebildet und bilden die Stromversorgung für die Spulen 18. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Stator 10 zwölf Spulen 18 auf, die über drei Leiterelemente 26 miteinander verschaltet sind. Jeder Leiterstreifen 26 weist einen Basisring 25 auf, dessen Querschnitt etwa rechteckförmig ist, wobei sich dessen Längsseite in Axialrichtung 30 erstreckt. Im Ausführungsbeispiel bildet jeder der drei Leiterstreifen 26 eine eigene elektrische Phase 50 U, V, W. Dazu weist jeder Leiterstreifen 26 ein Phasenanschluss-Element 48 auf, das mit einem kundenspezifischen Anschlussstecker kontaktiert wird. Die Phasenanschluss-Elemente 48 erstrecken sich axial über den Basisring 25 hinaus, um den radialen Bauraum des Stators 10 zu reduzieren. Dabei sind die Phasenanschluss-Elemente 48 der Leiterelemente 26 alle benachbart angeordnet, so dass beispielsweise ein kundenspezifischer Anschlussstecker auf die Phasenanschluss-Elemente 48 aufgesteckt werden kann. An allen Leiterstreifen 26 sind jeweils axial abstehende Schweißkontakte 24 angeformt, mit denen der Wickeldraht 20 elektrisch kontaktiert wird. Die ringförmigen Leiterstreifen 26 sind in Umfangsrichtung 32 über einen großen Bereich in Radialrichtung 34 beabstandet zueinander angeordnet, so dass die einzelnen Leiterstreifen 26 einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Zwischen zwei radial benachbarten Nuten 46 bilden die Seitenflächen 47 der Nuten 46 eine Isolierwand 49 zwischen den ringförmigen Leiterstreifen 26. Die Schweißkontakte 24 sind bezüglich Ihrer Reihenfolge in Umfangsrichtung 32 abwechselnd an den verschiedenen Leiterstreifen 26 angeordnet. Sie weisen an ihrer radialen Außenseite einen Schweißhaken (36) auf, in den ein durch den Wickeldraht 20 gebildeter Verbindungsdraht 66 zwischen den Spulen 18 eingelegt wird.
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In 2 ist in einer Vergrößerung der Leiterelemente 26 gemäß 1 die konkrete Ausgestaltung der Scheißkontakte 24 dargestellt. Die Schweißkontakte 24 sind einstückig mit dem Basisring 25 ausgestanzt und erstrecken sich in Axialrichtung 30 über den Basisring 25 hinaus. Der Schweißhaken 36 ist aus einer umgebogenen Haltelasche 37 gefertigt, die aus der Mitte des Schweißkontakts 36 ausgestanzt ist. Dadurch weist der Schweißkontakt 24 in seinem Zentrum eine radiale Durchgangsöffnung 38 auf, an dessen oberen Rand der Schweißhaken 36 umgeformt ist. Dadurch ist der Schweißhaken 36 in Umfangsrichtung 34 zwischen zwei axialen Stegen 39 angeordnet, die axial unten über den Basisring 25 und axial oben über einen einstückig angeformten Bügel 35 miteinander verbunden sind. Am oberen Ende 52 der Schweißkontakte 24 sind deren Ecken bevorzugt abgeschrägt oder abgerundet, um das Umschlingen des Scheißkontakts 24 mit dem Wickeldraht 20 zu erleichtern. Der Schweißhaken 36 ist axial nach oben hin offen ausgebildet und weist einen Hakengrund 33 auf, der in Umfangsrichtung 32 entlang der radialen Durchgangöffnung 38 verläuft. An den in Umfangrichtung 32 gegenüberliegenden Seiten sind am Scheißkontakt 24 jeweils in Umfangsrichtung 32 offene, radiale Aussparungen 31 ausgeformt, durch die der Wickeldraht 20 geführt wird. Die radialen Aussparungen 31 sind auf axialer Höhe des Hakengrunds 33 oder tiefer angeordnet, so dass beim Hindurchführen des Wickeldrahts 20 durch die beiden gegenüberliegenden radialen Aussparungen 31 der Wickeldraht 20 axial bis an den Hakengrund 33 hinab gezogen wird. In der Ausführung gemäß 1 und 2 sind die Schweißkontakte 24 zumindest teilweise radial umgebogen, so dass die axialen Enden 52 aller Schweißkontakte 24 auf dem gleichen Durchmesser angeordnet sind. Hierzu werden beispielsweise die Schweißkontakte 24 des radial äußersten und des radial innersten Leiterstreifens 26 mittels einer Kröpfung 55 zum mittleren Leiterstreifen 26 hin umgekröpft, wobei die Schweißkontakte 24 der mittleren Leiterelemente 26 bevorzugt nicht umgebogen werden. Bei dieser Ausführung wird der mittlere Leiterstreifen 26 zuerst axial in die mittlere Nut 46 der Isoliermaske 22 eingefügt, bevor der radial äußere und radial innere Leiterstreifen 26 axial in die Isoliermaske 22 eingefügt werden.
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Der fertiggewickelte Stator 10 ist in 3 dargestellt. Auf jedem Statorzahn 16 ist genau eine elektrische Spule 18 gewickelt, wobei alle elektrische Spulen 18 mittels eines einzigen ununterbrochenen Wickeldrahts 20 durchgewickelt werden, der zwischen den Spulen 18 den Verbindungsdraht 66 bildet. Dabei sind die Schweißkontakte 24 in Umfangsrichtung 32 immer genau zwischen zwei Spulen 18 angeordnet, so dass deren Breite 27 in Umfangsrichtung 32 größer ausgebildet ist, als der tangentiale Freiraum 19 zwischen den Spulen 18. Dabei wird der Wickeldraht 20 am Ende einer Spule 18 radial nach außen an der radialen Außenseite des Schweißkontakts 24 um diesen herumgeführt. Der Wickeldraht 20 wird hierbei in den axial nach oben offenen Schweißhaken 36 eingelegt. Danach wird der Wickeldraht 20 um den Schweißkontakt 24 herum wieder radial nach innen geführt, bevor der Wickeldraht 20 unmittelbar danach die nächste elektrische Spule 18 auf dem nächstliegenden Statorzahn 16 bildet. Dabei wird der Wickeldraht 20 derart um den Schweißhaken 36 geführt, dass zwei benachbarte Spulen 18 den gleichen Wickelsinn aufweisen. Das Bewickeln des Stators 10 wird bei dieser Ausführung mittels Nadelwickeln durchgeführt, so dass die Wickelnadel den Wickeldraht 20 sowohl direkt im Schweißhaken 36 des Schweißkontakts 24 ablegt, als auch den Wickeldraht 20 um den Schweißkontakt 24 herum durch die radialen Aussparungen 31 führt. Dadurch wird der Wickeldraht 20 axial nach unten in den Hakengrund 33 gezogen. Nach der Fertigstellung aller (beispielsweise zwölf) Spulen 18 kann das Ende des Wickeldrahts 20 im gleichen Schweißhaken 36 abgelegt werden, wie der Anfang des Wickeldrahts 20 vor dem Wickeln der ersten Spule 18. Alternativ ist es aber auch möglich, für das Ende des Wickeldrahts 20 einen weiteren Schweißkontaktelement 24 auszubilden, der unmittelbar benachbart zum Schweißkontakt 24 mit dem Wickeldrahtanfang angeordnet ist. In 3 ist zu erkennen, dass ein Phasenanschluss-Element 48 sich unmittelbar axial vom Basisring 25 aus erstreckt, beispielsweise das Phasenanschluss-Element 48 des mittleren Leiterstreifens 26. Die beiden anderen Phasenanschluss-Elemente 48 sind jedoch als axiale Verlängerung 53 am axialen Ende 52 der Schweißkontakte 24 ausgebildet. Dadurch sind hier alle drei Phasenanschluss-Elemente 48 in Umfangsrichtung 34 benachbart angeordnet, damit alle drei Phasenanschluss-Element 48 mit einem korrespondierenden Gegenstecker (nicht dargestellt) elektrisch kontaktierbar sind. Dabei ist hier das Phasenanschluss-Element 48 des äußeren Leiterstreifens 26 in Umfangsrichtung 32 mittig am Schweißkontakt 24 angeordnet, während das Phasenanschluss-Element 48 des inneren Leiterstreifens 26 in Umfangsrichtung 32 seitlich an dem Schweißkontakt 24 ausgebildet ist. Alle Phasenanschluss-Elemente 48 weisen hier einen radial abstehenden Winkel 54 auf, der die Steckverbindung mit dem Gegenstecker stabilisiert. Nach dem Beenden des Wickelvorgangs wird der Wickeldraht 20 beispielsweise mittels Warmverprägen oder Schweißen mittels zweier Elektroden mit den Schweißkontakten 24 elektrisch kontaktiert. Hierbei kann eine Elektrode radial von innen und die andere Elektrode radial von außen gegen den Schweißkontakt 24 gepresst werden. Hierbei wird der Schweißhaken 36 vollständig zugedrückt und aufgrund der eingeleiteten Wärme der Isolierlack des Wickeldrahts 20 aufgeschmolzen. Dadurch entsteht bevorzugt eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Schweißhaken 36 und dem Wickeldraht 20. Optional werden danach vorzugsweise die Spulen 18 mit den Verbindungsdrähten 66 und dem Basisring 25 der Leiterstreifen 26 mit einer weiteren Kunststoffmasse 70 umgossen, damit die gesamte Wicklung auch hohen Schüttelanforderungen, beispielsweise in einem LKW-Betrieb, standhält.
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Ein entsprechendes Wickelschema ist in 4 dargestellt, bei dem jede Phase 50 U, V, W jeweils genau einem Leiterstreifen 26 zugeordnet ist. In einem inneren Ring sind in 4 schematisch die elektrischen Spulen 18 (1–12) dargestellt, die mittels des durchgewickelten Wickeldrahts 20 alle miteinander verbunden sind. Radial ausserhalb der Spulen 18 sind die drei Leiterstreifen 26 ringförmig, radial benachbart zueinander angeordnet. Da jeder Leiterstreifen 26 eine elektrische Phase 50 bildet, sind die einzelnen Phasen 50 mittels der Schweißkontakte 24 mit den Verbindungsdrähten 66 zwischen den einzelnen Spulen 18 elektrisch verbunden. Dadurch sind die Verbindungsdrähte 66 in Umfangsrichtung 32 immer in der Reihenfolge U, V, W, mit den jeweiligen Phasenanschlüssen 48 der unterschiedlichen Leiterstreifen 26 verbunden. Als Resultat ergibt sich eine vierfache Dreiecksschaltung 64, wie diese in 5 dargestellt ist. Dadurch sind jeweils vier Spulen 18 einer Phase 50 parallel zueinander geschaltet. Bei dieser Darstellung entspricht jede der drei radialen Leitungen 65 jeweils einem Leiterstreifen 26, mit den jeweiligen Phasenanschluss-Elementen 48 U, V, W.
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In einer weiteren Ausführung gemäß 6 sind die Leiterstreifen 26 in einem separaten Isolatormodul 23 angeordnet, bevor dieses Isolatormodul 23 axial auf eine Isolierlamelle 21 aufgesetzt wird, die unmittelbar auf den Blechlamellen 40 des Statorgrundkörpers 14 angeordnet ist. Somit bildet die Isolierlamelle 21 zusammen mit dem Isolatormodul 23 die Isoliermaske 22. Bevorzugt ist die Isolierlamelle 19 als Umspritzung des Statorgrundkörpers 14 ausgebildet, auf die das separat gefertigte Isolatormodul 23 mit den Leiterstreifen 26 eingepasst wird. Dabei ist das Isolatormodul 23 als ringförmiges Kuststoffspritzguss-Bauteil ausgebildet, in dem die ringförmige Nuten 46 für die Leiterstreifen ausgeformt sind. Dadurch können die relativ empfindlichen Biegestanzteile der Leiterstreifen 26 direkt in dem Isolatormodul 23 transportiert und sehr einfach auf die Isolierlamelle 21 montiert werden. Bei dieser Ausführung sind alternativ die Schweißkontakte 24 nicht gekröpft oder umgebogen ausgebildet, sondern erstrecken sich auf dem jeweiligen Radius des entsprechenden Leiterstreifens 26 axial vom Basisring 25 weg. Dabei können die Leiterstreifen 26 in beliebiger Reihenfolge axial in die Nuten 46 des Isolatormoduls 23 eingefügt werden. Das Isolatormodul 23 hat hier einen größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der ringförmig angeordneten Spulen 18. Daher greift ein axialer Fortsatz 68 der Isolierlamelle 21 innerhalb des Isolatormoduls 23 axial durch dieses hindurch, wobei der axiale Fortsatz 68 ein Führungselement 67 für den Wickeldraht 20 bildet, der über den axialen Fortsatz 68 radial nach außen zu den Schweißkontakten 24 geführt wird. An der Isolierlamelle 21 und/oder an dem Isolatormodul 23 sind jeweils Rastelemente 91 und Gegenrastelemente 92 angeformt, so dass das Isolatormodul 23 beim Aufsetzen auf die Isolierlamelle 21 mittels einer Rast- oder Clipsverbindung 90 sicher fixiert wird.
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Eine solche Rastverbindung 90 ist in der Detailansicht in 7 dargestellt. Am Isolatormodul 23 sind an der radialen Innenseite Rastnasen 91 in Umfangsrichtung 32 angeformt, die in entsprechende in Umfangsrichtung 32 ausgeformte Rastausnehmungen 92 an der Isolierlamelle 21 eingreifen. Am Isolatormodul 23 sind Führungsflächen 93 in Axialrichtung 30 angeformt, an denen das Isolatormodul 23 axial in einen entsprechenden Schacht 94 am axialen Fortsatz 68 gleitet. Dadurch stellt die Rastverbindung 90 einen Formschluss bezüglich der Umfangsrichtung 32 und der Axialrichtung 30 dar. Radial wird das Isolatormodul 23 durch den axialen Fortsatz 68 geführt. Auch an der Außenseite der Isolierlamelle 21 sind als Gegenrastelemente 62 federnde Rasthaken 58 angeformt, die das Isolatormodul 23 axial umgreifen. Die Leiterstreifen 26 sind axial so weit in die Nuten 46 eingesteckt, dass der Basisring 25 vollständig axial innerhalb der Nuten 46 angeordnet ist. Die Schweißkontakte 24 und die Phasenanschluss-Elemente 48 schauen axial aus den Nuten 46 heraus. Zusätzlich sind am Basisring 25 hier noch axiale Montagelaschen 95 angeformt, mittels denen die Leiterstreifen 26 axial in die Nuten 46 eingepresst werden. Ebenso kann das Isolatormodul 23 mittels der Montagelaschen 95 in die Isolierlamelle 21 eingefügt werden. Alternativ können jedoch auch die Schweißkontakte 24 so stabil ausgeführt werden, dass diese die Funktion der Montagelaschen 95 übernehmen. Die Nuten 46 für die Leiterstreifen 26 können über den gesamten Umfang ununterbrochene Seitenwände 47 aufweisen oder nur abschnittsweise über den Umfang ausgebildet sein. Im Ausführungsbeispiel der 6 und 7 ist beispielsweise die innerste Seitenwand 47 des Isolatormoduls 23 nur durch Führungsabschnitte 95 mit den Führungsflächen 93 gebildet. Nachdem das Isolatormodul 23 in die Isolierlamelle 21 eingesetzt ist, wird die Isoliermaske 22 mit dem Wicklungsdraht 20 bewickelt um die Spulen 18 auszubilden, die mittels der Verbindungsdrähte 66 miteinander verbunden sind.
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Nach dem fertigen Bewickeln des Stators 10 kann dieser danach mit einer weiteren Kunststoffmasse 70 umspritzt werden, wie dies ist in 8 dargestellt ist. Mit der weiteren Umspritzung 70 werden auch alle Schweißkontakte 24 und deren elektrische Kontaktierung zum Wickeldraht 20 vollständig umschlossen. Dabei erstreckt sich die weitere Umspritzung 70 axial oberhalb der Isoliermaske 22 und den Spulen 18. Sie erstreckt sich weiter auch in Axialrichtung 30 zwischen den Spulen 18 und an der gegenüberliegenden Stirnseite 43 des Statorgrundkörpers 14. Nach der zweiten Umspritzung mittels dem Kunststoffkörper 70 ragen von den Leiterstreifen 26 nur noch die Phasenanschluss-Elemente 48 axial aus dem zweiten Kunststoffkörper 70 heraus. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Phasenanschluss-Elemente 48 als einfache Flach-Pins 56 ohne Abwinkelungen 54 ausgebildet, auf die axial ein nicht dargestellter Anschluss-Stecker für die Stromversorgung aufgesteckt werden kann. Die ringförmigen Leiterstreifen 26 sind in der gleichen axialen Ebene angeordnet, wie die Wickelköpfe der Spulen 18. Die zweite Umspritzung 70 ist in Axialrichtung 30 so hoch ausgebildet, dass auch die Schweißkontakte 24 und die Montagelaschen 95 komplett umspritzt sind. In 8 sind nebend den Phasen-Anschlusselementen 48 Fixierdome an der zweiten Umspritzung 70 ausgebildet, die beispielsweise in den Anschluss-Stecker eingreifen, um diesen erschütterungsfest mit dm Stator 10 zu verbinden. Im axial mittleren Bereich des Stators 10 bilden die Blechlamellen 40 mit den Statorzähnen 16 die radiale Innenwand 85 des Stators 10 und sind hier insbesondere nicht umspritzt. Die Aufnahmeöffnung 44 der Blechlamellen 40 liegt radial außerhalb der Isoliermaske 22, so dass entsprechende Verbindungselemente – beispielsweise Schrauben – axial durch die Befestigungsöffnungen 44 eingefügt werden können. Die Befestigungsöffnung 44 erstreckt sich beispielsweise nicht über die gesamte axiale Länge des Statorgrundkörpers 14, sondern nur über einen axialen Teilbereich der axialen Länge. Im inneren des Stators 10 ist ein zylindrischer Hohlraum 85 ausgebildet, in den nach der fertigen Montage des Stators 10 ein Rotor axial eingefügt wird. Durch die flache Bauweise des Stators 10 und die vollständige Umspritzung des Wickeldrahts 20 kann der entsprechende Elektromotor 12 besonders günstig in einen Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs eingebaut werden.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung, die Anordnung und Anzahl der Spulen 18, sowie die Ausbildung und Anzahl der Leiterstreifen 26 entsprechend variiert werden. Die Leiterstreifen 26 können unmittelbar in eine einstückige Isolationsmaske 22 oder in ein separat gefertigtes Isolatormodul 23 eingesetzt werden, das dann anschließend auf die Isolationslamelle 21 aufgesetzt wird. Ebenso kann die Lage und Ausbildung der Phasenanschluss-Elemente 48 und der Schnittstelle zum Gegenstecker den Anforderungen der elektrischen Maschine 11 und den Fertigungsmöglichkeiten angepasst werden. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für den Antrieb einer Kraftstoff-Förderpumpe, insbesondere zur Förderung von Diesel in einem LKW-Tank, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012224153 A1 [0002]
- DE 10328720 A1 [0003]
