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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wicklung an einem Stator eines Elektromotors und ein Herstellungsverfahren für eine derartige Wicklung.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei der Wicklung von Statoren für Elektromotoren ein möglichst hoher Kupfer-Füllfaktor in Nuten des Stators dadurch realisiert wird, dass sog. Haarnadel- bzw. Hairpin-Wicklungen an der Stelle herkömmlicher Wickeltechnologien unter Verwendung von Runddraht eingesetzt werden. Hairpin-Wicklungen werden unter Verwendung von Flachdraht statt Runddraht hergestellt und erreichen einen Füllfaktor von ca. 60 %. Herkömmliche Hairpin-Wicklungen bestehen dabei aus einem massiven Profildraht aus Kupfer mit rechteckigen Querschnittsprofil, die in Form einzelner Hairpins oder als entsprechend geordnetes Paket zahlreicher ausgerichteter Hairpins in die Nuten des Stators eingelegt wird.
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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 eingeschossen werden. 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 Imprägniermasse zumindest im Bereich der Nuten des Stators;
- - Angelieren der Imprägniermasse und/oder Abtropfen überschüssiger 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 imprägniert wird, um eine Festigkeit und Positionierung der Wicklung in den Nuten des Stators bei verbesserter thermischer Anbindung an den Stator und zugleich elektrischer Isolation gegenüber dem metallischen Stator zu gewährleisten.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein effizienteres Herstellungsverfahren und auch eine verbesserte Hairpin-Wicklung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Demnach werden in einem erfindungsgemäßen Verfahren alle Hairpins einer jeweils herzustellenden Hairpin-Wicklung in einer Anordnung zum nachfolgenden Einbringen in Nuten des Stators fixiert und in dieser Anordnung 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 einen durch den Kunststoff umschlossenen Wickelkopf einstückig miteinander zu einem kronenartigen Bauteil verbunden werden. Gegenüber einem vorstehend beschriebenen Imprägnierungsverfahren weist ein Spritzguss-Verfahren eine optimierte Prozessüberwachung 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.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung sieht als Lösung der vorstehend genannten Aufgabe daher vor, dass eine in einen Stator 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 Einschieben 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 Wesentlichen U-förmig geformten Hairpins sind bis auf Kontaktfüße ab deren Endbereiche isolierend von Kunststoff umschlossen und im Bereich eines Wickelkopfes zu einem Bauteil miteinander 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.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach werden nach dem Einschieben der mit Kunststoff umspritzten Hairpins in die entsprechenden Nuten des Stators die Kontaktfüße der Hairpins zur Bildung einer Verschaltung als vorbestimmte Wicklung gebogen und verschweißt. Nachfolgend wird ein Bereich um die elektrisch verbundenen Kontaktfüße mit dem Stator in ein Spritzgieß-Werkzeug eingelegt und zur Ausbildung eines weiteren Wicklungs- bzw. Wickelkopfes mit einer Isolierung aus einem Kunststoff umspritzt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden in dem Schritt eines Spritzgieß-Verfahrens an einem mit Kunststoff umschlossenen Wickelkopf Nuten angeformt. Diese Nuten werden in einer Einbaulage des Wickelkopfs als Mittel zur Bildung einer Kühleinrichtung verwendet. Damit sind in einer Ausführungsform der Erfindung im Bereich des umspritzen Wickelkopfes miteinander verbundene Nuten als Kühlkanäle und radial geschlossene Nuten zur nachfolgenden Aufnahme von Dichtungen ausgebildet. So sind an einer Hairpin-Wicklung in der Spritzguss-Isolierung des jeweiligen Wickelkopfes Mittel für eine aktive Kühlung des elektrisch isolierend umspritzen Wickelkopfes während des normalen Betriebs zum Abführen elektrischer Verlustleistung vorgesehen, wie es am Stator selber bereits nach dem Stand der Technik realisiert ist. Dabei liegt eine wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Erfindung darin, dass die Wickelköpfe auch bei Hairpin-Wicklungen als thermische Hotspots in einem Elektro-Motor erkannt wurden. Eine zumindest für Hairpin-Wicklungen bislang genutzte Kühlung eines Wickelkopfes, die bislang nur auf Konvektion und/oder Wärmeabstrahlung 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 Dauerleistung 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 Nuten des Stators hinaus einen geringen zusätzlichen Aufwand bedeutet.
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In einer Weiterbildung eines Herstellungsverfahrens werden Hairpins, die in einer Anordnung zum Einbringen in den Stator fixiert sind, in einem Spritzgießwerkzeug zu einer sog. „Stator-Krone“ mit einem isolierenden Kunststoff so umspritzt, dass diese Stator-Krone als Gesamtbauteil in den Stator einschiebbar 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 Hairpins gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach dem isolierenden 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 Nuten des Stators frei austretenden Zinken genutzt, so dass hier keine Modifikationen innerhalb der Nuten des Stators erforderlich sind. Dementsprechend sind an Kunststoff-Umspritzungen der Hairpins vorgesehene Verrastungen in einer Einbaulage zum Verrasten an dem umspritzten Wickelkopf gegenüberliegenden Enden der Nuten des Stators ausgebildet. Es schließen sich bei einer derartigen Anordnung nachfolgend bekannt Arbeitsschritte an, in denen die überstehenden, von jeder elektrischen Isolation 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 entgegen.
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Vorteilhafterweise weist der Wickelkopf der Stator-Krone Kühlkanäle 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.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen den 0-Ring-Dichtungen mindestens ein Kühlkanal vorgesehen, der zwischen 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.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein in der vorstehend beschriebenen Weise durch verrastendes Einschieben einer Stator-Krone vorbereiteter Stator mit verschalteten Kontaktfüßen abschließend in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und ein Bereich der verschalteten Kontaktfüße 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 vorstehend 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 Abführen elektrischer Verluste verfügen.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1: eine dreidimensionale Ansicht einer durch Umspritzen gebildeten Stator-Krone mit einer darin fixierten Anordnung aus einzelnen Hairpins;
- 2: eine dreidimensionale Ansicht einer Ausführungsform eines unter Verwendung einer Stator-Krone von 1 fertiggestellten Stators;
- 3: ein Schnitt durch die Ausführungsform des fertiggestellten Stators von 2 unter Andeutung eines inneren Aufbaus mit Verschaltung im Bereich der beiden Wickelköpfe und
- 4a und 4b: Ausschnittsvergrößerungen A und B von 3.
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Über die verschiedenen Abbildungen und Ausführungsbeispiele hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer durch Umspritzen 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 herzustellenden Hairpin-Wicklung sind in dieser Anordnung zum nachfolgenden Einschieben in Nuten 4 des Stators 3 ausgerichtet fixiert. Diese Anordnung 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 Stator-Krone 1 verbunden worden sind. Diese Stator-Krone 1 wird dann in Richtung des Pfeils P von 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.
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Die Stator-Krone 1 weist im Bereich des durch den Kunststoff 5 umschlossenen Wickelkopfs 8 nicht nur die elektrischen Anschlüsse 9 der aus den einzelnen Hairpins 2 noch fertigzustellenden 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 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 geschlossene Nuten zur Aufnahme von Dichtungen 11 vorgesehen.
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2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Ausführungsform eines unter Verwendung der Stator-Krone 1 von 1 Stator 3 mit fertiggestellter Wicklung. Diese Wicklung liegt im Inneren des dargestellten Stator 3, der zur spätestens Aufnahme eines Rotors einen Hohlzylinder mit einem geschlossenen Außenmantel bildet.
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3 ist ein Schnitt durch die Ausführungsform des fertiggestellten Stators von 2 entlang einer Mittelachse unter Andeutung eines inneren Aufbaus mit Verschaltung der Hairpins 2. Nach dem Einschieben des kronenartigen Bauteils 1 von 1 in entsprechende Nuten 4 des Stators 3 sind die Kontaktfüße 7 zur Bildung einer entsprechenden Verschaltung der darin enthaltenen Hairpins 2 gebogen und verschweißt wurden. Um ein Verschieben der Stator-Krone 1 bei diesen Vorgängen zu verhindern, sind Verrastungen aus dem Kunststoff 5 nahe des freien Endbereichs 6 der Hairpins 2 vorgesehen, die nachfolgend noch anhand von Ausschnittsvergrößerungen der 4a und 4b beschrieben werden.
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An die Fertigstellung der Wicklung im Stator 3 wurde ein Bereich um die nun elektrisch verbundenen Kontaktfüße 7 mit einem 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 umspritzt. Auch in diesem Wickelkopf 12 sind wieder Nuten 10 zur Ausbildung von Kanälen einer Kühlung in einem Einsatz vorgesehen, die ihrerseits über Dichtungen 11 gegenüber einem nicht weiter dargestellten zylindrischen Außengehäuse abdichten.
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Die Abbildungen der 4a und 4b stellen in Ausschnittsvergrößerungen A und B von 3 zwei Bauformen von Verrastungen dar, die bei der Herstellung einer Stator-Krone 1 auch aus dem Kunststoff 5 gebildet werden. 4a zeigt eine federelastische 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.
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Im Gegensatz dazu sind in dem Ausführungsbeispiel von 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 Erreichen einer Endstellung der Stator-Krone 1 den Stator 3 hintergreifen und dabei lediglich minimal aus den Nuten 4 des Stators 3 heraus vorstehen.
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Durch die vorstehend beschriebene Technologie ist es vorteilhafter 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 elektrischen Isolierung werden zudem vorteilhafte neue Mittel zur Verbesserung einer Kühlung der Wickelköpfe als weiterer relevanter Teile der Wicklung des Stators im Einsatz bereitgestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator-Krone / kronenartiges Bauteil
- 2
- Hairpin
- 3
- Stator eines Elektromotors
- 4
- Nut des Stators 3
- 5
- Kunststoff als elektrische Isolierung
- 6
- freier Endbereich der Hairpins 2
- 7
- Kontaktfuß
- 8
- umspritzter Wickelkopf, durch den Kunststoff 5 umschlossen
- 9
- elektrischer Anschluss der Wicklung des Stators 3
- 10
- Nut für Kühlkreis in der Umspritzung des Wickelkopfes 8
- 11
- Nut mit Dichtung
- 12
- Wickelkopf
- 13
- federelastische Rastnase
- 14
- Ausnehmung im Bereich einer Nut 4 des Stators 3
- P
- Einführrichtung beim Einschieben des kronenartiges Bauteils 1 in den Stator 3
