DE102020215608A1

DE102020215608A1 - Verfahren zum Herstellen einer Verschaltungsanordnung sowie eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102020215608A1
Application number: DE102020215608.5A
Authority: DE
Inventors: Coralie Koo Sin Lin; Dirk Buehler; Thomas Heid; Maxim Sukhman
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verschaltungsanordnung (16) für elektrische Spulen (12) einer elektrischen Maschine (28), wobei an einer Eingangsseite (51) der Verschaltungsanordnung (16) Anschlusselemente (42) für die Verbindung mit elektrischen Leitern (38) einer elektronischen Steuereinheit (40) angeordnet werden, und an einer Ausgangsseite (52) der Verschaltungsanordnung (16) Kontaktelemente (44) für die Verbindung mit elektrischen Windungen (14) der Spulen (12) angeordnet werden, wobei die Verschaltungsanordnung (16) mit mehreren Stromführungen (17) ausgebildet wird, die mindestens zwei Kontaktelemente (44) elektrisch miteinander verbinden, und die Stromführungen (17) mittels einer Isolierung (18) elektrisch gegeneinander isoliert werden, wobei die Verschaltungsanordnung (16) mittels einem additiven Multi-Material-3D-Druckverfahren mit einem elektrisch leitenden Material (21) für die Stromführungen (17) und einem dazwischen angeordneten elektrisch isolierendem Material (22) für die Isolierung (18) hergestellt wird. Die Erfindung umfasst ebenfalls eine Verschaltungsanordnung (16) und eine elektrische Maschine (28), hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verschaltungsanordnung sowie eine elektrische Maschine mit einer Verschaltungsanordnung hergestellt nach diesem Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit der US 10,193,427 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten elektrischer Maschinen mit axialem oder radialem Magnetfluss bekannt geworden. Dabei werden mehrere Laminatschichten und/oder Materialpartikel mittels Laserschmelzen miteinander verbunden. Dieses Verfahren ist jedoch in der geometrischen Gestaltung der Komponenten und der Materialauswahl sehr eingeschränkt.
Die DE 10 2017 120 750 A1 beschreibt ein 3D-Multimaterial-Druckverfahren zur Herstellung einer Gitterstruktur und/oder eines Wärmetauschers. Dabei wird mit einer Kamera das schichtweise Auftragen der Materialien mittels einer Extrusionsdüse überwacht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verschaltungsanordnung für eine elektrische Maschine herzustellen, bei der der Montage- und/oder Kontaktierungssaufwand gegenüber dem herkömmlichen Drahtwickeln deutlich vereinfacht werden soll.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Verschaltungsanordnung sowie die elektrische Maschine mit einer Verschaltungsanordnung hergestellt nach diesem Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass mittels dem dreidimensionalen (3D) Druckverfahren eine vollständige Verschalteplatte hergestellt werden kann, die unmittelbar mit den Spulen des Stators elektrisch verbunden werden kann. Durch das additive Multi-Material-Druck-Verfahren kann die Verschaltungsanordnung aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, die mechanisch fest miteinander verbunden sind. So können hiermit mehrere elektrisch zueinander isolierte Stromführungen gefertigt werden, die mechanisch starr miteinander verbunden sind, und ein beliebig vorgebbares Verschaltungsprinzip ausbilden. Dabei können an der Verschaltungsanordnung standardisierte Anschlusselemente angeordnet werden, die die Verbindung mit den elektrischen Windungen der Spulen deutlich vereinfachen. Ebenso können an der Verschaltungsanordnung standardisierte Kontaktelemente für die Verbindung mit elektrischen Leitern der elektronischen Steuereinheit angeordnet werden, die die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine bilden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Für die Ausbildung der einzelnen Stromführungen kann bei dem additiven 3D-Drucken ein gut elektrisch leitendes Material verwendet werden, vorzugsweise Kupfer. Zwischen den einzelnen Stromführungen ist ein gut isolierendes Material angeordnet, vorzugsweise eine Keramik. Durch das 3D-Drucken können die einzelnen gegeneinander isolierten Stromführungen sehr kompakt ausgebildet werden, da sich zwischen den Stromführungen und der Isolierung keine Hohlräume bilden. Vielmehr sind die Stromführungen mit dem dazwischen angeordneten isolierenden Material als ein kompakter Verschaltungsring ausgebildet, dessen Geometrie beliebig an die Spulen und die Steuerelektronik angepasst werden kann.
Durch die geometrisch flexible Ausgestaltung beim additiven 3D-Drucken können die einzelnen Leiterbahnen der Stromführungen ringförmig nebeneinander oder axial übereinander angeordnet werden. Dabei können sich die Stromführungen auch gegenseitig isolierend überkreuzen, um die entsprechenden Anschlusselemente und Kontaktelemente zu kontaktieren. Entsprechend der gewählten Verschaltung erstrecken sich die einzelnen Stromführungen ringförmig über einen bestimmten Winkelbereich - insbesondere von mindestens 180°.
Durch das 3D-Drucken können die Anschlusselemente und/oder Kontaktelemente ohne jeglichen Zusatzaufwand direkt mit dem gleichen elektrisch leitenden Material ausgebildet werden, wie die Stromführungen. Beispielsweise können somit an den ringförmigen Stromführungen axiale Fortsätze einstückig mit den Stromführungen ausgebildet werden, um die Anschlusselemente und/oder Kontaktelemente auszubilden.
Beim 3D-Drucken können die einzelnen Stromführungen auch räumlich ineinander verschachtelt gedruckt werden, so dass auch komplexe Verschaltungsprinzipien auf einem beschränkten Bauraum gedruckt werden können. Dadurch können in sehr einfacher Weise die Spulen mittels einer Sternschaltung oder einer Dreiecksschaltung miteinander verschaltet werden.
Werden die Anschlusselemente und/oder Kontaktelemente als Hülsen ausgebildet, so können die Enden der Windungen und/oder die Leiterelemente vom Steuergerät direkt in die Hülsen eingesteckt werden, um diese elektrisch zu kontaktieren. Dadurch kann die axiale Bauhöhe der elektrischen Maschine reduziert werden. Dadurch kann insbesondere auf das sehr aufwendige Verschweißen der einzelnen Spulen, die mittels einem Draht gewickelt werden, verzichtet werden, wodurch auch die Schweißstellen entfallen, die einen relativ hohen Übergangswiderstand bilden. Außerdem ist eine solche einstückig 3D-gedruckte Verschaltungsanordnung auch über die gesamte Lebensdauer sehr stabil gegenüber einer thermischen Beanspruchung und gegenüber Dauerlastschwingungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung können die Hülsen bezüglich der Einsteckrichtung elastisch ausgebildet werden, so dass sich beim Einpressen der Windungen und/oder Leiterelemente direkt eine elektrisch leitende Steckverbindung ergibt. Dazu kann die Hülse Schlitze in Längsrichtung aufweisen, so dass die Hülse leichter radial zur Einsteckrichtung zusammengepresst werden kann. Dabei ist es auch möglich, die Hülse mittels Schrauben gegenüber dem Leiterelement und/oder gegenüber den Windungen zu verspannen. Alternativ ist es jedoch auch möglich die Hülsen mittels Quetschen, oder Löten, oder Schweißen zu kontaktieren.
In einer alternativen Ausführung können die Anschlusselemente und/oder Kontaktelemente auch als Laschen oder Pins ausgebildet sein, die entsprechend mit den Leiterelementen vom Steuergerät und/oder den Windungen verschweißt, verlötet oder verkrimmt werden.
In einer weiteren Ausführung gehen die Stromleiter direkt unmittelbar in obere Abschnitte der elektrischen Wicklungen über. Dabei bildet die Verschaltungsanordnung mit diesen oberen Teilen der elektrischen Windungen ein axial oberes Spulen-Modul, bei dem axial freien Enden der Wicklungsabschnitte nun die Anschlusselemente für weitere Windungsabschnitte bilden. Dabei sind die Anschlüsse als Trennstellen zwischen der einzelnen axialen Spulen-Modulen ausgebildet, die dann beispielsweise axial zusammengesteckt werden können, um geschlossene Spulenwindungen auszubilden. Bei dieser Ausbildung kann die Verschaltungsanordnung noch kompakter in das axial obere Spulen-Modul integriert werden, so dass der axiale Bauraum reduziert werden kann.
Bei dieser Ausführung kann beispielsweise der gesamte Stator aus verschiedenen axialen Modulen zusammengesetzt werden. Dabei ist in das axial oberste Modul die ringförmige Verschaltungsanordnung integriert, von der sich über den gesamten Umfang in Axialrichtungen die axial oberen Teilbereiche der einzelnen Spulen erstrecken. Dabei können über den Umfang beispielsweise mehrere Einzelzahnspulen angeordnet sein, die durch die modulare Bauweise in einzelne axiale Teilspulen unterteilt sind.
Dabei weist das untere Modul die axial untere Teilspulen-Bereiche auf, die am axial unteren Ende geschlossene Windungen der einzelnen Spulen aufweisen. Am axial oberen Ende des axial unteren Moduls weisen die Spulen hingegen freie Enden der einzelnen Windungen auf, die mit korrespondierenden, axial gegenüberliegenden Kontaktelementen des axial oberen Moduls verbunden werden können. Besonders günstig ist es, wenn hierbei die Kontaktelemente wieder als Steckhülsen oder Stecknuten ausgebildet sind, in die die freien Enden der axial gegenüberliegenden Windungen direkt eingesteckt werden können. Somit werden durch das elektrische Verbinden der einzelnen Module geschlossene Windungen ausgebildet, die dann über den gesamten Umfang verteilt mehrere Einzelzahnspulen bilden.
Durch diese modulare Bauweise kann beispielsweise die axiale Länge eines Statorkörpers variiert werden, indem unterschiedlich viele axiale Module miteinander verbunden werden. Dabei weist das mindestens eine mittlere Modul an beiden axialen Seiten freie Enden der Windungen auf, die dann mit den Kontaktelementen des oberen Moduls und mit den freien Enden der Windungen des unteren Moduls verbunden werden. Um den Kontaktierungsaufwand beim Verbinden der einzelnen freien Enden der Windungen zu reduzieren, werden diese bevorzugt jeweils direkt mittels Steckverbindungen elektrisch kontaktiert. Dabei werden die axialen Module axial ineinander gesteckt, wobei jeweils axial zwischen den Modulen bevorzugt Steckverbindungen ausgebildet werden. Dabei kann jeweils auf einer axialen Seite der freien Enden der Windungen eine elastisch dehnbare Steckhülse ausgebildet werden, in die ein korrespondierender Pin eingesteckt wird, der durch das gegenüberliegende freie Ende der Windungen gebildet wird.
Das axial obere Modul mit den Kontaktelementen, die an den axial unteren freien Enden der Windungen ausgebildet sind, kann auch mit anderen Spulentypen kombiniert werden, die beispielsweise nicht mittels 3D-Drucken hergestellt sind. So kann dieses oberste 3D-gedruckte Modul bevorzugt mit einem Statorelement kombiniert werden, in das bereits sogenannte Steckwicklungen eingefügt sind. Dabei werden vorgeformte Drähte in entsprechende Statornuten - beispielsweise eines Blechpakets - eingefügt, und deren freien Ende mit dem oberen axialen Modul verbunden. Die Steckwicklungen sind dabei bevorzugt am axial unteren Ende mit einem geschlossenen Bogen ausgebildet (hair-pin), so dass diese axial von unten in die Nuten eingesteckt werden und oben dann freie Enden der einzelnen Drähte aufweisen. Diese können dann besonders einfach mittels elastisch ausgebildeter Einsteckhülsen am oberen Modul ohne zusätzlichen Kontaktierungsaufwand ineinander gesteckt werden.
Alternativ kann die Verschaltungsanordnung unmittelbar auf die freien Enden der Steckwicklung aufgedruckt werden. Dabei werden die einzelnen starren Drähte der Steckwicklung sowohl elektrisch miteinander verbunden, als auch die Anschlusselemente für die Stromzuführung an die Verschaltungsanordnung angeformt. Eine solch direkt additiv aufgedruckte Verschaltungsanordnung kann axial viel flachbauender ausgebildet werden als der Wickelkopf mit verschweißten Steckwicklungen. Außerdem kann auf das aufwändige Schweißverfahren verzichtet werden.
Werden hingegen die einzelnen axialen Module jeweils vollständig mittels additivem 3D-Drucken hergestellt, kann die axiale Baulänge für die elektrische Maschine entsprechend der gewünschten Leistung einfach variiert werden. Da derzeit die axiale Bauhöhe der Module beim 3D-Drucken aus technischen Gründen begrenzt ist, können durch das modulare 3D-Drucken trotzdem Statoren mit grö-ßerer axialer Bauhöhe hergestellt werden. Bei diesem Multi-Material-3D-Druckverfahren werden alle Komponenten der axialen Module schichtweise zusammenhängend aufgebaut. Dabei werden auch die Statorzähne aus magnetisch leitendem Material zusammen mit den Windungen und deren Isolation in einem Prozess gedruckt.
Mit einer solchen 3D-gedruckten Verschaltungsanordnung kann eine elektrische Maschine, insbesondere ein elektrisch kommutierter EC-Motor aufgebaut werden, bei dem der Aufwand für die Kontaktierung der einzelnen Spulen deutlich reduziert werden kann. Dabei können auch komplexe Verschaltungsprinzipien ohne Mehraufwand durch das 3D-Drucken der Verschaltungsanordnung umgesetzt werden, wobei auch die weiteren Komponenten, wie beispielsweise die Statorzähne, die Statornuten, die Windungen und deren Isolation beliebig an die Anforderungen der elektrischen Maschine angepasst werden. Durch den Aufbau des Stators aus einzelnen axialen Modulen können die Fertigungskosten durch die Standardisierung der einzelnen Module reduziert werden. Auch können die verwendeten Materialien für die einzelnen Komponenten des Stators in einfacher Weise beim 3D-Drucken verändert werden.
Durch den freien Gestaltungsfreiraum beim 3D-Drucken können die elektrischen Stromführungen der Verschaltungsanordnung sehr flach an einer axialen Stirnseite der Spulenbaugruppe einstückig mit den Spulen ausgebildet werden. Dabei sind die Stromführungen mittels dem isolierenden Material auch zuverlässig gegenüber unerwünschten Kurzschlüssen mit den Windungen isoliert. Die Verschaltungsanordnung wird bevorzugt mittels einem einzigen 3D-Druck-Prozesses vollständig zusammen mit den Anschlusselementen ausgebildet, so dass keine weiteren Bauteile für die Verschaltung notwendig sind. Die Verschaltungsanordnung kann über diese Anschlusselemente beispielsweise von einer axial benachbart angeordneten Elektronikeinheit direkt elektronisch kommutiert werden.
In der Modul-Ausführung können die Spulenkerne mittels dem Multimaterial-3D-Druckverfahren in einem einzigen Prozess mit angeformt werden, wobei hier vorzugsweise Eisen für die Spulenkerne verwendet wird. Dabei können die einzelnen Spulenkerne radial innen oder außen beim 3D-Drucken einstückig miteinander verbunden werden, um einen magnetischen Rückschluss auszubilden. Bei diesem Verfahren werden beispielsweise drei verschiedene Materialien mittels Düsen derart aneinander angefügt, dass sie nach der thermischen Behandlung alle fest zu einem einstückigen Stator- oder Rotorbauteil verbunden sind.
Figurenliste
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ausführungen der Beschreibung und der Zeichnungen, wie diese in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben sind. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verschaltungsanordnung,
2 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführung einer Verschaltungsanordnung gemäß 1,
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit mehreren Stator-Modulen, und
4 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine.

In der 1 ist eine Verschaltungsanordnung 16 in der Seitenansicht gezeigt, bei der an einer ersten axialen Stirnseite 31 Anschlusselemente 42 für die Verbindung mit elektrischen Leitern 38 einer elektronischen Steuereinheit 40 ausgebildet sind. An einer zweiten, axial gegenüberliegenden Stirnseite 32 der Verschaltungsanordnung 16 sind Kontaktelemente 44 angeordnet, die mit elektrischen Windungen 14 verbunden werden können, die Bestandteil von elektrischen Spulen 12 einer elektrischen Maschine 28 sind. Die elektrischen Leiter 38 sind hier beispielsweise als Drähte dargestellt, die zu einer Leiterplatte 39 des Steuergeräts 40 führen, mittels der insbesondere die elektrische Maschine 28 elektronisch kommutiert werden kann. Die Anschlusselemente 42 sind als Hülsen 43 ausgebildet, in die die elektrischen Leiter 38 direkt eingesteckt sind. Die Anschlusselemente 42 sind jeweils mit Stromführungen 17 verbunden, die mittels Isolierungen 18 gegeneinander isoliert sind. Die Stromführungen 17 mit der dazwischen liegenden Isolierung 18 sind in einer Ebene 27 quer zu einer in Axialrichtung 8 verlaufende Rotationsachse 29 der elektrischen Maschine 28 angeordnet. Die Stromführungen 17 sind axial gegenüberliegend zu den Anschlusselementen 42 elektrisch mit den Kontaktelementen 44 verbunden, in die unmittelbar die Windungen 14 axial eingesteckt sind. Dazu sind die Kontaktelemente 44 in 1 ebenfalls als Hülsen 43 ausgebildet, die freie Enden 13 der Windungen 14 aufnehmen und elektrisch kontaktieren. Mehrere Windungen 14 bilden bevorzugt zusammen eine Einzelzahnspule 12, die um einen Zahn 19 als Spulenkern 20 herum gewunden ist. Eine solche Einzelzahnspule 12 weist insbesondere ein oder zwei freie Enden 13 auf, die dann mit den Kontaktelementen 44 entsprechend einem vorgegebenen Verschaltungsprinzip verbunden werden. Die Stromführungen 17 mit der Isolierung 18 bildet eine Verschalteplatte 15, von der sich hier jeweils die Anschlusselemente 42 und die Kontaktelemente 44 in Axialrichtung 8 erstrecken.
2 zeigt eine weitere Ausführung, bei der mehrere Stromführungen 17 ringförmig in Radialrichtung 9 nebeneinander angeordnet sind. Beispielsweise sind an genau einer Stromführung 17 mehrere Kontaktelemente 44 für die Spulen 12 angeordnet, wobei das genau eine an der Stromführung 17 angeordnete Anschlusselement 42 eine Phase der elektrischen Maschine 28 bildet. So können über genau eine Stromführung 17 insbesondere drei oder vier oder sechs Spulen 12 zusammen zu genau einer Phase verschaltet sein. Die Anschlusselemente 42 bilden dann die Phasenanschlüsse 41, die untereinander mittels der Isolierung 18 getrennt sind. Die Stromführungen 17 erstrecken sich bevorzugt über einen Winkelbereich von mindestens 180°. Die Stromführungen 17 können auch in unterschiedlichen axialen Ebenen angeordnet sein und sich gegenseitig überkreuzen, um die gewünschte Verschaltung zu realisieren. Die Stromführungen 17 sind mittels additivem Multimaterial-3D-Drucken aus elektrisch leitendem Material 21 - insbesondere Kupfer - hergestellt. Die Isolierung 18 wird als elektrisch isolierendes Material 22 - insbesondere eine Keramik - unmittelbar an die Stromführungen 17 aufgedruckt, so dass dazwischen keine Hohlräume entstehen. Die Stromführungen 17 und die Isolation 18 werden mittels Düsen schichtweise aufgetragen, um die ringförmige Verschaltungsanordnung 16 auszubilden. Bevorzugt werden auch die Anschlusselemente 42 und/oder die Kontaktelemente 44 einstückig mit den Stromführungen 17 mit dem leitenden Material 21 gedruckt. Es sind in 2 verschiedene Varianten von Kontaktelementen 44 dargestellt. Die Hülse 43 kann hier einen oder mehrere Spalte 46 in Axialrichtung 8 aufweisen, damit diese radial zur Hülse 43 elastisch ausgebildet ist. Dadurch kann beim Einpressen der Windungen 14 eine elektrisch leitende Presspassung entstehen. Zusätzlich kann die Hülse 43 auch mittels einer Anpress-Schraube 50 gegen die Windungen 14 gepresst werden, um einen zuverlässigeren elektrischen Kontakt auszubilden. In einer weiteren Ausführung sind die Kontaktelemente 44 als Anschluss-Laschen 48 einstückig mit den Stromführungen 17 gedruckt. An diese Anschluss-Laschen 48 können dann die freien Enden 13 der Spulen 12 angeschweißt oder angelötet oder plastischer mittels Materialumformung verbunden werden. Die Verschaltungsanordnung 16 erstreckt sich bevorzugt ringförmig in Umfangsrichtung 7 über den gesamten Umfang, kann sich jedoch insbesondere auch nur über einen kleineren Winkelbereich erstrecken, und somit einen offenen Ring ausbilden. Die Verschaltungsanordnung 16 verbindet die einzelnen Spulen 12 elektrisch entsprechend einem theoretischen Wickelschema, so dass beispielsweise eine Sternschaltung oder eine Dreiecksschaltung durch die Verschaltungsanordnung 16 realisiert ist.
In 3 ist ein Stator 30 dargestellt, der aus mehreren axialen Modulen 60 aufgebaut ist. In einem axial oberen Modul 61 ist die Verschaltungsanordnung 16 integriert, wobei die Stromführungen 17 einstückig mittels 3D-Drucken mit axial oberen Teilbereichen 66 der Windungen 14 ausgebildet sind. Dadurch ist direkt die gewünschte Verschaltung der Spulen 12 im axial oberen Modul 61 realisiert. Das axial obere Modul 61 ist ringförmig ausgebildet, und weist über den gesamten Umfang mehrere axial obere Teilbereiche 66 von Spulen 12 auf. Die Windungen 14 weisen an der unteren axialen Seite 64 des Moduls 61 freie Enden 68 auf, die die Kontaktelemente 44 bilden. Diese Kontaktelemente 44 können bevorzugt auch als elastische Hülsen 43 ausgebildet sein. Die Kontaktelemente 44 des axial oberen Moduls 61 werden elektrisch verbunden mit weiteren axialen Teilbereichen 67 von Spulen 12 eines axial mittleren Moduls 62 oder eines axial unteren Moduls 63. Das axial mittlere Modul 62 und das axial untere Modul 63 weisen an ihrer axial oberen Seite 65 freie Windungsenden 70 der axialen Teilbereiche 67 der Spulen 12 auf, die mit den Kontaktelementen 44 verbunden werden können. Bevorzugt werden die freien Windungsenden 70 unmittelbar als Steck-Pins 71 in die korrespondierenden elastischen Hülsen 43 eingepresst, die jeweils aus dem gleichen leitenden Material 21 gedruckt sind, wie die Windungen 14. Das mindestens eine mittlere axiale Modul 62 weist an seiner axial unteren Seite 69 ebenfalls Kontaktelemente 44 an dessen axial offenen Wicklungsenden 68 auf, in die die freie Windungsenden 70 von weiteren axial mittleren Modulen 62 oder dem axial unteren Modul 63 eingefügt werden können. So können zwei oder mehr axiale Module 61, 62, 63 in Axialrichtung 8 zusammengesteckt werden, um den Stator 30 zu bilden. Bei einer solchen Steckverbindung können die freien Windungsenden 70 als Einpress-Pins 71 ausgebildet werden, die in korrespondierende Einpress-Nuten 45 als Kontaktelemente 44 elektrisch leitend eingepresst werden können. Das axial untere Modul 63 weist axiale Teilbereiche 67 der Spulen 12 auf, bei der die Windungen 14 an der axial unteren Seite 72 geschlossen ausgebildet sind. Die verschiedenen axialen Teilbereiche 67 der Spulen 12 bilden erst in zusammengefügtem Zustand der axialen Module 61, 62, 63 geschlossene Spulen 12, die dann über das axial obere Modul 61 miteinander verschaltet sind. Die Spulen 12 sind hierbei insbesondere als Einzelzahnspulen 12 ausgebildet. Bei dieser modularen Ausbildung des Stators 30 werden die Statorzähne 19 mit magnetisch leitendem Material 23 - vorzugsweise Eisen - zusammen mit den Windungen 14 und der Isolierung 18 mittels Multimaterial-3D-Drucken aneinander gefügt. Die Windungen 14 der Module 61, 62, 63 sind aus dem elektrisch leitenden Material 21 - vorzugsweise Kupfer - hergestellt. Um die Windungen 14 gegeneinander zu isolieren, ist zwischen diesen das isolierende Material 22 - vorzugsweise Keramik - angeordnet. Die Anzahl der axial mittleren Module 62 kann dabei 0, oder 1, oder 2, oder 3, oder eine beliebige Anzahl betragen.
In 4 ist eine weitere Ausführung dargestellt, bei der die Verschaltungsanordnung 16 unmittelbar auf die axial oben offenen freien Enden 13 der Windungen 14 mittels Multi-Material-3D-Drucken aufgedruckt ist. Die Windungen 14 sind in diesem Beispiel als sogenannte Steckwicklung 80 ausgebildet, bei der starre Drähte 82 in Statornuten eines ringförmigen Statorgrundkörpers 84 eingefügt sind. Zwischen den starren Drähten 82 und den Statornuten sind Isolationselemente 88 angeordnet um die starren Drähte 82 gegenüber dem magnetisch leitenden Statorgrundkörper 84 elektrisch zu isolieren. In Umfangsrichtung 7 zwischen den Statornuten sind die radialen Zähne 19 angeordnet. Die freien Enden 13 der starren Drähte 82 werden dann mittels der Stromführungen 17 der Verschaltungsanordnung 16 sowohl untereinander verbunden, als auch mit den Anschlusselementen 42 als Phasenanschlüsse 41 verbunden. Die Stromführungen 17 verlaufen dabei in Umfangsrichtung 7 axial über - oder insbesondere auch radial innerhalb - der Windungen 14. Dabei wird zwischen den Stromführungen 17 die Isolierung 18 gedruckt, die die Verschaltungsanordnung 16 mechanisch stabilisiert, und elektrisch auch gegenüber den Windungen 14 isoliert. Dadurch kann die Verschaltungsanordnung 16 sehr kompakt und axial flachbauend ausgebildet werden. Mittels dem 3D-Drucken können sehr viele freie Enden 13 an der Stirnseite 32 der Verschaltungsanordnung 16 - insbesondere ohne Schweißen oder Löten - miteinander verschaltet werden. So kann die Verschaltungsanordnung 16 direkt - beispielsweise auf 48 oder 60 - freie Enden 13 aufgedruckt werden, von denen vorzugsweise jeweils zwei oder vier radial nebeneinander in einer Statornut angeordnet sind. Vor dem Aufdrucken der Verschaltungsanordnung 16 werden die freien Enden 13 bevorzugt in Umfangsrichtung 7 gegeneinander verschränkt, um eine bestimmte Spulengeometrie zu realisieren. So können die Windungen 14 zu 3, oder 2 x 3 Phasenanschlüssen 41 verbunden werden, so dass die Verschaltungsanordnung 16 drei oder sechs Anschlusselemente 42 aufweist, die mit der Steuerelektronik 40 verbunden werden. Die mittels 3D-Drucken miteinander verschalteten freien Enden 13 reduzieren die axiale Baulänge des Wickelkopfes 86 der Spulen 12 gegenüber herkömmlich verschweißten Windungen 14 erheblich. Auf der axial der Verschaltungsanordnung 16 gegenüberliegenden Seite des Stators 30 können die einzelnen starren Drähte 82 miteinander verschweißt werden, oder vorzugsweise als haarnadelförmige Drahtelemente 81 (hair pin) ausgebildet werden, bei denen zwei gerade starre Drähte 82 über einen gebogenen Abschnitt 83 bogenförmig einstückig miteinander verbunden sind. Auf dieser axialen Seite des Stators 30 sind die haarnadelförmigen Drahtelemente 81 bevorzugt ebenfalls in Umfangsrichtung 7 gegeneinander verschränkt verbogen.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So können die verwendeten Materialen 21, 22, 23 für die Stromführungen 17 und Windungen 14, sowie für die Isolierung 18 und/oder die Spulenkerne 20 entsprechend den Anforderungen der elektrischen Maschine 28 variiert werden. Bei dem 3D-Drucken der Stromführungen 17 und/oder Windungen 14 können diese ohne Luftspalt aneinander angrenzen, da die einzelnen Stromführungen 17 und/oder Windungen 14 mit dem isolierenden Material 22 gegeneinander isoliert sind. Durch die Ausbildung der Verschaltungsanordnung 16 einstückig mit den Kontaktelementen 44 für die Windungen 14 kann die axiale Abmessung des Stators 30 reduziert werden. Die Ausführung der 3D-gedrucktenVerschalteplatte 15 kann für sich separat umgesetzt werden, oder mit weiteren 3D-gedruckten axialen Modulen 62, 63 zur Ausbildung von geschlossenen Spulen 12 kombiniert werden. Die erfinderische elektrische Maschine 28 eignet sich besonders als Ausführung eines EC-Motors zur Verstellung beweglicher Komponenten oder für Rotationsantriebe im Kraftfahrzeug. Dabei kann ein solcher erfindungsgemäßer Elektromotor besonders günstig für einen eingeschränkten axialen Bauraum eingesetzt werden, insbesondere bei der Fertigung von kleineren Stückzahlen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10193427 B2 [0002]
DE 102017120750 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Verschaltungsanordnung (16) für elektrische Spulen (12) einer elektrischen Maschine (28), wobei an einer Eingangsseite (51) der Verschaltungsanordnung (16) Anschlusselemente (42) für die Verbindung mit elektrischen Leitern (38) einer elektronischen Steuereinheit (40) angeordnet werden, und an einer Ausgangsseite (52) der Verschaltungsanordnung (16) Kontaktelemente (44) für die Verbindung mit elektrischen Windungen (14) der Spulen (12) angeordnet werden, wobei die Verschaltungsanordnung (16) mit mehreren Stromführungen (17) ausgebildet wird, die mindestens zwei Kontaktelemente (44) elektrisch miteinander verbinden, und die Stromführungen (17) mittels einer Isolierung (18) elektrisch gegeneinander isoliert werden, wobei die Verschaltungsanordnung (16) mittels einem additiven Multi-Material-3D-Druckverfahren mit einem elektrisch leitenden Material (21) für die Stromführungen (17) und einem dazwischen angeordneten elektrisch isolierendem Material (22) für die Isolierung (18) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (21) - insbesondere Kupfer - und das dazwischen angeordnete elektrisch isolierende Material (22) - insbesondere Keramik - mittels Düsen schichtweise aufgetragen wird, um eine ringförmige Verschaltungsanordnung (16) auszubilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromführungen (17) radial nebeneinander oder axial übereinander angeordnet werden - und sich insbesondere über einen Winkelbereich von mindestens 180° erstrecken - wobei vorzugsweise mit der Verschaltungsanordnung (16) eine Dreiecksschaltung oder eine Sternschaltung der einzelnen Spulen (12) realisiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (42) und/oder die Kontaktelemente (44) einstückig mit der Verschaltungsanordnung (16) ausgebildet werden - und insbesondere mit demselben leitenden Material (21) ausgebildet werden, wie die Stromführungen (17).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (42) und/oder die Kontaktelemente (44) als Hülsen (43) ausgebildet werden, wobei die elektrischen Leiter (38) oder die elektrischen Windungen (14) in die Hülsen (43) eingesteckt - und insbesondere mit der Hülse (43) mittels Quetschen oder Löten oder Schweißen verbunden - werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsen (43) geteilt ausgebildet werden, so dass die Hülsen (43) quer zur Einsteckrichtung (8) der elektrischen Leiter (38) oder der elektrischen Windungen (14) zusammengepresst werden können - insbesondere mittels einer Stellschraube (50).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (42) und/oder die Kontaktelemente (44) als Anschluss-Laschen (48) ausgebildet werden, wobei die elektrischen Leiter (38) oder die elektrischen Windungen (14) mit den Anschluss-Laschen (48) mittels Löten oder Schweißen oder Hot-Stacking verbunden werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltungsanordnung (16) direkt an freie Enden (70) der Windungen (14) mittels additivem 3D-Drucken aufgedruckt wird, so dass die Kontaktelemente (44) einstückig mit den Stromführungen (17) und stoffschlüssig mit den Windungen (14) ausgebildet werden - wobei insbesondere die Windungen (14) als Steckwicklung mit starren Drahtenden (82) als freie Windungsenden (70) ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromführungen (17) einstückig zumindest mit axial oberen Teilen (66) der elektrischen Windungen (14) der Spulen (12) ausgebildet werden - wobei insbesondere axial den Stromführungen (17) gegenüberliegende freie Enden (68) der elektrischen Windungen (14) die Kontaktelemente (44) für weitere axiale Teilspulen-Bereiche (67) bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltungsanordnung (16) zusammen mit den axial oberen Teilen (66) der elektrischen Windungen (14) der Spulen (12) als ringförmiges axial oberes Modul (61) ausgebildet wird, das über den gesamten geschlossenen Umfangsbereich verteilt mehrere axial obere Teilspulen-Bereiche (66) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das axial obere Modul (61) mit einem axial unteren (63) Modul axial zusammen gefügt werden kann, dessen untere Teilbereiche (67) der elektrischen Windungen (14) am unteren axialen Ende (72) geschlossene Windungen (14) der Spulen (12) bilden, und an der dem oberen Modul (61) zugewandten axial oberen Seite (65) die elektrischen Windungen (14) axial offen ausgebildet werden, um mit den Kontaktelementen (44) des axial oberen Moduls (61) verbunden zu werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axial offen ausgebildeten elektrischen Windungsenden (70) des axial unteren Moduls (63) zusammen mit den Kontaktelementen (44) des axial oberen Moduls (61) eine Steckverbindung bilden, wobei insbesondere ein Einpress-Pin (71) in eine korrespondierende Einpress-Nut (45) einsteckbar ist, so dass die elektrischen Windungen (14) des axial oberen Moduls (61) und des axial unteren Moduls (63) elektrisch leitend verbunden werden, um axial geschlossene Windungen (14) der Spulen (12) auszubilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem axial unteren Modul (63) und dem axial oberen Modul (61) ein oder mehrere axial mittlere Module (62) mit axial beidseitig offenen elektrischen Windungsenden (70, 68) eingefügt werden können, wobei insbesondere die elektrischen Windungen (14) der einzelnen Module (61, 62, 63) mittels den Steckverbindungen elektrisch leitend verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das axial obere Modul (61) - und vorzugsweise auch das axial untere Modul (63) oder das mindestens eine axial mittlere Module (62) - mittels dem additiven Multi-Material-3D-Druckverfahren mit einem elektrisch leitenden Material (21) für die Windungen (14) und dem zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierendem Material (22) hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Prozess-Schritt mit dem 3D-Drucken der Verschaltungsanordnung (16) und der Spulen (12) die Spulenkerne (20) ebenfalls mittels 3D-Drucken mit ausgebildet werden - wobei als magnetisch leitendes Material (23) bevorzugt Eisen verwendet wird - und die Spulenkerne (20) der verschiedenen Spulen (12) mittels 3D-Drucken miteinander verbunden werden.
Verschaltungsanordnung (16) mit an einer Eingangsseite (51) angeordneten Anschlusselementen (42) für die Verbindung mit elektrischen Leitern (38) einer elektronischen Steuereinheit (40), und mit an einer Ausgangsseite (52) angeordneten Kontaktelemente (44) für die Verbindung mit elektrischen Windungen (14) der Spulen (12), hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Elektrische Maschine (28) aufweisend eine Verschaltungsanordnung (16) nach Anspruch 16, mittels der die Spulen (12) eines Stators (30) elektronisch kommutiert werden, wobei die Spulen (12) mittels dem additiven 3D-Druckverfahren gefertigt, oder aus Spulendraht gewickelt, oder als Steckwicklung ausgebildet sind.