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Die Erfindung betrifft eine Verschaltungseinheit für einen Elektromotor, einen Stator eines Elektromotors, einen Elektromotor mit dieser Verschaltungseinheit und diesem Stator sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Elektromotors.
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Es ist allgemein bekannt, dass ein Elektromotor einen Stator aufweist, an welchem eine mehrphasige Wicklung angeordnet ist. Die Wicklung besteht dabei beispielsweise aus den drei Phasen U, V und W, wobei jede Phase aus mehreren miteinander verschalteten Spulen bestehen kann. Es sind dabei parallele oder serielle Sternschaltung sowie Dreieckschaltung bekannt. Bei der parallelen Sternschaltung sind pro Phase einzelne Spulen parallel zueinander geschaltet, wohingegen bei der seriellen Sternschaltung pro Phase die einzelnen Spulen in Serie geschaltet sind. Die Spulen bestehen gewöhnlich aus Wicklungsdrähten, welche miteinander verschaltet werden müssen. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten solcher Verschaltungen mittels Verschaltungsvorrichtungen bekannt:
- Aus der DE 10 2017 216 084 A1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Stators bekannt.
- Aus der DE 10 2012 023 477 A1 ist ein Schaltelement für einen Elektromotor, Stator mit einem solchen Schaltelement und ein Elektromotor bekannt.
- Aus der US 2011 057 524 A1 ist eine elektrische Verbindungsvorrichtung für einen bürstenlosen Motor bekannt.
- Aus der DE 10 2018 215 787 A1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine und ein Verfahren einer elektrischen Maschine bekannt.
- Aus der DE 10 2017 223 519 B3 ist ein Stator eines dreiphasigen elektronisch kommutierten Gleichstrommotors bekannt.
- Aus der DE 10 2016 211 230 A1 ist eine Verschaltungsvorrichtung eines Stators, eine elektrische Maschine beinhaltend eine solche Verschaltungsvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen bekannt.
- Aus der DE 10 2016 206 657 A1 ist ein Verschaltungsring und ein Verfahren zum Verschalten von Wicklungsdrähten eines Stators bekannt.
- Aus der DE 10 2015 200 093 A1 ist eine Verschaltungsplatte eines Stators einer elektrischen Maschine bekannt, wobei die Verschaltungsplatte Leiterelemente aufweist, welche mit der elektrischen Wicklung verbindbar sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor mit einer Verschaltungseinheit und einem Stator sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung weiterzubilden, wobei der Fertigungsaufwand bei der Herstellung verringert ist und der Elektromotor einfacher, kostengünstiger und stabiler herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Verschaltungseinheit nach den in Anspruch 1, bei dem Stator nach den in Anspruch 5, bei dem Elektromotor nach den in Anspruch 9 und bei dem Verfahren zur Herstellung des Elektromotors nach den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale bei der Verschaltungseinheit für einen Stator eines Elektromotors mittels derer einzelne Phasen einer mehrphasigen elektrischen Wicklung des Stators miteinander, insbesondere in Sternschaltung, verschaltbar und mit Phasenanschlüssen für die Stromversorgung verbindbar sind, sind, dass die Verschaltungseinheit einen eine Ringachse, insbesondere konzentrisch, umgebenden Trägerring und mehrere, insbesondere genau vier oder mindestens vier, voneinander beabstandete metallische Leiterelemente aufweist, welche insbesondere abschnittsweise im Wesentlichen kreisbogenförmig geformt sind,
wobei der Trägerring die Leiterelemente zumindest teilweise umschließt, insbesondere zumindest abschnittsweise im Leiterelementquerschnitt vollständig und stoffschlüssig umschließt, wobei jedes Leiterelement mindestens einen Kontaktierungsabschnitt aufweist zur elektrischen Kontaktierung mit einem Abschnitt der elektrischen Wicklung, wobei jedes Leiterelement, insbesondere relativ zur Ringachse, einen Umfangswinkelbereich überdeckt, wobei der von jedem Leiterelement überdeckte Umfangswinkelbereich mit mindestens einem von einem anderen Leiterelement überdeckten Umfangswinkelbereich, insbesondere mit den überdeckten Umfangswinkelbereichen aller anderen Leiterelemente, überlappt und dass in Richtung parallel zur Ringachse, also in Axialrichtung, jedes Leiterelement umfangswinkelabschnittsweise höchstens mit einem weiteren Leiterelement überlappt.
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Der Ausdruck „Trägerring“ soll dabei derart verstanden werden, dass dieses Teil im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist. Das bedeutet, dass der Trägerring in etwa die Form eines Rings mit zentraler Öffnung aufweist. Durch diesen Ring wird eine Ringebene und eine Ringachse definiert, was durch den Ausdruck „eine Ringachse, insbesondere konzentrisch, umgebenden Trägerring“ verdeutlicht werden soll. Der Trägerring weist also eine Ringachse auf, mittels derer bestimmte Richtungen im Raum definierbar sind. Der Ringquerschnitt des Trägerrings, also ein Schnitt senkrecht zur Ringebene und durch die Ringachse, kann beliebig geformt sein und in Umfangsrichtung auch veränderlich ausgeführt sein. Ebenso kann der Querschnitt des Trägerringes, also ein Schnitt parallel zur Ringebene, von der perfekten Kreisringform abweichen, beispielsweise durch eingebrachte Nuten, Vertiefungen, Vorsprünge oder ähnliches.
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Eine Richtung parallel zur Ringachse wird auch als „Axialrichtung“ bezeichnet. Entsprechend in Bezug auf die Ringachse sind die Richtungen „Umfangsrichtung“ und „Radialrichtung“ zu verstehen. Unter „Umfangsrichtung“ ist also eine Richtung parallel zur Ringebene und konzentrisch um die Ringachse zu verstehen, also dem Umfang eines Kreises um die Ringachse folgend. Unter „Radialrichtung“ ist also eine Richtung parallel zur Ringebene und senkrecht zur Ringachse zu verstehen, also entsprechend einem Radius eines Kreises folgend, wobei der Kreis in der Ringebene liegt und als Mittelpunkt den Schnittpunkt zwischen Ringachse und Ringebene aufweist.
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Der Trägerring besteht vorzugsweise aus Kunststoff, um die in ihm enthaltenen, voneinander beabstandeten metallischen Leiterelemente gegeneinander elektrisch zu isolieren. Ein anderes elektrisch isolierendes Material ist alternativ auch denkbar. Der Ausdruck „zumindest teilweise umschließen“ soll ausdrücken, dass die Leiterelemente nicht komplett vom Material des Trägerrings umgeben sind, sondern dass bestimmte Abschnitte, insbesondere die Kontaktierungsabschnitte, aus dem Trägerring herausragen. Der Trägerring nimmt die Leiterelemente auf und sorgt so für die räumliche Anordnung der Leiterelemente zueinander. Die Leiterelemente sind daher zueinander beabstandet, sie berühren sich also nicht, stehen also nicht in direktem Kontakt miteinander.
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Die Leiterelemente sind aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, vorzugsweise aus Metall oder Metallblech und insbesondere aus Kupferblech. Die Leiterelemente sind vorzugsweise einstückig und/oder vorzugsweise als Stanz-Biege-Teile ausgeführt. Die Herstellung ist vorteilhaft mittels Wasserstrahlschneiden oder Laserschneiden ausführbar.
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Die Formulierung „wobei jedes Leiterelement mindestens einen Kontaktierungsabschnitt aufweist“ ist derart zu verstehen, dass der Kontaktierungsabschnitt ein Teil des Leiterelementes ist. Der mindestens eine Kontaktierungsabschnitt ist vorteilhafterweise einstückig mit dem Rest des jeweiligen Leiterelementes verbunden.
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Die Formulierung „wobei der von jedem Leiterelement überdeckte Umfangswinkelbereich mit mindestens einem von einem anderen Leiterelement überdeckten Umfangswinkelbereich überlappt“ ist wie folgt zu verstehen: Jedes Leiterelement überdeckt, insbesondere relativ zur Ringachse, jeweils einen bestimmten Umfangswinkelbereich, also einen Winkelbereich in Umfangsrichtung. Wenn sich der von einem ersten Leiterelement überdeckte Umfangswinkelbereich mit dem von einem zweiten Leiterelement überdeckten Umfangswinkelbereich überlappt, bedeutet das, dass für bestimmte Winkelbereiche das erste Leiterelement in Radialrichtung von der Ringachse aus gesehen vor oder hinter dem zweiten Leiterelement angeordnet ist, in dieser Projektionsrichtung also überlappt. Die beiden Leiterelemente berühren sich dennoch nicht, da sie voneinander, insbesondere in diesem überlappenden Winkelbereich, radial beabstandet sind.
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Die Formulierung „in Richtung parallel zur Ringachse, also in Axialrichtung, jedes Leiterelement, insbesondere umfangswinkel- und/oder radialabschnittsweise, höchstens mit einem weiteren Leiterelement überlappt“ ist wie folgt zu verstehen: In Axialrichtung gesehen, also in Blickrichtung parallel zur Ringachse, gibt es Bereiche, in denen ein Leiterelement vor oder hinter einem anderen Leiterelement angeordnet ist, sie überlappen also in Axialrichtung. Anders ausgedrückt würden durch eine Projektion der Leiterelemente in Axialrichtung auf eine Ebene senkrecht zur Ringachse Überlappungsbereiche entstehen, welche von höchstens zwei Leiterelementen überdeckt werden. Es ist also durchaus möglich, dass ein Leiterelement von mehreren anderen Leiterelementen in Axialrichtung überlappt wird, jedoch befinden sich die jeweiligen Überlappungsbereiche dann an verschiedenen Positionen in Umfangsrichtung und/oder Radialrichtung, was durch den Ausdruck umfangswinkel- und/oder radialabschnittsweise verdeutlicht wird.
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Von Vorteil bei der Verschaltungseinheit ist dabei, dass diese leicht vorzufertigen ist und eine einfache Verschaltung, insbesondere in Sternschaltung ermöglicht ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Trägerring genau vier Leiterelemente auf, insbesondere wobei die Leiterelemente jeweils verschiedenartig geformt sind.
Von Vorteil ist dabei, dass mit möglichst wenig Teilen eine Verschaltung in Sternschaltung ermöglicht ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umschließt der Trägerring die Leiterelemente zumindest abschnittsweise im Leiterelementquerschnitt vollständig und stoffschlüssig. Das bedeutet, dass in Umfangsrichtung relativ zur Ringachse Bereiche existieren, bei denen der Querschnitt der Leiterelemente vollständig von dem Material des Trägerringes, beispielsweise Kunststoff, umgeben ist. Bevorzugt wird der Trägerring durch ein Spritzgussverfahren hergestellt, wobei die Leiterelemente vorzugsweise teilweise umspritzt, also umschlossen, werden und dadurch die stoffschlüssige Verbindung zwischen Leiterelement und Trägerring hergestellt wird.
Von Vorteil ist dabei, dass eine stabile Verbindung zwischen Leiterelement und Trägerring herstellbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der mindestens eine Kontaktierungsabschnitt einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt in einer Ebene parallel zur Ringachse, also in einer Tangentialebene, auf und/oder weist der mindestens eine Kontaktierungsabschnitt eine Kerbe auf, welche in Umfangsrichtung verläuft und insbesondere auf der radial nach außen weisenden Fläche des Kontaktierungsabschnittes eingebracht ist. Alternativ kann die Kerbe auch auf der radial nach innen weisenden Fläche des Kontaktierungsabschnittes eingebracht sein.
Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Kontaktierung mit einem, insbesondere einen runden Querschnitt aufweisenden, Wicklungsdraht möglich ist und/oder dass eine sichere Kontaktierung mit einem entsprechen geformten und später genauer erläuterten Kontaktierelement möglich ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen drei, insbesondere genau drei, der mehreren Leiterelemente jeweils genau einen Anschlussabschnitt auf zur elektrischen Kontaktierung mit einem Phasenanschluss, insbesondere wobei diese drei Leiterelemente jeweils einen stufenartigen Versatzabschnitt, insbesondere in einer Richtung parallel zur Ringebene, und/oder jeweils zwei Kontaktierungsabschnitte aufweisen.
Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Kontaktierung mit den Phasenschlüssen eines Wechselstromnetzes ermöglicht ist. Unter einem stufenartigen Versatzabschnitt ist ein Knick in den vorteilhafterweise abschnittsweise im Wesentlichen kreisbogenförmig geformten Leiterelementen zu verstehen. Vorteilhafterweise verläuft dieser Knick in einer Richtung parallel zur Ringebene, so dass beispielsweise ein Leiterelement zwei Kreisbogenabschnitte aufweist, welche sich im Radius unterscheiden. Von Vorteil ist dabei, dass eine kompaktere Bauart erreichbar ist. Von Vorteil bei den zwei Kontaktierungsabschnitten ist, dass dadurch eine parallele Sternschaltung realisierbar ist, bei der beispielsweise jede der drei Phasen zwei parallele Spulen aufweist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist eines, insbesondere genau eines, der mehreren Leiterelemente drei oder sechs, insbesondere genau drei oder genau sechs, Kontaktierungsabschnitte und insbesondere einen stufenartigen Versatzabschnitt, insbesondere in einer Richtung parallel zur Ringebene, auf.
Von Vorteil ist dabei, dass dadurch eine Sternschaltung ermöglicht ist. Das eine Leiterelement ist als Sternpunktelement bezeichenbar, da es die Spulen der mehrphasigen Wicklung sternpunktförmig verschaltet. Bei einer parallelen Sternschaltung (pro Phase jeweils zwei Spulen parallel) weist das Sternpunktelement sechs Kontaktierungsabschnitte auf, wohingegen bei einer seriellen Sternschaltung (pro Phase jeweils zwei Spulen in Serie) nur drei Kontaktierungsabschnitte notwendig sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ragen alle Kontaktierungsabschnitte der mehreren Leiterelemente in Richtung parallel zur Ringachse, also in Axialrichtung, aus dem Trägerring hervor.
Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Kontaktierung der Wicklungsabschnitte mit den Leiterelementen möglich ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind alle Kontaktierungsabschnitte auf der radial außenliegenden Seite der jeweiligen Leiterelemente angeordnet.
Von Vorteil ist dabei, dass eine kompakte Bauweise der Verschaltungseinheit in Richtung parallel zur Ringebene ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung schneiden alle Kontaktierungsabschnitte und/oder alle Leiterelemente mindestens eine Ebene senkrecht zur Ringachse.
Von Vorteil ist dabei, dass eine kompakte Bauweise der Verschaltungseinheit in Axialrichtung ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind alle Kontaktierungsabschnitte in Radialrichtung im Wesentlichen gleich weit von der Ringachse beabstandet.
Von Vorteil ist dabei, dass eine kompakte Bauweise der Verschaltungseinheit in Richtung parallel zur Ringebene ermöglicht ist.
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Wichtige Merkmale bei dem Stator für einen Elektromotor sind, dass Stator einen eine Statorachse umgebenden Statorkern mit einem geschlossenen Rückschlussring und mehrere vom Rückschlussring radial nach innen weisende Statorzähne aufweist, insbesondere wobei der Statorkern als Blechlamellenpaket ausgebildet ist, wobei der Stator weiterhin eine im Wesentlichen ringförmige, isolierende Endscheibe aufweist, wobei die Endscheibe derart an einem axialen Ende des Statorkerns befestigt ist, dass sowohl der Rückschlussring als auch die Statorzähne von der Endscheibe zumindest in Richtung parallel zur Statorachse, also Axialrichtung Richtung, bedeckt sind, wobei um die einzelnen von der Endscheibe bedeckten Statorzähne jeweils Wicklungsdraht einer mehrphasigen elektrischen Wicklung gewickelt ist, wobei die Endscheibe mehrere, insbesondere in Axialrichtung vorstehende, Anschlussvorsprünge zur Aufnahme von Wicklungsdrahtabschnitten aufweist, wobei in jeden Anschlussvorsprung, insbesondere in Axialrichtung, jeweils ein Kontaktierelement derart einsetzbar ist, dass jeweils eine elektrische Verbindung zwischen dem einsetzbaren Kontaktierelement und einem in einem jeweiligen Anschlussvorsprung aufgenommenen Wicklungsdrahtabschnitt hergestellt wird.
Von Vorteil ist dabei, die Kontaktierelemente anstelle der Wicklungsdrahtenden für spätere Verschaltungen als Anschlusspunkte dienen und diese Anschlusspunkte daher vorteilhaft ausgeformt werden können, um eine einfachere und sichere Verschaltung zu ermöglichen.
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Die Formulierung „im Wesentlichen ringförmige, isolierende Endscheibe“ ist wie folgt zu verstehen: Die Endscheibe ist ein Teil, welches eine zentrale Öffnung aufweist und um diese Öffnung herum geschlossen ist. Daher ist sie als „im Wesentlichen ringförmig“ bezeichenbar. Die Formulierung legt dabei insbesondere nicht fest, dass der Querschnitt der Endscheibe ein perfekter Kreisring ist. Der Querschnitt kann von dieser Form abweichen, beispielsweise durch eingebrachte Nuten, Vertiefungen, Vorsprünge oder ähnliches, sowohl am radial inneren als auch am radial äußeren Umfang. Die Formulierung „Endscheibe“ soll lediglich implizieren, dass die Ausdehnung der Endscheibe in Axialrichtung geringer ist als die Ausdehnung in einer Ebene senkrecht zur Statorachse, also senkrecht zur Axialrichtung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kontaktierelemente als Schneidklemmkontakte ausgebildet, so dass die elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen Kontaktierelementen und den jeweiligen Wicklungsdrahtabschnitten mittels einer Schneidklemmverbindung erfolgt
Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache und sichere Verbindung mit dem Wicklungsdraht ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kontaktierelemente jeweils vollständig in den jeweiligen Anschlussvorsprung einsetzbar.
Von Vorteil ist dabei, dass eine kompakte Bauweise des Stators erreichbar ist. Die Formulierung „vollständig einsetzbar“ bedeutet, dass das ganze Kontaktierelement in den Anschlussvorsprung eingesetzt werden kann und daher insbesondere in Axialrichtung nicht aus dem Anschlussvorsprung herausragt. Dies verdeutlicht, dass das Kontaktierelement ein im Vergleich zum vorstehend genannten Leiterelement separates Teil ist. Das Kontaktierelement ist also insbesondere nicht Teil der Verschaltungseinheit. Der Vorteil an separaten Kontaktierelementen, welche Teil des Stators sind, ist, dass der Stator als eigene Baueinheit mit kontaktierten Drähten insbesondere automatisch vorgefertigt werden kann und die Kontaktierelemente dann als Anschlusspunkte für die Leiterelemente der Verschaltungseinheit dienen. Die Verschaltungseinheit kann ebenfalls als eigene Baueinheit vorgefertigt werden. Die Verschaltung der Spulen findet dann später dadurch statt, dass die Verschaltungseinheit auf den Stator aufgebracht wird, wobei elektrische Verbindungen zwischen den Kontaktierungsabschnitten der Verschaltungseinheit und den Kontaktierelementen des Stators entstehen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Anschlussvorsprünge zur, insbesondere vollständigen, Aufnahme eines Kontaktierelements schachtartige Gehäusekonturen auf, wobei jeweils eine schlitzartige Vertiefung in der radial innenliegenden und der radial außenliegenden Schachtwand zur Aufnahme eines Wicklungsdrahtabschnittes vorgesehen ist.
Von Vorteil ist dabei, dass eine genaue Positionierung des Wicklungsdrahtes ermöglicht ist, was die spätere elektrische Kontaktierung mit den Kontaktierelementen erleichtert.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Endscheibe an ihrem radial äußeren Umfangsbereich in Umfangsrichtung verlaufende nutartige Vertiefungen zur Führung von Wicklungsdrahtabschnitten auf, insbesondere wobei die nutartigen Vertiefungen ausschließlich in, insbesondere höchstens drei, Ebenen senkrecht zur Statorachse verlaufen und/oder insbesondere wobei die nutartigen Vertiefungen in Umfangsrichtung abschnittsweise unterbrochen sind.
Von Vorteil ist dabei, dass bei der Bewicklung von mehreren Statorzähnen mit dem gleichen Wicklungsdraht (Durchwickeln) eine exakte Führung und Positionierung des Wicklungsdrahts ermöglicht ist, wobei dadurch auch verhindert wird, dass sich verschiedene Wicklungsdrähte gegenseitig berühren.
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Wichtige Merkmale bei dem Elektromotor, insbesondere permanenterregten Synchronmotor, sind, dass der Elektromotor einen um eine Drehachse drehbar angeordneten Rotor, einen den Rotor konzentrisch umgebenden Stator und eine Verschaltungseinheit aufweist,
wobei der Stator einen eine Statorachse umgebenden Statorkern mit einem geschlossenen Rückschlussring und mehrere vom Rückschlussring radial nach innen weisende Statorzähne aufweist, insbesondere wobei der Statorkern als Blechlamellenpaket ausgebildet ist, wobei der Stator ferner eine im Wesentlichen ringförmige, isolierende Endscheibe aufweist, wobei die Endscheibe derart an einem axialen Ende des Statorkerns befestigt ist, dass sowohl der Rückschlussring als auch die Statorzähne von der Endscheibe zumindest in Richtung parallel zur Statorachse, also in Axialrichtung, bedeckt sind, wobei um die einzelnen von der Endscheibe bedeckten Statorzähne jeweils Wicklungsdraht einer mehrphasigen elektrischen Wicklung gewickelt ist, wobei die Endscheibe mehrere, insbesondere in Axialrichtung vorstehende, Anschlussvorsprünge zur Aufnahme von Wicklungsdrahtabschnitten aufweist, wobei in jeden Anschlussvorsprung, insbesondere in Axialrichtung, jeweils ein Kontaktierelement derart einsetzbar ist, dass jeweils eine elektrische Verbindung, insbesondere mittels einer Schneidklemmverbindung, zwischen dem einsetzbaren Kontaktierelement und einem in einem jeweiligen Anschlussvorsprung aufgenommenen Wicklungsdrahtabschnitt hergestellt wird, wobei die Verschaltungseinheit einen eine Ringachse, insbesondere konzentrisch, umgebenden Trägerring und mehrere, insbesondere genau vier oder mindestens vier, voneinander beabstandete metallische Leiterelemente aufweist, welche insbesondere abschnittsweise im Wesentlichen kreisbogenförmig geformt sind, wobei der Trägerring die Leiterelemente zumindest teilweise umschließt, insbesondere zumindest abschnittsweise im Leiterelementquerschnitt vollständig und stoffschlüssig umschließt, wobei jedes Leiterelement mindestens einen Kontaktierungsabschnitt aufweist zur elektrischen Kontaktierung mit einem Abschnitt der elektrischen Wicklung, wobei jedes Leiterelement, insbesondere relativ zur Ringachse, einen Umfangswinkelbereich überdeckt, wobei der von jedem Leiterelement überdeckte Umfangswinkelbereich mit mindestens einem von einem anderen Leiterelement überdeckten Umfangswinkelbereich überlappt und
dass in Richtung parallel zur Ringachse, also in Axialrichtung, jedes Leiterelement, insbesondere umfangswinkel- und/oder radialabschnittsweise, höchstens mit einem weiteren Leiterelement überlappt, insbesondere wobei die Ringachse der Verschaltungseinheit, die Statorachse des Statorkerns und die Drehachse des Rotors zusammenfallen, wobei mittels jedes Kontaktierelements jeweils eine elektrische Verbindung zwischen einem in einem jeweiligen Anschlussvorsprung aufgenommenen Wicklungsdrahtabschnitt und einem jeweiligen Kontaktierungsabschnitt eines Leiterelements herstellbar ist zur Verschaltung der Wicklungsdrähte zu einer mehrphasigen Wicklung, insbesondere wobei die Verschaltungseinheit zur Verschaltung in Richtung parallel zur Drehachse, also in Axialrichtung, auf die Endscheibe aufsteckbar ist.
Von Vorteil ist dabei, dass eine schnelle, einfache und zuverlässige elektrische Verschaltung der Wicklungsdrähte ermöglicht ist. Dadurch, dass die Wicklungsdrähte im Stator bereits elektrisch mit den Kontaktierelementen verbunden sind, dienen jetzt die Kontaktierelemente als Anschlusspunkte für die in der Verschaltungseinheit aufgenommenen Leiterelemente. Dadurch ist eine einfache Verbindung der Verschaltungseinheit mit dem Stator, beispielsweise ein Auf- oder Einstecken, ermöglicht. Der Stator kann auf diese Weise vorgefertigt werden und es in einem letzten Bearbeitungsschritt kann die Verschaltung mit einfachen Mitteln sicher erfolgen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jeder Kontaktierungsabschnitt jeweils eine in Umfangsrichtung verlaufende Kerbe auf, insbesondere wobei die Kerbe auf der radial nach außen oder radial nach innen weisenden Fläche des jeweiligen Kontaktierungsabschnittes eingebracht ist, und wobei alle Kontaktierelemente jeweils einen Federabschnitt aufweisen, wobei der jeweilige Federabschnitt derart mit der jeweiligen Kerbe zusammenwirkt, dass eine Rastverbindung oder Klipsverbindung zwischen dem jeweiligen Kontaktierelement und dem jeweiligen Kontaktierungsabschnitt herstellbar ist.
Von Vorteil ist dabei, dass eine verbesserte und stabile Kontaktierung realisierbar ist, welche ein versehentliches und durch Belastung ausgelöstes Trennen der beiden Kontaktierungspartner verhindert oder zumindest verringert.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Trägerring einen an seinem äußeren Umfang umlaufenden Kragenabschnitt auf, welcher in Axialrichtung über die Endscheibe stülpbar ist, insbesondere wobei der Trägerring und die Endscheibe miteinander lösbar verbindbar, insbesondere klipsverbindbar, sind.
Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Montage der Verschaltungseinheit auf der Endscheibe des Stators ermöglicht ist. Insbesondere im Zusammenspiel mit der Rast- oder Klipsverbindung zwischen den Kontaktierelementen und Kontaktierungsabschnitten ergibt sich hier auch eine vorteilhafte, stabile mechanische Verbindung. Wenn beispielsweise der Motor in einer Umgebung eingesetzt wird, in der hohe Rüttelschwingungen auftreten können, wird durch die mechanische Fixierung des Trägerrings durch den Kragenabschnitt die Belastung der mechansichen Verbindung zwischen Kontaktierelementen und Kontaktierungsabschnitten verringert. Dadurch kommt es seltener vor, dass eine mechanische und damit elektrische Verbindung zwischen Kontaktierelementen und Kontaktierungsabschnitten abreist bzw. unterbrochen wird. Der Vorteil an der lösbaren Verbindung im Vergleich zum Beispiel zu Heißverstemmen ist, dass das Aufsetzen der Verschaltungseinheit in einem Arbeitsschritt erfolgen kann. Zusätzliche Arbeitsschritte sind nocht notwendig.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Endscheibe einen oder mehrere Zentrierdorne auf, welche derart mit entsprechenden Zentrierdornaufnahmen im Trägerring zusammenwirken, dass ein verdrehsicheres Aufstecken des Trägerrings auf die Endscheibe ermöglicht ist.
Von Vorteil ist dabei, dass eine fehlersichere Montage der Verschaltungseinheit auf der Endscheibe des Stators ermöglicht ist. Vorteilhafterweise ist durch Heißverstemmen der Zentrierdorne mit den jeweiligen Zentrierdornaufnahmen zusätzlich eine Sicherung gegen axiales Verschieben, also insbesondere eine Verliersicherung, realisierbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Trägerring mindestens eine Ausnehmung in Axialrichtung auf zur Durchführung eines Temperatursensors, mit welchem die Temperatur der Wicklung messbar ist.
Von Vorteil ist dabei, dass die Sicherheit erhöht und ein Verschleiß der Wicklungsdrähte frühzeitig erkennbar ist.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors sind, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: Herstellen einer oben beschriebenen Verschaltungseinheit, Herstellen eines oben beschriebenen Stators, wobei mittels jedes Kontaktierelements jeweils eine elektrische Verbindung zwischen einem in einem jeweiligen Anschlussvorsprung aufgenommenen Wicklungsdrahtabschnitt und einem jeweiligen Kontaktierungsabschnitt eines Leiterelements hergestellt wird zur Verschaltung der Wicklungsdrähte zu einer mehrphasigen Wicklung, insbesondere wobei die Verschaltungseinheit zur Verschaltung in Richtung parallel zur Drehachse, also in Axialrichtung, auf die Endscheibe aufgesteckt wird.
Von Vorteil ist dabei, dass eine schnelle, einfache und zuverlässige elektrische Verschaltung der Wicklungsdrähte ermöglicht ist.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors sind, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: in einem ersten Schritt Herstellen einer Verschaltungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in einem zweiten Schritt Herstellen eines Stators nach einem der Ansprüche 6 bis 9, in einem dritten Schritt Verbinden der Verschaltungseinheit mit dem Stator, wobei in dem dritten Schritt mittels jedes Kontaktierelements jeweils eine elektrische Verbindung zwischen einem in einem jeweiligen Anschlussvorsprung aufgenommenen Wicklungsdrahtabschnitt und einem jeweiligen Kontaktierungsabschnitt eines Leiterelements hergestellt wird zur Verschaltung der Wicklungsdrähte zu einer mehrphasigen Wicklung, insbesondere wobei die Verschaltungseinheit zur Verschaltung in Richtung parallel zur Drehachse, also in Axialrichtung, auf die Endscheibe aufgesteckt wird.
Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Montage der Verschaltungseinheit auf der Endscheibe des Stators ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die im ersten Schritt hergestellte Verschaltungseinheit durch die folgende Unterschritte hergestellt: in einem ersten Unterschritt Herstellen von metallischen Leiterelementen mittels eines Stanz-Biegeverfahrens, in einem zweiten Unterschritt Einlegen der Leiterelemente in eine Spritzgussform, in einem dritten Unterschritt Umspritzen der Leiterelemente mit einem Isolierstoff, insbesondere Kunststoff. Von Vorteil ist dabei, dass eine automatisierte und reproduzierbare Herstellung ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die im ersten Schritt hergestellte Verschaltungseinheit wahlweise eine erste Verschaltungseinheit oder eine zweite Verschaltungseinheit, wobei die erste und die zweite Verschaltungseinheit jeweils durch ein Verfahren mit den oben genannten Unterschritten hergestellt wird, wobei die erste Verschaltungseinheit erste Leiterelemente umfasst, welche in eine erste Spritzgussform eingelegt werden und die zweite Verschaltungseinheit zweite Leiterelemente umfasst, welche in eine zweite Spritzgussform eingelegt werden, wobei die ersten Leiterelemente sich in ihrer Anzahl und/oder Form von den zweiten Leiterelementen unterscheiden und wobei die erste und die zweite Spritzgussform identisch sind oder die erste und die zweite Spritzgussform gleich ausgeführt sind.
Von Vorteil ist dabei, dass sich mit einer einzigen Spritzgussform verschiedene Verschaltungstopologien herstellen lassen. So ist beispielsweise eine parallele und eine serielle Sternschaltung ausführbar, ohne dafür jeweils speziell eine eigene Spritzgussform benutzen zu müssen. Der Trägerring aus Kunststoff ist also in beiden Fällen gleich geformt, lediglich die Form und/oder Anzahl der im Trägerring eingebetteten Leiterelemente ist je nach Verschaltungstopologie verschieden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der im zweiten Schritt hergestellte Stator durch die folgenden Unterschritte hergestellt: in einem ersten Unterschritt Herstellen eines Statorkerns mittels Stanzpaketierung von Blechlamellen, in einem zweiten Unterschritt Herstellen einer Endscheibe mittels eines Spritzgussverfahrens, ein einem dritten Unterschritt Aufsetzen der Endscheibe auf eine Endseite des Statorkerns, in einem vierten Unterschritt bewickeln von Statorzähnen des Statorkerns mit Wicklungsdraht, insbesondere mittels eines automatisierten Nadelwickelverfahrens, in einem fünften Unterschritt Einlegen von Wicklungsdrahtenden in die schachtartigen Vertiefungen der Anschlussvorsprünge der Endscheibe und in einem sechsten Unterschritt Einführen von Kontaktierelementen in die Anschlussvorsprünge zur elektrischen Kontaktierung der Wicklungsdrähte mit den Kontaktierelementen.
Von Vorteil ist dabei, dass eine automatisierte und reproduzierbare Herstellung ausführbar ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist eine Anordnung von Leiterelementen einer ersten erfindungsgemäßen Verschaltungseinheit in Schrägansicht gezeigt, welche sich zu einer seriellen Sternschaltung eignet.
- In der 2 ist eine Anordnung von Leiterelementen einer zweiten erfindungsgemäßen Verschaltungseinheit in Schrägansicht gezeigt, welche sich zu einer parallelen Sternschaltung eignet.
- In der 3 ist die erste erfindungsgemäße Verschaltungseinheit in Draufsicht gezeigt, wobei diese die in 1 gezeigte Anordnung von Leiterelementen enthält.
- In der 4 ist die zweite erfindungsgemäße Verschaltungseinheit in Draufsicht gezeigt, wobei diese die in 2 gezeigte Anordnung von Leiterelementen enthält.
- In der 5 ist ein erfindungsgemäßer Stator für einen Elektromotor in perspektivischer Seitenansicht gezeigt.
- In der 6 ist ein erfindungsgemäßer Elektromotor mit montierter Verschaltungseinheit in Schrägansicht gezeigt.
- In der 7 ist ein Kontaktierungsabschnitt und ein dazugehöriges Kontaktierelement vor dem Aufstecken der Verschaltungseinheit in Schrägansicht gezeigt.
- In der 8 ist ein Kontaktierungsabschnitt und ein dazugehöriges Kontaktierelement nach dem Aufstecken der Verschaltungseinheit in Schrägansicht gezeigt.
- In der 9 ist ein Kontaktierelement in Detailansicht gezeigt.
- In der 10 ist ein Ausschnitt eines Querschnittes durch den Elektromotor vor dem Aufstecken der Verschaltungseinheit auf die Endscheibe gezeigt.
- In der 11 ist ein Ausschnitt eines Querschnittes durch den Elektromotor nach dem Aufstecken der Verschaltungseinheit auf die Endscheibe gezeigt. Der Querschnitt verläuft dabei durch eine andere Ebene als in 10.
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1 zeigt beispielhaft eine Anordnung von Leiterelementen (1, 2, 3, 4) für eine erste erfindungsgemäße Verschaltungseinheit, welche sich dafür eignet, eine serielle Sternschaltung zu realisieren. Die Abbildung zeigt die räumliche Anordnung der Leiterelemente, bevor sie beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens mit einem Kunststoff umspritzt werden, um den Trägerring zu bilden. Die erste Ausführungsform weist vier Leiterelemente erster Art (1, 2, 3, 4) auf, welche mittels eines Stanz-Biegeverfahrens aus flachen Metallstreifen hergestellt werden. Die Leiterelemente erster Art (1, 2, 3, 4) sind im Wesentlichen in einer Ebene parallel zur Ringebene des Trägerrings angeordnet. Mit anderen Worten existiert mindestens eine Ebene parallel zur Ringebene, welche alle Leiterelemente erster Art (1, 2, 3, 4) schneidet.
Der Leiterquerschnitt aller Leiterelemente erster Art (1, 2, 3, 4) ist im Wesentlichen rechteckig und die Ausdehnung in Richtung der Ringachse, also in Axialrichtung, größer ist als die Ausdehnung in Radialrichtung. Es ist alternativ auch ein runder oder polygonaler Querschnitt denkbar.
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Das erste, zweite und dritte Leiterelement erster Art (1, 2, 3), im Folgenden jeweils als erstes, zweites und drittes Phasenelement erster Art bezeichnet, weist jeweils einen Kontaktierungsabschnitt 5 auf zur elektrischen Kontaktierung mit einem Abschnitt der elektrischen Wicklung des Elektromotors. Darüber hinaus weist jedes Phasenelement erster Art (1, 2, 3) jeweils einen Anschlussabschnitt 6 auf zur elektrischen Kontaktierung mit einem Phasenanschluss 7. Bei einer dreiphasigen Wicklung mit den Phasen U, V und W wird entsprechend jedem Phasenelement erster Art (1, 2, 3) jeweils eine Phase zugeordnet. Über die Kontaktierungsabschnitte 5 wird dann eine elektrische Verbindung der Phasen mit Spulen der Wicklung hergestellt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Stator zwölf Statorzähne auf, wobei um jeden Statorzahn mittels Wicklungsdraht eine Spule gewickelt ist. Somit weist jeder der drei Phasen vier Spulen auf, wobei diese vier Spulen in Serie geschaltet sind und jeweils mittels eines Wicklungsdrahtes durchgewickelt sind. Ein Ende jedes Wicklungsdrahtes wird jeweils mit einem Kontaktierungsabschnitt 5 eines Phasenelementes erster Art (1, 2, 3), insbesondere mittelbar, verbunden. Das jeweils andere Ende des Wicklungsdrahtes wird mit einem der drei Kontaktierungsabschnitte 5 des vierten Leiterelementes erster Art 4, im Folgenden als Sternpunktelement erster Art bezeichnet, verbunden. Auch diese Verbindung erfolgt vorteilhafterweise mittelbar unter Zuhilfenahme eines Kontaktierelements, wie später genauer beschrieben wird. Das Sternpunktelement erster Art 4 sorgt für die Verschaltung der drei Phasen mittels eines gemeinsamen Sternpunkts, weshalb es drei Kontaktierungsabschnitte 5 aufweist.
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Alle Leiterelemente erster Art (1, 2, 3) sind im Wesentlichen abschnittsweise kreisbogenförmig geformt. Wie der Figur zu entnehmen ist, verläuft der in Radialrichtung gebogene Kontaktierungssteg 8 des ersten Phasenelements erster Art 1 in der Ringebene nicht ganz parallel zum Anschlussabschnitt 6, so dass auch dieses Phasenelement 1 als im Wesentlichen kreisbogenförmig geformt bezeichnet werden kann. Das zweite und dritte Phasenelement erster Art (2, 3) weist jeweils einen Kreisbogenabschnitt und einen geraden Abschnitt zwischen Kontaktierungssteg 8 und Anschlussabschnitt 6 auf. Das Sternpunktelement erster Art 4 wiederum weist drei Kreisbogenabschnitte 9 auf, wobei zwischen je zwei Kreisbogenabschnitten 9 ein stufenartiger Versatzabschnitt 10 ausgebildet ist. Dadurch weisen zwei verbundene Kreisbogenabschnitte jeweils einen anderen Kreisradius auf. Der Versatzabschnitt 10 verläuft in der Abbildung in einer Richtung, welche parallel zur Ringebene verläuft. Es ist alternativ auch ein Verlauf genau in Radialrichtung denkbar.
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Abhängig vom Radius des Kreisbogenabschnitts 9 unterscheiden sich die jeweiligen Kontaktierungsstege 8 in ihrer Länge in Radialrichtung. Diese Länge ist jeweils so gewählt, dass die Kontaktierungsabschnitte 5 in Radialrichtung im Wesentlichen gleich weit von der Ringachse beabstandet sind. Darüber hinaus weisen die Kontaktierungsabschnitte 5 einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt in einer Ebene parallel zur Ringachse, auch als Tangentialebene bezeichenbar, auf. Sie ragen dabei alle in die gleiche Richtung hervor, so dass später nur eine Seite des Trägerrings für die Verschaltung verwendet wird. Wie der Figur zu entnehmen ist, sind alle Kontaktierungsabschnitte auf der radial außenliegenden Seite der jeweiligen Leiterelemente angeordnet.
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Wie der Figur zu entnehmen ist, überdeckt jedes Leiterelement (1, 2, 3, 4) erster Art einen Umfangswinkelbereich relativ zur Ringachse. Der überdeckte Umfangswinkelbereich des zweiten Phasenelements erster Art 2 überlappt dabei in einem Winkelbereich mit dem überdeckten Umfangswinkelbereich des ersten Phasenelements erster Art 1 und in einem anderen Winkelbereich mit dem überdeckten Umfangswinkelbereich des Sternpunktelements erster Art 4. Mit anderen Worten, wenn man eine Projektion von der Ringachse aus in Radialrichtung nach außen durchführt, dann entstehen Bereiche, welche von zwei Leiterelementen erster Art überdeckt werden und Bereiche, die nur von einem Leiterelement erster Art überdeckt werden. Erstere werden als Überlappungsbereiche bezeichnet. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass der von jedem Leiterelement überdeckte Umfangswinkelbereich mit mindestens einem von einem anderen Leiterelement überdeckten Umfangswinkelbereich überlappt. Im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel überlappt also der Umfangswinkelbereich des ersten Phasenelements erster Art 1 und des dritten Phasenelements erster Art 3 jeweils mit einem weiteren überdeckten Umfangswinkelbereich eines anderen Leiterelements erster Art, wohingegen die überdeckten Umfangswinkelbereiche des zweiten Phasenelements erster Art 2 und des Sternpunktelements 4 mit jeweils zwei anderen überdeckten Umfangswinkelbereichen anderer Leiterelemente erster Art überlappen. Die Überlappung findet dabei jeweils an anderen Winkelbereichen statt.
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Weiteres erfindungsgemäßes Merkmal ist, dass in Richtung parallel zur Ringachse, also in Axialrichtung, jedes Leiterelement, insbesondere umfangswinkel- und/oder radialabschnittsweise, höchstens mit einem weiteren Leiterelement überlappt. Mit anderen Worten ist in Axialrichtung gesehen in allen Bereichen immer nur höchstens ein Leiterelement erster Art über einem anderen Leiterelement erster Art angeordnet. Oder anders ausgedrückt entstehen bei einer Projektion in Axialrichtung auf eine Ebene parallel zur Ringebene Bereiche, die von höchstens zwei Leiterelementen überdeckt werden, also „axiale Überlappungsbereiche“. Im vorliegenden Beispiel findet diese axiale Überlappung nur an zwei Stellen statt, nämlich dort wo die Kontaktierungsstege 8 des Sternpunktelements erster Art 4 jeweils axial oberhalb des zweiten und dritten Phasenelementes erster Art (2, 3) verlaufen. Die Leiterelemente werden also nicht in axialer Richtung übereinandergestapelt, sondern es gibt lediglich vereinzelte Bereiche, in denen höchstens zwei Leiterelemente übereinander angeordnet sind. Dadurch ist eine kompakte Bauform in Axialrichtung erreichbar.
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2 zeigt beispielhaft eine Anordnung von Leiterelementen (21, 22, 23, 24) für eine zweite erfindungsgemäße Verschaltungseinheit, welche sich dafür eignet, eine parallele Sternschaltung zu realisieren. Diese zweite Verschaltungseinheit eignet sich für den gleichen Stator wie die erster Verschaltungseinheit, das heißt für einen Stator mit zwölf Zähnen, wobei jede der drei Phasen vier Spulen aufweist. Hierbei werden jedoch pro Phase jeweils zwei in Serie geschaltete und aus einem Wicklungsdraht gewickelte Spulen mit zwei anderen in Serie geschalteten und aus einem Wicklungsdraht gewickelten Spulen verschaltet. Um diese Sternschaltung zu realisieren, weisen die drei Phasenelemente zweiter Art (21, 22, 23) neben ihrem Anschlussabschnitt 6 entsprechend zwei Kontaktierungsabschnitte 5 auf. Das Sternpunktelement zweiter Art 24 weist entsprechend sechst Kontaktierungsabschnitte auf, um die Sternschaltung zu realisieren. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weisen beim zweiten Ausführungsbeispiel alle Leiterelemente zweiter Art einen stufenartigen Versatzabschnitt 10 auf. Des Weiteren werden der Figur entnehmbare offensichtliche Gemeinsamkeiten mit dem ersten Ausführungsbeispiel nicht nochmals gesondert beschrieben.
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Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel gilt, dass in Richtung parallel zur Ringachse, also in Axialrichtung, jedes Leiterelement, insbesondere umfangswinkel- und/oder radialabschnittsweise, höchstens mit einem weiteren Leiterelement überlappt. Denn wie zuvor für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben, führt eine Projektion parallel zur Ringachse, also in Axialrichtung, auf eine Ebene parallel zur Ringebene lediglich zu Bereichen, die von höchstens zwei Leiterelementen überdeckt werden. Somit ist das dritte Phasenelement zweiter Art 23 zwar mit einem Kontaktierungsabschnitte 5 axial über dem Sternpunktelement zweiter Art 24 und mit einem anderen Kontaktierungsabschnitt 5 axial sowohl über dem ersten als auch dem zweiten Phasenelement zweiter Art (21, 22) angeordnet, diese axialen Überlappungsbereiche befinden sich jedoch an verschiedenen Positionen, insbesondere in Umfangs- und/oder Radialrichtung.
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Wie für das erste Ausführungsbeispiel gilt auch für das zweite Ausführungsbeispiel, dass der von jedem Leiterelement überdeckte Umfangswinkelbereich mit mindestens einem von einem anderen Leiterelement überdeckten Umfangswinkelbereich überlappt. Im vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel überlappt der überdeckte Umfangswinkelbereich des ersten Phasenelements zweiter Art 21 in einem Umfangswinkelbereich sogar mit den überdeckten Umfangswinkelbereichen aller anderen Leiterelementen zweiter Art. Des Weiteren werden der Figur entnehmbare offensichtliche Gemeinsamkeiten mit dem ersten Ausführungsbeispiel nicht nochmals gesondert beschrieben.
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3 zeigt in Draufsicht eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verschaltungseinheit 30. Diese erste Verschaltungseinheit 30 weist einen ersten Trägerring 31 auf, welcher in diesem Ausführungsbeispiel aus Kunststoff besteht und mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt wurde. Im Inneren des ersten Trägerrings 31 sind - in dieser Ansicht nicht sichtbar - die Leiterelemente erster Art (1, 2, 3, 4) in der räumlichen Anordnung gemäß 1 angeordnet und somit zumindest teilweise stoffschlüssig umschlossen.
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Im Zentrum des ersten Trägerrings 31 ist durch einen Punkt die Ringachse (RA) angedeutet, zu welcher der erste Trägerring 31 konzentrisch angeordnet ist, sie also umgibt. In der Figur gut erkennbar ist die im Wesentliche ringförmige Form des ersten Trägerrings. Die Abbildung ist eine Draufsicht auf diejenige Seite des ersten Trägerrings 31, welche später zur Verschaltung auf eine Endseite des Stators aufgesetzt wird. Dies bedeutet, dass in dieser Ansicht die Kontaktierungsabschnitte 5 senkrecht aus der Papierebene, welche eine Ebene parallel zur Ringebene ist, nach oben herausragen. Auch ist in dieser Ansicht gut zu erkennen, dass die Kontaktierungsabschnitte 5 alle im Wesentlichen den gleichen Abstand zur Ringachse (RA) aufweisen. Der Kontaktstecker 32 enthält nicht sichtbar die Phasenanschlüsse 7 und lässt sich einfach auf den ersten Trägerring 31 aufstecken zur einfachen Kontaktierung mit den in dieser Figur nicht dargestellten Anschlussabschnitten 6.
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Der erste Trägerring 31 weist zwei Zentrierdornaufnahmen 33 auf, welche der verdrehsicheren Montage des ersten Trägerrings 31 auf die Endscheibe des Stators dienen. Diese Funktionalität wird in 10 anschaulicher beschrieben.
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Der erste Trägerring weist erste, zweite und dritte Ausbuchtungen (34, 35, 36) in Radialrichtung auf. Die zweiten Ausbuchtungen 35 sind dabei so geformt, dass ein Kontaktierungsabschnitt 5 aufnehmbar ist und aus der zweiten Ausbuchtung axial herausragt. Die dritten Ausbuchtungen nehmen ebenfalls einen Kontaktierungsabschnitt 5 auf, sie sind jedoch in Umfangsrichtung weiter ausdehnt, so dass die Position des Kontaktierungsabschnittes 5 in Umfangsrichtung veränderbar ist, der Kontaktierungsabschnitt 5 also an verschiedenen Positionen positionierbar ist. Die ersten Ausbuchtungen 34 hingegen nehmen im ersten Ausführungsbeispiel keine Kontaktierungsabschnitte 5 auf, es handelt sich hierbei sozusagen um blinde Ausbuchtungen 34.
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4 zeigt in Draufsicht eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verschaltungseinheit 40. Diese zweite Verschaltungseinheit 40 weist einen zweiten Trägerring 41 auf, welcher in diesem Ausführungsbeispiel aus Kunststoff besteht und mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt wurde. Im Inneren des zweiten Trägerrings 41 sind - in dieser Ansicht nicht sichtbar - die Leiterelemente zweiter Art (21, 22, 23, 24) in der räumlichen Anordnung gemäß 2 angeordnet und somit zumindest teilweise stoffschlüssig umschlossen.
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Wie zu erkennen, ist die äußere geometrische Form des zweiten Trägerrings 41 identisch mit der Form des ersten Trägerrings 31. Dies rührt daher, dass beide Trägerringe (31, 41) mit der gleichen, also identischen, Spritzgussform hergestellt wurden. Alternativ sind auch zwei gleiche Spritzgussformen verwendbar. Der Unterschied der beiden Trägerringe (31, 41) besteht also lediglich darin, dass sie jeweils verschiedene Leiterelemente aufnehmen, um die verschiedenen Verschaltungstopologien zu realisieren.
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Die äußere Form Trägerringe (31, 41) ist daher derart angepasst, dass für beide Verschaltungstopologien entsprechende Ausbuchtungen im Trägerring existieren. Im zweiten Ausführungsbeispiel existieren dabei ebenfalls erste Ausbuchtungen 42 ohne Kontaktierungsabschnitte 5 und zweite Ausbuchtungen 43 mit Kontaktierungsabschnitten 5. Die ersten Ausbuchtungen 42 des zweiten Ausführungsbeispiels entsprechen den zweiten Ausbuchtungen 35 des ersten Ausführungsbeispiels. Folglich entsprechen die zweiten Ausbuchtungen 43 des zweiten Ausführungsbeispiels den ersten Ausbuchtungen 34 des ersten Ausführungsbeispiels. Die Belegung mit Kontaktierungsabschnitten 5 ist also gerade umgekehrt. Die dritten Ausbuchtungen (36, 44) beider Ausführungsformen sind jeweils mit einem Kontaktierungsabschnitt 5 besetzt, wobei sich jedoch deren Position in Umfangsrichtung voneinander unterscheidet.
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5 zeigt einen erfindungsgemäßen Stator 50 für einen Elektromotor in perspektivischer Seitenansicht, bestehend aus einem insbesondere als Blechlamellenpaket ausgebildeten Statorkern 51 und einer an einem axialen Ende des Statorkerns 51 befestigten Endscheide 52. Die Endscheibe 52 ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt und vorteilhafterweise mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt. Für jede der beiden Verschaltungstopologien wird dabei eine eigene, also verschiedenartig geformte Endscheibe benutzt. Die nachfolgend beschriebenen Funktionen sind jedoch jeweils die gleichen.
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Die Endscheibe 52 weist mehrere über ihren Umfang verteilte Anschlussvorsprünge 53 auf, welche von der Endscheibe 52 in Richtung parallel zur Statorachse SA, also in Axialrichtung, hervorragen. Diese Anschlussvorsprünge 52 weisen vorteilhaft als schachtartige Gehäusekonturen auf, wobei jeweils eine schlitzartige Vertiefung 54 in der radial innenliegenden und der radial außenliegenden Schachtwand zur Aufnahme eines Wicklungsdrahtabschnittes 55 vorgesehen ist. Die Drahtenden der auf den Statorzähnen aufgenommenen Spulen werden also durch die schlitzartigen Vertiefungen aufgenommen und räumlich fixiert. Anschließend wird ein vorteilhafterweise als Schneidklemmkontakt 56 ausgeführtes Kontaktierelement in den Anschlussvorsprung in axialer Richtung eingeführt, so dass eine Schneidklemmverbindung zwischen dem Schneidklemmkontakt 56 und dem Wicklungsdraht 55 entsteht. Somit dient der Schneidklemmkontakt 56 später als Anschlusspunkt für die Verschaltungseinheit (31, 41).
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Die Endscheibe 52 weist an ihrem radial äußeren Umfangsbereich in Umfangsrichtung verlaufende nutartige Vertiefungen 57 zur Führung von Wicklungsdrahtabschnitten auf. Solche Führungen sind notwendig, wenn mehrere in Serie geschaltete Spulen, wobei jede Spule um jeweils einen Statorzahn gewickelt ist, mittels eines Wicklungsdrahtes durchgewickelt werden. Da die jeweiligen Statorzähne nicht unbedingt genau benachbart sind, ist eine Führung des Wicklungsdrahtes zu einem in Umfangsrichtung weiter weg angeordneten Statorzahnes mittels der Vertiefungen 57 einfach und sicher realisierbar. Dabei wird sichergestellt, dass sich verschiedene Wicklungsdrahtabschnitte nicht berühren. Wie gezeigt verlaufen diese Vertiefungen 57 vorteilhaft ausschließlich in Ebenen senkrecht zur Statorachse, In Umfangsrichtung sind diese Vertiefungen 57 dabei abschnittsweise durch Ausnehmungen in der Endscheibe 52 unterbrochen, um eine Führung des Drahtes in das Statorinnere, also zu den Statorzähnen, zu ermöglichen. Ebenfalls in dieser Figur zu erkennen ist ein Zentrierdorn 58, welcher axial von der Endscheibe 52 hervorsteht.
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6 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektromotor 60 mit montierter Verschaltungseinheit (30, 40) in Schrägansicht. Zu sehen sind hier die radial nach innen ragenden Statorzähne 61, welche in Axialrichtung von nach innen weisenden Aufwickelhilfen 62 der Endkappe 52 bedeckt sind. Die Aufwickelhilfen 62 sorgen dafür, dass der um die Statorzähne gewickelte Wicklungsdraht (nicht gezeigt) elektrisch von der Stirnseite des entsprechenden Statorzahnes isoliert ist. Zur Isolation in den Statornuten wird vorteilhaft Isolierpapier verwendet.
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7 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt eines Leiterelements, beispielsweise des Sternpunktelements 4 erster Art, bevor es mit dem Kontaktierelement 56 in Verbindung gebracht wird. Das Kontaktierelement 56 wurde in einem vorherigen Fertigungsschritt wie bereits beschrieben mit dem Wicklungsdraht in Verbindung gebracht. 8 zeigt dann das bereits in axialer Richtung aufgesteckte Leiterelement 4 der 7. Das Aufstecken erfolgt vorteilhafterweise so, dass eine in der nach radial außen weisenden Fläche des Kontaktierungsabschnitts 5 in Umfangsrichtung, insbesondere parallel zur Ringebene, eingebrachte Kerbe 70 mit einem Federabschnitt 71 des Kontaktierelements 56 derart zusammenwirkt, dass eine Einrastung erfolgt. Die Einkerbung kann entsprechend auch auf der radial nach innen weisenden Fläche angebracht werden, wenn der Federabschnitt 71 des Kontaktierelements 56 entsprechend geformt ist. Somit ist insgesamt ein einfaches und sicheres Kontaktieren der Leiterelemente mit dem Wicklungsdraht 55 ausführbar. In 7 ist die Kerbe 70 beispielhaft auf beiden Schenkeln des U-förmigen Kontaktierungsabschnittes 5 eingebracht. Die Form der Kontaktierungsabschnitte 5 kann jedoch auch andersartig geformt sein, das heißt, die Kerbe 70 ist nicht nur in Verbindung mit dem U-förmigen Querschnitt von Vorteil. Der U-förmige Querschnitt hat lediglich den Vorteil, dass er an die Geometrie des Drahtes anpassbar ist, beispielsweise dadurch, dass der Radius des U geringfügig größer ist als der Radius des Wicklungsdrahtes. Wie in 7 gezeigt, erfolgt die Schneidklemmverbindung mittels der beiden Verbindungsbügel (72, 73).
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9 zeigt eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Kontaktierelements 56 mit seinen beiden Verbindungsbügeln (72, 73) zur Aufnahme des Wicklungsdrahtes. Ebenfalls erkennbar ist der Federabschnitt 71. Durch Aufstecken des Kontaktierungsabschnittes 5 wird der Federabschnitt 71 in Richtung derjenigen Seite des Kontaktierelements 56 gedrückt, an welchem er befestigt ist. Sobald beim Einstecken die Spitze des Federabschnitts 71 die Kerbe 70 erreicht, führt die elastische Federkraft zu einem Einklipsen des Federabschnitts 71 in die Kerbe 70. Dadurch wird eine stabile mechanische und entsprechend stabile elektrische Verbindung hergestellt.
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In der 10 ist ein Ausschnitt eines Querschnittes entlang einer Radialrichtung durch den Elektromotor vor dem Aufstecken der Verschaltungseinheit (30, 40) auf die Endscheibe 52 gezeigt. Der Schnitt verläuft dabei durch die Mitte eines Zentrierdorns 58 bzw. einer Zentrierdornaufnahme 33. In dieser Darstellung ist zu sehen, wie der Wicklungsdraht 55 zum einen auf der Außenseite der Endscheibe 52 in den nutartigen Vertiefungen geführt wird und wie er im Inneren des Stators 51 um die Statorzähne 61 und die Aufwickelhilfen 62 gewickelt ist, um Spulen 100 zu bilden. Der Wicklungsdraht 55 wird dabei vorteilhaft durch Einkerbungen 104 in der Endscheibe 52 von innen nach außen oder umgekehrt geführt. In der vorliegenden Darstellung ist der Draht 55 nicht in der Einkerbung 104 dargestellt. Die Drahtenden werden wie bereits beschrieben in den schlitzartigen Vertiefungen 54 der Anschlussvorsprünge 53 fixiert, bevor (nicht dargestellt) jeweils ein Kontaktierelement in einen Anschlussvorsprung 53 in axialer Richtung eingebracht wird. Die Verschaltung der Spulen erfolgt dann dadurch, dass die Verschaltungseinheit (30, 40) wie durch den Pfeil angedeutet in axialer Richtung auf die Endscheibe 52 aufgesteckt wird. Zur Zentrierung und fehlersicheren Montage dienen hierbei ein oder mehrere Zentrierdorne 58 der Endscheibe 52, welche mit korrespondierenden Zentrierdornaufnahmen 33 der Verschaltungseinheit zusammenwirken.
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Zur verbesserten Führung während des Aufsteckens und zusätzlich zum Schutz der in den nutartigen Vertiefungen 57 der Endscheibe 52 aufgenommenen Wicklungsdrähte 55 weist der Trägerring (31, 41) einen an seinem äußeren Umfang umlaufenden Kragenabschnitt 101 auf, welcher in Axialrichtung über die Endscheibe 52 stülpbar ist. Vorteilhafterweise findet dabei eine Klipsverbindung oder Rastverbindung statt, beispielsweise durch eine am Kragenabschnitt 101 befindliche Rastnase 102, welche mit einer Rastnasenaufnahme 103 der Endscheibe zusammenwirkt und dadurch ein Einrasten bewirkt. Somit ist auf einfache Weise eine lösbare Verbindung geschaffen, welche zur mechanischen Stabilität beiträgt.
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In der 11 ist ein Ausschnitt eines Querschnittes entlang der Radialrichtung durch den Elektromotor vor dem Aufstecken der Verschaltungseinheit (30, 40) auf die Endscheibe 52 gezeigt. Der Schnitt verläuft dabei durch die Mitte eines Anschlussvorsprunges 53, in welchem ein Kontaktierelement 56 aufgenommen ist. Der mit dem Kontaktierelement 56 vorteilhaft mittels Schneidklemmverbindung verbundene Wicklungsdraht ist in dieser Darstellung ausgeblendet. Zu sehen ist, wie ein Kontaktierungsabschnitt 5 in das Kontaktierelement 56 eingreift, um eine elektrische Verbindung zwischen Leiterelement 24 und Kontaktierelement 56 und somit mit dem Wicklungsdraht 55 (nicht dargestellt) herzustellen. Vorteilhaft weist das Kontaktierelement einen Federabschnitt 71 auf, dessen Spitze in einer Kerbe im Kontaktierungsabschnitt 5 aufnehmbar ist, um eine stabile Verbindung zu verwirklichen. Die Kerbe ist in der 11 nicht sichtbar da der Schnitt der Figur durch die Mitte des Kontaktierungsabschnitts 5 verläuft (siehe im Vergleich dazu Detailansicht der 7). Der Kontaktierungsabschnitt 5 reicht an seinen Seiten bis etwa zum Boden des Anschlussvorsprunges 53. In diesem Boden selbst sind wie in der 11 gezeigt wiederum Aussparungen eingebracht, welche das Kontaktierelement 55 aufnehmen. Durch den vorteilhaft U-Förmigen Querschnitt des Kontaktierungsabschnittes 5 wird der Wicklungsdraht seitlich umgeben.
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11 zeigt das Verschaltungsprinzip für die zweite Ausführungsform der Verschaltungseinheit 40. Dieses Prinzip gilt entsprechend auch für die erste Verschaltungseinheit 30.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erstes Phasenelement erster Art
- 2
- Zweites Phasenelement erster Art
- 3
- Drittes Phasenelement erster Art
- 4
- Sternpunktelement erster Art
- 5
- Kontaktierungsabschnitt
- 6
- Anschlussabschnitt
- 7
- Phasenanschluss
- 8
- Kontaktierungssteg
- 9
- Kreisbogenabschnitt
- 10
- Stufenartiger Versatzabschnitt
- 21
- Erstes Phasenelement zweiter Art
- 22
- Zweites Phasenelement zweiter Art
- 23
- Drittes Phasenelement zweiter Art
- 24
- Sternpunktelement zweiter Art
- 30
- Erste Verschaltungseinheit
- 31
- Erster Trägerring
- 32
- Kontaktstecker
- 33
- Zentrierdornaufnahme
- 34
- Erste Ausbuchtung des ersten Ausführungsbeispiels
- 35
- Zweite Ausbuchtung des ersten Ausführungsbeispiels
- 36
- Dritte Ausbuchtung des ersten Ausführungsbeispiels
- 40
- Zweite Verschaltungseinheit
- 41
- Zweiter Trägerring
- 42
- Erste Ausbuchtung des ersten Ausführungsbeispiels
- 43
- Zweite Ausbuchtung des ersten Ausführungsbeispiels
- 44
- Dritte Ausbuchtung des ersten Ausführungsbeispiels
- 50
- Stator
- 51
- Statorkern
- 52
- Endscheibe
- 53
- Anschlussvorsprung
- 54
- Schlitzartige Vertiefung
- 55
- Wicklungsdraht
- 56
- Kontaktierelement
- 57
- Nutartige Vertiefung
- 58
- Zentrierdorn
- 60
- Elektromotor
- 61
- Statorzahn
- 62
- Aufwickelhilfe
- 70
- Kerbe
- 71
- Federabschnitt
- 72
- Erster Verbindungsbügel
- 73
- Zweiter Verbindungsbügel
- 100
- Wicklung
- 101
- Kragenabschnitt
- 102
- Rastnase
- 103
- Rastnasenaufnahme
- RA
- Ringachse
- SA
- Statorachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017216084 A1 [0002]
- DE 102012023477 A1 [0002]
- US 2011057524 A1 [0002]
- DE 102018215787 A1 [0002]
- DE 102017223519 B3 [0002]
- DE 102016211230 A1 [0002]
- DE 102016206657 A1 [0002]
- DE 102015200093 A1 [0002]
