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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochvolt-Terminal für einen Stator einer elektrischen Maschine, sowie eine elektrische Maschine umfassend ein erfindungsgemäßes Hochvoltterminal.
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Permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) werden bereits in vielen industriellen Anwendungen und im Zuge der Elektrifizierung zunehmend auch in der Automobilindustrie eingesetzt. Eine solche permanenterregte Synchronmaschine weist in der Regel einen zu bestromenden Stator und einen permanenterregten Rotor auf. Der Stator umfasst u.a. eine Statorwicklung, einen Statorträger, einen Verschaltungsring sowie ein Terminal für die Leistungselektronik.
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Elektrische Maschinen mit verteilter Wicklung oder Wellenwicklung weisen in der Regel einen Verschaltungsbereich auf, in dem verschiedene Leiter der Wicklung miteinander verbunden werden. Diese Kopplung wird auch als Brücke bezeichnet, die in der Regel für die Richtungsumkehr des Stromflusses zuständig ist. Des Weiteren kann die Verschaltung auch einen sog. Sternpunkt oder Sternphase enthalten. An diesem Punkt fließen alle Leiter und Ströme der unterschiedlichen Phasen gemäß einer Sternverschaltung zusammen. Als weiteres Bauteil besitzt die elektrische Maschine ein Hochvolt-Terminal. Dieses Bauteil ist für die Stromversorgung der elektrischen Maschine über die Leistungselektronik zuständig.
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Hochvolt-Terminals mit einem integrierten Verschaltungsbereich sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die
DE 10 2019 111 825 A1 einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem solchen Hochvolt-Terminal.
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Obwohl derartige Bauteile aus dem Stand der Technik bekannt sind, besteht weiterhin der Wunsch, diese zu optimieren. Daher ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Hochvolt-Terminal bereitzustellen. Insbesondere ein Hochvolt-Terminal bereitzustellen, dass auf eine möglichst kompakte Art und Weise eine Integration in einen begrenzten Bauraum eines Stators oder einer Statorwicklung ermöglicht.
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Weiterhin ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführt.
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Gemäß einem Aspekt weist ein Hochvolt-Terminal für einen Stator einer elektrischen Maschine mehrere erste Verschaltungselemente auf, die dazu ausgebildet sind, einen elektrischen Kontakt zwischen Kontaktstiften einer Statorwicklung und Kontaktanschlüssen einer Leistungselektronik zur Ansteuerung der elektrischen Maschine herzustellen. Weiter weist das Hochvolt-Terminal ein zweites Verschaltungselement auf, welches dazu ausgebildet ist, einen elektrischen Kontakt zwischen Kontaktstiften einer Statorwicklung zur Realisierung einer Sternphase herzustellen. Weiter weist das Hochvolt-Terminal ein Aufnahmeelement auf, welches das zweite Verschaltungselement kraftschlüssig oder formschlüssig zentriert und fixiert.
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Vorteilhafterweise ergibt sich so eine vereinfachte Montage und Handhabung des Hochvoltterminals am Stator, da insbesondere das zweite Verschaltungselement, welches auch als Sternschiene bezeichnet wird, durch die Aufnahme derart fixiert ist, dass ein unbeabsichtigtes Separieren im Rahmen des technisch Möglichen ausgeschlossen ist. Weiter ist vorteilhaft, dass die Lage des zweiten Verschaltungselements zu anderen Bauteilen der elektrischen Maschine, insbesondere innerhalb des Stators derart definiert ist, dass nachgelagerte Fertigungsschritte sicherer durchgeführt werden können.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das Hochvolt-Terminal ein Kunststoffelement auf, welches die mehreren ersten Verschaltungselemente zumindest abschnittsweise umgibt und somit stoffschlüssig zentriert und fixiert.
Vorteilhafterweise fixiert das Kunststoffelement die als Stromschiene ausgeführten Verschaltungselemente in ihrer räumlichen Lage zu anderen Bauteilen der elektrischen Maschine, insbesondere innerhalb des Stators. Somit ergibt sich eine vereinfachte Montage des Hochvoltterminals am Stator. Besonders vorteilhaft ist das Kunststoffelement als Verguss- oder Spritzgusselement ausgeführt.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind das Kunststoffelement und das Aufnahmeelement integral aus einem einzigen Bauteil ausgebildet.
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Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist die Reduktion von Fertigungsaufwänden, insbesondere bei der Ausführung des Kunststoffelements als Verguss- oder Spritzgusselement.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Aufnahmeelement mehrere Zentrierdome, welche das zweite Verschaltungselement radial oder in Umfangsrichtung kraftschlüssig oder formschlüssig zentrieren und fixieren.
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Besonders vorteilhaft umfasst das Aufnahmeelement dabei mehrere Zentrierdome, die über das Kunststoffelement verteilt angeordnet sind. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere Zentrierdome baulich miteinander verbunden, insbesondere durch ein dünnwandiges Element. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wirken dabei jeweils mindestens zwei Zentrierdome entweder radial oder in Umfangsrichtung zusammen und zentrieren so das zweite Verschaltungselement.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist eines der ersten Verschaltungselemente einen Anschlussbereich zu den Kontaktanschlüssen der Leistungselektronik auf, welcher dazu ausgebildet ist, eine Verbindung mittels einer Schraubverbindung herzustellen.
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Vorteilhafterweise sind die Schraubverbindungen jeweils als Gewindebuchse ausgeführt, welche in einem der ersten Verschaltungselemente eingebracht sind. Besonders vorteilhaft ist die Gewindebuchsen durch ein formschlüssiges oder stoffschlüssiges Verfahren mit einem der ersten Verschaltungselemente verbunden, insbesondere sind diese eingepresst. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weisen die Schraubverbindungen einen Toleranzausgleich in radialer Richtung sowie in Umfangsrichtung auf, insbesondere durch eine Schraubverbindung, welche lose in einem formschlüssiges oder stoffschlüssiges mit einem der ersten Verschaltungselemente verbundenen Aufnahmeraum einer Aufnahme an einem der ersten Verschaltungselemente angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das Hochvolt-Terminal ein Montageelement auf, welches dazu ausgebildet ist, das Hochvolt-Terminal an einem Element der elektrischen Maschine, insbesondere einem Statorträger, zu zentrieren und fixieren. Vorteilhafterweise wird das Hochvolt-Terminal aus axialer Richtung an den Stator, insbesondere an einen Statorträger montiert mittels einer Verschraubung. Hierbei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn das Hochvolt-Terminal mehrere Montageelemente aufweist.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das Montageelement eine Buchse mit einem Zentrierbund auf.
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Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist die Trennung der Funktionen der Zentrierung bzw. der räumlichen Anordnung des Hochvolt-Terminals von der Funktion der Fixierung durch ein geeignetes Befestigungsmittel, insbesondere eine Verschraubung. Besonders vorteilhaft ist die Buchse aus einem Metall gefertigt und als sogenanntes Insert in das Montageelement aufgenommen.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind das Montageelement und das Kunststoffelement integral aus einem Bauteil ausgebildet.
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Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist die Reduktion von Fertigungsaufwänden, insbesondere bei der Ausführung des Kunststoffelements als Verguss- oder Spritzgusselement.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das zweite Verschaltungselement in einer Ebene senkrecht zu einer Rotationsachse der elektrischen Maschine zwischen einem ersten Radius R1 und einem zweiten Radius R2, die jeweils um die Rotationsachse verlaufen, angeordnet und ist durch mehrere Biegungen mäanderförmig ausgebildet.
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Besonders vorteilhaft bildet das zweite Verschaltungselement dabei mehrere Abschnitte auf dem Radius R1 aus, zwischen denen Schlaufen angeordnet sind. Der Radius R1 ist dabei kleiner als der Radius R2. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist die Vergrößerung von Luft- und Kriechstrecken innerhalb des Hochvolt-Terminals von dem ersten Verschaltungselement zu dem zweiten Verschaltungselement insbesondere im Bereich der Schlaufen. Eine weitere vorteilhafte Wirkung ist in der Wechselwirkung der mäanderförmigen Ausbildung des zweiten Verschaltungselement mit den Zentrierdomen des Aufnahmeelements zu sehen, so können mehrere Zentrierdome insbesondere innerhalb einer Schlaufe in entgegengesetzten Richtungen eine Haltekraft aufbringen oder einen entsprechenden Formschluss realisieren.
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Gemäß einem Aspekt umfasst eine elektrische Maschine ein Hochvolt-Terminal gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt oder einem der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen.
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Vorteilhafterweise umfasst ein Stator einer elektrischen Maschine ein Hochvolt-Terminal gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt oder einem der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen.
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Unter dem Begriff „Endlosmatte“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Statorwicklung verstanden, die üblicherweise mehrfach gewickelt und gefaltet wird. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Wellenwicklung.
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Unter dem Begriff „Kunststoffelement“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Bauteil verstanden, welches aus einem Kunststoff und/oder aus einem Kunststoffähnlichen Material gebildet ist.
Dieses kann beispielsweise aus einer Kunststofffolie, wie beispielsweise einer Polyimid-Folie, oder einer Vergussmasse auf Epoxidharz- und/oder Acrylatbasis gebildet sein. Ebenso kann das Kunststoffelement aus einem Granulat im Spritzgussverfahren erzeugt werden. Ferner kann das Kunststoffelement auch aus zusammensteckbaren Komponenten gebildet sein, die aus einem in der Elektrik üblichen Kunststoff, wie beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS), Polyphthalamide (PPA), Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Mischungen hiervon gebildet sind, bevorzugt aus einem dieser bestehen.
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Unter stoffschlüssigen Verbindungen wird im Sinne der vorliegenden Erfindung durch Verfahren realisierte Verbindungen verstanden, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Es sind gleichzeitig nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen. Verfahren sind hier insbesondere Kleben, Schweißen, Löten oder Vulkanisieren.
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Unter formschlüssigen Verbindungen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung Verbindungen verstanden, bei denen ein Ineinandergreifen von mindestens zwei Verbindungspartnern realisiert ist. Dadurch können sich die Verbindungspartner auch ohne oder bei unterbrochener Kraftübertragung nicht lösen. Insbesondere kann der Formschluss dabei auch durch thermische Einwirkung oder Druck auf einen der Verbindungspartner realisiert werden, beispielsweise durch lokales Aufschmelzen, Heißverstemmen oder Fließpressen.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Begriffe wie „radial“, „axial“ oder ähnlich beziehen sich auf die Rotationsachse der elektrischen Maschine, es sei denn, es wird explizit eine davon abweichende Referenzierung verwendet. Weiter sind aufgrund der besseren Lesbarkeit der Figuren gegebenenfalls nur einzelne oder wenige identische Elemente eines Bezugszeichens versehen.
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Es zeigt
- 1 eine Aufsicht auf ein Hochvolt-Terminal,
- 2 eine perspektivische Teilansicht des Hochvolt-Terminals aus 1,
- 3 eine perspektivische Teilansicht des Aufnahmeelements des Hochvolt-Terminals aus 1,
- 4 mehrere Ausführungsformen einer Schraubverbindung des Hochvolt-Terminals aus 1.
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1 zeigt eine Aufsicht auf ein Hochvolt-Terminal 1, welches drei als Stromschienen ausgeführte erste Verschaltungselemente 2 umfasst. Die Verschaltungselemente 7 sind dazu ausgebildet, einen elektrischen Kontakt zwischen Kontaktstiften einer Statorwicklung und Kontaktanschlüssen einer Leistungselektronik zur Ansteuerung der elektrischen Maschine herzustellen. Hierzu umfasst jedes erste Verschaltungselemente 2 jeweils einen Anschlussbereich 7. Der Anschlussbereich 7 ist hier als Durchgangsöffnung ausgeführt, wobei die Durchgangsöffnung um ein Vielfaches größer ist als einer der als Verschraubung ausgeführten Kontaktanschlüsse der Leistungselektronik, so dass eine Toleranzkompensation ermöglicht wird. Die ersten Verschaltungselemente 2 sind in einem Kunststoffelement 5 stoffschlüssig fixiert, welches als Spritzgusselement ausgeführt ist. Das Kunststoffelement 5 weist zwei Montageelemente 9 auf, welche dazu ausgebildet sind, das Hochvolt-Terminal an einem Element der elektrischen Maschine, insbesondere einem Statorträger, zu zentrieren und fixieren. In jedes der Montageelemente 9 sind zwei Buchsen 10 eingebracht, welche wie in 2 dargestellt einen Zentrierbund 11 aufweisen. Durch die Buchsen 10 kann das Hochvolt-Terminal 1 insbesondere mit einer Verschraubung beispielsweise am Statorträger erfolgen. Die Buchse 10 mit dem Zentrierbund 11 realisiert eine Trennung der Funktionen der Zentrierung bzw. der räumlichen Anordnung des Hochvolt-Terminals 1 von der Funktion der Fixierung durch die Verschraubung. Das Kunststoffelement 5 bildet integral ein Aufnahmeelement 4 für ein zweites Verschaltungselement 3 aus, welches sich in axialer Richtung erstreckt und sechs Zentrierdome 6 umfasst, welche in drei funktionale Paare je zwei Zentrierdome 6 zusammengefasst sind. Das zweite Verschaltungselement weist mehrere Biegungen 12 auf, so dass das zweite Verschaltungselement zwischen einem ersten Radius R1 und einem zweiten Radius R2 mäanderförmig ausgebildet ist. Der Radius R1 ist dabei kleiner als der Radius R2. Das zweite Verschaltungselement 3 bildet dabei drei Abschnitte 15 auf dem Radius R1 aus und zwei Schlaufen 16. Zwei Paare der Zentrierdome 6 fixieren das zweite Verschaltungselement 3 in axialer Richtung, wobei je ein Zentrierdom 6 des Paares an einem der äußeren Abschnitte 15 anliegt und ein Zentrierdom 6 des Paares in der benachbarten Schlaufe 16. Ein Paar der Zentrierdome 6 zentriert das zweite Verschaltungselement 3 in Umfangsrichtung innerhalb einer Schlaufe 16. In 3 findet sich eine Teilansicht dieses Paars sowie eines Zentrierdoms eines Paares zur axialen Fixierung. Das zweite Verschaltungselement 3 ist dazu ausgebildet, einen elektrischen Kontakt zwischen Kontaktstiften einer Statorwicklung zur Realisierung einer Sternphase herzustellen. Dabei weist das zweite Verschaltungselement 3 im Bereich der Abschnitte 15 Bereiche auf, die dazu ausgebildet sind, eine stoffschlüssige Verbindung mit der Statorwicklung zu realisieren.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hochvolt-Terminals aus 1, wobei die Perspektive derart gewählt ist, dass insbesondere der Zentrierbund 11 der Buchse 10 im Montageelement 9 sichtbar ist. Der Zentrierbund 11 erstreckt sich in axialer Richtung über das Montageelement hinaus und ist dazu ausgebildet, in einer korrespondierenden Aussparung insbesondere eines Statorträgers eingeführt, das Hochvolt-Terminal 1 zu zentrieren. Die Buchse 10 weist eine Durchgangsöffnung auf, so dass durch die Buchse 10 das Hochvolt-Terminal 1 insbesondere eine Verschraubung realisierbar ist. Die Buchse 10 mit dem Zentrierbund 11 realisiert eine Trennung der Funktionen der Zentrierung bzw. der räumlichen Anordnung des Hochvolt-Terminals 1 von der Funktion der Fixierung durch die Verschraubung.
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3 zeigt eine perspektivische Teilansicht des Aufnahmeelements 4 des Hochvolt-Terminals 1 aus 1. Drei Zentrierdome 6 des Aufnahmeelements 4 sind dabei baulich miteinander durch ein dünnwandiges Element verbunden. Die Zentrierdome 6 sowie das dünnwandige Element sind dabei integral mit dem Kunststoffelement 5 verbunden und daraus ausgebildet. Die beiden in der Bildebene links und rechts angeordneten Zentrierdome 6 bilden dabei das Paar aus, welches das in der 3 nicht dargestellte zweite Verschaltungselement 3 in Umfangsrichtung innerhalb einer Schlaufe 16 zentriert.
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4 zeigt mehrere Ausführungsformen einer Schraubverbindung 8 des Hochvolt-Terminals aus 1. In 4a) sind in den Anschlussbereichen 7 der ersten Verschaltungselemente Gewindebuchsen 17 eingepresst. In 4b) sind Schraubverbindungen 8 gezeigt, welche einen Toleranzausgleich in radialer Richtung sowie in Umfangsrichtung aufweisen. Der Toleranzausgleich wird durch eine Gewindebuchse 17 realisiert, welche lose aber insbesondere durch eine Außenkontur gegen Rotation gesichert in einem formschlüssig oder stoffschlüssig mit dem ersten Verschaltungselemente 2 verbundenen Aufnahmeraum 14 einer Aufnahme 13 an einem der ersten Verschaltungselemente 2 angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochvolt-Terminal
- 2
- erstes Verschaltungselement
- 3
- zweites Verschaltungselement
- 4
- Aufnahmeelement
- 5
- Kunststoffelement
- 6
- Zentrierdome
- 7
- Anschlussbereich
- 8
- Schraubverbindung
- 9
- Montageelement
- 10
- Buchse
- 11
- Zentrierbund
- 12
- Biegungen
- 13
- Aufnahme
- 14
- Aufnahmeraum
- 15
- Abschnitt
- 16
- Schlaufe
- 17
- Gewindebuchse
- R1
- erster Radius
- R2
- zweiter Radius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019111825 A1 [0004]
