DE102007021321A1

DE102007021321A1 - Stator mit Stromschienen zum Verschalten der Spulen und entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102007021321A1
Application number: DE102007021321A
Authority: DE
Inventors: Ehrfried Dümpert; Rainer Eckert
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2008135507A3; US20100141064A1; US8159099B2; WO2008135507A2

Abstract

Der Automatisierungsgrad bei der Herstellung einer elektrischen Maschine soll erhöht werden. Insbesondere soll die Verschaltung der Spule einer elektrischen Maschine automatisiert werden können. Hierzu ist vorgesehen, die Spulenenden (17) mit mindestens einer Stromschiene (20, 22) zu verschalten. Die Enden (23) der jeweiligen Stromschiene (20, 22) werden mit dem dazugehörigen Ende (17) der Spule heiß vercrimpt oder verschweißt. Dadurch kann auf ein manuelles Verdrillen und Verschweißen der Wicklungsenden verzichtet werden. Außerdem besitzen die Heißcrimp- und Schweißverbindungen eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe Stromtragfähigkeit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Maschine mit mehreren Spulen, die an einer Seite des Stators miteinander verschaltet sind. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Verschalten eines Stators.
Bei Motoren in Polspul-Technik müssen die Wicklungsenden miteinander verschaltet werden. Dieses Verschalten ist aufgrund der biegeschlaffen Kupfer-Lackdrähte, die üblicherweise für die Motorspulen eingesetzt werden, nur schwierig zu automatisieren.
Bislang erfolgt die Verschaltung durch manuelles Verdrillen und Verschweißen bzw. Verlöten der Wicklungsenden. Als Isolation zwischen den Phasen im Bereich der Wicklungsenden dient häufig ein so genannter Schaltungsträger, in den die Drähte hineingelegt werden. Damit kann auf spezielle Isolierschläuche verzichtet werden.
Bekannte Alternativen hierzu sind beispielsweise das Verschalten mithilfe einer Leiterplatte. Ein derartiges Verschalten hat jedoch den Nachteil der geringeren Spannungsfestigkeit, der verminderten Stromtragfähigkeit sowie der geringeren Temperaturbeständigkeit. Weiterhin ist bekannt, die Verschaltung auf einem beschichteten Kunststoffträger mit Schneidklemmtechnik auszuführen. Die Schneidklemmtechnik hat jedoch den Nachteil, dass nur ein begrenzter Strom durch die Verbindungen aufgrund des verhältnismäßig hohen Übergangswiderstands fließen kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, das Verschalten von Spulen einer elektrischen Maschine in vereinfachter Art und Weise auszuführen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Stator einer elektrischen Maschine mit mehreren Spulen, die an einer Seite des Stators miteinander verschaltet sind, und mindestens einer Stromschiene, mit der zwei der mehreren Spulen verschaltet sind, indem die Enden der Stromschiene jeweils. mit einem Ende einer der Spulen heiß vercrimpt oder verschweißt sind.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Verschalten des Stators einer elektrischen Maschine durch Einlegen mehrerer Spulen in das Blechpaket des Stators, Verschalten der mehreren Spulen an einer Seite des Stators miteinander, wobei das Verschalten von zwei der mehreren Spulen durch mindestens eine Stromschiene erfolgt, indem die Enden der Stromschiene jeweils mit einem Ende einer der Spulen heiß vercrimpt oder verschweißt werden.
Durch das erfindungsgemäße Heißvercrimpen oder Verschweißen von Stromschienen mit den Spulenenden kann die Verbindungstechnik für Motoren mit Polspulen weiter automatisiert werden. Dies liegt insbesondere an der genauen Positionierung der Kontakte mit dem Spulendraht. Die automatisierte Fertigung führt ihrerseits zu einer stark reduzierten Fertigungszeit. Weitere Vorteile dieser Verbindungstechnik sind hohe Stromtragfähigkeit und hohe Spannungsfestigkeit. Ferner lassen sich mit wenigen Stromschienen- bzw. Strombrücken-Varianten unterschiedliche Schaltungen und Achshöhen flexibel kontaktieren.
Außerdem weist das erfindungsgemäße Verschalten der Spulen den Vorteil auf, dass das bei Schaltungsträgern übliche Legen und Verdrillen der Drähte entfällt. Des Weiteren sinken die Materialkosten aufgrund der kürzeren Wicklungsenden gegenüber der herkömmlichen Verschaltungstechnik, da hier keine langen Wicklungsenden zum Verdrillen notwendig sind. Ein weiterer Vorteil ist auch darin zu sehen, dass eine Qualitätskontrolle durch Sichtkontrolle möglich ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Stator kann in jeder der Spulen an ihrer Oberfläche mindestens ein Halteabschnitt zum Fixieren einer Stromschiene vorgesehen sein. Auf diese Weise kann die mechanische Steifigkeit der Verschaltung verbessert werden.
Vorzugsweise ist die Stromschiene aus einem Blech gestanzt und an ihren Enden zum Vercrimpen aufgerollt. Eine derartige Stromschiene lässt sich einfach herstellen und weiterverarbeiten.
Die Stromschiene kann außerdem in ihrem mittleren Bereich eine Isolierung aufweisen. Diese Isolierung ist günstigerweise als Gewebeschlauch, Schrumpfschlauch oder gespritzte Umhüllung ausgebildet. Hierdurch kann auf einen separaten Schaltungsträger verzichtet werden, so dass der Stator kürzer gestaltet werden kann. Außerdem sinken durch den Wegfall des Schaltungsträgers die Materialkosten.
In speziellen Fällen kann jedoch auf der Stirnseite des Stators ein konturierter Schaltungsträger aufgebracht sein, in dessen Konturen die mindestens eine Stromschiene bzw. die Stromschienen verlegt sind. Hierdurch kann auf die Einzelisolierung der Stromschienen verzichtet und eine mechanisch stabile Verschaltung erreicht werden.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Stromzuleitungen an den Stator in gleicher Weise heißgecrimpt oder geschweißt wie die mindestens eine Stromschiene. Somit werden auch für die Stromzuleitungen die Vorteile des Heißvercrimpens bzw. Verschweißens genutzt, nämlich die hohe Stromtragfähigkeit und die hohe Spannungsfestigkeit.
Weiterhin kann auf der Stirnseite des Stators ein ringförmiger Deckel aufgebracht sein, der mehrere Stromschienen abdeckt, mit denen die Spulen verschaltet sind. Hierdurch können unerwünschte Luft- oder Kriechstrecken vermieden oder vergrößert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Stromschiene gemäß einer ersten Ausführungsform in der Draufsicht;
2 eine erfindungsgemäße Stromschiene gemäß einer zweiten Ausführungsform in der Draufsicht;
3 die Stromschiene von 2 in perspektivischer Darstellung;
4 ein Blechstanzstück zur Herstellung einer Stromschiene gemäß 1 oder 2;
5 eine Litzenleitung mit Heißcrimpverbinder;
6 einen Stanzzuschnitt eines Heißcrimpverbinders von 5;
7 den Heißcrimpverbinder in gebogener Form und
8 eine Stirnseitenansicht eines Stators mit erfindungsgemäßen Verschaltungstechniken.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Zur Verschaltung der Wicklungsenden eines Motors in Polspultechnik können Stromschienen 1 gemäß dem Beispiel von 1 verwendet werden. Eine derartige Stromschiene besteht im Wesentlichen aus einem länglichen, biegbaren Abschnitt 2 und aufgerollten Enden 3. Zum Kontaktieren der Stromschiene 1 mit einem Wicklungsende wird ein aufgerolltes Ende 3 auf das jeweilige Wicklungsende geschoben und dort heiß vercrimpt bzw. verschweißt. Dabei schmilzt die Isolierung am Wicklungsende, so dass eine niederohmige elektrische Verbindung entsteht.
Wird die Stromschiene heiß vercrimpt, so kann es abhängig vom Crimpwerkzeug günstig sein, bei einer Stromschiene 4 die Enden 5 um 90 Grad gegenüber dem Längsabschnitt 6 zu biegen. Im vorliegenden Fall führt dies überspitzt zu einer S-Form der Stromschiene. Diese Stromschiene 4 ist in 3 perspektivisch dargestellt.
4 zeigt einen Stanzzuschnitt, aus dem eine Stromschiene 1 bzw. 4 gebogen werden kann. Es ist ein verhältnismäßig einfaches Blechelement mit einem länglichen Mittelteil 2, 6 und zwei rechteckförmigen Endstücken 3, 5.
Die Stromschiene besteht idealerweise aus Kupfer geeigneter Dicke. Ihr Querschnitt muss sowohl für die Stromübertragung ausreichen als auch die geforderte Stabilität sicherstellen. Die endgültige Form der Stromschiene insbesondere in ihrem Längsabschnitt 2, 6 kann durch Biegen von Hand an die notwendigen Achshöhen oder Schaltungen angepasst werden. Andererseits können die Stromschienen aber auch ohne Weiteres so vorgeformt werden, dass sie ummittelbar auf die entsprechenden Wicklungsenden der Polspulen gesteckt werden können, so dass dieses Aufstecken wie auch das anschließende Heißcrimpen oder Lichtbogen-Schweißen bzw. ein anderer automatisierbarer Verbindungsprozess automatisiert durchgeführt werden kann.
Jede Stromschiene 1, 4 kann an den Stellen isoliert werden, die über oder in die Nähe von Spulen anderer Phasen geführt werden. Dadurch wird die jeweils geforderte Spannungsfestigkeit gewährleistet. Die Isolation sollte dabei so ausgelegt sein, dass die einzelnen Stromschienen gegeneinander die mindestens einzuhaltenden Luft- und Kriechstecken nicht unterschreiten. Beispielsweise kann die Isolation kostengünstig durch aufgeschobene Gewebeschläuche oder Schrumpfschläuche erfolgen. Eine hochwertigere Isolation wäre durch Umspritzen erreichbar. Wird die Isolation in verschiedenen Farben ausgeführt, so können die Phasen optisch unterschieden werden.
Unter dem Begriff „Stromschienen" werden hier auch Litzenleitungen mit Heißcrimpverbinder verstanden, die zum Verschalten der Spulen eingesetzt werden. Eine derartige Litzenleitung 7 ist in 5 in der Seitenansicht wiedergegeben. An den Enden der Litzenleitung 7 sind jeweils Heißcrimpverbinder 8 angecrimpt. Die Länge und der Querschnitt der Litzenleitung 7 ist an die jeweilige Schaltung bzw. elektrische Ausführung anzupassen. Anstatt der Litze kann auch ein massiver Kupferdraht verwendet werden. Das Verbinden der Litzenleitung 7 einschließlich der Heißcrimpverbinder 8 mit den Wicklungsenden der Spulen erfolgt wie bei der Stromschiene 1, 4.
Der Stanzzuschnitt des Heißcrimpverbinders 8 ist in 6 dargestellt. Er ist symmetrisch zu einer Längsachse 9 und besitzt auf jeder Seite drei Laschen 10, 11, 12. Die erste Lasche 10 ist schmal ausgeführt und dient zum Umgreifen der Litzenleitung 7 einschließlich deren Isolation. Die mittlere Lasche 11 dient zur elektrischen Kontaktierung eines abisolierten Litzenendes. Der Heißcrimpverbinder wird mit dieser Lasche 11 an das Litzenende gecrimpt. Eine dritte Lasche 12 dient schließlich zum Ausbilden eines rohrförmigen oder C-förmigen Endes, das den Heißcrimpbereich zum Kontaktieren eines Wicklungsendes darstellt (vergleiche 7 mit der Alternative: C-Form). Der Innendurchmesser dieses rohrförmigen Gebildes 13 ist so zu wählen, dass das Wicklungsende einer Spule ohne Weiteres eingesteckt werden kann. In 7 ist weiterhin zu erkennen, dass die Laschen 10 und 11 vor dem Crimpen an den jeweiligen Litzenleiter senkrecht nach oben gebogen werden.
Der Heißcrimpverbinder 8 kann auch zur Aufnahme mehrerer Litzen bzw. Drähte ausgelegt sein. Die Verbindung zu diesen Litzen oder Drähten erfolgt allgemein bei abisoliertem Kupferlackdraht durch Verlöten und bei isoliertem Kupferlackdraht mittels Verschweißen oder Heißcrimpen.
Der Heißcrimpverbinder 8 kann beispielsweise aus der Legierung CuSn 0,15 bestehen. Die Stärke des Blechs, aus dem der Stanzzuschnitt gemäß 6 gewonnen wird, beträgt vorzugsweise 0,6 bis 0,8 mm.
8 zeigt nun schematisch die Verschaltung der Spulen eines Stators auf unterschiedliche Arten. In einem Ständerblechpaket 14 befinden sich mehrere Spulen, die in dem Beispiel von 8 jedoch durch eine Kunststoffscheibe 15 abgedeckt und somit nicht sichtbar sind. Auf die Kunststoffscheibe 15, die gegebenenfalls als Schaltungsträger ausgebildet ist, kann unter Umständen verzichtet werden (vergleiche Ausführungen unten). Die Kunststoffscheibe 15 besitzt Bohrungen 16, um den Spulendraht 17, d. h. die Wicklungsenden, der Barunterliegenden Spulen hindurchführen zu können. Auf der Kunststoffscheibe 15 sind außerdem Markierungen 18 angebracht, um das Legen von Verbindungsbrücken zu erleichtern. Außerdem sind auf der Kunststoffscheibe 15 Isolierstege 19 vorgesehen, die die einzelnen Verbindungsbrücken 20, d. h. die Stromschienen voneinander trennen. In diesem Fall genügt es, wenn die Verbindungsbrücken 19 unisoliert ausgeführt sind.
Weiterhin ist zu erkennen, dass die Verbindungsbrücken 20 jeweils zwei Wicklungsenden bzw. ein Wicklungsende und einen Wicklungsanfang miteinander verbinden. Die in 8 gewählte Form der Verschaltung macht es notwendig, dass die Stromschienen bzw. Verbindungsbrücken 20 bogenförmig ausgebildet werden. Grundsätzlich sind aber auch anders geformte Strombrücken denkbar, wie beispielsweise S-förmige gemäß 2.
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform, die im unteren Bereich von 8 unterhalb der gestrichelten Linie 21 dargestellt ist, sind die Strombrücken 22 mit Isolationen 26 ausgebildet. Dies erübrigt Isolierstege 19 auf der Kunststoffplatte 15. Die Strombrücken 22 weisen also in ihrem länglichen Abschnitt eine geeignete Isolation beispielsweise einen Gewebeschlauch, Schrumpfschlauch oder gespritzten Mantel auf. Aufgrund der Isolation kann aber grundsätzlich auch auf die Kunststoffscheibe 15 verzichtet werden, da die die Verbindungsbrücke 22 umgebende Isolation diese auch von darunterliegenden Spulen elektrisch isoliert. Die weitere Funktion des Schaltungsträgers bzw. der Kunststoffplatte 15, nämlich die Stromschienen 21 zu fixieren, kann auch durch die Spulenkörper realisiert werden. Diese sind dann entsprechend zu formen.
Die Kontaktierung der Enden 23 der Stromschienen 20, 22 mit den Spulenenden 17 erfolgt vorzugsweise durch Löten, wenn die Spulenenden abisoliert sind oder durch Verschweißen bzw. Heißcrimpen, wenn die Spulenenden isoliert sind. Die gleiche Verbindungstechnik kann am Sternpunkt oder an den Zuleitungen des Stators Verwendung finden. Grundsätzlich sind sämtliche Verbindungen zwischen den Stromschienen oder Verbindungsleitungen einerseits und den Spulenenden andererseits durch Automaten ausführbar.
Die Verschaltung an der Stirnseite des Stators ist in dem gewählten Beispiel von 8 durch einen Deckel 24 abgedeckt. Es sind dann lediglich die Zuleitungen 25 für die drei Phasen, U, V und W durch den Deckel 24 nach außen geführt. Der ringförmige Deckel 24 sorgt für die Isolation aller Kontaktstellen zum Motorgehäuse und/oder Läufer und stellt gegebenenfalls die notwendigen Luft- und Kriechstrecken sicher.

Claims

Stator einer elektrischen Maschine mit – mehreren Spulen, die an einer Seite des Stators miteinander verschaltet sind, gekennzeichnet durch – mindestens eine Stromschiene (1, 4, 20, 22), mit der zwei der mehreren Spulen verschaltet sind, indem – die Enden (3, 5) der Stromschiene jeweils mit einem Ende (17) einer der Spulen heiß vercrimpt oder verschweißt sind.
Stator nach Anspruch 1, wobei jede der Spulen an ihrer Oberfläche mindestens einen Halteabschnitt zum Fixieren einer Stromschiene (1, 4, 20, 22) aufweist.
Stator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromschiene (1, 4, 20, 22) aus einem Blech gestanzt ist und aufgerollte Enden (3,5) aufweist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromschiene (1, 4, 20, 22) in ihrem mittleren Bereich (2, 6) eine Isolierung (26) aufweist.
Stator nach Anspruch 4, wobei die Isolierung (26) ein Gewebeschlauch, ein Schrumpfschlauch oder eine gespritzte Umhüllung ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf die Stirnseite des Stators ein konturierter Schaltungsträger aufgebracht ist, in dessen Konturen die mindestens eine Stromschiene (1, 4, 20, 22) verlegt ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Stromzuleitungen (25) an den Stator in gleicher Weise gecrimpt oder geschweißt sind wie die mindestens eine Stromschiene (1, 4, 20, 22).
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf die Stirnseite des Stators ein ringförmiger Deckel (24) aufgebracht ist, der mehrere Stromschienen abdeckt, mit denen die Spulen verschaltet sind.
Verfahren zum Verschalten des Stators einer elektrischen Maschine durch – Einlegen mehrerer Spulen in das Blechpaket (14) des Stators, – Verschalten der mehreren Spulen an einer Seite des Stators miteinander, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verschalten von zwei der mehreren Spulen durch mindestens eine Stromschiene (1, 4, 20, 22) erfolgt, indem – die Enden (3, 5) der Stromschiene jeweils mit einem Ende (17) einer der Spulen heiß vercrimpt oder verschweißt werden.