WO2020104701A1 - Verbindungsbauteil zur verbindung von elektrischen leitern einer hairpin-wicklung eines stators einer elektromaschine sowie verfahren zur herstellung dieser verbindung - Google Patents

Verbindungsbauteil zur verbindung von elektrischen leitern einer hairpin-wicklung eines stators einer elektromaschine sowie verfahren zur herstellung dieser verbindung

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shaped
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connection
hairpin conductor
connecting component
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Richard A. Rasp
Norman Kroll-Gast
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Gehring E Tech GmbH
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    • H02K2203/09—Machines characterised by wiring elements other than wires, e.g. bus rings, for connecting the winding terminations

Definitions

  • the invention relates to an electrically conductive
  • the invention relates to a stator of an electric machine, which is equipped with such electrical connection components.
  • DE 103 21 702 A1 discloses a so-called hairpin-wound stator, in which the stator has a hollow cylindrical stator core, in the inner lateral surface of which laterally extending slots are formed. In each of these slots, four electrical conductors which are approximately rectangular in cross section are used, which are bent in the shape of a U in the middle and are therefore also referred to as hairpin conductors or hairpin conductor bars. in the
  • the legs of the hairpin conductor bars are insulated in order to prevent electrical contact with other hairpin conductor bars arranged in the same stator slot and with the stator core.
  • each hairpin conductor bar bent in the circumferential direction of the stator core. Then the two free ends of each hairpin conductor bar are connected in an electrically conductive manner to further hairpin conductor bars arranged more or less far away.
  • the hairpin conductor bars can be contacted by soldering, welding or crimping. Welding or soldering the free ends of hairpin conductor bars of a stator winding can lead to a very complicated and labor-intensive manufacturing process given the large number of connection points on a stator. As such, it is advantageous to weld the free ends of the hairpin conductor bars to the free Eden of associated other hairpin conductor bars. If, however, only one welded connection is made incorrectly, all hairpin conductor bars have to be pulled out of the stator core in order to subsequently refill it with other hairpin conductor bars and to carry out the welding again.
  • a stator in which hairpin conductor bars are welded during a manufacturing process, is known, for example, from DE 601 29 902 T2.
  • EP 3 088 124 B1 and US 2003/0 159 269 A1 disclose manufacturing processes in which adjacent hairpin conductor bars are connected to one another by means of a laser beam or electron beam.
  • DE 10 2012 219 668 A1 also discloses a method in which the free ends of two hairpin conductor bars to be connected are connected mechanically by a
  • connection component covered with a cap formed from an insulator. Accordingly, the hairpin windings of the stator should be able to be produced without a welding process. A similar welding-free manufacturing process using cap-shaped, electrically conductive
  • connection device a component is used which has to be placed on the stator and soldered, welded or crimped there.
  • the connection device comprises an insulating plate with a plurality of slots arranged therein.
  • leg ends of the hairpin conductor bars assigned to one another can be electrically connected to one another.
  • These fasteners can be used for
  • Connecting elements, Z-shaped connecting elements or S-shaped connecting elements can be formed.
  • the known thermally or purely mechanical methods and devices for electrically connecting ends of hairpin conductor bars assigned to one another have all the advantages and disadvantages.
  • the invention was therefore based on the object of presenting a new device for connecting the hairpin conductor bars mentioned, which has the advantages of purely mechanical electrical
  • Claim 1 has. An independent procedural claim defines the procedure, like these new ones
  • the invention is based on an electrical
  • Connecting component has a cap-shaped connecting area with a receiving space in which free ends of at least two mutually assigned conductor bars
  • the receiving space of the at least one cap-shaped connection area of the connection component is delimited by three side walls and a cover wall, and that the cover wall has at least one through hole which opens into the receiving space.
  • the invention was based on the finding that the free ends of hairpin conductor bars assigned to one another can be connected to one another in the most process-reliable manner by a mechanical and additionally by a thermal connection in an electrically conductive manner.
  • the mechanical and electrical connection of the hairpin conductor bars concerned which is to be carried out first in terms of time, is carried out by positive locking by means of the cap-shaped connecting components, which ensure that the respective hairpin conductor bars abut one another as well as on the respective cap-shaped connecting component. This creates a first electrical contact of the hairpin conductor bars, which is the starting point for the thermal connection that then follows. To the thermal contacting of the
  • the cap-shaped ones used are used.
  • the invention provides that the connecting components are a J-shaped, an S-shaped, a Z-shaped or a
  • Connection components suitable for different tasks for example as connection flags for individual
  • Stator windings or electrical phases function, or for this purpose, to more or less distant but assigned hairpin conductor bars
  • cap-shaped connection area of the J-shaped connection component is designed such that its side wall-less
  • Connection areas of the C-shaped connection components are designed such that their two
  • stator have opposite circumferential directions of the stator.
  • the J-shaped connecting component has one
  • Embodiment a long leg and a short leg, which has a connecting section
  • a cap-shaped connection region is formed with a receiving space for receiving the free end of hairpin conductor bars to be electrically connected, and at the end of the long leg there is one Contact plate is formed with a through hole for performing a connecting element.
  • J-shaped connecting component has such a receiving space, the wall-less side of which forms the free end of the short leg and the wall of the cover
  • the long leg of the J-shaped connecting component can also be designed to be flexible and, for this purpose, can consist, for example, of a copper wire mesh.
  • Embodiments of the J-shaped connecting component provide that the effective cross-sectional area of the long leg, the connecting section and the short leg of the J-shaped connecting component
  • Connection component the basic characteristic of which is that it has only one receiving space for at least one hairpin conductor bar, can therefore also have any other geometry, provided that it fulfills its intended function.
  • the design of this is crucial cap-shaped connecting area, which delimits the receiving space for receiving the free end of preferably two directly adjacent conductor bars and is provided with a hole through which a laser beam can be conducted for welding the connecting component to the said conductor bars.
  • connection component which is S-shaped or Z-shaped with regard to its geometric wall profile, has a cap-shaped one at each of its two ends
  • connection area each with a receiving space for receiving the free end of hairpin conductor bars to be electrically connected.
  • Z-shaped connecting component each have a receiving space, the wall-free end faces of which are oriented in opposite directions, and that their to
  • S-shaped or Z-shaped connecting component provides that its cap-shaped connecting areas are connected to one another via a web section, the cross-sectional area of which is at least as large as the cross-sectional area of the respective free end of the hairpin conductor bars to be connected. This is sufficient
  • the C-shaped connecting component on the other hand, has a C-shaped leg, at the two ends of which a cap-shaped connecting area, each with one
  • Connecting component each have a receiving space, the wall-less end faces not in opposite
  • the C-shaped leg has a cross-sectional area which is at least as large as the cross-sectional area of the respective free end of the hairpin conductor bars to be connected. This also provides sufficient conductivity for an electrical current from one end to the other end of this connecting component
  • Connecting component from a central section has inwardly bent sections, at the respective ends of the two cap-shaped
  • connection areas are formed.
  • each connection area is preferably arranged and designed such that it covers the area in which the free ends of the hairpin conductor bars to be connected touch within the receiving space. This ensures that a
  • Cover wall of the connecting component is selected so that welding of the cover wall with the in the receiving space
  • the thickness of the cover wall is selected so that, during laser welding, highly spraying metal comes into contact with the wall of the through hole and does not come out the through hole
  • the object relating to a production method is one by a method for electrically connecting the free ends of two hairpin conductor bars assigned to one another
  • connection area of a connection component with the features of at least one of the previous ones
  • the laser beam is directed at the area where the through hole in the cover wall on the end face of the other
  • the metal of the cover wall is welded to the metal of the hairpin conductor bars.
  • the laser beam is directed onto that end region of the other
  • the laser beam is aligned at such an angle that one, possibly partially, generated by the laser beam
  • Connecting components which have the features of at least one of the device claims, on a stator of an electric machine designed as an electric motor and / or generator, the windings of the stator being formed by a plurality of hairpin conductor bars, and in which the free ends of the hairpin conductor bars by means of S-shaped or Z-shaped and C-shaped
  • connection components are electrically connected to each other in phase, and in the case of the J-shaped connection components serving as electrical connection elements, each winding of the stator is electrically connected to at least one hairpin conductor bar.
  • FIG. 1 is a perspective top view of a stator core with hairpin conductor bars arranged thereon, which are in phase on a connection and connection side of the stator core via connecting components according to the invention
  • FIGS. 4a to 4e are perspective views of an S-shaped or Z-shaped connecting component which is designed for the electrical connection of hairpin conductor bars,
  • 5a to 5d are perspective views of a C-shaped connecting component which is designed for the electrical connection of hairpin conductor bars
  • Fig. 6 is a schematic sectional view through a connection area of an inventive
  • Fig. 7 is a schematic sectional view through a connection area of an inventive Connection component with two hairpin conductor bars accommodated therein during a central welding process with a laser beam.
  • Figures 1 and 2 show a hollow cylindrical stator core 2 of a stator
  • This electric machine can be a
  • the inside of the stator core 2 has grooves 51 aligned parallel to its longitudinal center axis.
  • these grooves 51 are arranged in their starting geometry U-shaped hairpin conductor rods 6 which are largely rectangular in cross section. It can be seen that four hairpin conductor bars 6 are inserted in each of the grooves 51, so that the hairpin conductor bars 6 are arranged in four mutually concentric rings of different diameters.
  • the legs overlap
  • Connecting components 20, 30, 40 can be seen in each case two radially immediately adjacent hairpin conductor bars 6 with one another.
  • connection components 20, 30, 40 each have at least one connection area 8 at the end, but are otherwise formed in three different geometries, which will be discussed first.
  • FIGS. 3a to 3d The connecting components 20, 30, 40 are shown in different views in FIGS. 3a to 3d, 4a to 4e, 5a to 5d and FIGS. 6 and 7. It can be seen from FIGS. 3a to 3d that a first embodiment of the connecting components 20 is essentially J-shaped
  • Connecting component 20 has a long leg 21 and a short leg 22 oriented bent therefrom and a leg 20, 21 connecting these legs
  • connection section on. On the short leg 22 there is a cap-shaped connection area 8 at the end, each with a receiving space 9 for receiving the free end of two hairpin conductor bars 6 to be electrically connected
  • the cap-shaped connecting area 8 of the J-shaped connecting component 20 has a receiving space 9 with three side walls 10, 11, 12 and a cover wall 13, a wallless end face forming the free end of the short leg 22 and the side opposite the cover wall 13 being wallless.
  • FIGS. 1 and 2 illustrate, three egg-shaped connecting components 20 are arranged on the stator core 2 in such a way that the cover-free side of the respective one
  • each short leg 22 Face the front of each short leg 22 radially inward.
  • Connection areas each have a cross-sectional area which is at least as large as that
  • Connection area 8 of the free end 4 of the associated conductor bar 6 to be received.
  • S-shaped or Z-shaped connecting component 30 has a cap-shaped at its two ends
  • connection area 8 each with a receiving space 9, which also for receiving the free end of two electrically connected hairpin conductor bars 6
  • the cap-shaped connecting regions 8 of the S-shaped or Z-shaped connecting component 30 each have a receiving space 9 with three side walls 10, 11, 12 and a cover wall 13, the wallless end faces being oriented in opposite directions in relation to one another.
  • the wallless sides lying opposite the respective cover wall 13 each point in the same direction.
  • the connecting component 30 has a comparatively high mechanical stability and sufficient conductivity for an electrical current from one end to the other
  • FIGS. 5a to 5d show a third embodiment in which the connecting component 40 has an essentially C-shaped geometry.
  • this connecting component 40 has a C-shaped leg 41, at the two ends of which a cap-shaped connecting region 8 is formed, each with a receiving space 9, into which the free ends 4 of two hairpin connectors to be electrically connected Ladder bars 6 can be used.
  • the receiving spaces 9 are each by three side walls 10, 11, 12 and one
  • the C-shaped leg 41 of the connecting component 40 has a cross-sectional area which is at least as large as the cross-sectional area of the respective free end 4 of the hairpin conductor bars 6 to be connected. This achieves good mechanical stability and sufficient conductivity for an electrical current .
  • the C-shaped connecting component 40 has cranked sections 42, 43, starting from a central section, at their respective ends the two cap-shaped sections
  • Connection areas 8 are formed. This makes it easier to attach the C-shaped connecting components 40 to the radially aligned hairpin conductor bars 6, which are rectangular in cross section. All of these connecting components 20, 30, 40 have a special feature according to the invention. Accordingly, it is provided that the receiving spaces 9 of the cap-shaped
  • connection areas 8 of the connection components are delimited by three side walls 10, 11, 12 and a cover wall 13, the cover wall 13 having at least one through hole 14 which opens into the receiving space 9.
  • the through hole 14 is arranged and designed in such a way that it covers that area in which the free ends 4 of the hairpin conductor bars 6 to be connected are laterally located within the receiving space 9 touch.
  • Connection areas 8 are selected such that welding the cover wall 13 to the hairpin conductor bars 6 arranged in the receiving space 9 is possible by means of a laser beam 33.
  • the cover wall 13 has, for example, a thickness D of 1 mm to 3 mm, so that there is sufficient cover wall material,
  • molten phase can still maintain contact with the remaining lid wall material.
  • the thickness D of the cover wall 13 is also preferably selected such that metal 36 which is highly spraying does not emerge from the surface during welding with a laser 32
  • Connecting elements 20, 30, 40 are therefore particularly suitable for fast and inexpensive manufacture of stators in an electrical machine.
  • the use of these connecting elements 20, 30, 40 also in the manufacture of rotors of an electric machine is possible and equally advantageous.
  • the invention also relates to a method for electrically connecting the free ends 4 of two hairpin conductor bars 6 of a stator of an electric machine that are assigned to one another, which comprises the following steps:
  • Connection area 8 of a connection component 20, 30, 40 with the features of at least one of the previous ones
  • Connection area 8 are arranged b) pressing the cover wall 13 of the receiving space 9 onto the free ends of the hairpin conductor bars 6 which are assigned to one another,
  • Connecting component 20, 30, 40 have been generated.
  • the laser Beam 33 is aimed specifically at that area where the through hole 14 in the cover wall 13 on the
  • Laser beam 33 is oriented at such an angle that a laser beam 33 generates a
  • Melt 36 does not leave the through hole 14, but at most on the wall 34 of the through hole 14 for
  • connection components 20, 30, 40 are particularly advantageous for producing a winding 3 of a stator of an electrical machine in a hairpin design
  • the electric machine can be designed as an electric motor and / or generator. Here is the
  • the J-shaped connecting components 20 serve as electrical
  • Connection elements which are electrically connected to at least one hairpin conductor bar 6, each having a winding 3 of the stator.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch leitendes Verbindungsbauteil (20, 30, 40), welches bei einem Stator einer Elektromaschine mit wenigstens einer hairpin-Wicklung (3) freie Enden (4) von einander zugeordneten hairpin- Leiterstäben (6) elektrisch miteinander verbindet. Das Verbindungsbauteil (20, 30, 40) weist einen kappenförmigen Verbindungsbereich (8) mit einem Aufnahmeraum (9) auf, in dem freie Enden (4) von zumindest zwei einander zugeordneten Leiterstäben (6) aufnehmbar sind. Zur Ermöglichung einer automatisierten und prozesssicheren Herstellung der elektrischen Verbindung ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der Aufnahmeraum (9) des wenigstens einen kappenförmigen Verbindungsbereiches (8) des Verbindungsbauteils (20, 30, 40) von drei Seitenwänden (10, 11, 12) und einer Deckelwand (13) umgrenzt ist, und dass die Deckelwand (13) wenigstens ein Durchgangsloch (14) aufweist, welches in den Aufnahmeraum (9) mündet. Die Seitenwänden (10, 11, 12) umgreifen die hairpin-Leiterstäbe (6) formschlüssig und durch das Durchgangsloch (14) ist ein Laser-Strahl (33) leitbar, welcher thermisch eine elektrisch leitende Verbindung der hairpin-Leiterstäbe (6) untereinander sowie mit dem Verbindungsbauteil (20, 30, 40) erzeugt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Nutzung dieser Verbindungsbauteile (20, 30, 40).

Description

Titel: Verbindungsbauteil zur Verbindung von elektrischen Leitern einer hairpin-Wicklung eines Stators einer Elektromaschine sowie
Verfahren zur Herstellung dieser Verbindung
Besehreibung
Die Erfindung betrifft ein elektrisch leitendes
Verbindungsbauteil zur Verbindung von elektrischen Leitern einer hairpin-Wicklung eines Stators einer Elektromaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein
Verfahren zur Herstellung dieser Verbindung gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Außerdem betrifft die Erfindung einen Stator einer Elektromaschine, welcher mit solchen elektrischen Verbindungsbauteilen ausgestattet ist. Beispielsweise aus der DE 103 21 702 Al ist ein sogenannter haarnadelgewickelter Stator bekannt, bei dem der Stator einen hohlzylindrischen Statorkern aufweist, in dessen Innenmantelfläche sich lateral erstreckende Schlitze ausgebildet sind. In jedem dieser Schlitze sind vier im Querschnitt etwa rechteckige elektrische Leiter eingesetzt, die mittig U-förmig gebogen und daher auch als Haarnadel- Leiter oder hairpin-Leiterstäbe bezeichnet werden. Im
Bereich der Schlitze sind die Schenkel der hairpin- Leiterstäbe isoliert, um eine elektrische Kontaktierung mit in dem gleichen Statorschlitz angeordneten anderen hairpin- Leiterstäben sowie mit dem Statorkern zu verhindern.
Lediglich an deren freien Enden ist kein Isolationsmaterial vorhanden, um eine elektrische Kontaktierung mit anderen hairpin-Leiterstäben zu ermöglichen. Die freien Enden der hairpin-Leiterstäbe ragen aus dem Statorkern axial heraus, während deren umgebogener Abschnitt den Wicklungskopf des Stators bildet. Um die Statorwicklung herzustellen, werden die beiden freien Enden eines jeden
U-förmigen hairpin-Leiterstabes in Umfangsrichtung des Statorkerns umgebogen. Anschließend werden die beiden freien Enden eines jeden hairpin-Leiterstabes mit mehr oder minder weit entfernt angeordneten weiteren hairpin- Leiterstäben elektrisch leitend verbunden.
Zur elektrischen Verbindung der hairpin-Leiterstäbe sind unterschiedliche Verbindungsbauteile und
Verbindungsmethoden bekannt. So kann die Kontaktierung der hairpin-Leiterstäbe durch Löten, Schweißen oder Cripmen erfolgen. Das Verschweißen oder Verlöten der freien Enden von hairpin-Leiterstäben einer Statorwicklung kann bei der Vielzahl der Verbindungsstellen an einem Stator zu einem sehr komplizierten und arbeitsaufwendigen Herstellverfahren führen. An sich ist es vorteilhaft, die freien Enden der hairpin-Leiterstäbe mit den freien Eden von zugeordneten anderen hairpin-Leiterstäben zu verschweißen. Sollte aber nur eine Schweißverbindung fehlerhaft erfolgen, so müssen im Zweifel alle hairpin-Leiterstäbe aus dem Statorkern gezogen werden, um diesen anschließend neu mit anderen hairpin-Leiterstäben zu befüllen und die Verschweißung erneut durchzuführen. Ein Stator, bei dem hairpin- Leiterstäbe während eines Herstellprozesses verschweißt werden, ist beispielhaft aus der DE 601 29 902 T2 bekannt. Die EP 3 088 124 Bl und die US 2003/0 159 269 Al offenbaren Herstellungsprozesse, bei denen benachbarte hairpin- Leiterstäbe mittels einem Laserstrahl oder Elektronenstrahl miteinander verbunden werden.
Aus der DE 10 2012 219 668 Al ist zudem ein Verfahren bekannt, bei dem die freien Enden von zwei zu verbindenden hairpin-Leiterstäben rein mechanisch durch ein
kappenförmiges, elektrisch leitendes Verbindungsbauteil verbunden werden. Abschließend wird dieses
Verbindungsbauteil mit einer aus einem Isolator gebildeten Kappe bedeckt. Demnach sollen die Haarnadelwicklungen des Stators ohne einen Schweißvorgang hergestellt werden können. Ein ähnliches verschweißungsloses Herstellverfahren unter Nutzung kappenförmiger, elektrisch leitender
Verbindungsbauteile ist aus der US 9,847,683 B2 bekannt. Außerdem ist aus der DE 103 21 702 Al eine
Verbindungsvorrichtung bekannt, mit welcher der
Arbeitsumfang zum Herstellen der elektrischen Verbindungen zwischen hairpin-Leiterstäben eines haarnadelgewickelten Stators gering sein soll. Bei dieser Verbindungsvorrichtung wird ein Bauteil genutzt, welches auf dem Stator platziert sowie dort gelötet, geschweißt oder gecrimpt werden muss. Die Verbindungsvorrichtung umfasst eine isolierende Platte mit mehreren darin angeordneten Schlitzen. Jeder der
Schlitze ist dafür angeordnet und eingerichtet, ein
Beinende eines hairpin-Leiterstabes aufzunehmen. An der Platte sind mehrere elektrische Verbindungselemente
angeordnet, mittels denen einander zugeordnete Beinenden der hairpin-Leiterstäbe elektrisch miteinander verbunden werden können. Diese Verbindungselemente können zum
Beispiel als gerade Verbindungselemente, C-förmige
Verbindungselemente, Z-förmige Verbindungselemente oder S- förmige Verbindungselemente ausgebildet sein.
Die bekannten thermisch oder rein mechanisch wirkenden Verfahren und Vorrichtungen zum elektrischen Verbinden von einander zugeordneten Enden von hairpin-Leiterstäben weisen alle Vorteile und Nachteile auf. Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine neue Vorrichtung zum Verbinden der genannten hairpin-Leiterstäbe vorzustellen, welche die Vorteile von rein mechanisch wirkenden elektrischen
Verbindungsbauteilen mit den Vorteilen von thermischen Verbindungsverfahren verbindet. Zudem sollte ein
Herstellverfahren vorgestellt werden, mittels dem diese neuen Verbindungsbauteile schnell und sicher mit den freien Enden einander zugeordneter hairpin-Leiterstäbe mechanisch und thermisch verbindbar sind.
Die Lösung dieser Aufgaben wird zunächst mit einem
Verbindungsbauteil erreicht, welches die Merkmale des
Anspruchs 1 aufweist. Ein unabhängiger Verfahrensanspruch definiert die Vorgehensweise, wie diese neuen
Verbindungsbauteile schnell und prozesssicher mit freien Enden einander zugeordneter hairpin-Leiterstäbe
hinsichtlich einer guten elektrischen Leitfähigkeit
mechanisch und thermisch zu verbinden sind. Ein
Verwendungsanspruch gibt an, wo und wie diese
Verbindungsbauteile besonders vorteilhaft einsetzbar sind. Zugeordnete anhängige Ansprüche definieren vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Demnach geht die Erfindung aus von einem elektrisch
leitenden Verbindungsbauteil, welches bei einem Stator einer Elektromaschine mit wenigstens einer hairpin-Wicklung freie Enden von einander zugeordneten hairpin-Leiterstäben elektrisch miteinander verbindet, wobei das
Verbindungsbauteil einen kappenförmigen Verbindungsbereich mit einem Aufnahmeraum aufweist, in dem freie Enden von zumindest zwei einander zugeordneten Leiterstäben
aufnehmbar sind.
Zur Lösung der vorrichtungsbezogenen Aufgabe ist
vorgesehen, dass der Aufnahmeraum des wenigstens einen kappenförmigen Verbindungsbereiches des Verbindungsbauteils von drei Seitenwänden und einer Deckelwand umgrenzt ist, und dass die Deckelwand wenigstens ein Durchgangsloch aufweist, welches in den Aufnahmeraum mündet.
Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, dass sich die freien Enden einander zugeordneter hairpin-Leiterstäbe am prozesssichersten durch eine mechanische und zusätzlich durch eine thermische Verbindung elektrisch leitend miteinander verbinden lassen. Die zeitlich gesehen zuerst vorzunehmende mechanische und elektrische Verbindung der betroffenen hairpin-Leiterstäbe erfolgt durch Formschluss mittels der kappenförmigen Verbindungsbauteile, welche für ein gutes und sicheres Aneinanderliegen der jeweiligen hairpin-Leiterstäbe aneinander sowie an dem jeweiligen kappenförmigen Verbindungsbauteil sorgen. Hierdurch ist eine erste elektrische Kontaktierung der hairpin- Leiterstäbe erzeugt, welche den Ausgangspunkt für die dann folgende thermische Verbindung ist. Um die thermische Kontaktierung der
einander zugeordneten hairpin-Leiterstäbe zu ermöglichen, weisen die zur Anwendung kommenden kappenförmigen
Verbindungsbauteile eine Öffnung in deren jeweiligen
Deckelwand der Aufnahmeräume auf, durch welche ein Laser- Strahl bis zur stirnseitigen Oberfläche der miteinander gepaarten hairpin-Leiterstäbe gelangen kann. Der Laser- Strahl verschweißt dann das jeweilige kappenförmige
Verbindungsbauteil mit den zugeordneten hairpin- Leiterstäben sowie diese hairpin-Leiterstäbe miteinander.
Durch die Kombination der rein mechanischen Kontaktierung der freien Enden von einander zugeordneten hairpin- Leiterstäben mit der beschriebenen stirnseitigen thermischen Kontaktierung der hairpin-Leiterstäbe mittels eines Laser-Strahls kann mit äußerst hoher Sicherheit gewährleistet werden, dass auch bei einer vollautomatischen Herstellung der beschriebenen Stabwicklung eines Stators die elektrische Verbindung zwischen zwei einander
zugeordneten Enden von hairpin-Leiterstäben erfolgreich sein wird. Eine solche vollautomatische Herstellung der Statorwicklung ist notwendig, um Elektromotoren
kostengünstiger als bisher hersteilen zu können, welches eine wichtige Voraussetzung dafür ist, dass diese in
Fahrzeugen des Individualverkehrs erfolgreich genutzt werden können.
Dadurch, dass der jeweilige Aufnahmeraum der
Verbindungsbauteile erfindungsgemäß von nur drei
Seitenwänden und einer Deckelwand umgrenzt ist, weisen zumindest zwei der drei Seitenwände eine gute elastische Verformbarkeit auf, welche eine spiellose formschlüssige und mechanisch stabile elektrische Verbindung der
Verbindungsbauteile mit den zugeordneten hairpin- Leiterstäben garantiert.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindungsbauteile eine J-förmige, eine S-förmige, eine Z-förmige oder eine
C-förmige Geometrie aufweisen. Hierdurch sind die
Verbindungsbauteile für unterschiedliche Aufgaben geeignet, beispielsweise um als Anschlussfahnen für einzelne
Statorwicklungen beziehungsweise elektrische Phasen zu fungieren, oder dazu, um mehr oder weniger weit voneinander entfernte, jedoch zugeordnete hairpin-Leiterstäbe
elektrisch miteinander zu verbinden. Soweit nachfolgend von Verbindungsbauteilen mit einer S-förmigen Geometrie
gesprochen wird, ist damit gleichbedeutend auch eine Z- förmige Geometrie gemeint.
Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass der kappenförmige Verbindungsbereich des J-förmigen Verbindungsbauteils derartig ausgebildet ist, dass dessen seitenwandlose
Aufnahmeraumseite im eingebauten Zustand am Stator nach radial innen weist, dass die beiden kappenförmigen
Verbindungsbereiche der C-förmigen Verbindungsbauteile derartig ausgebildet sind, dass deren beiden
seitenwandlosen Aufnahmeraumseiten im eingebauten Zustand am Stator nach radial innen weisen, und dass die beiden kappenförmigen Verbindungsbereiche der S-förmigen oder Z- förmigen Verbindungsbauteile derartig ausgebildet sind, dass deren beiden jeweils seitenwandlosen
Aufnahmeraumseiten im eingebauten Zustand in
entgegengesetzte Umfangsrichtungen des Stators weisen.
Das J-förmige Verbindungsbauteil weist in einer
Ausführungsform einen langen Schenkel und einen kurzen Schenkel auf, die über einen Verbindungsabschnitt
miteinander verbunden sind, und bei dem an dem kurzen
Schenkel endseitig ein kappenförmiger Verbindungsbereich mit einem Aufnahmeraum zur Aufnahme des freien Endes von elektrisch zu verbindenden hairpin-Leiterstäben ausgebildet ist, und bei dem an dem langen Schenkel endseitig eine Kontaktplatte mit einer Durchgangsbohrung zur Durchführung eines Verbindungselements ausgebildet ist.
Gemäß einer Weiterbildung weist der kappenförmige
Verbindungsbereich des
J-förmigen Verbindungsbauteils einen solchen Aufnahmeraum auf, dessen wandlose Seite das freie stirnseitige Ende des kurzen Schenkels bildet und dessen der Deckelwand
gegenüberliegende deckelferne Seite wandlos ist.
Der lange Schenkel des J-förmigen Verbindungsbauteils kann auch flexibel ausgebildet sein und dazu beispielsweise aus einem Kupferdrahtgeflecht bestehen. Bei allen
Ausführungsformen des J-förmigen Verbindungsbauteils ist jedoch vorgesehen, dass die effektive Querschnittsfläche des langen Schenkels, des Verbindungsabschnitts und des kurzen Schenkels des J-förmigen Verbindungsbauteils
mindestens genauso groß sind wie die Querschnittsfläche des freien Endes des wenigstens einen in seinem Aufnahmeraum aufzunehmenden hairpin-Leiterstabes . Hierdurch ist eine ausreichende Durchleitfähigkeit für einen elektrischen Strom von einem Ende zum anderen Ende des J-förmigen
Verbindungsbauteils gewährleistet .
Dieses als Anschlussfahre dienende J-förmige
Verbindungsbauteil, dessen grundlegendes Kennzeichen es ist, dass es nur einen Aufnahmeraum für wenigstens einen hairpin-Leiterstab aufweist, kann demnach auch jede andere Geometrie aufweisen, sofern es seiner vorgesehen Funktion gerecht wird. Entscheidend ist die Ausgestaltung dessen kappenförmigen Verbindungsbereiches, welcher den Aufnahmeraum zur Aufnahme des freien Endes von vorzugsweise zwei unmittelbar benachbarten Leiterstäben umgrenzt sowie mit einem Loch versehen ist, durch den ein Laserstrahl zum Verschweißen des Verbindungsbauteils mit den genannten Leiterstäben leitbar ist.
Das hinsichtlich seines geometrischen Wandverlaufes S- förmige beziehungsweise Z-förmige Verbindungsbauteil weist an seinen beiden Enden jeweils einen kappenförmigen
Verbindungsbereich mit jeweils einem Aufnahmeraum zur Aufnahme des freien Endes von elektrisch zu verbindenden hairpin-Leiterstäben auf. Hierbei wird es hinsichtlich einer einfachen und sicheren Montage als vorteilhaft erachtet, wenn vorgesehen ist, dass die kappenförmigen Verbindungsbereiche des S-förmigen oder
Z-förmigen Verbindungsbauteils jeweils einen Aufnahmeraum aufweisen, deren wandlosen Stirnseiten in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, und dass deren zu der
Deckelwand gegenüberliegende deckellose Seiten jeweils in die gleiche Richtung weisen.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des S-förmigen oder Z-förmigen Verbindungsbauteils sieht vor, dass dessen kappenförmigen Verbindungsbereiche über einen Stegabschnitt miteinander verbunden sind, dessen Querschnittsfläche mindestens genauso groß ist wie die Querschnittsfläche des jeweiligen freien Endes der zu verbindenden hairpin- Leiterstäbe. Hierdurch ist eine ausreichende
Durchleitfähigkeit für einen elektrischen Strom von einem Ende zum anderen Ende des Verbindungsbauteils gewährleistet sowie eine gute mechanische Stabilität des
Verbindungsbauteils erreicht.
Das C-förmige Verbindungsbauteil weist hingegen einen C- förmigen Schenkel auf, an dessen beiden Enden jeweils ein kappenförmiger Verbindungsbereich mit jeweils einem
Aufnahmeraum zur Aufnahme des freien Endes von elektrisch zu verbindenden hairpin-Leiterstäben ausgebildet ist.
Hierbei ist es im Hinblick auf eine einfache und sichere Montage vorteilhaft, wenn vorgesehen ist, dass die
kappenförmigen Verbindungsbereiche des C-förmigen
Verbindungsbauteils jeweils einen Aufnahmeraum aufweisen, deren wandlose Stirnseiten nicht in entgegengesetzt
Richtungen weisen, und deren zur Deckelwand
gegenüberliegende deckelferne Seiten wandlos sind. Der C- förmige Schenkel weist eine Querschnittsfläche auf, welche mindestens genauso groß ist wie die Querschnittsfläche des jeweiligen freien Endes der zu verbindenden hairpin- Leiterstäbe. Hierdurch ist ebenfalls eine ausreichende Durchleitfähigkeit für einen elektrischen Strom von einem Ende zum anderen Ende dieses Verbindungsbauteils
gewährleistet sowie eine gute mechanische Stabilität erreicht .
Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass das C-förmige
Verbindungsbauteil von einem mittleren Abschnitt ausgehend nach innen abgekröpfte Abschnitte aufweist, an deren jeweiligen Ende die beiden kappenförmigen
Verbindungsbereiche ausgebildet sind. Das erwähnte Durchgangsloch in der Deckelwand des
jeweiligen Verbindungsbereiches ist bevorzugt derartig angeordnet und ausgebildet, dass es denjenigen Bereich überdeckt, in dem sich die freien Enden der zu verbindenden hairpin-Leiterstäbe innerhalb des Aufnahmeraumes berühren. Hierdurch ist sichergestellt, dass ein durch das
Durchgangsloch auf die hairpin-Leiterstäbe geleiteter Laser-Strahl diese mit dem Verbindungsbauteil sowie auch direkt miteinander verbinden kann.
Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass die Dicke der
Deckelwand des Verbindungsbauteils so gewählt ist, dass ein Verschweißen der Deckelwand mit den im Aufnahmeraum
angeordneten hairpin-Leiterstäben mittels eines Laser- Strahls möglich ist. Demnach ist ausreichend
aufschmelzbarer Werkstoff des Verbindungsbauteils
vorhanden, um die thermisch zu erzeugende elektrische
Verbindung zu realisieren.
Um ein Herausspritzen von geschmolzenem Material der hairpin-Leiterstäbe und/oder des Verbindungsbauteils zu verhindern, ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass die Dicke der Deckelwand so gewählt ist, dass beim Laser-Schweißen hochspritzendes Metall an der Wand des Durchgangslochs zur Anlage gelangt und nicht aus dem Durchgangsloch
herausspritzt. Dies kann dadurch begünstigt sein, dass an dem Lochrand ein sich vom Aufnahmeraum weg erstreckender Ringwall ausgeformt ist. Die ein Herstellverfahren betreffende Aufgabe ist durch ein Verfahren zum elektrischen Verbinden der freien Enden von zwei einander zugeordneten hairpin-Leiterstäben eines
Stators einer Elektromaschine gelöst, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
a) Einführen der freien Enden von jeweils zwei einander zugeordneten hairpin-Leiterstäben des Stators in den wenigstens einen Aufnahmeraum des kappenförmigen
Verbindungsbereiches eines Verbindungsbauteils mit den Merkmalen von zumindest einem der vorherigen
Vorrichtungsansprüche,
b) Andrücken der Deckelwand des Aufnahmeraumes auf die freien stirnseitigen Enden der einander zugeordneten hairpin-LeiterStäbe,
c) Erzeugen eines Laser-Strahls und richten desselben durch ein Durchgangsloch in der Deckelwand des Aufnahmeraumes auf das stirnseitige Ende der einander zugeordneten hairpin- Leiterstäbe derart,
dass das metallische Material der Deckelwand sowie das metallische Material der einander zugeordneten hairpin- Leiterstäbe partiell schmelzen und hierdurch die Deckelwand mit den hairpin-Leiterstäben verschweißt wird.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Laser-Strahl auf denjenigen Bereich gerichtet ist, an dem das Durchgangsloch in der Deckelwand an der Stirnseite der einander
zugeordneten hairpin-Leiterstäbe endet. Hierdurch wird das Metall der Deckelwand mit dem Metall der hairpin- Leiterstäbe verschweißt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Laser-Strahl auf denjenigen stirnseitigen Bereich der einander
zugeordneten hairpin-Leiterstäbe gerichtet ist, an dem diese seitlich aneinander liegen. Hierdurch werden die einander zugeordneten hairpin-Leiterstäbe direkt
miteinander verschweißt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der Laser-Strahl unter einem solchen Winkel ausgerichtet ist, dass eine von dem Laser-Strahl erzeugte, gegebenenfalls teilweise
hochspritzende metallische Schmelze das Durchgangsloch nicht verlässt, sondern an der Wand des Durchgangslochs zum Anhaften gelangt. Hierdurch wird sichergestellt, dass kein Schweißmaterial durch den Schweißvorgang veranlasst auf oder in die Wicklungen des Stators gelangt.
Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung von
Verbindungsbauteilen, welche die Merkmale von wenigstens einem der Vorrichtungsansprüche aufweisen, an einem Stator einer als Elektromotor und/oder Generator ausgebildeten Elektromaschine, wobei die Wicklungen des Stators durch eine Mehrzahl von hairpin-Leiterstäben gebildet sind, und bei dem die freien Enden der hairpin-Leiterstäbe mittels S-förmig oder Z-förmig sowie C-förmig ausgebildeten
Verbindungsbauteilen phasengerecht elektrisch miteinander verbunden sind, und bei dem J-förmige Verbindungsbauteile als elektrische Anschlusselemente dienend mit zumindest einem hairpin-Leiterstab jeweils einer Wicklung des Stators elektrisch verbunden sind. Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der
Beschreibung eine Zeichnung beigefügt, in der mehrere
Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In dieser Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Draufsicht auf einen Statorkern mit daran angeordneten hairpin-Leiterstäben, welche an einer Anschluss- und Verbindungsseite des Statorkerns über erfindungsgemäße Verbindungsbauteile phasengerecht
elektrisch miteinander oder mit Anschlusselementen
verbunden sind,
Fig. 2 den Statorkern gemäß Fig. 1 mit Blick auf dessen Anschluss- und Verbindungsseite,
Fig. 3a bis Fig. 3d perspektivische Ansichten eines J- förmigen Verbindungsbauteils, welches als elektrisches Anschlusselement ausgebildet ist,
Fig. 4a bis Fig. 4e perspektivische Ansichten eines S- förmigen oder Z-förmigen Verbindungsbauteils, welches zum elektrischen Verbinden von hairpin-Leiterstäben ausgebildet ist ,
Fig. 5a bis Fig. 5d perspektivische Ansichten eines C- förmigen Verbindungsbauteils, welches zum elektrischen Verbinden von hairpin-Leiterstäben ausgebildet ist,
Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Verbindungsbereich eines erfindungsgemäßen
Verbindungsbauteils mit zwei darin aufgenommenen hairpin- Leiterstäben während eines randseitigen Schweißvorgangs mit einem Laser-Strahl, und
Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Verbindungsbereich eines erfindungsgemäßen Verbindungsbauteils mit zwei darin aufgenommenen hairpin- Leiterstäben während eines zentralen Schweißvorgangs mit einem Laser-Strahl.
In den nun zu beschreibenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen
Demnach zeigen die Figuren 1 und 2 einen hohlzylindrisch ausgebildeten Statorkern 2 eines Stators einer
Elektromaschine . Diese Elektromaschine kann ein
Elektromotor, ein Generator oder ein Starter/Generator sein. Der Statorkern 2 weist an seiner Innenseite parallel zu seiner Längsmittenachse ausgerichtete Nuten 51 auf. In diesen Nuten 51 sind in ihrer Ausgangsgeometrie U-förmig geformte und im Querschnitt weitgehend rechteckige hairpin- Leiterstäbe 6 angeordnet. Erkennbar sind in jeder der Nuten 51 vier hairpin-Leiterstäbe 6 eingefügt, so dass die hairpin-Leiterstäbe 6 im Ergebnis in vier zueinander konzentrischen Ringen unterschiedlichen Durchmessers angeordnet sind. Dabei übergreifen die Schenkel der
jeweiligen U-förmigen hairpin-Leiterstäbe 6 endseitig jeweils mehrere der Nuten 51. Zudem bilden die
U-förmigen Bögen der hairpin-Leiterstäbe 6 an einem Ende des Statorkerns 2 einen Wicklungskopf 52 und am
gegenüberlegendem Ende des Statorkerns 2 eine Verbindungs und Anschlussseite der Statorwicklungen 3 der hier
dreiphasigen Elektromaschine.
Um die Statorwicklungen 3 erzeugen zu können, wurden die freien Enden der jeweiligen hairpin-Leiterstäbe 6 in Umfangsrichtung des Statorkerns 2 jeweils umgebogen.
Anschließend wurden die freien Enden einander phasengerecht zugeordneter hairpin-Leiterstäbe 6 mittels der
erfindungsgemäßen Verbindungsbauteilen 20, 30, 40
elektrisch verbunden. Dabei verbinden diese
Verbindungsbauteile 20, 30, 40 erkennbar jeweils zwei radial unmittelbar benachbarte hairpin-Leiterstäbe 6 miteinander. Die C-förmigen Verbindungsbauteil 40
übergreifen dabei andere Verbindungsbauteile 20, 30, 40 axial und in Umfangsrichtung des Statorkerns 2. Die
Verbindungsbauteile 20, 30, 40 weisen erfindungsgemäß endseitig jeweils wenigstens einen Verbindungsbereich 8 auf, ansonsten sind sie aber in drei unterschiedlichen Geometrien ausgebildet, auf die zunächst eingegangen wird.
Die Verbindungsbauteile 20, 30, 40 sind in den Figuren 3a bis 3d, 4a bis 4e, 5a bis 5d sowie Fig. 6 und Fig. 7 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Anhand der Figuren 3a bis 3d ist erkennbar, dass eine erste Ausführungsform der Verbindungsbauteile 20 eine im Wesentlichen J-förmige
Geometrie aufweist. Hierbei weist ein solches
Verbindungsbauteil 20 einen langen Schenkel 21 und einen davon abgebogen ausgerichteten kurzen Schenkel 22 sowie einen diese Schenkel 20, 21 verbindenden
Verbindungsabschnitt auf. An dem kurzen Schenkel 22 ist endseitig ein kappenförmiger Verbindungsbereich 8 mit je einem Aufnahmeraum 9 zur Aufnahme des freien Endes von zwei elektrisch zu verbindenden hairpin-Leiterstäben 6
ausgebildet. An dem langen Schenkel 21 ist endseitig eine Kontaktplatte 23 mit einer Durchgangsbohrung 24 ausgebildet, durch die ein Verbindungselement, beispielswiese in Form einer Maschinenschraube,
hindurchführbar ist. An dieser Kontaktplatte 23 wird üblicherweise eine elektrische Leitung angeschlossen, welche an die Außenseite des Gehäuses der Elektromaschine führt. Der kappenförmige Verbindungsbereich 8 des J- förmigen Verbindungsbauteils 20 weist einen Aufnahmeraum 9 mit drei Seitenwänden 10, 11, 12 und einer Deckelwand 13 auf, wobei eine wandlose Stirnseite das freie Ende des kurzen Schenkels 22 bildet und die Seite gegenüber der Deckelwand 13 wandlos ist.
Wie die Figuren 1 und 2 veranschaulichen, sind drei ei förmige Verbindungsbauteile 20 derart am Statorkern 2 angeordnet, dass die deckellose Seite der jeweiligen
Aufnahmeräume 9 nach axial innen und die wandlose
Stirnseite der jeweiligen kurzen Schenkel 22 nach radial innen weisen. Der lange Schenkel 21, der kurze Schenkel 22 und der diese beiden Schenkel 21, 22 verbindende
Verbindungsbereich weisen jeweils eine Querschnittfläche auf, welche mindestens so groß ist wie die
Querschnittsfläche des in dem kappenförmigen
Verbindungsbereich 8 aufzunehmenden freien Endes 4 des zugeordneten Leiterstabes 6.
Das in den Figuren 4a bis 4e dargestellte und hinsichtlich seiner Wandgeometrie
S-förmige oder Z-förmige Verbindungsbauteil 30 weist an dessen beiden Enden jeweils einen kappenförmigen
Verbindungsbereich 8 mit jeweils einem Aufnahmeraum 9 auf, die ebenfalls zur Aufnahme des freien Endes von zwei elektrisch zu verbindenden hairpin-Leiterstäben 6
ausgebildet sind. Die kappenförmigen Verbindungsbereiche 8 des S-förmigen oder Z-förmigen Verbindungsbauteils 30 weisen jeweils einen Aufnahmeraum 9 mit drei Seitenwänden 10, 11, 12 und einer Deckelwand 13 auf, wobei die wandlosen Stirnseiten im Vergleich zueinander in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind. Die gegenüber der jeweiligen Deckelwand 13 liegenden wandlosen Seiten weisen jeweils in die gleiche Richtung.
Wie insbesondere Fig. 4c deutlich zeigt, sind die beiden kappenförmigen Verbindungsbereiche 8 des S-förmigen oder Z- förmigen Verbindungsbauteils 30 über einen Stegabschnitt 31 miteinander verbunden, dessen Querschnittsfläche QF
mindestens genauso groß ist wie die Querschnittsfläche des jeweiligen freien Endes 4 der zu verbindenden hairpin- Leiterstäbe 6. Hierdurch weist das Verbindungsbauteil 30 eine vergleichsweise große mechanische Stabilität sowie eine ausreichende Durchleitfähigkeit für einen elektrischen Strom von einem Ende zum anderen Ende des
Verbindungsbauteils auf.
Die Figuren 5a bis 5d zeigen eine dritte Ausführungsform, bei der das Verbindungsbauteil 40 eine im Wesentlichen C- förmige Geometrie hat. Dieses Verbindungsbauteil 40 weist hierzu einen C-förmigen Schenkel 41 auf, an dessen beiden Enden jeweils einen kappenförmiger Verbindungsbereich 8 mit jeweils einem Aufnahmeraum 9 ausgebildet ist, in welche die freien Enden 4 von zwei elektrisch zu verbindenden hairpin- Leiterstäben 6 einsetzbar sind. Die Aufnahmeräume 9 sind jeweils durch drei Seitenwände 10, 11, 12 und eine
Deckelwand 13 umgrenzt. Die wandlose Stirnseite der beiden Aufnahmeräume 9 des C-förmigen Verbindungsbauteils 40 weisen nicht in entgegengesetzte Richtungen. Die gegenüber der jeweiligen Deckelwand 13 liegenden wandlosen Seiten der beiden Aufnahmeräume 9 sind jeweils in die gleiche Richtung offen. Im eingebauten Zustand weisen daher die wandlosen Stirnseiten der beiden Aufnahmeräume 9 des C-förmigen
Verbindungsbauteils 40 am Stator nach radial innen und die gegenüber der jeweiligen Deckelwand 13 liegenden wandlosen Seiten der beiden Aufnahmeräume 9 nach axial innen.
Der C-förmige Schenkel 41 des Verbindungsbauteils 40 weist eine Querschnittsfläche auf, welche mindestens genauso groß ist wie die Querschnittsfläche des jeweiligen freien Endes 4 der zu verbindenden hairpin-Leiterstäbe 6. Hierdurch ist eine gute mechanische Stabilität sowie eine ausreichende Durchleitfähigkeit für einen elektrischen Strom erreicht.
Zudem ist in den Figuren 5a bis 5d erkennbar, dass das C- förmige Verbindungsbauteil 40 von einem mittleren Abschnitt ausgehend abgekröpfte Abschnitte 42, 43 aufweist, an deren jeweiligen Ende die beiden kappenförmigen
Verbindungsbereiche 8 ausgebildet sind. Hierdurch wird das Befestigen der C-förmige Verbindungsbauteile 40 auf den radial ausgerichteten, im Querschnitt rechteckigen hairpin- Leiterstäben 6 erleichtert. Alle diese Verbindungsbauteile 20, 30, 40 weisen eine erfindungsgemäße Besonderheit auf. Demnach ist vorgesehen, dass die Aufnahmeräume 9 der kappenförmigen
Verbindungsbereiche 8 der Verbindungsbauteile von drei Seitenwänden 10, 11, 12 und einer Deckelwand 13 umgrenzt ist, wobei die Deckelwand 13 wenigstens ein Durchgangsloch 14 aufweist, welches in den Aufnahmeraum 9 mündet. Wie die Figuren 6 und 7 besonders gut veranschaulichen, ist hierbei vorgesehen, dass das Durchgangsloch 14 jeweils derartig angeordnet und ausgebildet ist, dass es denjenigen Bereich überdeckt, in dem die freien Enden 4 der zu verbindenden hairpin-Leiterstäbe 6 sich innerhalb des Aufnahmeraumes 9 seitlich berühren.
Die Dicke D der Deckelwand 13 der kappenförmigen
Verbindungsbereiche 8 ist so gewählt, dass ein Verschweißen der Deckelwand 13 mit den im Aufnahmeraum 9 angeordneten hairpin-Leiterstäben 6 mittels eines Laser-Strahls 33 möglich ist. Hierzu weist die Deckelwand 13 beispielsweise eine Dicke D von 1 mm bis 3 mm auf, so dass ausreichend Deckelwandmaterial vorhanden ist, welches bei einem
Schweißvorgang aufgeschmolzen und in seiner
schmelzflüssigen Phase dennoch den Kontakt zu dem übrigen Deckelwandmaterial halten kann.
Die Dicke D der Deckelwand 13 ist zudem vorzugsweise derartig gewählt, dass während des Schweißens mit einem Laser 32 hochspritzendes Metall 36 nicht aus dem
Durchgangsloch 14 heraus spritzt, sondern an der Wand 34 des Durchgangslochs 14 zur Anlage gelangt und dort erstarrt. Hierdurch wird vermieden, dass durch den
Schweißvorgang erzeugte Metallteilchen in unzulässige
Bereiche des Stators gelangen. Der geschilderte Aufbau der erfindungsgemäßen
Verbindungselemente 20, 30, 40
ermöglicht eine kombinierte mechanische und thermische Verbindung von wenigstens zwei einander zugeordneten hairpin-Leiterstäben 6 auf besonders prozesssichere und vollautomatisch durchführbare Weise. Diese
Verbindungselemente 20, 30, 40 sind daher in besonderem Maße für eine schnelle und kostengünstige Herstellung von Statoren einer Elektromaschine geeignet. Die Nutzung dieser Verbindungselemente 20, 30, 40 auch bei der Herstellung von Rotoren einer Elektromaschine ist möglich und ebenso vorteilhaft .
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum elektrischen Verbinden der freien Enden 4 von zwei einander zugeordneten hairpin-Leiterstäben 6 eines Stators einer Elektromaschine, welches die folgenden Schritte aufweist:
a) Aufstecken von wenigstens einem kappenförmigen
Verbindungsbereich 8 eines Verbindungsbauteils 20, 30, 40 mit den Merkmalen von zumindest einem der vorherigen
Vorrichtungsansprüche auf das freie Ende 4 von jeweils wenigstens zwei einander zugeordneten hairpin-Leiterstäben 6 des Stators, wobei die freien Enden 4 in einen
zugeordneten Aufnahmeraum 9 des kappenförmigen
Verbindungsbereiches 8 angeordnet werden, b) Andrücken der Deckelwand 13 des Aufnahmeraumes 9 auf die freien stirnseitigen Enden der einander zugeordneten hairpin-Leiterstäbe 6,
c) Erzeugen eines Laser-Strahls 33 und richten desselben durch ein Durchgangsloch 14 in der Deckelwand 13 des
Aufnahmeraumes 9 auf das stirnseitige Ende der
einander zugeordneten hairpin-Leiterstäbe 6 derart,
dass metallisches Material der Deckelwand 13 sowie
metallisches Material der
einander zugeordneten hairpin-Leiterstäbe 6 partiell schmilzt und eine gemeinsame Schmelze 35 bildet, wodurch die Deckelwand 13 mit den hairpin-Leiterstäben 6
verschweißt wird.
Dadurch, dass die Verbindungsbauteile 20, 30, 40 die daran zu befestigenden hairpin-Leiterstäbe 6 in dem jeweiligen, isolatorfreien Aufnahmeraum 9 formschlüssig fest umgreifen, ist eine erste mechanische sowie elektrische Verbindung zwischen den hairpin-Leiterstäben 6 und dem
Verbindungsbauteil 20, 30, 40 erzeugt worden. Mittels des anschließenden Verschweißens mithilfe des Laser-Strahls 33 wurde eine zweite mechanische und elektrische Verbindung zwischen den hairpin-Leiterstäben 6 und dem
Verbindungsbauteil 20, 30, 40 erzeugt. Diese zweifache elektrische und mechanische Verbindung stellt sicher, dass die geschilderte hairpin-Wicklung 3 einer Elektromaschine schnell, sicher und auch kostengünstig erzeugbar ist.
In weiterer Ausgestaltung des geschilderten
Herstellverfahrens kann vorgesehen sein, dass der Laser- Strahl 33 gezielt auf denjenigen Bereich gerichtet ist, an dem das Durchgangsloch 14 in der Deckelwand 13 an der
Stirnseite der einander zugeordneten hairpin-Leiterstäbe 6 endet. Hierdurch wird ein in der Fig. 6 dargestelltes radiales Verschweißen der beiden hairpin-Leiterstäben 6 mit dem dort dargestellten Verbindungsbauteil 30 erreicht, wobei die volumenbezogene Ausbildung der Schmelze 35 vergleichsweise gering sein kann. In Abhängigkeit von der durch den Laser-Strahl 33 eingekoppelten Energie kann sich aber auch eine vergleichsweise große Menge an Schmelze 35 bilden, welche die durchgangslochseitigen Bereiche der beiden hairpin-Leiterstäben 6 vollständig bedeckt (Fig. 7). Hierdurch sind die beiden hairpin-Leiterstäbe 6 besonders gut elektrisch miteinander verbunden.
Weiter kann verfahrensgemäß vorgesehen sein, dass der
Laser-Strahl 33 unter einem solchen Winkel ausgerichtet ist, dass eine von dem Laser-Strahl 33 erzeugte,
gegebenenfalls teilweise hochspritzende metallische
Schmelze 36 das Durchgangsloch 14 nicht verlässt, sondern allenfalls an der Wand 34 des Durchgangslochs 14 zum
Anhaften gelangt.
Die geschilderten Verbindungsbauteile 20, 30, 40 werden besonders vorteilhaft zur Erzeugung einer Wicklung 3 eines Stators einer Elektromaschine in hairpin-Bauweise
verwendet. Die Elektromaschine kann dabei als Elektromotor und/oder Generator ausgebildet sein. Hierbei ist die
Wicklung 3 des Stators durch eine Mehrzahl von
beispielsweise U-förmigen hairpin-Leiterstäben gebildet, wobei die freien Enden der hairpin-Leiterstäbe 6 mittels der geschilderten S-förmig oder Z-förmig sowie C-förmig ausgebildeten Verbindungsbauteile 30, 40 phasengerecht elektrisch miteinander verbunden sind. Die J-förmigen Verbindungsbauteile 20 dienen dabei als elektrische
Anschlusselemente, welche mit wenigstens einem hairpin- Leiterstab 6 jeweils einer Wicklung 3 des Stators elektrisch verbunden sind.
Bezugszeichenliste
2 Statorkern
3 Stator-Wicklungen
4 Freies Ende eines Leiterstabes
6 Leiterstab, hairpin-Leiterstab
8 Verbindungsbereich eines Verbindungsbauteils
9 Aufnahmeraum im Verbindungsbereich
10 Erste Seitenwand des Aufnahmeraumes
11 Zweite Seitenwand des Aufnahmeraumes
12 Dritte Seitenwand des Aufnahmeraumes
13 Deckelwand des Aufnahmeraumes
14 Durchgangsloch in der Deckelwand
15 Aufnahmeraumferne Seite eines Verbindungsbauteils
20 J-förmiges Verbindungsbauteil
21 Langer Schenkel des J-förmigen Verbindungsbauteils
22 Kurzer Schenkel des J-förmigen Verbindungsbauteils
23 Kontaktplatte des J-förmigen Verbindungsbauteils
24 Durchgangsbohrung im J-förmigen Verbindungsbauteil
30 S-förmiges oder z-förmiges Verbindungsbauteil
31 Stegabschnitt eines S-förmigen Verbindungsbauteils
32 Laser
33 Laser-Strahl
34 Wand des Durchgangslochs
35 Schmelze
36 Hochgespritztes Metall
40 C-förmiges Verbindungsbauteil
41 C-förmiger Schenkel des C-förmigen Verbindungsbauteils
42 Erster abgekröpfter Abschnitt des C-förmigen Schenkels 43 Zweiter abgekröpfter Abschnitt des C-förmigen Schenkels
51 Nuten im Statorkern
52 Wicklungskopf
D Dicke der Deckelplatte
QF Querschnittsfläche des Stegabschnitts eines S- förmigen Verbindungsbauteils

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisch leitendes Verbindungsbauteil (20, 30, 40), welches bei einem Stator einer Elektromaschine mit wenigstens einer hairpin-Wicklung (3) freie Enden (4) von einander zugeordneten hairpin-Leiterstäben (6) elektrisch miteinander verbindet, wobei das
Verbindungsbauteil (20, 30, 40) einen kappenförmigen Verbindungsbereich (8) mit einem Aufnahmeraum (9) aufweist, in dem freie Enden (4) von zumindest zwei einander zugeordneten Leiterstäben (6) aufnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (9) des wenigstens einen kappenförmigen
Verbindungsbereiches (8) des Verbindungsbauteils (20, 30, 40) von drei Seitenwänden (10, 11, 12) und einer Deckelwand (13) umgrenzt ist, und dass die Deckelwand (13) wenigstens ein Durchgangsloch (14) aufweist, welches in den Aufnahmeraum (9) mündet.
2. Verbindungsbauteil nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, dass dieses als J-förmiges
elektrisches Verbindungsbauteil (20), als S-förmiges beziehungsweise Z-förmiges elektrisches
Verbindungsbauteil (30), oder als C-förmiges
elektrisches Verbindungsbauteil (40) ausgebildet ist.
3. Verbindungsbauteil nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der kappenförmige
Verbindungsbereich (8) des J-förmigen Verbindungsbauteils (20) derartig ausgebildet ist, dass dessen seitenwandlose Aufnahmeraumseite im eingebauten Zustand am Stator nach radial innen weist, dass die beiden kappenförmigen Verbindungsbereiche (8) der C-förmigen Verbindungsbauteile (40) derartig ausgebildet sind, dass deren beiden seitenwandlosen Aufnahmeraumseiten im eingebauten Zustand am Stator nach radial innen weisen, und dass die beiden
kappenförmigen Verbindungsbereiche (8) der S-förmigen oder Z-förmigen Verbindungsbauteile (30) derartig ausgebildet sind, dass deren beiden jeweils
seitenwandlosen Aufnahmeraumseiten im eingebauten Zustand in entgegengesetzte Umfangsrichtungen des Stators weisen.
4. Verbindungsbauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das J-förmige Verbindungsbauteil (20) einen langen Schenkel (21) und einen kurzen
Schenkel (22) aufweist, welche über einen
Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind, dass an dem kurzen Schenkel (22) endseitig ein
kappenförmiger Verbindungsbereich (8) mit einem
Aufnahmeraum (9) zur Aufnahme freier Enden von
elektrisch zu verbindenden hairpin-Leiterstäben (6) ausgebildet ist, und dass an dem langen Schenkel (21) endseitig eine Kontaktplatte (23) mit einer
Durchgangsbohrung (24) zur Durchführung eines
Verbindungselements ausgebildet ist.
5. Verbindungsbauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kappenförmige
Verbindungsbereich (8) des J-förmigen
Verbindungsbauteils (20) einen Aufnahmeraum (9) aufweist, dessen wandlose Aufnahmeraumseite das freie stirnseitige Ende des kurzen Schenkels (22) bildet und dessen zu der Deckelwand (13) gegenüberliegende deckelferne Seite wandlos ist.
6. Verbindungsbauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das S-förmige Verbindungsbauteil (30) an seinen beiden Enden jeweils einen
kappenförmigen Verbindungsbereich (8) mit jeweils einem Aufnahmeraum (9) zur Aufnahme freier Enden von elektrisch zu verbindenden hairpin-Leiterstäben (6) aufweist .
7. Verbindungsbauteil nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die kappenförmigen
Verbindungsbereiche (8) des S-förmigen oder Z-förmigen Verbindungsbauteils (30) jeweils einen Aufnahmeraum (9) aufweisen, deren wandlosen Stirnseiten in
entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, und dass deren zur Deckelwand (13) gegenüberliegende deckellose Seiten jeweils in die gleiche Richtung weisen .
8. Verbindungsbauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kappenförmigen
Verbindungsbereiche (8) des S-förmigen oder Z-förmigen Verbindungsbauteils (30) über einen Stegabschnitt (31) miteinander verbunden sind, dessen Querschnittsfläche (QF) mindestens genauso groß ist wie die
Querschnittsfläche des jeweiligen freien Endes (4) der zu verbindenden hairpin-Leiterstäbe (6).
9. Verbindungsbauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das C-förmige Verbindungsbauteil (40) an seinen beiden Enden jeweils einen
kappenförmigen Verbindungsbereich (8) mit jeweils einem Aufnahmeraum (9) zur Aufnahme freier Enden von elektrisch zu verbindenden hairpin-Leiterstäben (6) aufweist, und dass ein zwischen den beiden
Verbindungsbereichen (8) ausgebildeter C-förmiger Schenkel (41) eine Querschnittsfläche (QF) aufweist, welche mindestens genauso groß ist wie die
Querschnittsfläche des jeweiligen freien Endes (4) der zu verbindenden hairpin-Leiterstäbe (6).
10. Verbindungsbauteil nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die kappenförmigen
Verbindungsbereiche (8) des C-förmigen
Verbindungsbauteils (40) jeweils einen Aufnahmeraum (9) aufweisen, deren wandlose Stirnseiten nicht in entgegengesetzt Richtungen weisen, und deren zur Deckelwand gegenüberliegende deckelferne Seiten wandlos sind.
11. Verbindungsbauteil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das C-förmige Verbindungsbauteil (40) von einem mittleren Abschnitt ausgehend nach innen abgekröpfte Abschnitte (42, 43) aufweist, an deren jeweiligen Ende die beiden kappenförmigen
Verbindungsbereiche (8) ausgebildet sind.
12. Verbindungsbauteil nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Durchgangsloch (14) derartig ausgebildet und
angeordnet ist, dass es denjenigen Bereich überdeckt, in dem sich die freien Enden der zu verbindenden hairpin-Leiterstäbe (6) innerhalb des Aufnahmeraumes (9) berühren.
13. Verbindungsbauteil nach einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (D) der Deckelwand (13) so gewählt ist, dass ein
Verschweißen der Deckelwand (13) mit den im
Aufnahmeraum (9) angeordneten hairpin-Leiterstäben (6) mittels eines Laser-Strahls (33) möglich ist.
14. Verbindungsbauteil nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dicke (D) der Deckelwand (13) so gewählt ist, dass während des Schweißens mit einem Laser (32) hochspritzendes Metall (36) an der Wand (34) des Durchgangslochs (14) zur Anlage gelangt und dort erstarrt.
15. Verfahren zum elektrischen Verbinden der freien Enden von einander zugeordneten hairpin-Leiterstäben (6) eines Stators einer Elektromaschine, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) Aufstecken von wenigstens einem kappenförmigen Verbindungsbereich (8) eines Verbindungsbauteils (20, 30, 40) mit den Merkmalen von zumindest einem der Vorrichtungsansprüche auf das freie Ende von jeweils wenigstens zwei einander zugeordneten hairpin- Leiterstäben (6) des Stators,
wobei die freien Enden in einen zugeordneten
Aufnahmeraum (9) des kappenförmigen
Verbindungsbereiches (8) angeordnet werden,
b) Andrücken der Deckelwand (13) des Aufnahmeraumes (9) auf die freien stirnseitigen Enden der einander zugeordneten hairpin-Leiterstäbe (6),
c) Erzeugen eines Laser-Strahls (33) und richten desselben durch ein Durchgangsloch (14) in der
Deckelwand (13) des Aufnahmeraumes (9) auf das
stirnseitige Ende der einander zugeordneten hairpin- Leiterstäbe (6) derart,
dass metallisches Material der Deckelwand (13) sowie metallisches Material der einander zugeordneten hairpin-Leiterstäbe (6) partiell schmilzt und eine gemeinsame Schmelze (35) bildet, wodurch die Deckelwand (13) mit den hairpin- Leiterstäben (6) verschweißt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser-Strahl (33) auf denjenigen Bereich gerichtet ist, an dem das Durchgangsloch (14) in der Deckelwand (13) an der Stirnseite der einander
zugeordneten hairpin-Leiterstäbe (6) endet.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, dass der Laser-Strahl (33) auf
denjenigen stirnseitigen Bereich der einander
zugeordneten hairpin-Leiterstäbe (6) gerichtet ist, an dem diese seitlich aneinander liegen.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser-Strahl (33) unter einem solchen Winkel ausgerichtet ist, dass eine von dem Laser-Strahl (33) erzeugte, gegebenenfalls teilweise hochspritzende metallische Schmelze (35) das
Durchgangsloch (14) nicht verlässt, sondern allenfalls an der Wand (34) des Durchgangslochs (14) zum Anhaften gelangt .
19. Verwendung von Verbindungsbauteilen (20, 30, 40) gemäß wenigstens einem der vorherigen Ansprüche an einem Stator einer als Elektromotor und/oder Generator ausgebildeten Elektromaschine, wobei die Wicklungen (3) des Stators durch eine Mehrzahl von hairpin- Leiterstäben (6) gebildet sind, und bei dem die freien Enden der hairpin-Leiterstäbe (6) mittels S-förmig oder Z-förmig sowie C-förmig ausgebildeten
Verbindungsbauteilen (30, 40) phasengerecht elektrisch miteinander verbunden sind, und bei dem J-förmige Verbindungsbauteile (20) als elektrische
Anschlusselemente dienend jeweils mit zumindest einem hairpin-Leiterstab (6) einer Wicklung des Stators elektrisch verbunden sind.
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