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Die
Erfindung betrifft die Statoranordnung für eine elektrische Maschine.
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Ein
Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist das Gebiet der bürstenlosen
Gleichstrommotoren und anderer Elektromotoren, wie Permanentmagnetmotoren,
die als Außenläufermotor konfiguriert
sind. Die Erfindung ist jedoch ohne Beschränkung hierauf allgemein auf
viele Arten von Elektromotoren oder Generatoren anwendbar.
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Elektromotoren
mit einer Außenläuferkonfiguration
weisen eine Statoranordnung z.B. aus einer Anzahl von paketierten
gestanzten Metallblechen auf, die einen ringförmigen Statorrückschluß und von dem
Statorrückschluß nach außen abstehende
Statorzähne
bilden. Auf die Statorzähne
sind Phasenwicklungen aufgebracht. Die Statoranordnung ist koaxial
in eine Rotoranordnung eingefügt.
Die Rotoranordnung umfaßt
in der Regel einen Rückschlußring, auf
dessen Innenumfang ein oder mehrere Magnete aufgebracht sind. Die
Magnete können
auch in den Rotorkörper
eingebettet sein.
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Bei
der Herstellung von Statoranordnungen für Innen- oder Außenläufermotoren
aus paketierten, gestanzten Metallblechen gibt es immer einen gewissen
Materialabfall, wobei die elektromagnetisch genutzte Fläche deutlich
kleiner ist, als die Fläche
des Rohlings. Dieses Problem ist bei Außenläufermotoren mit großem Durchmesser
besonders gravierend, weil die Statorringe in der Regel einen relativ
großen Innenumfang
haben, wobei der Innenkreis des entsprechenden Blechschnittes ungenutzt
ist. Sofern der innere Kern des Stators nicht ausgeschnitten würde, würde dies
zu einer erheblichen Gewichtserhöhung
des Motors führen,
was ebenfalls unerwünscht
ist.
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Im
Stand der Technik wurden Statoranordnungen entwickelt, die einen
mehrteiligen Statorkörper
umfassen. Es sind Statorkörper
bekannt, bei denen jeder Statorzahn ein einzelnes Bauteil bildet
und die Statorzähne
direkt oder über
einen separaten Ring miteinander verbunden sind. Die einzelnen Statorzähne werden
beispielsweise nach Art von Nut- und Federverbindungen ineinandergeschoben
und durch Preßsitz
zusammengehalten. Auch das Aufschieben einzelner Statorzähne auf
einen Statorrückschlußring ist
bekannt. Beispiele solcher mehrteiligen Statoren findet man in
US 6,359,355 B1 ;
WO 02/47238 A1 ;
US 5,786,651 A ;
DE 198 42 948 A1 ;
EP 0 915 553 A2 ;
US 6,049,153 A ;
US 5,796,195 A ;
EP 1 014 536 A2 ;
WO 02/47240 A1 ;
US 6,555, 942 B1 und
DE 101 43 870 A1 .
Bei solchen mehrteiligen Statoren kann jeder Statorzahn, respektive
Polschuh separat bewickelt und anschließend mit den anderen Statorzähnen verbunden
werden. Der Vorteil eines mehrteiligen Statorkörpers ist, daß die einzelnen
Teile mit weniger Verschnitt hergestellt werden können. Ferner
kann insbesondere dann, wenn jeder Abschnitt einen Polschuh umfaßt, jeder
Polschuh so konfiguriert werden, daß er eine vorgefertigte Spule aufnimmt.
Nach dem Aufbringen der Spulen auf die jeweiligen Polschuhe werden
die Statorabschnitte miteinander verbunden und so angeordnet, daß sie zusammen
mit einem Statorrückschlußring den
vollständigen
Stator bilden. Die genannten Druckschriften betreffen zum größten Teil
Innenläufermotoren.
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Das
Aufbringen von Phasenwicklungen auf mehrteilige Statoranordnungen
ist einfacher als die Bewicklung von herkömmlichen, einteiligen Statoranordnungen
für Außen- oder
Innenläufermotoren.
Die vorgefertigten Spulen müssen
zwar in einem zusätzlichen
Arbeitsschritt aufgebracht und angeschlossen werden, gleichwohl
wird das Bewickeln der Statoren aufgrund der Möglichkeit der Verwendung vorgefertigter
Spulen insgesamt einfacher und schneller sein. Insbesondere wird
die Verwendung von dicken Spulendrähten bei dünnen Pollücken bei mehrteiligen Statoranordnungen
vereinfacht.
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Bei
der Herstellung mehrteiliger Statoranordnungen ergibt sich das Problem,
daß die
einzelnen Statorzähne
in geeigneter Weise miteinander verbunden und zusammengehalten werden
müssen. Dies
wurde im Stand der Technik in der Regel dadurch gelöst, daß die Statorzähne an einem
durchgehenden Statorring angebracht wurden. In anderen bekannten
Ausführungen
sind die Statorzähne
jeweils miteinander über
Nut- und Federverbindungen oder auf ähnliche Weise gekoppelt.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Statoranordnung für eine elektrische
Maschine insbesondere einen Außenläufermotor,
anzugeben, die einfach aufgebaut ist, mit wenig Verschnitt hergestellt und
problemlos bewickelt und zusammengefügt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Statoranordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch
1 gelöst.
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Die
Erfindung sieht eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine
mit einem Statorring vor, der an seinem Innenumfang geschlossen
ist und an seinem Außenumfang
Statorpole aufweist. Der Statorring ist aus einer Vielzahl im wesentlichen
gleicher T-förmiger
Segmente aufgebaut, wobei die T-förmigen Segmente jeweils einen
Hauptschenkel und einen Kopf aufweisen. Innerhalb des Statorrings
sind die Hauptschenkel der T-förmigen
Segmente in radialer Richtung ausgerichtet, dabei sind die T-förmigen Segmente
mit wechselnder Orientierung von Kopf und Hauptschenkel derart nebeneinander
angeordnet, daß sie
sich zu dem Statorring ergänzen.
Die Erfindung macht es möglich,
einen Stator für
einen Außenläufermotor
aus einer Vielzahl gleichförmiger Bauteile
aufzubauen, welche mit minimalem Verschnitt aus einem Blech ausgestanzt
werden können. Das
Grundelement der Statoranordnung ist T-förmig. Die „Ts" werden mit wechselnder
Orientierung so angeordnet, daß der
Kopf jedes zweiten T's
am Innenkreis der Statoranordnung zu liegen kommen und dort zusammen
mit den Basen der anderen T's
einen geschlossenen Rückschluß bilden
und daß der
Kopf der jeweils anderen „T's" am Außenkreis der Statoranordnung
zu liegen kommen und dort Statorpole bilden. Durch den Aufbau der
Statoranordnung aus einer Vielzahl gleichförmiger Segmente können der Verschnitt
bei der Herstellung der Statorbleche und somit die Kosten deutlich
gesenkt werden.
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Die
erfindungsgemäße Statoranordnung
eignet sich ferner zur Herstellung von Statoren mit unterschiedlichen
Polzahlen und Durchmessern aus im wesentlichen den gleichen T-förmigen Segmenten. Zur
Veränderung
der Polzahl bzw. des Durchmessers der Statoranordnung müssen lediglich
mehr oder weniger viele T-förmige
Segmente zu einem Statorring zusammengefügt werden, wobei die Kontaktflächen von
Kopf und Hauptschenkel der T-förmigen
Segmente vorzugsweise an den jeweiligen Krümmungsradius der Statoranordnung
angepaßt werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Bauweise
ist auch das Aufbringen von Spulenwicklungen auf die Statorpole
besonders einfach. Eine Wicklung kann in einfacher Weise auf ein
separates T-förmiges Segment
aufgebracht werden, wobei entweder die Spule direkt auf das T-förmige Segment
gewickelt oder eine vorgefertigte Spule aufgeschoben wird. Anschließend werden
die T-förmigen
Segmente zu dem Statorring zusammengesetzt, wobei die radial außenliegenden
Köpfe der
T-förmigen
Segmente Polschuhe bilden. Vorzugsweise werden nur auf diese Segmente
Phasenwicklungen aufgebracht.
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Auch
ist es zweckmäßig, die
Phasenwicklungen erst nach der Verbindung der T-förmigen Segmente über einen
Statorträger
zu verschalten.
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Die
erfindungsgemäße Statoranordnung
hat neben dem flexiblen Aufbau den Vorteil, daß die einzelnen Ringsegmente
mit weniger Verschnitt hergestellt werden können als ein einteilig aufgebauter
Stator und auch mit weniger Verschnitt als die bekannten Statoranordnungen
mit Rückschlußring und
daran angebrachten einzelnen Statorzähnen. Ferner können die
Ringsegmente aus Statorblechen derart ausgestanzt werden, daß sie alle
die gleiche magnetische Vorzugsrichtung aufweisen, wodurch sich
die magnetischen Eigenschaften der elektrischen Maschine verbessern.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird der Statorring an seinem Innenumfang durch den
Verbund aus einer Klemmhülse
und einem Klemmring zusammengehalten. Die Klemmhülse wird von einem Stirnende
der Statoranordnung her in deren zentrale Öffnung eingebracht und liegt
am Innenumfang des Statorrings an. Der Klemmring wird von der gegenüberliegenden
Stirnseite auf die Klemmhülse
geführt,
um beide zusammenzuhalten. Vorzugsweise weisen Klemmhülse und/oder
Klemmring Positioniermittel auf, die mit dem T-förmigen Segmenten
zusammenwirken, um die Klemmhülse und
den Klemmring relativ zu dem Statorring zu positionieren und zu
fixieren. Beispielsweise kann vorgesehen sein, daß auf den
jeweils der Statoranordnung zugewandten Flächen der Klemmhülse und/oder
des Klemm rings Positioniernoppen ausgebildet sind, welche in entsprechende
Ausnehmungen in den T-förmigen Segmenten
eingreifen.
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Zusätzlich kann
der Statorring an seinem Außenumfang
durch wenigstens einen Spannring oder eine Spannhülse zusammengehalten
werden. Da der Spannring oder die Spannhülse in der fertig montierten
elektrischen Maschine im Arbeitsluftspalt zwischen Stator und Rotor
zu liegen kommen wird, sollte er so dünn wie möglich sein und aus einem ferromagnetisch
nicht gut leitenden Material bestehen.
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Die
Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen einer Statoranordnung
der oben beschriebenen Art vor. Erfindungsgemäß wird auf jedes zweite T-förmige Segment
eine Phasenwicklung aufgebracht, bevor die T-förmigen Segmente mit wechselnder
Orientierung von Kopf und Hauptschenkel nebeneinander angeordnet
werden. Bei den T-förmigen
Segmenten, welche die Phasenwicklungen tragen, ist der Kopf radial
nach außen
orientiert, und bei den anderen T-förmigen Segmenten ist der Kopf
radial nach innen orientiert. Dadurch wird erreicht, daß die bewickelten
T-förmigen
Segmente die Form von Statorzähnen
mit Polschuhen haben. Zwischen jeweils zwei bewickelten Statorzähnen liegt
ein T-förmiges
Segment, dessen freies Ende keine polschuhartige Verbreiterung aufweist
und das jeweils zwischen den Wicklungen unterschiedlicher Phasen
angeordnet ist.
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Die
T-förmigen
Segmente können
durch mechanische Verbindungsmittel oder beispielsweise durch Kleben,
Verstemmen oder Schweißen
permanent miteinander verbunden werden.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung mit
Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1a eine
schematische Darstellung eines 60°-Ausschnittes
einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung
und
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1b eine ähnliche
Darstellung wie 1a, wobei magnetische Flußlinien
eingezeichnet sind, und
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2 eine
schematische, perspektivische Explosionsdarstellung einer elektrischen
Maschine gemäß der Erfindung.
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1a zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen 60°-Ausschnitt einer Statoranordnung
für eine
elektrische Maschine mit 36 Nuten in Verbindung mit 30 Magnetpolen.
Die Statoranordnung, die allgemein mit 10 bezeichnet ist,
umfaßt
eine Vielzahl von T-förmigen
Segmenten 12, 14, wobei die Anzahl der T-förmigen Segmente 12, 14 der
Anzahl der Nuten der elektrischen Maschine entspricht. Die T-förmigen Segmente 12, 14 sind
wenigstens näherungsweise,
vorzugsweise vollständig
geometrisch identisch. Jedes T-förmige
Element umfaßt
einen Hauptschenkel 16 und einen Kopf 20. Der
Kopf 20 wird durch zwei seitlich abstehende Arme 22, 24 gebildet. Der
Winkel zwischen dem Hauptschenkel 16 und den Armen 22, 24 beträgt vorzugsweise,
jedoch nicht notwendig 90°.
Die Hauptschenkel 16 der T-förmigen Segmente 12, 14 sind
in radialer Richtung ausgerichtet und grenzen zwischen sich die
Nuten 26 der Statoranordnung 10 ein. Die T-förmigen Segmente 12, 14 sind
mit wechselnder Orientierung von Kopf 20 und Hauptschenkel 16 nebeneinander
angeordnet, so daß der
Kopf jedes zweiten T-förmigen
Segmentes 12 am Außenumfang
der Statoranordnung 10 zu liegen kommt und der Kopf der
jeweils dazwischenliegenden T-förmigen
Segmente 14 am Innenumfang der Statoranordnung 10 zu
liegen kommt. Der Kopf der T-förmigen
Segmente 14 bildet zusammen mit dem Hauptschenkel 16 der
T-förmigen
Segmente 12 einen geschlossenen Ring, der den Innenumfang
der Statoranordnung 10 eingrenzt. Auf die Hauptschenkel 16 derjenigen
T-förmigen
Elemente 12, deren Köpfe 22, 24 in
radialer Richtung außen
liegen, sind Phasenwicklungen 28, 30 aufgebracht.
Die zugehörigen,
radial außen
liegenden Arme 22, 24 bilden Polschuhe, welche
magnetischen Fluß von
Rotormagneten 32 aufnehmen.
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Die
Statoranordnung 10 ist koaxial in eine Rotoranordnung 34 eingefügt, die
einen Rotorrückschluß 36 und
die mit diesem verbundenen Rotormagnete 32 aufweist. Die
Rotormagnete 32 können
in einen Rotorkörper 38 eingebettet
oder auf dessen Innenumfang aufgebracht sein.
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In 1a ist
die Magnetisierungsrichtung der Rotormagnete durch Pfeile gekennzeichnet,
die Stromdurchflußrichtung
der Phasenwicklungen 28, 30 ist durch ⊗ und ⊙ gekennzeichnet.
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1b zeigt
eine ähnliche
Darstellung wie 1a, wobei der Verlauf der magnetischen
Flußlinien 40 eingezeichnet
ist. Korrespondierende Teile sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und
nicht nochmals beschrieben.
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2 zeigt
eine schematische, perspektivische Explosions-Darstellung einer
beispielhaften Ausführung
der erfindungsgemäßen Statoranordnung.
Korrespondierende Teile wie in 1a sind
mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht nochmals im
einzelnen beschrieben. Wie mit Bezug auf 1a beschrieben,
umfaßt
die Statoranordnung eine Vielzahl T-förmiger Segmente 12, 14,
welche mit wechselnder Orientierung zu einem Statorring zusammengesetzt
sind. Der Statorring ist umgeben von der Rotoranordnung 34,
die den Rotorrückschluß 36 und
die Rotormagnete 32 aufweist. Die Phasenwicklungen sind
in 2 nicht gezeigt. Aus der Figur ist jedoch erkennbar,
daß diese
Wicklungen in einfacher Weise auf separate T-förmige Segmente 12 aufgebracht
werden können,
wobei die Arme dieser Segmente 12 Polschuhe 42 bilden,
um einen möglichst großen Anteil
des magnetischen Flusses zu erfassen. Die Phasenwicklungen können entweder
auf die Segmente 12 aufgewickelt werden, oder fertige Spulen
können,
ggf. in Verbindung mit einem Spulenträger, auf diese aufgeschoben
werden. Das Verschalten der Wicklungen erfolgt zweckmäßig über einen separaten
Statorträger
(nicht gezeigt), der an einem Stirnende des Statorrings 10 angeordnet
ist, nachdem die Statoranordnung montiert ist.
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Die
Statoranordnung kann wie folgt hergestellt werden. Die T-förmigen Segmente
werden mit Hilfe eines Positionierwerkzeuges wie in 2 gezeigt
zusammengefügt.
Dabei tragen die T-förmigen Segmente 12,
deren Köpfe
radial außen
liegen, abhängig
von einem gewünschten
Wickelschema Phasenwicklungen. Das Positionierwerkzeug kann beispielsweise
die Form eines Hohlzylinders haben, der an den Innenumfang und den
Außenumfang
des Statorrings 10 angepaßt ist. In den Innenkreis des
vorpositionierten Statorrings 10 wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
der Statoranordnung eine Klemmhülse 44 eingeschoben,
die an dem Innenumfang des Statorrings 10 anfliegt. An
dem gegenüberliegenden
Stirnende des Statorrings 10 kann die Klemmhülse 44 mit
einem Klemmring 46 verbunden werden, um den Statorring 10 zwischen
diesen zu positionieren und fest einzuklemmen.
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Die
einzelnen T-förmigen
Segmente 12, 14 sind vorzugsweise als laminierte
Blechstapel aufgebaut, die Verstemmpunkte 48 zur Verbindung
der Statorlaminate aufweisen. Jedoch sind auch T-förmige Segmente
denkbar, die aus einem entsprechenden metallischen Pulver gepreßt wurden.
Diese Verstemmpunkte 48 können mit entsprechenden Positioniernoppen 50,
die an einem Ansatz 52 der Klemmhülse 44 ausgebildet
sind, zusammenwirken, um die Klemmhülse 44 relativ zu
dem Statorring 10 zu positionieren und zu fixieren.
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Der
Klemmring 46 kann mit der Klemmhülse 44 z.B. verschraubt,
durch Laserschweißen,
Kleben, Verstemmen oder auf ähnliche
Weise fest verbunden werden. Der Klemmring kann optional ebenfalls
Positionierungsnoppen aufweisen.
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Zusätzlich oder
alternativ zu der Klemmhülse können auch
eine Spannhülse 54 oder
ein oder mehrere Spannringe um den Außenumfang der Statoranordnung 10 gelegt
werden, um dieser zusätzlichen Halt
zu verleihen. Da die Spannhülse 54 im
Luftspalt zwischen der Statoranordnung 10 und der Rotoranordnung 34 zu
liegen kommt, sollte sie aus einem möglichst dünnen, ferromagnetisch nicht
gut leitfähigen
Material bestehen.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in den verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.