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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine,
insbesondere ein EC-Motor (elektronisch kommutierter Motor), wobei der
Stator ein aus Lamellenblechen bestehenden Kern aufweist, bei dem
Polzähne
jedes oder einiger Lamellenbleche des Kerns über jeweilige Stege miteinander
verbunden sind. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen Stators.
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In
einer Reihe von Anwendungen treten elektronisch gesteuerte Elektromotoren
immer stärker
in den Vordergrund. Hierbei handelt es sich um Elektromotoren, bei
denen das erforderliche, periodische Schalten von Spulen nicht mehr
durch einen Kommutator, sondern durch elektronische Schalteinrichtungen
vorgenommen wird. Zu den elektronischen Schalteinrichtungen gehört auch
ein Rotorpositionssensor, um festzustellen, wann sich der Stator
und der Läufer
für die
gerade zu schaltenden Spulen in einer schaltungsgünstigen
bzw. schaltungserforderlichen Redaktiv-Stellung befinden.
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Aus
der
DE 198 42 948 ist
ein Elektromotor bekannt, welcher einen aus einem Blechpaket hergestellten
Stator aufweist, der in der
7 gezeigt
ist. Hierbei weisen die einzelnen Blechlamellen
1 Eindrückungen
4 auf,
um ein Ineinandergreifen von einander benachbarten Blechlamellen
1 zu
ermöglichen. Die
einzelnen Pole
2 sind dabei über eine Vielzahl von Stegen
3 miteinander
verbunden, in denen ein geradliniger Nutschlitz
9 ausgestaltet
ist, der durch eine Vielzahl von kurzen Aussparungen
10 gebildet ist,
welche jeweils durch eine Verbindung
11 getrennt sind.
Aufgrund der geradlinigen Ausbildung der Nutschlitze
9 und
der Vielzahl an Verbindungen
11 könnte dieser bekannte Elektromotor
jedoch ein relativ hohes Rastmoment aufweisen (wenn ein ungeschrägter Rotor
eingesetzt ist) und eine relativ geringe Leistung.
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Aus
der
DE 102 03 272
A1 ist ein in der
8 gezeigter
Stator für
eine elektrische Maschine bekannt, die die aus der
DE 198 42 948 A1 bekannten
Nachteile überwindet,
indem der Nutschlitz
12 in einem vorbestimmten Winkel schräg zu einer
Mittelachse A des Stators verlaufend ausgestaltet wird. Hier kann
in dem Stator zwischen zwei Polen
2 jeweils ein durchgängiger Nutschlitz
vorgesehen sein, wobei das oberste Blech
1 und das unterste
Blech
1 des Statorblechpakets keine Schlitze aufweisen, oder
es kann jeweils eine Vielzahl von Nutschlitzen vorgesehen sein,
welche in Richtung der Mittelachse A des Stators zueinander parallel
versetzt sind, wobei zwischen den einzelnen Nutschlitzen jeweils
ein oder mehrere Bleche
1 angeordnet sind, worin keine Schlitze
ausgebildet sind.
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Weiter
beschreibt die
DE
102 42 404 A1 einen als Blechpaket ausgebildeten Stator
einer elektrischen Maschine, der in der
9 gezeigt ist, wobei das Blechpaket aus übereinandergestapelten Blechlaminaten
1 mit
im Wesentlichen konstanter Dicke besteht und ringförmig mit
nach außen
abstehenden Polzähnen
2 aufgebaut
ist. Um in Bezug auf die
DE
198 42 948 und die
DE 102 03 272 A1 eine einfachere Fertigung
bei ähnlichen
magnetischen Eigenschaften zu erzielen, weisen die für das gesamte
Statorblechpaket gleich ausgestalteten Blechlaminate
1 zwischen
den Polzähnen
2 einen
Abschnitt
13 mit geringerer Dicke als die im Wesentlichen
konstante Dicke auf.
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Allen
beschriebenen Statoren ist es gemeinsam, dass der magnetische Kreis
des Stators geteilt, d.h., segmentiert ist, so dass die Fasenspulen
getrennt von dem Stator gewickelt werden können und anschließend vor
dem endgültigen
Zusammensetzen des Magnetkreises auf die Polzähne des Stators gesetzt werden
können.
Die Vorteile dieses Verfahrens des Statoraufbaues sind vielfältig. Z.B.
können
die Fasenspulen sehr präzise
gewickelt werden, wodurch ein hoher Füllfaktor der Lücken zwischen
den Polzähnen
besteht und die Endwindungen minimiert werden können, wodurch die Länge des
Motors reduziert werden kann und demzufolge Kosten gespart werden
können.
Nachdem die Fasenspulen eingesetzt sind, wird der mit den Fasenspulen
versehene Kern des Stators in den äußeren Rückschlussring gepresst oder
mittels einer Wärmepassung
eingesetzt.
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Der
Aufbau des sternförmigen
aus Einzelblechen
1 aufeinander geschichteten Kerns ist
sehr komplex. Im Falle der
DE
198 42 948 müssen
zwei unterschiedliche Formen von Lamellenblechen
1 erstellt
werden, nämlich
der einzelne Polzahn
2 und der Stern, d.h. durch Stege
3 mit
Verbindungen
11 verbundene Polzähne
2. Diese beiden
Formen der Lamellenbleche
1 müssen in einer genauen vordefinierten
Reihenfolge aufeinander geschichtet werden, um den Kern zu erzeugen.
Die individuellen aufeinander geschichteten Polzähne
2 werden nur mittels
ineinander greifender Eindrückungen
4 gehalten,
wodurch die Polzähne
2 entweder
eine Schwalbenschwanzverbindung an dem Ende des Rückschlussrings
benötigen,
um ihre mechanische Stabilität
zu gewährleisten
und sie in ihrer radialen Position zu fixieren, oder es ist nötig, dass
der gesamte Statorkern in einer Epoxy-Verbindung gekapselt werden
muss.
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Allgemein
schließen
die Verbindungen 11 oder dünneren Abschnitte 13 der
Stege 3 zwischen den Polzähnen den Magnetfluss des Rotors
kurz, wodurch der von den Fasenspulen verbundene Gesamtfluss und
dadurch das Ausgangsmoment des Motors reduziert werden. Diese Verbindungen 11 oder
dünneren
Abschnitte 13 können
weiter zu einer nicht-sinusförmigen
Wellenform der elektromotorischen Kraft führen, wenn der Motor belastet
wird, wodurch eine Welligkeit des elektromagnetischen Moments ansteigen
kann. Weiter verkompliziert die Verwendung von Verbindungen 11 oder
dünneren
Abschnitten 13 die Berechnung der elektromagnetischen Eigenschaften
des Motors, da z.B. für
die Optimierung des Motors bei Verwendung von 2D-Finite-Elemente-Verfahren
kein bekanntes Verfahren der genauen Modellierung solcher Verbindungen
(oder teilweise geschlossener Spaltöffnungen) bekannt ist.
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Wie
zuvor angegeben, werden von der
DE 102
42 404 und der
DE 102
03 272 die zuvor beschriebenen Nachteile teilweise überwunden,
so wird durch die
DE 102 42
404 der Aufbau des sternförmigen Kerns vereinfacht. Die
durch die
DE 102 03 272 erfolgende
Verminderung der Welligkeit des elektromagnetischen Drehmoments
weist jedoch den Nachteil von einer größeren Anzahl von unterschiedlichen Formen
der Polzähne
2 auf,
die hergestellt und zueinander angeordnet werden müssen.
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Der
erfindungsgemäße Stator
für eine
elektrische Maschine, der einen aus Lamellenblechen bestehenden
Kern aufweist, wobei Polzähne
jedes Lamellenblechs des Kerns über
jeweilige Stege 3 und Verbindungen 11 miteinander
verbunden sind, ist derart ausgebildet, dass die Lamellenbleche
des Kerns aus einem Zwei-Zustands-Stahl bestehen und im Bereich
der Polzähne
eine hohe relative Permeabilität
sowie im Bereich der Stege einen Abschnitt mit einer niedrigen relativen
Permeabilität
aufweisen.
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Korrespondierend
dazu umfasst das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Stators für
eine elektrische Maschine, der einen aus Lamellenblechen bestehenden
Kern aufweist, wobei Polzähne
jedes Lamellenblechs des Kerns über
jeweilige Stege miteinander verbunden sind, die Schritte:
- – Fertigen
der Lamellenbleche aus einem Zwei-Zustands-Stahl mit einer hohen relativen Permeabilität, und
- – Durchführen einer
Wärmebehandlung
der Lamellenbleche im Bereich der Stege, so dass dort Abschnitte
mit einer niedrigen relativen Permeabilität entstehen.
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Erfindungsgemäß können die
Lamellenbleche vor oder nach der Wärmebehandlung zu dem Statorkern
gestapelt werden. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von aus Zwei-Zustands-Stahl bestehenden
Lamellenblechen für
den Magnetkern in elektrischen Maschinen können sowohl hinsichtlich der
mechanischen als auch der elektromagnetischen Eigenschaften Vorteile
erzielt werden. Bei dem Zwei-Zustands-Stahl kann die normal vorherrschende
hohe magnetische Permeabilität
in lokalen Bereichen mittels einer Wärmebehandlung permanent auf die
Permeabilität
von Luft reduziert werden. Die "Spaltöffnungen" des Statorkerns
werden durch eine Demagnetisierung des magnetischen Materials erzeugt,
wodurch keine komplizierten Brückenanordnungen
in den Spaltöffnungen
erfolgen müssen,
d.h., die "Spaltöffnungen" bestehen aus durchgängigem Material,
das eine geringe relative Permeabilität aufweist, vorzugsweise die
von Luft. Eine solche "Spaltöffnung" wird im Folgenden
auch als "effektiver
Spalt" bezeichnet.
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Weiter
kann die Verwendung dieses Verfahrens zur Erzeugung von effektiven
Spalten in einem Stator verwendet werden, um geneigte oder beliebig anders
geformte effektive Spalte zu erzeugen, damit Rastmomente und Wellen
des elektromagnetischen Moments reduziert werden. Durch die Erfindung
können
schräge
oder beliebig geformte effektive Spalte erreicht werden, ohne dass
der Kern tatsächlich
physische Aussparungen aufweisen muss, d.h. erfindungsgemäß braucht
nur eine Art Lamellenblech gefertigt zu werden.
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Nach
der Erfindung liegt die hohe relative Permeabilität vorzugsweise
im Bereich von 900 oder darüber
und die niedrige relative Permeabilität liegt erfindungsgemäß vorzugsweise
im Bereich von 1. Bei diesen Werten können die effektiven Spalte
des erfindungsgemäßen Stators
mittels einer Wärmebehandlung
erzeugt werden, bei der das Material auf Temperaturen oberhalb von
1100°C erwärmt wird, damit
die relative Permeabilität
permanent um nahezu drei Größenordnungen
von etwa 900 auf 1, d.h., Luft, reduziert wird. Diese Erwärmung erfolgt
erfindungsgemäß vorzugsweise
mittels des Verfahrens eines Plasma-Schweißkopfs über die Abschnitte, die den
jeweiligen effektiven Spalt bilden sollen.
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Der
erfindungsgemäße Stator
besteht also aus gleichen einstückigen
weichmagnetischen Lamellenblechen, die nebeneinander liegende Bereiche
mit hoher und niedriger Permeabilität aufweisen. Die wärmebehandelten
Bereiche niedriger Permeabilität
weisen weiterhin die mechanische Stärke und Integrität des ursprünglich mit
einer hohen Permeabilität
versehenen Lamellenblechs auf.
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Nach
der Erfindung sind die Abschnitte der einzelnen Lamellenbleche vorzugsweise
so ausgebildet, dass der Kern im Bereich der Stege zwischen zwei
Polzähnen
jeweils einen effektiven Spalt mit niedriger relativer Permeabilität aufweist,
der parallel zu einer Mittelachse des Stators verläuft. Durch
diese konstruktive Ausgestaltung wird ein Stator gemäß der
DE 198 42 948 geschaffen,
bei dem die mechanische Festigkeit aufgrund es nicht vorhandenen
tatsächlichen
physikalischen Spalts im Material verbessert wird. Weiter ist die
Fertigung aufgrund der jeweils gleich ausgestalteten Lamellenbleche
einfacher.
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Alternativ
sind die Abschnitte der einzelnen Lamellenblech erfindungsgemäße vorzugsweise
so ausgebildet, dass der Kern im Bereich der Stege zwischen zwei
Polzähnen
jeweils einen effektiven Spalt mit niedriger relativer Permeabilität aufweist,
der in einem vorbestimmten Winkel schräg zu einer mittleren Achse
des Stators verläuft.
Hierdurch wird ein Stator gemäß der
DE 102 03 272 A1 geschaffen,
wobei die in Bezug auf die
DE
198 42 948 genannten Vorteile erhalten bleiben.
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Wie
zuvor beschrieben, kann der erfindungsgemäße effektive Spalt, der also
lediglich ein Spalt bezüglich
der Permeabilität
und nicht bezüglich
des Materials ist, beliebig ausgestaltet sein, da er durch eine
Wärmebehandlung des
schon zusammengesetzten Statorkerns erfolgt. Der effektive Spalt
kann also auch so ausgestaltet sein, dass er in einer ersten Hälfte des
Kerns in einem vorbestimmten Winkel schräg zu einer Mittelachse des
Stators verläuft
und in einer zweiten Hälfte
des Kerns in dem negierten vorbestimmten Winkel schräg zur Mittelachse
des Stators verläuft,
also fischgrätenförmig.
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Der
erfindungsgemäße Stator
ist vorzugsweise segmentiert, wobei um den Kern ein Rückschlussring
angeordnet ist. Zur Fertigung des erfindungsgemäßen Stators werden demzufolge
die Schritte des Stapelns der Lamellenbleche zu einem Kern und der
Wärmebehandlung,
des Einsetzens von Spulen auf die Polzähne des Kerns und des Einsetzens
des mit den Spulen versehenen Kerns in einen Rückschlussring ausgeführt.
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Zeichnung
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In
der nachfolgenden Beschreibung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2a und 2b schematische
perspektivische Detailansichten des in 1 gezeigten
Statorkerns,
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3 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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4 eine
Aufsicht auf den in der 3 gezeigten Statorkern gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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5 eine
schematische perspektivische Teilansicht des den Statorkern bildenden
Statorblechpakets des in den 3 und 4 gezeigten zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
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6 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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7 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns nach dem
Stand der Technik (
DE 198 42
948 ),
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8 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß dem Stand
der Technik (
DE 102 03 272 ),
und
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9 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß dem Stand
der Technik (
DE 102 42 404 ).
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 1 ein Statorkern
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt ist, umfasst der Statorkern mehrere
zahnförmige
nach außen
gerichtete Polzähne 2.
Zwischen zwei benachbarten Polzähnen 2 ist
jeweils ein Steg 3 vorgesehen.
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Der
Statorkern setzt sich aus einer Vielzahl von einzelnen Blechen 1 zusammen,
welche übereinandergesetzt
werden. Die Bleche 1 werden vorzugsweise gestanzt, so dass
sie fertigungstechnisch einfach herstellbar sind. Die 2a und 2b zeigen
Detailansichten des in der 1 gezeigten
Statorkerns, wobei die einzelnen Lamellenbleche 1 erkennbar
sind.
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Die
Stege 3 weisen jeweils einen wärmebehandelten Abschnitt 5 auf,
der z.B. unter Verwendung eines Plasma-Schweißkopfs wärmebehandelt wurde, um die
magnetischen Eigenschaften der Lamellenbleche 1 so zu ändern, dass
sie mit Luft vergleichbar sind, also um einen effektiven Luftspalt 5 zwischen
den Polzähnen 2 zu
bilden. Die Abschnitte niedriger Permeabilität der einzelnen Lamellenbleche 1 bilden
eine durchgehenden effektiven Spalt 5, der parallel zu
einer Mittelachse A des Stators verläuft. Diese zwischen den Polzähnen 2 gebildeten
effektiven Luftspalte 5 sind äquivalent zu den herkömmlichen
Spaltöffnungen
in einem herkömmlich hergestellten
Statorkern. Es ist auch möglich,
dass die Stege 3 vollständig
den jeweiligen effektiven Spalt 5 bilden, d.h., vollständig wärmebehandelt
werden.
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Wie
es in den 2a und 2b gezeigt
ist, können
sich die Stege 3 auch alternativ zu der in 1 gezeigten
konstanten Dicke zu der zwischen den Polzähnen 2 liegenden Mitte
hin verjüngen.
Der zwischen zwei Polzähnen 2 ausgestaltete
effektive Spalt 5 kann dann z.B. an der dünnsten Stelle
der Lamellenbleche 1 angeordnet sein.
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Jedes
Lamellenblech 1 ist vorzugsweise axial über sich verschwenkende Vertiefungen
und Vorsprünge 4 mit
dem benachbarten Lamellenblech 1 verbunden, wie es auch
bei dem Stand der Technik erfolgt.
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Das
erfindungsgemäße Zwei-Zustands-Lamellenblech
weist ähnliche
oder bessere magnetische oder mechanische Eigenschaften auf, als
herkömmliches
0,5 mm dickes Silizium-Stahl-Lamellenblech,
1,0 mm dickes nicht-legiertes kaltgewalztes Lamellenblech oder eine
herkömmlich
verfügbare weichmagnetische
Pulvermaterialmischung (z.B. ein Soft Magnetic Composite Material),
die üblicherweise in
elektrischen Maschinen mit segmentierten Statoren verwendet werden,
wobei ein erfindungsgemäßer Statorkern
im Vergleich mit den zum Stand der Technik beschriebenen Statorkernen
mechanisch stabiler ist, da keine Unterbrechungen des Materials der
Stege 3 erfolgt, sondern lediglich eine Änderung der
magnetischen Eigenschaften.
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Die 3 und 4 zeigen
einen erfindungsgemäßen Statorkern
eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, bei dem die zwischen den Polzähnen 2 gebildeten
effektiven Spalte 6 nicht parallel zu der Mittelachse A
des Stators verlaufen, sondern in einem vorbestimmten Winkel schräg zu der
Mittelachse A des Stators verlaufen. Hier weist ein effektiver Spalt 6 also
an einem Ende des Statorblechpakets neben einem Polzahn 2a ein
Ende 6a und an dem anderen Ende des Statorblechpakets ein Ende 6b neben
dem benachbarten Polzahn 2b auf. Weiter ist in der 4 ein
Rückschlussring 8 gezeigt, in
den das Statorblechpaket eingesetzt ist. 5 zeigt
eine perspektivische Teilansicht des erfindungsgemäßen Statorkerns
gemäß dieser
zweiten bevorzugten Ausführungsform,
wobei die einzelnen Lamellenbleche 1 erkennbar sind.
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6 zeigt
eine dritte bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Statorkerns,
bei dem die effektiven Spalte 7 nicht lediglich in einem vorbestimmten
Winkel schräg
zu der Mittelachse A des Stators verlaufen, sondern in einer ersten
Hälfte in
einem vorbestimmten Winkel schräg
zu der Mittelachse A und in einer zweiten Hälfte des Kerns in dem negierten
vorbestimmten Winkel schräg
zu der Mittelachse A des Stators, d.h., V- oder fischgrätförmig, wobei
beide Enden der effektiven Spalte 7 neben dem gleichen
Polzahn liegen.
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Die 1 bis 6 lassen
erkennen, dass die Form eines jeweiligen effektiven Spaltes 5, 6, 7 frei
gewählt
werden kann, da keine Unterbrechungen des Materials der einzelnen
Lamellenbleche 1 erfolgt. Hierdurch kann eine effektive
Reduzierung von Wellen des elektromagnetischen Moments und von einem
Rastmoment reduziert werden, wodurch die Vibration elektrischer
Maschinen reduziert werden kann. Die Wärmebehandlung/Entmagnetisierung
der effektiven Spalte 5, 6, 7 kann erfolgen,
nachdem der Statorkern zusammengesetzt ist, wodurch Spalte 5, 6, 7 entstehen,
die keinen Versatz bezüglich
nebeneinanderliegender Lamellenbleche 1 aufweisen, auch
dann nicht, wenn die effektiven Spalte 6, 7 nicht parallel
zu der Mittelachse A des Stators verlaufen.
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Der
Aufbau des sternförmigen
Statorkerns gemäß der Erfindung
ist im Vergleich mit dem Stand der Technik einfacher, da nur eine
Form von Lamellenblechen 1 hergestellt werden muss und
diese Lamellenbleche 1 nicht in einer genauen vordefinierten Reihenfolge
aufeinandergeschichtet werden müssen.
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Weiter
ist nach der Erfindung keine Schwalbenschwanzführung an der Verbindung mit
den Lamellenblechen 1 und dem Rückschlussring 8 nötig, um
die radiale Position der Lamellenbleche 1 zu sichern und
zu fixieren. Auch braucht der gesamte Stator nicht in einer Epoxy-Verbindung
gekapselt zu werden, um die radiale Position der individuellen Polzähne 2 zu
sichern.
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Nach
der Erfindung braucht der sternförmige aus
den aufeinandergeschichteten Lamellenblechen 1 bestehende
Statorkern lediglich einer Wärmebehandlung
unterzogen zu werden, z.B. durch die Bewegung eines Plasma-Schweißkopfes über die
Abschnitte der Lamellenbleche 1, die den effektiven Spalt 5, 6, 7 bilden
sollen. Es ist natürlich
auch möglich,
jedes individuelle Lamellenblech 1 wärmezubehandeln, bevor der Statorkern
zusammengesetzt wird.
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Der
erfindungsgemäße Stator
weist den elektromagnetischen Vorteil auf, dass kein Magnetfluss über die
wärmebehandelten
entmagnetisierten Stege 3 kurzgeschlossen wird, da diese
Stege 3 jeweils einen durchgehenden ununterbrochenen effektiven
Spalt 5, 6, 7 mit den magnetischen Eigenschaften
von Luft aufweisen. Hierdurch können
evtl. bestehende schlechtere Eigenschaften des Zwei-Zustands-Stahls
ausgeglichen werden und das Drehmoment eines Motors im Vergleich
mit einem Motor, der einen herkömmlichen
Statorkern-Rückschlussring-Aufbau
aufweist und mit herkömmlichem
Lamellenblech aufgebaut ist, erhöht
werden. Nach der Erfindung können
sinusförmige
Wellenformen der elektromagnetischen Kraft auch unter Belastung
der Maschine erhalten werden. Weiter wird durch das Entfernen der
magnetischen Brücken
die Berechnung und die Optimierung der elektrischen Maschine stark vereinfacht.