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Die
Erfindung betrifft eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine,
insbesondere für
einen bürstenlosen
Gleichstrommotor, gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1 (
DE
693 04 889 T3 ) sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Die Statoranordnung umfaßt
einen Jochring und einen inneren Ring, der von dem Jochring radial
nach innen abstehende Polschenkelkörper aufweist, an deren Enden
Polköpfe
ausgebildet sind. Die Polköpfe
benachbarter Polschenkelkörper
sind über
Verbindungsabschnitte seitlich miteinander verbunden. An den Verbindungsabschnitten
sind Magnetflußsperren ausgebildet.
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Ein
Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Gebiet der bürstenlosen
Gleichstrommotoren und anderer Permanentmagnetmotoren, die als Innenläufermotor
konfiguriert sind. Die Erfindung kann jedoch auch auf andere elektrische
Maschinen angewendet werden.
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Elektrische
Maschinen mit einer Innenläuferkonfiguration
umfassen eine Rotoranordnung, die auf der Welle montiert ist und
ein oder mehrere Permanentmagnete umfaßt, sowie eine Statoranordnung mit
beispielsweise einem genuteten Statorkörper aus einem laminierten
Blechstapel, auf den Phasenwicklungen aufgebracht sind. Die Rotoranordnung
ist koaxial in die Statoranordnung eingefügt.
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4 zeigt
schematisch den Grundaufbau einer elektrischen Maschine, mit einem
Gehäuse 22, in
dem die Rotoranordnung 24, die Statoranordnung 26 sowie
Lager 28, 30 zum drehbaren Lagern der Rotoranordnung
untergebracht sind. Die Statoranordnung umfaßt einen genuteten, laminierten
Metallblechstapel 32, der einen Statorrückschluß sowie von dem Statorrückschluß in radialer
Richtung nach innen ragende Statorpole aufweist. Auf die Statorpole
sind Wicklungen 34 aufgebracht. Die Statorpole tragen an
ihren inneren Enden Polschuhe, welche einen Raum zum Einfügen der
Rotoranordnung eingrenzen. Die Rotoranordnung umfaßt die Welle 36, einen
Rückschluß 38 und
Permanentmagnete 40. Die Lager 28, 30 für die Rotoranordnung
können
in einen Flansch oder das Motorgehäuse integriert sein.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, einen Statorkörper aus mehreren genuteten
Metallblechen aufzubauen, die in einer Form ausgestanzt werden, welche
dem Querschnitt des Statorkörpers
entspricht, und zu einem laminierten Blechstapel zusammengefügt werden.
Solche laminierten Blechstapel bieten eine gute, gleichmäßige Magnetfeldverteilung
durch den gesamten Statorkörper
und eine Reduktion von Wirbelströmen.
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Ferner
ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen Statorkörper aus
einer Anzahl Statorsegmente aufzubauen, wobei ein Statorsegment üblicherweise
einen Statorpol einschließlich
Polschuh umfaßt,
und die einzelnen Statorsegmente über einen getrennten Rückschlußring zu
verbinden. Beispiele für
solche Statoren sind unter anderem beschrieben in der
US 6,359,355 B1 ; WO 02/47238
A1;
US 5,786,651 A ;
DE 198 42 948 A1 ;
EP 0 915 553 B1 ;
US 6,049,153 A ,
US 5,796,195 A ;
EP 1 014 536 A2 und
WO 02/47240 A1. Der Vorteil eines solchen Statorkörpers, der
aus mehreren einzelnen Statorsegmenten aufgebaut ist, ist, daß jedes
Segment, welches einen Statorpol bildet, eine vorgefertigte Spule
aufnehmen kann bzw. separat bewickelt werden kann. Erst nach dem
Aufbringen der Spulen auf die jeweiligen Pole der Statorsegmente,
werden die Statorsegmente zu einem zylindrischen Stator zusammengefügt.
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Im
Stand der Technik sind ferner zweiteilige Statoranordnungen, bestehend
aus einem Jochring und einem inneren Ring mit zusammenhängenden Polschenkelkörpern, bekannt,
wie sie beispielsweise in der
DE 102 42 404 A1 , der
DE 196 52 795 A1 und der
DE 39 07 516 A1 beschrieben
sind.
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Während Statoren
mit einzelnen Statorsegmenten für
jede Statorpol den Nachteil haben, daß sie aus einer Vielzahl von
Einzelteilen zusammengesetzt werden müssen, besteht bei den Anordnungen gemäß den zuletzt
genannten Druckschriften das Problem eines magnetischen-Kurzschlusses zwischen
den Polschenkelkörpern.
Somit ist also entweder der Aufbau des Statorkörpers aufwendig oder seine
magnetischen Eigenschaften sind ungenügend.
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Die
WO 01/48890 A1 und die
US
6,815,863 B1 zeigen Statoranordnungen, die aus einem Jochring
und einen inneren Ring mit Polschenkelkörpern aufgebaut sind und bei
denen die Polschenkelkörper mittels
eines weiteren Bauteils mit höherer
Reluktanz verbunden sind.
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Abhängig von
der genauen Art der Konstruktion müssen gegebenenfalls zusätzliche
Maßnahme getroffen
werden, um einen in sich mechanisch stabilen Statorkörper zu
schaffen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Statoranordnung für eine elektrische
Maschine anzugeben, die einfach aufgebaut und bewickelt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Statoranordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein
Verfahren nach Anspruch 4 gelöst.
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Erfindungsgemäß sind die
Polschenkelkörper
der Statoranordnung der eingangs erläuterten Art aus einer Zwei-Phasen-Magnetmateriallegierung hergestellt,
das in einem ersten Zustand ferromagnetisch und in einem zweiten
Zustand paramagnetisch ist. Die Polschenkelkörper werden zusammenhängend aus
dem ferromagnetischen Magnetmaterial hergestellt, und anschließend werden
die Polköpfe im
Bereich der Verbindungsabschnitte der Polschuhe erhitzt, um das
Magnetmaterial lokal begrenzt in den paramagnetischen Zustand zu
bringen. Auf diese Weise kann eine Statoranordnung für eine Innenläufermaschine
hergestellt werden, bei der die Polschenkelkörper aus einem ferromagnetischen
Material bestehen und am Innenumfang des Statorkörpers durch die von den Polköpfen gebildeten
Verbindungsabschnitte verbunden sind, ohne daß ein magnetischer Kurzschluß entsteht.
Dies wird dadurch verhindert, daß das Material der Statorpole
im Bereich der Verbindungsabschnitte in ein paramagnetisches Material
umgewandelt wird. Gleichwohl hat das Magnetmaterial der Polschenkelkörper eine
einzige feste chemische Zusammensetzung.
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Die
Erfindung macht es möglich,
eine Statoranordnung derart aufzubauen, daß zunächst ein am Innenumfang über die
Polköpfe
zusammenhängender
Ring aus den Polschenkelkörpern
gebildet wird, so daß die
Statorpole von der Außenseite
her bewickelt werden können.
An schließend
wird außen auf
die bewickelten Statorpole ein ringförmiger Statorrückschluß aufgebracht,
welcher der Statoranordnung zusätzlich
Stabilität
verleiht. Die Statorpole können
am Innenumfang verbunden bleiben, weil sie durch die paramagnetischen
Verbindungsabschnitte magnetisch voneinander getrennt sind.
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Der
besondere Aufbau der erfindungsgemäßen Statoranordnung erlaubt
es nicht nur, die Statorpole von außen zu bewickeln, sondern ermöglicht auch
die Verwendung dickerer Wickeldrähte
sowie das Erzielen eines höheren
Füllfaktors
in den Nuten zwischen den Statorpolen. Auch ist es möglich, vorgewickelte
Spulen zu verwenden, welche auf die Statorpole aufgesteckt werden.
Durch die Verbindung der Statorpole sowohl am Innenumfang über die
Verbindungsabschnitte als auch am Außenumfang über den Statorrückschluß ergibt
sich eine mechanisch besonders stabile Anordnung. Ferner hat die
Statoranordnung den Vorteil, daß der
Stator gegenüber
dem Rotor abgeschlossen ist und daß der ringförmige Statorrückschluß gleichzeitig
eine Gehäusefunktion übernehmen
kann.
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Ein
Material, das sich für
die Herstellung der Statorpole gemäß der Erfindung eignet, ist
eine Legierung auf der Basis von Fe-Cr-C, die von Hitachi Metals
Ltd., Tokyo, Japan, unter der Bezeichnung YEP FA1-Stahl hergestellt
wird. Diese Legierung ist beispielsweise beschrieben in den
US 6,255,005 B1 und
US 6,390,443 B1 ,
sowie in den japanischen Offenlegungsschriften
JP 2004 091842 A ,
JP 2004 143585 A und
JP 2004 281737 A .
Auf diese Schriften wird in bezug auf die Zusammensetzung des Magnetmaterials
sowie auf die darin offenbarten Temperaturbereiche, insbesondere
Temperaturen zum Umwandeln des Magnetmaterials von dem ferromagnetischen
in den paramagnetischen Zustand, Bezug genommen. In den genannten
Veröffentlichungen wird
das Magnetmaterial in elektromagnetischen Ventilen und anderen Magnetbauteilen
verwendet; eine Verwendung in Statoranordnungen ist weder beschrieben
noch angedacht.
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Erfindungsgemäß werden
die Polschenkelkörper
an den Polschuhen zusammenhängend
aus dem ferromagnetischen Magnetmaterial hergestellt, und anschließend werden
die Polköpfe
im Bereich der Verbindungsabschnitte erhitzt, um das Magnetmaterial
lokal begrenzt in den pa ramagnetischen Zustand zu überführen. Die
Erwärmung
kann beispielsweise mittels Laserstrahlung oder Induktionswärme erfolgen.
Die Verbindungsabschnitte werden vorzugsweise auf eine Temperatur >1150 °C erwärmt.
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In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung werden die Polschenkelkörper aus einem Blech aus dem
Magnetmaterial ausgestanzt, und anschließend werden mehrere gestanzte
Polschenkelkörper zu
einem Blechstapel paketiert. In einer besonders vorteilhaften Ausführung der
Erfindung werden die Polschenkelkörper in einer geradlinigen
Reihe von zusammenhängenden,
parallel nebeneinanderliegenden Statorpolen ausgestanzt, so daß beim Stanzvorgang
nur sehr wenig Verschnitt entsteht. Die Statorbleche werden paketiert
und anschließend
zu einem Ring gebogen (rolliert), der an seinen einander zugewandten,
offenen Enden geschlossen wird. Es ist jedoch auch möglich, die
Statorbleche bereits in Ringform auszustanzen.
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Der
so gebildete Statorring kann nun von außen bewickelt werden und wird
anschließend
durch den Statorrückschlußring geschlossen.
Dies erlaubt den Einsatz einer einfachen Wickeltechnik, die Erzielung
eines höheren
Füllfaktors
sowie die Verwendung von dickerem Wickeldraht, weil die Drahtdicke nicht
durch die Breite der Statorpollücken
begrenzt ist.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird für
den Statorrückschluß (Joch)
ein Sintermaterial verwendet, beispielsweise EU-67Hx, so daß der Statorrückschluß nicht
nur ein Rückpfad
für das Magnetfeld,
sondern optional auch ein nach außen dichtes Gehäuse bilden
kann. Es ist jedoch auch möglich,
den Rückschluß beispielsweise
aus einem ferromagnetischen, stanzpaketierten Blechstapel zu bilden.
Auch hier ist es möglich,
das Rückschlußblech zunächst linear
auszustanzen, anschließend zu
einem Ring zu formen und diesen Ring, beispielsweise durch Laserschweißen, zu
schließen.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführung mit
Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Statoranordnung;
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2 eine
schematische Draufsicht auf einen Blechschnitt zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Statoranordnung;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
des Ausschnitts X aus 2; und
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4 eine
schematische Längsschnittdarstellung
durch einen bürstenlosen
Gleichstrommotor gemäß dem Stand
der Technik, in dem die Erfindung eingesetzt werden kann.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf eine Statoranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung,
wobei zur besseren Übersichtlichkeit
die Wicklungen 34 nicht überall dargestellt sind. Die
Statoranordnung weist bei dem gezeigten Beispiel sechs Statorpole 10 auf,
die an ihrem Außenumfang über einen
Statorrückschluß 12 verbunden
sind. Die Statorpole 10 erstrecken sich von dem ringförmigen Statorrückschluß 12 radial
nach innen und weisen an ihren inneren Enden Polschuhe 14 auf,
wobei benachbarte Polschuhe über
Stege 16 miteinander verbunden sind. Diese Stege 16 können durch
die jeweils aneinandergrenzenden Kanten der Polschuhe 14 gebildet
werden. Zwischen den Polschuhen 14 sind Nuten 18 zum
Aufnehmen von Wicklungen gebildet.
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Erfindungsgemäß bestehen
die Polschuhe aus einem Magnetmaterial, das in einem ersten Zustand
ferromagnetisch und in einem zweiten Zustand paramagnetisch ist,
wobei das Magnetmaterial nur im Bereich der Stege 16 in
den paramagnetischen Zustand gebracht ist, während es in den übrigen Bereichen
der Statorpole 10 einschließlich der Polschuhe 14 ferromagnetisch
ist.
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Die
Statorpole der erfindungsgemäßen Statoranordnung
werden vorzugsweise aus einem laminierten Blechstapel mit den beschriebenen
Eigenschaften gebildet. Der Statorrückschluß 12 kann ebenfalls
aus einem laminierten Blechstapel gebildet werden, wobei bei 20 Verbindungspunkte
dargestellt sind, bei denen dieser Blechstapel stanzpaketiert ist. Schweißen und
Kleben sind weitere mögliche
Verbindungstechniken. Der Statorrückschluß 12 kann auch aus
einem Sintermaterial, wie EU-67Hx hergestellt werden.
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Das
bevorzugte Material für
die Statorpole 10 ist ein YEP FA1-Stahl, der von Hitachi
Metals Ltd., Tokyo, Japan entwickelt wurde. Dies ist eine Legierung
auf der Basis von Fe-Cr-C, welche zusätzlich Anteile an Si, Mn, Ni
oder Al enthält.
Dieses Material hat einen ferromagnetischen Zustand mit einer relativen
magnetischen Permeabilität
von ungefähr
900 und einen paramagnetischen Zustand mit einer relativen magnetischen
Permeabilität
von nicht mehr als 1,01. Das Material kann von dem ferromagnetischen in
den paramagnetischen Zustand überführt werden, indem
es auf eine Temperatur erwärmt
wird, die über 1050 °C, insbesondere über 1100 °C bevorzugt
im Bereich von 1100 °C
und 1200 °C
liegt. Ein besonders bevorzugter Temperaturbereich liegt zwischen 1150 °C und der
Schmelztemperatur des Materials.
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Weitere
Einzelheiten sind beschrieben beispielsweise in dem
USA 6,255,005 B1 sowie in
den oben genannten japanischen Offenlegungsschriften.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird die Statoranordnung wie im folgenden mit Bezug
auf die 2 und 3 erläutert hergestellt. Zunächst werden
die Statorpole 10 in einer linearen Anordnung aus parallel
nebeneinanderliegenden, zusammenhängenden Statorpolen aus einem
Blech aus dem Magnetmaterial ausgestanzt, wobei ein laminierter
Blechstapel aus mehreren solchen Blechen gebildet wird. Die einzelnen
Statorpole 10 sind zunächst
nur über
die Stege 16 zwischen den Polschuhen 14 verbunden.
Das Magnetmaterial befindet sich in dem ferromagnetischen Zustand.
Die Stege 16 zwischen den Polschuhen 14 werden
wärmebehandelt,
wodurch die magnetische Permeabilität μr in
diesem Bereich auf ≤1,01
erniedrigt wird. Diese Wärmebehandlung
kann z.B. mittels einer Induktionsspule, oder durch Laserbehandlung
erfolgen. Vor oder nach dem Erwärmen
der Stege 16 wird die in 2 gezeigte
Anordnung (ohne den Statorrückschluß 12)
in Ringform gebogen, und an den Verbindungsstellen 16' miteinander
beispielsweise durch Laserschweißen verbunden und dadurch geschlossen.
Es ergibt sich ein geschlossener Ring aus den Polschuhen 10 (ohne
Statorrückschluß 12),
der am Innenumfang über
die Stege 16 verbunden ist. Die Wandungsdicke d der Stege 16 beträgt weniger
als 0,5 mm, vorzugsweise etwa 0,35 mm. Dieser Ring kann nun von
außen
durch einfache Wickeltechnik bewickelt werden. Die Anordnung erlaubt
die Verwendung eines vergleichsweise dicken Wickeldrahtes, weil
sich keine Begrenzung dadurch ergibt, daß der Wickeldraht durch Statorpollücken hindurchgeführt werden
muß. Es
ist ein hoher Füllfaktor
erreichbar, und es ist sogar möglich,
vorgewickelte Spulen zu verwenden, welche auf die Statorpole 10 von
der Außenseite
her aufgesteckt werden.
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Anschließend wird
der ringförmige
Statorrückschluß 12,
wie in 1 gezeigt, auf die Polschuhe 10 aufgeschoben
und mit diesen, beispielsweise mittels Laserschweißen, Kleben
oder durch eine Preßpassung
verbunden. Es ist möglich,
den Statorrückschluß 12,
wie in 2 gezeigt, aus einem geradlinigen Blechstreifen
auszustanzen und anschließend
zu einer Ringform zu biegen und zu schließen.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Statoranordnung
sind, daß der
Rotorraum im Inneren der Statoranordnung gegenüber dem Stator abgeschlossen
ist, und daß der
Statorkörper
sowohl am Innen- als auch am Außenumfang
zusammenhängend
ist, so daß die
mechanische Auswirkung von Magnetkräften und Stößen auf die Statorpole deutlich
geringer ist als bei einer Verbindung des Stators nur am Innen-
oder am Außenumfang.
Die Statoranordnung hat ein ausgezeichnetes Verhalten hinsichtlich
Momentenwelligkeit und Rastmoment, die gegebenenfalls durch gezielte
partielle Variation der Erwärmungsbereiche
auf die jeweiligen Anforderungen eingestellt werden können.
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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 ihrer verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.