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Die
Erfindung betrifft eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine,
insbesondere für
einen bürstenlosen
Gleichstrommotor, gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1. Die Statoranordnung umfaßt einen Statorkörper, der
aus gestanzten, zu einem Paket zusammengefügten Blechen aufgebaut ist,
wobei die Bleche den Querschnitt des Statorkörpers bestimmen und der Statorkörper ein
Rückschlußring und
von dem Rückschlußring in
radialer Richtung nach innen abstehende Polstege aufweist. Die Erfindung
betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Statoranordnung.
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Ein
bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind bürstenlose
Gleichstrommotoren und andere Permanentmagnetmotoren, die als Innenläufermotor
konfiguriert sind. Elektromotoren mit Innenläuferkonfiguration weisen einen
Rotor auf, der auf eine Welle aufgebracht ist, wobei der Rotor einen
Rotorkörper
und einen oder mehrere Permanentmagnete umfaßt. Die Permanentmagnete können auf
den Rotorkörper
aufgebracht oder in diesen eingebettet sein, und der Rotorkörper kann
einen Rückschluß bilden.
Ferner umfassen die Motoren eine Statoranordnung, die üblicherweise
aus einer Anzahl paketierter Metallbleche aufgebaut ist, welche
einen ringförmigen
Statorrückschluß bilden,
von dem Statorzähne radial
nach innen abstehen. Der Aufbau des Stators aus einem Blechstapel
oder Blechpaket hat den Zweck, die Bildung von Wirbelströmen im Statorkörper zu
vermeiden. Die Statorzähne
umfassen in der Regel sowohl Polstege und Polschuhe und bilden die Statorpole,
zwischen denen Statornuten zur Aufnahme von Wicklungen gebildet
sind. Die Rotoranordnung ist koaxial in die Statoranordnung eingefügt.
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Üblicherweise
sind die Statorzähne
an ihren freien Enden verbreitert, um die sogenannten Polschuhe
zu bilden, die dazu dienen, soviel magnetischen Fluß wie möglich von
dem Rotor aufzunehmen und das Rastmoment der Maschine zu reduzieren. Die
Polschuhe haben die zusätzliche
Funktion, die Wicklung innerhalb der Nuten in ihrer Position zu
fixieren.
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Der
Außendurchmesser
des Rotors und der Innendurchmesser des Stators werden so gewählt, daß zwischen
Rotor und Stator ein Luftspalt definierter Breite eingehalten wird.
Naturgemäß muß somit für jeden
Rotordurchmesser ein Stator mit daran angepaßtem Innendurchmesser hergestellt
werden. Dies erfordert es, für
die verschiedenen Statoren mit unterschiedlichen Innendurchmessern
jeweils eigene, angepaßte
Stanzwerkzeuge bereitzuhalten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Statoranordnung für einen
Innenläufermotor
anzugeben, die so angepaßt
ist, daß sie
in Verbindung mit Rotoren mit unterschiedlichem Durchmesser verwendet
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Statoranordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch
1 sowie durch Verfahren gemäß Anspruch
5 und gemäß Anspruch
6 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Statoranordnung
umfaßt
einen Statorkörper,
der aus gestanzten, zu einem Paket zusammengefügten Blechen aufgebaut ist.
Die Bleche bestimmen den Querschnitt des Statorkörpers, der einen Rückschlußring und
von dem Rückschlußring in
radialer Richtung nach innen abstehende Polstege aufweist. Erfindungsgemäß nimmt
der Querschnitt der Polstege mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt
der Statoranordnung zu. Ferner sind an den radial innen liegenden,
freien Enden der Polstege keine Polschuhe vorgesehen.
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Bei
Statoranordnungen für
Innenläufermotoren
ist es im Stand der Technik üblich,
daß die
Polstege einen im wesentlichen konstanten Querschnitt haben und
daß an
dem radial innen liegenden, freien Ende jedes Polstegs ein Polschuh
ausgebildet ist, der einen möglichst
großen
Anteil des magnetischen Flusses von dem Rotor aufnimmt. Der Querschnitt
jedes Polstegs bestimmt die Größe des magnetischen Flusses,
der durch den jeweiligen Pol gehen kann.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der magnetische Fluß, welchen
der Rotor abgibt, mit dem Außendurchmesser
des Rotors zunimmt. Daher müssen
die Pole des Stators mit zunehmendem Außendurchmesser des Rotors einen
entsprechend größeren Querschnitt
haben, um den magnetischen Fluß aufnehmen
zu können.
Die Erfindung sieht daher eine Statoranordnung vor, bei welcher
der Querschnitt der Polstege mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt
des Stators zunimmt. Diese Statoranordnung wird aus einzelnen Blechen
aufgebaut, die mit einem entsprechenden Werkzeug ausgestanzt werden,
indem die Breite der Polstege jedes Blechschnitts in radialer Richtung
linear zunimmt. Um Rotoren mit unterschiedlichen Außendurchmessern
aufnehmen zu können,
muß lediglich
ein Stanzwerkzeug zum Ausstanzen des Blechschnittes für die Statoranordnung
mit unterschiedlichen Innendurchmessern angepaßt werden. Hierzu können beispielsweise
verschiedene Einsätze
in das Stanzwerkzeug eingebracht werden, die den Innendurchmesser
anpassen. Für
sämtliche
Statorgrößen ist
dabei das Stanzwerkzeug in bezug auf den Rückschlußring des Stators und die Polstege
unverändert.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung kann auf die freien Enden der Polstege eine Hülse zur
Bildung von Polschuhen aufgebracht sein. Eine solche Hülse ist
beispielsweise beschrieben in der ebenfalls anhängigen deutschen Patentanmeldung
10 2004 056 303 derselben Anmelderin. Wie darin beschrieben, weisen
die Polstege an ihren freien Enden keine sich verbreiternden Polschuhe
auf, wie es im Stand der Technik üblich ist. Die Nutöffnungen
zwischen den Polstegen sind daher weit, und das Einführen von
Wickeldrähten
in die Nutöffnungen zum
Bewickeln der Statorzähne
deutlich einfacher als bei üblichen
Statoranordnungen für
Innenläufermotoren.
Nach dem Bewickeln der Statorzähne
wird auf deren freie Enden eine Hülse aufgebracht, die sich koaxial
zu dem Statorkörper
erstreckt und mit den freien Enden der Zähne magnetisch gekoppelt wird.
Diese Hülse
bestimmt den Innendurchmesser des Stators und schließt diesen
gegenüber
dem Rotor ab.
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Die
Hülse hat
mehrere Funktionen. Zunächst dient
sie als Nutabdeckung und hält
die Wicklung in den Statornuten. Für diese Funktion ist es zweckmäßig, die
Hülse auf
ihrer den Statornuten zugewandten Oberfläche mit einem elektrisch isolierenden
Material zu beschichten, so daß sie
auch die Funktion einer Nutisolierung übernimmt. Eine weitere Funktion
ist die Bildung von Polschuhen. Zu diesem Zweck besteht die Hülse zweckmäßig aus
einem ferromagnetischen Material und ist mit den freien Enden der
Statorzähne
magnetisch gekoppelt. Ferner ist die Hülse so gestaltet, daß sie zwischen
jeweils zwei benachbarten Statorzähnen in axialer Richtung verlaufende, nicht
magnetische Zonen aufweist, um die Polschuhe benachbarter Statorzähne magnetisch
voneinander zu trennen. Diese nicht magnetischen Zonen können beispielsweise
durch Schlitze gebildet werden. Es ist auch möglich, die Hülse aus
einem Zweiphasen-Material herzustellen, das in einem Ausgangszustand ferromagnetisch
ist und das, auch lokal begrenzt, durch Erhitzen in den nicht-magnetischen
Zustand gebracht werden kann. Ein Beispiel eines solchen Materials
ist eine Legierung auf der Basis von Fe-Cr-C, die von Hitachi Metals
Ltd, Tokyo, Japan, unter der Bezeichnung YEP FAl-Stahl hergestellt wird.
Diese Legierung ist beispielsweise beschrieben in den US-Patenten
6,255,005 und 6,390,443, wie in den japanischen Offenlegungsschriften
JP 2004 091842, JP 2004 143585 und JP 2004 281737.
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Die
erfindungsgemäße Statoranordnung wird
entweder so hergestellt, daß jedes
Blech des Statorkörpers
aus einem Rohblech als ein geradliniges Band ausgestanzt wird, um
eine "Scheibe" des Rückschlußringes
und der von dem Rückschlußring abstehenden
Polstege in abgewickeltem Zustand herzustellen, die Bleche zu einem
Blechstapel zusammengefügt
werden und dieser Blechstapel rolliert wird, um den Statorkörper zu
bilden, oder jedes Blech des Statorkörpers kann aus einem Rohblech
mit dem Querschnitt des fertigen Statorkörpers, also im wesentlichen
rund, ausgestanzt werden, und diese Bleche werden, wie im Stand
der Technik bekannt, zu einem Blechstapel zusammengefügt, um den
Statorkörper
zu bilden. Das Herstellen des Statorkörpers im abgewickelten Zustand
aus geradlinigen Blechbändern
hat den Vorteil, daß der
Materialverschnitt minimiert wird, es erfordert jedoch den zusätzlichen
Arbeitsschritt zum Rollieren des Blechbandes und Verbinden der offenen
Enden des Bandes zu einem geschlossenen Statorkörper. Beide Verfahren beruhen darauf,
daß der
Blechschnitt für
Statoren mit unterschiedlichen Innendurchmessern mit grundsätzlich ein
und demselben Stanzwerkzeug hergestellt werden kann, wobei die Polstege
entweder in einem zusätzlichen
Stanzschritt oder durch Vorsehen eines passenden Einsatzes in dem
Stanzwerkzeug auf die gewünschte
Länge gebracht
werden. Die Länge
der Polstege wird abhängig
von dem Durchmesser des zugeordneten Rotors festgelegt. Da sich
der Querschnitt der Polstege mit wachsendem Innendurchmesser des
Stators vergrößert, sind
die Polstege an Rotoren mit wachsendem Außendurchmesser, die einen entsprechend
größeren magnetischen
Fluß abgeben,
automatisch angepaßt.
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Da
die erfindungsgemäße Statoranordnung keine
Polschuhe im eigentlichen Sinne aufweist, können die Wicklungen auf besonders
einfache Weise auf die Polstege aufgebracht werden. Hierzu können vorgefertigte
Spulen auf die Polstege aufgesteckt oder die Wicklungen mittels
bekannter Wickeltechniken in die Nuten zwischen den Polstegen eingebracht
werden. In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die Polstege mit
nach außen
zunehmender Breite so ausgestaltet, daß sich zwischen ihnen im wesentlichen
rechteckige Nuten zur Aufnahme der Spulen bilden.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungen
mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Fig. zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch einen Teil eines Elektromotors
gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
schematische Schnittdarstellung durch einen Teil eines Elektromotors
zur Erläuterung der
Erfindung;
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3 eine
schematische Schnittdarstellung durch einen Teil eines Elektromotors
mit einer Statoranordnung gemäß der Erfindung;
und
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4 eine
auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer elektrischen
Maschine gemäß der deutschen
Patentanmeldung 102004056303 derselben Anmelderin zur Erläuterung
der Erfindung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung durch einen Teil eines Elektromotors
gemäß dem Stand
der Technik. Ebenso wie in den nachfolgenden Darstellungen sind
der Rotor 10 und der Stator 12 des Elektromotors
gezeigt, wobei weitere Einzelheiten, wie Welle, Lager, Gehäuse, Statorwicklungen der Übersichtlichkeit
halber weggelassen sind. Der Rotor 10 umfaßt einen
Rotorkörper
oder Rückschluß 14,
in den Permanentmagnete 16 speichenartig eingebettet sind.
Die unterschiedliche Magnetisierung der Permanentmagnete 16 ist
durch unterschiedliche Schraffuren dargestellt. Der Rotor 10 ist
auf eine Welle aufgebracht, die in der Figur nicht dargestellt ist.
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Der
Stator 12 umfaßt
einen Statorrückschluß 18 und
von diesem in radialer Richtung nach innen sich erstreckende Polstege 20.
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In
der Ausführung
der 1 sind ferner an den radial innen liegenden, freien
Enden der Polstege 20 Polschuhe 22 vorgesehen.
Diese fehlen bei der Ausführung
der 2. Sowohl in 1 als auch
in 2 haben die Polstege 20 eine konstante
Breite und somit einen konstanten Querschnitt. Die Länge der
Polstege 20 ist so bemessen, daß der Stator 12 den
Rotor 10 unter Bildung eines Arbeitsluftspaltes vorgegebener
Breite koaxial umgibt.
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In
den Figuren ist der Rotor 10 mit eingebetteten Permanentmagneten 16 dargestellt,
die im Rotorkörper 14 speichenartig
angeordnet sind. Der Fachmann wird verstehen, daß die Erfindung auch in Verbindung
mit anderen Rotorkonfigurationen realisierbar ist, beispielsweise
mit einem Rotor, auf dessen Außenumfang
ein Permanentmagnetring oder mehrere Einzelmagnete aufgebracht sind.
Ferner ist in 2 dargestellt, daß die Permanentmagnete 16 an
ihren radial innen liegenden Enden paarweise durch eine Aussparung 24 überbrückt sind.
Diese Aussparungen dienen zur Unterdrückung von Streufluß zwischen
den Permanentmagneten und der Welle und können bei einem Elektromotor
gemäß der Erfindung
eingesetzt werden oder nicht.
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3 zeigt
in ähnlicher
Darstellung wie die 1 und 2 einen
Querschnitt durch einen Teil eines Elektromotors gemäß der Erfindung.
Der Rotor 10 kann genauso aufgebaut sein wie mit Bezug
auf die zuvor beschriebenen Ausführungen
oder auf andere im Stand der Technik bekannte Art realisiert sein.
Er wird hier nicht mit weiteren Einzelheiten beschrieben.
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Der
Stator 12 umfaßt ähnlich wie
in 2 einen Statorrückschluß 26 und Polstege 28.
Anders als in der Ausführung
der 2 haben die Polstege 28 jedoch keinen
konstanten Querschnitt, sondern der Querschnitt der Polstege nimmt
mit zunehmendem Abstand von dem Mittelpunkt M der Statoranordnung zu.
Wie in 3 gezeigt, ist dabei die Breite der Polstege in
tangentialer Richtung von ihrem inneren zum äußeren Ende linear zunehmend.
Durch die Gestaltung der Polstege 28 wird dieser Tatsache
Rechnung getragen, daß sich
mit wachsendem Durchmesser des Rotors 10 auch der von dem
Rotor abgegebene magnetische Fluß vergrößert. Die Erfindung sieht daher
eine Statoranordnung vor, die so gestaltet ist, daß Statoren 12 mit
unterschiedlichen Innendurchmessern auf der Grundlage ein und derselben
Stator-Grundform und somit mit ein und demselben Stanzwerkzeug hergestellt
werden können,
wobei abhängig
vom Außendurchmesser
des Rotors 10 lediglich die Länge der Polstege 28 in
radialer Richtung angepaßt
wird. Ist beispielsweise der Außendurchmesser
des Rotors größer als
in 3 gezeigt, so kann gleichwohl derselbe Blechschnitt
für den
Stator 12 verwendet werden, wobei lediglich die Länge der Polstege
in radialer Richtung verkürzt
wird und sich entsprechend kürzere
und im Verhältnis
breitere Polstege ergeben.
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Die
erfindungsgemäße Statoranordnung kann
durch Ausstanzen einzelner Bleche mit einem Blechschnitt, wie in 3 gezeigt,
hergestellt werden, wobei das Stanzwerkzeug unterschiedliche Einsätze zum
Herstellen unterschiedlicher Innendurchmesser des Stators 12 aufnehmen
kann. Alternativ ist es möglich,
die Statorbleche zunächst
als ein lineares Band (nicht gezeigt) auszustanzen, von dem sich die
Polstege im rechten Winkel erstrecken und dieses Band anschließend zu
der gewünschten
Form zu rollieren. Die Länge
der Polstege kann vor oder nach dem Rollieren ebenfalls durch einen
Stanzvorgang eingestellt werden.
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Wie
in 3 gezeigt, kann der zunehmende Querschnitt der
Polstege 28 durch eine lineare Veränderung der Polstegbreite erzeugt
werden. Dabei können
die Seitenflächen
der Polstege so zueinander ausgerichtet sein, daß sich im wesentlichen rechteckige
Nuten 30 zur Aufnahme von Spulen ergeben. Dies ist besonders
vorteilhaft, wenn vorgewickelte Spulen auf die Polstege 28 aufgebracht
werden sollen. Es ist jedoch auch möglich, die Nuten 30 mit
Hilfe bekannter Wickeltechniken zu bewickeln, wobei aufgrund des
Fehlens von Polschuhen der Wickelvorgang vergleichsweise einfach
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung kann auf die radial innen liegenden, freien Enden
der Polstege 28 eine Hülse
aufgebracht werden, nachdem die Polstege bewickelt wurden. Ein Beispiel einer
solchen Hülse
ist in 4 gezeigt, die der Erläuterung dient, jedoch keine
Polstege mit variablem Querschnitt zeigt. In der Ansicht der 4 ist
ein Stator 12 zu erkennen, in dem eine Hülse 32 auf
die Polstege 20 aufgebracht ist. Die Polstege 20 sind
an ihren freien Enden mit der Hülse 32 gekoppelt.
Die Hülse
weist schlitzförmige
Ausnehmungen 34 auf, die mit den freien Enden der Polstege 20 in
Eingriff sind, wobei bei der gezeigten Ausführung die Polstege an ihren
freien Enden einen Verbindungsabschnitt aufweisen, der in die Ausnehmungen 34 eingedrückt oder
eingeschoben wird. Die Hülse
weist ferner Schlitze 36 auf, die etwa in der Mitte zwischen
zwei benachbarten Ausnehmungen 34 bzw. zugehörigen Polstegen 20 angeordnet
sind. Anstelle der Schlitze 22 können auch andere nicht magnetische
Zonen vorgesehen werden, um benachbarte Pole magnetisch voneinander
zu trennen. Die Hülse 32 grenzt den
Stator 12 gegen den Rotor 10 ab. Sie kann Polschuhe
an den radial innen liegenden, freien Enden der Polstege bilden
und dient als Nutabdeckung, um die Wicklungen in den Statornuten
zu halten.
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In 4 ist
auch zu erkennen, wie der Rotor 10 koaxial in dem Stator 12 angeordnet
ist. Der Rotor 10 umfaßt
in der gezeigten Ausführung
einen Rotorkörper
mit speichenförmig
angeordneten Aussparungen 38 zur Aufnahme von Permanentmagneten,
wie in 2 gezeigt. Der Rotor 10 ist auf eine
Welle 40 aufgebracht, und zwischen dem Rotor 10 und
dem Stator 12 ist ein Arbeitsluftspalt gebildet.
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Die
in 4 gezeigten Merkmale sind auf die erfindungsgemäße Statoranordnung,
die in 3 beispielsweise gezeigt ist, übertragbar, wobei abhängig von
der Länge
der Polstege 28 und somit dem Innendurchmesser des Stators 12 die
Hülse gegebenenfalls
an die verbreiterten Polstege 28 angepaßt werden müßte.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in den verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
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- 10
- Rotor
- 12
- Stator
- 14
- Rotorkörper
- 16
- Permanentmagnete
- 18
- Statorrückschluß
- 20
- Polstege
- 22
- Polschuhe
- 24
- Aussparung
- 26
- Statorrückschluß
- 28
- Polstege
- 30
- Nuten
- 32
- Hülse
- 34
- Ausnehmungen
- 36
- Schlitze
- 38
- Aussparungen
- 40
- Welle
- M
- Mittelpunkt