DE102006038376B4

DE102006038376B4 - Verfahren zur Befestigung eines Stators

Info

Publication number: DE102006038376B4
Application number: DE200610038376
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Rondé; Helmut Kades; Katharina Dr. Knoche; Reinhard Hager
Original assignee: Franz Kessler GmbH
Current assignee: Franz Kessler GmbH
Priority date: 2006-08-15
Filing date: 2006-08-15
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2026-08-16
Also published as: DE102006038376A1

Abstract

Verfahren zur Befestigung eines Stators (2) eines Elektromotors in einem Gehäuse (10), dessen Innenkontur von der Außenkontur des Stators (2) abweicht, mit folgenden aufeinander folgenden Schritten:
– Spielbehaftete Vorfixierung des Stators (2) im Gehäuse (10) durch Befestigungselemente (7), wobei die Befestigungselemente (7) den Stator (2) mit dem Gehäuse (10) verbinden,
– zentrieren des Stators (2) zur vorgesehenen Lage im Gehäuse (10),
– vergießen des Stators (2) durch ein fließfähiges, aushärtbares Vergussmaterial im Gehäuse (10) und
– Endfixierung des Stators (2) im Gehäuse (10) über die Befestigungselemente (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines Stators.
Bei der Fertigung von Elektromotoren ist je nach Anwendung eine gute Zentrierung des Stators auf die vorgesehene Rotorachse von großer Bedeutung. Häufig werden daher die Statorgehäuse entsprechend der üblichen Außenkontur eines Stators mit einer zylindrischen Innenkontor versehen, so dass die Zentrierung an der Außenfläche des Statorblechpakets erfolgt. Dies setzt eine entsprechende Genauigkeit im Bereich der Flächen, die zur Zentrierung dienen, voraus.
Die Zentrierung ist vor allem bei schnell laufenden Motoren von größter Bedeutung, wie dies beispielsweise bei Motorspindeln für Werkzeugmaschinen der Fall ist. Die Spindelgehäuse werden in der Werkzeugmaschine in der Regel in einen Spindelstock oder Spindelkasten eingesetzt, dessen Gehäuse eckig ausgebildet sein kann. In anderen Ausführungsformen wird die Motorspindel und damit auch der Stator unmittelbar in einen Spindelkasten integriert, ohne dass ein separates Spindelgehäuse verwendet wird. In diesem Fall stellt sich das unmittelbare Problem, dass das vorgesehene Statorgehäuse gegenüber dem zylindrischen Statorblechpaket eine eckige Form aufweist.
So ist aus der US 2,488,458 A ein Verfahren zur Befestigung eines Statorkerns in einem Gehäuse bereits bekannt, wobei der Statorkern im Gehäuse montiert wird und im Anschluss daran der Zwischenraum mit Aluminium vergossen wird. Hierdurch wird die Herstellung von Zentrierflächen am Gehäuse vermieden und die Fertigung verbilligt. Zudem sind dieser Druckschrift Formen als Zentriervorrichtung zu entnehmen, wobei Vorsprünge als Befestigungselemente dienen. Allerdings kann dieser Durchschrift kein Befestigungselement entnommen werden, die vor dem Vergießen den Statorkern im Gehäuse lose befestigen.
Aus der US 4,340,830 A ist weiterhin ein Verfahren zur Befestigung eines im Gehäuse zentrierten Stators zum Verguss bekannt geworden.
Darüber hinaus zeigt die Literatur: Moeller-Werr, Leitfaden der Elektrotechnik, Band III, Konstruktion elektrischer Maschinen, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1950, S. 75 bis 76, dass die Zentrierung eines Statorkorpus in einem Gehäuse mittels Schrauben bekannt ist.
Weiterhin zeigt die DE 10 115 04 A , dass nach dem Vergießen eine Endfixierung des Statorpaketes zu Schrauben- bzw. Befestigungselemente mit Füßen des Gehäuses vorgenommen werden kann. Hierbei werden die Schrauben nicht vor dem Vergießen lose angebracht, sondern erst nach dem Vergießen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur zentrierten Montage eines Stators in einem Statorgehäuse vorzuschlagen, wobei eine einfache Herstellung einer guten mechanischen Kopplung zwischen Stator und Gehäuse realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren mit folgenden aufeinanderfolgenden Schritten aus:

– Spielbehaftete Vorfixierung des Stators im Gehäuse durch Befestigungselemente, wobei die Befestigungselemente den Stator mit dem Gehäuse verbinden,
– zentrieren des Stators zur vorgesehenen Lage im Gehäuse,
– vergießen des Stators durch ein fließfähiges, aushärtbares Vergussmaterial im Gehäuse und
– Endfixierung des Stators im Gehäuse über die Befestigungselemente.

Durch diese Maßnahme entfällt eine Präzisionsbearbeitung sowohl auf Seiten des Statorblechpakets als auch auf Seiten des Statorgehäuses bzw. im Falle eines unmittelbaren Verbaus in einem Spindelkasten auf Seite eines als Statorgehäuse dienenden Spindelkastens, wodurch der Aufwand und damit die Kosten für die Statormontage erheblich reduzierbar sind. Vor dem Aushärten des fließfähigen Vergussmaterials kann der Stator mit jeder gewünschten Präzision im Bezug auf das Statorgehäuse ausgerichtet werden, wobei nach dem Vergießen diese Position zuverlässig mit höchster Genauigkeit konserviert ist.
Die Befestigungselemente können beispielsweise dazu dienen, den vergossenen Stator bzw. das vergossene Statorblechpaket stabiler im Vergussmaterial zu verankern. Insbesondere dort, wo besonders hohe Drehmomente entstehen, wie dies beispielsweise im Bereich der Motorspindeln für Werkzeugmaschinen der Fall ist, können derartige Befestigungselemente auch dazu dienen, einen unmittelbaren Kraftschluss mit dem Statorgehäuse herzustellen.
Zur Aufnahme hoher Drehmomente müssen die Befestigungselemente stabil am Stator bzw. am Statorblechpaket fixiert werden, was beispielsweise mit Hilfe einer Schweißverbindung gewährleistet werden kann. Die Befestigungselemente selbst können beispielsweise nach Art einer Befestigungslasche ausgebildet werden, die aus einem Blech, beispielsweise einem Stahlblech oder dgl. gefertigt (z. B. gestanzt und gebogen) ist.
Um einen unmittelbaren Kraftschluss zwischen einem solchen Befestigungselement und dem Statorgehäuse herzustellen wird zunächst die Vorfixierung dieser Befestigungselemente vorgenommen, die spielbehaftet ist, d. h. die in einem gewissen Rahmen eine Relativbewegung zwischen dem Befestigungselement und damit dem Stator bzw. Statorblechpaket und dem Statorgehäuse erlaubt. Im Rahmen dieses Spiels wird sodann die präzise Zentrierung des Stators bzw. Statorblechpakets im vorbeschriebenen Sinne vorgenommen. Beim Vergießen eines derart vorfixierten Stators bzw. Statorblechpakets ergibt sich bereits eine deutlich größere mechanische Belastbarkeit als bei einem Stator, der ohne diese Vorfixierung vergossen wird.
Zur weiteren Steigerung der mechanischen Belastbarkeit, insbesondere insbesondere zur Herstellung eines direkten Kraftschlusses zwischen den Befestigungselementen und dem Statorgehäuse wird gemäß der Erfindung nach dem Vergießen eine Endfixierung der Befestigungselemente am Statorgehäuse vorgenommen. Hiermit kann zuverlässig ein direkter Kraftschluss gewährleistet werden.
Vorteilhafterweise wird eine separate Zentriervorrichtung vorgesehen, mit der der Stator bzw. das Statorblechpaket vor dem Vergießen im Bezug auf das Statorgehäuse positionierbar und insbesondere zentrierbar ist. Eine derartige separate Vorrichtung kann demnach stets wieder verwendet werden. Hohe Kosten für eine hochgenaue Vorrichtung zur Zentrierung eines Stators im Gehäuse finden daher keinen oder nur einen unwesentlichen Niederschlag in den Kosten für den einzelnen Elektromotor bzw. für die Montage eines einzelnen Stators.
In Zusammenhang mit der Beschreibung dieser Erfindung wird unter Statormontage nicht nur die Montage eines vollständigen, d. h. bereits mit eingezogenen Spulen versehenen Stators verstanden. Die Erfindung eignet sich vielmehr auch für die Montage von leeren Statorblechpaketen, die nachträglich, beispielsweise durch Einziehen von Spulen, Trennstreifen usw. vervollständigt werden.
In einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung wird als Vergussmaterial ein aushärtbarer Kunststoff vorgesehen. Derartige Kunststoffe stehen mit unterschiedlichsten Eigenschaften im Handel zur Verfügung und können je nach Anwendungsfall ausgewählt werden. Insbesondere kann die Wärmeleiteigenschaft und/oder die mechanische Stabilität eines solchen Kunststoffs anwendungsspezifisch ausgewählt werden. Auch das Ausspritzen bzw. Ausgießen des Statorgehäuses ist mit entsprechenden Kunststoffen ohne größere Schwierigkeiten ohne Blasenbildung oder dgl. möglich. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch mit anderen Vergussmaterialien vorgenommen werden, sofern diese zunächst fließfähig und anschließend aushärtbar sind.
Sowohl die Vor- und/oder die Endfixierung der Befestigungselemente am Statorgehäuse kann beispielsweise über Schraubverbindungen verwirklicht werden. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden sowohl Vor- als auch die Endfixierung durch die gleichen Schraubverbindungen realisiert. So kann beispielsweise eine Vorfixierung dadurch hergestellt werden, dass eine Verschraubung vorgenommen wird, bei der das Befestigungselement, beispielsweise eine Befestigungslasche durch eine entsprechend große Bohrung noch ein gewisses Spiel bei lockerer Verschraubung aufweist. Bei angezogener Verschraubung kommt es sodann zum Form- und über die entsprechenden Spannkräfte zum Kraftschluss.
Zur Herstellung eines Form- und/oder Kraftschlusses zwischen Statorgehäuse und einem davon beabstandeten Stator bzw. Statorblechpaket wird vorteilhafterweise ein verstellbarer Anschlag vorgesehen, gegen den die Befestigungselemente z. B. mittels Spannschrauben verspannbar sind.
Das erfindungsgemäße Vergießen eines Stators oder Statorblechpakets kann vor der Rotormontage vorgenommen werden. In diesem Fall muss die Zentrierung über entsprechende Maßnahmen z. B. eine separate Zentriervorrichtung auf die vorgegebene Rotorachse des später eingesetzten Rotors zentriert werden.
Es ist jedoch auch ein Verguss während oder nach der Rotormontage möglich. In diesem Fall kann der Rotor selbst, der in seiner Lagerung zentriert ist, als Zentrierhilfe für den Stator verwendet werden.
So kann beispielsweise eine Zentrierung über ein Zentrierelement vorgenommen werden, dass eine definierte Position des Stators im Bezug zum Rotor vorgibt. In Frage kommen beispielsweise ein oder mehrere Distanzelemente, die zwischen Rotor und Stator eingelegt werden können.
Ein solches Distanzelement kann beispielsweise in Form einer Folie vorliegen. Darüber hinaus ist die Verwendung eines Distanzelementes auch dann vorteilhaft, wenn die Zentrierung unabhängig hiervon vorgenommen wird, um den erforderlichen Luftspalt zwischen Stator und Rotor zuverlässig zu gewährleisten.
Wie bereits mehrfach erwähnt, wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Statormontage vorteilhafterweise dort verwendet, wo eine genaue zentrierte und dabei mechanisch hoch belastbare Montage des Stators in seinem Gehäuse erforderlich ist. Dies ist beispielsweise bei Motorspindeln für Werkzeugmaschinen der Fall, die als Hochleistungsspindeln mit extrem hohen Drehzahlen laufen und dabei in der spanenden Bearbeitung von Werkstücken sehr hohe Drehmomente aufbringen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Im Einzelnen zeigen:
1: einen Längsschnitt durch eine Motorspindel,
2: einen Querschnitt durch eine Motorspindel,
3: einen Teilausschnitt einer weiteren Ausführungsform in einem Querschnitt entsprechend 2.
Die Motorspindel 1 gemäß 1 umfasst einen Stator 2 sowie einen Rotor 3, der mit der Spindelwelle 4 über entsprechende Wälzlager 5 in einem Statorgehäuse 6 gelagert ist. Das Statorgehäuse 6 stellt gleichzeitig den Spindelkasten einer Werkzeugmaschine dar.
Wie in 2 besser erkennbar ist, sind am Stator 2 bzw. am Statorblechpaket zwei untere Laschen 7 und zwei obere Laschen 8 angebracht, beispielsweise verschweißt. Die unteren Laschen 8 sind über jeweils zwei Schrauben 9 mit dem Statorgehäuse verschraubt.
Bei der Montage des Stators 2 im Statorgehäuse 10 wird erfindungsgemäß in den Zwischenraum 11 ein Vergussmaterial eingebracht. Hierzu wird der Stator 2 vor, während oder nach der Montage des Rotors 3 im Statorgehäuse 10 genau zentriert. Diese Zentrierung kann mit Hilfe des Rotors 3 und/oder einer separaten Vorrichtung präzise vorgenommen werden. Anschließend wird der Zwischenraum 11 mit der Vergussmasse vergossen.
Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Anordnung wird bei der dargestellten Ausführungsform der Stator 2 vor dem Vergießen mit den Schrauben 9 vorfixiert. Hierzu ist auf nicht näher dargestellte Weise ein entsprechendes Spiel, beispielsweise durch entsprechende Formgebung der im Statorgehäuse 10 angebrachten Bohrungen, bei der Fixierung der Schrauben 9 in den Laschen 7 vorzusehen. Nachdem Vergießen können die Schrauben 9 fest verspannt werden, so dass sich eine kraftschlüssige Verbindung über die Laschen 7 zwischen dem Stator 2 und dem Statorgehäuse 10 ergibt.
Die oberen Laschen 8 können ebenfalls vergossen werden und dienen dann der zusätzlichen Verankerung im Vergussmaterial.
Werden die Laschen 7, 8 aus wärmeleitendem Material z. B. aus einem Metall wie in der bevorzugten Ausführungsform gebildet, so dienen diese Laschen 7, 8 zugleich der Wärmeableitung, d. h. der Kühlung des Stators. Insofern ist das Anbringen der oberen Laschen 8 auch ohne ein anschließendes Vergießen sinnvoll, um die Kühlung des Stators zu verbessern.
Die Ausführungsform gemäß 3 entspricht im wesentlichen derjenigen von 2, wobei in dieser Ausführung eine Anschlagschraube 12 in einem Gewinde 13 des Statorgehäuses 10 eingeschraubt ist. Über die Anschlagschraube 12 kann die Lasche 8 vom Statorgehäuse 10 beabstandet werden. Dies kann während des Zentriervorgangs erforderlich sein. Werden anschließend nach dem Vergießen die Spannschrauben 9 angezogen, so bildet die Anschlagschraube 12 das Gegenlager zum Statorgehäuse 10, während im Zwischenraum zwischen Statorgehäuse 10 und Lasche 8 Vergussmaterial eingefüllt ist. Somit ist auch bei vom Statorgehäuse beabstandeter Lasche 7 eine nachträgliche feste Endfixierung über die Anschlagschraube 12 am Statorgehäuse 10 möglich.
Wie anhand des dargestellten Ausführungsbeispiels unschwer erkennbar ist, können die Laschen 7, 8 ohne große Präzision am Stator 2 angebracht, beispielsweise verschweißt werden. An die Genauigkeit sind hierbei nur geringfügige Anforderungen gestellt. Demnach ist diese Maßnahme kostengünstig möglich.
Die anschließende Zentrierung kann dennoch hochgenau, vorzugsweise mit Hilfe einer separaten Zentriervorrichtung oder unter zur Hilfenahme des Rotors erfolgen. Nach dem Vergießen ist eine hochgenaue präzise Einbaulage des Stators vorgegeben, die über die Spannschrauben 9, gegebenenfalls unter zur Hilfenahme von Anschlagschrauben 12 zuverlässig verspannbar ist, wodurch ein hohes Drehmoment auf das Statorgehäuse 10 übertragbar ist. Das Statorgehäuse 10 kann dabei eine beliebige Innenkontur aufweisen, an deren Genauigkeit ebenfalls keine großen Anforderungen zu stellen sind, da die exakte in Position des Stators über das Vergussmaterial sichergestellt wird.
Ein Statorgehäuse im Sinne der Erfindung muss nicht zwangsweise geschlossen sein. Es kann darüber hinaus auch mehrteilig ausgeführt sein, beispielsweise können massive Gehäuseelemente mittels dünner Wandelemente, z. B. Wandbleche geschlossen werden.
Wesentlich bei einem erfindungsgemäßen Montageverfahren ist das Vergießen des Stators nach der Zentrierung im Statorgehäuse.

1: Motorspindel
2: Stator
3: Rotor
4: Spindelwelle
5: Wälzlager
6: Statorgehäuse
7: Lasche
8: Lasche
9: Schraube
10: Statorgehäuse
11: Zwischenraum
12: Anschlagschraube
13: Gewinde

Claims

Verfahren zur Befestigung eines Stators (2) eines Elektromotors in einem Gehäuse (10), dessen Innenkontur von der Außenkontur des Stators (2) abweicht, mit folgenden aufeinander folgenden Schritten: – Spielbehaftete Vorfixierung des Stators (2) im Gehäuse (10) durch Befestigungselemente (7), wobei die Befestigungselemente (7) den Stator (2) mit dem Gehäuse (10) verbinden, – zentrieren des Stators (2) zur vorgesehenen Lage im Gehäuse (10), – vergießen des Stators (2) durch ein fließfähiges, aushärtbares Vergussmaterial im Gehäuse (10) und – Endfixierung des Stators (2) im Gehäuse (10) über die Befestigungselemente (7).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) mittels einer separaten Vorrichtung im Gehäuse (10) auf die vorgegebene Achse zentriert wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Vergussmaterial ein aushärtbarer Kunststoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Befestigungselemente angeschweißte Befestigungslaschen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor- und/oder Endfixierung über Schraubverbindungen (9) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein verstellbarer Anschlag (12) für die vom Statorgehäuse (10) beabstandete Endfixierung des Stators (2) beziehungsweise des Statorblechpakets vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergießen vor, während und/oder nach der Rotormontage vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Distanzelement zwischen Rotor und Stator eingelegt wird.