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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Stator in einem Elektromotor nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In
der
US 4,973,871 wird
ein als permanenterregter Gleichstrommotor ausgeführter Elektromotor
beschrieben, dessen Stator topfförmig
ausgebildet ist und einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines rotierend
gelagerten Ankers aufweist. An den Statorinnenwänden sind gegenüberliegend
zwei gegenpolige Permanentmagnete angeordnet. In Umfangsrichtung
weist der Stator eine nicht-runde Querschnittsform auf, wobei die
Wandungen des Stators im Bereich der Magnete den Querschnitt reduzierende
Abflachungen besitzen und in den übrigen Bereichen mit konstantem
Wandquerschnitt ausgebildet sind.
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Derartige
Statoren sind regelmäßig aus
magnetisch leitfähigem
Material gefertigt, das den von den Permanentmagneten ausgehenden
magnetischen Fluss durch die Wandung des Stators verstärkt. In
den Abschnitten mit reduzierter Wandstärke wird eine Erhöhung der
magnetischen Flussdichte erreicht. Die Abschnitte mit größerer Wandstärke zwischen
den Magneten stellen sicher, dass der magnetische Fluss aufrechterhalten
bleibt.
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Diese
Statoren sind üblicherweise
als tief gezogener Statortopf ausgeführt, der nach dem Tiefziehen
einer spanenden Bearbeitung unterzogen wird, um die gewünschte Wandstärkenreduzierung
in Höhe
der anzubringenden Magnete zu erreichen. Alternativ zu tief gezogenen
Statorteilen können
auch gerollte Statorteile eingesetzt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Stators
unter Berücksichtigung konstruktiver
Vorgaben oder Gegebenheiten in einem Elektromotor zu vereinfachen,
wobei die magnetische Flussdichte nicht beeinträchtigt sein soll. Zweckmäßig soll
auch das Gewicht eines Stators reduziert sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Erfindungsgemäß ist das
Statorteil als Sinterbauteil gefertigt und besteht zumindest abschnittsweise
aus einem weichmagnetischen Sinterwerkstoff, der den magnetischen
Fluss in Umfangsrichtung durch die Wandung des Statorteiles zwischen den
Polen des Magenten bzw. zwischen den mehreren Magneten sicherstellt.
Das Statorteil kann im Sinterverfahren hergestellt werden, wobei
Anpassungen an konstruktive Gegebenheiten bzw. physikalische Zielsetzungen
leicht durchführbar
sind. Beispielsweise kann zur Einsparung von Material und Gewicht
die Wandstärke – in Umfangsrichtung
gesehen – des Statorteils
zumindest abschnittsweise reduziert sein, ohne den magnetischen
Fluss zu beeinträchtigen. Vielmehr
kann diese Maßnahme
sogar zur Verbesserung des magnetischen Flusses durch die Wandung des Statorteiles
beitragen, da die Gesamtwandstärke in
Radialrichtung im Bereich der Magnete aufgrund der reduzierten Wandstärke des
Statorteiles annähernd
gleich gestaltet werden kann wie in den Bereichen außerhalb
der Magnete.
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Das
Statorteil kann im Sinterverfahren mit hohen Maßgenauigkeiten bzw. entsprechend
geringen Toleranzen hergestellt werden. Außerdem ist es möglich, Befestigungsmaßnahmen
wie zum Beispiel Schultern, Haken oder dergleichen an der Wandung des
Sinterbauteiles vorzusehen, beispielsweise um die Ausrichtung und
Positionierung des Statorteiles an ein sich anschließendes Getriebe
oder den Statordeckel zu ermöglichen
bzw. zu erleichtern. Möglich ist
auch, die Halterung beispielsweise an der Karosserie zu integrieren.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die konstruktive Ausgestaltung
des Statorteils so gewählt
werden kann, dass Schwingungen und damit auch Geräusche gut
gedämpft
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung bestehen verschiedene Abschnitte des
Statorteils aus unterschiedlichen Sinterwerkstoffen, die sich in
ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden. So ist es insbesondere
möglich,
verschiedene Abschnitte im Statorteil aus Sinterwerkstoffen mit
weichmagnetischen und mit hartmagnetischen Eigenschaften zu fertigen.
Die Abschnitte aus weichmagnetischem Sinterwerkstoff befinden sich
hierbei vorteilhaft im Bereich zwischen den Magneten, die Abschnitte
aus hartmagnetischem Sinterwerkstoff bilden dagegen zweckmäßig die
Magnete, was den Vorteil aufweist. Hierbei kommen verschiedene Ausführungen
in Betracht: zum einen können
das Statorteil und die Magnete als separate Bauteile aus weichmagnetischem bzw.
hartmagnetischem Sinterwerkstoff hergestellt werden, die anschließend in einem
darauf folgenden Arbeitsschritt zusammengefügt, insbesondere zusammengebacken
und durch Diffusion miteinander verbunden werden. Die Magnete befinden
sich dabei auf der Innenseite des weichmagnetischen Statorteils
und die Verbindung zwischen der Innenwand des Statorteils und den
Magneten erfolgt durch Diffusion, was den Vorteil hat, dass kein
störender Luftspalt
zwischen Innenwand und Magnet liegt, wodurch auch magnetische Streuverluste
reduziert werden. Außerdem
werden Schwingungen der Magnete und daraus resultierende Geräuschentwicklungen vermieden.
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Zum
andern können
in einem gemeinsamen Arbeitsschritt weichmagnetische und hartmagnetische
Sinterwerkstoffe als Pulver in verschiedenen Abschnitten des Statorteils
verteilt und anschließend durch
Erhitzen gebacken werden. In diesem Fall bilden Statorteil und Magnete
ein einteiliges Bauteil.
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In
den beiden vorgenannten Ausführungen bestehen
die Magnete jeweils aus hartmagnetischem Sinterwerkstoff. Es ist
auch möglich,
zusätzliche
Magnete vorzusehen, die gegebenenfalls aus einem anderen Material
gefertigt sind. Darüber
hinaus kann auch ein aus weichmagnetischem Sinterwerkstoff bestehendes
Statorteil mit Magneten versehen werden, die ausschließlich aus
anderen als Sinterwerkstoffen gefertigt sind.
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Die
weichmagnetischen Abschnitte im Statorteil ermöglichen einen gewünschten
magnetischen Fluss in Umfangsrichtung zwischen den Polen der Magnete.
Zur Herstellung des Statorteils aus zwei unterschiedlichen Sinterwerkstoffen
werden diese in verschiedenen Abschnitten bzw. Bereichen in ein
Werkzeug gefüllt,
welches dem Statorteil die Form gibt, wobei im anschließenden Sinterprozess das
fertige und endgültige
Bauteil aus den verschiedenen Sinterwerkstoffen entsteht.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführung
ist der Stator mindestens zweiteilig aufgebaut und umfasst ein radial
inneres Statorteil, das von einem äußeren Statorteil radial umgriffen
ist. Die Statorteile können
in einer Ausführungsvariante
aus gleichem Sinterwerkstoff bzw. in gleicher Weise aus zwei oder
mehreren Sinterwerkstoffen bestehen. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante
kann es aber auch zweckmäßig sein,
das äußere und
das innere Statorteil aus sich unterscheidenden Sinterwerkstoffen
herzustellen. Die Variante mit zwei Statorteilen hat den Vorteil,
dass zusätzliche
Gestaltungsmöglichkeiten
bestehen. So ist es beispielsweise möglich, dass nur eines der Statorteile
in Umfangsrichtung eine wechselnde Wandstärke aufweist, wohingegen das
zweite Statorteil mit konstanter Wandstärke ausgebildet ist. Alternativ
hierzu ist es aber möglich,
beide Statorteile in Umfangsrichtung mit wechselnden Wandstärken zu
versehen.
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Es
ist zweckmäßig, die äußere Mantelfläche des
Statorteils im Falle wechselnder Wandstärken so zu gestalten, dass
keine Sprünge
im Verlauf und in der ersten Ableitung gegeben sind, dass also die Übergänge zwischen
Abschnitten verjüngter
und verstärkter
Wandstärken
kontinuierlich und frei von Sprüngen
erfolgen. Dies gilt sowohl für
die Ausführung
des Stators mit nur einem Statorteil als auch in der Ausführung mit
zwei oder mehreren Statorteilen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 im
Querschnitt einen Stator eines als Kleinmotor ausgeführten Elektromotors,
wobei der Stator ein ring- bzw. zylindrisches Statorteil aufweist, an
dessen Innenwand zwei gegenüberliegende,
gegenpolige Permanentmagnete angeordnet sind und die Wandstärke des
Statorteiles sich in Umfangsrichtung verändert,
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2 einen
Stator in alternativer Ausführung mit
insgesamt vier an der Innenseite des Statorteiles positionierten
Permanentmagneten,
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3 einen
Längsschnitt
durch einen Stator eines kleinmotorischen Elektromotors mit zylindrischem
Statorteil, das an beiden Stirnseiten offen ist,
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4 eine 3 entsprechende
Darstellung, jedoch mit einem topfförmigen Statorteil, welcher
an einer Stirnseite geschlossen ist.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Der
in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
dargestellte Stator 1 ist Bestandteil eines als Kleinmotor
ausgeführten
Elektromotors, bei dem es sich insbesondere um einen permanenterregten Gleichstrommotor
handelt, welcher in Hilfseinrichtungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt
wird, beispielsweise zur Betätigung
von Schiebedächern,
Fensterhebern, Scheibenwischern oder dergleichen.
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Wie 1 zu
entnehmen, umfasst der Stator 1 ein ring- bzw. hülsenförmiges Statorteil 2,
das einen inneren Aufnahmeraum 5 zur Aufnahme eines drehbar
gelagerten Ankers des Elektromotors aufweist. An den Innenwänden des
Statorteils 2 sind auf gegenüberliegenden Seiten zwei gegenpolige
Permanentmagnete 3 und 4 angeordnet. Die Permanentmagnete 3 und 4 weisen
die gleiche Krümmung
auf wie der Innenmantel des Statorteils 2 und liegen spielfrei
unmittelbar an der Innenwand an.
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Die
Wandstärke
des Statorteils 2 ist in Umfangsrichtung veränderlich
ausgebildet. Im Bereich der Magnete 3 und 4 ist
die Wandstärke
geringer, im zwischen liegenden Bereich zwischen den Magneten ist
die Wandstärke
größer. Dadurch
ergibt sich eine elliptische äußere Mantelfläche, wohingegen
der Innenmantel zylindrisch ausgeführt ist. Das Winkelsegment, über das
sich jeder Permanentmagnet 3 bzw. 4 erstreckt,
beträgt
beispielhaft größer als
90°, jedoch
kleiner als 120°.
Der Übergang
zwischen den geringeren Wandstärken
zu den größeren Wandstärken verläuft kontinuierlich
und frei von Sprüngen.
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Der
Werkstoff, aus dem das Statorteil 2 besteht, ist ein Sinterwerkstoff,
entsprechend wird das Statorteil 2 im Sinterverfahren hergestellt.
Als Sinterwerkstoff kommen insbesondere weichmagnetische Metallpulver
in Betracht, insbesondere ferromagnetische Sinterwerkstoffe auf
der Basis von Eisen, Kobalt oder Nickel oder sonstigen Metallen.
Der weichmagnetische Werkstoff besitzt den Vorteil, dass dieser den
magnetischen Fluss durch die Wandung des Statorteils 2 in
Umfangsrichtung besonders gut leitet. Der weichmagnetische Sinterwerkstoff
kann in einem Magnetfeld magnetisiert werden.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsvariante besteht
das gesamte Material des Statorteils 2 aus einem einheitlichen,
weichmagnetischen Sinterwerkstoff. Die Magnete 3, 4 sind
aus hartmagnetischem Sinterwerkstoff hergestellt und werden als
Halbzeug mit dem Statorteil 2 verbacken und dadurch mit
dem Statorteil spielfrei zusammengefügt.
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Gemäß einer
alternativen Ausführung
kann es aber auch zweckmäßig sein,
verschiedene Abschnitte im Statorteil aus unterschiedlichen Sinterwerkstoffen
zu fertigen, insbesondere die Winkelsegmente, an denen sich die
Permanentmagnete 3 und 4 befinden, aus einem hartmagnetischen
Sinterwerkstoff zu fertigen und die zwischen liegenden Bereiche aus
weichmagnetischem Sinterwerkstoff. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass
der hartmagnetische Sinterwerkstoff dauermagnetische Eigenschaften
besitzt; in diesem Fall bilden Statorteil 2 und die Magnete 3 und 4 ein
gemeinsames, einteiliges Bauteil. Zusätzliche Magnete können zwar
vorgesehen sein, sie sind aber nicht zwingend erforderlich.
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Bei
dem in 2 dargestellten Stator 1 sind insgesamt
vier über
den Umfang auf der Innenseite des Statorteils 2 gleichmäßig verteilte
Magnete 3, 4, 6 und 7 vorgesehen,
wobei die Wandstärke
des Statorteils 2 im Winkelsegment eines Magneten geringer
ist und im Winkelsegment zwischen zwei benachbarten Magneten vergrößert ist.
Die äußere Mantelfläche des
Statorteils 2 weist zur Realisierung der sich in Umfangsrichtung ändernden
Wandstärken konvexe
und konkave Abschnitte auf. Das Statorteil 2 ist in gleicher
Weise wie bei den übrigen,
dargestellten Ausführungsbeispielen
als gesintertes Bauteil gefertigt.
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Wie 3 zu
entnehmen, kann das Statorteil 2 als Hohlzylinder ausgebildet
sein, der an beiden axialen Stirnseiten offen ist. Im Unterschied
hierzu ist beim Ausführungsbeispiel
nach 4 das Statorteil 2 topfförmig ausgeführt, an
der geschlossenen axialen Stirnseite befindet sich einteilig mit
der Wandung des Statorteiles ausgebildet ein Lager 8 zur
Lagerung des Ankers des Elektromotors.