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Die
Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine
und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Die
Gestaltung eines Stators aus einem separaten Joch und aus einzelnen
Polzähnen,
welche erst nach Aufbringen der Wicklung auf die Polzähne zusammengefügt werden,
ist bereits bekannt. Es ist außerdem
die Gestaltung eines Stators aus einem separaten Joch und aus einem
Statorpolstern, bei welchem nur bestimmte Polzähne (z.B. zwei) pro Schicht
mit einem dünnen „Steg" miteinander verbunden
sind, bekannt, wobei das Joch und der Statorpolstern erst nach Einbringen
der Wicklung in die Nuten zusammengefügt werden. Das Joch ist hierbei meist
einstückig
ausgebildet und teilweise mit Aussparungen oder Erhebungen zum Bilden
eines Presssitzes und/oder Formschlusses mit den Polzähnen versehen.
Das Bewickeln der Statorpolzähne oder
einzelner Polzähne
kann mit Drähten
verschiedener Querschnitte, Flachdraht oder Aufschieben der vorgefertigten
Spulen durchgeführt
werden.
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Bei
dieser Statorgestaltung müssen
die Passungen zwischen dem Polzahnstern oder den sternförmig angeordneten
Einzelpolzähnen
und dem Joch sehr eng toleriert werden, was einen hohen Fertigungsaufwand
bewirkt. Außerdem
entstehen magnetische Flußverluste
zwischen dem Polzahnkranz und dem Joch, da sich toleranzbedingt
immer ein kleiner Luftspalt zwischen Polzahn und Joch bildet. Da
das Statorjoch vom Durchmesser das größte Elektroblechteil von allen
im Elektromotor verwendeten Elektroblechteilen ist, entstehen bei
der Herstellung des Jochs erhöhte
Stanzwerkzeugkosten und Produktionskosten.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 103 58 693 A1 ist es bekannt, einen Stator
oder Läufer
durch einen Blechstreifen zu bilden, welcher hochkant aufgewickelt
wird und somit einen spiralförmig
aufgebauten Ständer
bzw. Läufer
bildet. Der Stator bzw. Läufer
wird hierbei in „einem
Stück" gebildet, d.h. Joch
und Polzähne
sind nicht getrennt ausgeführt,
weshalb man hier beim Bewickeln der Nuten nur einen relativ geringen
Nutfüllfaktor
erzielen kann.
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In
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 55 026 A1 wird ein Stator gezeigt,
welcher aus einem separaten Joch und einem separaten Polzahnkranz besteht.
Das Joch ist aus einem Blechband gebildet, welches flach liegend
um den Polzahnkranz aufgewickelt ist. Hier ist zwar ein höherer Nutfüllfaktor
erzielbar, da die Nuten des Polzahnkranzes von außen bewickelt
werden können,
doch es besteht weiterhin – wie
im allgemeinen Stand der Technik beschrieben – das Problem der Verbindung
zwischen Polzahnkranz und Joch. Durch ein derartiges Aufwickeln
des Jochs können
die vorausgesetzten sehr engen Toleranzen zwischen Polzahnkranz
und Joch nur unter hohem Aufwand erreicht werden, da das Aufwickeln
des Jochs toleranzmäßig schwierig
beherrschbar ist. Außerdem
besteht das Joch aus nur wenigen übereinander liegenden Schichten,
wodurch gegenüber
axial hintereinander geblechten Statoren, welche eine größere Anzahl
von Blechschichten aufweisen, vermehrt Wirbelstromverluste entstehen
und das Joch größer gestaltet
werden muss.
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Aus
der gattungsbildenden WO 00/72426 ist ein Joch bekannt, das aus
einer Segmentkette besteht. Die Segmentkette besteht aus Einzelsegmenten,
die über
einen dünnen
Verbindungssteg beweglich miteinander verbunden sind. Das Joch wird
vor dem Verbinden mit dem Polzahnkranz durch Aufrollen der Segmentkette
gebildet und anschließend
auf den Polzahnkranz aufgeschoben. Es besteht weiterhin – wie im
allgemeinen Stand der Technik beschrieben – das Problem der Verbindung
zwischen Polzahnkranz und Joch.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stator
aus einem separaten Joch und separaten Polzähnen und ein Verfahren zu dessen
Herstellung zur Verfügung
zu stellen, bei welchem die Passung zwischen Polzähnen und
Joch enger toleriert werden kann, bei gleichzeitig minimierten Kosten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Stator mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach
Anspruch 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen
abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Lösung sieht
ein Joch vor, welches durch Aufwickeln der Segmentkette (5)
auf die Polzahnenden (6) des Polzahnkranzes (4)
gebildet ist.
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Unter
dem Begriff „Polzahnkranz" ist sowohl der mittels
eines einzigen Werkzeugs gebildete und durch die Verbindung der
Polzähne
gekennzeichnete Polzahnstern als auch die kreisförmige Anordnung von Einzelpolzähnen zusammengefasst.
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Die
das Joch bildende Segmentkette ist in mehrere Einzelsegmente untergliedert,
welche miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann durch einen
dünnen
Steg, der beim Ausstanzen des Blechstreifens stehen gelassen wird,
gebildet sein. Es ist aber auch eine nachträgliche Verbindung von Einzelsegmenten
denkbar, welche z.B. durch Kunststoffumspritzen gebildet werden
kann. Da die Verbindungen zwischen den Einzelsegmenten eine Materialschwächung des
Blechstreifens darstellen, ist der Blechstreifen in diesen Verbindungsabschnitten
beweglich ausgeführt.
Somit wirken die Verbindungen wie eine Art „Scharnier" zwischen den Einzelsegmenten.
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Durch
das Aufwickeln des aus einer Segmentkette gebildete Joch können die
Toleranzen zwischen Joch und Polzahnenden enger gestaltet werden
als wenn das Joch als Ganzes auf den Außenumfang des Polzahnkranzes
aufgeschoben oder aufgepresst wird. Es entstehen auch geringere
toleranzbedingte Luftspalte zwischen Joch und Polzähnen, da
eine Segmentkette einfacher handhabbar und verformbar ist als ein
starres Jochpaket. Dadurch werden die magnetischen Flußverluste
im Motor reduziert und der Wirkungsgrad des Motors erhöht.
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Zur
Verbesserung der Verbindung zwischen dem Joch und den Polzähnen des
Polzahnkranzes weisen die Einzelsegmente der Segmentkette vorteilhaft
in Ihren Endabschnitten, also im Bereich der Verbindung zwischen
den einzelnen Einzelsegmenten, Aussparung auf, in welche im aufgewickelten
Zustand die Polzahnenden der Polzähne aufgenommen sind. Diese
Verbindung ist einer reinen formschlüssigen oder kraftschlüssigen Verbindung überlegen,
da diese beide Verbindungsarten ineinander vereint.
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Im
abgewickelten Zustand, also vor der Aufwicklung der Segmentkette
auf den Polzahnkranz, sind die Aussparungen benachbarter Einzelsegmente
weit beabstandet. Beim anschließenden
Aufwickeln der Segmentkette auf die Polzahnenden werden die Abstände zwischen
den Aussparungen jedoch immer geringer, wodurch die Polzahnenden – bei entsprechender
geometrischer Ausbildung der Aussparungen – letztendlich zwischen den
Aussparungen eingeklemmt werden können. Da erst bei komplett
aufgewickeltem Joch die endgültigen
Toleranzen erreicht werden, können
die Toleranzen zwischen den Polzähnen
und dem Joch enger ausgelegt werden als bei einem vor dem Zusammenfügen bereits
runden Joch.
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Sind
die Polzahnenden um einen Winkel gegenüber der Mittelachse der Polzähne geneigt,
verhindert dies ein Herausspringen der Polzähne aus dem Joch aufgrund der
magnetischen Anziehung durch die Rotormagnete.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
ist die Höhe der
Segmentkette identisch mit der Länge
des Statorpakets. Die Segmentkette muss in diesem Fall nur einmal
um 360° um
den Polzahnkranz gewickelt werden.
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Es
ist aber auch denkbar, dass die Höhe der Segmentkette geringer
ist als die Länge
des Statorpakets. In diesem Fall ist die Segmentkette schraubenlinienförmig in
axialer Richtung um die Polzahnenden gewickelt, bis die zu bildende
Länge des
Statorpakets erreicht ist. Die schraubenlinienförmige Umwicklung kommt in diesem
Zusammenhang durch eine Überlagerung
einer linearen und einer zirkularen Bewegung zustande, wobei die
lineare Bewegung jeder Windung so groß ist, dass sich die einzelnen
Windungen der Segmentkette nicht überlappen.
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Die
Segmentkette ist vorteilhaft aus einem Blechpaket gebildet, das
aus in axialer Richtung aufeinander angeordneten Einzelblechen besteht.
Dadurch werden die magnetischen Flußverluste und Wirbelstromverluste
verringert. Die Segmentkette kann aber auch aus gesinterten Einzelsegmenten bestehen
oder als ganzes gesintert sein.
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Weiterhin
wird durch die vorliegende Anmeldung ein Verfahren zur Herstellung
des oben beschriebenen Stators geschützt. Zuerst wird ein bewickelter
Polzahnkranz gebildet, indem die einzelnen Polzähne mit ihren Polschuhen rotorseitig
sternförmig
angeordnet werden. Dieser Polzahnkranz wird nun von außen mit
einer Wicklung bewickelt, wodurch ein hoher Nutfüllungsgrad erreicht werden kann.
Alternativ kann der bewickelte Polzahnkranz durch einzeln bewickelte
Polzähne
gebildet sein, welche sternförmig
angeordnet sind. Nach Fertigstellung des bewickelten Polzahnkranzes
wird das Joch durch Aufwickeln der Segmentkette auf die Polzahnenden
gebildet. Durch dieses Herstellungsverfahren eines aus Polzähnen und
Joch zusammengesetzten Stators kann die Passung zwischen den Polzähnen und
dem Joch enger toleriert werden, und der Wirkungsgrad des Motors
erhöht
werden. Außerdem
handelt es sich um ein schnelles und kostengünstiges Verfahren, welches
für den
Großserieneinsatz
geeignet ist.
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Weiterer
Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der
beigefügten
Zeichnungen.
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Es
zeigen:
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1:
Erfindungsgemäßer Stator
in zusammengebautem Zustand
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2:
Die das Joch bildende Segmentkette während des Aufwickelns auf den
Polzahnkranz
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3:
Verbindung zwischen den Einzelsegmenten der Segmentkette und Ausnehmungen
an den Enden der Einzelsegmente
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1 zeigt
beispielhaft einen erfindungsgemäßen Stator
(1) in zusammengebautem Zustand. Die Polzähne (3)
sind zu einem Polzahnkranz (4) angeordnet. Die Polschuhe
(10) der Polzähne
(3) sind mittels Verbindungsstege (11) verbunden,
was die Anordnung der Polzähne
(3) zu einem Polzahnkranz (4) erleichtert. Die
nach außen
geöffneten
Nuten (12) werden von außen mit einem hier nicht dargestellten Wicklungsdraht
bewickelt, wodurch ein hoher Nutfüllungsgrad erreicht wird. Auf
die Polzahnenden (6) ist das Joch (2), welches
aus einer Segmentkette (5) besteht, aufgewickelt, wobei
die Segmentkette (5) die Polzahnenden (6) in Ausnehmungen
(9, siehe 3) aufnimmt und einklemmt und
dadurch sowohl eine formschlüssige
als auch kraftschlüssige
Verbindung mit den Polzähnen
(3) eingeht.
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In 2 ist
dargestellt, wie zum Bilden des Jochs (2) die Segmentkette
(5) auf die Polzahnenden (6) des Polzahnkranzes
(4) aufgewickelt wird. Die Segmentkette (5) ist
in mehrere Einzelsegmente (7) unterteilt, welche durch
einen dünnen
Steg (13) miteinander beweglich verbunden sind. Es ist
gut zu sehen, dass im abgewickelten Zustand die Aussparungen (9)
in den Endabschnitten (8) der Einzelsegmente (7)
weit voneinander beabstandet sind. Während des Aufwickelns der Segmentkette
(5) werden die Polzahnenden (6) in die Aussparungen
(9) aufgenommen, wobei sich der Abstand zwischen den Aussparungen
(9) fortlaufend verringert, bis die Polzahnenden in aufgewickeltem
Zustand form- und kraftschlüssig
in den Aussparungen (9) aufgenommen sind. Die Polzahnenden
(6) weisen gegenüber
der Mittelachse der Polzähne
(3) einen Winkel (α)
auf. Dies bewirkt in radialer Richtung ein formschlüssiges Umgreifen
der Polzahnenden (6) durch die Aussparungen (9)
der Segmentkette (5), wodurch ein „Herausziehen" der Polzähne (3)
aus dem Joch (2) durch die magnetischen Kräfte des
hier nicht dargestellten Rotors verhindert wird. Durch den Winkel
(α) ist
ein Aufwickeln der Segmentkette (5) nur noch in eine Richtung
möglich.
Nach dem Aufrollen wird der Anfang und das Ende der aufgerollten
Segmentkette (5) miteinander stoffschlüssig, formschlüssig oder
kraftschlüssig
verbunden. Das kann beispielsweise durch Schweiße, Löten oder auch durch Einpressen
in ein Motorgehäuse,
Getriebegehäuse
oder eine andere Anwendung verwirklicht sein.
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3 zeigt
die Verbindung zwischen den Einzelsegmenten (7) des Blechstreifens
(5) und die in den Endabschnitten (8) eingebrachten
Aussparungen (9) in einem vergrößerten Ausschnitt. Die Verbindung
zwischen den Einzelsegmenten (7) ist hier durch einen Steg
(13) gebildet, der vorzugsweise bereits im Stanzprozess
durch das Stanzwerkzeug gebildet ist. Alternativ ist auch denkbar,
dass die Verbindung durch mehrere Stege (13) gebildet ist
bzw. die Stege (13) aus einem anderen Material als die
Segmentkette (5) bestehen.
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- 1
- Stator
- 2
- Joch
- 3
- Polzähne
- 4
- Polzahnkranz
- 5
- Segmentkette
- 6
- Polzahnenden
- 7
- Einzelsegment
- 8
- Endabschnitt
- 9
- Aussparung
- 10
- Polschuh
- 11
- Verbindungssteg
- 12
- Nut
- 13
- Steg
- α
- Winkel
- H
- Höhe