DE102010017973A1

DE102010017973A1 - Transversalmotor mit hybridem Stator und Verfahren zur Herstellung der Statorbauteile

Info

Publication number: DE102010017973A1
Application number: DE201010017973
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schonlau; Marc Leinweber; Markus Ermert; Benjamin Ginsberg; Wiktor Wojcik; Dr. Schulz René; Christian Monhncke
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-10-27

Abstract

Elektronisch kommutierter Elektromotor mit transversalem Magnetfluss zwischen dem Stator und dem Rotor, mit Permanentmagneten auf dem Rotor und klauenförmig ausgebildeten Polen des Stators zeichnet sich dadurch aus, dass die Bauteile des Stators aus zwei unterschiedlichen Materialien aufgebaut sind, nämlich aus in mehreren Lagen angeordneten Blechen einerseits und aus Eisenpulver-Verbundmaterial andererseits. Diese Bauteile werden entweder in einer Presse oder in einer Kunststoffspritzgussmaschine hergestellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Elektronisch kommutierte Elektromotoren sind seit Langem bekannt, ebenso Transversalflussmotoren, zum Beispiel aus der Patentschrift DE 10325085 , kollektorlose Motoren mit Felderzeugung durch Permanentmagnete zum Beispiel aus der Offenlegungsschrift EP 0155877 und Klauenpolmotoren zum Beispiel aus der Patentschrift DE 1538241 und der Offenlegungsschrift US 2007/0035197 .
Die die oben genannten Motoren sind auch mit kombinierten Merkmalen bekannt.
Die Ausführung des Stator-Eisenkreises bestimmt in erheblichem Masse die Leistung, den Wirkungsgrad und die Kosten des Motors. Dazu werden folgende Ausführungen als bekannt vorausgesetzt:

a) Der Stator wird aus mehreren Blechen gebildet
b) Der Stator wird aus verpresstem Pulvermaterial hergestellt, wobei die Pulverpartikel in der Regel oberflächlich beschichtet sind.

Die Ausführung nach (a) mit geschichteten Blechen ist weit verbreitet und bietet gute magnetische Flussleitung in der Rückwand des Stators, geringe Wirbelstromverluste und eine Eignung für die Großserienfertigung, aber im Bereich des Übergangs von der scheibenförmigen Rückwand zu den Klauen und zum Bund treten erhebliche Widerstände gegen den magnetischen Fluss auf, weil der magnetische Fluss von einem Blech in ein anderes übertreten muss. Auch beim Übergang von den Blechschichten der Klauen zum Luftspalt zwischen Stator und Rotor treten solche Widerstände auf.
Die Ausführung nach (b) mit Pulvermaterial vermeidet die bei (a) auftretenden Widerstände und es lassen sich komplexe Formen erzeugen, aber dieses Material weist eine geringere generelle Leitfähigkeit für den magnetischen Fluss auf, es ist bruchempfindlich und vergleichsweise teuer.
Die erfindungsgemäße Lösung verbindet die Vorteile der Ausführungen (a) und (b) durch einen hybriden Aufbau des Stators:
Der Stator wird aus mehreren Blechteilen und jeweils einem Satz Klauen und einem Bund aus Pulvermaterial aufgebaut. Die Verbindung zwischen dem Blechteil und den Klauen einerseits und zwischen dem Blechteil und dem Bund andererseits wird bei demselben Pressvorgang hergestellt, bei dem die Klauen und der Bund geformt werden. Die Blechteile bestehen aus mehreren Schichten gegeneinander elektrisch isolierten Blechen.
Eine gute mechanische Verbindung zwischen dem Blechteil und den Klauen wird dadurch erzielt, dass die Bleche an der Verbindungsstelle gelocht sind und die Klauen zylindrische Fortsätze ausweisen, die in die genannten Löcher ragen. Diese Fortsätze sind so dimensioniert, dass sie sowohl der Befestigung als auch der magnetischen Flussleitung dienen. Die mechanische Verbindung wird dadurch weiter verbessert, dass die einzelnen Bleche unterschiedlich große Löcher aufweisen und deshalb beim Pressvorgang Pulvermaterial hinter die vorstehenden Kanten kleinerer Löcher dringt. Dadurch ergibt sich eine Verzahnung zwischen dem Blechteil und den angeformten Klauen.
Entsprechend der oben beschriebenen Vorgehensweise wird auch die Verbindung zwischen dem Blechteil und dem oben genannten Bund verbessert, indem die Bleche an der Verbindungsstelle unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Die erfindungsgemäße Lösung hat im Vergleich zu den bekannten Lösungen die folgenden Vorteile:

– Die Leitfähigkeit für den magnetischen Fluss im Bereich der Rückwand ist hier besser als bei der vollständigen Ausführung mit Pulvermaterial.
– Die mechanische Belastbarkeit von Blechen ist höher als von Pulvermaterial.
– Im Bereich der Klauen ergibt sich durch die Verwendung von Pulvermaterial eine größere Gestaltungsfreiheit.
– Im Bereich der Klauen und des Bundes wird der Übergang des magnetischen Flusses von einem Blech zu einem anderen vermieden.

Das Verfahren zur Herstellung des oben genannten Hybridteils ist auf die besonderen Anforderungen eines Stators für einen Elektromotor abgestimmt, wie unten in der Verfahrensbescheibung in zwei Varianten (Preßverfahren und Spritzverfahren) näher beschrieben wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dazu sind die Schnittbilder 1 und 2 sowie die Bezugszeichenliste als Anhang beigefügt.
Die Erfindung bezieht sich sowohl auf Außenläufermotoren als auch auf Innenläufermotoren, hier wird ein Außenläufermotor beschrieben.
Der Elektromotor (1) besteht aus den Hauptbaugruppen Gehäuse (nicht dargestellt), Stator (3), Rotor (4) und Welle (5). Die Welle (5) ist im Gehäuse mittels der Lager (nicht dargestellt) gelagert.
Der Stator (3) ist mehrteilig aufgebaut, im Fall eines Elektromotors mit drei Wicklungen besteht er aus sechs Statorbauteilen (8), die so angeordnet sind, dass jeweils zwei Statorbauteile eine Wicklung (nicht dargestellt) umfassen.
Das Statortbauteil (8) dient der Leitung des magnetischen Flusses und besteht aus einer Rückwand (9), aus axialen Flussleitstücken (10), im folgenden Klauen genannt, und einem Bund (11), der den Fluss zum benachbarten Statorbauteil ermöglicht. Die Klauen leiten den Magnetfluss über den Arbeitsluftspalt zu den Permanentmagneten (12) des Rotors.
Das Statorbauteil (8) ist als Hybidbauteil konzipiert; die Rückwand (9) besteht aus einer Mehrzahl von Eisenblechen, die jeweils durch eine dünne Schicht von Eisenoxid voneinander elektrisch isoliert sind, und sowohl die Klauen (10) als auch der Bund (11) bestehen aus einem Verbundmaterial aus Eisenpartikeln.
In einer ersten Ausführung werden die Eisenpartikel dieses Verbundmaterials vor der eigentlichen Formgebung ummantelt und die Formgebung geschieht dann in einer Form in einer Presse. Durch Erwärmung in der Form und/oder außerhalb kommt es zu einem Formgebungsprozess für das betreffende Bauteil.
Die aus Eisenblechen bestehende Rückwand (9) wird in die Form eingelegt, bevor das Eisenpulver eingebracht wird. Bei dem Pressvorgang dringt das Pulver in die Löcher (15) und Nuten (16) der Bleche ein, und das bewirkt nachher einen Formschluss zwischen der Rückwand und den Klauen einerseits und zwischen der Rückwand und dem Bund andererseits.
Dieser Formschluss wird noch dadurch verbessert, dass die Löcher in den Blechen unterschiedlich groß sind, dadurch entstehen Hinterschneidungen (17), die eine Verzahnung bewirken. Der Formschluss zwischen der Rückwand und dem Bund wird durch unterschiedliche Durchmesser der Bleche in diesem Übergangsbereich verbessert, auch hier ergibt sich eine Verzahnung.
Bescheibung des Herstellverfahrens formgebundenes Pressen
In einer besonders vorteilhafen Ausführung werden bei geöffneter Pressenform die Bleche der Rückwand in die Form eingelegt, bevor das Eisenpulver eingebracht wird. Das Presswerkzeug ist so aufgebaut, dass die Blechteile beim Pressen nicht verformt oder aufgefächert werden, indem die Bleche schon zu Beginn des Pressvorgangs mit hoher Kraft durch federnde Niederhalter oder separat angetriebene Züge zusammengedrückt werden.
Ferner wird der zeitliche Verlauf der Presskraft so gesteuert, dass sich die Klauen optimal mit den Blechen verbinden können. Im einfachsten Fall werden dazu die Druckaufbauzeit, die Haltezeit und die Druckabbauzeit präzise gesteuert, bei höheren Anforderungen sind mehrere Druckphasen, ggf. mit unterschiedlichen Druckaufbauzeiten anzuwenden. Die optimalen Druckaufbau- und Druckabbauzeiten, gegebenenfalls die Anzahl und die Frequenz der Druckstöße sowie ihre Amplituden und der Oberwellengehalt werden bei der Inbetriebnahme durch Versuchsreihen ermittelt und bei der späteren Produktion genau eingehalten.
Die Wärmebehandlung des hybriden Bauteils erfolgt durch Aufheizen der Form und durch Erwärmen der Teile nach dem Pressvorgang, und zwar so, dass die magnetischen Eigenschaften des Pulvermaterials verbessert werden, aber die magnetischen Eigenschaften der Bleche nicht verschlechtert werden.
Beschreibung des Herstellverfahrens Spritzguß
In einer alternativen Ausführung wird für die Klauen und den Bund nicht gepreßtes Pulvermaterial, sondern durch Spritzen verarbeitbarer gefüllter Kunststoff verwendet. Das Füllmaterial ist dabei feinkörniges Eisenpulver, wobei jedes Korn eine eng tolerierte Oberflächenschicht aus Eisenoxid aufweist.
Der Aufbau des hybriden Stators unterscheidet sich abgesehen von der Vermischung mit dem Kunststoff nicht von der Ausführung mir dem gepreßten Pulvermaterial, aber der Herstellprozess unterscheidet sich insofern, dass nicht eine Presse, sondern eine Kunststoffspritzgussmaschine verwendet wird. Auch dabei muss ein Auffächern der Bleche während des Spritzvorgangs durch Niederhalter oder Züge in der Form verhindert werden, und der optimale zeitliche Verlauf des Spritzdruckes muss bezüglich der Erfordernisse des Hybridbauteils durch eine Versuchsreihe ermittelt und dann während der Produktion genau eingehalten werden.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2
3: Stator
4: Rotor
5: Welle
6
7
8: Statorbauteil
9: Rückwand
10: Klaue
11: Bund
12: Permanentmagnet
13
14
15: Nut
16: Hinterschneidung
17: Verzahnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10325085 [0002]
EP 0155877 [0002]
DE 1538241 A [0002]
US 2007/0035197 [0002]

Claims

Elektromotor mit folgenden Merkmalen: – die Wicklungen des Stators werden elektronisch kommutiert – der Rotor weist eine Vielzahl von Permanentmagneten auf – die statorseitigen Pole sind axial verlängert klauenförmig ausgeführt – es entsteht ein transversaler Magnetfluss im Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor – der Stator besteht aus mehreren gleichförmigen Bauteilen dadurch gekennzeichnet, dass die Statorbauteile jeweils aus zwei unterschiedlichen Materialien aufgebaut sind, von denen eines in mehreren Lagen angeordnetes Eisenblech ist und das andere ein Eisenpulver-Verbundmaterial ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial aus Eisenpartikeln durch einen Pressvorgang und eine Wärmebehandlung geformt wird.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial aus Eisenpartikeln besteht, die vor dem Vorgang des Formens oberflächlch oxidiert worden sind und die zusammen mit einem flüssigen Kunststoff in eine Form gespritzt werden.
Elektromotor nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Eisenblechen und dem Verbundmaterial formschlüssig ist.
Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss durch eine derartige Gestaltung der Eisenbleche verbessert wird, die das Vorhandensein von Hinterschnitten bewirkt. Dazu befinden sich angrenzend an den Bereich der Klauen Löcher in den Blechen, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen, derart gestaltet, dass zumindestens eines dieser Löcher weiter innen im Blechstapel größer ist als eines der Löcher weiter aussen.
Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss zwischen den Eisenblechen und dem Verbundmaterial im Bereich des Bundes dadurch verbessert wird, dass die Bleche angrenzend an den Bund unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Verfahren zur Herstellung von Statorbauteilen für einen Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Formschluss zwischen den Eisenblechen und den Bestandteilen aus dem Verbundmaterial während der Formung dieser Bestandteile in einem Formwerkzeug einer Presse oder einer Spritzgussmaschine erzeugt wird. Die Eisenbleche werden vor der Formung in die Form eingelegt.
Verfahren zur Herstellung von Statorbauteilen für einen Elektromotor nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Form zur Herstellung dieser Bauteile federnde oder separat angetriebene Bauelemente enthält, die während der Formung die Eisenbleche zusammendrücken.
Verfahren zur Herstellung von Statorbauteilen für einen Elektromotor nach Anspruch 1, 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Formung der Klauen und des Bundes aus Eisenpulver-Verbundmaterial in einer Presse erfolgt und die Aufbringung der Presskaft einem empirisch ermittelten und später mit hoher Genauigkeit eingehaltenen Verlauf der Presskraft über der Zeit folgt. Dabei wird insbesondere die Zeit für den Druckanstieg oder die unterschiedlichen Druckanstiege auf die fluiden Eigenschaften der Eisenpartikel abgestimmt.
Verfahren zur Herstellung von Statorbauteilen für einen Elektromotor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichet, dass die Formung der Klauen und des Bundes aus Eisenpulver und Kunststoff in einer Spritzgußmaschine erfolgt und der Spritzdruck einem empirisch ermittelten und mit hoher Genauigkeit eingehaltenen Verlauf über der Zeit folgt.