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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere eine Drehfeldmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
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Beim Stator einer elektrischen Maschine soll der vom Statorjoch umgebene Wicklungsraum möglichst gut ausgenutzt werden. Es ist deshalb bekannt, anstelle von fest mit dem Statorjoch verbundenen Statorzähnen die Statorzähne separat auszuführen, welche einfach außerhalb des Statorjochs bewickelt werden können. Die bewickelten Statorzähne werden dann üblicherweise in Längsrichtung in das Statorjoch eingeschoben und über einer Formschluss- und/oder Kraftschlussverbindung dort gesichert. Hierdurch lässt sich ein deutlich größerer Füllfaktor erreichen als bei der Bewicklung der Statorzähne mit einer Nadelwickelmaschine im Statorjoch, da keine Freiräume zwischen einzelnen Wicklungen für die Nadel der Nadelwickelmaschine vorgesehen werden müssen.
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Übliche Formschlussverbindungen sind beispielsweise in der
DE 196 52 795 A1 offenbarte Schwalbenschwanzverbindungen. Dort werden mit Spulen bestückte Einzelpole durch Schwalbenschwänze negativer und positiver Art mit dem Jochblechpaket verbunden. Auch sind dort T-förmige Schwalbenschwanzverbindungen gezeigt, welche auch zur Herstellung formschlüssiger Verbindungen zwischen Jochblechpaket und Statorzähnen dienen.
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Ähnliche Schwalbenschwanzverbindungen offenbaren
DE 100 26 003 A1 ,
KR 10 2007 0092816 A ,
KR 10 2007 0092808 A ,
KR 10 2007 0092814 A oder
KR 10 2007 0092822 A .
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Zudem können durch die externe Bewicklung die Statorzähne zu einem Statorzahnpaket miteinander verbunden werden, was ein einfacheres Einsetzen in das Statorjoch ermöglicht und zudem die im Betrieb entstehenden Rastmomente verringert. Bei einem derartigen Statorzahnpaket sind dann keine Schwalbenschwanzverbindungen nötig, um das Statorzahnpaket im Statorjoch zu halten. Derartige Ausführungen gehen aus
DE 198 42 948 A1 ,
DE 10 2004 047 734 A1 oder
KR 10 2006 0112310 A hervor.
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In obigem Stand der Technik werden die Statorzähne in axialer Richtung in die entsprechenden Verbindungsnuten am Statorjoch geschoben. Um jedoch eine magnetisch gut leitende Verbindung zwischen Statorzähnen und Statorjoch herzustellen, müssen die Verbindungen möglichst passgenau sein und werden bevorzugt durch Presspassungen gebildet. Dies hat zur Folge, dass die Statorzähne mit hohem Kraftaufwand in das Statorjoch eingedrückt werden müssen. Insbesondere bei einem lange Statorjoch sind große Kräfte nötig, welche teuere Einpressvorrichtungen erfordern und die Herstellung verkomplizieren. Zudem sind bei derartigen Einpressvorrichtungen zur Vermeidung von Verletzungen des Bedienpersonals zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. Auch erfordert dies eine exakte Fertigung der in der Regel aus Blechpaketen zusammengesetzten Statorzähne und bzw. des Statorjochs, insbesondere der Verbindungsöffnungen und Verbindungsgegenstücke.
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Eine alternative Ausführung eines Stators, der den oben beschriebenen Nachteil vermeidet, offenbart
DE 102 36 941 A1 . Dort ist jeder zweite Statorzahn fest am Startorjoch angeordnet, während jeder andere zweite Statorzahn über eine Schnappverbindung auf einen Statorzahnvorsprung am Joch aufgeschnappt werden kann. Hierzu müssen aber die fest mit dem Statorblechpaket verbundenen Zähne vorab bewickelt werden, während die einschnappbaren Zahnrümpfe und zugehörigen Statorzähne unbewickelt bleiben. Auch diese Fertigung setzt also eine aufwendige und teure Nadelbewicklung voraus, und ist für eine auf hohen Durchsatz ausgelegte Fertigung von Motoren nicht sinnvoll einsetzbar.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Stator für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile überwinden und ein schnelles, einfaches, weitgehend kraftloses oder kraftarmes Einsetzen der Statorzähne in ein Statorjoch bei gleichzeitig guter magnetisch leitender Verbindung zwischen Statorjoch und Statorzähnen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Stator für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stator;
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2 einen Detailausschnitt eines Verbindungsbereichs des Stators aus 1 im vormontierten Zustand;
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3 die Ansicht aus 2 mit dem Stator in endmontiertem Zustand;
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4 eine alternative Ausführung des Stators aus 1;
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5 eine alternative Ausführung eines erfindungsgemäßen Stators.
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1 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Längsachse eines erfindungsgemäßen Stators einer elektrischen Maschine. Der Stator weist ein kreisringförmiges Joch 1 auf, welches in üblicher Weise aus einer Vielzahl von Lagen von Einzelblechen ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise durch Verbindung einzelner Stanzteile hergestellt werden. Alternativ kann das Joch 1 auch aus anderen geeigneten Materialen und auf andere geeignete Herstellungsweisen hergestellt sein.
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Weiter sind in an sich bekannter Weise zur Führung des magnetischen Flusses im Stator eine Vielzahl von identisch ausgebildeten Statorzähnen, weshalb die Erfindung im Nachfolgenden anhand des Statorzahns 2, auch kurz Zahn 2 genannt, erläutert wird. Entsprechende Ausführungen gelten auch für die anderen, nicht im einzelnen bezeichneten Zähne.
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In den Zeichnungen wurden die Wicklungen des Stators weggelassen, da sie an sich bekannt und für die Erläuterung der vorliegenden Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung sind.
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Der Zahn 2 ist in an sich bekannter Weise aus einzelnen, fest miteinander verbundenen, z. B. verklebten Lagen magnetisch leitfähiger Einzelbleche ausgebildet. Der Zahn 2 weist einen Zahnkopf 3 auf, an welchen sich ein Zahnhals 4 anschließt. An einem dem Zahnkopf 3 gegenüberliegenden Ende des Zahnhalses 4 ist ein als schwalbenschwanzähnlicher länglicher Zapfen 5 ausgebildetes Verbindungsstück ausgeformt, der in ein entsprechend geformtes, als längliche Zahnnut 6 ausgebildetes Verbindungsgegenstück am Joch 1 eingreift. Zapfen 5 und Zahnnut 6 bilden eine aus dem Stand der Technik bekannte Schwalbenschwanzverbindung aus. Die Schwalbenschwanzverbindung ist dabei so ausgebildet, dass sich der Zahn 2 ohne oder mit nur geringem Kraftaufwand in das Joch 1 einsetzen lässt, vorzugsweise von Hand.
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Der Zahn 2 weist über seine gesamte Länge einen Längsschlitz 7 auf, der vom Zapfen 5 durch den Zahnhals 4 zum Zahnkopf 3 verläuft. Hierdurch bilden sich Zahnschenkel 8 bzw. 8' aus. Die Zahnschenkel 8, 8' lassen sich geringfügig zusammendrücken und auseinanderspreizen. Somit können die Zahnschenkel 8, 8' beim Einsetzen leicht zusammengedrückt werden, wodurch ein fast kraftloses Einsetzen bei nur kleinem Unterschied zwischen den Formen des Zapfens 5 und der Zahnut 6 ermöglicht wird.
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Um zusätzlich zum Formschluss der Schwalbenschwanzverbindung einen Kraftschluss zwischen Joch 1 und Zahn 2 herzustellen, ist im Zapfen 5 eine als Spreizbohrung 9 ausgebildete Spreizöffnung vorgesehen, welche auch durch den Längsschlitz 7 reicht.
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Die Spreizbohrung 9 dient zur Aufnahme eines als Schwerspannstift 10 ausgebildeten Spreizelements, der nach dem Einstecken des Zahns 2 in das Joch 1 in die Spreizbohrung 9 eingeführt wird und die Zahnschenkel 8, 8' aufspreizt. Um den Schwerspannstift 10 leicht in die Schweißbohrung 9 einführen zu können, weist er vorteilhaft einen sich zum Einsteckende verjüngenden Verlauf auf, beispielsweise kegelabschnittsförmig oder gestuft. Im entspannten Zustand weist der Schwerspannstift 10 deshalb vorzugsweise einen etwas größeren Durchmesser als die Spreizbohrung 9, sei es im nicht eingesetzten oder eingesetzten Zustand, auf. Vorteilhaft ist die Spreizbohrung 9 im Durchmesser etwas kleiner als der Durchmesser des Schwerspannstifts 10 im nicht eingesetzten Zustand.
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Durch das Auseinanderdrücken der Enden der Zahnschenkel 8, 8' beim Einsetzen des Schwerspannstifts 10 werden die aneinanderliegenden Wandungen von Zapfen 5 und Zahnnut 6 fest aneinandergepresst. Hierdurch wird vorteilhaft eine gute magnetische Kopplung zwischen Joch 1 und Zahn 2 erreicht, da zwischen Zapfen 5 und Zahnnut 6 befindliche Luftspalte beseitigt werden, wie insbesondere aus einem Vergleich von 2 und 3 gut erkennbar. Dort ist weiter gut zu erkennen, dass der im eingesetzten Zustand des Zahns 2 in 2 gezeigte schmale Längsschlitz 7 durch das Einsetzen des Schwerspannstifts 10 bis zu der in 3 gezeigten Stellung aufgeweitet wird.
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Hierbei kann es bereits ausreichend sein, wenn der Schwerspannstift 10 im eingesetzten Zustand nicht über die gesamte Länge der Spreizbohrung 9 reicht.
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Durch das Einsetzen des Schwerspannstifts 10, der dabei selbst etwas zusammengedrückt wird, und das dadurch bewirkte Aneinanderpressen von Zapfen 5 und Zahnnut 6 wird zudem beständig eine guter Kraftschluss erreicht, so dass der Zahn 2 sicher im Joch 1 gehalten wird.
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Eine alternative Ausführung des Stators zeigt 4. Diese Ausführung unterscheidet sich von der in 1 bis 3 dadurch, dass keine einzeln in das Joch 1 einzusetzenden Zähne 2 vorgesehen sind, sondern dass alle Zähne 2, 2', 2'' usw. über Zahnverbindungsstege 11, 11', 11'' usw. zu einem Zahnpaket 12 miteinander verbunden sind. In übrigen gelten die obigen Ausführungen zu der Ausführung des Stators nach 1 bis 3 entsprechend, gleiche Teile werden deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Durch die Verbindung der Zähne 2, 2', 2'' zu einem Zahnpaket kann einfach ein mit nicht gezeigten Wicklungen versehenes Wicklungspaket hergestellt und dann leicht in das Joch 1 eingeschoben werden. Gerade bei dieser Ausführung weist die erfindungsgemäße Spreizverbindung der vorliegenden Erfindung einen großen Vorteil gegenüber den bekannten Statoren auf, denn die einzelnen Zapfen 5, 5', 5'' usw. können leicht auf die Zahnnuten 6, 6', 6'' etc. ausgerichtet werden und ohne oder mit nur geringer Kraft in letztere eingesetzt werden. Hierdurch verringern sich die Anforderungen an die Passgenauigkeit und die Fertigungstoleranzen der Formschlussverbindung, was sowohl die Herstellung der einzelnen Blechpakete, des Jochs 1, der Zähne 2 und das Zusammensetzen des Stators erleichtert.
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Eine weitere alternative Ausführung eines erfindungsgemäßen Stators zeigt 5. Diese Ausführung unterscheidet sich von der in 1 bis 3 gezeigten dadurch, dass einsetzbare Zähne 2 und fest mit dem Statorjoch 1 verbundene Zwischenzähne 13, 13', 13'' abwechseln. Im übrigen entspricht die Ausführung nach 5 der in 1–3 gezeigten Ausführung, insbesondere was die Verbindung der austauschbaren Zähne 2 mit dem Statorjoch 1 betrifft. Gleiche Teile werden deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen, die Zwischenzähne 13, 13', 13'' exemplarisch anhand der drei bezeichneten Zwischenzähne 13, 13', 13'' beschrieben.
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Die Zwischenzähne 13, 13', 13'' können vorteilhaft unbewickelt bleiben, da der vorhandene Wicklungsraum durch die nicht gezeigte Wicklung auf den extern bewickelten einsetzbaren Zähne 2 ausgefüllt werden kann. Alternativ oder zusätzlich könnten auch die Zwischenzähne 13, 13', 13'' bewickelt werden, was aufgrund der großen Abstände zwischen benachbarten Zwischenzähnen 13, 13' einfach möglich ist. Werden nur die Zwischenzähne 13, 13', 13'' bewickelt, können die Zähne 2 nach dem Bewickeln der Zwischenzähnen 13, 13', 13'' schnell und einfach eingesetzt werden. Vorteilhaft sind die Zahnhälse 4 der in das Joch 1 einsetzbaren Zähne 2, 2', 2'' in radialer Umfangsrichtung des Stators breiter als die Zahnhälse der fest mit dem Joch 1 verbundenen Zwischenzähne 13, 13', 13'', um möglichst gut das magnetische Feld in den einsetzbaren Zähne 2, 2', 2'' führen zu können.
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In einer alternativen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführung kann der Längsschlitz 7 vorteilhaft auch kürzer sein als in 1 gezeigt und nur in den Zapfen 5 und den Anfang des Zahnhalses 4 reichen. Auch kann die Spreizbohrung 9 vorteilhaft so ausgebildet sein, dass sie sich vom Einsetzende für den Schwerspannstift 10 in Einsetzrichtung in Längsrichtung des Zahns 2 verjüngt, wodurch der Schwerspannstift 10 nicht durch die Spreizbohrung 9 durchfallen oder durchgeschoben werden kann.
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Ebenfalls kann sich in einer weiteren, nicht gezeigten Ausführung der Zapfen 5 und entsprechend die Zahnnut 6 vom Einsetzende des Schwerspannstifts 10 in Längsrichtung des Stators verjüngen, so dass sich das Einsetzen des Zahns 2 in das Joch 1 vereinfacht und der Zahn 2 nicht durch die Zahnnut 6 durchfallen oder durchgeschoben werden kann. Weiter können die Zahnnut 6 und entsprechend der Zapfen 5 auch nicht über die gesamte Länge des Jochs 1 reichen, wodurch ebenfalls ein Durchfallen oder Durchschieben des Zahns 2 verhindert wird. Vorteilhaft sollte aufgrund einer guten magnetischen guten Kopplung nur ein kleiner Abschnitt des Jochs 1 keine Zahnnut 6 aufweisen.
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Anstelle der in den Zeichnungen dargestellten Schwalbenschwanzverbindung können auch andere, ähnlich ausgebildete Formschlussverbindungen verwendet werden, beispielsweise eine T-förmige Verbindung wie in
DE 196 52 795 A1 offenbarte, deren Offenbarungsgehalt bezüglich der Formschlussverbindungen hiermit einbezogen wird. Grundsätzlich könnten aber auch Formschlussverbindungen gewählt werden, die ein Einsetzen des Zahns
2 in das Joch
1 von dessen Zentrumsachse aus ermöglichen. Durch die erfindungsgemäße Spreizung des Zapfens
5 gegen die Wandungen der Zahnnut
6 könnte auch dann der Zahn
2 im Joch
1 gehalten werden.
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Statt des in den Ausführungsbeispielen gezeigten einen Längsschlitzes 7 können im Zahn 2 vorteilhaft auch mehrere Längsschlitze vorgesehen werden. Auch kann der Längsschlitz 7 vorteilhaft anders ausgebildet werden. So kann der Längsschlitz 7 als eine sich vom Zapfen 5 zum Zahnkopf 3 hin verjüngende keilförmige Längsnut in Längsrichtung des Zahns ausgebildet sein, in die ein Spreizkeil als Spreizelement eingesteckt werden kann. Diese Längsnut bildete dann die Spreizöffnung im Sinne der Erfindung, eine zusätzliche Spreizbohrung 9 wie in den Figuren dargestellt würde sich somit erübrigen. Hierdurch könnte die Fertigung des Stators noch weiter vereinfacht werden.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann die Formschlussverbindung zwischen Joch 1 und Zahn 2 auch vertauscht sein, das Joch würde dann eine Vielzahl von mit Spreizöffnungen versehene Zapfen aufweisen, während die Zähne die entsprechende Längsnut vorsehen würden. Das Spreizelement würde dann in die Spreizöffnungen des Jochs eingesetzt werden. Im übrigen wäre die Funktion der Kraftschlussverbindung wie oben beschrieben.
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Die Erfindung ermöglicht es vorteilhaft, den Nutfüllfaktor des Stators zu erhöhen und somit die Effizienz der elektrischen Maschine zu steigern. Zudem vereinfacht sich die Herstellung des Stators deutlich, da das Zusammensetzen auch manuell erfolgen kann und keine aufwendigen Nadelwickelmaschinen oder Pressvorrichtungen vorgesehen werden müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- (Stator-)Joch
- 2, 2', 2''
- (Stator-)Zähne
- 3
- Zahnkopf
- 4
- Zahnhals
- 5
- Zapfen
- 6, 6', 6''
- Zahnnuten
- 7
- Längsschlitz
- 8, 8'
- Zahnschenkel
- 9
- Spreizbohrung (Spreizöffnung)
- 10
- Schwerspannstift (Spreizelement)
- 11, 11', 11''
- Verbindungsstege
- 12
- Zahnpaket
- 13, 13', 13''
- Zwischenzähne
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19652795 A1 [0003, 0032]
- DE 10026003 A1 [0004]
- KR 1020070092816 A [0004]
- KR 1020070092808 A [0004]
- KR 1020070092814 A [0004]
- KR 1020070092822 A [0004]
- DE 19842948 A1 [0005]
- DE 102004047734 A1 [0005]
- KR 1020060112310 A [0005]
- DE 10236941 A1 [0007]
