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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ständers für einen Elektromotor sowie einen entsprechenden Ständer.
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Elektromotoren haben vielfältige Anwendungsgebiete: So werden diese beispielsweise zum Antrieb von Schienenfahrzeugen eingesetzt und mit kleineren Abmessungen auch in Akku-Schraubern, Textilspinnmaschinen, etc.
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Ein Elektromotor in sogenannter „Trommelläuferbauform” besteht aus einem Läufer (Rotor) und einem Ständer (Stator), in dem der Läufer drehbar angeordnet ist. Um einen Ständer herzustellen, ist es der Anmelderin aus einer Referenz bekannt, den Ständer als Blechpaket herzustellen mit einer in Nuten eingelegten Drehfeldwicklung. Hierzu wird zunächst ein Blech gestanzt. Aus den gestanzten Blechen wird ein sogenanntes Ständerblechpaket gestapelt und mittels. Schweißnähten oder durch Verkleben paketiert. Dies kann auch als sogenannte Stanzpaketierungen in einem einzigen Schritt durchgeführt werden. Anschließend wird das so hergestellte Ständerblechpaket mit Zahnspulenwicklungen bewickelt. Abschließend wird die Zahnspulenwicklung geschaltet und imprägniert.
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Eine derartige Herstellung des Ständers für den Elektromotor ist nicht nur aufwändig, sondern auch zeitintensiv und teuer.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Ständers sowie einen Ständer für einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, der einfach und kostengünstig herstellbar ist, insbesondere hohe Stückzahlen bei einfacher und kostengünstiger Fertigung ermöglicht.
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Die Erfindung löst die genannte Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung eines Ständers für einen Elektromotor, umfassend die Schritte: Herstellen eines elektrisch nichtleitenden, dünnwandigen Grundkörpers. Festlegen zumindest einer Wicklung am Grundkörper, insbesondere mittels eines Zahnelementes, sowie Ausbilden des Ständers mittels des Grundkörpers und eines Joches.
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Die Aufgabe wird ebenfalls durch einen Ständer für einen Elektromotor, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–11 gelöst. Dieser Ständer umfasst einen elektrisch nichtleitenden, dünnwandigen Grundkörper, ein Joch sowie zumindest eine Wicklung, welche am Grundkörper, insbesondere mittels eines Zahnelementes festgelegt ist.
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Damit ist ein kostengünstiges Herstellen eines Ständers für einen Elektromotor möglich: Durch die dünnwandige Ausbildung wird erheblich Material beim Herstellen des Grundkörpers eingespart. Gleichzeitig ist das dünnwandige Material leicht verformbar, so dass auf einfache Weise eine gewünschte Form des Grundkörpers hergestellt werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Vorteilhafterweise erfolgt das Herstellen des Grundkörpers mittels Spritzgießen und/oder Pressen und/oder durch einen Folientiefziehvorgang. Dies ermöglicht eine kostengünstige und flexible Herstellung des Grundkörpers.
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Vorteilhafterweise wird der Grundkörper zumindest teilweise aus Kunststoff und/oder aus zumindest teilweise magnetisch leitfähigem Material hergestellt wird.
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Damit wird eine einfache und kostengünstige Fertigung sowie eine ausreichende magnetische Wechselwirkung sichergestellt.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Herstellen des Grundkörpers das Anordnen von Nuten am Grundkörper. Der Vorteil dabei ist, dass in den Nuten zusätzliche Elemente an- und/oder eingebracht werden können. Das Festlegen einer Wicklung insbesondere mittels eines Zahnelements am Grundkörper wird damit wesentlich vereinfacht, da beispielsweise das Zahnelement einfach in die Nuten eingebracht und an diesen festgelegt werden kann.
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Vorteilhafterweise erfolgt das Festlegen der Wicklung am Grundkörper durch Formschluss und/oder durch Stoffschluss. Auf diese Weise ist ein zuverlässiges Festlegen der Wicklung am Grundkörper möglich. Eine besonders zuverlässige Festlegung der Wicklung beispielsweise an oder in Nuten des Grundkörpers wird durch die formschlüssige Festlegung mittels des Zahnelements erreicht.
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Zweckmäßigerweise wird das Joch mittels Spritzgießen hergestellt und insbesondere das Joch am Grundkörper angespritzt. Auf diese Weise ist das Joch zum einen kostengünstig herstellbar, zum anderen kann das Joch direkt mit dem Grundkörper verbunden werden, sodass ein hierfür benötigter zusätzlicher Herstellungsschritt entfallen kann.
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Vorteilhafterweise wird das Zahnelement mittels Verkleben und/oder mittels Formschluss am Grundkörper festgelegt. Während ein Verkleben des Zahnelements am Grundkörper besonders zuverlässig ist, ist das Festlegen des Zahnelements mittels Formschluss am Grundkörper einfach: Das Zahnelement kann beispielsweise einfach am Grundkörper aufgesteckt oder eingesteckt werden. Werden beide kombiniert, ist eine besonders zuverlässige Festlegung des Zahnelements am Grundkörper möglich.
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Zweckmäßigerweise wird das Zahnelement einstückig mit dem Grundkörper hergestellt. Der Vorteil hierbei ist, dass damit ein zusätzlicher oder separater Herstellungsschritt für das Zahnelement entfallen kann. Gleichzeitig ist damit das Zahnelement in den Grundkörper selbst integriert und damit zuverlässig an diesem festgelegt.
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Vorteilhafterweise umfasst das Herstellen des Grundkörpers und/oder des zumindest einen Zahnelementes die Schritte Herstellen einer Umfangsfläche des Grundkörpers in Form eines im Wesentlichen rechteckförmigen Bandes sowie Verbinden zumindest zweier Seitenflächen des Bandes zu einem im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper. Der Vorteil hierbei ist, dass der Grundkörper als fortlaufendes Band hergestellt werden kann, welches anschließend einfach auf die entsprechenden Maße des gewünschten Grundkörpers zurechtgeschnitten und/oder gestanzt wird. Damit sind hohe Produktionszahlen und damit ein kostengünstiges Herstellen des Grundkörpers und damit insgesamt auch des Ständers möglich.
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Zweckmäßigerweise erfolgt das Verbinden der zumindest zwei Seitenflächen des Bandes stoffschlüssig und/oder formschlüssig. Dabei kann das stoff- und/oder formschlüssige Verbinden mittels einer Nutfederverbindung und/oder eines Konturstabes und/oder Verkleben erfolgen. Auf diese Weise wird ein zuverlässiges und günstiges Verbinden zweier Seitenflächen des Bandes zur Herstellung des Grundkörpers gewährleistet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
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Dabei zeigt
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1a einen Grundkörper eines Ständers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt;
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1b, c einen Grundkörper gemäß der ersten und einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2a-d einen Grundkörper gemäß der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Wicklungen;
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3a-3d einen Grundkörper mit Wicklungen und Zahnelementen gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4a, b einen Ständer gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5a, b einen Grundkörper gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6a-d einen Grundkörper gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6e, f Verbindungen des Grundkörpers gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt einen Grundkörper eines Ständers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt. In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen zylinderförmigen, dünnwandigen Grundkörper, der Folienstärke aufweist und der Nuten 2 auf seiner Umfangsfläche umfasst. Die Nuten 2 sind sowohl in Richtung der Außenseite als auch in Richtung der Innenseite 1a' des Grundkörpers 1 offen. Die Nuten umfassen also keinen Boden 2a. Ebenfalls sind die Nuten 2 entlang des Umfangs des Grundkörpers 1 gleich verteilt angeordnet.
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1b zeigt den dünnwandigen Grundkörper 1 aus der 1a in dreidimensionaler schematischer Ansicht. Gezeigt sind die im Wesentlichen rechteckförmigen regelmäßig entlang des Umfangs des zylinderförmigen Grundkörpers 1 angeordneten Nuten 2. Die Nuten 2 sind sowohl in Richtung auf die Achse des zylinderförmigen Grundkörpers 1 als auch bezüglich seiner Umfangsfläche offen.
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1c zeigt eine weitere Ausführungsform des dünnwandigen Grundkörpers 1. Dabei sind die Nuten 2 mit einem Boden 2b versehen, stellen also im Wesentlichen Vertiefungen des Grundkörpers 1 dar. Sowohl die Nuten 2 gemäß 1b als auch die Vertiefungen 2 gemäß 1c sind im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Die Vertiefungen respektive die Nuten 2 können dabei abgerundete Kanten und/Ecken aufweisen, was eine Anordnung eines entsprechend ausgebildeten Zahnelementes 4 (siehe 6b) vereinfacht.
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Die 2a, 2b zeigen einen Grundkörper gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 2a ist der dünnwandige, zylinderförmige Grundkörper 1 gemäß 1a gezeigt. Auf einer Innenseite 1a' des Grundkörpers 1 und auf der Außenseite der in das Innere 1a' hineinragenden Nut 2 ist ein Wickelkörper mit einer Wicklung 3 formschlüssig aufgesteckt. In 2a ist lediglich eine einzelne Wicklung 3 auf die Innenseite der Nut 2 aufgesteckt gezeigt, wohingegen 2b den Grundkörper 1 zeigt, bei dem jede der Nuten 2 auf der Innenseite 1a' des Grundkörpers 1 und auf der Außenseite der entsprechenden Nut 2 mit einer Wicklung 3 versehen ist.
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2c zeigt den dünnwandigen Grundkörper 1 mit aufgesteckten Wicklungen 3 im Querschnitt. Hierbei sind keine Unterschiede zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform zu sehen.
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2d zeigt den dünnwandigen Grundkörper 1 gemäß 1c in perspektivischer Ansicht. Auf dem dünnwandigen Grundkörper 1 sind ebenfalls auf der Innenseite 1a' des Grundkörpers 1 und auf der Außenseite der in den dünnwandigen Grundkörper 1 hineinragenden Nuten 2 Wicklungen 3 an jede der sechs über den Umfang des Grundkörpers 1 gleichmäßig verteilten Nuten formschlüssig aufgesteckt.
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3a–3d zeigt einen Grundkörper mit Wicklungen gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 3a ist in schematischer dreidimensionaler Ansicht der dünnwandige Grundkörper 1 gemäß 1b gezeigt, der mit umfänglich verteilten Nuten 2 versehen ist. Auf der Außenseite der nach innen in den dünnwandigen Grundkörper 1 hineinragenden und im Wesentlichen quaderförmigen Nuten 2 sind Wickelkörper mit Wicklungen 3 angeordnet. Weiter ist in 3a ein Zahnelement 4 zu sehen. Das Zahnelement 4 ist zumindest teilweise aus magnetischem Material, beispielsweise aus Ferrit und/oder aus gepresstem weichmagnetischen Material hergestellt und weist einen zu dem rechteckförmigen inneren Bereich der Nut 2 entsprechenden rechteckförmigen Bereich 4a auf und einen mit einer Wölbung versehenen Bereich 4b, der im Wesentlichen als Kreissegment und konzentrisch zum dünnwandigen zylinderförmigen Grundkörper 1 ausgebildet ist. Eine Oberfläche 4d des mit der Wölbung versehenen Bereichs 4b ist in Richtung der Achse des dünnwandigen, zylinderförmigen Grundkörpers 1 ausgerichtet, wohingegen die Oberfläche 4c des rechteckförmigen Bereichs 4a eine im Wesentlichen glatte Oberfläche mit der äußeren Oberfläche des dünnwandigen Grundkörpers 1 bildet (siehe 3b). Das im Wesentlichen quaderförmig ausgebildete Zahnelement 4 weist weiterhin senkrecht zu seiner Längserstreckung Vorsprünge V1, V2 auf, die im Bereich 4b angeordnet sind und zur formschlüssigen Festlegung der Wicklungen 3 an den Nuten 2 mittels des Zahnelementes 4 dienen.
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3c zeigt einen dünnwandigen, zylinderförmigen Grundkörper 1 in perspektivischer Ansicht gemäß 1c. Ein im Wesentlichen trapezförmiges Zahnelement 5 wird dabei von außen in die Nut 2 eingebracht und in dieser formschlüssig und/oder stoffschlüssig, beispielsweise durch Verkleben festgelegt. Das Zahnelement 5 weist dabei im Unterschied zum Zahnelement 4 der 3a keine Vorsprünge auf.
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3d zeigt das Einlegen des Zahnelements 5 von außen in die Nut 2 nochmals in einer anderen Perspektive. Das Zahnelement 5 ist dabei wieder im Gegensatz zum Zahnelement 4 der 3a, 3b im Wesentlichen im Querschnitt trapezförmig und an die Konturen der Aussparung 2 bzw. der äußeren Umfangsfläche des Grundkörpers 1 ausgebildet.
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4 zeigt einen Ständer mit einem Grundkörper gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 4a wird der dünnwandige Grundkörper 1 mit an den Nuten 2 angeordneten Windungen und Zahnelementen 4 in ein zylinderförmiges Joch 6 entsprechend der äußeren Form des dünnwandigen Grundkörpers 1 eingebracht. Das Joch 6 ist dabei aus zumindest teilweise magnetischem Material, beispielsweise aus kunststoffgebundenem und/oder weichmagnetischen gepressten Material oder Ferrit hergestellt. Daneben ist es ebenfalls möglich zur Optimierung von Kosten und/oder Leistung eines Elektromotors mit dem Ständer der 4, unterschiedliche Materialien bzw. Werkstoffe für Joch 6 und Zahnelemente 4 vorzusehen. In einem weiteren Schritt gemäß 4b werden nun die in den dünnwandigen Grundkörper 1 eingebrachten Zahnelemente 4 mittels einer formschlüssigen Steckverbindung oder durch Verkleben mit dem Joch 6 verbunden. Es entsteht so ein Ständer 7 für einen Elektromotor. Entsprechend gilt dies auch für die Zahnelemente 5 gemäß der zweiten Ausführungsform.
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5 zeigt einen Grundkörper gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 5 ist ein dünnwandiges Band 1' gezeigt, welches im Wesentlichen Folienstärke aufweist. Das Band 1' ist im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und weist in regelmäßigen Abständen entlang der Längserstreckung rechteckförmige Nuten bzw. Vertiefungen 2 auf, die mit einem Boden 2b versehen sind. Das Band gemäß 5a ist bereits auf die gewünschte Größe des zylinderförmigen Grundkörpers 1 zurechtgeschnitten und weist Seitenquerkanten 1a, 1b auf, die senkrecht zur Längsseite des Bandes 1' angeordnet sind. In 5b werden nun die Nuten respektive Vertiefungen 2, die in 5a, 5b als Erhöhungen gezeigt sind, mit Wicklungen 3 versehen. Die jeweilige Wicklung wird dabei auf der Außenseite der jeweiligen Vertiefung 2 angeordnet. Die Wicklungen 3 weisen dabei wie auch die Vertiefungen 2 ebenfalls im Wesentlichen Rechteckform und/oder Trapezform auf. So kann der für die Wicklungen 3 zur Verfügung stehende Freiraum optimal genutzt und der Nutfüllfaktor und damit eine Ausnutzung eines einen dünnwandigen Grundkörper aufweisenden Elektromotors gesteigert werden. Zur Herstellung des zylinderförmigen dünnwandigen Grundkörpers 1 werden nun die Seitenquerkanten 1a und 1b miteinander verbunden, so das insgesamt ein zylinderförmiger dünnwandiger Grundkörper 1 mit Wicklungen 3, welche an den Vertiefungen 2 angeordnet sind, ausgebildet wird.
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6 zeigt einen Grundkörper gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 6a ist ein fortlaufendes Band 1' gezeigt, welches anstelle der Vertiefungen 2 der 5a Zahnelemente 4 aufweist. Die Zahnelemente 4 sind im Wesentlichen Doppel-T-förmig ausgebildet. Die Grundform eines Zahnelements 4 im Querschnitt ist dabei wie folgt: Der in 6a untere Bereich 4b ist im Wesentlichen im Querschnitt trapezförmig, wobei die Kanten nach oben hin zulaufend und symmetrisch ausgebildet sind. In der Mitte des oberen Fläche des Bereichs 4b ist ein im Wesentlichen rechteckförmiger Bereich 4a angeordnet, in dessen oberen Bereich 4c im Wesentlichen dreieckförmige Überstände 10 angeordnet sind. Reiht man nun mehrere Zahnelemente 4 mit ihren Unterseiten 4b auf einer gemeinsamen Ebene aneinander, werden durch die abgeschrägten Flächen der Trapezform des unteren Bereichs 4b im Wesentlichen dreiecksförmige, nach oben offene Falten F gebildet. Um ein Band 1' für einen Grundkörper 1 herzustellen, werden nun die entsprechende Anzahl von Zahnelementen 4 aus einem fortlaufenden Band 1' hergestellt und an den jeweiligen Falten F geknickt, so dass die die Falten F jeweils begrenzenden Bereiche formschlüssig aneinander anliegen. Dabei wird dann beispielsweise gemäß der 6d ein sechseckförmiger dünnwandiger Grundkörper 1 mit Zahnelementen 4, die in Richtung der Achse des dünnwandigen Grundkörpers 1 mit ihren oberen Bereichen 4c orientiert sind, gebildet. Der Bereich 4b bildet dabei im Wesentlichen die äußere Begrenzung des dünnwandigen Grundkörpers 1. Der dünnwandige Grundkörper 1 ist damit als Joch 6 ausgebildet. Das Joch 6 ist dabei nun massiv ausgebildet; die Dicke des Umfangs des Jochs wird im Wesentlichen durch die Dicke des Bereichs 4b des Zahnelementes 4 sowie die Länge der Kanten der Falten F bestimmt.
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In 6b ist auf der linken Seite ein Zahnelement 4 gemäß 6a gezeigt. Das Zahnelement 4 weist dabei, wie in der Beschreibung zu 6a angeführt, eine ebene Grundfläche 4d auf. Daneben ist auch eine andere Form des Zahnelementes 4 denkbar, wie sie in 6b auf der rechten Seite gezeigt ist. Dabei ist der Bereich 4d gebogen ausgebildet, wobei die Grundfläche 4d des Zahnelements 4 in Blickrichtung auf die Grundfläche 4d ausgehend vom rechteckförmigen Bereich 4a konvex gebogen ist. Das Zahnelement 4 kann dabei insbesondere am Zahnhals abgerundete Ecken und/oder Kanten aufweisen, was die Anordnung einer Wicklung 3 am Zahnelement 4 erleichtert und Material für die Wicklung einspart.
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6c zeigt die Anordnung von Wicklungen um den Bereich 4a des Zahnelements 4. Durch die symmetrischen und zu beiden Seiten vorstehenden Bereiche 10 des oberen Bereichs 4c des Zahnelements 4 ist die Wicklung 3 zuverlässig am mittleren Bereich 4a des Zahns 4 festlegbar.
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In 6e bzw. 6f sind zwei mögliche Alternativen zur Festlegung der Seitenquerkanten 1a, 1b des Bandes 1' gezeigt. In 6e im Bereich der Seitenquerkante 1a, 1b des Bandes 1' sind korrespondierende, im Wesentlichen im Querschnitt kreisförmige Vertiefungen T1, T2 gezeigt. Die beiden Seitenquerkanten 1a, 1b werden nun durch Einschieben eines entsprechend geformten Konturstabes K für die Vertiefungen T1, T2 zusammengefügt. In 6f weist dagegen die Seitenquerkante 1b eine Aussparung A auf, welche im Wesentlichen wannenförmig ausgebildet ist. Die korrespondierende Seitenquerkante 1a des Bandes 1' weist eine entsprechende Hervorhebung B auf. Wird nun Kleber in die Aussparung A eingebracht, kann die Erhebung B form- und stoffschlüssig in die Aussparung A eingreifen und so die Seitenquerkanten 1a und 1b des Bandes 1' zuverlässig miteinander verbinden bzw. aneinander festlegen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
