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Die Erfindung bezieht sich auf einen Trägerzahn mit einer gewickelten Spule in einer elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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In der
EP 0 045 125 A1 wird ein Stator für einen Elektromotor beschrieben, der eine Vielzahl von aneinanderliegenden, ringförmigen Statorlamellen aufweist, die jeweils mit radial nach innen ragenden Trägerzähnen zur Aufnahme eines gewickelten Spulendrahts versehen sind. Stirnseitig werden Kunststoff-Wicklungsträger, die an einem Trägerring angeordnet sind, am Stator befestigt.
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Bei elektrischen Maschinen besteht allgemein die Anforderung, mit minimalem Werkstoffeinsatz eine maximale Leistungsdichte zu erreichen, was eine thermisch effiziente Anbindung der Wicklung an die Trägerzähne erforderlich macht. Die im laufenden Betrieb entstehende Wärme in den Wicklungen muss abgeleitet werden, um ein gleichbleibendes Temperaturniveau halten zu können. Die Wärmeableitung erfolgt zum einen unmittelbar an die umgebende Atmosphäre, zum andern an den Trägerzahn, der üblicherweise als Blech-Lamellenpaket aufgebaut ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen den Wirkungsgrad von elektrischen Maschinen zu verbessern.
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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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Der erfindungsgemäße Trägerzahn, welcher mit einer gewickelten Spule versehen ist, wird im Stator oder im Rotor einer elektrischen Maschine eingesetzt, wobei über die Bestromung der Spulen ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor, wobei sowohl Innenläufer- als auch Außenläufermotoren in Betracht kommen. Der Elektromotor wird beispielsweise als Stell- oder Antriebsmotor in Kraftfahrzeugen eingesetzt. In Betracht kommt aber auch eine Anwendung als Antriebsmotor in Werkzeugmaschinen.
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Der Trägerzahn weist an mindestens einer Stirnseite einen Wicklungsträger auf, welcher als separat vom Trägerzahn ausgebildetes Bauteil ausgeführt ist. Der Wicklungsträger ist mit dem Trägerzahn verbunden, insbesondere auf den Trägerzahn aufgesteckt. Der Wicklungsträger besteht vorzugsweise aus Kunststoff, wohingegen der Trägerzahn als Blech-Lamellenpaket ausgeführt sein kann.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass an mindestens einer Trägerzahnseitenfläche, welche sich zwischen den beiden Stirnseiten des Trägerzahns erstreckt, eine Wärme leitende Thermofolie angeordnet ist. Die Thermofolie, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist im fertig montierten Zustand von dem Wicklungs- bzw. Spulendraht umwickelt und kann auf Grund ihrer Wärme leitenden Eigenschaften die in der Spule entstehende Wäre radial nach innen auf den Trägerzahn weiterleiten, von dem aus eine Wärmeabgabe an die Umgebung stattfindet. Auf diese Weise ist eine hinreichend gute Wärmeabfuhr gewährleistet, was den Einsatz leichterer und leistungsdichterer elektrischer Maschinen mit verbessertem Wirkungsgrad erlaubt, welche auf Grund ihrer kompakten Ausführung im Betrieb eine verhältnismäßig hohe Wärmedichte aufweisen. Über die Thermofolie wird die Wärmeableitung und damit die Entwärmung der Wicklung verbessert, so dass auch thermisch bedingte Schädigungen vermieden werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die Dicke des Trägerzahns einschließlich der aufgebrachten Thermofolie – quer zur Längsachse des Trägerzahns gesehen – größer ist als die Dicke des Wicklungsträgers, der stirnseitig mit dem Trägerzahn verbunden ist. Über diese Dimensionierung ist gewährleistet, dass der aufgewickelte Spulendraht in die Thermofolie hineingedrückt wird, wodurch ein besonders enger Kontakt des Spulen- bzw. Wicklungsdrahts zur Thermofolie und der Trägerzahnseitenfläche gegeben ist. Der enge Kontakt verbessert den Wärmeübergang von dem Spulendraht auf den Trägerzahn.
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Vorteilhafterweise sind beide gegenüberliegenden Seitenflächen des Trägerzahns mit jeweils einer Thermofolie bedeckt, außerdem ist es zweckmäßig, beide gegenüberliegenden Stirnseiten, welche sich senkrecht zu den Seitenflächen erstrecken, mit jeweils einem Wicklungsträger versehen. Die Wicklungsträger sind zueinander identisch aufgebaut und weisen insbesondere die gleiche Breite auf, welche vorzugsweise nicht größer ist als die Breite des Trägerzahns ohne aufgebrachte Thermofolie. Im montierten Zustand übersteigt die Gesamtbreite des Trägerzahns einschließlich aufgebrachter Thermofolie die Breite des Wicklungsträgers an der Stirnseite, wodurch der vorbeschriebene Effekt des Andrückens des umwickelten Spulendrahts in das Material der Thermofolie und der enge Kontakt zur Trägerzahnseitenfläche erzeugt wird.
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Zweckmäßigerweise grenzen Thermofolie und Wicklungsträger unmittelbar aneinander oder überlappen sich, indem die Thermofolie sich teilweise über den Wicklungsträger erstreckt und in Längsrichtung des Trägerzahns eine abschnittsweise Überlappung zwischen Thermofolie und Wicklungsträger gegeben ist. Möglich ist aber auch ein stirnseitiges Angrenzen von Thermofolie und Wicklungsträger, ggf. mit einem Aufstauchen der Thermofolie während des Aufschiebens des Wicklungsträgers auf den Trägerzahn.
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Die Thermofolie weist eine Leitfähigkeit in einem Bereich von beispielsweise 2 W/mK bis 3.5 W/mK auf. Als Material für die Thermofolie kommt beispielhaft eine Thermosilikonfolie in Betracht. Die Thermofolie wird auf der Trägerzahnseitenfläche befestigt, insbesondere mittels Klebens. Bereits mit dem Aufbringen der Thermofolie auf die Trägerzahnseitenfläche werden die Einzellamellen des Trägerzahns zusammengehalten. Die Thermofolie weist zusätzlich zur guten Wärmeleitfähigkeit auch elektrisch isolierende Eigenschaften auf. Auf Grund der guten Wärmeleitungseigenschaften der Thermofolie ist der Wärmeübergangs- und Wärmedurchgangswiderstand reduziert und die Wärmeableitung signifikant verbessert.
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Der Wicklungsträger ist vorzugsweise als Kunststoffbauteil ausgeführt, das ebenfalls elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Gegebenenfalls wird für den Wicklungsträger ein Kunststoffmaterial gewählt, das auch gute Wärmeleitungseigenschaften besitzt, so dass auch über den stirnseitigen Wicklungsträger eine verbesserte Wärmeableitung an die Umgebung gegeben ist.
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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 in perspektivischer Ansicht einen Trägerzahn in einer elektrischen Maschine zur Aufnahme einer gewickelten Spule, wobei der Trägerzahn an den Seitenflächen jeweils eine Wärme leitende Thermofolie aufweist und an den Stirnseiten mit jeweils einem Kunststoff-Wicklungsträger versehen ist,
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2 in stirnseitiger Ansicht den Trägerzahn einschließlich einer Lage Wicklungsdraht,
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3 eine Ausschnittsvergrößerung aus 2 mit der Wicklungsdrahtlage, die gegen die Thermofolie gedrückt ist.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 3 ist ein Trägerzahn 1 dargestellt, der beispielsweise Bestandteil eines Stators einer elektrischen Maschine ist. Der Trägerzahn 1 besteht aus einer Mehrzahl einzelner, aufeinandergestapelter Blechlamellen. An beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 2 weist der Trägerzahn 1 je eine Thermofolie 3 auf, die auf die Seitenfläche 2 aufgeklebt ist. Die Thermofolie 3 erstreckt sich über einen Großteil der Länge des Trägerzahns 1 und weist zu den beiden Stirnseiten 4 jeweils einen verhältnismäßig kleinen Abstand auf. Beispielsweise kann die Länge der Thermofolie 3 80% oder 90% der Länge des Trägerzahns 1 aufweisen. Grundsätzlich möglich ist auch eine Ausführung, in der die Thermofolie 3 die gleiche axiale Länge wie der Trägerzahn 1 besitzt.
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In Radialrichtung – zwischen einem Kopf- und Fußbereich des Trägerzahns – befindet sich die Thermofolie in Höhe eines Grundkörpers 6 des Trägerzahns, wobei der Grundkörper 6 zwischen dem Kopf und dem Fuß liegt und am Grundkörper 6 die Seitenflächen 3 gebildet sind. Um den Grundkörper 6, welcher gegenüber dem Kopf- und Fußbereich einen verjüngten Querschnitt aufweist, wird der Spulendraht 7 (2, 3) gewickelt.
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An beiden gegenüberliegenden Stirnseiten 4 befindet sich jeweils ein Kunststoff-Wicklungsträger 5, der stirnseitig mit dem Trägerzahn 1 verbunden ist. Der Wicklungsträger 5 ist beispielsweise auf die Stirnseite des Trägerzahns 1 aufgeschoben. Im Bereich des Grundkörpers 6 weist der Wicklungsträger 5 vorteilhafterweise zumindest im Wesentlichen die gleiche Breite wie der Grundkörper 6 auf, so dass sich an den Grundkörper 6 des Trägerzahns 1 ein entsprechender Abschnitt des Wicklungsträgers im Wesentlichen fugenlos und ohne Kante anschließt. Die Thermofolie 3 kann den Übergang zwischen dem Grundkörper 6 des Trägerzahns 1 und dem Wicklungsträger 5 überlappen. Möglich ist aber auch ein Abschluss der Thermofolie 3 bündig an die zugewandte Stirnseite des Wicklungsträgers 5.
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Im Kopf- und Fußbereich weist der Wicklungsträger 5 analog zum Trägerzahn 1 jeweils einen verbreiterten Abschnitt auf, der zu dem in Längsrichtung des Trägerzahns die Stirnseite 4 des Trägerzahns sowie den verjüngten Bereich des Wicklungsträgers 5 überragt.
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Wie den 2 und 3 zu entnehmen, wird der Spulendraht 7 um den Grundkörper 6 des Trägerzahns 1 sowie um die stirnseitig angeordneten Wicklungsträger 5 gewickelt. Die Thermofolie 3 wird von der unmittelbar anliegenden Wicklungslage des Spulendrahts 7 gegen die Seitenfläche des Trägerzahns 1 gedrückt; hierbei kommt es zu einer elastischen oder plastischen Eindrückung der Thermofolie um das Maß d (3). Dadurch ist ein enger Kontakt zwischen dem Spulendraht 7 und der Thermofolie 3 bzw. ein geringstmöglicher Abstand des Spulendrahts 7 zum Grundkörper 6 des Trägerzahns 1 gewährleistet. Auf Grund der guten Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise 2 W/mK bis 3.5 W/mK ist eine entsprechend effiziente Wärmeabfuhr der im Wicklungs- bzw. Spulendraht 7 entstehenden Wärme über die Thermofolie 3 auf den Grundkörper 6 des Trägerzahns 1 gewährleistet.
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Wie 2 zu entnehmen, ist der Trägerzahn 1 Bestandteil eines Stators in einem Innenläufer-Elektromotor mit einem innen liegenden Rotor 8. Über den Umfang verteilt sind eine Vielzahl von Trägerzähnen 1 ringförmig angeordnet und umschließen den Rotor 8.
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Möglich ist aber auch eine Ausführung eines Rotors mit einem gewickelten Ankerpaket, welches eine Mehrzahl von Trägerzähnen mit gewickelten Spulen aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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