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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Statorbaugruppe für einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Statorbaugruppe und einen Elektromotor unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Statorbaugruppe.
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Eine Statorbaugruppe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Praxis bereits bekannt und Bestandteil eines Elektromotors, beispielsweise in einem Komfortantrieb in einem Kraftfahrzeug, wie einem Fensterheberantrieb, einem Sitzverstellungsantrieb oder ähnlichem. Bei einer derartigen Statorbaugruppe in einem Innenläufermotor besteht der Stator aus mehreren kreisbogenförmigen Statorsegmenten, die zu einem Statorring zusammengesetzt sind. Jedes der Statorsegmente besteht wiederum aus einem Stapel von Statorzahnblechen, die jeweils identisch ausgebildet sind, und die miteinander verbunden sind. Die Ausbildung des Statorrings durch Statorsegmente erfolgt deshalb, da ein derartiges einzelnes Statorsegment in herstellungstechnisch vorteilhafter Weise besonders einfach und effizient mit einer Drahtwicklung versehen werden kann. Dies rührt daher, dass bei einem derartigen Statorsegment der zu bewickelnde Bereich des Statorsegments für eine Wickelmaschine sehr leicht zugänglich ist, im Gegensatz zu einem (unbewickelten) Statorring, der aus Statorsegmenten zusammengesetzt ist, und der erst nachträglich mit den Drahtwicklungen versehen wird. Um die jeweils bewickelten Statorsegmente miteinander zu verbinden ist es bekannt, die Trennstellen der Statorsegmente, die parallel zur Längsachse des Statorrings verlaufen, mittels wenigstens einer Schweißnaht miteinander zu verbinden. Dadurch wird eine mechanisch stabile Baueinheit geschaffen, die anschließend beispielsweise in ein Motorgehäuse oder ähnliches eingesetzt werden kann. Aufgrund der Notwendigkeit, die Statorsegmente miteinander zu verschweißen, bestehen die Statorzahnbleche aus einem Material, das sich besonders einfach bzw. problemlos schweißen lässt. Dadurch werden beispielsweise aufwendige mechanische Nachbearbeitungen der Schweißnähte vermieden. Weiterhin sind die Schweißnähte rissfrei und deren Festigkeit ist ausreichend hoch. Nachteilhaft dabei ist jedoch, dass aufgrund der Auswahl des Materials für die Statorzahnbleche diese üblicherweise nicht gleichzeitig auch noch besonders gute magnetische Eigenschaften aufweisen, so dass insgesamt der Wirkungsgrad eines eine Statorbaugruppe aufweisenden Elektromotors aufgrund der Materialwahl für die Statorzahnbleche noch nicht optimiert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Statorbaugruppe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die elektrischen Eigenschaften, insbesondere der Wirkungsgrad, eines eine Statorbaugruppe aufweisenden Elektromotors verbessert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Statorbaugruppe für einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Statorzahnbleche eines Statorsegments aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei wenigstens eines der Materialien insbesondere gut schweißbar ist. Unter einer guten Schweißbarkeit im Sinne der Erfindung wird dabei verstanden, dass eine Schweißnaht keine Risse oder Spalte nach dem Erkalten aufweist.
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Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass durch die Verwendung von unterschiedlichen Materialien für die Statorzahnbleche die einzelnen Statorzahnbleche hinsichtlich ihrer jeweils erforderlichen Eigenschaften optimiert werden können. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die Statorzahnbleche eines Statorsegments lediglich teilweise aus Statorzahnblechen bestehen, die sich (besonders gut) verschweißen lassen. Dadurch wird es erfindungsgemäß ermöglicht, dass für das Statorsegment neben den, die einzelnen Statorsegmente miteinander verbindenden Statorzahnblechen auch Statorzahnbleche verwendet werden können, die besonders gute magnetische Eigenschaften aufweisen, so dass sich der elektrische Wirkungsgrad eines Elektromotors dadurch verbessert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Statorbaugruppe für einen Elektromotor sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zwei unterschiedliche Materialien für die Statorzahnbleche verwendet werden, wobei das eine Material eine besonders gute Schweißbarkeit und das andere Material besonders gute magnetische Eigenschaften aufweist. Es genügt somit durch Auswahl lediglich zweier unterschiedlicher Materialien für die Startorzahnbleche einerseits eine relativ gute Verbindung zwischen den Statorsegmenten in dem Statorring herzustellen, und andererseits die magnetischen Eigenschaften der Statorbaugruppe zu verbessern. Die Verwendung lediglich zweier unterschiedlichen Materialien hat dabei den Vorteil einer besonders einfachen Herstellbarkeit, da der vorrichtungstechnische Mehraufwand sich dadurch in Grenzen hält.
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Um die Qualität und die Ausführbarkeit der Schweißnähte zu verbessern bzw. zu vereinfachen, ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass ein Statorsegment aus mehreren, übereinander angeordneten Statorblechstapeln besteht, wobei jeder Statorblechstapel aus Statorzahnblechen aus dem selben Material besteht. Dies hat den Vorteil, dass die Schweißnähte, die dann innerhalb der Statorblechstapel an den Statorzahnblechen ausgebildet werden, die besonders gute Schweißeigenschaften aufweisen, eine bestimmte (Mindest-)Länge aufweisen. Dadurch wird insbesondere auch die Anzahl der Schweißnähte im Verbindungsbereich zweier Statorsegmente verringert, was zu den geschilderten Vorteilen führt.
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Zur Ausbildung eines hinsichtlich seiner Festigkeitseigenschaften und magnetischen Eigenschaften über die axiale Baulänge gesehen homogenen Statorrings wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass die aus den unterschiedlichen Materialien bestehenden Statorblechstapel einander abwechseln.
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Darüber hinaus lässt sich die Herstellbarkeit der Statorbaugruppe zusätzlich vereinfachen, wenn die Statorblechstapel jeweils aus der gleichen Anzahl an Statorzahnblechen mit jeweils derselben Blechstärke bestehen.
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Für die Verbindung der einzelnen Statorzahnbleche eines Statorsegments können verschiedene Methoden zur Anwendung kommen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die einzelnen Statorzahnbleche eines Statorsegments untereinander durch Verprägen, durch Verkleben oder durch Vergießen mit einer Vergussmasse verbunden sind.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass der Statorring in einem zylindrischen Blechmantel angeordnet ist. Dieser Blechmantel dient einerseits der Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Statorbaugruppe bzw. kann andererseits gleichzeitig als Motorgehäuse dienen.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung einer Statorbaugruppe, wobei die Statorbaugruppe einen aus Statorsegmenten ausgebildeten Statorring aufweist, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Zunächst werden erste Statorzahnbleche und zweite Statorzahnbleche bereitgestellt, wobei das Material der ersten Statorzahnbleche hinsichtlich einer guten Schweißbarkeit und das Material der zweiten Statorzahnbleche hinsichtlich guter magnetischen Eigenschaften ausgewählt wird, und wobei die beiden Materialien unterschiedlich sind. Anschließend wird ein Statorsegment ausgebildet, indem jeweils eine bestimmte Anzahl von ersten Statorzahnblechen und zweiten Statorzahnblechen übereinander gestapelt und miteinander verbunden wird. Gegebenenfalls erfolgt anschließend ein Bewickeln der Statorsegmente mittels jeweils eines Wicklungsdrahtes. Zuletzt werden die Statorsegmente zu einem Statorring zusammengesetzt, und es werden am Außenumfang des Statorrings Schweißverbindungen in Form von Schweißnähten ausgebildet, wobei die Schweißnähte lediglich in denen Bereichen der ersten Statorzahnbleche, die eine gute Schweißbarkeit aufweisen, ausgebildet werden.
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Besonders bevorzugt ist die Ausbildung der Schweißnähte bzw. Schweißverbindungen durch eine Laserstrahlschweißanlage. Eine derartige Laserstrahlschweißanlage ermöglicht eine kostengünstige und hochpräzise Herstellung der Schweißnähte und eignet sich insbesondere für den Serieneinsatz, d.h. bei hohen Fertigungszahlen. Alternativ kann jedoch auch eine Schweißanlage unter Verwendung einer Plasma- oder Ionenstrahlquelle zur Anwendung kommen.
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Ferner umfasst die Erfindung einen Elektromotor unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Statorbaugruppe. Ein derartiger Elektromotor hat den Vorteil eines besonders hohen Wirkungsgrades bei relativ günstigen Herstellkosten, da die Wirkungsgradsteigerung gegenüber einem herkömmlichen Elektromotor lediglich durch die Verwendung von relativ guten magnetischen Eigenschaften aufweisenden Statorzahnblechen erzielt wird, im Gegensatz beispielsweise zu einer Wirkungsgradsteigerung durch Einsatz besonders hochwertiger Magnete oder besonders geringer Fertigungstoleranzen, wie Luftspalte oder ähnlichem.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 Einen Querschnitt durch eine bewickelte, erfindungsgemäße Statorbaugruppe,
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2 eine gegenüber der 1 modifizierte Statorbaugruppe unter Verwendung von sechs Statorsegmenten in perspektivischer Ansicht,
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3 ein aus unterschiedlichen Statorzahnblechen zusammengesetztes Statorsegment in perspektivischer Ansicht,
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4 ein einzelnes Statorzahnblech in Draufsicht,
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5 den Verbindungsbereich zweier Statorsegmente in Seitenansicht und
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6 eine vereinfachte Darstellung eines Teils einer Anlage zum Herstellen eines Statorsegments für eine Statorbaugruppe.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist im Querschnitt eine erfindungsgemäße Statorbaugruppe 10 für einen Elektromotor, insbesondere einen Innenläufermotor, dargestellt. Vorzugsweise findet der Elektromotor Verwendung als Bestandteil eines Komfortantriebs, beispielsweise einem Fensterheberantrieb, einem Sitzverstellungsantrieb oder ähnlichem in einem Kraftfahrzeug.
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Die Statorbaugruppe 10 weist einen Statorring 11 mit einer Längsachse 14 auf, der aus mehreren, bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwölf Statorsegmenten 13 besteht, die jeweils identisch ausgebildet sind. Die miteinander in Längsrichtung verbundenen Statorsegmente 13 sind bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb eines hülsen- bzw. rohrförmigen Blechmantels 15 eingesetzt, der wiederum in einem nicht dargestellten Motorgehäuse angeordnet werden kann, oder selbst das Motorgehäuse ausbildet.
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Wie insbesondere aus einer Zusammenschau der 1 und 3 erkennbar ist, besteht jedes Statorsegment 13 aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten Statorzahnblechen 16, 17. Die Statorzahnbleche 16, 17 weisen jeweils dieselbe Dicke sowie Form auf, und umfassen einen bogenförmig ausgebildeten Außenbereich 18, einen Zahnbereich 19 sowie einen Fußbereich 20.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß der 3 weist das Statorsegment 13 bzw. die Höhe H der übereinander angeordneten Statorzahnbleche 16, 17 beispielsweise eine Höhe von insgesamt circa 50mm auf. Weiterhin weist jedes der Statorzahnbleche 16, 17 beispielhaft eine Dicke von etwa 0,5mm auf. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, bezüglich der Dimensionierung der Statorzahnbleche 16, 17 andere Maße zu verwenden, je nach konkretem Anwendungsfall.
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Die Statorzahnbleche 16, 17 sind untereinander, d.h. in Längsrichtung des Statorsegments 13, miteinander verbunden. Bei dem in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Statorzahnbleche 16, 17 hierzu beispielhaft im Bereich des Außenbereichs 18 und des Zahnbereichs 19 jeweils eine durch Prägen ausgebildete Vertiefung 21, 22 auf, die sich auf der nicht dargestellten Unterseite als Erhebung ausbildet. Dadurch können die einzelnen Statorzahnbleche 16, 17 übereinander gelegt werden und durch axiales Verpressen miteinander fest verbunden werden, da sich zwischen den Statorzahnblechen 16, 17 im Bereich der Vertiefungen 21, 22 eine Klemmverbindung einstellt. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, die Statorzahnbleche 16, 17 auch auf andere Art und Weise miteinander zu verbinden, beispielsweise durch eine Verklebung oder ein Vorsehen einer Vergussmasse, die die Statorzahnbleche 16, 17 umgibt.
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Die Statorsegmente 13 sind jeweils mit einer Wicklung 23 im Zahnbereich 19 umwickelt, wobei die Wicklungen 23 in üblicher Art und Weise miteinander verdrahtet bzw. verschaltet sind.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Statorzahnbleche 16, 17 aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die einen Statorzahnbleche 16 aus einem (besonders) gut schweißbarem Material bestehen, während die anderen Statorzahnbleche 17 aus einem Material bestehen, das besonders günstige magnetische Eigenschaften aufweist. So bestehen die Statorzahnbleche 16 beispielsweise aus M400A30, während die Statorzahnbleche 17 z.B. aus M270A50 oder M270A20 bestehen, wobei die für die Statorzahnbleche 17 genannten Materialien zwar relativ gute magnetische Eigenschaften aufweisen, aber insbesondere mittels einer Laserstrahleinrichtung nicht verschweißbar sind. Allgemein kommen für die Statorzahnbleche 17 bevorzugt sogenannte Elektrobleche zum Einsatz, die bzgl. Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverlusten besonders günstige Eigenschaften aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist es ferner vorgesehen, dass jeweils eine bestimmte Anzahl von Statorzahnblechen 16 oder 17 übereinander angeordnet werden, um jeweils einen Statorblechstapel 24, 25 auszubilden, wobei in der Praxis ein Statorelement 13 aus insgesamt wenigstens drei Statorblechstapeln 24, 25 besteht. Werden beispielsweise zehn Statorzahnbleche 16 übereinander angeordnet, wovon jedes der Statorzahnbleche 16 eine Dicke von 1mm aufweist, so ergibt sich eine Höhe eines Statorblechstapels 24 von 10mm. Erfindungsgemäß ist es ferner vorgesehen, dass sich Statorblechstapel 24, 25, jeweils bestehend aus vorzugsweise jeweils derselben Anzahl von Statorzahnblechen 16, 17, abwechseln.
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In der 2 ist eine gegenüber der 1 modifizierte Statorbaugruppe 10a dargestellt, die, im Gegensatz zur Statorbaugruppe 10 gemäß der 1, lediglich aus sechs Statorsegmenten 13a besteht, die jeweils einen Winkelbereich von etwa 60° an ihrem Außenumfang aufweisen. Ferner erkennt man, dass jedes der Statorsegmente 13a an seiner einen Längsseite eine Nut 26, und an der gegenüberliegenden Längsseite einen Vorsprung 27 aufweist, wobei die Nut 26 und der Vorsprung 27 hinsichtlich ihrer Form angepasst sind.
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Ein Statorsegment 13, 13a bildet durch die gegenseitige Verbindung der einzelnen Statorzahnbleche 16, 17 einen Bauteileverbund aus. Zur Ausbildung des Statorrings 11 ist es erforderlich, die einzelnen Statorsegmente 13, 13a miteinander zu verbinden. Dies erfolgt am Außenumfang der Statorsegmente 13, 13a mittels einer nicht dargestellten Schweißanlage, insbesondere einer Laserstrahlschweißanlage. Gemäß der 5 ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass dies lediglich in den Bereichen erfolgt, in denen die Statorblechstapel 24 angeordnet sind, die aus dem schweißbaren Material bestehen bzw. im Bereich der Statorzahnbleche 16. Bei dem in der 5 dargestellten Ausführungsbeispiel werden so vier Schweißnähte 28 ausgebildet, die jeweils in etwa dieselbe Länge aufweisen, wobei zwischen den Schweißnähten 28 schweißnahtfreie Bereiche ausgebildet sind, die durch die Statorblechstapel 25 gekennzeichnet sind, die aus den Statorzahnblechen 17 bestehen.
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Bei einer Ausbildung der Statorsegmente 13a gemäß der 2 mit Nuten 26 und Vorsprüngen 27 kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Nut 26 bzw. der Vorsprung 27 derart ausgebildet ist, dass an der Außenseite des Statorrings 11 eine Nut entsteht, in deren Bereich die Schweißnähte 28 erzeugt werden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Schweißnähte 28 nicht über die Außenkontur der Statorsegmente 13a bzw. des Statorrings 11 herausragen, so dass insbesondere keine mechanische Nachbearbeitung der Schweißnähte 28 erforderlich ist. Eine derartige Nachbehandlung bzw. Nachbearbeitung der Schweißnähte 28 ist beispielsweise erforderlich, wenn der Statorring 11 gemäß der 1 in einem Blechmantel 15 oder in ein Gehäuse eingesetzt werden soll, der den Statorring 11 an seinem Außenumfang ohne Ausbildung von Lücken bzw. Spalten umschließt.
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In der 6 ist ein Teil einer Fertigungseinrichtung 100 zum Herstellen eines Statorsegments 13, 13a dargestellt. Man erkennt stark vereinfacht zwei in Form von Rollen bevorratete Blechbänder 101, 102, die aus dem Material der jeweiligen Statorzahnbleche 16 bzw. 17 bestehen. Die Blechbänder 101, 102 werden mittels nicht dargestellter Einrichtungen abgespult. Innerhalb der Fertigungseinrichtung 100 sind zwei Stanzeinrichtungen 103, 104 vorgesehen, die die Statorzahnbleche 16, 17 aus den Blechbändern 101, 102 ausstanzen und gegebenenfalls mit den Vertiefungen 21, 22 versehen. Anschließend wird jeweils eine bestimmte Anzahl von Statorzahnblechen 16, 17, beispielsweise jeweils zehn Statorzahnbleche 16, 17 zu einem Statorblechstapel 24, 25 aufeinander gestapelt und gegebenenfalls miteinander verbunden. Zuletzt werden mehrere Statorblechstapel 24, 25 übereinander gestapelt, um ein Statorsegment 13, 13a auszubilden. Dieses Statorsegment 13, 13a wird anschließend einer nicht dargestellten Wickelmaschine zugeführt, die das Statorsegment 13, 13a bewickelt bzw. mit der Wicklung 23 versieht. Selbstverständlich kann die Fertigungseinrichtung 100 auch weitere, nicht dargestellte bzw. beschriebene Fertigungsschritte umfassen.
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Die soweit beschriebenen Statorbaugruppen 10, 10a können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere können die Statorzahnbleche 16, 17 auch unterschiedliche Dicken aufweisen bzw. die Statorblechstapel 24, 25 aus einer unterschiedlichen Anzahl von Statorzahnblechen 16, 17 bestehen, so dass die Statorblechstapel 24, 25 unterschiedliche Höhen aufweisen. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass für die besonders gute magnetische Eigenschaften aufweisenden Statorzahnblechen 17 eine Blechstärke von 0,1mm oder 0,3mm verwendet wird, während die anderen (gut schweißbaren) Statorzahnbleche 16 beispielsweise eine Blechstärke von 0,5mm aufweisen. Auch kann die Form der Statorzahnbleche 16, 17 von den dargestellten Statorzahnblechen 16, 17 abweichen. Zuletzt ist die Erfindung nicht auf Statorbaugruppen 10, 10a beschränkt, die Bestandteil eines Innenläufermotors sind.
