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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator für eine als Innenläufermotor ausgebildete elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2004 043 424 A1 ist ein Innenläufermotor mit einem Stator bekannt, der einen radial außen liegenden Statorring sowie eine Mehrzahl von über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten und sich radial nach innen erstreckenden Trägerzähnen aufweist, welche bestrombare Spulen aufnehmen. Der Statorring ist aus einzelnen Zahnsegmenten mit jeweils einem Jochsegment und einem radialen Trägerzahn zusammengesetzt, wobei die aneinanderliegenden Jochsegmente in Umfangsrichtung den durchgehenden Statorring bilden.
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Auch aus der
US 5 729 072 ist ein Stator mit einzelnen Zahnsegmenten bekannt, die in Umfangsrichtung aneinandergesetzt sind und radial nach innen einragende Trägerzähne zur Aufnahme einer Spule aufweisen. Die Wandfläche der Trägerzähne ist von einer Isolationsschicht zur elektrischen Isolierung bedeckt, die den annähernd trapezförmigen Zwischenraum zwischen benachbarten Trägerzähnen auskleidet. An der radial innen liegenden Seite ist die Isolationsschicht einteilig mit verbreitert ausgeführten Stützelementen ausgebildet, die den Zwischenraum zwischen den Trägerzähnen radial nach innen abschließen und auf Kontakt zueinander anliegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen einen Stator, der aus einzelnen Zahnsegmenten zusammengesetzt ist, vibrations- bzw. schwingungsarm auszubilden.
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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 Stator kann in elektrischen Maschinen eingesetzt werden, die als Innenläufermotor ausgebildet sind und einen vom Stator umgriffenen Rotor aufweisen. Der Stator setzt sich aus einzelnen Zahnsegmenten zusammen, die insgesamt den durchgehenden, außen liegenden Statorring bilden und jeweils radial nach innen einragende Trägerzähne zur Aufnahme der bestrombaren Wicklungen aufweisen. Die Zahnsegmente bestehen hierfür jeweils aus einem radial außen liegenden Jochsegment und einem radial nach innen einragenden Trägerzahn, der vorteilhafterweise einteilig mit dem Jochsegment ausgebildet ist, wobei grundsätzlich auch zweiteilige Ausführungen in Betracht kommen.
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An der radial innen liegenden Seite der Trägerzähne sind Stützelemente angeordnet, wobei zwei benachbarte Trägerzähne jeweils ein Stützelement aufweisen und die Stützelemente auf Kontakt zueinander liegen. Die Stützelemente schließen im fertig montierten Zustand den Innenraum bzw. die Nut radial nach innen ab, der bzw. die zwischen benachbarten Zahnsegmenten bzw. Trägerzähnen zur Aufnahme der Spulenwicklungen gebildet ist. Die Stützelemente ragen zweckmäßigerweise jedoch nicht weiter radial nach innen als die innen liegenden Zahnfüße an den Trägerzähnen, die dem Rotor unmittelbar benachbart sind. Auf diese Weise ist eine ungehinderte Rotorbewegung sichergestellt.
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Die Stützelemente an den benachbarten Trägerzähnen sind in der Weise ausgebildet, dass im montierten Zustand der Zahnsegmente die beiden Stützelemente über eine gemeinsame Kontaktfläche aneinander liegen, die zumindest abschnittsweise unter einem Winkel zur Radialen liegt. Die Stützelemente verschließen die Nut bzw. den Zwischenraum zwischen den benachbarten Trägerzähnen radial nach innen, wobei die winklige Anordnung der Kontaktfläche bezogen auf die Radialrichtung eine Verspannung der Zahnsegmente zueinander bewirkt, und zwar sowohl in Radialrichtung als auch in Umfangsrichtung. Die Verspannung wird lediglich über die schräg gestellte Kontaktfläche zwischen den aneinander liegenden Stützelementen und ohne sonstige, zusätzliche Maßnahmen erreicht. Aufgrund der Verspannung ist die Biegesteifigkeit des aus einzelnen Zahnsegmenten zusammengesetzten Stators erhöht, es wird eine verbesserte Dämpfung erzielt, so dass weniger Schwingungen entstehen und der Akustikpegel reduziert ist. Die Verspannung bewirkt, dass Verformungsmoden, beispielsweise Ovalisierungsmoden, welche zu messbaren Schwingungsbeschleunigungen und damit zu Körperschall führen, vermindert werden.
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Es kommen grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten in Betracht, auf welche Weise die Stützelemente konstruktiv ausgebildet sind und wie die Kontaktfläche bezogen auf die Radiale ausgeführt ist. Möglich ist eine vollständig ebene Kontaktfläche, die winklig zur Radialrichtung steht. In Betracht kommt aber auch eine Kontaktfläche, die sich aus mehreren ebenen Abschnitten zusammensetzt, welche zueinander unter einem Winkel stehen und die alle oder nur teilweise winklig zur Radialen gerichtet sind. Des Weiteren ist sowohl eine in sich ebene als auch eine zumindest abschnittsweise gekrümmte Kontaktfläche möglich, wobei Letztere zumindest abschnittsweise eine bzw. eine Vielzahl von Tangenten aufweist, die unter einem Winkel zur Radialen stehen.
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Die Kontaktfläche kann gegebenenfalls auch ineinandergreifende Formschlusselemente aufweisen, die an den Umfangsstirnseiten der Stützelemente angeordnet sind und im montierten Zustand der Zahnsegmente ineinandergreifen, so dass zumindest in Radialrichtung ein Formschluss zwischen den Stützelementen gebildet ist. Die Formschlusselemente sind zum Beispiel als überstehender Vorsprung mit beispielsweise teilkreisförmigem Querschnitt an der Umfangsstirnseite eines ersten Stützelementes ausgebildet, wobei der Vorsprung in ein korrespondierendes, als Ausnehmung ausgebildetes Formschlusselement an der Umfangsstirnseite des benachbarten, zweiten Stützelementes einragt. Entlang der Mantelfläche des teilkreisförmigen Vorsprunges bzw. der entsprechend geformten Ausnehmung besteht ein Kontakt zwischen den Stützelementen mit einer Tangente an die Kontaktfläche, die winklig zur Radialrichtung steht.
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Insbesondere bei eben ausgeführten Kontaktflächen genügt grundsätzlich ein gegenüber der Radialen verhältnismäßig kleiner Winkel der Kontaktfläche zwischen den Stützelementen, der beispielsweise maximal 45° beträgt, insbesondere maximal 20° oder 30°, gegebenenfalls nicht mehr als 10°.
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Die Nuten zwischen benachbarten Trägerzähnen sind vorteilhafterweise von einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht ausgekleidet, auf die der Wicklungsdraht gewickelt ist. Zweckmäßigerweise sind die Stützelemente einteilig mit der Isolationsschicht ausgebildet. Im zusammengesetzten Zustand wird die Nut von den Seitenflächen benachbarter Trägerzähne begrenzt, sowie radial nach außen von der Innenseite der Jochsegmente, welche den Statorring bilden. Aufgrund der Aufteilung in einzelne Zahnsegmente ist die Isolationsschicht vorteilhafterweise zweigeteilt, so dass pro Zahnsegment eine Isolationsschicht an der umlaufenden Mantelfläche des betreffenden Trägerzahns angeordnet ist und die Isolationsschicht sich zweckmäßigerweise auch bis zur radialen Innenseite des den Statorring bildenden Jochsegmentes erstreckt. Das einteilig mit der Isolationsschicht ausgebildete Stützelement befindet sich an der radial innen liegenden Seite im Bereich des Zahnfußes des Trägerzahns und ragt in die Lücke ein, die zwischen benachbarten Zahnfüßen gebildet ist. Auf diese Weise ist die Aufnahmenut für die Zahnwicklungen radial nach innen von den aneinanderliegenden Stützelementen verschlossen.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist vorgesehen, dass in Achsrichtung entlang eines Trägerzahns ein erstes und ein zweites Stützelement angeordnet sind, die unter unterschiedlichen Winkeln zur Radialen stehen. Die ersten und zweiten Stützelemente an einem Trägerzahn liegen in Achsrichtung vorteilhafterweise unmittelbar hintereinander und befinden sich an der gleichen Trägerzahnseite. Dem benachbarten Trägerzahn sind vorzugsweise ebenfalls zwei in Achsrichtung hintereinander liegende Stützelemente zugeordnet, die jeweils bezogen auf die Radiale unter einem unterschiedlichen Winkel stehen. Auf diese Weise können Kontaktflächen zwischen den benachbarten Trägerzähnen entlang der verschiedenen, auf Kontakt liegenden Stützelemente gebildet werden, die unterschiedliche Winkel zur Radialen einnehmen, wodurch eine verbesserte Verspannung zwischen den Zahnsegmenten erreicht wird.
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Der Stator wird beispielhaft in einer elektrischen Maschine eingesetzt, zum Beispiel in einem Lenkungs- bzw. Servomotor eines Lenksystems für ein Fahrzeug, wobei über den elektrischen Servomotor eine die Lenkbewegung unterstützendes Moment bereitgestellt werden kann.
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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 ausschnittsweise eine elektrische Maschine, die als Innenläufermotor ausgebildet ist, mit einem aus einzelnen Zahnsegmenten zusammengesetzten Stator, wobei benachbarte Zahnsegmente an der radial innen liegenden Seite über Stützelemente aneinander abgestützt sind,
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1a in vergrößerter Darstellung zwei benachbarte Zahnsegmente im Bereich der aneinander liegenden Stützelemente,
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2 in perspektivischer Darstellung ein einzelnes Zahnsegment,
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3 bis 6 in schematischer Darstellung verschiedene Stützelemente, die eine gemeinsame Kontaktfläche aufweisen.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 in Verbindung mit 1a ist ausschnittsweise eine elektrische Maschine 1 dargestellt, die als Innenläufermotor ausgebildet ist und einen radial außen liegenden Stator 2 umfasst, der einen Rotor 3 umschließt. Der Stator 2 setzt sich aus einer Vielzahl einzelner Zahnsegmente 4 zusammen, die in Umfangsrichtung zusammengesetzt sind und jeweils ein Jochsegment 5 sowie einen Trägerzahn 6 aufweisen. Das Jochsegment 5 liegt auf der radial außen liegenden Seite, die Jochsegmente bilden im zusammengesetzten Zustand den durchgehenden, radial außen liegenden Statorring. Der Trägerzahn 6 jedes Zahnsegmentes 4 ist einteilig mit dem Jochsegment 5 ausgebildet und erstreckt sich radial nach innen. Jeder Trägerzahn 6 weist auf der radial innen liegenden Seite einen verbreiterten Zahnfuß 7 auf, der benachbart zum Rotor 3 liegt; zwischen der Außenfläche des Rotors 3 und dem Zahnfuß 7 liegt ein schmaler Luftspalt.
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Jeder Trägerzahn 6 weist eine bestrombare Wicklung 8 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes auf. Die Wicklung 8 ist um den Trägerzahn 6 gewickelt und liegt jeweils in Nuten bzw. Zwischenräumen 9 zwischen jeweils zwei benachbarten Trägerzähnen 6 und wird radial nach innen von dem in Umfangsrichtung verbreiterten Zahnfuß 7 begrenzt. Die Wandung jedes Trägerzahns 6 ist von einer Isolationsschicht 10 ausgekleidet, die beispielsweise aus Kunststoff besteht und elektrisch isolierend wirkt. Im Bereich einer Nut bzw. eines Zwischenraums 9 sind jeweils zwei verschiedene Isolationsschichten 10 vorhanden, die jeweils einem die Nut begrenzenden Trägerzahn 6 zugeordnet sind.
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Einteilig mit der Isolationsschicht 10 ist ein Stützelement 11 auf der radial innen liegenden Seite im Zwischenraum zwischen benachbarten Zahnfüßen 7 ausgebildet. Die Stützelemente 11 liegen auf Kontakt zueinander und weisen eine gemeinsame Kontaktfläche 12 auf (1a), die gegenüber einer Radialen 13 unter einem Winkel α angeordnet ist, der im gezeigten Ausführungsbeispiel kleiner als 30° ist. Aufgrund der winkligen Ausrichtung der Kontaktfläche 12 der aneinanderliegenden Stützelemente 11 wird eine Verspannung benachbarter Zahnsegmente 4 erreicht, wodurch die Steifigkeit des Stators erhöht und eine verbesserte Dämpfung mit reduzierten Schwingungen und vermindertem Akustikpegel erzielt wird.
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In 2 ist ein einzelnes Zahnsegment 4 dargestellt. Zu erkennen sind die elektrischen Anschlüsse 14, über die die Wicklung 8 mit Strom versorgt wird. Des Weiteren ist 2 zu entnehmen, dass die Stützelemente 11 in Achsrichtung des Zahnsegments 4 gesehen zweiteilig ausgebildet sind und Abschnitte mit unterschiedlicher Winkelausrichtung aufweisen. In Achsrichtung sind pro Seite des Trägerzahns zwei Abschnitte des Stützelementes 11 mit einem unterschiedlichen Winkel gegenüber der Radialen angeordnet. Im zusammengesetzten Zustand werden dadurch in Achsrichtung hintereinander liegend zwei verschiedene Kontaktflächen zwischen aneinandergrenzenden Stützelementen 11 erzielt, wodurch eine verbesserte Verspannung zwischen den Zahnsegmenten 4 erreicht wird.
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In den 3 bis 6 sind verschiedene Ausführungsvarianten für Stützelemente 11 dargestellt, die im zusammengesetzten Zustand aneinandergrenzen und eine gemeinsame Kontaktfläche 12 bilden. Gemäß 3 liegt die Spitze eines Stützelementes 11 an einer Seitenfläche des benachbarten Stützelementes an, wobei die Seitenfläche winklig zur Radialen liegt, so dass auch die Kontaktfläche zwischen den Stützelementen winklig zur Radialen angeordnet ist.
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Gemäß 4 sind die beiden Stützelemente im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet und weisen im Querschnitt jeweils L-Form auf, wobei die kurzen Schenkel auf Kontakt liegen und die Kontaktfläche 12 bilden. Die Kontaktfläche 12 ist vorzugsweise zumindest unter einem geringen Winkel zur Radialen angeordnet.
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Gemäß 5 sind die aneinandergrenzenden Stützelemente 11 nichtsymmetrisch zueinander ausgebildet und weisen eine Kontaktfläche 12 auf, die aus zwei winklig zueinander stehenden Abschnitten zusammengesetzt ist, von denen ein Abschnitt winklig zur Radialen liegt und der zweite Abschnitt mit der Radialen zusammenfällt.
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Gemäß 6 ist die Kontaktfläche 12 zwischen den Stützelementen 11 abschnittsweise gekrümmt ausgebildet. Erreicht wird dies durch Formschlusselemente an den Umfangsstirnseiten der Stützelemente 11, die ineinander greifen. Ein erstes Formschlusselement an einem Stützelement 11 ist als teilkreisförmiger Vorsprung an der Umfangsstirnseite ausgebildet, das in ein als Ausnehmung ausgeführtes Formschlusselement an der Stirnseite des zweiten Stützelementes eingreift. Der Kontur der Formschlusselemente entsprechend ist die Kontaktfläche 12 abschnittsweise teilkreisförmig sowie abschnittsweise in Radialrichtung eben ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004043424 A1 [0002]
- US 5729072 [0003]
