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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator in einem Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2020 028 509 A1 wird ein EC-Innenläufermotor beschrieben, mit einem Stator, der aus einem radial außen liegenden Statorring und einer Mehrzahl von über den Umfang gleichmäßig verteilten und sich radial nach innen erstreckenden Trägerzähnen zur Aufnahme bestrombarer Spulen besteht. Der Statorring setzt sich aus einzelnen Zahnsegmenten zusammen, die jeweils aus einem Jochsegment und einem Trägerzahn bestehen. Die Jochsegmente erstrecken sich in Umfangsrichtung und bilden im montierten Zustand den durchgehend ausgebildeten Statorring. Die Trägerzähne erstrecken sich in Radialrichtung an den Jochsegmenten. Die Aufteilung des Stators in einzelne Segmente hat den Vorteil, dass die Spulen an den Trägerzähnen besser bzw. leichter gewickelt werden können. Nach dem Bewickeln werden die Zahnsegmente zueinander ausgerichtet und zusammengefügt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen einen Stator für einen Elektromotor anzugeben, der in einfacher Weise herzustellen ist und sich durch eine hohe mechanische Stabilität auszeichnet.
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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 Stator wird vorzugsweise in elektronisch kommutierten Synchronmaschinen, insbesondere in Innenläufermotoren eingesetzt, beispielsweise in permanent- oder elektrisch erregten bzw. hybriden Synchronmaschinen. Elektromotoren, die mit dem erfindungsgemäßen Stator ausgestattet sind, können als Stellmotoren in Kraftfahrzeugen verwendet werden, beispielsweise als Servomotor zur Lenkunterstützung oder als Stellmotor für ein mechanisches Bauteil, beispielsweise zur Sitzverstellung. Es kommt grundsätzlich aber auch eine Anwendung unabhängig von Kraftfahrzeugen in Betracht, beispielsweise in Handwerkzeugmaschinen oder in Elektrofahrrädern.
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Der Stator weist ein Statorgehäuse und einen Statorring auf, der in das Statorgehäuse eingesetzt und aus einer Mehrzahl von Ring- bzw. Zahnsegmenten zusammengesetzt ist. Jedes Zahnsegment weist ein die Außenseite des Statorrings bildendes Jochsegment und einen vorzugsweise einteilig mit dem Jochsegment ausgebildeten Trägerzahn auf, der sich am Jochsegment radial nach innen erstreckt und zur Aufnahme einer bestrombaren Spule dient. Der radial nach innen gerichtete Trägerzahn besteht in der Regel aus einem sich in Radialrichtung erstreckenden Grundkörper, um den über eine Isolation die Spule gewickelt ist, sowie einem radial innen liegenden Zahnkopf, welcher im montierten Zustand unmittelbar benachbart zum Rotor des Elektromotors angeordnet ist. Benachbarte Zahnsegmente sind vorzugsweise im Bereich der Umfangsstirnseiten der aneinandergrenzenden Jochsegmente miteinander verbunden.
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Für eine feste Verbindung zwischen dem Statorring und dem Statorgehäuse, in das der Statorring eingesetzt ist, weist zumindest ein Teil der Zahnsegmente an der radialen Außenseite der Jochsegmente zumindest ein radial gerichtetes bzw. sich erstreckendes Formschlussteil auf, das entweder als radial nach außen gerichtete Formschlusserhebung oder als radial nach innen gerichtete Formschlussvertiefung ausgebildet und formschlüssig von der Innenwand des Statorgehäuses umgriffen ist. Dadurch ist in Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Statorring und dem Statorgehäuse gegeben. Die Formschlusserhebung erstreckt sich gegenüber der radial außen liegenden Mantelfläche des Jochsegmentes radial weiter nach außen und ragt in eine zugeordnete Formschlussaufnahme an der Innenwand des Statorgehäuses formschlüssig ein. Die Formschlussvertiefung erstreckt sich gegenüber der radial außen liegenden Mantelfläche des Jochsegmentes radial weniger weiter nach außen, wobei ein zugeordnetes Formschlusselement an der Innenwand des Statorgehäuses formschlüssig in die Formschlussvertiefung einragt.
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Zweckmäßigerweise ist jedes Zahnsegment im Bereich seines Jochsegmentes mit mindestens einer radial nach außen gerichteten Formschlusserhebung bzw. Formschlussvertiefung versehen. Die Zahnsegmente sind insbesondere identisch zueinander aufgebaut, so dass an allen Zahnsegmenten die gleichen Formschlusserhebungen bzw. Formschlussvertiefungen angeordnet sind. Grundsätzlich möglich ist aber auch eine Ausführung, bei der entweder nur ein Teil der Zahnsegmente mit einer Formschlusserhebung bzw. Formschlussvertiefung versehen ist und/oder verschiedene Zahnsegmente unterschiedliche Formschlusserhebungen bzw. Formschlussvertiefungen aufweisen. Es kommen sowohl Ausführungen in Betracht, bei denen nur eine Formschlusserhebung radial nach außen weist als auch Ausführungen mit mehreren, insbesondere mit zwei Formschlusserhebungen, die beispielsweise in symmetrischem Abstand zu einer radialen Mittellängsachse des Trägerzahns an der Außenseite des Jochsegments angeordnet sind.
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Grundsätzlich kommen verschiedenartige Geometrien für die Formschlusserhebungen bzw. Formschlussvertiefungen in Betracht. Die Formschlusserhebungen bzw. Formschlussvertiefungen können zum Beispiel einen abgerundeten Querschnitt aufweisen, beispielsweise teilkreisförmig oder pockenartig ausgebildet sein oder konisch zulaufen und eine abgerundete Spitze aufweisen. In Betracht kommt des Weiteren ein polygonaler Querschnitt, beispielsweise ein dreieckförmiger oder trapezförmiger Querschnitt oder eine Zusammensetzung von zwei unmittelbar aneinandergrenzenden, dreieckförmigen Querschnitten, bei denen der zwischenliegende Tiefpunkt entweder auf radialer Höhe des Außenmantels der Jochsegmente liegt oder gegenüber dem Außenmantel radial versetzt ist, insbesondere radial nach außen versetzt ist.
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Der Statorring weist vorteilhafterweise zumindest annähernd die gleiche axiale Erstreckung auf wie das Statorgehäuse. In Betracht kommt zum Beispiel ein axiales Zusammensetzen der Zahnsegmente des Statorrings aus einzelnen, parallel zueinander angeordneten und geschichteten Lamellen. Die radial nach außen bzw. innen gerichtete Formschlusserhebung bzw. Formschlussvertiefung erstreckt sich gemäß einer vorteilhaften Ausführung zumindest annähernd über die axiale Länge des Zahnsegmentes, wobei sowohl eine durchgehende Außenführung als auch eine durchbrochene Außenführung in Betracht kommt. Des Weiteren ist sowohl eine ausschließlich axiale Erstreckung der Formschlusserhebung bzw. Formschlussvertiefung als auch eine Ausführung mit zusätzlicher Komponente in Umfangsrichtung möglich, bei der die Formschlusserhebung bzw. Formschlussvertiefung helixartig durchgehend oder unterbrochen ausgeführt ist. Schließlich sind auch Ausführungen mit treppenartig in Umfangsrichtung versetzt angeordneten, einzelnen Abschnitten der Formschlusserhebung möglich.
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Es können mehrere einzelne Formschlussteile in Achsrichtung und/oder in Umfangsrichtung an der radialen Außenseite eines Jochsegments angeordnet sein, die formschlüssig von dem Statorring umgriffen sind. Die Formschlussteile können in einem Muster angeordnet sein, beispielsweise in Reihen gleichartiger Formschlussteile, wobei die Reihen parallel oder winklig zueinander verlaufen können und die Formschlussteile unterschiedlicher Reihen zueinander versetzt oder nicht versetzt sein können. Innerhalb eines Musters mit Formschlussteilen können ausgesparte Bereiche ohne Formschlussteile vorhanden sein.
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Vorteilhafterweise steht die Dimensionierung der Formschlusserhebung bzw. Formschlussvertiefung in Umfangsrichtung und/oder in Radialrichtung in einem definierten Verhältnis zur Wandstärke des Statorgehäuses. So kann es zweckmäßig sein, dass die Breite der Formschlusserhebung bzw. Formschlussvertiefung – in Umfangsrichtung gesehen – das Zweifache bis Fünffache der Wandstärke des Statorgehäuses beträgt, beispielsweise das Dreifache. Die radiale Höhe, mit der sich die Formschlusserhebung bzw. Formschlussvertiefung radial über den Außenmantel des Jochsegments erhebt, ist vorzugsweise mindestens so groß wie die Wandstärke des Statorgehäuses und beträgt vorzugsweise das Zweifache, maximal das Vierfache der Wandstärke des Statorgehäuses.
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Es kommen verschiedene Möglichkeiten für das Zusammenfügen bzw. Montieren des Stators in Betracht. Beispielsweise können in die Innenwand des Statorgehäuses Formschlussaufnahmen eingebracht sein, die den Formschlusserhebungen am Statorring entsprechen, so dass mit dem axialen Zusammenfügen von Statorring und Statorgehäuse die Formschlusserhebungen am Statorring in die Formschlussaufnahmen an der Innenwand des Statorgehäuses einragen und eine formschlüssige Verbindung gegeben ist. Diese Ausführung eignet sich insbesondere für Formschlusserhebungen, die sich ausschließlich in Achsrichtung erstrecken.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführung wird bei einem Verfahren zur Herstellung des Stators nach dem axialen Ineinanderstecken das Statorgehäuse durch Magnetpulsumformen mit dem Statorring verbunden. Beim Magnetpulsumformen kann der Ausgangsdurchmesser des Statorgehäuses reduziert werden, wodurch der Statorring im Statorgehäuse festgeklemmt wird. Beim Magnetpulsumformen wird der Effekt ausgenutzt, dass das Statorgehäuse durch Anlegen eines Magnetfeldes seinen Durchmesser dauerhaft ändert.
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Zur Herstellung des Stators sind auch Prozesse möglich, bei denen Weicheisenpulver gepresst bzw. gesintert wird.
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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 Seitenansicht ein Zahnsegment eines Statorringes mit T-förmiger Grundgeometrie,
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2 ein Statorgehäuse in perspektivischer Ansicht,
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3 eine Schnittdarstellung durch den Stator mit einer Ansicht einer Formschlusserhebung an der Außenseite des Statorringes und einer zugeordneten Formschlussaufnahme an der Innenseite des Statorgehäuses,
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4 bis 9 verschiedene Querschnittsgeometrien von Formschlusserhebungen, welche an der radialen Außenseite der Zahnsegmente angeordnet sind,
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10 bis 14 Darstellungen der Innenseite des Statorgehäuses mit dem Prinzipverlauf von Formschlussaufnahmen.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in Seitenansicht ein Zahnsegment 1 eines Stators für einen EC-Innenläufer-Elektromotor dargestellt. In Umfangsrichtung setzen sich eine Mehrzahl derartiger Zahnsegmente 1 zu einem durchgehenden Statorring zusammen, der in ein Statorgehäuse einsetzbar ist. Jedes Zahnsegment 1 umfasst ein radial außen liegendes, sich in Umfangsrichtung erstreckendes Jochsegment 2 und einen einteilig mit dem Jochsegment 2 ausgebildeten, sich radial nach innen erstreckenden Trägerzahn 3 zur Aufnahme einer bestrombaren Spule 6. Der Trägerzahn 3 setzt sich aus einem geradlinig ausgeführten Grundkörper 4 zusammen, um dessen Mantelfläche die Spule 6 gewickelt ist, sowie einem radial innen liegenden Zahnkopf 5, der in Umfangsrichtung gegenüber dem Grundkörper 4 verbreitert ausgebildet ist und einen Polschuh bildet. Die radial innen liegende Innenseite des Zahnkopfes 5, welche dem Jochsegment 2 abgewandt ist, liegt im montierten Zustand unmittelbar benachbart zu dem vom Stator eingeschlossenen Rotor, wobei sich zwischen der Stirnseite des Zahnkopfes 5 und der Rotormantelfläche ein ringförmiger Luftspalt befindet. In Umfangsrichtung grenzen benachbarte Zahnsegmente 1 über die Umfangsstirnseiten 7 der Jochsegmente 2 aneinander an und bilden den durchgehenden Statorring. Benachbarte Zahnsegmente 1 sind in geeigneter Weise miteinander verbunden.
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An der radialen Außenseite 8 sind einteilig mit dem Jochsegment 2 Formschlusserhebungen 9 ausgebildet, welche sich gegenüber der Außenseite 8 des Jochsegments 2 radial nach außen erstrecken. Die Formschlusserhebungen 9 liegen symmetrisch und mit Abstand in Umfangsrichtung zur radial verlaufenden Mittel- bzw. Längsachse 10 durch den Trägerzahn 3. Die Formschlusserhebungen 9 befinden sich in Umfangsrichtung zumindest annähernd in der Mitte zwischen der Längsachse 10 und der jeweiligen Umfangsstirnseite 7 am Jochsegment 2.
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In 2 ist ein Statorgehäuse 11 des Stators dargestellt, welches hohlzylindrisch ausgeführt ist und den aus den Zahnsegmenten 1 zusammengesetzten Statorring aufnimmt.
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Wie der Schnittdarstellung gemäß 3 zu entnehmen, liegt im montierten Zustand die Wandung des Statorgehäuses 11 zumindest annähernd flächig an der Außenkontur des Jochsegments 2 einschließlich der Formschlusserhebung 9 an.
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Die Dimensionierung der Formschlusserhebung 9 steht in einem definierten Zusammenhang zur Wandstärke s des Statorgehäuses 11. Die Breite b der Formschlusserhebung 9 beträgt, in Umfangsrichtung gesehen, das Zweifache bis Fünffache der Wandstärke s des Statorgehäuses 11 und liegt beispielsweise beim dreifachen Wert der Wandstärke s. Die radiale Höhe r, mit der sich die Formschlusserhebung 9 radial über die Außenseite 8 des Jochsegments 2 erhebt, ist mindestens so groß wie die Wandstärke s des Statorgehäuses 22 und beträgt maximal das Vierfache der Wandstärke s, vorzugsweise das Zweifache.
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In den 4 bis 9 sind verschiedene Ausführungsbeispiele für Formschlusserhebungen 9 in unterschiedlicher Querschnittsgeometrie dargestellt. Gemäß 4 weist die Formschlusserhebung 9 einen teilkreisförmigen, insbesondere einen halbkreisförmigen Querschnitt auf. Gemäß 5 ist die Formschlusserhebung 9 trapezförmig ausgebildet. In 6 ist eine dreieckförmig zulaufende Formschlusserhebung 9 dargestellt, die jedoch eine abgerundete Spitze aufweist. In 7 ist die Formschlusserhebung 9 dreieckförmig ausgebildet, in den 8 und 9 sind jeweils zwei unmittelbar in Umfangsrichtung aneinandergrenzende, dreieckförmige Formschlusserhebungen 9 vorgesehen, wobei gemäß 8 der die beiden dreieckförmigen Formschlusserhebungen 9 verbindende Tiefpunkt radial in Höhe der Außenseite 8 des Jochsegmentes 2 liegt und gemäß 9 der Tiefpunkt gegenüber der Außenseite 8 radial nach außen versetzt ist.
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Die Formschlusserhebungen 9 am Zahnsegment können sich zumindest annähernd über die gesamte axiale Länge jedes Zahnsegmentes erstrecken, das insbesondere zumindest annähernd gleich lang ausgebildet ist wie das Statorgehäuse 11. Jedes Zahnsegment kann aus einer Mehrzahl aneinandergeschichteter Einzellamellen bestehen. Die Formschlusserhebungen 9 erstrecken sich über die axiale Länge des Zahnsegmentes, wobei sowohl Ausführungen in Betracht kommen, bei denen die Formschlusserhebungen 9 geradlinig und ausschließlich in Achsrichtung verlaufen als auch Ausführungen mit einer helixähnlichen Struktur, bei denen die Formschlusserhebungen 9 zusätzlich zur axialen Komponente auch eine Komponente in Umfangsrichtung aufweisen. Des Weiteren sind sowohl durchgehend ausgebildete Formschlusserhebungen als auch durchbrochene Formschlusserhebungen möglich. Schließlich können die Formschlusserhebungen treppenartig versetzt unterbrochen angeordnet sein, so dass einzelne Abschnitte sich in Achsrichtung erstrecken, aufeinanderfolgende Abschnitte jedoch in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.
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In den 10 bis 14 ist jeweils im abgewickelten Zustand die Innenseite des Statorgehäuses 11 mit Formschlussaufnahmen 12 dargestellt, welche den Formschlusserhebungen 9 an der Außenseite der Zahnsegmente 1 entsprechen. Im montierten Zustand greifen die Formschlusserhebungen 9 in die Formschlussaufnahmen 12 an der Innenwand des Statorgehäuses 11 ein. Gemäß 10 erstrecken sich die Formschlussaufnahmen 12 ausschließlich in Achsrichtung und sind durchgehend ausgebildet. In 11 ist eine Ausführung mit Formschlussaufnahmen 12 dargestellt, die sich in Achsrichtung erstrecken, jedoch durchbrochen sind. Gemäß 12 verlaufen die Formschlussaufnahmen 12 in Achsrichtung und zusätzlich in Umfangsrichtung, wodurch ein helixartiger Verlauf entsteht. 13 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 12, jedoch mit durchbrochenen Formschlussaufnahmen 12. Gemäß 14 sind die Formschlussaufnahmen 12 in einzelne, sich in Achsrichtung erstreckende Abschnitte unterteilt, wobei die Formschlussaufnahmen treppenartig versetzt zueinander angeordnet sind.
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Die Herstellung des Stators erfolgt in mehreren einzelnen Schritten. Zunächst werden die Zahnsegmente, die aus einem weichmagnetischen Material, vorzugsweise aus gestanztem Elektroblech bestehen, zusammengefügt und fixiert. Die Zahnsegmente können mechanisch vorfixiert sein, entweder über Eisenteile oder Kunststoff oder über die Wicklung, die um den Trägerzahn gelegt ist.
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Nach dem Erstellen des Statorringes aus den einzelnen Zahnsegmenten wird der Statorring in das Statorgehäuse eingesetzt, das vorteilhafterweise im Ausgangszustand eine Innenwand ohne Formschlussaufnahmen aufweist. Nach dem Einsetzen des Statorringes wird das Statorgehäuse einem Magnetpulsumformen unterzogen, bei dem das aus weichmagnetischem Material bestehende Statorgehäuse einem Magnetfeld ausgesetzt und dauerhaft umgeformt wird. Hierbei legt sich die Wandung des Statorgehäuses an die Außenkontur des Statorringes an, so wie dies in 3 angedeutet ist, so dass die Wandung des Statorgehäuses die Außenkontur des Statorringes formschlüssig umgreift und die vorbeschriebenen Formschlussaufnahmen an der Innenwand des Statorgehäuses entstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020028509 A1 [0002]
