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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Drehstrommotor, sowie den Stator.
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Beim Bewickeln von Polzähnen für Statoren und Rotoren elektrischer Maschinen, muss zwischen benachbarten Polköpfen ein Korridor freigehalten werden, damit der Wickeldraht und/oder das Wickelwerkzeug zwischen den Polköpfen hindurchgeführt werden kann. Dadurch ist der Kupferfüllfaktor, das ist das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der eingelegten Kupferdrähte zwischen zwei benachbarten Polzähnen zu der zwischen den benachbarten Polzähnen zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche, sehr gering. Üblicherweise liegt der Kupferfüllfaktor von Statoren und Rotoren, bei denen die Polzähne mittels Nadelwickeln bewickelt sind, bei etwa 35%.
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Häufig reicht die Leistungsdichte von Elektromotoren mit solchen Polzähnen jedoch nicht aus. Daher werden Statoren und Rotoren auch mit Polzähnen ohne Polköpfe oder mit Polzähnen mit sehr kleinen Polköpfen ausgestattet, so dass zwar der Kupferfüllfaktor größer ist und die Leistungsdichte dieser Elektromotoren ausreicht. Jedoch weisen solche elektrischen Maschinen ein hohes Rastmoment und eine hohe Momentenwelligkeit auf.
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Daher ist es bekannt, die Polzähne getrennt vom Joch zu fertigen und nach dem Bewickeln in dieses einzufügen. Dabei erschwert die jeweils auf einen Polzahn gefügte Wicklung jedoch häufig das Fügen des Polzahns in das Joch.
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Für Statoren ist es weiterhin bekannt, den Stator zu segmentieren. Dabei ist das Joch zwischen den Polzähnen jeweils aufgetrennt und die Segmente werden nach dem Bewickeln der Polzähne aneinander gefügt.
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Um die Flussverluste gering zu halten, ist es erforderlich, dass die Statorsegmente eines solchen Stators nach dem Fügen dauerhaft flächig aneinander anliegen. Eine bekannte Herstellungsmethode für einen solchen Stator sieht daher vor, den Stator mit einer Formmasse zu umformen, beispielsweise zu umspritzen oder zu umgießen. Dies hat den Vorteil, die Wicklungen gleichzeitig elektrisch zu isolieren. Die Formmasse weist zudem eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft auf und ermöglicht daher eine bessere Wärmeableitung im Betrieb der elektrischen Maschine. Weiterhin ist ein solcher Stator stabiler als ein nicht umformter Stator und verhältnismäßig leise.
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Das Umformen ist auch für einzelne Segmente eines solchen Stators bekannt, beispielsweise um die Wärmeleitung von der Wicklung zum Kern zu verbessern, um die Positionierung der Wicklungswindungen während des Wicklungsprozesses zu verbessern, um die Wicklungsenden nach dem Wickeln zu fixieren, und um die Wicklungen elektrisch zu isolieren.
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Bei segmentierten Statoren, auch bei umformten segmentierten Statoren, besteht aber mit steigender Polzahl eine große Schwierigkeit darin, die erlaubten Toleranzen des Innendurchmessers des Stators einzuhalten. Das ist umso kritischer, da bereits geringe Abweichungen von der Luftspaltbreite zwischen Rotor und Stator erheblichen Einfluss auf die Parameter der elektrischen Maschine haben können. Die Toleranzkette wird mit steigender Polzahl immer länger, und die Stabilität des segmentieren Stators immer geringer. Dabei kann eine geometrische Abweichung den magnetischen Widerstand an den Anlageflächen zwischen den Segmenten verändern. Auch führt eine Asymmetrie des Stators zu Rastmomenten.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Herstellung eines segmentieren Stators so zu verbessern, dass seine Segmente symmetrischer angeordnet sind und dauerhaft aneinander anliegen, wobei der Innendurchmesser des Stators sehr genau einhaltbar ist, und der Stator eine große Stabilität, eine sehr hohe Leistungsdichte, ein geringes Rastmoment und eine geringe Momentenwelligkeit aufweist. Der Stator soll zudem einfach zu fertigen sein.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines segmentieren Stators, dessen Joch zwischen benachbarten Polzähnen geteilt ist, in einem Werkzeug mit einer konzentrisch um eine Achse angeordneten Formfläche, mit den Schritten:
- • Bewickeln der Polzähne der Segmente mit einer Wicklung,
- • Aneinander Fügen der bewickelten Segmente in dem Werkzeug, so dass benachbarte Segmente am Joch aneinander anliegen, und sich das Joch konzentrisch um die Achse erstreckt,
- • Einspritzen einer aushärtbaren Formmasse in das Werkzeug,
wobei die Segmente beim Einspritzen der Formmasse mittels der Formmasse gegen die Formfläche und aneinander gedrückt werden.
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Durch das aneinander Drücken der Segmente und das Drücken der Segmente gegen die Formfläche wird sichergestellt, dass die Segmente aneinander anliegen. Durch das Drücken gegen die Formfläche sind die Segmente dabei sehr genau positioniert. Der Stator ist daher mit einer kleineren Toleranz herstellbar.
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Die Formfläche ist bevorzugt ein Innenteil des Werkzeugs. Besonders bevorzugt weist sie den Innendurchmesser des Stators oder einen geringfügig kleineren Durchmesser auf. Durch den geringfügig kleineren Durchmesser kann ein elastisches Zurückformen des Stators, insbesondere des Kerns des Stators, nach dem Entformen aus dem Werkzeug berücksichtigt werden. Dabei ist der Innendurchmesser des Stators durch den Abstand der Kopfflächen der Polzähne von der Achse des Stators definiert. Da die Kopfflächen bei diesem Verfahren auf die Formfläche gedrückt werden, werden sie während des Verfahrens sehr genau positioniert.
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Um den Stator leicht in das Werkzeug fügen zu können, ist es bevorzugt, dass zwischen der Formfläche und der Kopffläche der Polzähne vor dem Einfüllen der Formmasse ein Abstand besteht, insbesondere von etwa 0,1–0,5 mm. In einer besonders bevorzugten Ausführunsform beträgt der Abstand etwa 0,2 mm.
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Das Einfüllen ist bevorzugt ein Einspritzen oder Eingießen der Formmasse mit einem Druck von mehr als 60 MPa, besonders bevorzugt mit einem Druck von 70–140 MPa, ganz besonders bevorzugt mit einem Druck von 80–120 MPa.
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Es ist bevorzugt, dass sich die Segmente des Stators beim Einfüllen der Formmasse verformen. Gleichzeitig werden sie aneinander gedrückt. Vorzugsweise bewirkt das Verformen das aneinander Drücken der Segmente und ein Drücken der Segmente gegen die Formfläche. Dabei wird das Verformen bevorzugt durch den beim Einfüllen der Formmasse auf die Segmente wirkenden hohen Druck verursacht. Ein vor dem Einfüllen der Formmasse bestehende Abstand ermöglicht zudem gegebenenfalls ein Zusammenschieben der Statorsegmente.
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Es ist bevorzugt, dass die Segmente während des Einfüllens der Formmasse so verformt und/oder aneinander gedrückt werden, dass die Kopffläche während des Einfüllens der Formmasse zumindest teilweise an der Formfläche anliegt. Besonders bevorzugt liegen die Segmente des Stators während und nach dem Einfüllen flächig aneinander an.
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Die Formfläche weist bevorzugt eine zur Kopffläche korrespondierende Form auf, so dass sich die Kopffläche möglichst flächig an die Formfläche anlegen kann. Besonders bevorzut ist die Formfläche rund ausgebildet. Es ist aber ebenfalls eine Formfläche bevorzugt, die durch aneinander angrenzende, gleichgroße Teilflächen gebildet ist, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind. In dieser Ausführungsform erscheinen die Teilflächen im Querschnitt als gleichlange Sehnenlinien eines konzentrisch um die Achse angeordneten, fiktiven Kreises.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Stirnflächen des Stators und seine Außenfläche gleichzeitig mit der Formmasse umspritzt werden. Dadurch ist der Stator sehr symmetrisch herstellbar.
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Die Formmasse ist bevorzugt ein Kunststoff, insbesondere ein Thermoplast oder ein Duroplast. In dieser Ausführungsform bleibt die während des Umspritzens bewirkte Form des Stators dauerhaft erhalten und die Segmente liegen nach dem Aushärten dauerhaft flächig aneinander. Besonders bevorzugt wird als Formmasse ein Polyamid verwendet. In Abhängigkeit von der erforderlichen Formbeständigkeit wird gegebenenfalls ein verstärkter Polyamid verwendet, beispielsweise ein glasfaserverstärkter Polyamid.
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Der Stator wird dem Werkzeug bevorzugt nach dem Aushärten der Formmasse entnommen. Es hat sich gezeigt, dass ein Zurückformen des Kerns der Statorsegmente nach dem Entformen in einer Größenordnung von weniger als 3% erfolgt. Beispielsweise liegt das Zurückformen der Statorsegmente bei einem Abstand der Kopffläche von der Formfläche von 0,2 mm vor dem Einfüllen der Formmasse im Bereich von 3–4 μm nach dem Entformen.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst mit einem Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Drehstrommotor, der mit diesem Verfahren hergestellt ist. Der Innendurchmesser des Stators ist durch das Herstellungsverfahren sehr genau einhaltbar und der Stator sehr symmetrisch herstellbar. Dadurch ist der Stator im Vergleich zu anderen umspritzen Statoren gleicher Polzahl mit einer kleineren Toleranz herstellbar und weist eine größere Stabilität auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform, die die Aufgabe ebenfalls löst, weisen die Segmente des Stators jeweils eine Anlagefläche und eine zu der Anlagefläche korrespondierend ausgebildete Gegenanlagefläche auf, die im Querschnitt über eine gesamte Breite des Jochs bogenförmig ausgebildet sind. Vorzugsweise ist die Anlagefläche konkav und die korrespondierend zur Anlagefläche ausgebildete Gegenanlagefläche konvex ausgebildet, oder umgekehrt. Diese Form ermöglicht ein Gleiten der Anlagefläche entlang der Gegenanlagefläche. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Ausbildungsform der Anlagefläche und Gegenanlagefläche begrenzt. Sondern durch die während des Einspritzens der Formmasse mögliche Verformung der Segmente sind andere, herkömmlich ausgebildete Segmente verwendbar.
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Weiterhin bevorzugt sind die Jochsegmente der Statorsegmente gebogen ausgebildet. Bei dieser Ausbildung werden sie durch den Druck während des Einspritzens zumindest geringfügig verformt, so dass sie dabei abflachen. Dadurch werden die Anlagefläche der Segmente und die Gegenanlagefläche ihrer benachbarten Segmente aneinander gedrückt. Dabei wird ein Luftspalt zwischen der Anlagefläche und der Gegenanlagefläche verringert und der Kontakt zwischen den Flächen verbessert. Dadurch verringert sich der magnetische Widerstand zwischen diesen Flächen.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst mit einer elektrische Maschine, insbesondere einem Drehstrommotor, mit einem solchen Stator. Die elektrische Maschine dieser Ausführungsform weist aufgrund der Symmetrie des Stators und des sehr genau eingehaltenen Innendurchmessers des Stators eine im Vergleich zu elektrischen Maschinen mit herkömmlich hergestelltem umspritztem segmentiertem Stator höhere Leistungsdichte, ein geringes Rastmoment und eine geringe Momentenwelligkeit auf.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
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1 zeigt in (a) ein Statorsegment eines erfindungsgemäßen Stators, in (b) und (c) jeweils verschiedene Ansichten eines Ausschnitts aus einem Stator mit dem Statorsegment der 1(a), und in (d) eine Stirnseite eines erfindungsgemäßen Stators beziehungsweise einer elektrischen Maschine mit dem Stator,
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2 zeigt in (a) und (b) verschiedene Ansichten eines Ausschnitts aus dem Stator der 1(b) und (c) mit Wicklungen,
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3 zeigt in (a) und (b) schematisch ein in ein Werkzeug eingefügtes Segment eines Stators, wobei die 3(a) das Segment vor dem Einfüllen einer Formmasse zeigt, und die 3(b) das Segment beim Einfüllen der Formmasse zeigt,
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4 zeigt in (a) und (b) verschiedene Ansichten eines Ausschnitts der ausgehärteten Formmasse ohne den Stator, und
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5 zeigt eine Formfläche eines Werkzeugs zur Herstellung des Stators.
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1(a) zeigt ein Segment 11 eines erfindungsgemäßen Stators 1. Das Statorsegment 11 ist etwa T-förmig gebildet und weist ein Jochsegment 22 auf, das eine Außenfläche 20, eine Anlagefläche 110 sowie eine Gegenanlagefläche 111 aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Anlagefläche 110 konvex und die Gegenanlagefläche 111 konkav ausgebildet.
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Am Jochsegment 22 ist ein Polzahn 3 angeordnet. An seinem dem Jochsegment 22 abgewandten Ende weist der Polzahn 3 einen Polkopf 31 auf. Der Polkopf 31 weist an seinem dem Jochsegment 22 abgewandten Ende ein Kopffläche 310 auf.
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Im Bereich der Anlage- sowie der Gegenanlagefläche 110, 111 weist das Jochsegment 22 eine größere Breite 112 auf, als im Bereich des Polzahns 3. Die Anlagefläche 110 sowie die Gegenanlagefläche 111 sind über die gesamte Breite 112 dieses Bereiches des Jochs bogenförmig ausgebildet. Dadurch ist die Kontaktfläche zwischen den Jochsegmeten 22 sehr groß und ein magntischer Widerstand zwischen ihnen reduziert.
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Diese Ausbildung ermöglicht zudem nicht nur, dass die Anlagefläche 110 in die Gegenanlagefläche 111 eines benachbarten Segmentes 11 (s. 1(b)) eingreift. Sondern sie ermöglicht auch ein Gleiten der Anlagefläche 110 entlang der Gegenanlagefläche 111.
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1(b) und (c) zeigen jeweils einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Stator 1 ohne Wicklungen 6 (s. 1(d)).
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Sichtbar ist das ineinander Greifen der Anlagefläche 110 in die Gegenanlagefläche 111 des jeweils benachbarten Segmentes 11.
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Die aneinander gereihten Jochsegmente 22 der Statorsegmente 11 bilden ein Joch 2, dass sich konzentrisch um eine Achse 5 in die axiale Richtung 50 erstreckt. In Umfangsrichtung 52 ist das Joch 2 geschlossen. Der Stator 1 hat daher etwa die Form eines Hohlzylinders und weist einen Innenraum 100 (s. 1(d)) auf.
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Die Polzähne 3 erstrecken sich gegen eine radiale Richtung in den Innenraum 100 hinein.
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Die 1(d) zeigt schematisch einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines solchen Stators 1, wobei an einem Polzahn 3 beispielhaft eine Wicklung 6 angeordnet ist. Und zwar sind die Jochsegmente 22 der Statorsegmente 11 dieses Stators 1 überall gleich breit ausgebildet.
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Das aus den Jochsegmenten 22 gebildete Joch 2 ist konzentrisch zu der Achse 5 angeordnet. Sichtbar ist, dass ein Innendurchmesser DS des Stators 1 durch den Radius eines die Kopfflächen 310 verbindenden fiktiven Kreises 311 um die Achse 5 definiert ist. Dabei sind die Kopfflächen 310 hier konzentrisch um die Achse 5 angeordnet.
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In gestrichelten Linien zeigt die 1(d) zudem einen konzentrisch um die Achse 5 angeordneten Rotor 8 im Innenraum 100 des Stators 1. Der Rotor 8 weist einen gegenüber dem Innendurchmesser DS des Stators 1 kleineren Rotordurchmesser DR auf. Daher ist zwischen dem Rotor 8 und dem Stator 1 ein Luftspalt 9 ausgebildet.
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Stator 1 und Rotor 8 bilden gemeinsam eine elektrische Maschine 10.
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Die 2(a) und (b) zeigen den Stator 1 der 1(b) und (c) mit einer Wicklung 6. Zwischen den Wicklungen 6 und den Statorsegmenten 11 ist jeweils eine Isolierung 61 vorgesehen.
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Der Stator 1 ist in einem Werkzeug 4 angeordnet, von dem hier eine Formfläche 41 gezeigt ist. Die Figuren zeigen den Stator 1 vor dem Einfüllen einer aushärtbaren Formmasse 7. In desem Zustand ist der Stator 1 so im Werkzeug 4 positioniert, dass zwischen der Formfläche 41 und den Kopfflächen 310 der Polköpfe 31 des Stators jeweils ein Abstand 43 besteht (s. 3(a)). Der Abstand 43 beträgt etwa 0,1–0,5 mm, bevorzugt etwa 0,2 mm. Die Formfläche 41 ist konzentrisch zur Achse 5 angeordnet, und weist den Innendurchmesser DS des Stators 1 auf, den dieser im montierten Zustand aufweisen soll.
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In der 2(a) ist das Einfüllen der Formmasse 7 durch eine Vielzahl Pfeile 71 schematisch gezeigt. Sichtbar ist, dass die Formmasse 7 (s. 4) nicht nur gegen die Außenfläche 20 des Stators 1 gespritzt wird, sondern gleichzeitig auch gegen die quer zur Außenfläche 20 angeordneten Stirnflächen 21 an den beiden Enden des Stators 1. Dadurch wird die Formmasse 7 auch zwischen die Wicklungen 6 benachbarter Statorsegmente 11 gespritzt.
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Die 3(a) und (b) zeigen schematisch jeweils ein Statorsegment 11 in dem Werkzeug 4, wobei auch hier nur die Formfläche 41 des Werkzeugs 4 dargestellt ist. In radialer Richtung 51 erstrecken sich bei dieser Formfläche 41 Fixierungsmittel 410, zwischen denen die Polköpfe 31 der Statorsegmente 11 angeorndet sind. In der 3(b) ist das Verformen der Statorsegmente 11 während des Umspritzens mit der Formmasse 7 zur Verdeutlichung überzeichnet dargestellt.
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Die 3(a) zeigt den Stator 1 vor dem Einfüllen der Formmasse 7, die 3(b) zeigt ihn während des Einfüllens der Formmasse 7. Auch in der 3(b) ist das Einfüllen der Formmasse 7 durch die Pfeile 71 schematisch gezeigt.
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Sichtbar ist, dass das Jochsegment 22 des Statorsegmentes 11 vor dem Einfüllen der Formmasse 7 bogenförmig um die Achse 5 vorgesehen ist.
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Durch den von der Formmasse 7 auf den Stator 1 beziehungsweise seine Segmente 11 ausgeübten Druck werden die Segmente 11 nicht nur zusammengedrückt, sondern auch zumindest geringfügig verformt. Dabei flachen die Jochsegmente 22 ab. Dadurch werden die Polköpfe 31 auf die Formfläche 41 gedrückt. Das Verschieben der Polköpfe 31 ist durch einen Pfeil 520 gezeigt. Zudem werden die Anlageflächen 110 der Segmente 11 dabei an die Gegenanlageflächen 111 ihrer benachbarten Segmente 11 gedrückt.
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Der Stator 1 wird dem Werkzeug 4 erst nach dem Aushärten der aushärtbaren Formmasse 7 entnommen. Aufgrund der plastischen Verformung der Formmasse 7 sind die Statorsegmente 11 zu diesem Zeitpunkt mittels der Formmasse 7 fixiert. Daher ist ein elastisches Zurückformen nicht mehr oder kaum noch möglich. Es hat sich gezeigt, dass sich die Statorsegmente 11, insbesondere ihr Kern, um weniger als 3% zurückformen. Beispielsweise bei einem Abstand 43 zwischen Polkopf 31 und Formfläche 41 vor dem Einfüllen der Formmasse 7 von 0,2 mm beträgt der Abstand 43 nach dem Entformen des Stators 1 etwa 3–4 μm. Das geringfügige Zurückformen des Stators 1 ermöglicht ein leichtes Entnehmen des Stators 1 aus dem Werkzeug 4, insbesondere von der Formfläche 41.
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Insgesamt ist dieser Stator 1 mit einer kleineren Toleranz herstellbar, und somit symmetrischer. Der Luftspalt 9 zwischen Rotor 8 und Stator 1 ist dadurch gleichmäßiger einhaltbar. Eine elektrische Maschine 10 mit dem Stator 1 weist daher in Bezug auf ihre Leistungsdichte, Rastmoment und Momentenwelligkeit bessere Werte auf. Und der Stator 1 ist zudem stabiler.
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In den 4(a) und (b) ist die ausgehärtete Formmasse 7 dargestellt. Dabei ist der in der Formmasse 7 angeordnete Stator 1 nicht gezeigt.
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Nach dem Aushärten sind eine Außenfläche 20’ und eine Stirnflächen 21’ des fertig gestellten Stators 1 durch die Formmasse 7 bestimmt. Eine Innenfläche (nicht gezeigt) des Werkzeugs 4 ist daher bevorzugt entsprechend der gewünschten endgültigen Form des Stators 1 ausgebildet.
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Da die Formmasse 7 den fertigen Stator 1 umgibt und auch zwischen seine Wicklungen 6 eingefüllt ist, wirkt sie geräuschdämpfend, so dass eine elektrische Maschine 10 mit diesem Stator 1 leiser ist als eine elektrische Maschine mit herkömmlichem Stator.
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Gleichzeitig weist die Formmasse 7 eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf, so dass sie zum Ableiten der im Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden Wärme genutzt werden kann.
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Die Formmasse 7 ist zudem für andere Funktionen nutzbar, beispielsweise zum Anordnen eines Lagers (nicht gezeigt), insbesondere für eine Welle der elektrischen Maschine 10.
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5 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der Formfläche 41 des Werkzeugs 4. Die Formfläche 41 ist konzentrisch zur Achse 5 angeordnet und hier durch aneinander angrenzende, gleichgroße Teilflächen 420 gebildet, die in einem Winkel α zueinander angeordnet sind. Die Teilflächen 42 erscheinen in dem hier dargestellten Querschnitt als gleichlange Sehnenlinien 420 eines konzentrisch um die Achse 5 angeordneten, fiktiven Kreises 40.
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Es sind aber ebenfalls Werkzeuge (s. 2(a) und (b)) mit einer runden Formfläche 41 möglich.
