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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine permanenterregte elektrische Maschine.
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Bekannt sind permanenterregte Synchronmotoren, beispielsweise aus der
WO 2005/053138 A1 , deren Stator ein Polgehäuse mit an der Innenseite befestigten Magneten aufweist. Das Polgehäuse ist aus einem Blechteil gefertigt und weist ein durch Umbiegen hergestellten Rückschlussbereich auf. Die Permanentmagnete befinden sich an der Polgehäuseinnenseite im Rückschlussbereich.
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Die Befestigung der Permanentmagneten im Polgehäuse erfolgt üblicherweise durch Klammer-, Käfig- oder Klebetechnik.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stator für eine permanenterregte elektrische Maschine in einfacher Weise herzustellen.
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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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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung von Statoren für permanenterregte elektrische Maschinen, wobei der Stator ein Polgehäuse aufweist, in das Permanentmagnete eingesetzt werden, welche an der Innenwand des Polgehäuses befestigt werden. Die Befestigung erfolgt in der Weise, dass zunächst in einem ersten Schritt die Permanentmagnete in einen Trägerkörper eingesetzt werden, der in das Polgehäuse eingeführt wird. Anschließend wird der Innendurchmesser des Polgehäuses radial reduziert, wodurch die Permanentmagnete mit dem Polgehäuse verbunden werden.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, das auf verhältnismäßig einfache Weise die Permanentmagnete mit der Innenwand des Polgehäuses verbunden werden können. Die Verbindung erfolgt durch Festklemmen, indem das Polgehäuse gestaucht wird, wodurch sich der Innendurchmesser reduziert und eine Klemmkraft auf die Permanentmagnete ausgeübt wird. Die Durchmesserreduzierung des Polgehäuses führt zu einer radialen Kraft sowie einer Kraft in Umfangsrichtung im Trägerkörper einschließlich den Permanentmagneten, so dass eine feste Anlage zwischen der Außenseite der Permanentmagnete und der Innenwand des Polgehäuses und eine verbesserte Leitung des magnetischen Flusses gegeben ist. Darüberhinausgehende Verbindungsmaßnahmen zur Befestigung der Magnete an der Innenwand des Polgehäuses sind nicht erforderlich.
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Ein weiterer Vorteil dieser Verbindungsmaßnahme liegt darin, dass auch eine größere Anzahl an Permanentmagneten mit einer entsprechend erhöhten Polpaarzahl ohne Zusatzkosten eingesetzt werden können. Desweiteren können segmentierte bzw. getrennte Permanentmagnete verwendet werden, die in Längs- oder Querrichtung separiert sind. Die Gefahr einer Korrosion am Polgehäuse bzw. den Permanentmagneten ist reduziert. Vorteilhaft ist es auch, dass die Wandung des Polgehäuses frei von Sicken, Einbuchtungen oder dergleichen bleiben kann, so dass auch keine Schwächung der Wandung stattfindet. Durch das radiale Stauchen des Polgehäuses sind verhältnismäßig große Toleranzen zulässig, dementsprechend sind die Anforderungen an die Maßgenauigkeit reduziert, ebenso die Anforderung an die Oberflächengüte des Polrohres. Der Verbindungsprozess durch das Stauchen des Polrohres erfordert nur einen kurzen Zeitraum. Schließlich ist es auch vorteilhaft, dass die Permanentmagnete in einem Recyclingprozess zerstörungsfrei geborgen werden können.
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In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Stauchung bzw. Durchmesserreduzierung des Polgehäuses im Wege des Electromagnetic Pulse Welding (EMPW), bei dem es sich um einen Schweißprozess unter Ausnutzung von magnetischen Kräften zwischen den zusammenzufügenden Bauteilen handelt. Bei dem EMPW handelt es sich um eine Magnetumformung, bei der ein hohes, gepulstes Magnetfeld in dem Polgehäuse berührungslos erzeugt und der Durchmesser des Polgehäuses hierdurch reduziert wird. Hierdurch werden die Permanentmagnete einschließlich des die Permanentmagnete aufnehmenden Trägerkörpers im Polgehäuse festgeklemmt. Das EMPW-Verfahren hat zudem den Vorteil, dass keine mechanischen Kräfte für die Umformung des Polgehäuses aufgebracht werden müssen. Außerdem erfolgt die radiale Stauchung über den Umfang des Polgehäuses zumindest annähernd gleichmäßig.
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Das Magnetfeld wird beim EMPW-Verfahren vorteilhafterweise über eine bestromte, ringförmige Spule aufgebracht, in die das rohrförmige Polgehäuse eingeführt wird. Das Magnetfeld, welches in der Spule erzeugt wird, breitet sich berührungslos in das Polgehäuse aus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Trägerkörper ringförmig bzw. zylindrisch ausgebildet und als Käfig ausgeführt, in welchem die Permanentmagnete aufgenommen sind. Der ringförmige Trägerkörper weist eine ausreichend hohe Stabilität zur Aufnahme und Halterung der Permanentmagnete auf. Gegebenenfalls sind an den Trägerkörper an mindestens einer axialen Stirnseite, gegebenenfalls an beiden axialen Stirnseiten Ringanker angeordnet, welche die axiale Stirnseite der Permanentmagnete übergreifen. Die Ringanker erhöhen weiter die Stabilität des Trägerkörpers und fixieren zudem die Permanentmagnete in Achsrichtung am Trägerkörper. Die Ringanker können einteilig mit dem Trägerkörper ausgebildet sein oder als separate Bauteile, welche mit dem Trägerkörper verbunden sind.
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Der Trägerkörper weist sich in Achsrichtung erstreckende Streben auf, welche die Permanentmagnete in Umfangsrichtung begrenzen und halten. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass die Streben im Bereich ihrer Umfangsstirnseiten eine Formschlusskontur besitzen, mit der die eingesetzten Permanentmagnete zumindest teilweise formschlüssig umgriffen und gesichert werden. Die Formschlusskontur kann so ausgebildet sein, dass die Permanentmagnete radial von außen nach innen oder gegebenenfalls radial von innen nach außen in den Trägerkörper eingesetzt werden können. Desweiteren ist es auch möglich, die Permanentmagnete axial in den Trägerkörper einzuschieben, wobei in diesem Fall seitliche Streben mit einer Formschlusskontur verbindet werden können, die die Permanentmagnete sowohl radial nach außen als auch radial nach innen formschlüssig halten; in dieser Ausführung weist der Trägerkörper vorteilhafterweise nur an einer Stirnseite einen Ringanker auf, so dass zumindest eine Stirnseite offen ist für das axiale Einschieben der Permanentmagnete.
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Der Trägerkörper zur Aufnahme der Permanentmagnete besteht beispielsweise aus Kunststoff und kann im Spritzgießverfahren hergestellt werden. Gegebenenfalls werden die Permanentmagnete in das Kunststoffmaterial des Trägerkörpers eingebettet. Möglich ist es aber auch, die Permanentmagnete nachträglich in den Trägerkörper einzusetzen, beispielsweise in eine formschlüssige Struktur des Trägerkörpers zur formschlüssigen Sicherung insbesondere in Radialrichtung.
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Der Stator wird in permanenterregten elektrischen Maschinen eingesetzt, beispielsweise in Synchronmotoren, die als Starter für Kraftfahrzeuge, als Generatoren oder gegebenenfalls als Kleinmotor in einem Kraftfahrzeug wie zum Beispiel einem Scheibenwischermotor eingesetzt werden können.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, den Figurenbeschreibungen und Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Ausschnitt aus einem Stator für eine permanenterregte elektrische Maschine, mit einem Polgehäuse, an dessen Innenwand Permanentmagnete angeordnet sind, welche in einem Trägerkörper aufgenommen sind, wobei die Verbindung zwischen den Permanentmagneten und der Innenwand des Polgehäuses im Wege des Electromagnetic Pulse Welding (EMPW) hergestellt wird,
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2 eine Ausführungsvariante mit einem Trägerkörper in modifizierter Ausführung,
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3 Ausführungsvariante mit stirnseitig auf den Trägerkörper sowie die Permanentmagnete aufgesetzten Ringankern.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ausschnittsweise ein Stator 1 für eine permanenterregte, elektrische Maschine dargestellt, der ein Polgehäuse 2 aufweist, an dessen Innenwand Permanentmagnete 3 angeordnet und gehalten sind. Über den Umfang verteilt befinden sich an der Innenwand des Polgehäuses 2 mehrere Permanentmagnete 3, die in einem Trägerkörper 4 aufgenommen sind, welcher ringförmig oder zylindrisch ausgebildet ist und einen Käfig zur Halterung der Permanentmagnete 3 bildet. Der Trägerkörper 4 umfasst sich in Achsrichtung erstreckende Streben 5, welche umfangsstirnseitig die Permanentmagnete 3 begrenzen und diese halten. Die Streben 5 sind durch weitere Streben miteinander verbunden, welche sich in Umfangsrichtung erstrecken.
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Der Trägerkörper 4 bildet ein stabiles Bauteil zur Aufnahme der Permanentmagnete 3, die vor dem Einsetzen in das Polgehäuse 2 des Stators 1 mit dem Trägerkörper 4 verbunden werden. Anschließend wird die Baueinheit, bestehend aus Trägerkörper 4 und Permanentmagnete 3, in das Polgehäuse 2 eingesetzt und mit der Innenwand des Polgehäuses 2 verbunden. Die Verbindung folgt durch radiales Stauchen mit einhergehender Durchmesserreduzierung des Polgehäuses 2, was im Wege des Electromagnetic Pulse Welding (EMPW) durchgeführt wird, bei dem es sich um ein Magnetumformverfahren handelt. Hierbei wird ein hohes, gepulstes Magnetfeld über eine Spulenwicklung erzeugt, in die das Polgehäuse eingeführt wird. Das Magnetfeld wird berührungslos auf das Polgehäuse übertragen und führt zu einer Durchmesserreduzierung des Polgehäuses. Hierbei werden die Permanentmagnete 3 an der Innenwand des Polgehäuses festgeklemmt.
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Der Trägerkörper 4 besteht vorzugsweise aus Kunststoff und wird im Spritzgießverfahren hergestellt. Hierbei kommen sowohl Ausführungen in Betracht, bei denen die Permanentmagnete 3 während des Herstellungsprozesses vom Kunststoffmaterial des Trägerkörpers 4 umspritzt werden als auch Ausführungen, bei denen die Permanentmagnete erst nach Fertigstellung des Trägerkörpers mit diesem verbunden werden. Im letztgenannten Fall werden die Permanentmagnete vorteilhafterweise formschlüssig von den Streben 5 des Trägerkörpers 4 in Radialrichtung gehalten, indem die Umfangsstirnseite 6 der Streben 5 eine formschlüssige Kontur aufweist, welche die Umfangsstirnseiten der Permanentmagnete 3 formschlüssig umgreift. Die Permanentmagnete 3 können hierbei entweder radial von außen oder gegebenenfalls radial von innen in den Trägerkörper 4 eingeknöpft werden, oder sie werden axial über die Stirnseiten des Trägerkörpers in die Formschlusskontur an der Umfangsstirnseite 6 der Streben 5 eingeschoben.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Innenwand des Polgehäuses 2 frei von Sicken, Einbuchtungen oder dergleichen. Zur Befestigung der Permanentmagnete 3 am Polgehäuse 2 wird der Verbund, bestehend aus Trägerkörper 4 und Permanentmagneten 3, in das Gehäuse 2 eingeführt und axial vorläufig an der gewünschten Position fixiert. Daraufhin wird die Magnetumformung durch das Electromagnetic Pulse Welding durchgeführt. Nach Abschluss der Magnetumformung mit einhergehendem radialem Stauchen des Polgehäuses 2 sind die Permanentmagnete 3 in Achsrichtung und in Umfangsrichtung sicher an der Innenwand des Polgehäuses 2 fixiert.
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In der Ausführungsvariante gemäß 2 ist in die Innenwand des Polgehäuses 2 eine Sicke 7 eingebracht, welche die axiale Position der Permanentmagnete 3 begrenzt. Gegebenenfalls können über den Umfang verteilt mehrere derartige Sicken eingebracht sein, so dass jeder Permanentmagnet 3 von einer Sicke 7 begrenzt wird.
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Die Umfangsstirnseite 6 der Streben 5 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 mit einer im Vergleich zu 1 ausgeprägteren Formschlusskontur versehen, welche ein radiales Einfügen der Permanentmagnete 3 in den Trägerkörper 4 erschwert bzw. unmöglich macht. In diesem Fall werden die Permanentmagnete 3 vorzugsweise über die axiale Stirnseite in den Trägerkörper 4 eingeführt.
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Desweiteren ist gemäß 2 in eine Strebe 5 des Trägerkörpers 4 ein Verstärkungselement 9 eingebracht, welches den Trägerkörper 4 zusätzlich stabilisiert. Das Verstärkungselement 9 kann in das Kunststoffmaterial des Trägerkörpers 4 eingespritzt sein.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist der Trägerkörper 4 an beiden axialen Stirnseiten jeweils einen Ringanker 8 auf, der die Stirnseite der eingesetzten Permanentmagnete 3 überdeckt. Der Ringanker 8 verbessert die Stabilität des Trägerkörpers 4, vorteilhafterweise sind beide Ringanker 8 einteilig mit dem Trägerkörper 4 ausgebildet. Die Permanentmagnete 3 werden entweder bereits während des Spritzgießverfahrens in den Trägerkörper 4 eingebettet oder nachträglich radial eingeknöpft.
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Möglich sind auch Ausführungen mit nur einem Ringanker 8 an einer Stirnseite des Trägerkörpers 4, so dass die Permanentmagnete über die gegenüberliegende, offene Stirnseite in den Trägerkörper 4 eingeschoben werden können.
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Auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 3 sind die Permanentmagnete 3 einschließlich Trägerkörper 4 in das Polgehäuse 2 eingeführt und anschließend im Wegen einer Magnetumformung EMPW mit dem Polgehäuse verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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