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Die Erfindung betrifft ein Statorelement für einen Elektromotor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Statorelements für einen Elektromotor.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind elektrisch kommutierte Elektromotoren mit Statoren nach dem Klauenpolprinzip bekannt. Bei einem derartigen Stator wird ein aus einer Wicklungsspule austretender Magnetfluss gesammelt und durch Klauenpole radial zum Rotor des Elektromotors geführt, wobei der Rotor vom Magnetfluss durchdrungen wird. Die Klauenpole sollen den Magnetfluss möglichst verlustarm leiten und sind üblicherweise aus massivem Metall oder aus Elektroblech gefertigt. Alternativ können die Klauenpole auch aus weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffen (SMC-Materialen, engl. soft magnetic composites) gefertigt sein. Mit den Elektroblechen und den SMC-Materialien können verringerte Hystereseverluste erreicht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein nach dem Klauenpolprinzip ausgebildetes, verbessertes Statorelement für einen Elektromotor bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Statorelement für einen Elektromotor, aufweisend:
- – eine definierte Anzahl von Klauenpolen;
- – wobei das Statorelement während der Herstellung einer Wärmebehandlung im Bereich der Curietemperatur des Statorelements unterzogen wurde;
- – wobei das Statorelement anschließend an die Wärmebehandlung einer Abkühlung unterzogen wurde.
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Mittels der während der Herstellung des Statorelements vorgesehenen Wärmebehandlung kann eine Kornstruktur innerhalb der Statorelements verbessert bzw. vergleichmässigt werden, wodurch der magnetische Widerstand sinkt. Im Ergebnis können dadurch magnetische Hystereseverluste minimiert werden, wodurch vorteilhaft eine verbesserte Leistungsfähigkeit des Elektromotors unterstützt ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Statorelement für einen Elektromotor, aufweisend eine definierte Anzahl von Klauenpolen, wobei die Klauenpole über einen Verbindungsbereich mit einem Klauenpolring verlaufende Biegeradien aufweisen, wobei die Biegeradien jeweils am Rand der Klauenpole grösser sind als in der Mitte der Klauenpole.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Statorelements für einen Elektromotor, wobei das Statorelement eine definierte Anzahl an Klauenpolen aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- – Formgeben und Erwärmen des Statorelements; und
- – nachfolgendes Abkühlen des Statorelements.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Statorelements und des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Statorelements zeichnet sich dadurch aus, dass eine Temperatur der Wärmebehandlung in einem Bereich zwischen ca. 400°C und ca. 1000°C liegt. In diesem definierten Temperaturbereich ist, abhängig vom verwendeten Material des Statorelements, eine Verbesserung von Eigenschaften des Statorelements betreffend den magnetischen Leitwert realisierbar.
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Eine weitere Ausführungsform des Statorelements zeichnet sich dadurch aus, dass das Statorelement der Wärmebehandlung während eines Formgebungsprozesses oder nach einem Formgebungsprozess unterzogen wurde. Dadurch werden vorteilhaft zwei alternative Möglichkeiten für die Durchführung der Wärmebehandlung des Statorelements bereitgestellt.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Statorelement einem Formgebungsprozess in Form eines Stanzbiegens unterzogen wurde. Die beim Stanzbiegen möglicherweise erzeugten Materialschädigungen können mittels der Wärmebehandlung verringert werden, wodurch eine Verbesserung von Leitungseigenschaften des Statorelements für den magnetischen Fluss bewirkt wird.
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Eine weitere Ausführungsform des Statorelements sieht vor, dass das Statorelement der Abkühlung in Form eines Niederfahrens einer Heizvorrichtung, in der das Statorelement während der Wärmebehandlung angeordnet war, unterzogen wurde. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein besonders langsames Abkühlen des erhitzten Statorelements erreicht werden. Im Ergebnis kann damit ein sehr sicheres und gut steuerbares Abkühlverfahren bereitgestellt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Statorelements sieht vor, dass das Statorelement der Abkühlung in Form eines Abkühlens bei Umgebungstemperatur unterzogen wurde. Auf diese Weise wird ein relativ schnelles Abkühlen bereitgestellt, welches Kostenvorteile mit sich bringen kann.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Statorelements zeichnet sich dadurch aus, dass das Statorelement, nachdem es in einer ersten Abkühlphase einem definierten Temperaturabfall unterzogen wurde, in einer zweiten Abkühlphase einer Abkühlung mit einem höheren Temperaturgradienten als in der ersten Abkühlphase unterzogen wurde. Vorteilhaft ist es dadurch möglich, das Statorelement unterschiedlichen Abkühlphasen zu unterziehen, wodurch unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten realisiert und dadurch Fertigungsabläufe optimiert werden können.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Statorelements sieht vor, dass die Klauenpole über einen Verbindungsbereich mit einem Klauenpolring verlaufende Biegeradien aufweisen, wobei die Biegeradien jeweils am Rand der Klauenpole grösser sind als in der Mitte der Klauenpole. Auf diese Art und Weise werden optimierte Biegeradien bereitgestellt, mit denen eine Verbesserung des magnetischen Flusses und eine erhöhte mechanische Festigkeit des Statorelements unterstützt ist.
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Eine weitere Ausführungsform des Statorelements zeichnet sich dadurch aus, dass das Material des Statorelements ein Metall oder ein Elektroblech ist. Mit den genannten unterschiedlichen Materialien ist vorteilhaft eine Auslegungsvielfalt für das Statorelement erhöht.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen Figuren, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren sowie ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind lediglich qualitativ zu verstehen und dienen insbesondere der Erläuterung der erfindungswesentlichen Prinzipien.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Funktionsprinzips eines Stators gemäß dem Klauenpolprinzip;
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2 eine Explosionsdarstellung von Elementen eines Stators für einen Elektromotor;
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3 eine Darstellung eines herkömmlichen Statorelements gemäß dem Klauenpolprinzip;
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4 eine Darstellung eines weiteren herkömmlichen Statorelements gemäß dem Klauenpolprinzip;
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5 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Statorelements gemäß dem Klauenpolprinzip; und
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6 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt in schematischer Weise einen bekannten Aufbau eines Stators für einen Elektromotor (nicht dargestellt) gemäß dem Klauenpolprinzip. Dabei wird elektrischer Wechselstrom i zyklisch alternierend in der dargestellten und entgegen der dargestellten Richtung durch Wicklungen 60 geleitet. Dadurch bilden sich zyklisch alternierend die magnetischen Pole Nord und Süd auf Klauenpolen 10, 10a unterschiedlicher Statorelemente 100, 100a aus, wobei die Klauenpole 10, 10a auf jeweils einem unterschiedlichen Klauenpolring 70, 70a angeordnet sind. Der teilweise gestrichelte Verlauf des geschlossenen magnetischen Flusses Φ soll andeuten, dass der magnetische Fluss Φ im Bereich der Strichlierung durch einen Rotor (nicht dargestellt) des Elektromotors verläuft.
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2 zeigt in einer 3D-Explosionsdarstellung ein Abbild zweier gemäß dem Klauenpolprinzip ausgebildeter Statorelemente 100, 100a mit jeweils vier Klauenpolen 10, 20, 30, 40 bzw. 10a, 20a, 30a, 40a und eines magnetischen Rückschlussringes 50. Im Folgenden werden der Einfachheit halber lediglich die Elemente des ersten Statorelements 100 detailliert beschrieben, wobei eine Struktur des zweiten Statorelements 100a identisch ist mit jener des ersten Statorelements 100. Die Klauenpole 10, 20, 30, 40 sind mit einem Klauenpolring 70 integral verbunden, wobei die Klauenpole 10, 20, 30, 40 ausgehend vom Klauenpolring 70 nach innen gebogen sind, wobei der Klauenpolring 70 einen stützenden Rahmen des Statorelements 100 repräsentiert. Alle in der Figur dargestellten Elemente sind vorzugsweise aus Elektroblechen hergestellt. Eine mit Kunststoffmaterial umspritzte Gesamtanordnung aus den beiden Statorelementen 100, 100a und dem Rückschlussring 50 bildet die Grundstruktur einer Statorvorrichtung für einen Elektromotor nach dem Klauenpolprinzip.
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Für die Positionierung und Befestigung der Klauenpole 10, 20, 30, 40 und des Rückschlussrings 50 gibt es mehrere Möglichkeiten. Bekannt ist beispielsweise, die beiden Statorelemente 100, 100a mit einem Kunststoffmaterial (z.B. glasfaserverstärktes Polyamid, nicht dargestellt) zu umspritzen, wodurch gleichzeitig eine elektrische Isolation zur Wicklung 60 (nicht dargestellt in 2) ausgebildet wird. Der Rückschlussring 50 ist im Wesentlichen spielfrei an die Statorelemente 100, 100a in Form der Klauenpolbleche anliegend ausgebildet.
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Die Klauenpole 10, 20, 30, 40 des Statorelements 100 werden in der Fertigung aus Elektroblech durch einen Stanzbiegeprozess hergestellt und werden dabei mit einem glasfaserverstärktem Polyamid umspritzt. Bei jedem Biegeprozess wird das Bauteil am Innenradius gestaucht und am Außenradius gestreckt. In der Mitte befindet sich die sogenannte „neutrale Faser“, die durch den Biegeprozess in der Länge im Wesentlichen unverändert bleibt. Bei den dargestellten Klauenblechen und dem genannten Umformungs- bzw. Formgebungsprozess ist dies in der tangentialen Mitte jedes Klauenpols 10, 20, 30, 40 auch der Fall.
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Dadurch, dass die Biegelinien für die Klauenpole 10, 20, 30, 40 nicht gerade sondern gekrümmt verlaufen, kommt es dazu, dass die Stauchung und Streckung des Biegeprozesses mit einer geometrisch bedingten Streckung überlagert wird. Dies kann die Veränderung der Kornstruktur des Elektrobleches, die beim Biegeprozess ohnehin stattfindet, noch verstärken. Dies kann für eine magnetische Leitfähigkeit nachteilig sein, was erhöhte magnetische Verluste bedeuten kann. Darüber hinaus resultiert aus dieser überlagerten Streckung eine Materialverdünnung. Die verringerten Querschnitte im Klauenblech können in nachteiliger Weise wiederum eine Leistung des Motors limitieren.
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Beim Betrieb des Elektromotors müssen alle magnetischen Feldlinien, die an der Erzeugung des mechanischen Drehmoments des Elektromotors beteiligt sind, durch die in 3 markierten Radien (Bereich zwischen Außenradius Ra und Innenradius Ri) treten. Dabei bezeichnen die Außenradien Ra Biegeradien an der in Biegerichtung der Klauenpole 10, 20, 30, 40 abgewandten Oberflächen („Oberseiten“) der Klauenpole 10, 20, 30, 40. Die Innenradien Ri bezeichnen Biegeradien an der in Biegerichtung der Klauenpole 10, 20, 30, 40 zugewandten Oberflächen („Unterseiten“) der Klauenpole 10, 20, 30, 40. Durch die genannte Wärmebehandlung verbessert sich die magnetische Permeabilität μ insbesondere zwischen den Bereichen Ra und Ri, das sind jene Bereiche, die beim vorangegangenen Stanzbiegeprozess insbesondere hinsichtlich der Kornstruktur geschädigt wurden.
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Bei der Herstellung der Klauenbleche oder der Umspritzung der Klauenbleche mit Kunststoff kann es aus Fertigungssicht sinnvoll sein, dass, wie in 4 erkennbar, der Innenradius Ri gegen die Ränder der Klauenpole 10, 20, 30, 40 zu immer kleiner wird. Beispielsweise kann der Innenradius Ri in der Mitte des Klauenpols 10, 20, 30, 40 ca. 1 mm betragen, am Rand hingegen sehr klein werden, was im Wesentlichen einer Kantenbildung entspricht. Dies kann zu einer stark ausgeprägten Schädigung der Kornstruktur des Materials führen, wodurch eine Leitung des magnetischen Flusses Φ nachteilig sehr verschlechtert sein kann. Ferner kann durch diesen geringen Radius in den Randbereichen der Klauenpole 10, 20, 30, 40 das Material dort mechanisch derart belastet sein, dass es zu einer erhöhten Rissneigung und zu verringerten Festigkeiten kommen kann.
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Erfindungsgemäß wird deshalb im Zuge der Fertigung des Statorelements 100 eine Wärmebehandlung des Statorelements 100 vorgeschlagen, wodurch die magnetische Permeabilität μ (magnetische Leitfähigkeit) des Statorelements 100 signifikant verbesserbar ist. Damit lassen sich die durch den genannten Umformprozess entstandenen negativen Auswirkungen in der Kornstruktur beheben bzw. vermindern, wodurch die magnetischen Verluste reduziert und die Leistungsfähigkeit des Elektromotors erhöht sein kann.
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Vorteilhaft kann auf diese Weise ein erhöhter magnetischer Fluss bei reduzierten magnetischen Verlusten in den Klauenpolen 10, 20, 30, 40 des Statorelements 100 bereitgestellt werden. Dies kann vorteilhaft zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Elektromotors, zu einer Leistungserhöhung und/oder einer Bauraumverkleinerung des Elektromotors benutzt werden. Vorteilhaft können dadurch bei gleicher Leistung die erforderlichen elektrischen Ströme und die thermischen Verluste reduziert werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass für die Ausschöpfung eines möglichst vollen Potentials der Wärmebehandlung die Curietemperatur (z.B. ca. 745 °C bei Elektroblech M250-50A) unter Luftabschluss überschritten werden und das Statorelement 100 einer nachfolgenden Abkühlung unterzogen werden sollte. Vorzugsweise sollte die genannte Wärmebehandlung des Statorelements zumindest im Bereich der Curietemperatur durchgeführt werden. Für das genannte Elektroblech ist die erste Zahl (250) ein Maß für die magnetischen Verluste und die zweite Zahl ein Maß für die Blechdicke, in diesem Fall 0.5 mm. In Versuchsreihen mit verschiedenen Blechen und Temperaturen wurden signifikante, je nach Temperatur steigende Verbesserungen zu Referenzteilen gemessen.
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Es hat sich ferner herausgestellt, dass Erwärmungen zwischen ca. 400°C und ca. 1000°C zu entscheidenden Verbesserungen der magnetischen Flusseigenschaften des Materials des Statorelements 100 führen können. Dabei treten Verbesserungen zwar bei allen genannten Temperaturen auf, die jedoch umso ausgeprägter sind, je höher die gewählte Temperatur ist. Exemplarisch kann eine Haltedauer, das heißt eine Verweildauer des Statorelements 100 im Ofen nur wenige Minuten je Millimeter Wandstärke betragen.
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Ferner hat sich herausgestellt, dass auch die Wahl einer Abkühlgeschwindigkeit einen Einfluss auf die materialtechnischen Verbesserungen des Statorelements haben kann. Standardmäßig können die signifikant verbesserten Materialeigenschaften durch ein langsames Abkühlen unterstützt werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, das erhitzte Statorelement 100 einfach einer Heizvorrichtung (z.B. einem Ofen) zu entnehmen und bei Raum- bzw. Umgebungstemperatur abkühlen zu lassen. Alternativ ist es auch möglich, dass bei der Abkühlung nach einem definierten Temperaturabfall (z.B. im Ausmaß von ca. 50%) in einer zweiten Abkühlphase mit einem höheren Gradienten als in der vorangegangenen ersten Abkühlphase abgekühlt wird. Dies kann beispielsweise mittels eines Gebläses durchgeführt werden. Obwohl eine sehr langsame Abkühlung in der Regel die besten Ergebnisse liefert, kann es vorteilhaft sein, eine schnellere Abkühlung vorzunehmen, die auch noch hinsichtlich des gesamten Fertigungsprozesses kostengünstiger ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass in der Mitte der Klauenpole 10, 20, 30, 40 der Ursprungszustand erhalten bleibt, zum Rand der Klauenpole 10, 20, 30, 40 hin die Radien Ra, Ri jedoch kontinuierlich anwachsen. Dies führt dazu, dass Längen der neutralen Fasern nahezu unabhängig von ihrer tangentialen Position sind, wodurch erreicht wird, dass sich das Material in Abhängigkeit von der tangentialen Position im Wesentlichen nicht mehr unterschiedlich streckt. Die nachteilige positionsabhängige Verringerung der Wandstärke wird auf diese Weise nahezu eliminiert. Im Ergebnis können dadurch vorteilhaft Leitungseigenschaften für den magnetischen Fluss Φ optimiert bzw. wenigstens verbessert werden.
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Die genannten Maßnahmen resultieren vorteilhaft in einer größeren Wandstärke in den kritischen Bereichen der Polklauenbleche, wobei die Kornstruktur des Elektroblechs eine geringere Schädigung aufweist.
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Durch diese spezifische geometrische Ausbildung der Statorelemente 100, 100a kann sich in einigen Bereichen der Luftspalt zwischen Rotor und Stator (nicht dargestellt) geringfügig vergrößern, was zu einer schlechteren Motorperformance führen kann. Dies stellt jedoch in Relation zum gesamten Luftspalt nur einen sehr kleinen Anteil dar und steht in keinem Verhältnis zum Leistungsfähigkeitsgewinn, der nach dem erfindungsgemäßen Prinzip realisierbar ist.
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6 zeigt prinzipiell einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem ersten Schritt S1 wird ein Formgeben und Erwärmen des Statorelements 100 durchgeführt.
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Schließlich wird in einem zweiten Schritt S2 ein nachfolgendes Abkühlen des Statorelements 100 durchgeführt.
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Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein Statorelement für einen Elektromotor vorgeschlagen, welches signifikant verbesserte magnetische Eigenschaften aufweist. Im Ergebnis ist dadurch eine verbesserte Performance des Elektromotors unterstützt. Erreicht wird dies durch eine spezifische Wärmebehandlung im Bereich der Curietemperatur des jeweils verwendeten Materials.
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Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde und dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Der Fachmann wird erkennen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen der vorgehend beschriebenen Merkmale, insbesondere hinsichtlich einer Materialauswahl, einer Anzahl der Klauenpole, usw. möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
