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Die Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Stand der Technik
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Zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine, die als Motor oder Generator verwendbar ist, können rund ausgestanzte oder auch flach ausgestanzte Blechlamellen verwendet werden. Rund ausgestanzte Blechlamellen können direkt zum Aufbau eines Statorgrundkörpers aneinander gefügt werden, während flach ausgestanzte Blechlamellen zunächst zu einem Flachpaket zusammengestellt werden, welches dann zur Herstellung der zylindrischen Form des Statorgrundkörpers rundgebogen wird.
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Der vorliegende Erfindungsgegenstand betrifft einen durch Rundbiegen aus einem Flachpaket hergestellten Stator. Aus der
DE 10 2010 053 719 A1 ist der Aufbau und die Herstellung eines Stators aus einem Flachpaket bekannt.
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Beim Rundbiegen des Flachpakets liegen die Statorwicklungen bereits in Nuten des Flachpakets ein und Wicklungsüberhänge werden, nachdem der Stator zumindest weitgehend seine zylindrische Form erhalten hat, in zugeordnete Nuten eingefügt, bevor dieser Bereich ebenfalls rundgebogen wird. Durch das Rundbiegen des Flachpakets verjüngt sich der Öffnungsbereich der einzelnen Nuten, wobei Beschädigungen an den elektrischen Isolierungen der Statorwicklung und insbesondere der Wicklungsüberhänge auftreten können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Stator einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 besitzt wenigstens an Wicklungsüberhängen Isolierelemente mit einem dünnwandigen duktilen Metallkern, der bei auftretenden Druckkräften beim Rundbiegen deformierbar ist und dadurch beispielsweise punktuelle Druckbelastungen auf eine größere Druckfläche verteilt. Vorhandene Isolierschichten der Isolierelemente werden dadurch mit einem geringeren Flächendruck belastet als dies bei herkömmlichen Isolierelementen ohne duktilen Metallkern der Fall ist. Je nach Anwendungsfall kann ein mehr oder weniger leicht plastisch verformbares Metall für den Metallkern der Isolierelemente verwendet werden. Für viele Anwendungsbereiche sind Metallkerne aus Aluminium oder Kupfer aufgrund ihrer plastischen Verformbarkeit sehr gut geeignet.
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Der Metallkern der erfindungsgemäßen Isolierelemente ist vorzugsweise beidseitig von einer Isolierschicht überzogen, sodass selbst bei einer einseitigen Beschädigung der Isolierschicht immer noch eine ausreichende elektrische Isolierfunktion durch das Isolierelement gewährleistet ist.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Isolierelemente an besonders gefährdeten Stellen, das heißt in Bereichen wo beim Rundbiegen des Flachpakets regelmäßig hohe Druckkräfte auf die Isolierelemente ausgeübt werden, eine verstärkte Isolierung haben. Insbesondere im Bereich der den Zahnköpfen des Stators zugewandten Flächen der Isolierelemente sind daher verstärkte Isolierschichten vorteilhaft, indem beispielsweise in diesen Bereichen doppelte Isolierschichten vorgesehen werden.
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Zur Verstärkung der Isolierschichten können auch dickere Isolierfolien in gefährdeten beziehungsweise höher belasteten Bereichen der Isolierelemente vorgesehen werden, um möglichen Beschädigungen beim Rundbiegen des Flachpakets entgegenzuwirken.
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Für Wicklungsüberhänge wurden sehr gute Eigenschaften für die Isolierelemente erreicht, indem diese jeweils einen Metallkern aus einem duktilen Material mit einer Schichtdicke von 0,03 bis 0,1mm hatten. Auch die allseitig den Metallkern überziehende Isolierschicht wurde mit einer Schichtdicke im Bereich zwischen 0,03 bis 0,1mm vorgesehen. Diese Maße können jedoch abweichen, wenn das Flachpaket zur Herstellung von Statoren ausgebildet ist, die besonders große Abmessungen haben. Insbesondere kann auch der Metallkern mit einer größeren Schichtdicke versehen sein als die auf ihm angebrachte Isolierschicht, um im Bereich des Metallkerns einen größeren plastischen Verformungsbereich zu ermöglichen, ohne dass Beschädigungen an der Isolierschicht auftreten.
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Die Isolierschichten werden vorzugsweise als Isolationsfolien ausgeführt, die durch Laminieren auf den Metallkern aufgebracht werden. Ein derartiges Laminierverfahren unter Verwendung von Isolationsfolien ist einerseits einfach in der Durchführung und andererseits ergibt sich durch das Laminieren des Metallkerns eine optimale Verbindung zwischen den Isolationsfolien und dem Metallkern. Dadurch erhält das Isolationselement insgesamt eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen mögliche Verletzungen der Isolierschichten bei auftretenden Druckkräften an den Isolierschichten.
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An Wicklungsüberhängen des Flachpakets können die Isolierelemente nach dem bereits weitgehend erfolgten Rundbiegen des Flachpakets vor dem Schließen des Stators auf die Wicklungsüberhänge oder in die zu diesen gehörenden Nuten aufgesetzt beziehungsweise eingesetzt werden. Dabei kann es sehr vorteilhaft sein, wenn die Isolierelemente selbstklemmend in der Montageposition in den Nuten oder an den Wicklungsüberhängen gehalten werden. Die selbstklemmende Fixierung der Isolierelemente erleichtert die Montage beim Zusammenschließen des rundgebogenen Flachpakets.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Stators mit den Merkmalen des Anspruchs 9, dessen Isolierelemente mit einem duktilen Metallkern versehen sind, der beim Rundbiegen des Flachpakets deformiert wird, sodass dadurch am Isolierelement auftretende Druckkräfte auf eine vergrößerte Druckfläche verteilt werden. Dadurch wird der Flächendruck, der beispielsweise von den Zahnköpfen auf die Isolierelemente ausgeübt wird, an den Isolierschichten des jeweiligen Isolierelements deutlich reduziert, sodass eine vollständige Zerstörung der Isolierfunktion der Isolierschichten mit großer Sicherheit verhindert werden kann.
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Zur Isolierung der im Stator einliegenden Wicklungen können die erfindungsgemäßen Isolierelemente wenigstens teilweise als Nutverschlüsse auf in Nuten einliegende Wicklungen aufgesteckt werden, bevor das Flachpaket vollständig rundgebogen und dadurch im Bereich der Nutöffnungen verengt wird. Der die beiden Schenkel der U-förmigen Isolierelemente verbindende Boden bildet dabei den jeweiligen Nutverschluss einer Nut.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 die Seitenansicht eines Flachpakets mit in Nuten einliegenden Wicklungen,
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2 die Draufsicht auf das in 1 dargestellte Flachpaket ohne einliegende Wicklungen,
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3 einen Querschnitt eines aus einem Flachpaket durch Rundbiegen hergestellten Stators mit einliegender Wicklung,
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4 eine vergrößerte Teilansicht des in 3 dargestellten Stators,
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5 ein perspektivisch dargestelltes U-förmiges Isolierelement für die in Nuten eines Stators einliegenden Wicklungen,
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6 bis 8 unterschiedliche Ausführungsformen von Isolierelementen im Querschnitt und
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9 einen stark vergrößerten Teilschnitt eines Isolierelements im Bereich des Zahnkopfes des Stators von 4.
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1 zeigt in Seitenansicht ein Flachpaket 1, welches aus einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Blechlamellen 2 besteht, von denen in 1 nur die vorderste Blechlamelle 2 ersichtlich ist. Das Flachpaket 1 besitzt im Abstand angeordnete Zähne 3, sodass zwischen den Zähnen 3 Nuten 4 zur Aufnahme einer Statorwicklung 5 vorhanden sind. Die Statorwicklung 5 besteht aus einer Vielzahl von Wicklungsdrähten 6, die in den Nuten 4 von einer Nutisolation 7 umgeben und dadurch gegenüber den Blechlamellen 2 elektrisch isoliert sind.
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In 1 besitzt die Statorwicklung 5 drei Wicklungsüberhänge 8, die in die am rechten Ende von 1 noch teilweise freigebliebenen Nuten 4 eingesetzt werden, wenn das Flachpaket zu einem zylindrischen Stator, wie er in 3 dargestellt ist, gebogen wird. In der Teilansicht von 4 ist der Bereich des rundgebogenen Stators 9 vergrößert dargestellt, in welchem die Wicklungsüberhänge 8 in entsprechenden Nuten 4 eingesetzt sind.
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Die Draufsicht von 2 zeigt insbesondere, dass das Flachpaket 1 von 1 aus einer Vielzahl von Blechlamellen 2 besteht, die hier nur in den Randbereichen zeichnerisch angedeutet sind. In der Draufsicht von 2 sind auch die Zähne 3 und die dazwischen befindlichen Nuten 4 des Flachpakets 1 ersichtlich.
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Bei dem in 3 dargestellten Stator 9 sind die in den Nuten 4 einliegenden Isolierelemente der Statorwicklung nicht im Detail ersichtlich. Da der Stator 9 aus einem Flachpaket 1, wie es in den 1 und 2 dargestellt ist, durch Rundbiegen hergestellt wurde, ergibt sich eine Stoßstelle 10, an der sich die beiden Enden des Flachpakets 1 berühren. Im daran angrenzenden Bereich 11 werden die Wicklungsüberhänge 8 in die entsprechenden Nuten 4 eingesetzt.
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Der an die Stoßstelle 10 angrenzende Bereich 11 ist in 4 vergrößert dargestellt. In den an die Stoßstelle 10 angrenzenden Bereich 11 sind die Wicklungsüberhänge 8 in die Nuten 4 eingesetzt, und zwar zusammen mit Wicklungsteilen 12 der Statorwicklung 5. Die Wicklungsdrähte 6 der Statorwicklung 5 sind mittels Nutisolationen 13 gegenüber den Blechlamellen 2 des Stators 9 elektrisch isoliert, wobei für die Nutisolation 13 die Möglichkeit besteht, einfache Kunststoffclips mit U-förmigem Querschnitt zu verwenden, sofern diese in einem Bereich eingesetzt werden, wo keine höheren Druckbelastungen auf die Isolationselemente einwirken.
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Im Bereich der Wicklungsüberhänge 8 werden Isolierelemente 14 verwendet, die, wie in den 6 bis 8 ersichtlich ist, aus einem dünnwandigen duktilen Metallkern 15 und wenigstens einer den Metallkern 15 abdeckenden Isolierschicht 16 bestehen. Das Ausführungsbeispiel von 8 zeigt ein Isolierelement 14, bei dem der Metallkern 15 mit zwei Isolierschichten 16, 17 beschichtet ist, wobei sich die beiden Isolierschichten 16, 17 an den inneren Randbereichen 18, 19 der freien Enden der seitlichen Schenkel 20, 21 überlappen, sodass hier die Isolierung entsprechend verstärkt ist.
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In 5 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht der Isolierelemente 14 dargestellt, welches die jeweils einliegenden Wicklungen selbstklemmend umschließen kann.
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In 4 ist das Isolierelement 14, welches sich im Bereich der Stoßstelle 10 in der zugehörigen Nut 4 befindet, als Nutverschluss auf die Wicklung 8 aufgesteckt, sodass die Öffnung der zugehörigen Nut 4 vom Boden 22 des Isolierelements 14 abgedeckt ist. Auch die übrigen Isolierelemente 14 können in dieser Weise als Nutverschlüsse auf die Wicklungsüberhänge 8 aufgesetzt sein. In der Darstellung von 4 ist jedoch auch die andere Variante dargestellt, bei der die offene Seite 23 der Isolierelemente 14 zur Nutöffnung der Nuten 4 hinweisen.
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In einer stark vergrößerten Darstellung zeigt 9 den Teil eines Isolierelements 14, der zwischen einem Zahnkopf 24 eines Zahns 3 und einem Wicklungsdraht 6 der Statorwicklung 5 beziehungsweise eines Wicklungsüberhangs 8 eingepresst ist. Das Isolierelement 14 besteht aus einem dünnwandigen duktilen Metallkern 15, der beidseitig beziehungsweise allseitig von einer Isolierschicht 16 umgeben ist. Bei der Isolierschicht 16 handelt es sich um eine Isolierfolie, die im Laminierverfahren auf den Metallkern 15 aufgebracht wurde.
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In 9 ist insbesondere die Deformation des Metallkerns 15 dargestellt, die durch auf das Isolierelement 14 beidseitig einwirkende Druckkräfte F hervorgerufen wurde. Die Druckkräfte F können beim Rundbiegen des Flachpakets von 1 zu einem Stator, wie er in 3 dargestellt ist, insbesondere zwischen den Zahnköpfen 24 und den einliegenden Wicklungsdrähten 6 auftreten, da beim Rundbiegen des Flachpakets die Öffnungsweite der Nuten 4, in denen die Wicklungsdrähte 6 einliegen, sich verringert.
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Da das Flachpaket und somit auch der Stator 9 aus einer Vielzahl von Blechlamellen besteht, können die vom Zahnkopf 24 ausgehenden Druckkräfte F über sehr kleine Flächen und somit quasi punktuell auf das Isolierelement 14 einwirken, was bei herkömmlichen Isolierelementen zur Beschädigung der Isolierung führen kann. Durch die Verwendung eines duktilen Metalls, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Stahl mit einer entsprechenden Duktilität, können punktuell einwirkende Druckkräfte F flächig im Druckbereich verteilt werden. Die Gefahr der Zerstörung der Isolierschichten wird dadurch erheblich reduziert, sodass die Isolierschicht 16 im dargestellten Ausführungsbeispiel keine Beschädigung durch einwirkende Druckkräfte F erfährt. Durch die Verformung der duktilen Metallschicht 15 werden punktuell einwirkende Kräfte auf größere Flächen verteilt, wodurch eine Verringerung des Flächendrucks im Bereich der Isolierschichten erreicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010053719 A1 [0003]
