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Die Erfindung beschreibt einen Statorkörper für einen Innenläufer aus einem weich magnetischem Verbundmaterial.
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Weichmagnetische Verbundmaterialien (Soft Magnetic Composit, SMC, Somaloy) sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Sie bieten den Vorteil, dass sich komplexe dreidimensionale Strukturen einfach herstellen lassen. Darüber hinaus bieten Sie geringe Wirbelstromverluste durch die Isolierung der einzelnen Metallpartikel, eine hohe Sättigungsfeldstärke und eine ausreichende mechanische Festigkeit.
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Die
DE 10 2004 0391 80 A1 zeigt einen Innenläufer-Elektromotor mit einem Statorkörper aus Verbundmaterial.
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Ein Statorkörper aus einem Verbundmaterial ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es einen Statorkörper für eine elektrische Maschine aus weichmagnetischem Verbundmaterial zu schaffen, der einfach und kostengünstig herstellbar ist und vergleichbare technische Eigenschaften sowie eine bessere Flusskonzentration aufweist, als ein Statorkörper aus gestapelten Blechen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Statorkörper mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Figurenbeschreibung genannt.
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Der erfindungsgemäße Statorkörper weist mehrere Statorpole auf, die jeweils einen Statorzahn und einen Polschuh umfassen, wobei die Statorzähne über einen Rückschluss miteinander verbunden sind. Um eine gute magnetische Flusskonzentration in den Statorzähnen zu erhalten, ist erfindungsgemäß die axiale Länge der Polschuhe größer, als die axiale Länge der Statorzähne, wobei die Polschuhe axial so angeordnet sind, dass sie axial beidseitig über die Statorzähne hinausragen. Zusätzlich ist der Statorkörper erfindungsgemäß aus einem weich magnetischem Verbundmaterial gesintert. Vorzugsweise beträgt dabei die axiale Länge der Polschuhe zwischen 125% und 250% der axialen Länge der Statorzähne.
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Durch das Design des Statorkörpers und die dadurch erreichbare gute Flusskonzentration kann ein wesentlicher Anteil an Material für den Statorkörper eingespart werden. Gegenüber eines Statorkörpers, der aus gestapelten blechen besteht, bietet der erfindungsgemäße Statorkörper den Vorteil, dass durch das Herstellungsverfahren deutlich weniger Materialabfall generiert wird. Während ein aus Stapelblech bestehender Statorkörper in der Regel durch Stanzpaketieren hergestellt wird und bei diesem Prozess viel Abfall entsteht, entsteht während des Sinterprozesses kaum Abfall.
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Zusätzlich ist ein Sinterstatorkörper kostengünstiger als ein aus Blech gestapelter Statorkörper, so dass ein erfindungsgemäßer Statorkörper insgesamt nur etwa die Hälfte eines aus gestapelten Blechen bestehenden Statorkörpers kostet.
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Die technischen Eigenschaften eines Sinterstatorkörpers sind in der Regel etwas schlechter, als die eines Stapelblechstatorkörpers. Dies wird jedoch durch die geometrischen Abmessungen und die dadurch bessere Flusskonzentration des magentischen Flusses ausgeglichen, wodurch ein zu einem Stapelblechstatorkörper technisch gleichwertiger Sinterstatorkörper entsteht.
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Weiterhin ermöglicht die gute Flusskonzentration eine kompaktere Bauweise, so dass sich kleinere Motoren als die im Stand der Technik bekannten realisieren lassen, beziehungsweise sich bei gleicher Baugröße das nutzbare Leistungs- und Drehmoment erhöhen lässt. Des Weiteren können aufgrund der guten Konzentration des magnetischen Flusses niedrigere Remanenzmagnete, beispielsweise Ferrite, zum Einsatz kommen.
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Beim Sintern des Verbundmaterials wird eine Kraft F in axialer Richtung auf den Statorkörper-Rohling ausgeübt. Bei diesem Sinterprozess darf das Aspektverhältnis der Strukturen nicht zu groß sein, damit ein homogener Statorkörper entstehen kann. Es ist daher zweckmäßig, wenn die axiale Länge der Polschuhe höchstens 600% der radialen Breite der Polschuhe beträgt. Wenn diese Beschränkung des Herstellungsverfahrens nicht eingehalten wird, besteht die Gefahr, dass der gesinterte Statorkörper inhomogene magnetische und mechanische Eigenschaften aufweist.
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Kann aus geometrischen oder anderen Gründen ein solches Aspektverhältnis nicht eingehalten werden, ist es möglich und zweckmäßig, wenn der Statorkörper aus mehreren axialen Teilen in axialer Richtung zusammengesetzt ist. Dadurch kann für jedes axiale Teil das Aspektverhältnis eingehalten werden. Der ganze Statorkörper kann dann nahezu beliebig geformt sein.
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Aus dem gleichen Grund ist es zweckmäßig, wenn der axiale Überstand, den die Polschuhe über die Statorzähne hinausragen, zwischen 50% und 250% der radialen Breite der Polschuhe beträgt.
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Insbesondere bei großen axialen Überständen, besteht das Risiko, dass die Polschuhe keine ausreichende mechanische Festigkeit mehr aufweisen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind daher zwischen den Polschuhen Keile angeordnet. Diese Keile bilden eine mechanische Brücke zwischen benachbarten Polschuhen und bieten dadurch eine verbesserte Festigkeit in tangentialer und radialer Richtung.
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Die Erfindung umfasst auch einen Stator mit einem erfindungsgemäßen Statorkörper sowie auch einen Elektromotor mit einem solchen Stator.
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Um die Streuverluste beim Übergang der Feldlinien vom Polschuh zu einem gegenüber des Stators angeordneten Rotor gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn der Rotor und die Polschuhe in etwa die gleichen axialen Längen aufweisen. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die axiale Länge der Polschuhe zwischen 95% und 120% der axialen Länge des Rotors beträgt.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Statorkörpers,
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2: einen Längsschnitt durch einen Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen Statorkörper,
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3: einen Längsschnitt durch einen Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen, zweiteiligen Statorkörper,
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4: einen Längsschnitt durch einen Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen, zweiteiligen Statorkörper,
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5: einen Längsschnitt durch einen Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen, dreiteiligen Statorkörper,
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6: einen Längsschnitt durch einen Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen, dreiteiligen Statorkörper und
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7: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Statorkörper mit Keilen zischen den Polschuhen.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Statorkörper 1 aus einem weichmagnetischen Verbundmaterial für einen Innenläufer. Der Statorkörper 1 weist einen ringförmigen Rückschluss 2 auf, an dem mehrere Polzähne 3 mit Polschuhen 4 radial angeordnet sind.
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Aufgrund der guten magnetischen Eigenschaften des Verbundmaterials ist es möglich den Fluss in den Polzähnen 3 zu konzentrieren. Dadurch wird weniger Material für den Statorkörper 1 benötigt. Dies ermöglicht eine signifikante Kostenreduzierung, wodurch der Statorkörper 1 insgesamt nur etwa die Hälfte eines vergleichbaren gestapelten Blechstatorkörpers kostet.
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Zur Flusskonzentration ragen die Polschuhe 4 axial beidseitig über den Polzahn 3 hinaus. Im Beispiel besitzt der Rückschluss dieselbe axial Länge wie die Polzähne, so dass die Polschuhe auch über den Rückschluss axial hinausragen. Die axiale Länge des Rückschlusses hat jedoch keine Auswirkungen auf die Funktionsweise der Erfindung. Sie ist daher beliebig, sollte jedoch nicht so klein gewählt sein, dass der Rückschluss in Sättigung geht.
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Die 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen beispielhaften Elektromotor 6 mit einem Stator 5 mit einem erfindungsgemäßen Statorkörper 1. Auf den Polzähnen 3 des Statorkörpers 1 ist eine Nutisolation 7 angeordnet, auf die Statorwicklungen 8 gewickelt sind. Der Rückschluss 2 ist im gezeigten Beispiel ein Teil eines Motorgehäuses 9. An den Stirnseiten des Gehäuses 9 ist jeweils ein Kugellager 11 angeordnet in denen eine Welle 12 gelagert ist. Auf der Welle 12 ist ein Rotor 13 mit einem Rotormagneten 14 drehfest angeordnet.
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Die Polzähne 3 besitzen eine axiale Länge ltooth. Um eine magnetische Sättigung des Verbundmaterials im Bereich des Polzahns 3 zu verhindern, sollte eine axiale Länge l1 der Polschuhe 4 größer als die axiale Länge ltooth der Polzähne 3 sein. Folgender Bereich gilt optimalerweise für die axiale Länge l1 des Polschuhs 4: 1,25·ltooth ≤ l1 ≤ 2,5·ltooth
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die axiale Länge l1 der Polschuhe 4 nur gering von einer axialen Länge l2 eines in radialer Richtung gegenüberliegend der Polschuhe 4 angeordnetem Rotormagneten 14 abweicht. Daher gilt: 0,9·l1 ≤ l2 ≤ 1,2·l1.
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Beim Sintern des Verbundmaterials wird eine Kraft F in axialer Richtung auf einen Statorkörper-Rohling ausgeübt. Bei diesem Sinterprozess darf das Aspektverhältnis der Strukturen nicht zu groß sein, damit ein homogener Statorkörper 1 entsteht.
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Daher darf die axiale Länge l1 der Polschuhe 4 höchstens das Sechsfache einer radialen Breite hpn der Polschuhe 4 betragen. Für das Aspektverhältnis gilt daher: l1 ≤ 6·hpn.
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Weiterhin gilt für einen Überstand lov, den die Polschuhe 4 über die Polzähne 3 überstehen: 0,5·hpn ≤ lov ≤ 2,5·hpn.
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Im gezeigten Beispiel sind die Überstände lov an beiden axialen Enden des Statorkörpers 1 gleich. Sie können jedoch auch unterschiedlich groß sein, solange die genannten Grenzen eingehalten werden.
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Je nach Anwendung und Anforderungen, kann es sein, dass das maximale Aspektverhältnis nicht eingehalten werden kann. In diesem Fall kann der Statorkörper 1 mehrteilig ausgebildet sein.
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Ein solcher Statorkörper 1 ist in der 3 als Teil eines Elektromotors 6 gezeigt, der im Wesentlichen dem Elektromotor 6 der 2 entspricht. Im Unterschied ist hier jedoch der Statorkörper 1 aus zwei Teilen 15 axial zusammengesetzt. Die beiden Teile 15 des Statorkörpers 1 sind in etwa gleich groß und werden durch komplementäre ineinander greifende axiale Ausnehmungen 16 und Vorsprünge 17 auf den sich gegenüberliegenden Stirnseiten der einzelnen Teile 15 zusammengehalten.
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Eine alternative Ausführung dieses Elektromotors 6 ist in der 4 gezeigt. Hier sind die beiden axialen Teile 15 des Statorkörpers 1 durch axiale Stifte 19 zusammengehalten, die in axialer Richtung durch die Polzähne 3 verlaufen.
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Die in den 5 und 6 gezeigten Ausführungen unterscheiden sich jeweils von den Ausführungen der 3 beziehungsweise 4 einzig dadurch, dass der Statorkörper 1 jeweils aus drei Teilen 10, 15 besteht.
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Der Statorkörper 1, der in 5 gezeigt ist besteht aus drei Teilen 10, 15, wobei zwei der Teile 15 gleich ausgebildet sind. Diese beiden Teile 15 bilden die Ober- bzw. Unterseite des Statorkörpers 1. Des weiteren verläuft auf diesen beiden Teilstücken 15 des Statorkörper 1 die Nutisolation 7, auf der die Wicklungen 8 angeordnet sind. Das dritte Teilstück 10 bildet den axialen Mittelteil des Statorkörpers 1. Die Teile 15, die die Ober- bzw. Unterseite des Statorkörpers 1 bilden, weisen jeweils auf ihrer axial innen liegenden Seite zwei Ausnehmungen 16 auf, in die die Vorsprünge 17, die jeweils auf der Ober- und der Unterseite des Mittelteils 10 des Statorkörpers 1 angeordnet sind, eingreifen.
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Der Statorkörper 1, der in 6 gezeigt ist besteht ebenfalls aus drei Teilen 10, 15, wobei auch hier zwei der Teile 15 gleich ausgebildet sind und die Ober- bzw. Unterseite des Statorkörpers 1 bilden. Das dritte Teilstück 10 bildet den axialen Mittelteil des Statorkörpers 1. Alle drei Teilstücke 10, 15 sind nicht über Ausnehmungen und Vorsprünge miteinander verbunden, sonder über axiale Stifte 19 durch die Polzähne 3.
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Wenn der Überstand der Polschuhe 4 zu den Polzähnen 3 sehr groß ist, besteht das Risiko, dass die Polschuhe 4 keine ausreichende mechanische Festigkeit besitzen. Bei der in der 7 gezeigten Ausführung sind daher zwischen den Polschuhen 4 jeweils Keile 20 angeordnet, die die Polschuhe 4 mechanisch miteinander verbinden. Die Keile 20 bestehen aus einem unmagnetischen Material, um einen magnetischen Fluss zwischen den Statorpolen zu verhindern. Zur Befestigung der Keile 20 können die Polschuhe 4 beispielsweise axiale Nuten 21 aufweisen.
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Selbstverständlich sind neben den hier gezeigten Ausführungen auch nahezu beliebig anders gestaltete Formen des Statorkörper, der Polschuhe und der Statorkörper-Teile möglich. Die Erfindung ist daher in keiner Weise auf die hier gezeigten Ausführungen beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Statorkörper
- 2
- Rückschluss
- 3
- Polzahn
- 4
- Polschuh
- 5
- Stator
- 6
- Elektromotor
- 7
- Nutisolation
- 8
- Statorwicklung
- 9
- Motorgehäuse
- 10, 15
- Statorkörper-Teil
- 11
- Kugellager
- 12
- Welle
- 13
- Rotor
- 14
- Rotormagnet
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Vorsprung
- 19
- Stift
- 20
- Keil
- 21
- Nut
- ltooth
- axiale Länge Polzahn
- l1
- axiale Länge Polschuh
- l2
- axiale Länge Rotor
- lov
- axialer Überstand
- hpn
- radiale Breite Polschuh
- F
- Kraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004039180 A1 [0003]
