DE102015110614A1

DE102015110614A1 - Stator und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102015110614A1
Application number: DE102015110614.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Schmohl; Stefan Bauer
Original assignee: Metabowerke GmbH and Co
Current assignee: Metabowerke GmbH and Co
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2017-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators (30) für einen Elektromotor (10) zur Nutzung in einer angetrieben Handwerkzeugmaschine, umfassend die Schritte Vorwickeln einer Spule (34) auf einer Spulenform; Fixieren der Windungen der vorgewickelten Spule (34); Anlegen der vorgewickelten Spule (34) an einen Statorkörper (36) des Stators (30); und Verpressen der vorgewickelten Spule (34) an dem Statorkörper (36) des Stators (30), sowie einen entsprechenden Stator (30).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für einen Elektromotor zur Nutzung in einer angetriebenen Handwerkzeugmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung des Stators.
Elektromotoren werden üblicherweise bei Haushaltsgeräten wie auch bei angetriebenen Handwerkzeugmaschinen eingesetzt und umfassen einen Stator sowie einen sich relativ zum Stator um eine Längsachse (Motorlängsachse) drehenden Rotor.
Üblicherweise umfasst ein Stator eines Elektromotors einen Statorkörper mit einer geschlossenen Statorwand und daran angeordneten Polhörnern bzw. Polspitzen. Innerhalb des Statorkörpers und regelmäßig auch innerhalb dieser Polhörner ist der Rotor des Elektromotors angeordnet, welcher sich innerhalb des Stators relativ zu diesem um die Motorlängsachse dreht.
Der Statorkörper, welcher üblicherweise aus eisenhaltigen Werkstoffen (Eisen) hergestellt ist, weist eine Anzahl von Spulennuten auf, die jeweils von dem jeweiligen Polhorn und der gegenüberliegenden Statorwand des Stators begrenzt werden. In jede dieser Spulennuten wird üblicherweise ein isolierter Spulendraht in Form einer Spule eingewickelt (Direktbewicklung) oder es werden aus einem derartigen Draht vorgeformte Feldspulen in die Spulennuten eingelegt.
So ist beispielsweise aus der Druckschrift US 2011/0115314 A1 ein Stator bekannt, bei dem in einem ersten Schritt die Statorspulen auf einer Form vorgewickelt werden. Dabei ist die Wickelform derartig ausgebildet, dass die Spulen bereits beim Wickeln die Form erhalten, die sie später in einem am Stator im zusammengebauten Zustand haben sollen. Damit die Spulen nicht nach dem Wickeln wieder aufspringen, sondern in der gewünschten gewickelten Form verbleiben, werden die einzelnen Windungen in einem weiteren Schritt miteinander verbunden. Dies kann noch in der Wickelform geschehen oder nachdem die gewickelte Spule aus ihrer Form entnommen wurde. Zur Verbindung der Windungen miteinander wird ein Klebstoff verwendet, der durch Hitzeeinwirkung aufgeschmolzen werden kann und beim Abkühlen wieder erstarrt. Während des Vorgangs des Verklebens können die Spulen auch zusätzlich zusammengedrückt werden, um die stoffschlüssige Verbindung der Windungen miteinander zu verbessern. In einem weiteren Schritt wird ein Isolationsmaterial auf die geformten Spulen aufgebracht, das die Spulen einkapselt und so eine elektrische Isolation der Spulen ermöglicht. Das Isolationsmaterial ist beispielsweise ein elastomeres Thermoplast oder ein duroplastischer Kunststoff, das bzw. der durch spritzgießen auf die Spulen aufgebracht wird. Die spezifische Ausgestaltung des Statorkörpers aus mehreren, beispielsweise sechs Teilen ermöglicht es, die vorgeformten Spulen an die Innenseite der Polhörner anzulegen, ohne dass diese zusätzlich verformt werden müssen. Erst durch das Fügen der einzelnen Teile des Statorkörpers, insbesondere der Polhörner mit der Statorwandung, beispielsweise durch Einclipsen, wird der Spulenraum zwischen der Statorinnenwand und den Polhörnern gebildet und die vorgeformten Spulen werden auf diese Weise an dem Statorkörper gesichert.
Eine alternative Ausgestaltung, bei der der Stator direkt bewickelt wird, ist in der deutschen Anmeldung DE 10 2011 088 531 A1 der Anmelderin beschrieben. Bei dieser Lösung setzt sich der Statorkörper aus zwei Statorkörperhälften zusammen, die direkt einzeln bewickelt werden können, d. h. der Spulendraht wird ohne Vorformung direkt in den Spulenraum eingelegt. Um eine elektrische Isolierung der Spule von dem Statorkörper zu gewährleisten, wird in den Spulenraum Isolierpapier eingelegt. Dieses kann auch dazu genutzt werden, die gewickelten Spulenwindungen vor einem Aufspringen zu schützen und die Spulen in ihrer Form zu halten. Nachdem der Wickelvorgang abgeschlossen ist und die Spulenwindungen durch Fixieren des voreingelegten Isolierpapiers fixiert werden, werden die Statorkörperhälften zu einem Statorkörper zusammengefügt.
Obgleich die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen bereits die Herstellung von Elektromotoren ermöglichen, die eine hohe Leistungsaufnahme, eine gute Isolation der Spulen und einen guten Schutz vor Abrasion bieten können, resultiert aus den aus der Praxis bekannten Problemen bei Betrieb eines Elektromotors in beispielsweise einer Handwerkzeugmaschine der Wunsch, die bekannten Nachteile weiter zu reduzieren und die Herstellung eines Elektromotors weiter zu vereinfachen.
Ein bekanntes Problem von Elektromotoren, die beispielsweise im Antrieb einer Handwerkzeugmaschine genutzt werden, ergibt sich aus der erforderliche Kühlung des Elektromotors. In der Regel wird diese durch eine Luftkühlung bereitgestellt, wobei Umgebungsluft in den Elektromotor eingesaugt und durch diesen hindurchgezogen wird. Die hindurchströmende Luft führt die Wärme von dem Spulendraht ab und stellt dabei sicher, dass der elektrische Antrieb ausreichend Leistung abgeben kann, ohne zu überhitzen. Problematisch im Zusammenhang mit Handwerkzeugmaschinen ist dabei jedoch, dass die Kühlungsluft oftmals Staub und Metallpartikel enthält, die an dem Spulendraht angreifen und dadurch zu einer Abrasion des Spulendrahts führen können. Ein weiteres Problem ergibt sich dadurch, dass der Spulendraht im Betrieb des Motors elektrisch geladen ist, wodurch dieser eisenhaltige Partikel magnetisch anzieht. Die daraus resultieren Ablagerungen Innerhalb des Elektromotors können zu einer unerwünschten Blockierung des Rotors führen, die den Betrieb der Handwerkzeugmaschine unmöglich macht.
Die vorstehend beschriebenen Lösungen aus dem Stand der Technik sind zwar durchaus erfolgversprechend in der Lösung dieses bekannten Problems, jedoch auch in der Herstellung des Elektromotors vergleichsweise aufwändig und kostenintensiv. Weiterhin kann nicht ausgeschlossen werden, dass die vorgesehene Schutzschicht des Spulendrahts nach längerer Betriebszeit vereinzelte Beschädigungen erleidet, wodurch die vorstehend genannten Probleme auftreten können.
Eine weitere Anforderung, die sich bei der Entwicklung von Elektromotoren stets stellt, besteht darin, möglichst dicht gepackte und große Spulen an dem Stator anzubringen, eine möglichst hohe Leistung bereitzustellen und gleichzeitig die Gerätegröße gleich zu halten oder sogar zu verringern, um die Handhabung der Handwerkzeugmaschine zu erleichtern.
Grundsätzlich fallen in einem elektrischen Antrieb verschiedene Arten von Verlusten an, die in Summe die Verlustleistung bilden, welche die zur Verfügung stehende Nutzleistung des Antriebs verringert. Neben der gewünschten Leistung sind es folglich die Verluste (und die zulässige Erwärmung) eines Elektromotors, welche seine Größe, das heißt dessen Abmessungen, bestimmen. Allgemein lassen sich die Verluste in materialabhängige Verluste (Kupferverluste, Eisenverluste) und materialunabhängige Verluste unterteilen, wobei letztere vornehmlich von der Konstruktion des Antriebs abhängen. So ist es beispielsweise notwendig, Reibungsverluste innerhalb des Antriebs möglichst gering zu halten.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden in der Vergangenheit unterschiedlichste Herstellungsverfahren entwickelt, die eine vergleichsweise im Durchschnitt dicke Spule mit hoher Packungsdichte bereitstellen sollten, damit ein damit bestückter Elektromotor eine vergleichsweise hohe Leistung abgeben kann.
So ist beispielsweise in der EP 0 849 857 A1 die Herstellung eines Stators beschrieben, bei der ein Stator aus einem Jochblechpaket (Rückschlussjoch zum Schließen des Magnetfelds am Stator) und mehreren Polen besteht, die aneinander gefügte Statornuten ergeben. Das Jochblechpaket ist durch einen Statorring gebildet. Die Pole bilden ein mit ihren Polschuhen zusammenhängendes Sternpaket, das im montierten Zustand von dem Statorring umfangen wird. Auf die radialen Vorsprünge des Sternpakets werden vorab extern gewickelte Spulen aufgesteckt und das vollständig bestückte Sternpaket wird in den Statorring eingeschoben. Danach werden die Nuträume unter Vakuum mit einem dafür geeigneten Harz ausgegossen und nach dem Aushärten des Harzes wird die Statorbohrung ausgedreht, bis einzelne voneinander separierte Polschuhe bestehen. Alternativ können auch einzelne Pole auf eine der Ständerbohrung des Stators angepasste Hilfskonstruktion gesetzt und mit Kunststoff ausgespritzt werden. Hierdurch wird ein Statorkörper gebildet, der anschließend ebenfalls mit vorgewickelten Spulen bestückt und in den Statorring eingeschoben werden kann.
Nachteilig bei beiden Varianten ist jedoch, dass zur Separierung der Pole aufwändige Verfahrensschritte notwendig sind, wie die Ausrichtung der einzelnen Pole oder die Nachbearbeitung der Statorbohrung.
Um diesen Verfahrensschritte einzusparen ist aus der EP 1 114 500 B1 ein Stator bekannt, bei dem das Sternpaket bereits Einzelpole aufweist, die nur durch stabilisierende Stege miteinander in Umfangsrichtung verbunden sind. Die Stege stabilisierend die Pole dauerhaft in ihrer Position. Nachdem das Sternpaket mit vorab gewickelten Spulen bestückt ist, wird das gesamte Blechpaket vergossen und/oder getränkt und danach in den Statorring eingesetzt.
Die vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren haben sich jedoch in der Praxis als vergleichsweise aufwändig und kostenintensiv gezeigt, weshalb erfindungsgemäß ein Herstellungsverfahren bereitgestellt werden soll, das die bekannten Vorteile mit sich bringt, jedoch eine vereinfachte Herstellung ermöglicht.
Demgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für einen Elektromotor zur Nutzung in einer angetriebenen Handwerkzeugmaschine vorgeschlagen, das die Schritte umfasst: Vorwickeln einer Spule auf einer Spulenform, Fixieren der Windungen der vorgewickelten Spule, Anlegen der vorgewickelten Spule an einen Statorkörper des Stators und Verpressen der vorgewickelten Spule an dem Statorkörper des Stators.
Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird somit die vorgewickelte Spule erst dann in ihre endgültige Form gebracht, wenn sie bereits an den Statorkörper des Stators angelegt ist. Auf diese Weise ist es möglich, vergleichsweise einfach und kostenarm eine Spule auf einer Spulenform vorzuwickeln und diese dann, um zu verhindern, dass diese auffächert oder aufspringt, ehe sie abschließend verpresst wurde, vorfixiert. Die vorgeformte und vorfixierte Spule wird dann an dem Statorkörper des Stators angelegt und abschließend in die gewünschte Form gepresst, wobei durch den abschließenden Schritt des Verpressens eine hohe Packungsdichte erreicht wird und zugleich eine große Menge an Spulendraht je Spule verwendet werden kann, ohne dass Probleme der Stabilität der Spule zu berücksichtigen sind, wie dies bei Lösungen aus dem Stand der Technik bislang der Fall war.
Wie nachfolgend näher erläutert wird, kann der Statorkörper eine spezifische Form aufweisen, die das Verpressen der vorgewickelten Spule bzw. Spulen an dem Statorkörper des Stators besonders einfach macht. Ein zeit- und kostenintensives Handeinlegen von vorgeformten Spulen, wie es ebenfalls im Stand der Technik bekannt war, wie auch das nachträgliche Zusammenfügen von separaten Teilen des Statorkörpers ist erfindungsgemäß nicht notwendig. Durch die vorliegende Erfindung wird somit das Verfahren zur Herstellung eines Stators gegenüber den bekannten Lösungen deutlich vereinfacht, ohne dass auf die in diesem Zusammenhang bekannten Vorteile verzichtet werden muss.
Selbstverständlich wird durch die nachfolgend geschilderte spezifische Ausgestaltung des Statorkörpers der Schritt des Verpressens besonders vereinfacht. Jedoch ist es alternativ auch möglich und denkbar, das vorliegende Verfahren im Zusammenhang mit bekannten Statorkörpern anzuwenden, da es auch bei diesen Varianten von Vorteil sein kann, die vorgeformte bzw. fertig gewickelte Spule zusätzlich an dem Statorkörper zu verpressen, um die Packungsdichte weiter zu erhöhen und die Formstabilität der Spule zu verbessern.
Der Schritt Fixieren der Windungen der vorgewickelten Spule kann ferner unter Verwendung eines zusätzlichen Fixiermittels bzw. eines Fixierers erfolgen, das bzw. der infolge einer Temperaturänderung oder Druckänderung verfestigt werden kann. So ist es denkbar, dass das Fixiermittel eine Beschichtung des Spulendrahts umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch das Fixiermittel oder der Fixierer ein separates Element oder Mittel zur elektrischen Isolation des Spulendrahts umfassen. So kann beispielsweise die Spule mit einer thermoplastischen Beschichtung versehen sein, die durch Temperatureinbringung angeschmolzen wird und nach Abkühlung wieder erstarrt. Die aneinander liegenden Windungen der Spule und somit auch die auf die Windungen aufgebrachte Beschichtung werden somit stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei im erstarrten Zustand des Fixierers bzw. des Fixiermittels noch immer eine Verformbarkeit der Spule gegeben ist.
Es ist auch denkbar, dass eine Beschichtung des Spulendrahts nur infolge eines einwirkenden Drucks beim Vorformen der Spule auf der Form geringfügig aufweicht und hierüber eine stoffschlüssige Fixierung der aneinander anliegenden Windungen der Spule ermöglicht. Weiterhin ist es jedoch auch denkbar, ein zusätzliches Element, beispielsweise ein Papier, eine Schnur, ein Tape oder dergleichen um die vorgewickelte Spule zu winden, damit diese hiervon in ihrer vorgeformten Form gehalten wird.
Unabhängig von der gewählten Ausgestaltung des Fixiermittels bzw. des Fixierers (allgemeiner: Fixierung) ist es weiterhin denkbar, dass die Fixierung auch die Funktion der elektrischen Isolation der Spule übernimmt. So kann als separates Element beispielsweise ein Isolierpapier oder Isoliertape zum Einsatz kommen. Alternativ ist es auch denkbar, eine Beschichtung so zu wählen, dass sie elektrisch isolierend wirkt.
Auch der Schritt Verpressen der vorgewickelten Spule an dem Statorkörper des Stators kann unter Zuhilfenahme einer Temperaturerhöhung erfolgen. So kann diese Temperaturerhöhung beispielsweise dazu genutzt werden, die bereits erfolgte Vorfixierung der Spule wieder geringfügig zu lösen, damit das abschließende Formen der Spule an dem Statorkörper durch Verpressen nicht durch die Fixierung behindert wird. Des Weiteren wird auch der Spulenkörper selbst, d. h. der Spulendraht, durch eine geringfügige Temperaturerhöhung leichter formbar, was sich wiederum vorteilhaft auf das Herstellungsverfahren auswirkt.
Eine Temperaturerhöhung des Spulendrahts kann einfach durch Anlegen eines elektrischen Stroms an der Spule erreicht werden.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass auf den Stator mit der vorgesehen Anzahl daran verpresster Spulen zum Verpressen der angelegten Spulen und/oder zur weiteren Fixierung der verpressten Spulen ein Statorring aufgeschoben wird. Optional umfängt der Statorring den Statorkörper mit den daran aufgenommenen und verpressten Spulen.
Bei einer Ausgestaltungsvariante, bei der der Statorring den Statorkörper mit den daran aufgenommenen und verpressten Spulen umfängt, sind die Spulen am Außenumfang des Statorkörpers angelegt und im vollständig montierten Zustand des Stators zwischen dem Statorkörper und dem Statorring gehalten. Hierdurch wird die Stabilität des Stators weiter erhöht und zugleich werden die Spulen fixiert und geschützt.
Bei einer möglichen Ausgestaltung übernimmt der Statorring jedoch nicht nur die Fixierung der Spulen an dem Statorkörper und eine zusätzliche Stabilisierung des Stators, sondern dient zugleich auch zum Verpressen bzw. Anpressen der vorgeformten Spulen an dem Statorkörper. Hierzu kann der Statorring eine entsprechende Konfiguration aufweisen, beispielsweise kann diese einen sich entlang seiner Längsachse (bezogen auf die Zylinderform des Statorrings) von den Stirnflächen nach innen verdickenden Querschnitt aufweisen, sodass in der Art einer Phase die Seitenkanten des Rings sich leichter auf die vorgeformten Spulen aufziehen lassen. Mit zunehmender Aufschiebebewegung nimmt auch der Anpressdruck, der von dem Statorring auf die Spulen ausgeübt wird zu. Andere herstellungstechnisch sinnvolle Konfigurationen des Statorrings sind jedoch ebenfalls denkbar, solange dieser seine Funktion, nämlich das Schließen des Magnetfelds (Rückschlussjoch).
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass auf den Stator mit der vorgesehenen Anzahl damit verpresster Spulen zur Verringerung von Hohlräumen ein Beschichtungsmittel aufgebracht wird. Dieses kann insbesondere ein Beschichtungsharz sein, das in einem Fertigungsschritt, beispielsweise nachdem die Spulen an dem Statorkörper verpresst worden sind und gegebenenfalls ein Statorring angebracht wurde, aufgebracht wird, indem der zusammengebaute Stator in einem Beschichtungsharz getränkt wird. Dieses Beschichtungsharz soll dazu dienen, alle verbliebenen Luftpolster, die die Leitfähigkeit der Statorspulen beeinträchtigen könnten, zu eliminieren. Hierdurch wird die Wärmeleitfähigkeit des Stators und damit die Wärmeabgabe an die vorbeiströmende Kühlluft verbessert.
Besonders vorteilhaft kommt dabei ein Harzmaterial zum Einsatz, das selbst gute Wärmeleiteigenschaften hat, um zusätzlich eine verbesserte Wärmeleitung bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich können auch Harzmaterialien verwendet werden, die andere vorteilhafte Eigenschaften mit sich bringen, wie beispielsweise elektrische Isolation oder dergleichen. Durch die Verwendung eines entsprechenden Beschichtungsmittels bzw. Beschichtungsharzes werden die an dem Statorkörper verpressten Spulen zusätzlich stabilisiert und es wird zu der formschlüssigen (durch das Verpressen der Spulen) Verbindung von Spulenkörper und Statorkörper eine stoffschlüssige Verbindung der beiden bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft neben einem Verfahren zur Herstellung eines Stators auch einen Stator für einen Elektromotor zur Nutzung in einer angetriebenen Handwerkzeugmaschine. Dieser umfasst einen Statorkörper und eine Anzahl vorgewickelter Spulen, die an den Statorkörper angelegt und damit verpresst sind, wobei der Statorkörper insbesondere einen im Wesentlichen im Querschnitt betrachtet sternförmigen Statorkern sowie ein den Statorkern teilweise umgebendes Gehäuse umfasst.
Die Besonderheit des vorliegenden Stators besteht gegenüber dem Stand der Technik insbesondere darin, dass die Statorspulen für ein besonders einfaches Herstellungsverfahren vorgewickelt wurden und als vorgeformte Spulen nicht aufwändig von Hand in einen vorgegebenen Spulenraum eingelegt werden müssen. Stattdessen werden sie an den Statorkörper angelegt und mit diesem verpresst, wodurch die Spulen ihre abschließende Form erhalten. Der Vorgang des Verpressens erhöht zum einen die Packungsdichte der Spulen, was sich vorteilhaft auf den Betrieb eines Elektromotors mit einem solchen Stator auswirkt. Zum anderen wird dadurch auch eine formschlüssige Verbindung von Statorkörper und Spulen erreicht und die Spulen somit an den Statorkörper angebracht und stabilisiert.
Dabei kann der im Querschnitt betrachtet sternförmige Statorkern mit seinen sich nach außen radial erstreckenden Vorsprüngen zur Schaffung einer Struktur dienen, an der die Spulen angelegt und verpresst werden können. Die Spulen werden bei einer solchen Gestaltungsvariante folglich nicht in einen vom Statorkörper umgebenen Innenraum eingelegt, sondern von außen auf die Außenumfangsfläche des Statorkörpers angelegt. Dieses ermöglicht ein einfaches Verpressen der Spulen an dem Statorkörper, indem eine Anordnung der Spulen gewählt wird, die eine vereinfachte Zugänglichkeit für die Presswerkzeuge ermöglicht.
Der Statorkern ist aus einem eisenhalten Werkstoff (Eisen) hergestellt und kann beispielsweise durch eine Vielzahl von ausgestanzten Blechen, die miteinander verbunden werden, beispielsweise indem sie vernietet oder verlötet werden, oder durch das Gießen oder Sintern von eisenhaltigen Materialien hergestellt sein.
Zur Stabilisierung des sternförmigen Statorkerns kann optional ein diesen teilweise umgebendes Gehäuse vorgesehen sein, sodass der Statorkörper ausreichend Gegendruck zum Verpressen der Statorspulen bereitstellen kann. Das Gehäuse kann auch dazu genutzt werden, im Falle eines Statorkerns, welcher aus einer Vielzahl von ausgestanzten Metallplättchen zusammengesetzt ist, diese miteinander sicher zu verbinden.
Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird somit durch die spezifische Ausgestaltung des Stators eine besonders einfache Herstellung desselben ermöglicht.
Das Statorkörper-Gehäuse kann zumindest teilweise durch Umspritzen des Statorkerns gebildet und mit diesem fest verbunden sein. Dabei kann zum Umspritzen beispielsweise ein Kunststoff verwendet werden, der das Statorkörper-Gehäuse bildet. Das Umspritzen des Statorkerns mit einem Werkstoff, der später das Statorkörper-Gehäuse bildet, ermöglicht wiederum ein besonders einfaches Herstellungsverfahren und eine sichere und feste Verbindung von Statorkern und Statorkörper-Gehäuse.
Wie bereits angedeutet, umfasst der Statorkern einen im wesentlichen hohlzylindrischen Grundkörper mit sich nach radial außen erstreckenden zahnförmigen Vorsprüngen, wobei an dem hohlzylindrischen Grundkörper Aussparungen vorgesehen sind, die zwischen den Vorsprüngen angeordnet sind. Nachdrücklich sei darauf hingewiesen, dass die Form eines Hohlzylinders nicht auf kreisförmige Querschnitte beschränkt ist und somit auch einen im wesentlichen sternförmigen Querschnitt umfasst.
Die sich nach radial außen erstreckenden zahnförmigen Vorsprünge des Statorkerns stellen eine Haltestruktur für die an den Statorkörper zu verpressenden Spulenkörper dar. Jeder der sich im Wesentlichen entlang der Längsachse des hohlzylindrischen Grundkörpers erstreckenden zahnförmigen Vorsprünge dient zur Aufnahme einer Spule, sodass bei einer elektrischen Magnetisierung des Stators an jedem der zahnförmigen Vorsprünge ein magnetischer Pol entsteht. Die Aussparungen an dem hohlzylindrischen Grundkörper dienen dazu, die magnetischen Pole des Statorkörpers weitestgehend voneinander elektrisch zu entkoppeln, und sind seitlich durch Stege oder dergleichen begrenzt. Somit sind die einzelnen Pole über diese Stege noch immer in Umfangsrichtung miteinander verbunden. Indem Aussparungen an dem Grundkörper vorgesehen sind, jedoch keine vollständige Trennung der Pole erfolgt, entsteht zwar weiterhin ein geringfügiger Kurzschluss zwischen den magnetischen Polen, dieser ist jedoch je nach Ausgestaltung und Dimensionierung der Aussparungen vergleichsweise klein und somit zu vernachlässigen. Folglich dienen die Aussparungen der Verringerung der Verlustleistung infolge eines Kurzschlusses der einzelnen magnetischen Pole des Stators.
Zudem dienen die Aussparungen, die nach dem Umspritzen des Statorkerns mit dem Gehäuse durch das Gehäusematerial geschlossen sein können, zur verbesserten Verbindung von Statorkern und dem zugehörigen Gehäuse des Statorkörpers.
Alternativ wäre es grundsätzlich auch denkbar, einen Statorkern mit mehreren Kernsegmenten vorzusehen, wobei jedem Segment beispielsweise ein zahnförmiger Vorsprung zugeordnet sein könnte. Die einzelnen Segmente könnten dann wiederum durch Umspritzen in dem Statorkörper-Gehäuse aufgenommen und fixiert werden. Jedoch ist bei der Herstellung darauf zu achten, dass die einzelnen Statorkernsegmente in einer vorgegebenen relativen Position zueinander angeordnet sind und in dieser Position gehalten werden bis der Gehäusewerkstoff sich verfestigt hat.
Weitere Aspekte der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung der Figuren und den Ansprüche zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben, wobei in den Figuren ein einziges Ausführungsbeispiel gezeigt sind, in dem einzelne Merkmale der Erfindung in Kombination miteinander gezeigt sind. Obwohl sich bei vielen Merkmalen Synergieeffekte mit weiteren Merkmalen der Erfindung einstellen, sind diese jedoch auch losgelöst voneinander zu betrachten und können von einem Fachmann selbstverständlich ohne weiteres isoliert voneinander oder in weiteren sinnvollen Unterkombination umgesetzt werden.
Es zeigen schematisch:
1 einen erfindungsgemäßen Stator in isometrischer Ansicht;
2/3 den Stator gemäß 1 in Seitenansicht;
2A den Stator in längsgeschnittener Darstellung gemäß der Linie A-A in 2;
3A den Stator in quergeschnittener Darstellung gemäß der Linie A-A in 3;
4 einen Statorkern des Stators gemäß 1 in isometrischer Darstellung;
5 ein Statorgehäuse des Stators gemäß 1 in isometrischer Darstellung;
6 einen Deckel des Stators gemäß 2 in isometrischer Darstellung;
6B den Deckel in Schnittansicht gemäß der Linie B-B der 6;
7 einen Elektromotor in isometrischer Darstellung ohne Deckel;
8 einen vollständig montierten Elektromotor in isometrischer Darstellung;
9 einen Rotor in isometrischer Ansicht; und
9A den Rotor in längsgeschnittener Darstellung gemäß der Linie A-A in der 9.
Der in den 1 bis 8 gezeigte Stator eines Elektromotors ist allgemein mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet. In den 7 und 8 erkennt man einen zugehörigen Elektromotor 10, der neben dem erfindungsgemäßen Stator 30 einen Rotor 20 umfasst, welcher zumindest teilweise im Inneren des Stators aufgenommen ist. Eine Rotorwelle 22 des Rotors 20, auf der der Läufer (nachfolgend auch als Rotorkörper bezeichnet) 26 des Rotors 20 drehfest angebracht ist, erstreckt sich mit ihren beiden Enden durch Ausnehmungen 52 und 58 des Stators 30. Wie nachfolgend näher erläutert wird, ist die Rotorwelle 22 drehbar gelagert und ermöglicht auf diese Weise eine Drehbewegung des Rotors 20 relativ zu dem Stator 30.
Bei dem gezeigten Elektromotor 10 handelt es sich um einen sogenannten bürstenlosen Elektromotor, der über die Zuleitung 12 mit elektrischer Leistung versorgt wird. Die nachfolgend erläuterten Vorteile des Stators 30 sind jedoch nicht auf bürstenlose Elektromotoren beschränkt, da ein entsprechend aufgebauter Stator auch bei anderen Arten von Elektromotoren zum Einsatz kommen kann.
Die 8 zeigt den vollständig montierten Elektromotor 10 mit einem abnehmbaren Statordeckel 60, auf den unter Bezugnahme auf die 6 und 6B nachfolgend näher eingegangen wird. In der 7 ist dieser Deckel 60 entfernt, wodurch ein Blick in das Innere des Stators 30 gewährt wird. Man erkennt, dass der Stator einen außen umlaufenden Statorring 32 (Rückschlussjoch) sowie einen darin aufgenommenen Statorkörper 36 umfasst, an dem die einzelnen Statorspulen 34 aufgenommen sind. Der innerhalb des Statorkörpers 36 angeordnete Rotor 20 weist an seinem Rotorkörper 26 zwei Stirnflächen 26a (von denen in 7 nur eine gezeigt ist) auf, und ist mit axial durchlaufenden Aufnahmeschlitzen 24 zur Aufnahme von Permanentmagneten 28 versehen (vgl. auch 9 und 9A).
Eine erste Besonderheit des gezeigten Elektromotors besteht in dem Herstellungsverfahren des Stators 30. Bei diesem wird der Statorkörper 36 mit vorgewickelten Spulen 34 bestückt, wobei die vorgewickelten Spulen 34 nicht nur auf einer separaten Form vorgewickelt werden, sondern auch mittels Isolierpapiers 34a oder Isoliertapes (nicht dargestellt) in der vorgewickelten Form vorfixiert werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Spulenwindungen auffächern, ehe die Spule 34 abschließend an dem Statorkörper 36 in ihre endgültige Form verpresst wird. Das Isolierpapier 34a oder Isoliertape erfüllt somit mehrere Funktionen, nämlich zum einen die Vorfixierung der vorgewickelten Spule 34 sowie im Betrieb das Sicherstellen der Isolierabstände zwischen der Spule 34 und den metallischen Teilen des Statorkörpers 36.
Die vorgewickelten und vorfixierten Spulen werden, nachdem die Spulen mit Isolierpapier umwickelt sind, auf die zahnförmigen Vorsprünge 44 (vgl. beispielsweise 4) des Statorkörpers 36 gelegt, die zwischen sich aneinander angrenzende Spulen Nuträume bilden (vgl. auch 3A und 7). In einem sich anschließenden Verfahrensschritt werden die angelegten Spulen 34 an dem Statorkörper 36 verpresst, wobei der Herstellungsschritt des Verpressens unter zusätzlicher Temperatureinwirkung erfolgen kann. Durch diesen Schritt des Verpressens wird zum einen die Packungsdichte der Spulen 34 erhöht und zum anderen dem Spulenkörper eine stabile Form gegeben. Durch die spezifische Ausgestaltung des Statorkörpers und das beschriebene Herstellungsverfahren ist es möglich, auf einfache Weise einen Stator bereitzustellen, bei dem vergleichsweise viel Kupfer in das Statoreisen eingebracht werden kann, was einen höheren Wirkungsgrad des Elektromotors ermöglicht.
Eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Elektromotors ist in der Ausgestaltung des Stators 30 selbst zu erkennen. Der bereits angesprochene Statorkörper 36 setzt sich nämlich aus mehreren Bauteilen zusammen. So umfasst dieser einen sternförmigen Statorkern 40 (vgl. 4), der zusätzlich von einem Kunststoffgehäuse 42 (vgl. 5) zumindest teilweise umgeben ist. Das Kunststoffgehäuse 42 wird durch Umspritzen des sternförmigen Statorkerns 40 mit einem geeigneten Kunststoff erzeugt.
Wie man in der 4 deutlich erkennen kann, umfasst der Statorkern 40 mehrere sich radial erstreckende zahnförmige Vorsprünge 44, die, wie bereits angesprochen, zwischen sich aneinander angrenzende Spulen Nuträume zur Aufnahme der Statorspulen 34 begrenzen. Im montierten Zustand des Stators 30 bildet sich an jedem der zahnförmigen Vorsprünge 44 bei Bestromung der zugehörigen Spule 34 ein magnetischer Pol aus, wobei zur Erzeugung des gewünschten Magnetfelds die zahnförmigen Vorsprünge 44 in elektrischen Kontakt mit dem diese umgebenden Statorring 32 stehen (vgl. beispielsweise 3A, 7 und 8). Zwischen den zahnförmigen Vorsprüngen 44 sind schlitzförmige Ausnehmungen 46 an dem hohlzylindrischen Grundkörper des Statorkerns 40 vorgesehen. Über diese sollen die einzelnen magnetischen Pole weitestgehend entkoppelt werden, wobei die zwischen den Ausnehmungen gebildeten Stege 46a und die an den Stirnflächen ausgebildeten Abschlüsse 46b der Stabilisierung des Statorkerns 40 sowohl während der Herstellung als auch im nachfolgenden Betrieb dienen. Der durch diese hervorgerufene geringfügige Kurzschluss der magnetischen Pole 44 ist aufgrund des geringen Volumenanteils der Verbindungsabschnitte 46a und 46b ist in der Praxis zu vernachlässigen.
Weiterhin weisen die zahnförmigen Vorsprünge 44 Durchgangsöffnungen 48 auf, die, wie man an der 5 erkennen kann, später von dem Gehäuse 42 hintergriffen sind (Bezugszeichen 58b in 5).
Das Kunststoffgehäuse 42 ist im umspritzten Zustand ebenfalls im wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet und umfasst an einer Seite einen einteilig mit diesem ausgebildeten Deckel 50 (vgl. beispielsweise 2A). Weiterhin erkennt man in der 5 die jeweilige Gegenkontur zu dem Statorkern 40, insbesondere die Ausnehmungen 52, die Vorsprünge 56a sowie die Vorsprünge 58b.
Der Statorkörper 36 und damit auch dessen Bestandteile Statorkern 40 und das Gehäuse 42 weisen in üblicher Weise eine zentrale Ausnehmung 12 auf, die zur Aufnahme des Rotors 20 dient. Weiterhin ist eine Ausnehmung an dem gehäuseintegralen Deckel 50 (Bezugszeichen 52 in der 8) vorgesehen, durch die sich die Rotorwelle 22 erstrecken kann. Wie in der 2A zu erkennen ist, ist in dem Gehäusedeckel 50 zudem ein Lager 54 (hier als Kugellager ausgebildet) aufgenommen, das zur drehbaren Lagerung der Rotorwelle 22 dient. In vorteilhafter Weise wird das Lager 54 ebenfalls einfach durch Umspritzen in dem Gehäusedeckel 50 des Gehäuses 42 integral aufgenommen. Die Rotorwelle 22 kann bei der Montage einfach axial in die Lageröffnung eingeschoben werden. Eine zusätzliche Lagerschulter 22a begrenzt die axiale Wanderbewegung der Rotorwelle 22 relativ zu dem Lager 54 auf Bewegungen zum Toleranzausgleich. Im Wesentlichen liegt auf Seiten des Lagers 54 eine Loslagerung vor.
Im Bereich der anderen Stirnseite des hohlzylinderförmigen Gehäusekörpers 42 ist eine Ausnehmung 58 vorgesehen, durch die bei der Montage des Elektromotors 10 der Rotor 20 in das Statorinnere eingeführt werden kann. Diese Ausnehmung 58 wird abschließend mit einem separat ausgebildeten Gehäusedeckel 60 geschlossen, der in den 6 und 6B detaillierter gezeigt ist.
Im Bereich der Ausnehmung 58 bildet das Gehäuse einen Kragen mit einer vorgesehenen Klebenut 58a und einer zusätzlichen Aussparung 58c aus, durch welche sich im montierten Zustand des Deckels 60 die Stromleitung 12 erstrecken kann.
Durch die besondere Gestaltung des Stators mit einem verschließbaren Statorkörper kann im montierten Zustand des Elektromotors 10 eine staubdichte Abkapselung des Rotors 20 im Inneren des Stators 30 erreicht werden.
So sind auch an dem separaten Deckel 60 eine zentrale Ausnehmung 64 sowie ein integral aufgenommenes Lager 66 vorgesehen, durch welche die Rotorwelle 22 drehbar gelagert an dem Deckel aufgenommen ist und sich durch diesen nach außen erstrecken kann. Die Rotorwelle 22 kann insbesondere in das Lager 66 (das ebenfalls als Kugellager ausgebildet sein kann) eingepresst sein, wodurch zum einen ein Festlager der Rotorwelle 22 auf Seite des separat ausgebildeten Deckels 60 erreicht wird und zum anderen eine hohe Dichtigkeit gewährleistet sein kann.
Der Deckel 60 kann durch eine Verklebung stoffschlüssig mit dem restlichen Statorkörper 36, insbesondere mit dem Gehäuse 42 im Bereich von dessen Kragen verbunden sein. Hierzu wird Klebstoff in die vorgesehene Nut 58a eingebracht und der Deckel 60 aufgedrückt. Die Klebstoffnut 58a ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Klebstoffs und somit eine zuverlässige Abdichtung.
Auf beiden Seiten des Statorkörpers 36 ist dieser somit über Deckel 50 und 60 staubdicht verschlossen. Auch die Mantelfläche des Statorkörpers 36 ist durch das Vorsehen des Kunststoffgehäuses 42, das stoff- und formschlüssig mit dem Statorkern 40 verbunden ist, luftdicht ausgebildet. Auf diese Weise wird die vorstehend angesprochene Kapselung des Rotors 20 mit Hilfe des Stators 30 ermöglicht.
Die gesamte Luftkühlung des Motors 10 erfolgt über die Außenseite des Stators 30, d. h. über die an der Außenseite des Statorkörpers 36 angebrachten Spulen 34 und den Statorring 32. Diese äußere Wärmeableitung und somit Kühlung des Elektromotors 10 kann dadurch verbessert werden, dass der gesamte Stator 30 vor Montage des Rotors 20 und des Deckels 60 in ein wärmeleitfähiges Harz getränkt wird, wodurch möglicher Weise bestehende Luftpolster im Bereich der Spulen 34 geschlossen werden und die Wärmeleitfähigkeit nach außen verbessert wird.
Eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Elektromotors ist in der spezifischen Ausgestaltung des separat ausgebildeten Statordeckels 60 zu erkennen. So dient dieser nicht nur zur Abkapselung des in dem Statorkörper 36 aufgenommenen Rotors 20, sondern, wie bereits beschrieben auch der Lagerung der Rotorwelle 22 mit Hilfe des Lagers 66. Darüber hinaus erkennt man in der 6 jedoch auch, dass der Deckel 60 elektronische Komponenten 70, 72 und die Kontaktierung der Spulen 62 trägt. Dies bringt mehrere Vorteile mit sich. So kann je nach Ausgestaltung der an dem Deckel 60 angebrachten Elemente 62 zur Kontaktierung der Spulen und der zugehörigen vorgesehenen Schalttopologie durch den Wechsel eines Deckels die Charakteristik des Stators verändert werden, ohne die restlichen Bauteile des Stators nennenswert zu verändern (Gleichteilestrategie).
Weiterhin ist es möglich, anders als bei der bekannten Verwendung von separaten Platinen, eine vergleichsweise dicke Kupferschicht in Form der vorgesehenen Kupferschiene 70 zur Stromleitung bereit zu stellen, wodurch der Elektromotor auch im Bereich der Spulenverschaltung vergleichsweise niederohmig gehalten wird.
Schließlich können neben den Elektronik-Komponenten 72 auch Sensoren 74, insbesondere Hall-Sensoren an dem Deckel 60 vorgesehen sein, mit denen eine Positionserkennung des Rotors 22 ermöglicht wird.
Die Funktionsvereinigung der Funktionen der Kapselung des Rotors, Kontaktierung der Spulen, Lagerung der Rotors, Bereitstellung von Elektronik und Sensorik in einem einzigen Bauteil, nämlich in Form des Deckels 60 ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Elektromotors.
Eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Elektromotors 10 ist in der Ausgestaltung des Rotors 20 zu sehen. Dieser umfasst eine Rotorwelle 22 sowie einen damit drehfest verbundenen Rotorkörper 26 (Läufer), der in üblicher Weise axial verlaufende Aufnahmeschlitze 24 aufweist, die zur Aufnahme von Permanentmagneten 28 ausgebildet sind.
Anders als im Stand der Technik sind jedoch die Permanentmagneten 28 in ihrer axialen Erstreckung kürzer als die Aufnahmeschlitze 24 und werden derart angeordnet, dass sie zumindest bezüglich einer Stirnfläche, bevorzugt aber bezüglich beider Stirnflächen 26a axial nach innen versetzt angeordnet sind (vgl. 9A). Hierdurch entsteht ein axialer Abstand d₁ bzw. d₂, der mehrere Vorteile bringt. Zum einen können die Hall-Sensoren axial näher an die Stirnflächen 26a des Rotorkörpers 26 gebracht werden, da durch den axialen Abstand (d₁ bzw. d₂) der Permanentmagneten zu der benachbarten Stirnfläche 26a auch das aktive Feld des Rotors axial beabstandet zu den Stirnflächen 26a des Rotorkörpers 26 ist. Hierdurch werden störende Streuungen, die durch das aktive Feld des Rotors bei der Positionserkennung mit Hilfe eines Hall-Sensors auftreten, vermieden, sodass die verwendete Positionssensorik, insbesondere die Hall-Sensoren, das aktive Feld des Rotors zur Positionserkennung nutzen können.
Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik bekannt, den Rotor zur Vermeidung von Unwuchten abschließend zu wuchten. Während im Stand der Technik hierfür in der Regel separate Wuchtscheiben verwendet werden, aus denen Löcher zum Wuchten gebohrt werden müssen (negatives Wuchten), ist es vorliegend möglich, die frei bleibenden Abschnitte der Ausnehmungen 24 zur Aufnahme von Wuchtkitt zu nutzen (positives Wuchten). Insgesamt kann also auch über die Maßnahme der benötigte Bauraum des Motors 10 verringert werden und durch Reduzierung der verwendeten Bauteile die Herstellungs- und Montagekosten gesenkt werden.
Die vorstehend beschriebenen einzelnen Besonderheiten des Elektromotors 10 wirken zwar vorteilhaft zusammen, können jedoch auch jeder für sich in bekannte Elektromotoranordnungen integriert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0115314 A1 [0005]
DE 102011088531 A1 [0006]
EP 0849857 A1 [0013]
EP 1114500 B1 [0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Stators (30) für einen Elektromotor (10) zur Nutzung in einer angetrieben Handwerkzeugmaschine, umfassend die Schritte: Vorwickeln einer Spule (34) auf einer Spulenform; Fixieren der Windungen der vorgewickelten Spule (34); Anlegen der vorgewickelten Spule (34) an einen Statorkörper (36) des Stators (30); und Verpressen der vorgewickelten Spule (34) an dem Statorkörper (36) des Stators (30).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt Fixieren der Windungen der vorgewickelten Spule (34) unter Verwendung eines zusätzlichen Fixiermittels erfolgt, das infolge einer Temperaturänderung oder Druckänderung verfestigt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Fixiermittel eine Beschichtung des Spulendrahtes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Fixiermittel ein separates Element oder Mittel zur elektrischen Isolation (34a) des Spulendrahtes umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt Verpressen der vorgewickelten Spule (34) an dem Statorkörper (36) des Stators (30) unter Zuhilfenahme einer Temperaturerhöhung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf den Stator (30) mit der vorgesehenen Anzahl daran verpresster Spulen (34) zur Verpressen der angelegten Spulen (34) und/oder zur weiteren Fixierung der verpressten Spulen ein Statorring (32) aufgeschoben wird, der den Statorkörper (36) mit den daran aufgenommenen und verpressten Spulen (34) optional umfängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf den Stator mit der vorgesehenen Anzahl damit verpresster Spulen zur Verringerung von Hohlräumen ein Beschichtungsmittel aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Beschichtungsmittel ein Harz ist, das bevorzugt wärmeleitende Eigenschaften aufweist.
Stator (30) für einen Elektromotor (10) zur Nutzung in einer angetrieben Handwerkzeugmaschine umfassend einen Statorkörper (36) und eine Anzahl vorgewickelter Spulen (34), die an den Statorkörper (36) angelegt und damit verpresst sind, wobei der Statorkörper (36) optional einen im Wesentlichen im Querschnitt betrachtet sternförmigen Statorkern (40) sowie ein diesen teilweise umgebendes Gehäuse (42) umfasst.
Stator (30) nach Anspruch 9, wobei das Statorkörper-Gehäuse (42) zumindest teilweise durch Umspritzen des Statorkerns (40) gebildet und mit diesem fest verbunden ist.
Stator (30) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Statorkern (40) einen im wesentlichen hohlzylindrischen Grundkörper mit sich nach radial außen erstreckenden zahnförmigen Vorsprüngen (44) umfasst, wobei an dem hohlzylindrischen Grundkörper Aussparungen (46) vorgesehen sind, die zwischen den Vorsprüngen (44) angeordnet sind.
Elektromotor (10) mit einem Stator (30), der gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wurde.