DE102015110624A1

DE102015110624A1 - Stator für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE102015110624A1
Application number: DE102015110624.8A
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 einen Stator (30) für einen Elektromotor (10) zur Nutzung in einer angetrieben Handwerkzeugmaschine umfassend einen Statorkörper (36), der im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist und im montierten Zustand an jeder seiner Stirnseiten mit einem Deckel (50, 60) abgeschlossen ist, so dass er im montierten Zustand einen staubdichten Innenraum begrenzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für einen Elektromotor zur Nutzung in einer angetriebenen Handwerkzeugmaschine sowie einen Elektromotor mit einem entsprechenden Stator.
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 stabilisieren 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. Weiterhin ist auch das Problem eines sich festsetzenden Rotors in der Praxis nicht zufriedenstellend gelöst, weshalb erfindungsgemäß ein Stator, ein Elektromotor mit einem solchen Stator und ein Herstellungsverfahren hierfür vorgeschlagen wird, der bzw. das eine vereinfachte Herstellung ermöglicht und zugleich die bekannten Probleme in Zusammenhang mit der Luftkühlung des Motors verringert.
Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt einen Stator für einen Elektromotor zur Nutzung in einer angetriebenen Handwerkzeugmaschine. Dieser umfasst einen Statorkörper, der im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist und im montierten Zustand an jeder seiner Stirnseiten mit einem Deckel abgeschlossen ist, so dass der Statorkörper im montierten Zustand einen staubdichten Innenraum begrenzt.
Nachdrücklich sei darauf hingewiesen, dass die Form eines Hohlzylinders nicht auf kreisförmige Querschnitte beschränkt ist und somit auch einen im wesentlichen sternförmigen Querschnitt umfasst.
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.
Unabhängig von der weiteren Ausgestaltung des Statorkörpers, beispielsweise mit einem sternförmigen Statorkern sowie mit einem diesen teilweise umgebenden Gehäuse, ist der Statorkörper im wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet und umfasst zwei Deckel, die den Statorkörper stirnseitig abzuschließen vermögen. Durch eine solche Ausgestaltung ist es möglich, den Stator in der Art eines Gehäuses zu gestalten, innerhalb dessen der Rotor aufgenommen sein kann. Der Rotor eines Elektromotors, welcher mit einem solchen Stator ausgestattet ist, wird durch den Aufbau des Stators quasi abgekapselt und auf diese Weise vor den schädlichen Einflüssen von Staub, Schmutz- und Metallpartikeln geschützt. Insbesondere wird dadurch erreicht, dass keine ablagerungsbedingten Reibungsverluste und insbesondere auch kein Festsetzen des Rotors infolge von Staubablagerungen im Inneren des Stators auftreten können.
Dabei kann wenigstens einer der Deckel als separates Bauteil ausgebildet und damit abnehmbar sein. Diese Ausgestaltung dient insbesondere einer vereinfachten Montage eines Rotors des Elektromotors im Inneren des Statorkörpers. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Stators wird der Rotor staubdicht innerhalb des Stators aufgenommen und somit von der Kühlluft und den darin enthaltenen Staubpartikeln abgekapselt. Hierdurch kann wirksam vermieden werden, dass sich Anlagerungen von Staubpartikeln innerhalb des Stators bilden, die zu einem Blockieren des Rotors führen. Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird somit durch die spezifische Ausgestaltung des Stators eine besonders einfache Herstellung desselben ermöglicht und zugleich der im Zusammenhang mit der Luftkühlung des Elektromotors auftretende Nachteil von Staubablagerungen zwischen Stator und Rotor wirksame vermieden.
Der Statorkörper kann insbesondere einen im Querschnitt betrachtet sternförmigen Statorkern sowie ein diesen zumindest teilweise umgebendes Gehäuse umfassen.
Die sternförmige Ausgestaltung definiert mehrere Pole, die in Umfangsrichtung miteinander verbunden sind, und ermöglicht auf diese Weise eine einfache Herstellung des Stators.
Das den Statorkern zumindest teilweise umgebende Gehäuse erhöht zudem die Stabilität des Statorkörpers und erleichtert zum anderen die Ausbildung eines staubdichten Innenraums, der durch den montierten Statorkörper definiert wird. Das Gehäuse kann auch dazu genutzt werden, im Falle eines Statorkerns, welcher aus einer Vielzahl von ausgestanzten Metallblechen zusammengesetzt ist, diese miteinander sicher zu verbinden.
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, kann der Statorkörper einen Statorkern mit im wesentlichen hohlzylindrischen Grundkörper und sich nach radial außen erstreckenden zahnförmigen Vorsprüngen umfassen, wobei an dem hohlzylindrischen Grundkörper Aussparungen vorgesehen sind, die zwischen den Vorsprüngen angeordnet sind.
Die sich nach radial außen erstreckenden zahnförmigen Vorsprünge des Statorkerns stellen eine Haltestruktur für die an dem Statorkörper aufzunehmenden Spulenkörper dar und definieren zwischen sich aneinandergefügten Spulennuten. 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. Die Aussparungen sind seitlich begrenzt, so dass keine vollständige Trennung der Statorpole besteht. Die Pole sind über Stege oder dergleichen, die die Aussparungen seitlich begrenzen, weiterhin in Umfangsrichtung verbunden. Durch diese Verbindungsstege besteht 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 mit 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.
Für eine vereinfachte Montage und Herstellung kann es vorteilhaft sein, wenn einer der Deckel einteilig mit dem Statorkörper ausgebildet ist. So ist es beispielsweise denkbar, bei einer Ausgestaltungsvariante des Stators, bei der ein Statorkern mit einem umspritzten Gehäuse vorgesehen ist, dass einer der Deckel als integraler Bestandteil des Gehäuses ausgebildet ist. Alternativ ist es jedoch ebenfalls denkbar, bei einer Gestaltungsvariante, bei der der Statorkörper beispielsweise durch eine Vielzahl von ausgestanzten Metallplatten zusammengesetzt ist, endseitig eine Reihe von Platten vorzusehen, die gemeinsam einen integralen Deckel ausbilden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Deckel des Stators eine Ausnehmung aufweisen, durch die sich im montierten Zustand des Elektromotors eine Rotorwelle hindurch erstreckt. Insbesondere kann einer der Deckel ferner ein Lager zur Lagerung der Rotorwelle eines im montierten Zustand des Elektromotors aufgenommenen Rotors umfassen. Dabei ist es denkbar, das Lager bei dem integral ausgebildeten Deckel und/oder bei dem separat ausgebildeten Deckel des Stators vorzusehen. Für eine vereinfachte Herstellung kann es sinnvoll sein, das Lager durch Umspritzen an einem der Deckel vorzusehen. Dementsprechend kann es zweckmäßig sein, das Lager bei einer Ausgestaltungsvariante, bei der der integral ausgebildete Deckel Teil des umspritzten Statorkörper-Gehäuses ist, an diesem vorzusehen. Alternativ kann das Lager aber ebenso vorteilhaft in den separat ausgebildeten Deckel integriert sein und somit eine Vormontage von Rotorwelle und Deckel ermöglichen.
Ein solches an einem der Deckel aufgenommenes Lager ist im zusammengebauten Zustand des Elektromotors axial bezogen auf die Motorlängsachse festgelegt. Die Rotorwelle kann ferner in das Lager eingepresst sein, so dass dieses ein Festlager für die Rotorwelle bildet.
Zur Lagerung der Rotorwelle kann zudem ein Loslager vorgesehen sein, das axial auf der Rotorwelle verschiebbar angeordnet ist. Das Loslager kann ebenfalls an einem der Deckel aufgenommen sein.
Eine Ausgestaltungsvariante mit einem Festlager und einem Loslager hat zwei Vorteile: Zum einen wird ein gewisser Toleranzausgleich geschaffen, da das Loslager Fertigungstoleranzen in axialer Richtung auszugleichen vermag. Des Weiteren ermöglicht die vorstehend beschriebene Festlagerung, dass der zugehörige Elektromotor auch in Maschinen mit einem schlagenden Betrieb beispielsweise in einer Schlagbohrmaschine aufgenommen sein kann. Die einseitige Festlagerung der Rotorwelle stellt sicher, dass die Rotorwelle auch im Schlagbohrbetrieb eine definierte axiale Stellung relativ zum Stator hat, wodurch Vibrationen des Motors verringert werden.
Als Festlager kann insbesondere ein Kugellager verwendet werden, das eine Überdeckung mit der Rotorwelle hat (d. h. die Rotorwelle wird in das Kugellager eingepresst). Auch das Loslager kann als Kugellager ausgebildet sein. Weiterhin kann die Rotorwelle über korrespondierende Lagerschultern verfügen, die die Axialbewegung des Loslagers begrenzen, so dass dessen „Wanderbewegung” in axialer Richtung auf einen Toleranzausgleich beschränkt ist.
Unabhängig von der Lagerung der Rotorwelle kann weiterhin vorgesehen sein, dass einer der Deckel elektronische Komponenten zur Kontaktierung der Statorspulen umfasst. Demgemäß ist an dem entsprechenden Deckel die Verschaltung der Statorspulen aufgenommen, sodass der Deckel die konkrete Verbindungstopologie des Stators trägt. Ist der separat ausgebildete Deckel mit den elektronischen Komponenten zur Kontaktierung der Statorspulen versehen, so ist es denkbar, durch den Austausch eines Deckels auch die Schalttopologie des Stators zu verändern. So kann ein erster Deckel mit einer Dreieckschaltung versehen sein und ein Austauschdeckel mit einer Sternschaltung. Mit einer Veränderung der Schalttopologie werden die Grundeigenschaften des Stators trotz gleichbleibendem restlichen Statoraufbau deutlich verändert, so dass es möglich ist, für unterschiedliche Statoren (mit unterschiedlicher Schalttopolgie) eine Vielzahl der Statorbauteile gleich zu bauen, wodurch die Entwicklungs- und Herstellungskosten weiter gesenkt werden können (Gleichteilestrategie).
Ein weiterer Vorteil, neben der Möglichkeit der Austauschbarkeit der Schalttopologie, ergibt sich unabhängig davon, ob der separate Deckel oder der einteilig ausgebildete Deckel die elektronischen Komponenten trägt, daraus, dass der Deckel insgesamt einen vergleichsweise geringen Bauraum im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen mit einer separat ausgebildeten Platine einnimmt, die axial beabstandet zu dem Stator angebracht ist. Aus diesem Grund ist es möglich, den Deckel in seiner Dicke, d. h. in der Erstreckung entlang der Längsachse des Stators größer zu dimensionieren. Weiterhin ist bei einer Leiterplatine die Kupferschichtdicke vorgegeben, d. h. die Kupferstärke limitiert. Leiterplatinen weisen in der Regel eine vergleichsweise dünne Kupferschicht auf, wodurch der Elektromotor vergleichsweise höherohmig wird und größere Wärmeverluste hat. Um diese Wärmeverluste zu verringern und den Wirkungsgrad des Motors zu verbessern, ist es wünschenswert auch den Bereich der Spulenverschaltung mit mehr Kupfer zu versehen, als übliche Lösungen, d. h. den Widerstand der Verschaltung der Spulen deutlich zu verringern. Dies kann bei der erfindungsgemäßen Lösung dadurch erreicht werden, dass wenigstens eine massive Kupferschiene an einem der Deckel angebracht wird, da der Deckel anders als übliche Leiterplatinen nicht an eine vorgegebene Kupferstärke gebunden ist.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass einer der Deckel ferner elektronische Komponenten zur Positionserkennung eines im montierten Zustand des Elektromotors aufgenommenen Rotors umfasst.
Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, zur Detektierung der Position eines Rotors Hall-Sensoren einzusetzen. Diese nutzen das Magnetfeld eines separat an dem Stator aufgebrachten Magneten zur Positionserkennung. Üblicherweise sind derartige Sensoren beispielsweise an einer zusätzlichen Platine des Elektromotors angebracht. Im Unterschied hierzu kann einer der Deckel bei der vorliegenden Weiterentwicklung sensorische Komponenten umfassen, wie beispielsweise Hall Sensoren.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer der Deckel im zusammengebauten Zustand des Elektromotors mit dem Statorkörper stoffschlüssig, insbesondere unter Verwendung eines Klebstoffs verbunden ist.
Durch Vorsehen einer Verklebung von wenigstens einem der (separat vom Statorkörper ausgebildeten) Deckel an dem Statorkörper wird eine staubdichte Verbindung der Bauteile des Stators geschaffen, die im Falle eines notwendigen Austauschs des Rotors oder dergleichen lösbar ist. Zum definierten Klebstoffauftrag kann der Statorkörper, insbesondere das Statorkörpergehäuse, eine oder mehrere Klebstofffugen aufweisen, in die der Klebstoff eingebracht werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Elektromotor mit einem Stator mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen gemäß Anspruch 13.
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 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 können, 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

Stator (30) für einen Elektromotor (10) zur Nutzung in einer angetrieben Handwerkzeugmaschine umfassend einen Statorkörper (36), der im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist und im montierten Zustand an jeder seiner Stirnseiten mit einem Deckel (50, 60) abgeschlossen ist, so dass er im montierten Zustand einen staubdichten Innenraum begrenzt.
Stator (30) nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der Deckel (60) durch ein separates Bauteil gebildet ist, das im montierten Zustand mit dem Statorkörper (36) verbunden ist.
Stator (30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Statorkörper (36) einen im Wesentlichen im Querschnitt betrachtet sternförmigen Statorkern (40) sowie ein diesen teilweise umgebendes Gehäuse (42) umfasst.
Stator (30) nach Anspruch 3, wobei das Statorkörper-Gehäuse (42) zumindest teilweise durch Umspritzen des Statorkerns (40) gebildet und mit diesem fest verbunden ist.
Stator (30) nach Anspruch 3 oder 4, 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.
Stator (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Deckel (50) einteilig mit dem Statorkörper (36) ausgebildet ist.
Stator (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Deckel (50, 60) ferner eine Ausnehmung (52, 64) aufweisen, durch die sich im montierten Zustand des Elektromotors (10) eine Rotorwelle (22) hindurch zu erstrecken vermag.
Stator (30) nach Anspruch 7, wobei wenigstens einer der Deckel (50, 60) ferner ein Lager zur Lagerung der Rotorwelle (22) eines im montierten Zustand des Elektromotors (10) aufgenommenen Rotors (20) umfasst.
Stator (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Deckel (60) ferner elektronische Komponenten (62) zur Kontaktierung der Statorspulen (34) umfasst.
Stator (30) nach Anspruch 7, wobei der wenigstens eine Deckel (60) ferner wenigstens eine massive Kupferschiene (70) zur Kontaktierung der Statorspulen (34) umfasst.
Stator (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Deckel (60) ferner sensorische Komponenten (74) zur Positionserkennung eines im montierten Zustand des Elektromotors (10) aufgenommenen Rotors (20) umfasst.
Stator (30) einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei der wenigstens eine separat ausgebildete Deckel (60) im montierten Zustand stoffschlüssig mit dem Statorkörper (36) verbunden ist.
Elektromotor (10) zur Nutzung in einer angetrieben Handwerkzeugmaschine, der einen Stator (30) mit den Eigenschaften gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 sowie einen Rotor (20) umfasst, dessen Rotorkörper (26) im montierten Zustand innerhalb des Statorkörpers (36) staubdicht aufgenommen ist.