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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors sowie einen Stator für einen Elektromotor.
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Es ist bekannt, den Stator eines Elektromotors auszubilden, indem ausgestanzte Statorbleche axial gestapelt werden. Für die magnetische Flussaufnahme sind Polschuhe an dem Statorzähnen ausgebildet. Die Statorzähne und die Polschuhe werden gebildet, indem beim Ausstanzen der einzelnen Statorbleche entsprechend geformte Statornuten ausgebildet werden.
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Insbesondere bei kleinen Elektromotoren, z.B. mit einem Rotoraußendurchmesser von kleiner als 30 mm, ist es auch bekannt, den Statorkörper aus einer gesinterten weichmagnetischen Materialzusammensetzung herzustellen. Dabei werden die Statornuten mit einem verhältnismäßig großen Abrundungsradius an den Übergängen zwischen den Statorzähnen und dem Statorjoch und/oder den Polschuhen gebildet, um Probleme beim Lösen des Statorkörpers aus der Form zu vermeiden und die Bildung von Scherkräften gering zu halten. Dadurch wird der Füllfaktor des Stators, d.h. der für die Statorwicklungen ausnutzbare Raum, und somit die Wicklungsdichte in den Statornuten verringert. Dies resultiert in einer Verminderung der Leistungsfähigkeit des Elektromotors.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Herstellung von Elektromotoren zu erleichtern.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren werden ein Statorjoch mit N Statorzähnen und ein zylindrischer Ringkörper bereitgestellt, wobei N die Anzahl der Statorzähne angibt. Der Ringkörper ist in Umfangsrichtung in N erste Abschnitte und N zweite Abschnitte unterteilt. Die ersten Abschnitte und die zweiten Abschnitte sind in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet. Zur Herstellung des Ringkörpers werden die ersten Abschnitte mit einem magnetisierbaren Material, und die zweiten Abschnitte mit einem nicht magnetisierbaren Material gefüllt. Der Ringkörper wird derart angeordnet, dass die ersten Abschnitte des zylindrischen Ringkörpers jeweils einem Statorzahn gegenüberliegen. Die ersten Abschnitte werden an den Statorzähnen befestigt.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren werden der zylindrische Ringkörper und ein Statorkörper, der das Statorjoch und die Statorzähne umfasst, separat voneinander ausgebildet und miteinander verbunden. Insbesondere werden die Polschuhe separat von dem Statorkörper bereitgestellt und an ihm befestigt. Die Statorzähne können mit Statorwicklungen versehen werden, bevor die Polschuhe an den Statorkörper angebracht werden. Die Statorwicklungen können z.B. auf einem Spulenträger auf den jeweiligen Statorzahn aufgebracht werden. Somit wird das Bereitstellen der Statorwicklungen gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren vereinfacht, bei welchen der Spulendraht hinter die einzelnen Polschuhe geführt werden muss.
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Das magnetisierbare Material, mit welchem die ersten Abschnitte des Ringkörpers gefüllt werden, kann ein weichmagnetisches Material in Pulverform, oder eine Mischung aus einem weichmagnetischen Material in Pulverform und einem Kunststoff, umfassen. Beispielsweise umfasst die Mischung Eisenpartikel in Pulverform, die mit Kunststoff beschichtet sind. Die Beimischung von Kunststoff zu dem weichmagnetischen Material dient der Unterdrückung der Erregung von Wirbelströmen. Insbesondere führt die Kunststoffbeschichtung zu einer Oberflächenisolation der Partikel des weichmagnetischen Materials. Vorteilhaft sind weichmagnetische Materialien, die eine hohe Eisensättigungsdichte, niedrige Wirbelstromverluste insbesondere bei hohen Frequenzen und eine hohe Festigkeit aufweisen. Beispielsweise umfasst das magnetisierbare Material das Material Somaloy® der Firma Höganäs, Schweden, das Eisenkörner in Pulverform umfasst, deren Oberfläche mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet ist. Das Somaloy kann unter Druck und mit oder ohne Hitze in die gewünschte Form kompaktiert werden.
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Die ersten Abschnitte des Ringkörpers werden an den Statorzähnen des Stators befestigt und bilden die Polschuhe des Stators zur Aufnahme und Weiterleitung des magnetischen Flusses. Das weichmagnetische Material kann ein ferromagnetisches Material sein. Beispielsweise umfasst das weichmagnetische Material Eisen, Stahl, Siliziumstahl, Nickel-, Kobalt- und/oder Eisen-haltige Legierungen, Eisen-Phosphor-Legierungen, Eisen-Silizium-Legierungen und/oder Ferrite.
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Zur Herstellung des zylindrischen Ringkörpers wird beispielsweise eine Form bereitgestellt, die erste Formabschnitte entsprechend den ersten Abschnitten des Ringkörpers aufweist. Das weichmagnetische Material oder die Mischung wird in den ersten Abschnitten des Ringkörpers entsprechend kompaktiert, indem sie beispielsweise in die ersten Formabschnitte gepresst werden, um die ersten Abschnitte des zylindrischen Ringkörpers auszubilden. Das Material oder die Mischung, die kompaktiert sind, können ferner gesintert werden, um die ersten Abschnitte des Ringkörpers auszubilden. Das Material oder die Mischung, die in die ersten Formabschnitte gepresst werden, können Partikel umfassen, die unter Hitze an der Oberfläche aufschmelzen und während eines Kühlvorgangs mit benachbarten Partikel verschmelzen.
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Beispielsweise wird der Ringkörper auf die Statorzähne aufgepresst, um die ersten Abschnitte des Ringkörpers an den Statorzähnen zu befestigen. Dabei werden der Ringkörper und der Statorkörper unter Druck miteinander verbunden. Alternativ oder zusätzlich wird der Ringkörper an die Statorzähne mithilfe eines magnetisch wirksamen Klebers angeklebt. Das Aufpressen und das magnetische Ankleben des Ringkörpers sind zwei Beispiele von wirksamen und preiswerten Verbindungsmethoden. Ein magnetischer Kleber kann beispielsweise ein Kleber sein, der ferromagnetische Partikel enthält.
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Ferner können die zweiten Abschnitte mit einem nicht magnetisierbaren Material wie Kunststoff oder Aluminium gefüllt werden. Insbesondere sind die zweiten Abschnitte des Ringkörpers aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Die zweiten Abschnitte des Ringkörpers sind magnetisch isolierend.
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Des Weiteren kann ein Rotor bereitgestellt werden, der zusammen mit dem Stator einen Elektromotor komplettiert. Der Rotor weist eine axiale Ausdehnung auf, die kürzer als oder gleich lang wie die axiale Ausdehnung des Ringkörpers ist. Dadurch kann eine effektive Aufnahme und Weiterleitung des magnetischen Flusses von dem Rotor an die Polschuhe sichergestellt sein. Im Folgenden wird die axiale Ausdehnung der Einfachheit halber als Länge bezeichnet.
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Des Weiteren kann ein Fixierungsring an einem der axialen Enden des Ringkörpers bereitgestellt werden. Der Fixierungsring ist insbesondere aus einem nicht magnetisierbaren Material gebildet. Beispielsweise ist der Fixierungsring aus dem gleichen Material wie die zweiten Abschnitte des Ringkörpers gebildet. In einem weiteren Beispiel ist der Fixierungsring einteilig mit den zweiten Abschnitten des Ringkörpers ausgebildet. Ferner kann an jedem axialen Ende des Ringkörpers ein Fixierungsring vorgesehen werden. Die Fixierungsringe dienen zur Fixierung des Ringkörpers, so dass die ersten Abschnitte und die zweiten Abschnitte des Ringkörpers nicht auseinanderfallen. Ferner können die Fixierungsringe die mechanische Stabilität des Ringkörpers insgesamt erhöhen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Elektromotor, und spezieller ein Stator eines Elektromotors, vorgeschlagen, der N Statorzähne, N Polschuhe und N Zwischenglieder umfasst. Die Polschuhe sind jeweils an einem der Statorzähne befestigt. Die Zwischenglieder füllen jeweils eine Lücke in Umfangsrichtung zwischen zwei Polschuhen. Die Zwischenglieder sind aus einem nicht magnetisierbaren Material gebildet. Die Anzahl der Statorzähne, die Anzahl der Polschuhe und die Anzahl der Zwischenglieder sind gleich.
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Der vorgeschlagene Stator kann insbesondere durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt sein. Die Polschuhe des vorgeschlagenen Stators bilden zusammen mit den Zwischengliedern einen Ringkörper, der zunächst separat von dem Statorkörper hergestellt wird. Somit kann das Bewickeln der Statorzähne mit einem Spulendraht vereinfacht werden, indem z.B. die Statorwicklungen jeweils auf einen aufgebracht werden und der Spulenträger auf einen jeweiligen Statorzahn aufgeschoben wird. Die oben beschriebenen Vorteile in Bezug auf das vorgeschlagene Verfahren gelten analog für den vorgeschlagenen Stator. Insbesondere ist die Herstellung des Stators gegenüber herkömmlichen Elektromotoren vereinfacht, bei denen z.B. der Spulendraht mithilfe einer Nadel hinter die Polschuhe geführt ist. Vorzugsweise sind die Statorzähne mit konzentrierten Wicklungen bewickelt, beispielsweise mit Hilfe der Spulenträger. Bei konzentrierten Wicklungen ist jeder Statorzahn mit einer Spule als Statorwicklung versehen, deren Wickeldraht einer einzigen Motorphase zugeordnet ist.
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Die Polschuhe können aus einem magnetisierbaren Material gebildet sein. Dadurch eignen sich die Polschuhe zur magnetischen Flussaufnahme. Insbesondere sind die Polschuhe aus einem weichmagnetischen Material gebildet. Ferner können die Polschuhe aus oberflächenisoliertem Eisenpulver gebildet sein. Die Oberflächenisolation kann dadurch erfolgen, dass die Partikel des Eisenpulvers mit einem Kunststoff beschichtet sind. Dadurch können die Polschuhe eine geeignete magnetische Permeabilität zur Flussaufnahme aufweisen, wobei die Erregung eines Wirbelstroms unterdrückt wird. Beispielsweise umfasst das magnetisierbare Material das oben beschriebene Somaloy®.
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Das nicht magnetisierbare Material der Zwischenglieder umfasst beispielsweise Aluminium oder einen Kunststoff, z.B. Polyamid oder Epoxidharz, um elektrisch und/oder magnetisch gegen die Polschuhe zu isolieren.
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Die Polschuhe können beispielsweise in axialer Richtung bündig mit dem Rotor des Elektromotors gebildet sein. Die Polschuhe und der Rotor können die gleiche Länge, d.h. axiale Ausdehnung, aufweisen. Alternativ können die Polschuhe eine größere axiale Ausdehnung aufweisen als der Rotor des Elektromotors. Derartige Dimensionierungen der Polschuhe führen zu einer effektiven Aufnahme des magnetischen Flusses durch die Polschuhe. Die Leistungsfähigkeit des Elektromotors kann dadurch erhöht werden.
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Der Stator kann ferner einen Fixierungsring aus einem nicht magnetisierbaren Material umfassen, der die Polschuhe und/oder die Zwischenglieder axial überlappt. Der Fixierungsring kann die mechanische Stabilität des Ringkörpers aus Polschuhen und Zwischengliedern erhöhen. Insbesondere verhindert der Fixierungsring das Auseinanderfallen der Abschnitte des Ringkörpers. Ferner kann ein Fixierungsring an jedem axialen Ende des Stators angeordnet sein.
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Insbesondere ist R_C das Verhältnis des Wärmeausdehnungskoeffizienten C_Polschuhe des Materials, aus dem die Polschuhe gebildet sind, zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten C_Zwischenglieder des Materials, aus dem die Zwischenglieder gebildet sind. Beispielsweise beträgt R_C 0,1 bis 10. Beispielsweise beträgt R_C 0,25 bis 4 oder 0,5 bis 2. Es kann insbesondere bei Anwendungen mit großen Temperaturschwankungen vorteilhaft sein, die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Polschuhe und der Zwischenglieder gering zu halten. Dadurch können mechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen der Polschuhen und der Zwischenglieder weitgehend vermieden werden.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten des Elektromotors und des Wickelverfahrens sind im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Statorkörpers eines Elektromotors;
- 2 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines zylindrischen Ringkörpers eines Elektromotors;
- 3 eine Perspektivansicht des zylindrischen Ringkörpers der 2;
- 4 eine Perspektivansicht einer Anordnung des zylindrischen Ringkörpers der 2 und 3 und eines korrespondierenden Statorkörpers;
- 5 eine Querschnittsansicht des Statorkörpers der 4 mit Statorwicklungen;
- 6 eine Querschnittsansicht eines Stators mit dem Statorkörpers der 5 und dem zylindrischen Ringkörper der 3;
- 7 eine Perspektivansicht des Stators der 6;
- 8 eine perspektivische Explosionsansicht des Stators der 6 und 7;
- 9 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Elektromotors mit dem Stator der 6 bis 8 mit einem Rotor;
- 10 eine Schnittansicht des Elektromotors der 9;
- 11 eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines Elektromotors;
- 12 eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines Elektromotors;
- 13 eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines Elektromotors;
- 14 eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines Elektromotors; und
- 15 eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines Elektromotors.
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In den Figuren wurden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder ähnliche Strukturen oder Funktionen zu kennzeichnen.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eine Statorkörpers 100 für einen Elektromotor. Der Statorkörper 100 umfasst ein Statorjoch 102 und mehrere Statorzähne 104, die sich von dem Statorjoch 102 aus radial nach innen erstrecken. Der Statorkörper 100 ist aus axial gestapelten Statorblechen gebildet. Die einzelnen Statorbleche können jeweils aus einem Blech aus einem magnetisierbaren Material, z.B. Eisen oder Stahl, ausgestanzt sein. Die Statorbleche weisen eine geringe axiale Ausdehnung auf, d.h. sie sind dünn ausgebildet, so dass Wirbelströme unterdrückt werden. Die Begriffe axial, radial und Umfangsrichtung beziehen sich auf die Zylindergeometrie des Elektromotors, insbesondere auf die Drehachse des Rotors des Elektromotors. Der in 1 gezeigte Querschnitt gilt für die gesamte axiale Ausdehnung des Statorkörpers 100.
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In 1 ist die Anzahl der Statorzähne 104 neun. Wie nachfolgend gezeigt wird, ist die Anzahl der Statorzähne nicht auf neun beschränkt. Sie kann je nach Größe des Elektromotors variieren. Wie in 1 gezeigt ist, weist der Statorkörper 100 keine Polschuhe auf. Die Enden der Statorzähne 104 verlaufen radial und verbreitern sich nicht, so dass Statorwicklungen (nicht gezeigt) in radialer Richtung auf die Statorzähne 104 aufgebracht werden können. Dadurch wird das Bereitstellen der Statorwicklungen gegenüber herkömmlichem Bewickeln der Statorzähne mit einem Spulendraht vereinfacht.
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2 und 3 zeigen jeweils eine Querschnittsansicht und eine Perspektivansicht eines zylindrischen Ringkörpers 200 für einen Elektromotor. Der Ringkörper 200 weist einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser derart auf, dass er radial an einen Stator mit einer entsprechenden Anzahl von Statorzähnen passt. Aufgrund der Symmetrie eignet sich der Ringkörper 200 sowohl für einen Innenläufer- als auch für einen Außenläufer-Elektromotor.
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Der Ringkörper 200 umfasst die gleiche Anzahl an ersten Abschnitten 202 und an zweiten Abschnitten 204, die in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind. Die Breite B202 der ersten Abschnitte 202 ist größer als die Breite B204 der zweiten Abschnitte 204.
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Die ersten Abschnitte 202 sind aus einem magnetisierbaren Material gebildet und eignen sich als Polschuhe zur Aufnahme und Weiterleitung von magnetischen Flüssen. Die zweiten Abschnitte 204 sind aus einem nicht magnetisierbaren Material gebildet und bilden Zwischenglieder zur elektrischen und magnetischen Isolation gegen die ersten Abschnitte 202.
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Der zylindrische Ringkörper 200 wird hergestellt, indem die ersten Abschnitte 202 mit dem magnetisierbaren Material gefüllt werden, und die zweiten Abschnitte 204 mit dem nicht magnetisierbaren Material gefüllt werden. Das magnetisierbare Material, dass die ersten Abschnitte 202 füllt, umfasst ein weich- und ferromagnetisches Material. Ferner umfasst das magnetisierbare Material in den ersten Abschnitten 202 eine Mischung aus Eisenpulver und einem Kunststoff, wobei die Partikel des Eisenpulvers mit dem Kunststoff beschichtet, d.h. oberflächenisoliert, sind. Die Mischung kann insbesondere das Material Somaloy® enthalten. Dadurch wird die Erregung von Wirbelströmen in den ersten Abschnitten 202 unterdrückt.
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Zur Herstellung des Ringkörpers 200 wird beispielsweise eine Form (nicht gezeigt) bereitgestellt. Die Form weist erste Formabschnitte auf, die den ersten Abschnitten 202 des Ringkörpers 200 entsprechen. Dabei stellen die ersten Formabschnitte eine Negativform der ersten Abschnitten 202 dar. Das magnetisierbare Material wird in die ersten Formabschnitte gepresst. Zusätzlich oder alternativ zu der oben genannten Pulverform, kann das magnetisierbare Material Eisen, Stahl, Siliziumstahl, Nickel-, Kobalt- und/oder Eisen-haltige Legierungen, Eisen-Phosphor-Legierungen, Eisen-Silizium-Legierungen und/oder Ferrite oder Materialien in flüssiger Form umfassen.
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Je nach Materialeigenschaften des magnetisierbaren Materials kann das in die ersten Formabschnitte gepresste magnetisierbare Material gesintert werden. Die äußere Schicht der Partikel des magnetisierbaren Materials schmilzt unter Hitze auf und verbindet sich während des Abkühlens mit der äußeren Schicht der benachbarten Partikel. Bei einem Eisenpulver mit Kunststoffbeschichtung schmilzt die Kunststoffhülle der Partikel unter Hitze auf und verbindet sich mit der Kunststoffhülle der benachbarten Partikel während eines Kühlvorgangs.
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Die zweiten Abschnitte 204 des Ringkörpers 200 sind mit einem nicht magnetisierbaren Material gefüllt. Das nicht magnetisierbare Material kann Aluminium und/oder einen Kunststoff, z.B. Polyamid oder Epoxidharz, umfassen. Die zweiten Abschnitte 204 isolieren elektrisch und magnetisch gegen die ersten Abschnitte 202 und bilden die Zwischenglieder zwischen den Polschuhen. Ferner verbinden die zweiten Abschnitte 204 die einzelnen ersten Abschnitte 202 und tragen so zur mechanischen Stabilität des Ringkörpers 200 bei.
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Um mechanischen Spannungen vorzubeugen, die bei Temperaturschwankungen auftreten, werden die Materialien für die ersten Abschnitte 202 und die zweiten Abschnitte 204 so gewählt, dass die Differenz ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht zu groß ist. Beispielsweise beträgt das Verhältnis R_C des Wärmeausdehnungskoeffizienten C_Polschuhe der ersten Abschnitte 202 zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten C_Zwischenglieder der zweiten Abschnitte 204 0,1 bis 10. In anderen Beispielen beträgt das Verhältnis R_C 0,25 bis 4, oder 0,5 bis 2.
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4 zeigt eine Perspektivansicht einer Anordnung 400 des zylindrischen Ringkörpers 200 der 2 und 3 mit einem Statorkörper 402. Der Statorkörper 402 umfasst ein Statorjoch 404 und sechs Statorzähne 406. Der zylindrische Ringkörper 200 und der Statorkörper 402 sind koaxial angeordnet, wobei der Ringkörper 200 auf dem Statorkörper 402 sitzt.
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Der Ringkörper 200 wird so angeordnet, dass die ersten Abschnitte 202 den Statorzähnen 406 gegenüberliegen. Die Abmessungen des Ringkörpers 200 und des Statorkörpers 402 sind so aufeinander abgestimmt, dass die ersten Abschnitte 202 in Kontakt mit den ersten Abschnitten 202 des Ringkörpers 200 angeordnet werden. Die ersten Abschnitte 202 werden an den Statorzähnen 406 befestigt. Insbesondere werden die ersten Abschnitte 202 jeweils an dem gegenüberliegenden Statorzahn 406 befestigt, indem der Ringkörper auf die Statorzähne aufgepresst wird. Alternativ oder zusätzlich wird der Ringkörper 200 an die Statorzähne 406 mithilfe eines magnetisch wirksamen Klebers angeklebt.
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Die zweiten Abschnitte 204 sind jeweils einer Statornut 408 gegenüberliegend angeordnet. Der Ringkörper 200 hat in dem Beispiel eine größere axiale Ausdehnung als der Statorkörper 402 und überragt den Statorkörper 402 an beiden stirnseitigen Enden.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht des Statorkörpers 402 der 4 mit Statorwicklungen 410. Die Statorwicklungen 410 sind auf Spulenträger 412 gewickelt, die auf dem jeweiligen Statorzahn 406 aufgebracht sind. Die Spulenträger 412 sind aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet und bilden auch die Nutisolation gegen den jeweiligen Statorzahn 406. Die Statorzähne 406 werden mit der jeweiligen Statorwicklung 410 versehen, bevor ein Ringkörper an dem Statorkörper 402 befestigt wird. Da die Statorzähne 406 keine Polschuhe aufweisen, können die Spulenträger 412 und somit die Statorwicklungen 410 radial auf die Statorzähne 406 aufgeschoben werden. Die Statorwicklungen 410 können insbesondere konzentrierte Wicklungen sein, so dass die Statorwicklung jedes Statorzahns einer einzigen Motorphase zugeordnet ist. Dann ist auf die Spulenträger 412 jeweils eine Spule zur Bildung der Statorwicklung des zugehörigen Statorzahns 104 aufgewickelt. Die Spulen einer Motorphase können mittels einer entsprechenden Verschaltung, beispielweise über entlang einer Nutisolation geführte Drähte, parallel oder seriell verschaltet sein. Bei einem dreiphasigen Gleichstrommotor mit neun Statorzähnen 406, können beispielsweise jeweils drei rotationssymmetrisch zueinander angeordnete Spulen seriell verschaltet sein. Die so gebildeten Motorphasen können wiederum in einer Dreicksschaltung oder einer Sternschaltung miteinander verschaltet sein.
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6, 7 und 8 zeigen jeweils eine Querschnittsansicht, eine Perspektivansicht und eine perspektivische Explosionsansicht eines Stators 600 mit dem Statorkörper 402 der 5 und dem zylindrischen Ringkörper 200. Der Statorkörper 402 und der Ringkörper 200 sind koaxial angeordnet, wobei Ringkörper 200 innerhalb des Statorkörpers 402 angeordnet ist. Die ersten Abschnitte 202 liegen jeweils einem Statorzahn 406 gegenüber. Die Materialeigenschaften der ersten Abschnitte 202 und der zweiten Abschnitte 204 sowie das Befestigen des Ringkörpers 200 an dem Statorkörper 402 sind wie oben beschrieben.
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9 und 10 zeigen jeweils eine Querschnittsansicht und eine Schnittansicht eines Elektromotors 900, der den Stator 600 der 6 bis 8 und einen Rotor 902 umfasst. Der Rotor 902 ist koaxial mit der Anordnung 600 angeordnet. Der Rotor 900 lagert auf einer Welle 904. Der Rotor 900 trägt Magnete 906, die einen Ringmagnet mit mehreren magnetischen Polen oder Magnetsegmente (nicht gezeigt) umfassen, die in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Ferner umfasst der Rotor 900 einen magnetischen Rückschluss 908. Der Rückschluss 908 lagert auf der Welle 904. Die Magnete 906 sind auf dem Rückschluss 908 angeordnet. Zwischen dem Außenumfang des Rotors 902 und dem Ringkörper 200 ist ein Luftspalt 910 gebildet.
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Die ersten Abschnitte 202 des Statorkörpers 200 bilden Polschuhe des Stators 600. 10 zeigt, dass die Polschuhe 202 in axialer Richtung bündig mit dem Rotor gebildet sein können. Der Ringkörper 200 weist eine Länge auf, die gleich der Länge des Rotors 902 ist.
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Die radiale Ausdehnung der Polschuhe 202, d.h. ihre Dicke, beträgt beispielsweise das 0,4-Fache bis 2-Fache ihrer Breite B202. Die Breite der Statorzähne 406 beträgt beispielsweise das 0,2-Fache bis 2-Fache einer Kennzahl, die der Division des Statorinnenumfangs durch die Anzahl der Statorzähne 406 entspricht. Die Länge der Polschuhe 202 beträgt beispielsweise das 0,2-Fache bis 5-Fache der Länge der Statorzähne 406 und/oder das 0,5-Fache bis 1,5-Fache der Länge der Magnete 906 des Rotors 902.
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11 bis 13 zeigen Schnittansichten von unterschiedlichen Ausführungsformen eines Elektromotors 1100, 1200, 1300. Die in den 11 bis 13 gezeigten Elektromotoren 1100, 1200, 1300 unterscheiden sich von dem Elektromotor 900 der 9 und 10 darin, dass ein erster Fixierungsring 1102 und ein zweiter Fixierungsring 1104 jeweils an einem oberen und unteren Ende des jeweiligen Ringkörpers 200 angeordnet sind. Der Fixierungsring 1102 überlappt die Polschuhe 202 und die Zwischenglieder 204. Somit überragt der Ringkörper 200 zusammen mit dem Fixierungsring 1102 den Rotor 902 in axialer Richtung.
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Der Fixierungsring 1102 ist aus einem nicht magnetisierbaren Material, z.B. einem Kunststoff, gebildet. Der Fixierungsring 1102 ist an den axialen Enden des Ringkörpers 200 geformt, z.B. angeklebt oder spitzgegossen, oder ist einteilig zusammen mit den Zwischengliedern 204 gebildet. Der Fixierungsring 1102 hält die Polschuhe 202 und die Zwischenglieder 204 zusammen und trägt somit zur mechanischen Stabilisierung des Ringkörpers 200 bei.
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Der Querschnitt der Polschuhe 202 kann sich radial nach außen verbreitern, wie in 12 gezeigt. Alternativ können die Polschuhe 202 eine Wellenform an den axialen Enden aufweisen, wie in 13 gezeigt. Diese Ausgestaltungen des axialen Querschnitts der Polschuhe 202 können die magnetische Flussaufnahme durch die Polschuhe 202 begünstigen.
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In 14 sind die Polschuhe 202 und die Statorwicklungen 410 an ihren beiden axialen Enden mit einem elektrisch isolierenden Material umspritzt. Die so gebildeten Fixierungsstrukturen 1402, 1404 erhöhen die mechanische Stabilität des Ringkörpers 200 und tragen zur elektrischen und magnetischen Isolation des Startorkörpers 402 und der Statorwicklungen 410 bei.
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15 zeigt eine Querschnittsansicht eines Elektromotors 1500. In 15 ist der Stator 1502 innerhalb eines Rotors 1504 angeordnet. Der Stator 1502 umfasst Statorzähne 1506 und einen Ringkörper 1508, der in Umfangsrichtung abwechselnd in erste Abschnitte 1510 und zweite Abschnitte 1512 aufgeteilt ist. Der Rotor 1504 umfasst Magnete 1514, die wie oben beschrieben einen Ringmagnet mit mehreren Polen, oder mehrere Magnetsegmente umfassen.
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Die strukturellen Merkmale des Elektromotors 1500 sowie das zugehörige Herstellungsverfahren entsprechen den obigen Ausführungen. Der Unterschied besteht darin, dass der Elektromotor 1500 ein Außenläufer ist. Demnach wird der Ringkörper 1508 separat von einem Statorkörper 1516 mit den Statorzähnen 1506 ausgebildet. Der Statorkörper 1516 einschließlich der Statorzähne 1506 kann aus gestapelten Statorblechen gebildet sein. Die ersten Abschnitte 1510 und die zweiten Abschnitte 1512 werden jeweils mit einem magnetisierbaren Material und einem nicht magnetisierbaren Material gefüllt. Das magnetisierbare Material kann ein weichmagnetisches Material, insbesondere ein oberflächenisoliertes Eisenpulver umfassen. Der Ringkörper 1508 wird beispielsweise geformt, indem die Materialien in die jeweiligen Abschnitte 1510, 1512 gepresst und gesintert werden. Statorwicklungen 1518 werden auf die Statorzähne 1506 aufgebracht. Die ersten Abschnitte 1510 werden an den Statorzähnen 1506 befestigt, indem der Ringkörper 1508 auf die Statorzähne 1506 aufgepresst wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Ringkörper 1508 mithilfe eines magnetisch aktiven Klebers an die Statorzähne 1506 geklebt werden. Die ersten Abschnitte 1510 bilden die Polschuhe des Stators 1502. Die Polschuhe 1510 können in axialer Richtung bündig mit dem Rotor 1504 ausgebildet sein. Zudem kann an den axialen Enden des Ringkörpers 1508 jeweils ein Fixierungsring aus einem isolierenden Material angeordnet sein, der den Rotor 1504 in axialer Richtung überragt und den Ringkörper 1508 mechanisch stabilisiert.
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Vorteile der hier beschriebenen Statoren, der zugehörigen Elektromotoren sowie des zugehörigen Herstellungsverfahrens bestehen darin, dass die Statorwicklungen leichter auf die Statorzähne aufgebracht werden können. Dadurch kann ein höherer Füllfaktor erzielt und die Herstellung vereinfacht werden. Der Statorrückschluss und die Statorzähne bestehen aus einem gestanzten Blechkörper, der aus einzelnen paketierten Blechen aufgebaut und einfach herzustellen ist. Die Polschuhe werden nachträglich an die Statorzähne angebracht, was den Wickelvorgang vereinfacht. Erfindungsgemäß müssen jedoch nicht einzelne Polschuhe hergestellt und an den Statorzähnen befestigt werden. Die Polschuhe werden in einem einheitlichen Ringkörper aus einem gepressten und gesinterten Verbundmaterial hergestellt, wobei dieser Ringkörper weichmagnetische Abschnitte zur Bildung der Polschuhe und magnetisch isolierende Strecken zwischen den Polschuhen umfasst. Die mehreren Polschuhe können so in einem einzelnen Bauteil aus einem magnetisierbaren Material mit verbesserten magnetischen Eigenschaften hergestellt und mit den Statorzähnen verbunden werden. Die magnetisch isolierenden Strecken können kurz gehalten werden. Dadurch kann eine verbesserte magnetische Flussaufnahme durch die Polschuhe erzielt werden. Ferner können günstigere Rotormagnete eingesetzt oder die magnetomotorische Leistung des Elektromotors erhöht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Statorkörper
- 102
- Statorjoch
- 104
- Statorzahn
- 200
- Ringkörper
- 202
- erster Abschnitt, Polschuh
- 204
- zweiter Abschnitt, Zwischenglied
- 400
- Anordnung
- 402
- Statorkörper
- 404
- Statorjoch
- 406
- Statorzahn
- 408
- Statornut
- 410
- Statorwicklung
- 412
- Spulenträger
- 600
- Stator
- 900
- Elektromotor
- 902
- Rotor
- 904
- Welle
- 906
- Magnet
- 908
- magnetischer Rückschluss
- 910
- Luftspalt
- 1100
- Elektromotor
- 1102
- Fixierungsring
- 1104
- Fixierungsring
- 1200
- Elektromotor
- 1300
- Elektromotor
- 1402
- Fixierungsstruktur
- 1404
- Fixierungsstruktur
- 1500
- Elektromotor
- 1502
- Stator
- 1504
- Rotor
- 1506
- Statorzahn
- 1508
- Ringkörper
- 1510
- erster Abschnitt
- 1512
- zweiter Abschnitt
- 1514
- Magnet
- 1516
- Statorkörper
- 1518
- Statorwicklung
- B202
- Breite des ersten Abschnitts
- B204
- Breite des zweiten Abschnitts
- C_Polschuhe
- Wärmeausdehnungskoeffizient des Polschuhematerials
- C_Zwischenglieder
- Wärmeausdehnungskoeffizient der Zwischenglieder
- R_C
- Verhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten
