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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene elektrische Antriebsmaschinen und Turbolader bekannt. So offenbart beispielsweise die
DE 10 2014 210 451 A1 einen Turbolader mit einer integrierten elektrischen Antriebsmaschine. Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, werden insbesondere im Kraftfahrzeugbau dazu genutzt, die Luftfüllung in Zylindern einer Brennkraftmaschine zu erhöhen, um die Leistung der Brennkraftmaschine zu steigern. Häufig werden dazu Abgasturbolader eingesetzt, die vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetrieben werden.
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Darüber hinaus ist es bekannt, einen Turbolader elektromotorisch zu unterstützen, so dass unabhängig von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine angesaugte Frischluft verdichtet und der Brennkraftmaschine mit erhöhtem Ladedruck zugeführt werden kann. Auch eine Kombination beider Varianten ist bereits bekannt. Dabei wird ein Abgasturbolader mit einer elektrischen Antriebsmaschine versehen, um die Welle des Abgasturboladers, auf welcher ein Verdichterrad sowie ein Turbinenrad drehfest angeordnet sind, anzutreiben. Hierdurch kann beispielsweise der ansonsten zeitlich verzögerte Ladedruckaufbau maßgeblich beschleunigt werden.
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Eine derartige elektrische Antriebsmaschine weist üblicherweise einen Stator, der zumindest eine mehrphasige Antriebswicklung zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds aufweist, und einen Rotor auf. Der Rotor weist einen Permanentmagneten auf und wird drehfest auf der Welle des Abgasturboladers angeordnet. Die Realisierung der elektromotorischen Unterstützung durch eine elektrische Antriebsmaschine hat den Vorteil, dass die motorische Unterstützung besonders bauraumsparend in den Turbolader integrierbar ist. Durch Bestromen der Phasen der Antriebswicklung mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik wird das drehende Antriebsmagnetfeld erzeugt, durch welches der durch die Welle drehbar gelagerte Rotor mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben wird. Der Permanentmagnet wirkt dabei mit dem drehenden Magnetfeld zusammen.
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In
DE 10 2015 203 596 A1 wird ein Lader, insbesondere Abgasturbolader, für eine Antriebseinrichtung, vorgeschlagen, der einen mittels eines Medienspaltmotors elektrisch unterstützbaren oder antreibbaren Verdichter aufweist. Der Medienspaltmotor weist einen mit einer Lagerwelle eines Verdichterlaufrads des Verdichters wirkverbundenen Rotor sowie einen den Rotor in Umfangsrichtung bezüglich einer Drehachse der Lagerwelle wenigstens bereichsweise umgreifenden Stator auf. Dabei ist vorgesehen, dass eine Leistungselektronik zur Ansteuerung wenigstens einer elektrischen Wicklung des Stators die Drehachse in Umfangsrichtung wenigstens bereichsweise umgreift. Zur Kühlung des Stators und/oder der Leistungselektronik ist ein in Berührkontakt mit dem Stator (10) und/oder der Leistungselektronik vorliegender Kühlmantel vorgesehen.
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Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Antriebsmaschinen bewirkten Vorteile beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So ist es eine Herausforderung, den Stator kostengünstig herzustellen und eine Montage des Stators in einen Verdichter und/oder eine Turbine zu vereinfachen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Verfahren zum Herstellen eines Stators, eine elektrische Antriebsmaschine und ein Verdichter und/oder eine Turbine vorgeschlagen, die die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll der Stator kostengünstig hergestellt werden und eine Montage des Stators in einen Verdichter soll vereinfacht werden.
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In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stators, insbesondere für eine elektrische Antriebsmaschine, vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Verfahrensschritte, welche im Folgenden beschrieben werden, umfassen. Die Verfahrensschritte können vorzugsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Hierbei können ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen
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Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen mindestens eines Statorrohlings, wobei der Statorrohling eine Mehrzahl von radial bezüglich einer Achse des Stators angeordneten Statorzähnen aufweist; und
- b) Verbinden des Statorrohlings mit mindestens einer statorfesten Einrichtung, wobei die statorfeste Einrichtung eine koaxial zu einer Achse des Stators angeordnete Abdeckkappe für einen Rotor umfasst.
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Das Verfahren umfasst mindestens ein Spritzgießverfahren. Während des Spritzgießverfahrens wird die statorfeste Einrichtung geformt und mit dem Statorrohling verbunden.
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Unter einer „elektrischen Antriebsmaschine“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, durch ein Anlegen eines elektrischen Stroms eine Bewegung, insbesondere eine Rotationsbewegung, eines anderen Objekts zu erzeugen oder zu generieren. Insbesondere kann die elektrische Antriebsmaschine eingerichtet sein, elektrische Energie in Bewegungsenergie umzuwandeln. Insbesondere kann die elektrische Antriebsmaschine ganz oder teilweise als Elektromotor ausgestaltet sein. Insbesondere kann die elektrische Antriebsmaschine beispielsweise verwendet werden, um einen Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, anzutreiben. Die elektrische Antriebsmaschine kann hierfür mindestens einen Rotor und mindestens einen Stator aufweisen, welche im Nachfolgenden näher beschrieben werden.
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Die elektrische Antriebsmaschine kann für einen Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine eingerichtet sein. Unter einem „Turbolader“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Baugruppe eines Verbrennungsmotors zu verstehen, welche für eine Leistungs- und/oder Effizienzsteigerung geeignet ist. Insbesondere kann ein Teil einer Energie eines Motorabgases genutzt werden, um einen Druck in einem Ansaugsystem zu erhöhen und dadurch mehr Außenluft in einen Zylinder zu befördern als bei einem nicht aufgeladenen Motor.
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Unter einer „Turbine“, insbesondere einer Abgasturbine, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige rotierende Strömungsmaschine zu verstehen, welche eingerichtet ist, ein Abfallen einer inneren Energie eines strömenden Fluides in eine mechanische Leistung umzuwandeln, welche sie über ihre Welle abgibt. Einem Fluidstrom kann durch eine möglichst wirbelfreie laminare Umströmung von Turbinenschaufeln ein Teil einer inneren Energie, insbesondere umfassend Bewegungsenergie, Lageenergie und/oder Druckenergie, entzogen werden, welcher auf Laufschaufeln der Turbine übergehen kann. Über den Teil der inneren Energie kann dann die Turbinenwelle in Drehung versetzt werden und eine nutzbare Leistung kann an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise an einen Generator, abgegeben werden. Die Abgasturbine kann eingerichtet sein, um von Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors angetrieben zu werden. Eine Wellenleistung der Abgasturbine kann insbesondere für einen Antrieb eines Verdichters zur Aufladung eines Motors verwendet werden.
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Unter einem „Verdichter“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, einem eingeschlossenen Gas mechanische Arbeit zuzuführen. Der Verdichter kann insbesondere eingerichtet sein, einen Druck und eine Dichte des Gases zu erhöhen. Der Verdichter kann daher auch als Kompressor bezeichnet werden. Der Verdichter kann insbesondere ein Radialverdichter sein. Der Radialverdichter kann eingesetzt sein, um durch einen rotierenden Läufer nach den Gesetzen der Strömungsmechanik einem strömenden Fluid Energie zuzusetzen. Der Radialverdichter kann derart ausgebildet sein, dass das Gas im Wesentlichen axial in ein Laufrad strömt und anschließend radial, d.h. nach außen abgelenkt wird.
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Unter einem „Stator“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein feststehendes Bauteil einer elektrischen Antriebsmaschine, wie beispielsweise einem Elektromotor, zu verstehen, das als gemeinsamer Kern für Induktionsspulen dient. Der Stator kann insbesondere als feststehender, umbeweglicher Teil ausgebildet sein. Der Stator kann eingerichtet sein, einen nach Verlassen eines Laufrades schräg zu einer Maschinenlängsachse abgelenkt austretenden Strom eines Fluids gerade zu lenken. Der Stator weist, wie oben ausgeführt, die Mehrzahl von radial bezüglich der Achse des Stators angeordneten Statorzähnen auf sowie das Statorjoch auf, welche im Nachfolgenden noch näher beschrieben werden.
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Der Begriff „Statorjoch“ bezeichnet grundsätzlich ein ringförmiges, insbesondere ein kreisringförmiges Element eines beliebigen Stators. Das Statorjoch kann mehrere Segmente aufweisen, welche formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein können. Der Begriff „Statorzahn“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges, längliches Element eines Stators. Wie bereits oben ausgeführt, umfasst der Statorrohling bzw. der Stator eine Mehrzahl an Statorzähnen. Die Statorzähne können von dem Statorjoch radial nach innen vorstehen und in Umfangsrichtung gesehen beabstandet voneinander gleichmäßig verteilt angeordnet sein.
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Die Statorzähne können jeweils mindestens eine Spule aufweisen. Der Begriff „Spule“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen. Die Spule kann mindestens eine Wicklung eines elektrisch leitenden Materials, welches als Draht bereitgestellt ist, auf einem Spulenkörper sowie einen magnetischen Kern, insbesondere einen weichmagnetischen Kern, aufweisen. Insbesondere kann beispielsweise auf jedem Statorzahn jeweils eine der Spulen radial angeordnet sein. Zum Beispiel können die Spulen auf den Statorzähnen jeweils mittels einer Spulenhalterung angebracht sein. Die Spulen können eine mehrphasige Antriebswicklung ausbilden. Insbesondere kann durch Bestromen der Phasen der Antriebswicklung, mittels einer dafür vorgesehenen Leistungselektronik, beispielsweise ein drehendes Antriebsmagnetfeld erzeugt werden, durch welches der Rotor mit einem vorgebbaren Drehmoment angetrieben werden kann.
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Wie bereits oben ausgeführt, weist der Statorrohling die Mehrzahl von radial bezüglich einer Achse des Stators angeordneten Statorzähnen auf. Der Begriff „radial“ bezeichnet grundsätzlich eine Anordnung eines beliebigen Elements, bei welcher das Element von einem Mittelpunkt aus strahlenförmig, insbesondere geradlinig, verläuft.
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Wie oben bereits ausgeführt, wird in Schritt a) der Statorrohling bereitgestellt. Der Begriff „Rohling“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Objekt, welches für eine Weiterverarbeitung bestimmt ist. Der Rohling kann daher eine oder mehrere Komponenten aufweisen. Die Komponenten können während der Weiterverarbeitung mit weiteren Komponenten verbunden werden. Alternativ und/oder zusätzlich können ein oder mehrere Komponenten des Rohlings während der Weiterverarbeitung verändert werden, beispielsweise umgeformt werden. Auch andere Vorgänge sind grundsätzlich denkbar. Wie oben bereits ausgeführt, umfasst der Statorrohling die Mehrzahl der Statorzähne. Nach Durchführung des Schritts b) umfasst der Statorrohling weiterhin die statorfeste Einrichtung, so dass sich der Stator ausbildet. Darüber hinaus kann der Statorrohling nach Durchführung des Schritts b), wie nachfolgend noch näher erläutert wird, noch weitere Komponenten umfassen. Ein oder mehrere Komponenten des Statorrohlings, insbesondere die Statorzähne, können aus mindestens einem metallischen Werkstoff gefertigt sein. Insbesondere kann der metallische Werkstoff Eisen, vorzugsweise Weicheisen, umfassen. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Mehrere Komponenten des Statorrohlings können miteinander verschweißt sein.
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Vor oder nach Durchführung des Schritts b) kann ein kreisringförmiges Statorjoch des Statorrohlings ausgebildet werden. Dabei kann das Statorjoch derart mit dem Statorrohling verbunden werden, dass die statorfeste Einrichtung koaxial zu dem Statorjoch angeordnet ist. Insbesondere kann das kreisringförmige Statorjoch ausgebildet werden, indem Enden der Statorzähne mit einem Kunststoffmaterial umspritzt werden.
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Die Statorzähne können jeweils mindestens einen, der Achse des Stators zugewandten, ersten Abschnitt und mindestens einen, dem Statorjoch zugewandten, zweiten Abschnitt aufweisen. Die Begriffe „erster Abschnitt“ und „zweiter Abschnitt“ sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Abschnitten und/oder zweiten Abschnitten oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Abschnitte, beispielsweise ein oder mehrere dritte Abschnitte vorhanden sein. Der Begriff „Abschnitt“ bezeichnet grundsätzlich einen Teil oder eine Komponente eines beliebigen Elements. Der zweite Abschnitt kann fluchtend zu dem ersten Anschnitt angeordnet sein. Insbesondere können der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt einstückig ausgebildet sein. Der zweite Abschnitt kann die Spulen zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds aufweisen.
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Der erste Abschnitt kann als Haltestrebe ausgebildet sein. Der Begriff „Haltestrebe“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, ein anderes Element in einer gewünschten Position zu halten. Insbesondere kann die Haltestrebe eingerichtet sein, ein erstes Element und ein zweites Element voneinander in einer gewünschten Position zu beabstanden. Daher kann die Haltestrebe jeweils stoff- und oder formschlüssig mit dem zweiten Abschnitt verbunden sein. Die Haltestrebe kann als längliches Element ausgebildet sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.
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Wie bereits oben ausgeführt, weist der Stator mindestens eine statorfeste Einrichtung auf. Die statorfeste Einrichtung kann eingerichtet sein, das durch die elektrische Antriebsmaschine strömende Fluid zu leiten und/oder zu lenken. Insbesondere kann die statorfeste Einrichtung eingerichtet sein, um eine Anströmung eines vorzugsweise nachfolgend angeordneten Verdichterrads zu gewährleisten. Die statorfeste Einrichtung kann eine Außenhülse und die Abdeckkappe aufweisen, welche im Nachfolgenden noch näher beschrieben werden.
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Der Begriff „Abdeckkappe“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, ein anderes Element zumindest teilweise zu bedecken. Die Abdeckkappe kann eingerichtet sein, einen Rotor der elektrischen Antriebsmaschine zumindest teilweise stirnseitig zu überdecken. Durch die Anordnung der Abdeckkappe stromaufwärts des Rotors beziehungsweise in Strömungsrichtung vor dem Rotor wird erreicht, dass das Fördermedium nicht auf eine flache beziehungsweise dem Medienstrom senkrecht entgegenstehende Wand des Rotors trifft, sondern durch die Abdeckkappe strömungsoptimiert an dem Rotor vorbeigeleitet wird. Die Abdeckkappe kann an den Statorzähnen gehalten sein. Durch das Anordnen der Abdeckkappe an den Statorzähnen wird erreicht, dass die Abdeckkappe gehäusefest angeordnet ist, so dass das Fördermedium im Unterschied zu bekannten Lösungen nicht in einer Rotationsbewegung oder in Verwirbelungen gesetzt wird, wenn es den Rotor anströmt. Dadurch wird das Strömungsverhalten weiter verbessert und Turbulenzen der Strömung werden vermieden, so dass einerseits der Betrieb des Verdichters optimiert und andererseits auch die Kühlung des Stators verbessert wird.
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Der Begriff „Außenhülse“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen, länglichen Hohlkörper. Die Außenhülse kann eine Länge und einen Durchmesser aufweisen. Die Länge kann größer sein als der Durchmesser, beispielsweise um mindestens einen Faktor von 1,5, vorzugsweise um mindestens einen Faktor von 2, besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor von 3. Der Durchmesser kann insbesondere eine runde Form aufweisen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Die Außenhülse kann koaxial zu der Abdeckkappe angeordnet sein. Insbesondere können die Abdeckkappe und die Außenhülse einstückig ausgebildet sein.
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Während des Spritzgießverfahrens kann weiterhin die mindestens eine Außenhülse der statorfesten Einrichtung ausgebildet werden. Die Außenhülse kann koaxial zu der Abdeckkappe angeordnet sein.
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Wie oben bereits ausgeführt, kann das Statorjoch derart mit dem Statorrohling verbunden werden, dass die statorfeste Einrichtung koaxial zu dem Statorjoch angeordnet ist. Der Begriff „koaxiale Anordnung“ bezeichnet grundsätzlich eine Anordnung zwischen zwei beliebigen Elementen, bei welcher die Elemente eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen. Das Rohrelement kann einen kleineren Durchmesser aufweisen als das Statorjoch. Das Rohrelement kann daher zumindest teilweise innerhalb des Statorjochs angeordnet sein. Eine Oberfläche des Rohrelements, welche dem Statorjoch zugewandt ist, kann an die Spulen angrenzen. Der erste Abschnitt kann ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen. Das erste Ende kann der Achse des Stators zugewandt sein. Das zweite Ende kann an den zweiten Abschnitt angrenzen, bzw. mit dem zweiten Abschnitt verbunden sein. Das zweite Ende kann einen Abstand zu der Achse des Stators aufweisen, welcher einem Abstand des Rohrelements zu der Achse des Stators entspricht.
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Der Begriff „Verbinden“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Vorgang, bei welchem zwei oder mehrere Komponenten stoffschlüssig, kraftschlüssig und/oder formschlüssig zusammengefügt werden. Nach dem Verbinden können die zwei oder mehreren Komponenten starr zueinander angeordnet sein. Insbesondere können der Statorrohling und die statorfeste Einrichtung stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Der Begriff „stoffschlüssige Verbindung“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebige Verbindung zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element, bei welchen mindestens eine Oberfläche des ersten Elements und mindestens eine Oberfläche des zweiten Elements durch atomare und/oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Die Verbindung kann reversibel oder irreversibel sein, vorzugsweise jedoch irreversibel. Die stoffschlüssige Verbindung kann insbesondere durch das Spritzgießen erfolgen. Der Begriff „Formen“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Vorgang, bei welchem aus einem beliebigen formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, insbesondere mit einer geometrisch definierten Form.
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Der Begriff „Spritzgießverfahren“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Urformverfahren, bei welchem aus einem beliebigen formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, welcher insbesondere eine geometrisch definierte Form aufweist. Mit einer Spritzgießmaschine kann ein Werkstoff verflüssigt bzw. plastifiziert werden und in eine Form, insbesondere einem Spritzgießwerkzeug, unter Druck eingespritzt werden. In dem Spitzgießwerkezug kann der Werkstoff durch eine Abkühlung und/oder durch eine Vernetzungsreaktion wieder in einen festen Zustand übergehen und nach dem Öffnen des Werkzeuges als Fertigteil entnommen werden. Ein Hohlraum des Spritzgießwerkzeugs, welcher auch als Kavität bezeichnet werden kann, kann dabei eine Form und/oder eine Oberflächenstruktur des fertigen Teiles bestimmen.
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Während des Spritzgießverfahrens kann mindestens ein Material eingesetzt werden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Thermoplast, insbesondere Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), insbesondere Polyamid 6 (PA6), insbesondere Polyamid 66 (PA66), insbesondere Polypropylen (PP), insbesondere Polystyrol (PS), insbesondere Polyetheretherketon (PEEK), insbesondere Polybutylenterephthalat (PBT), insbesondere Polyethylenimin (PEI), insbesondere Polyphenylensulfid (PPS); einem Elastomer, insbesondere Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), insbesondere Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), insbesondere Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), insbesondere Styrol-Butadien-Styrol (SBS), insbesondere Silikon. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar.
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Während des Spritzgießverfahrens kann mindestens eine Ummantelung geformt werden, welche den ersten Abschnitt zumindest teilweise umschließt. Der Begriff „Ummantelung“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Element, welches eingerichtet ist, ein anderes Objekt ganz oder zumindest teilweise zu umschließen. Die Ummantelung kann mindestens eine Oberfläche aufweisen, welche an mindestens eine Oberfläche des Objekts angrenzt. Die Oberfläche der Ummantelung kann stoffschlüssig mit der Oberfläche des Objekts verbunden sind. Die Ummantelung kann eine Aufnahme bilden. Eine Form der Aufnahme kann komplementär sein zu einer Form des Objekts. Das Objekt kann zumindest teilweise in der Aufnahme aufgenommen sein. Die Ummantelung und die Außenhülse und/oder die Abdeckkappe können einstückig ausgebildet werden. Der Statorrohling und die Außenhülse können mittels der Ummantelung des ersten Abschnitts miteinander verbunden werden.
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Während des Spritzgießverfahrens kann weiterhin mindestens eine Innenhülse ausgebildet werden. Die Innenhülse kann sich an die Abdeckkappe anschließen und kann eingerichtet sein, den Rotor umfangsseitig zu umgeben. Die Innenhülse kann mindestens eine Aussparung aufweisen. Weiterhin kann sich die Innenhülse entlang einer Achse der Außenhülse erstrecken. Der Rotor kann drehbar in der Innenhülse gelagert sein, so dass sich der Rotor um die Achse des Stators drehen kann. Die Innenhülse kann hohl ausgebildet sein und eine Aufnahme für den Permanentmagneten aufweisen. Der Permanentmagnet kann ausgebildet sein, mittels eines Magnetfeldes, das über den Stator induziert wird, den Turbolader elektrisch anzutreiben.
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Die Innenhülse kann koaxial zu der Außenhülse angeordnet sein und die Aussparung kann eingerichtet sein zur Aufnahme mindestens eines Permanentmagneten. Der Begriff „Aussparung“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebige Aufnahme, welche eingerichtet ist, um mindestens ein beliebiges Objekt zu halten, insbesondere in einer gewünschten Position, und/oder das Objekt von einer Umgebung des Objekts zu trennen. Die Aussparung kann daher einen Hohlraum aufweisen. Der Hohlraum kann eine Form aufweisen, welche komplementär zu dem Objekt ist. Das Objekt kann Abmessungen aufweisen, welche vorzugsweise kleiner sind das Abmessungen der Aufnahme. Das Objekt kann derart in der Aussparung angeordnet sein, dass sich das Objekt in der Aussparung bewegen kann, beispielsweise durch Kippen. Vorzugsweise ist die Aussparung jedoch derart ausgebildet, dass eine Bewegung des Objekts innerhalb der Aufnahme vermieden oder zumindest reduziert ist. Die Aussparung kann eine axiale Aussparung sein. Der Begriff „axiale Aussparung“ bezeichnet grundsätzlich, dass sich die Aussparung entlang einer Achse erstecken kann.
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Das Verfahren kann weiterhin den folgenden Schritt umfassen:
- c) Anbringen mindestens einer Spule zur Erzeugung eines Antriebsmagnetfelds an mindestens einem der Statorzähne.
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Schritt c) kann vor oder nach Durchführung des Schritts b) durchgeführt werden.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Antriebsmaschine für einen Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Die elektrische Antriebsmaschine umfasst mindestens einen Stator wie er bereits beschrieben wurde oder im Folgenden noch beschrieben wird, mindestens eine in dem Gehäuse drehbar gelagerte Welle sowie mindestens einen Rotor, welcher drehfest an der Welle angeordnet ist.
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Unter einem „Rotor“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein rotierendes Bauteil einer elektrischen Antriebsmaschine, wie beispielsweise einem Elektromotor, zu verstehen, das alternativ auch als Läufer bezeichnet wird. Der Rotor weist dabei zweckmäßigerweise zumindest einen Permanentmagneten auf, der mit dem drehenden Magnetfeld des Stators zusammenwirkt. Insbesondere kann der Rotor drehfest mit dem Verdichter und/oder der Turbine verbunden sein.
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Die elektrische Antriebsmaschine kann weiterhin mindestens einen Flansch aufweisen. Der Stator kann mittels des Flansches mit einem Ansaugrohr eines Verdichters und/oder einer Turbine verbindbar sein. Das Ansaugrohr kann eingerichtet sein, dem Verdichter und/oder der Turbine ein Fluid zuzuführen.
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Unter einem „Ansaugrohr“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Rohr zu verstehen, welches eingerichtet ist, ein Fluid einem anderen Element zuzuführen. Insbesondere ist das Ansaugrohr eingerichtet, dem Verdichter und/oder der Turbine das Fluid zuzuführen. Das Ansaugrohr kann als Rohr ausgebildet sein. Der Begriff „Rohr“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen, länglichen Hohlkörper. Der Hohlkörper kann eine Länge und einen Durchmesser aufweisen. Die Länge kann größer sein als der Durchmesser, beispielsweise um mindestens einen Faktor von 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor von 3, besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor von 5. Der Durchmesser kann insbesondere eine runde Form aufweisen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich denkbar.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verdichter und/oder eine Turbine, insbesondere ein Abgasturbolader vorgeschlagen, umfassend ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse drehbar gelagerte Welle, auf welcher zumindest ein Verdichterrad oder Turbinenrad drehfest angeordnet ist, und eine elektrische Antriebsmaschine, wie sie bereits beschrieben wurde oder im Folgenden noch beschrieben wird. Der Verdichter und/oder die Turbine können weiterhin das Ansaugrohr umfassen, welches mittels des Flansches an der elektrischen Antriebsmaschine befestigt ist und welches eingerichtet ist, dem Verdichter und/oder der Turbine das Fluid zuzuführen.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Stators, die elektrische Antriebsmaschine sowie der vorgeschlagene Verdichter und/oder Turbine weisen im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere kann beispielsweise eine kostengünstige Herstellung des Stators realisiert und eine Montage des Stators in den Verdichter/ die Turbine vereinfacht werden.
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Üblicherweise werden der Statorrohling und die statorfeste Einrichtung separat gefertigt, nachbearbeitet und anschließend zusammenmontiert. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Nachbereitung nun entfallen, insbesondere da die statorfeste Einrichtung, welche auch als Medienkanal bezeichnet werden kann, als ein Teil an einen verschweißten, mit Spulen versehenen Statorrohling im Rahmen des Spritzgießverfahrens angeformt werden kann.
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Vorteilhafterweise kann ein Spritzgießwerkzeug wesentlich einfacher ausgeführt werden, insbesondere in einem Vergleich zu einem Kunststoffkanal mit Medienleitelementen, welcher als Einzelteil als Halbzeug vorbereitet wird. Durch einen Entfall eines notwendigen Schiebers für Statorzahndurchbrüche kann ein Auf-/Zu-Werkzeug eingesetzt werden. Weiterhin kann eine Klebekontur um den Statorzahn, insbesondere um den Spulenbereich vom Medienbereich abzuschirmen, entfallen, da eine Abdichtung während des Spritzgießverfahrens umgesetzt werden kann. Eine Toleranzkette der Komponenten des Stators kann sich reduzieren, da zusätzliche Montage- und/oder Nachbearbeitungsschritte grundsätzlich entfallen oder zumindest reduziert sein können.
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Weiterhin kann der Statorzahn zumindest teilweise ummantelt werden. Die Ummantelung kann somit als Korrosionsschutz für den Statorzahn eingerichtet sein. Insbesondere kann bei Verbrennungsmotoren mit einer Abgasrückgewinnung ein Korrosionsschutz des Weicheisens unabdingbar sein. Zusammen mit der Ummantelung des Statorzahns kann eine einheitliche, strömungsvorteilhafte Oberfläche und Profilform um den Statorzahn realisiert werden.
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Der Statorrohling, insbesondere der verschweißte Statorrohling mit den Spulen, kann in eine Spritzgießmaschine gelegt werden und über das Auf-/Zu-Werkzeug kann die statorfeste Einrichtung, insbesondere der Medienkanal, insbesondere inklusive der Ummantelung der Statorzähne angeformt werden.
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Figurenliste
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen
- 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verdichters mit einer elektrischen Antriebsmaschine; und
- 2A bis 2C ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Stators (2A und 2B) und einen ersten Abschnitt eines Statorzahns in einer Schnittdarstellung (2C).
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verdichters 110, insbesondere eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, mit einer elektrischen Antriebsmaschine 112 in einer Schnittansicht.
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Der Verdichter 110 umfasst dabei ein Gehäuse 114 sowie eine in dem Gehäuse 114 drehbar gelagerte Welle 116. Auf der Welle 116 ist ein Verdichterrad 118, beispielsweise ein Turbinenrad, drehfest angeordnet. Weiterhin ist ein Rotor 120 der Antriebsmaschine 112 ebenfalls drehfest mit der Welle 116 verbunden, welcher mindestens einen Permanentmagneten 122 aufweist. Die Antriebsmaschine 112 umfasst zudem einen Stator 124 sowie eine Mehrzahl von radial bezüglich einer Achse 128 des Stators 124 angeordneten Statorzähnen 130. Der Stator 124 weist weiterhin statorfeste Einrichtung 132 zur Führung eines durch die elektrische Antriebsmaschine 112 strömenden Fluids auf, wobei die statorfeste Einrichtung 132 eine Außenhülse 134, beispielsweise eine mit den Statorzähnen 130 verbundene Außenhülse134, und einen koaxial zu der Außenhülse 134 angeordnete Innenhülse 136 umfasst. Eine Fließrichtung des durch ein Ansaugrohr 140 strömenden Fluids ist dabei in 1 beispielsweise durch Pfeile 142 dargestellt. Die elektrische Antriebsmaschine 112 umfasst mindestens einen Flansch 138. Der Flansch 138 ist eingerichtet, die elektrische Antriebsmaschine an ein Ansaugrohr 140 zu befestigen.
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2A bis 2B zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Stators 124. Der Stator 124 entspricht zumindest weitgehend dem Stator 124 des Verdichters 110 gemäß 1, so dass zumindest weitgehend auf die Beschreibung der 1 oben verwiesen werden kann.
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In einem ersten Schritt, wie in 2A dargestellt, wird ein Statorrohling 144 bereitgestellt. Der Statorrohling 144 kann ein Statorjoch 146 umfassen. Weiterhin umfasst der Statorrohling 144 eine Mehrzahl von radial bezüglich der Achse 128 des Stators 124 angeordneten Statorzähnen 130. Die Statorzähne 130 können jeweils mindestens eine Spule 148 zur Erzeugung eines Antriebsfeldes bilden. Die Spulen 148 können eine mehrphasige Antriebswicklung 126 ausbilden.
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Die Statorzähne 128 können von dem Statorjoch 146 radial nach innen vorstehen und in Umfangsrichtung gesehen beabstandet voneinander gleichmäßig verteilt angeordnet sein Die Statorzähne 130 können jeweils mindestens einen, der Achse 128 des Stators 124 zugewandten, ersten Abschnitt 150 und mindestens einen, dem Statorjoch 146 zugewandten, zweiten Abschnitt 152 aufweisen. Der zweite Abschnitt 152 kann die Spule 148 aufweisen. Insbesondere kann beispielsweise auf jedem Statorzahn 130 jeweils eine der Spulen 148 radial angeordnet sein. Zum Beispiel können die Spulen 148 auf den Statorzähnen 130 jeweils mittels einer Spulenhalterung 154 angebracht sein. Der erste Abschnitt 150 kann als Haltestrebe 156 ausgebildet sein.
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In einem zweiten Schritt wird der Statorrohling 144 mit der statorfesten Einrichtung 132 verbunden, derart, dass die statorfeste Einrichtung 132 koaxial zu dem Statorjoch 146 angeordnet ist. Die statorfeste Einrichtung 132 kann mindestens eine Abdeckkappe 135 aufweisen. Es kann sich folglich der Stator 124 ausbilden. In 2B ist der Stator 134 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Das Verfahren umfasst mindestens ein Spritzgießverfahren, wobei während des Spritzgießverfahrens die statorfeste Einrichtung 132 geformt und mit dem Statorrohling 144, wie in 2B dargestellt, verbunden wird. Ein Durchmesser der statorfesten Einrichtung 132, insbesondere der Außenhülse 134, entlang der Achse 128 des Stators 124 kann variieren.
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Die Außenhülse 134 kann einen kleineren Durchmesser aufweisen als das Statorjoch 146. Die Außenhülse 134 kann daher zumindest teilweise innerhalb des Statorjochs 146 angeordnet sein. Eine Oberfläche 160 der Außenhülse 134, welche dem Statorjoch 146 zugewandt ist, kann an die Spulen 148 angrenzen. Der erste Abschnitt 150 kann ein erstes Ende 162 und ein zweites Ende 164 aufweisen. Das erste Ende 162 kann der Achse 128 des Stators 124 zugewandt sein. Das zweite Ende 164 kann an den zweiten Abschnitt 152 angrenzen, bzw. mit dem zweiten Abschnitt 152 verbunden sein. Das zweite Ende 162 kann einen Abstand zu der Achse 128 des Stators 124 aufweisen, welcher einem Abstand der Außenhülse 134 zu der Achse 128 des Stators 128 entspricht.
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Während des Spritzgießverfahrens kann mindestens eine Ummantelung 166 geformt werden, welche den ersten Abschnitt 150 zumindest teilweise umschließt. Die Ummantelung 166 und die Außenhülse 134 können einstückig ausgebildet werden. Der Statorrohling 144 und die Außenhülse 134 können mittels der Ummantelung 166 des ersten Abschnitts 150 miteinander verbunden werden.
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Während des Spritzgießverfahrens kann weiterhin die Innenhülse 136 mit mindestens einer Aussparung 168 ausgebildet werden. Insbesondere kann die Innenhülse 136 in einem Inneren der Außenhülse 134 angeordnet sein. Weiterhin kann sich die Innenhülse 136 entlang einer Achse 170 der Außenhülse 134 erstrecken. Der Rotor 120, wie in 1 dargestellt, kann drehbar gelagert sein, so dass sich der Rotor 120 um die Achse 128 des Stators 124 drehen kann. Die Aussparung 168 kann ausgebildet sein, um mindestens einen Permanentmagneten 122 aufzunehmen. Der Permanentmagnet 122 kann ausgebildet sein, mittels eines Magnetfeldes, das über den Stator 124 induziert wird, den Turbolader und/oder den Verdichter 110 elektrisch anzutreiben.
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In 2C ist der erste Abschnitt 150 eines Statorzahns 130 in einer Schnittdarstellung dargestellt. Der erste Abschnitt 150 kann aus mindestens einem metallischen Material, beispielsweise aus mindestens einem Weicheisen, hergestellt sein. Der erste Abschnitt 150 kann die Ummantelung 166 umfassen. Die Ummantelung 166 kann aus mindestens einem thermoplastischen Material hergestellt sein. Die Ummantelung 166 kann ein Profil 174 aufweisen. Die Ummantelung 166 kann sich entlang einer Achse 176, welche quer zu einer Erstreckungsrichtung des ersten Abschnitts 150 verläuft, erstrecken. Die Ummantelung kann ein erstes Ende 178 und ein zweites Ende 180 aufweisen. Das erste Ende 178 und das zweite Ende 180 können jeweils auf der Achse 176 münden. Das zweite Ende 180 kann zu der Achse 176 hin spitz zulaufen. Die Ummantelung 166 kann eine ovale Grundform aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014210451 A1 [0001]
- DE 102015203596 A1 [0004]
