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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator für einen Elektromotor, beispielsweise für einen Stell- oder Antriebsmotor in einem Kraftfahrzeug, mit mehreren, über den Umfang angeordneten Trägerzähnen, auf die jeweils eine Spule gewickelt ist.
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Stand der Technik
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Bekannt sind Statoren für EC-Elektromotoren, wobei die Statoren mehrere über den Umfang verteilte Trägerzähne mit darauf gewickelten Spulen umfassen, die zur elektrischen Kontaktierung an eine Verschaltplatte angeschlossen sind. Die Spulen werden üblicherweise mithilfe einer Wickelnadel oder Wicklungsdüse auf die Trägerzähne des Stators gewickelt. Im Fall von Trägerzähnen, die sich von einem innenliegenden Trägerring radial nach außen erstrecken, müssen der Spulendrahtanfang und das Spulendrahtende während des Wicklungsprozesses radial nach innen geführt werden, um eine spätere Verschaltung am Stator zu ermöglichen. Da jedoch der Wickelraum auf der radial innenliegenden Seite begrenzt ist, zugleich aber zum Erreichen eines hohen Füllfaktors der Wickelraum möglichst dicht mit Spulendraht gepackt werden soll, muss eine komplexe Wickelabfolge zum Erreichen einer möglichst hohen Anzahl an Windungen eingehalten werden. Dies erhöht die Komplexität der Drahtverlegung und die Wicklungszeit.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Stator wird insbesondere für EC (elektronisch kommutierte) -Elektromotoren verwendet. Der Stator weist eine Mehrzahl von Trägerzähnen auf, die gleichmäßig über den Umfang des Stators verteilt angeordnet sind und sich radial erstrecken. Auf jeden Trägerzahn ist eine Spule gewickelt. An der radialen Außenseite der Trägerzähne befindet sich ein Rückschlussring, der das Magnetfeld beeinflusst, welches bei einer Bestromung der Spulen erzeugt wird. Der Rückschlussring ist insbesondere kraft- und reibschlüssig, gegebenenfalls formschlüssig auf die radiale Außenseite der Trägerzähne in der Weise aufgesetzt, dass die Längsachse des Rückschlussrings mit der Längsachse des Trägerrings und des Stators zusammenfällt.
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An der radialen Außenseite jedes Trägerzahns ist eine Umlenköse zur Aufnahme und Umlenkung des Spulendrahts der Spulen am betreffenden Trägerzahn angeordnet. Die Umlenköse befindet sich an einer axialen Stirnseite des Rückschlussrings.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass zusätzliche Möglichkeiten bei der Wickelabfolge bestehen und insbesondere eine Wickelabfolge mit reduzierter Komplexität realisiert werden kann. Der Spulendraht wird über die Umlenköse über die radiale Außenseite des Trägerzahns hinaus geführt und wieder umgelenkt, so dass es möglich ist, das Spulendrahtende radial nach innen in Richtung des innenliegenden Trägerrings zu führen, wo der Anschluss des Spulendrahtendes an die Verschaltplatte erfolgt. Die Spulenwicklung kann mit mehreren Wicklungslagen ausgeführt werden, um einen hohen Füllfaktor zu erreichen. Die Anzahl der Wicklungslagen im innenliegenden Grund des Wickelraums kann unter Vermeidung einer komplexen Wickelabfolge an die beengten Platzverhältnisse angepasst werden. Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Stator die Komplexität der Wickelabfolge reduziert, so dass auch das Risiko von Wickelfehlern und Ausschussteilen verringert wird. Außerdem geht die Komplexitätsreduzierung mit einer Zeitersparnis beim Wicklungsprozess einher. Trotz der beengten Platzverhältnisse insbesondere am Grund des Wickelraums lässt sich eine hohe Anzahl an Windungen realisieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist die Umlenköse mit dem radial außenliegenden Zahnkopf des Trägerzahns verbunden. Der Stator weist beispielsweise an einem innenliegenden Trägerring eine Mehrzahl von Trägerzähnen auf, die gleichmäßig über den Umfang des Trägerrings verteilt angeordnet sind und sich vom Trägerring radial nach außen erstrecken. Die Umlenköse kann als ein separat vom Trägerzahn ausgebildetes Bauteil ausgeführt sein, das mit dem Zahnkopf des Trägerzahns verbunden ist, insbesondere auf feste, unlösbare Weise. Der Zahnkopf liegt hier insbesondere dem Magnetpol des Trägerzahns radial gegenüber. Gegebenenfalls kommt auch eine lösbare Verbindung mit dem Trägerzahn in Betracht. Die Umlenköse kann entweder aus dem gleichen Material wie der Trägerzahn gefertigt sein oder aus einem anderen Material. Das Material der Umlenköse kann entweder magnetisch leitend oder magnetisch nicht-leitend ausgebildet sein.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ragt die Umlenköse radial über den Zahnkopf des Trägerzahns hinaus und ist zugleich im Seitenbereich des Zahnkopfes angeordnet. Die Umlenköse liegt somit seitlich bzw. axial versetzt zu einer Mittelebene durch die Trägerzähne des Stators. Dieser seitliche Versatz ermöglicht es, dass der Rückschlussring auf die Außenseite der Trägerzähne - den Zahnkopf - aufsetzbar ist und hierdurch die radiale Außenseite der Trägerzähne einfasst. Der Rückschlussring kann im Anschluss an den Wicklungsprozess axial auf die Trägerzähne aufgeschoben werden, bis die axiale Stirnseite des Rückschlussrings an der Umlenköse anliegt. Hierbei kommt sowohl ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Stirnseite des Rückschlussrings und der Umlenköse in Betracht als auch eine Position von Rückschlussring und Umlenköse mit einem zwischenliegenden Spalt.
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Vorteilhafterweise sind sämtliche Trägerzähne des Stators mit einer entsprechenden Umlenköse zum Aufnehmen und Umlenken des Spulendrahts ausgerüstet.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind sowohl der Spulendrahtanfang als auch das Spulendrahtende jeder Spule radial nach innen geführt. Diese Ausführung erlaubt es, Spulendrahtanfang und Spulendrahtende an der radial innenliegenden Seite an die Verschaltplatte anzuschließen. Die Umlenkung des Spulendrahts über die Umlenköse ermöglicht eine Rückführung des an der Umlenköse geführten Spulendrahts von der radial außenliegenden Seite des Trägerzahns zur radial innenliegenden Seite.
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Die Umlenköse kann konstruktiv so ausgestaltet sein, dass der Spulendraht sicher aufgenommen und geführt ist. Es kann beispielsweise zweckmäßig sein, in die Außenkontur der Umlenköse eine Rille einzubringen, in der der Spulendraht liegt, wobei die Rille eine sichere und präzise Führung des Spulendrahts ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung befindet sich an der Umlenköse ein Fixierteil zum Halten und Führen des Spulendrahts, wobei das Fixierteil vorzugsweise in Umfangsrichtung versetzt an der Führungskontur der Umlenköse liegt. Die Führungskontur erstreckt sich über die radiale Außenseite des Trägerzahns hinaus und nimmt den Spulendraht auf. Die seitliche Position des Fixierteils hält den Spulendraht in einer gewünschten Position an der Umlenköse und führt den Spulendraht insbesondere in Richtung der radial außenliegenden Außenkontur der Umlenköse. Bei dem Fixierteil handelt es sich beispielsweise um einen Haltepin an der Umlenköse, der sich an oder benachbart zu einer Schulter an der Umlenköse befindet, wobei der Spulendraht über die Schulter in Richtung der Außenkontur geführt ist und von dem Haltepin fixiert wird.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist die Umlenköse eine konvex gekrümmte Außen- bzw. Führungskontur auf, an der der Spulendraht anliegt. Die Außenkontur erstreckt sich über die radiale Außenseite des Trägerzahns radial hinaus. Die gekrümmte, radial außenliegende Außenkontur ist beispielsweise teilkreisförmig ausgebildet.
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In einer alternativen Ausführung weist die Außenkontur der Umlenköse, die sich über die radiale Außenseite des Trägerzahns hinaus erstreckt, eine radial nach außen gerichtete Führungserhebung auf, wobei der Spulendraht über die Stirnseite der Führungserhebung geführt ist. Hierbei genügt es, genau eine Führungserhebung vorzusehen, um die gewünschte Umlenkung des Spulendrahts zu erreichen. Es kann gegebenenfalls aber auch zweckmäßig sein, zwei nebeneinander liegende, in Umfangsrichtung beabstandete Führungserhebungen vorzusehen, über deren Stirnseite jeweils der Spulendraht geführt ist. Die Erhebungen können eine unterschiedliche radiale Erstreckung aufweisen, insbesondere in der Weise, dass der von der Wicklung herangeführte Spulendraht zunächst über eine radial größere Führungserhebung geführt ist und anschließend, bei der Umlenkung radial nach innen, über eine kleinere Führungserhebung. Alternativ ist es auch möglich, beide Führungserhebungen mit einer gleichen radialen Erstreckung auszuführen. Die Führungserhebung ist beispielsweise als ein Führungsstab oder Führungspin, ausgebildet, der sich in Radialrichtung erstreckt.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Elektromotor, insbesondere einen EC-Elektromotor, mit einem vorbeschriebenen Stator und einem Rotor. Der Elektromotor ist insbesondere als Innenläufer ausgeführt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines vorbeschriebenen Stators. Bei dem Herstellungsverfahren wird der Wicklungsprozess zum Bewickeln der Trägerzähne in der Weise durchgeführt, dass der Spulendraht an der radial innenliegenden Seite des Trägerzahns beginnend in der ersten Wicklungslage radial nach außen geführt wird. Anschließend wird in einer zweiten Wicklungslage der Spulendraht wieder radial nach innen geführt, woraufhin nochmals die Wicklungsrichtung umgekehrt wird und der Spulendraht in einer dritten Wicklungslage wieder radial nach außen geführt wird. Daraufhin wird der Spulendraht über die Umlenköse geleitet und das Spulendrahtende wieder radial nach innen geführt, so dass sowohl der Spulendrahtanfang als auch das Spulendrahtende jeweils radial innen liegen.
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Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, mehr als drei Wicklungslagen vorzusehen, beispielsweise fünf Wicklungslagen oder sieben Wicklungslagen, wobei mit dem Beenden der letzten Wicklungslage das Spulendrahtende über die Umlenköse gelenkt und wieder radial nach innen geführt wird. Die Anzahl der Wicklungslagen ist vorteilhafterweise ungerade.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden nach Abschluss des Wicklungsprozesses der Rückschlussring und der Trägerring, welcher die Trägerzähne aufnimmt, zusammengefügt. Der Trägerring mit den Trägerzähnen kann in den Rückschlussring eingepresst werden, wobei das Zusammenfügen in der Weise erfolgt, dass die radial überstehende Umlenköse auf der der Fügerichtung abgewandten Seite liegt.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 einen Ausschnitt aus einem Stator für einen EC-Elektromotor, mit radial sich nach außen erstreckenden Trägerzähnen zur Aufnahme jeweils einer Spule aus Spulendraht und mit einer Umlenköse an der radialen Außenseite jedes Trägerzahns,
- 2 eine Gesamtansicht des Stators einschließlich eines Rückschlussrings, welcher die radiale Außenseite der Trägerzähne einfasst,
- 3 die Trägerzähne am Trägerring mit den Umlenkösen an den Zahnköpfen der Trägerzähne,
- 4 in perspektivischer Einzeldarstellung eine Umlenköse an einem Trägerzahn,
- 5 eine Umlenköse in einer Ausführungsvariante,
- 6 eine Umlenköse auf einem bewickelten Trägerzahn in einer weiteren Ausführungsvariante,
- 7 noch eine Ausführungsvariante einer Umlenköse auf einem bewickelten Trägerzahn.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen einen Stator 1 für einen EC-Elektromotor, wobei der Stator 1 eine Reihe von Trägerzähnen 2 an einem Trägerring 3 ist, wobei jeder Trägerzahn 2 Träger einer gewickelten Spule 4 ist. Zum Stator 1 gehört außerdem ein Rückschlussring 5, der die radialen Außenseiten der Trägerzähne 2 umgreift und einfasst. In den Trägerring 3 ist eine zentrale Ausnehmung zur Aufnahme eines Rotors eingebracht.
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Der Trägerring 3 bildet ein innenliegendes Bauteil, von dem aus sich die Trägerzähne 2 radial nach außen erstrecken. Dementsprechend weist der Wicklungsraum 6 zwischen zwei benachbarten Trägerzähnen 2 eine annähernd trapezförmige Querschnittsform auf, wobei die Schmalseite den radial innenliegenden Grund bildet.
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Jeder Trägerzahn 2 weist an seiner radial außenliegenden Seite einen verbreitert ausgeführten Zahnkopf 7 auf, welcher den Wicklungsraum 6 radial nach außen begrenzt. Jeder Zahnkopf 7 ist Träger einer Umlenköse 8, welche radial nach außen konvex gekrümmt ist und an deren Außenkontur der Spulendraht 9 geführt ist, aus welchem die Spule 4 gewickelt ist. Die Außenkontur der Umlenköse 8 ist insbesondere teilkreisförmig ausgeführt. Die Umlenköse 8 ermöglicht es, dass das Spulendrahtende 9a zur radial innenliegenden Seite in Richtung des Trägerrings 3 geführt ist, wo der Anschluss an eine Verschaltplatte am Stator erfolgt. Auch der Spulendrahtanfang liegt an der radial innenliegenden Seite und ist mit der Verschaltplatte verbunden.
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Die Umlenköse 8 ist vorzugsweise fest mit dem Zahnkopf 7 verbunden und zentrisch zur Mittelachse des Trägerzahns 3 ausgerichtet. Die konvex gekrümmte Außenkontur der Umlenköse 8 erstreckt sich - in Umfangsrichtung gesehen - über eine größere Distanz als der Trägerzahn 2. Dies ermöglicht es, dass der Spulendraht 9 von der außenliegenden Wicklungslage der Spule 4 kommend ohne seitlichen Versatz direkt zur Außenkontur der Umlenköse 8 geleitet werden kann, um die Umlenköse 8 herumgeführt wird und schließlich das Spulendrahtende 9a radial nach innen bis in Höhe des Trägerrings 3 geführt wird.
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In 1 ist in den insgesamt drei Wicklungslagen der Spule 4 die Wicklungsrichtung in jeder Lage mit Pfeilen eingetragen. Die erste, unmittelbar an der Seitenfläche des Trägerzahns 2 anliegende Wicklungslage beginnt an der radial innenliegenden Seite im Grund des Wicklungsraums 6 und wird radial nach außen bis zum Erreichen des Zahnkopfes 7 geführt. Anschließend wird die zweite Wicklungslage wieder radial nach innen geführt, woraufhin die dritte Wicklungslage wieder radial nach außen geführt wird bis zum Erreichen des Zahnkopfes 7. Danach erfolgt die Umlenkung über die Außenkontur der Umlenköse 8. Der Vorteil dieses Wicklungsvorganges liegt in der einfachen Wickelabfolge, wodurch das Risiko eines Fehlers reduziert ist und die Anzahl von Ausschussteilen verringert wird. Außerdem kann der Wicklungsprozess schneller durchgeführt werden. Schließlich ist es auch möglich, mehr Windungen anzuordnen, wodurch der Füllfaktor erhöht wird.
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Die Umlenköse 8 befindet sich in Achsrichtung gesehen im seitlichen Bereich des Zahnkopfes 7, wie den 2 bis 5 zu entnehmen ist. Dieser axiale Versatz der Wicklungsöse 8 gegenüber einer Mittelebene durch die Trägerzähne 2 erlaubt es, den Rückschlussring 5 auf der Außenseite der Zahnköpfe 7 anzuordnen. Im montierten Zustand gemäß den 1 und 2 liegt die Umlenköse 8, die radial über den Zahnkopf 7 hinausragt, entweder unmittelbar an der axialen Stirnseite des Rückschlussrings 5 an oder liegt benachbart zu der axialen Stirnseite des Rückschlussrings 5. Die axiale Dicke der Umlenköse 8 ist hierbei signifikant geringer als die axiale Erstreckung des Zahnkopfes 7.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 befindet sich die Umlenköse 8 unmittelbar an der radial außenliegenden Seite des Zahnkopfes 7. In der Ausführungsvariante, die in 4 und 5 dargestellt ist, liegt dagegen die Umlenköse 8 an der axialen Seite des Zahnkopfes 7, was den Vorteil hat, dass der gesamte Zahnkopf 7 zur Aufnahme des Rückschlussrings 5 zur Verfügung steht.
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Bei den 4 und 5 bildet der Übergang an der axialen Seite des Zahnkopfes 7 zur Umlenköse 8 eine Schulter 10, an der der Spulendraht unmittelbar vor dem Umlenken an der Außenkontur der Umlenköse 8 anliegt. Gemäß 5 kann es zweckmäßig sein, ein Fixierteil 11 zusätzlich vorzusehen, das benachbart zu der Schulter an der Umlenköse 8 angeordnet ist, jedoch mit Abstand zur Schulter 10, um einen Durchgang für den Spulendraht zu bilden. Das Fixierteil 11 sichert den Spulendraht zwischen der Schulter 10 und der Unterseite des Fixierteils.
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In den 6 und 7 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele einer Umlenköse 8 am Zahnkopf 7 dargestellt. Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen besitzt die Umlenköse 8 keine konvex gekrümmte Außenkontur, sondern umfasst zwei pin- oder stabförmige Führungserhebungen 12 (6) bzw. eine derartige Führungserhebung 12 (7). Die Führungserhebung 12 liegt auf der Außenseite des Zahnkopfes 7 an und erhebt sich über die Außenseite des Zahnkopfes 7.
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In 6 sind die beiden Führungserhebungen 12 beabstandet zueinander angeordnet, bezogen auf die Umfangsrichtung. Der Spulendraht 9 wird von der Spule 4 kommend radial nach außen entlang der ersten Führungserhebung 12 geführt, um diese umgelenkt, bis zur zweiten Erhebung 12 geführt und an dieser radial nach innen gelenkt, so dass das Spulendrahtende 9a weiter radial innen liegt als der Beginn der Spule 4.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 7 ist der Spulendraht 9, von der Spule 4 kommend, an der einzelnen Erhebung 12 radial nach außen geführt und wird um diese umgelenkt. Der Spulendraht 9 ist im weiteren Verlauf zur gegenüberliegenden Seite der Spule 4 geleitet und kann hierbei gegebenenfalls an dem Zahnkopf 7 abgestützt werden.
