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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Stators. Insbesondere betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Statoren für elektrische Maschinen, wie beispielsweise Elektromotoren oder elektrische Generatoren, bekannt, siehe beispielsweise die Anmeldeschrift
US2010/0192357 .
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Statoren können beispielsweise aus einem Statorblechpaket aufgebaut sein, mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Ring, dem sogenannten Joch, von dem aus Zähne bildende Stege nach innen gerichtet sind. Zwischen diesen Zähnen liegen Freiräume, sogenannte Nuten, in die die Statorwicklungen eingebracht werden.
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Die Wicklungen müssen bei Statoren nach dem Stand der Technik oftmals von innen her zwischen den seitlichen Enden der Zahnköpfe hindurch um die Zähne gelegt werden. Dies ist zum einen recht aufwendig, zum anderen ist es schwierig, einen hohen Füllgrad in den Wickelräumen (Nuten) zu erreichen, was eine größere Bauform der Motoren bedingen kann. Dies kann ferner auch zu höheren Kosten eines Motors führen.
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Außerdem ist der Magnetfluss zwischen Jochring und Zähnen bei Statoren aus dem Stand der Technik unter Umständen nicht optimal, so dass die Leistungsfähigkeit einer elektrischen Maschine mit einem solchen Stator eingeschränkt sein kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Probleme aus dem Stand der Technik, zumindest teilweise, zu lösen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Stator bereitzustellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Stator mit gesteigerten Drehmoment, insbesondere mit einem gesteigerten Dauerdrehmoment, bereitzustellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, einen Stator bereitzustellen, mit dem ein verbesserter und/oder kostengünstiger Zahnbewicklungsprozess erfolgen kann.
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Die Aufgabe wird mit einem Stator nach dem Anspruch 1, einer elektrischen Maschine mit einem Stator nach dem Anspruch 12 und einem Verfahren zum Herstellen eines Stators nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dieser Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem Jochring, und einer Mehrzahl von Zähnen, welche innerhalb des Jochrings in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei jeder Zahn einen Jochabschnitt aufweist, wobei die Jochabschnitte der Zähne sich in Umfangsrichtung gegeneinander abstützen, wobei jeweils zumindest ein Teil des Außenumfangs des Jochabschnitts jedes Zahnes abweichend von einer zur Mittelachse des Stators konzentrischen Kreissektorform ist und der Außenumfang an jeder Stelle einen Winkel von mehr als 45° mit dem durch die Mittelachse definierten Radius einschließt.
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Ein weiterer Aspekt betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator in einer der hierin beschriebenen typischen Ausführungsformen und einem innerhalb des Stators und konzentrisch zum Stator angeordneten Rotor.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stators in einer der hierin beschriebenen typischen Ausführungsformen für eine elektrische Maschine. Typischerweise umfasst das Herstellverfahren: Anordnen einer Mehrzahl von Zähnen nebeneinander entlang einer Umfangsrichtung, wobei jeder Zahn einen Jochabschnitt aufweist; Fügen eines Jochrings mit der angeordneten Mehrzahl von Zähnen, so dass sich die Jochabschnitte der Zähne in Umfangsrichtung gegeneinander abstützen, wobei der Jochring aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist, welches zur Unterdrückung von Wirbelströmen von einem elektrischen Isolierstoff durchsetzt ist. Typischerweise wird der Jochring als Komplettschnitt gestanzt. Typischerweise ist ein Teil des Außenumfangs des Jochabschnitts eines Zahns ein gerader oder gekrümmter Abschnitt des Außenumfangs eines Zahns.
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Typischerweise wird mit dem Begriff Außenumfang der Teil des Jochabschnittes eines Zahnes bezeichnet, welcher den Zahn nach radial außen begrenzt, oder der Teil, welcher an den Jochring angrenzt. Bei typischen Ausführungsformen bezeichnen diese Definitionen den identischen Teil des Jochabschnittes des Zahnes.
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Typischerweise ergibt sich der Winkel als Schnittwinkel zwischen der Tangente an den Außenumfang an einer Stelle und durch eine Gerade, die durch den Radius durch die Mittelachse des Stators erzeugt wird.
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Typischerweise wird mit dem Winkel, welcher durch den Außenumfang an einer Stelle und den Radius durch die Mittelachse des Stators eingeschlossen wird, der kleinere der beiden Winkel bezeichnet. Soweit hierin Winkel betrachtet werden, wird mit „Radius“ typischerweise eine Gerade bezeichnet, welche zur Winkelbestimmung über den Außenumfang hinausreicht. Typischerweise wird der Winkel durch den Außenumfang an einer Stelle und den Radius durch diese Stelle definiert. Typischerweise bezieht sich der Winkel auf den durch die Tangente des Außenumfangs an dieser Stelle und den Radius an dieser Stelle eingeschlossenen Winkel. Typischerweise beträgt der Winkel an jeder Stelle des Außenumfangs des Jochabschnittes des Zahnes mindestens 45°, mindestens 50°, mindestens 55° oder mindestens 60° oder maximal 90°. Vorteilhaft an solchen flachen Winkeln kann eine Vermeidung des Auftretens von ungewollten oder ungeplanten Zwangskräften oder zumindest eine Verringerung von ungewollten oder ungeplanten Zwangskräften sein. Solche flache Winkel können auch helfen mechanische Überbestimmtheit zu vermeiden oder zu verringern. Der genannte Winkel von mindestens 45° kann gleichzusetzen sein mit der folgenden Definition: Die Tangente des Außenumfangs verläuft wenigstens so viel in Umfangsrichtung wie in radialer Richtung, typischerweise mehr in Umfangsrichtung als in radialer Richtung.
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In der vorliegenden Offenbarung stützen sich die Jochabschnitte der Zähne in Umfangsrichtung gegeneinander ab. In Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können sich die Jochabschnitte der Zähne insbesondere unmittelbar gegeneinander abstützen. Beispielsweise ist bei unmittelbarer Abstützung der Jochabschnitt eines Zahnes in unmittelbarem Kontakt mit einem benachbarten Jochabschnitt eines entsprechend benachbarten Zahns. Die Grenzfläche zwischen zwei Zähnen kann dabei eben, insbesondere eine in radialer Richtung ausgerichtete Ebene, oder abweichend von einer Ebene, beispielsweise in Form einer Nut-Feder-Anordnung oder mit einer Keilform ausgeführt sein.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der Jochring aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Das ferromagnetische Material des Jochrings ist typischerweise zur Unterdrückung von Wirbelströmen von einem elektrischen Isolierstoff durchsetzt. Der Jochring kann beispielsweise zumindest zu 90% aus einem isolierstoffdurchsetzten ferromagnetischen Material bestehen. Nach einer Ausführungsform kann der Jochring ein von einem Isolierstoff unterbrochenes Material aufweisen.
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Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen kann der Jochring auf die Gesamtheit der Zähne aufgepresst oder aufgeschrumpft sein. Die Mehrzahl der Zähne wird dabei durch den Jochring radial nach innen zusammengedrückt. Die Zähne stützen sich durch die hierin beschriebene Anordnung der Jochabschnitte in Umfangsrichtung aneinander ab. Die Anordnung der Jochabschnitte kann mit einem selbsttragenden Bogen eines Gebäudes, beispielsweise mit einem Rundbogen, anschaulich verstanden werden.
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In weiteren Ausführungsformen können sich benachbarte Jochabschnitte zumindest mittelbar abstützen. Eine mittelbare Abstützung der Jochabschnitte kann beispielsweise als ein verbindendes Element ausgeführt sein, das mindestens einen, insbesondere alle, Jochabschnitt(e) mit einem jeweils benachbarten Jochabschnitt verbindet.
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Bei Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann das ferromagnetische Material des Jochrings ein SMC sein. Ein SMC bezeichnet hierbei ein Material aus einem sog. „Soft Magnetic Composite“. Ein SMC kann typischerweise ein Material aus weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffen sein, wobei einzelne Partikel des Werkstoffes eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen. Das Material des SMC kann beispielsweise ein Eisen oder eine Eisenlegierung umfassen. Das Material des SMC kann beispielsweise einen Eisengehalt von etwa 70% oder mehr, etwa 75% oder mehr, etwa 80% oder mehr oder etwa 85% oder mehr aufweisen. In weiteren Ausführungsformen kann auch die Mehrzahl von Zähnen aus einem SMC hergestellt sein.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist der Jochring aus einem geblechten Material bzw. aus einem Blechpaket hergestellt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann auch die Mehrzahl von Zähnen aus einem geblechten Material bzw. aus einem Blechpaket hergestellt sein. Mit Blechpaket oder geblechter Ausführung ist eine Ausführung gemeint, bei der Teilblechpakete aus einzelnen dünnen Blechen, die auch Lamellen genannt werden können, bestehen. Als Teilblechpaket wird hierin eine aus einzelnen Blechen gefertigte Komponente verstanden, wobei die Komponente eine Teilkomponente des Stators ist. Die Einzellamellen eines Teilblechpakets liegen üblicherweise axial übereinander und sind typischerweise durch eine dünne Isolationsschicht gegeneinander elektrisch isoliert, um Wirbelströme im Blechpaket zu unterdrücken.
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Ein Blechpaket kann beispielsweise aus einer Mehrzahl von Einzelblechpaketen oder einer Mehrzahl von Einzelblechen aufgebaut sein. Der Jochring kann beispielsweise aus einer Mehrzahl einstückiger Blechringe gefertigt sein. Die Blechdicke der Einzellamelle liegt typischerweise bei etwa 0,1 mm bis in etwa 1 mm. Wenn der Stator beispielsweise eine axiale Blechpaketlänge von 40 mm aufweist, besteht jedes Teilpaket je nach Blechdicke typischerweise aus 400 bis 40 Einzellamellen. Der Blechpaketaußendurchmesser des Jochrings kann in Ausführungsformen beispielsweise 100 mm bis 220 mm betragen. Das Blechpaket ist typischerweise in sich form- und kraftschlüssig.
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Als Verbindungstechnik zwischen den Einzellamellen der Teilblechpakete kann beispielsweise die Backlacktechnik zum Einsatz kommen, bei der benachbarte Einzellamellen im Wesentlichen vollflächig miteinander verklebt werden. Generell sind auch andere Verbindungstechniken denkbar, z.B. Stanzpaketieren oder Schweißen. Die Backlacktechnik kann insbesondere den Vorteil aufweisen, dass der Fügeprozess der Teilpakete unterstützt wird, da jedes Teilpaket für sich eine hohe Festigkeit bei zugleich hoher Formtreue aufweisen kann.
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Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen kann das Bewickeln der jeweiligen Zähne aus der Mehrzahl von Zähnen mit einer um den jeweiligen Zahn verlaufenden Spule vor dem Fügen mit dem Jochring erfolgen. Dadurch kann eine Teil- oder Vollautomatisierung des Wickelprozesses erreicht werden. Insbesondere kann dadurch ein Direktbewickeln der Zähne ermöglicht werden.
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Der Begriff „Direktbewickeln“ beschreibt hierin ein Bewickeln, bei dem der Wickeldraht unmittelbar um den Zahn gewickelt wird. Bei einem nicht direkten Bewickeln, wird beispielsweise die Spule zunächst auf einer Vorrichtung gewickelt und nach dem fertigen Wickeln auf der Vorrichtung auf den Zahn geschoben.
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Ein Direktbewickeln kann ferner in einem höheren Kupferfüllfaktor resultieren, wodurch das Dauerdrehmoment der elektrischen Maschine gesteigert werden kann. In Ausführungsformen kann beispielsweise das Dauerdrehmoment um mindestens 30% gesteigert werden.
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In typischen Ausführungsformen kann das Verfahren mindestens eines aus Aufpressen oder Aufschrumpfen des Jochrings auf die Mehrzahl der angeordneten Zähne, Vergießen und/oder Imprägnieren umfassen.
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Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen weist jeder Zahn einen radial innen liegenden Zahnkopf auf. Typischerweise berühren sich benachbarte Zahnköpfe dabei nicht. Insbesondere können die Zahnköpfe durch Nutschlitze oder so genannte Zahnkopflücken getrennt sein.
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Bei typischen Ausführungsformen ist der Außenumfang zumindest eines Teils der Jochabschnitte der Zähne abweichend von einer zur Mittelachse des Stators konzentrischen Kreissektorform. Insbesondere kann der Außenumfang oder ein Teil des Außenumfangs bei mindestens einem Zahn dergestalt abweichen, dass der mindestens eine Zahn im Jochring in Umfangsrichtung zentriert wird. Bei Ausführungsformen kann der Außenumfang bei jedem Zahn des Stators von einer Kreissektorform abweichen. Bei typischen Ausführungsformen sind alle Zähne oder zumindest 90% der Zähne identisch oder zumindest im Wesentlichen identisch geformt. Typischerweise ist die Geometrie der Jochabschnitte und des Jochrings, beispielsweise bei einer Ausführungsform mit Teilblechpaketen, so gewählt, dass eine günstige Verteilung der mechanischen Spannungen im Gesamtblechpaket erreicht werden kann. Eine elliptische Verformung des Stators bzw. des Jochrings kann vermieden werden.
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Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen kann zumindest ein Teil, insbesondere ein wesentlicher Teil der Jochabschnitte, im Querschnitt mindestens eine, insbesondere nach außen gerichtete, Keilform aufweisen. In Ausführungsformen ist eine Keilform mit einem stumpfen Winkel, größer als 90° und kleiner als 180° oder kleiner als 150° möglich. Der Querschnitt bezieht sich hier auf eine Querschnittsebene senkrecht zur Mittelachse des Stators. Bei Ausführungsformen können alle Jochabschnitte eine, insbesondere nach außen gerichtete Keilform aufweisen. Bei Ausführungsformen kann zumindest ein Teil der Jochabschnitte im Querschnitt mindestens eine radial nach innen gerichtete oder zusätzlich oder stattdessen eine radial nach außen gerichtete Keilform aufweisen.
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Typischerweise weisen die Jochabschnitte der Zähne in Umfangsrichtung eine kontinuierliche Zunahme des radialen Querschnitts von den äußeren Rändern der Jochabschnitte zu den Mitten der Jochabschnitte auf. An den äußeren Rändern stoßen die Jochabschnitte, insbesondere von verschiedenen oder benachbarten Zähnen, bei typischen Ausführungsformen unmittelbar oder mittelbar aneinander. Auf diese Weise kann der Jochabschnitt eine nach außen gerichtete Keilform, beispielsweise auch mit einem Knick des Außenumfangs beidseits der Mitte, aufweisen. Typische Jochabschnitte oder typische Zähne sind symmetrisch zu einer radial ausgerichteten Mittellinie aufgebaut. Typische Jochabschnitte weisen einen Außenumfang auf, welcher symmetrisch zu einer radial ausgerichteten Mittellinie des Zahnes oder des Jochabschnitts ausgebildet ist.
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Bei Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung liegt insbesondere zwischen zumindest einem Teil der Zähne, insbesondere den jeweiligen Jochabschnitten der Zähne, und dem Jochring in Umfangsrichtung ein Formschluss vor.
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In typischen Ausführungsformen kann der Jochring auf die Zähne aufgeschrumpft oder aufgepresst werden. Dadurch kann ein enger Formschluss zwischen Jochring und Zähnen bzw. zwischen Jochring und den jeweiligen Jochabschnitten der Zähne erreicht werden. Die magnetische Flussführung kann dadurch verbessert werden.
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In Ausführungsformen kann die Innenseite des Jochrings von einer Kreisform abweichen. In Ausführungsformen mit nach außen gerichteten Keilformen der Jochabschnitte kann die Innenseite des Jochrings eine zur Keilform komplementäre Aussparung aufweisen. Dadurch kann die Genauigkeit der Lage der Zähne in Umfangsrichtung verbessert werden. Typischerweise weist die Innenseite des Jochrings im Abschnitt eines Zahnes eine zu dem Außenumfang des Jochabschnitts des Zahnes komplementäre Form auf.
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Die Außenumfänge typischer Ausführungsbeispiele können der Umfangszentrierung jedes Zahns im Jochring dienen. Dadurch kann bei geringer Flächenpressung auch die formschlussbedingte Drehmomentübertragung zwischen Zähnen und Jochring sichergestellt bzw. verbessert werden. Durch typische Außenumfänge der Jochabschnitte der Zähne erzeugt der Jochring Normalkräfte schräg bezüglich einer radialen Richtung, während zwischen den Zähnen, d.h. im Winkelbereich der zwischen den Zähnen liegenden Nuten, der Jochring selbst eine hohe Breite und Stabilität aufweisen kann.
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In Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weist typischerweise jeder Zahn eine um den jeweiligen Zahn verlaufende Spule auf, wie beispielsweise eine Kupferspule.
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Typischerweise ist der Jochring im radialen Querschnitt an den Rändern des Außenumfangs jeweils eines Zahnes mindestens 1,3 Mal, mindestens 1,5 Mal, mehr als 1,5 Mal, mindestens 2,5 Mal oder mindestens 3,5 Mal oder maximal 5 Mal oder maximal 3,5 Mal in radialer Richtung so dick wie der Jochabschnitt des Zahns an derselben Stelle in Umfangsrichtung. Bei typischen Ausführungsformen ist der Jochring im radialen Querschnitt in der Mitte des jeweiligen Außenumfangs jeweils eines Zahnes mindestens 0,5 Mal oder mindestens 0,7 Mal oder höchstens 1,5 Mal oder höchstens 1,3 Mal so dick wie der Jochabschnitt an derselben Stelle in Umfangsrichtung.
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Diese Dimensionierungen sind jeweils vorteilhaft für die Formtreue des Stators, insbesondere bei geblechten Jochring und Zähnen. Weiterhin kann eine hohe magnetische Flussführung erzielt werden, bei der magnetische Asymmetrien vermieden werden.
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In Ausführungsformen kann die radiale Erstreckung von Jochring und Jochabschnitten am Rande eines Jochabschnitts ein Verhältnis von maximal 6:1 und/oder minimal 2:3 aufweisen. Beispielsweise kann am Stoß zwischen zwei benachbarten Zähnen bzw. Jochabschnitten ein Verhältnis von Jochring zu Jochabschnitten von maximal 4:1 und/oder minimal 3:2 vorliegen. Dadurch kann eine hohe magnetische Flussführung erzielt werden.
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Typischerweise umfasst der Außenumfang des Jochabschnitts eines Zahnes jeweils mindestens zwei gerade Abschnitte. Typische Ausführungsformen können mit geraden Abschnitten prozesssicherer gestanzt werden als mit gekrümmten Abschnitten.
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Typischerweise ist der Außenumfang des Jochabschnitts eines Zahnes jeweils aus höchstens zehn geraden Abschnitten zusammengesetzt oder umfasst höchstens zehn gerade Abschnitte. Bei Ausführungsformen können zusätzlich zu den geraden Abschnitten noch zumindest einer oder genau ein gewölbter, insbesondere nach außen gewölbter, Abschnitt, auch als Ausrundung bezeichnet, vorhanden sein oder es können bei Ausführungsformen ausschließlich gerade Abschnitte vorhanden sein.
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Bei typischen Ausführungsformen ist an der Keilform oder zwischen den jeweils mittleren Abschnitten eines Außenumfangs eines Zahnes eine Ausrundung vorgesehen. Typischerweise weist die Ausrundung nach radial außen, ist also aus Sicht des Zahnes nach außen gewölbt. Typischerweise besteht zwischen den an die Ausrundung anschließenden geraden Abschnitten und der Ausrundung kein Knick. Bei weiteren Ausführungsformen ist an dem Übergang von geradem Abschnitt zu der Ausrundung ein Knick vorgesehen.
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Bei typischen Statoren von Ausführungsbeispielen umfasst der Außenumfang des Jochabschnitts eines Zahnes jeweils zumindest oder genau vier gerade Abschnitte.
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Typischerweise schließt an der jeweiligen Mitte der äußersten Abschnitte der Außenumfang jeweils einen Winkel von mindestens 70°, mehr als 75°, mehr als 80° oder mehr als 83° und höchstens 85° und / oder weniger als 90° mit dem durch die Mittelachse definierten Radius ein. Die äußersten Abschnitte sind jeweils die geraden Abschnitte, welche an den beidseitigen Rändern des Jochabschnitts beginnen. Die Mitte eines Abschnitts bezeichnet jeweils die Mitte der Geraden dieses geraden Abschnitts. Der Winkel ist nach Möglichkeit der kleinere der durch die Gerade des geraden Abschnitts und den Radius, welcher durch die Mittelachse und die Mitte des Abschnitts verläuft, eingeschlossenen Winkel. Die mittleren geraden Abschnitte sind die am nächsten zur Mitte des Außenumfangs des Jochabschnittes eines Zahns liegenden Abschnitte, jeweils angrenzend an eine mittig angeordnete Ausrundung oder unmittelbar in der Mitte aneinanderstoßend. Typischerweise sind die äußersten geraden Abschnitte relativ zur Umfangsrichtung nur geringfügig oder weniger geneigt als die mittleren Abschnitte. Auf diese Weise kann eine Stabilisierung der Lage des Zahnes im Jochring erreichbar sein.
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Typischerweise schließt an der jeweiligen Mitte der mittleren Abschnitte der Außenumfang jeweils einen Winkel von mindestens 45°, mindestens 55°, mindestens 60° oder höchstens 75° mit dem durch die Mittelachse definierten Radius ein. Die mittleren Abschnitte sind also bezüglich der Umfangsrichtung typischerweise steiler als die äußeren Abschnitte. Bei mehr als zwei Abschnitten beidseitig der Mitte nimmt die Steigung der geraden Abschnitte in Bezug auf die Umfangsrichtung in Richtung der Mitte typischerweise zu.
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Vorteile typischer Ausführungsformen können umfassen: ein Mehr an Material am Jochring insbesondere bei Ausführungsformen mit vier geraden Abschnitten des Außenumfangs, eine statisch bestimmte Aufnahme der Zähne im Jochring, eine größere Länge des Außenumfangs, so dass der Magnetfluss verbessert werden kann, sowie eine gegenseitige Verzahnung des Jochrings mit den Jochabschnitten.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei die Figuren wie folgend beschrieben werden:
- 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Stators;
- 2A ist eine schematische Querschnittsansicht eines Stators gemäß einer Ausführungsform;
- 2B eine schematische Ansicht eines Details der in 2A gezeigten Ausfü hru ngsform;
- 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform;
- 4 eine schematische Ansicht eines Details einer weiteren Ausführungsform; und
- 5 eine schematische Ansicht eines Details einer weiteren Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Nachfolgend werden typische Ausführungsformen anhand der Figuren beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele der 2 - 5 beschränkt ist, vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche bestimmt. Bei der Beschreibung der Ausführungsform werden unter Umständen in verschiedenen Figuren und für verschiedene Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile verwendet, um die Beschreibung übersichtlicher zu gestalten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass entsprechende Teile der Erfindung auf die in den Ausführungsformen dargestellten Varianten beschränkt sind.
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1 zeigt einen Stator 100. Der Stator 100 der 1 entspricht nicht einer Ausführungsform der Erfindung, enthält jedoch Merkmale, welche zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen sinnvoll sein können. Der Stator 100 weist eine Mehrzahl von Zähnen 120 auf, die innerhalb eines Jochrings 110 in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Jeder Zahn der Mehrzahl von Zähnen 120 weist einen Jochabschnitt 122 auf.
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Der Jochring 110 des Stators 100 ist aus einem ferromagnetischen Material hergestellt, welches zur Unterdrückung von Wirbelströmen von einem elektrischen Isolierstoff durchsetzt ist.
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In 1 ist der Stator 100 beispielhaft als ein Blechschnitt eines als Blechpaket ausgeführten Stators dargestellt. Die in der 1 gezeigten Merkmale lassen sich auf einen hierin beschriebenen Stator übertragen, der aus einem SMC hergestellt ist. In einem als Blechpaket ausgeführten Stator weist der Jochring 110 mehrere Bleche auf, die untereinander elektrisch isoliert sind. In 1 sind die Zähne 120 als Blechschnitt dargestellt. Die Einzelbleche der als Blechpaket ausgeführten Zähne sind untereinander elektrisch isoliert. Die einzelnen Bleche des Jochrings und/oder der Zähne können beispielsweise mit einem Isolierlack oder Backlack beschichtet sein. Ein einzelner als Blechpaket ausgeführter Zahn wird nachfolgend auch als Zahnpaket bezeichnet. Wie in 1 gezeigt, stützen sich die Jochabschnitte 122 der Zähne 120 gegeneinander in Umfangsrichtung ab.
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Das Bezugszeichen 130 markiert den Übergang zwischen den einzelnen Zähnen. Nachstehend wird dies der Einfachheit als „Übergang 130“ bezeichnet.
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Wie in 1 gezeigt, weisen die Zähne 120 radial innen liegende Zahnköpfe 124 auf. Am radial innen liegenden Ende des jeweiligen Zahns 120, stellt der jeweilige Zahnkopf 124 einen sich in Umfangsrichtung zur Zahnmitte hin verbreiternden Endabschnitt dar.
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Das Bezugszeichen 140 markiert einen Bereich im Stator 100, der bei mit Spulen bewickelten Zähnen 120 mit dem entsprechenden Spulenmaterial ausgefüllt ist. Nachstehend wird dies der Einfachheit als „Nut 140“ bezeichnet.
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2A zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Stators 300. Einige Komponenten aus der 1 A werden der Einfachheit halber weiterverwendet, wobei sich neue technische Zusammenhänge ergeben können.
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Bei dem in 2A gezeigten Stator 300 weisen Zähne 220 des Stators jeweils einen keilförmigen Jochabschnitt 222 auf. D.h., der sich durch die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Jochabschnitte der Zähne bildende Ring weicht bei den Zähnen 220 von einer Kreisform ab. Entsprechend weicht die radial äußere Fläche des keilförmigen Jochabschnitts 222 von einer Kreissektorform ab. Der keilförmige Jochabschnitt 222 läuft radial nach außen hin spitz zu. In den in Umfangsrichtung liegenden Außenbereichen flacht die Steigung der Keilform des keilförmigen Jochabschnitts 222 ab. Die Zähne 220 sind mit dem Jochabschnitt 222 in einem Jochring 310 statisch bestimmt aufgenommen.
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In weiteren Ausführungsformen kann der Jochabschnitt eines Zahns schwalbenschwanzartig, keilförmig mit einer nach innen oder nach außen gerichteten abgerundeten Keilspitze, oder kreissektorförmig ausgeführt sein. Die statisch bestimmte Lagerung der Zähne durch Jochabschnitt und Jochring kann Zwangskräfte vermeiden.
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Der Jochring 310 ist mit zu den keilförmigen Jochabschnitten 222 komplementären Aussparungen ausgeführt. Das heißt, der Jochring 310 weicht an der für die Positionierung des keilförmigen Jochabschnitts 222 vorgesehenen Stelle an seiner radialen Innenfläche jeweils von einer Kreisform ab. Die vom Jochring 310 erzeugten Normalkräfte drücken wegen der äußeren Keilspitze des keilförmigen Jochabschnitts schräg bezüglich einer radialen Richtung. Eine Zentrierung des Zahns 220 innerhalb des Jochrings 310 kann dadurch erreicht werden.
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Bei dem in 2A gezeigten keilförmigen Jochabschnitt 222 hat der magnetische Fluss eines Zahnes eine große Übergangsfläche zu den Jochabschnitten der benachbarten Zähne und zum Jochring 310. Durch die große Übergangsfläche wirken sich beispielsweise fertigungsbedingte parasitäre Spalte zwischen einem Zahnpaket und den benachbarten Teilpaketen, insbesondere dem Jochring, magnetisch nur geringfügig aus. Typischerweise treten die Spalte nur an einem Teil der radialen Außenfläche des Jochabschnitts bzw. der radialen Innenfläche des Jochrings auf, so dass der magnetische Fluss auf spaltfreie Bereiche ausweichen kann.
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Der radial innenliegende Endabschnitt des jeweiligen Zahnkopfs 124 kann sich beispielsweise im Querschnitt T-förmig erstrecken. Der Zahnkopf 124 kann insbesondere eine radiale Innenfläche aufweisen, die konkav geformt ist. Die Zahnköpfe 124 in 2A bilden im Querschnitt einen radial innen liegenden, nicht geschlossenen, Ring, der durch Luftspalte, die sogenannten Nutschlitze, unterbrochen ist. Nutschlitze sind bei typischen Ausführungsformen der Erfindung vorhanden. Ohne Nutschlitze kann es zum magnetischen Kurzschluss des Stators oder Rotors kommen, wodurch das Drehmoment reduziert wird.
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Ein Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist, dass im Bereich des Übergangs 130 nur ein kleiner Teil des Jochs bzw. der nebeneinander angeordneten Jochabschnitte geteilt ist. Dadurch haben parasitäre Spalte nur geringe Auswirkungen auf den in Umfangsrichtung verlaufenden magnetischen Fluss. Im Bereich der Zähne kann der Jochfluss bei parasitären Spalten großflächig in das entsprechende Zahnpaket ausweichen.
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Insbesondere kann dadurch das für das Betriebsverhalten entscheidende Magnetfeld im Luftspalt zwischen Stator und einem in 2 nicht dargestellten Rotor im Wesentlichen unbeeinflusst von den parasitären Spalten sein. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können insbesondere eine geringe Drehmomentschwankung im stationären Betrieb und/oder eine geringe magnetische Geräuschbildung aufweisen.
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Der Zahnkopf eines Zahns 220 ist typischerweise so gestaltet, dass eine um den Zahn gewickelte Spule (Zahnspule) radial innen durch den Zahnkopf abgestützt wird. In Ausführungsformen wird die Spule radial außen durch die innenliegende Seite des Jochabschnitts des jeweiligen Zahns abgestützt. Dadurch kann eine hohe Kupferfüllung in der Nut 140 erreicht werden und ein Freiraum in der Nut 140 kann teilweise oder nahezu vermieden werden. Ferner kann ein hohes Drehmoment durch die höhere Kupferfüllung erzeugt werden. Eine hohe Kupferfüllung kann weiterhin eine minimierte Baugröße einer mit dem Stator ausgestatteten elektrischen Maschine ermöglichen.
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In der 2A ist außerdem die Drehachse oder Mittelachse 302 des Stators 300 gezeigt.
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Soweit in dieser Anmeldung Radius oder Umfangsrichtung beschrieben werden, beziehen sich diese Begriffe im Allgemeinen auf die Mittelachse des Stators.
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In den hierin beschriebenen Ausführungsformen mit einer Außenfläche eines Jochabschnitts, die abweichend von einer zur Mittelachse des Stators konzentrischen Kreissektorform ist, wie beispielsweise einer Außenfläche mit Keilform, kann eine hohe mechanische Stabilität bei guter Formtreue, insbesondere einer guten Umfangszentrierung jedes einzelnen Zahns, erreicht werden.
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Insbesondere können günstige Flächenpresskräfte im Jochabschnitt erzielt werden. Ferner kann der Stator eine hohe Gesamtsteifigkeit aufweisen, da der Jochring 310 im Bereich der Übergänge 130 besonders breit ist.
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Eine von einer zur Mittelachse des Stators abweichende Kreissektorform kann beispielsweise auch eine Kreissektorform sein, deren Mittelpunkt des Kreissektors im Querschnitt radial außerhalb der Mittelachse des Stators liegt.
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Wie in 2A verdeutlicht, weist der Stator 300 zwischen dem Jochring 310 und den keilförmigen Jochabschnitten 222 eine entsprechend große Übergangsfläche für den magnetischen Fluss auf. Durch die Minimierung von magnetischen Engpässen, kann eine möglichst optimale magnetische Flussführung erreicht werden. Dadurch kann das Risiko des Entstehens von parasitären magnetischen Unterbrechungen zwischen den Zahnpaketen untereinander und zum Jochring hin verringert werden, welche im Stator zu erhöhtem Rastmoment, erhöhter Drehmomentwelligkeit und erhöhter elektromagnetischer Geräuschentwicklung führen können.
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In der 2B ist ein Detail der Ausführungsform der 2A genauer erläutert. Im Zusammenhang mit der 2B werden auch Bezugszeichen der 2A erläutert. Der Jochabschnitt 222 weist vier gerade Abschnitte 224, 226 auf, welche sich in zwei äußere Abschnitte oder äußerste Abschnitte 224 und zwei innere Abschnitte oder mittlere Abschnitte 226 aufteilen. Die äußersten Abschnitte 224 liegen am Jochabschnitt 222 jeweils außen und die mittleren Abschnitte 266 innen.
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Es sind bei allen Abschnitten jeweils die Mitten 225 und 227 markiert. An den äußeren Mitten 225 schließt der Umfang des Jochabschnitts bzw. schließen die äußeren Abschnitte 224 beispielhaft jeweils einen Winkel von α =85° mit dem Radius des Stators 300 in Bezug auf die Mittelachse 302 des Stators 300 durch die Mitte 225 ein. Für die in der 2B links dargestellte Mitte 225 ist exemplarisch der dazugehörige Radius 304 eingezeichnet, welcher durch die Mittelachse 302 des Stators 300 (jeweils in 2B nicht gezeigt), verläuft. Der Radius 304 durch die Mitte 225 des linken äußeren Abschnitts 224 schließt mit der Geraden des äußeren Abschnitts 224 einen Winkel von α = 85° ein, wie er in der Zeichnung der 2B gezeigt ist. Analog gilt dies für den rechten äußeren Abschnitt 224, für welchen ebenfalls der Radius 304 und der entsprechende Winkel α eingezeichnet ist.
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Die mittleren Abschnitte 226 schließen jeweils an ihren Mitten 227 mit den jeweiligen Radien (zur besseren Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet), beispielhaft einen Winkel von 65° ein. Die dadurch gegenüber dem Stator der 1 vergrößerte Länge des Außenumfangs der Jochabschnitte verbessert den Magnetfluss und die unterschiedlichen Winkel können eine gegenseitige Verzahnung der Jochabschnitte mit dem Jochring erreichen.
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Bei den geraden Abschnitten entspricht typischerweise jeweils die Richtung des Außenumfangs oder die Tangente an den Außenumfang der Richtung der Geraden.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung können durch die verbesserte magnetische Flussführung im Stator Drehmomentschwankungen gering gehalten werden, wodurch auch eine verbesserte Geräuscharmut erzielt werden kann.
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In Ausführungsformen mit geblechten Jochring und/oder geblechten Zähnen können geometrisch einfache Blechpaketkomponenten verwendet werden, die einfach herzustellen sind, und wodurch zusätzlich auch Kosten gesenkt werden können.
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3 zeigt eine elektrische Maschine 400 mit einem bewickelten Stator. Eine Spule 450 füllt jeweils die Hälfte der jeweiligen angrenzenden Nut oder des jeweilig angrenzenden Freiraums zwischen zwei Zähnen aus. In 3 ist jeder Zahn 220 mit einer um den jeweiligen Zahn 220 verlaufenden Spule 450 gezeigt.
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Die Zähne 220 können in Ausführungsformen direktbewickelt werden. Durch das Direktbewickeln kann ein lagiges, d.h. kreuzungsfreies, Spulenwickeln des Zahns erfolgen. Wie in 3 erkenntlich, ist ein Freiraum in der Nut nicht oder nahezu nicht erforderlich. Dadurch kann eine hohe Kupferfüllung in der Nut, verbunden mit einem hohen Drehmoment, erreicht werden.
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Ein Rotor 470 ist innerhalb des Stators 300 konzentrisch angeordnet. In der 3 ist beispielhaft der Rotor 470 als ein Permanentmagnet-Rotor ausgeführt. Permanentmagnete 460, die in radialer Richtung magnetisiert sind, sind in dieser Ausführungsform in Umfangsrichtung entlang des Außenumfangs des Rotors 470 angeordnet. Die magnetische Feldrichtung der jeweiligen Permanentmagnete 460 alterniert in Umfangsrichtung, d.h. ein jeweiliger Permanentmagnet weist eine umgekehrte Polung bezüglich eines benachbarten Permanentmagnets auf.
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In typischen Ausführungsformen der elektrischen Maschine kann ein Rotor gemäß bekannter Bauarten verwenden werden. Neben permanentmagneterregten Rotoren können beispielsweise auch elektrisch erregte Rotoren eingesetzt werden.
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In bevorzugten Ausführungsformen sind die Rotoren permanentmagneterregt und können Oberflächenmagnete oder im Rotorblechpaket vergrabene Magnete aufweisen.
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Die elektrische Maschine 400 der in 3 gezeigten Ausführungsform weist einen Rotor 470 mit 20 Permanentmagneten 460, das heißt 20 Pole (10 Polpaare), und einen Stator 300 mit 24 Nuten 140 auf. Es ist zu verstehen, dass jeder der 24 Zähne 220 mit einer Spule 450 bewickelt werden kann. Entsprechend kann jede der 24 Zahnspulen die jeweilig angrenzende Nut 140 zur Hälfte mit Spulenmaterial, wie in etwa Kupfer, füllen.
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In Ausführungsformen der Erfindung kann eine beliebige Anzahl der Zähne verwendet werden, mindestens jedoch zwei Zähne. Für Ausführungsformen mit symmetrischen dreisträngigen Wicklungen ist die Anzahl der Zähne üblicherweise ein Vielfaches von drei.
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In vorteilhaften Ausführungsformen kann der Rotor 10 Pole und der Stator 12 Zähne oder ein Vielfaches dieser Kombination aufweisen, wie beispielsweise 20 Pole und 24 Zähne oder 30 Pole und 36 Zähne.
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In Ausführungsformen mit 30 Polen und 36 Zähnen kann der Außendurchmesser des Jochrings beispielsweise etwa 200 mm betragen. Die axiale Länge des Jochrings sowie der Zähne kann in dieser Ausführungsform beispielsweise etwa 30 mm bis 200 mm betragen. In weiteren Ausführungsformen, insbesondere bei einem Jochring und/oder Zähnen aus einem geblechten Material, kann die axiale Länge des Jochrings und/oder der Zähne um eine Blechdicke größer als die vorstehend genannten 30 mm bis 2000 mm sein.
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In weiteren Ausführungsformen kann der Rotor 8 Pole und der Stator 9 Zähne oder ein Vielfaches dieser Kombination aufweisen, wie beispielsweise 16 Pole und 18 Zähne oder 32 Pole und 36 Zähne.
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Die Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die folgenden Fertigungsschritte umfassen:
- i) Stanzen der Bleche der einzelnen Zähne in endgültiger Geometrie und des Jochrings in endgültiger Geometrie, insbesondere als Komplettschnitt;
- ii) Paketieren der ausgestanzten Zahn- und Jochringbleche, beispielsweise über Backlack-Paketierung, zu Zahnpaketen beziehungsweise zum Jochringpaket;
- iii) Isolieren der Zähne durch Anbringen einer Nutisolation an jedem Zahnpaket;
- iv) Direktbewickeln jedes einzelnen Zahnpakets mit einer Zahnspule, optional als Spulenkette;
- v) Anordnen aller bewickelten Zahnpakete in einer Vorrichtung zwecks genauer Positionierung zueinander am Umfang;
- vi) Aufpressen oder Aufschrumpfen des Jochrings auf die Gesamtheit der bewickelten Zahnpakete;
- vii) Verschalten der Zahnspulen beziehungsweise der Spulenketten zu einer vollständigen, typischerweise mehrphasigen Wicklung; und
- viii) Vergießen oder Imprägnieren der Statorwicklung.
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Als Alternative zum Stanzen kann in Schritt i) auch Wasserstrahl-, Laserschneiden oder Erodieren eingesetzt werden.
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In der 4 ist ein Detail einer weiteren Ausführungsform gezeigt, konkreter drei Zähne 520 mit einem Jochabschnitt 522. Die übrigen Zähne des kompletten Stators sind bei der Ausführungsform der 4 nicht gezeigt, sie sind jedoch identisch zu dem Zahn 520.
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Der Außenumfang des Jochabschnitts 522 des Ausführungsbeispiels der 4 weist zwei gerade Abschnitte 524 und eine Ausrundung 528 zwischen den zwei geraden Abschnitten 524 auf. Der Jochring 510 (nur ausschnittsweise dargestellt) ist entsprechend geformt, so dass keine Lücke zwischen dem Außenumfang des Jochabschnitts und dem Jochring auftritt.
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Es können an Stelle der zwei geraden Abschnitte auch mehr als jeweils ein gerader Abschnitt beidseits der Ausrundung vorhanden sein, beispielsweise auch unterschiedlich geneigte Abschnitte wie in der 2B beispielhaft gezeigt.
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In der 5 ist ein Detail einer weiteren Ausführungsform gezeigt, konkreter drei Zähne 620 mit einem Jochabschnitt 622. Die übrigen Zähne des kompletten Stators sind bei der Ausführungsform der 5 nicht gezeigt, sie sind jedoch identisch zu dem Zahn 620.
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Der Außenumfang des Jochabschnitts 622 des Ausführungsbeispiels der 5 weist genau zwei gerade Abschnitte 624 auf, welche unmittelbar aneinandergrenzen. Der Jochring 610 (nur ausschnittsweise dargestellt) ist entsprechend geformt, so dass keine Lücke zwischen dem Außenumfang des Jochabschnitts und dem Jochring auftritt.
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In der 5 ist außerdem gezeigt, dass der Jochring im radialen Querschnitt 604 mehr als 1,5 Mal so dick ist wie der Jochabschnitt an dem radialen Querschnitt 604 an den Rändern des Außenumfangs des Zahns, d.h. im Bereich des Übergangs zwischen zwei Jochabschnitten zweier Zähne. In der Mitte 606 des Jochabschnitts 622 beträgt das Verhältnis etwa 1:1.
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Die Erfindung ist nicht auf zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche bestimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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