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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Statorblechpaket für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einem Statorblechpaket und ein Verfahren zur Herstellung eines Statorblechpaketes.
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Es ist bekannt, Statorblechpakete aus einzelnen, in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Statorsegmenten auszubilden. Vorteilhaft sind die Statorsegmente als Blechpakete aus Blechlagen herstellbar, z. B. nach einem Stanz-Paketier-Verfahren. Für die Blechlagen kommen meist Elektrobleche zur Anwendung, welche vorteilhafte magnetische Eigenschaften vorweisen und durch eine elektrische Isolierung auf der Oberfläche die Ausbildung von Wirbelströmen vermeiden. Insbesondere kann die Isolierung der Elektrobleche auch als Backlack ausgebildet sein, wobei die Blechlagen durch den Backlack zu einem Blechpaket verbindbar sind und die einzelnen Blechlagen gegeneinander isoliert sind.
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Die Schrift
DE 10 2011 114 280 A1 offenbart einen Stator einer elektrischen Maschine. Der Stator verfügt über einen Statorträger und Statorsegmente, wobei die Statorsegmente als Einzelzahnsegmente ausgeformt und mit einer Einzelzahnwicklung versehen sind. Zur Verbindung der Statorsegmente ist eine isolierende Schrumpffolie vorgesehen, die in einem Umlauf den vollständigen Umfang eines Statorrings umfasst. Die Isolierfolie ist zwischen dem Statorträger und dem Statorring angebracht. Der Statorring ist über alle Statorsegmentaußenflächen im Statorträger verpresst und stützt die korrespondierenden Verbindungskonturen der einzelnen Statorsegmente untereinander.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein segmentiertes Statorblechpaket anzugeben, das einfach zu fertigen ist und gute elektromagnetische Eigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Statorblechpaket mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zu Herstellung eines Statorblechpaketes mittels eines zylinderförmigen Trägers gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Das erfindungsgemäße Statorblechpaket umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung des Statorblechpaketes aneinandergrenzender Statorsegmente, wobei jedes Statorsegment mindestens einen Jochabschnitt und mindestens einen mit dem Jochabschnitt verbundenen Zahnabschnitt aufweist. Des Weiteren kann der Zahnabschnitt an seinem Ende, das dem Jochabschnitt gegenüberliegt, mit mindestens einem Fußabschnitt verbunden sein. Die einzelnen Statorsegmente untereinander sind an den jeweiligen Jochabschnitten mittels einer stoffschlüssigen Verbindung verbunden, wobei die Verbindung in Form einer Schweißstelle o.ä. erfolgen kann.
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Durch die stoffschlüssige Verbindung der einzelnen Statorsegmente können größere Toleranzen bei deren Fertigung zugelassen werden, als es bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausbildung des segmentierten Stators durch einen Presssitz in einem Gehäuse der Fall ist. Denn die Maßschwankungen der einzelnen Segmente können sich in einem ungünstigen Fall so akkumulieren, dass sie beim Aufreihen der Segmente zu einem so großen Umfang führen, dass das Gehäuse dem Druck nicht mehr standhalten kann. Ebenso ist es möglich, dass sämtliche Segmente an der unteren Toleranzgrenze gefertigt sind und demnach im Gehäuse kein Presssitz entsteht, sondern die Segmente spielbehaftet aneinander anliegen. Die Konsequenz wäre ein unzureichender Wärmeübergang und eine verminderte magnetische Leitfähigkeit des Jochrückens. Ein Kerngedanke der Erfindung daher besteht darin, die Verbindung der Einzelzähne über eine stoffschlüssige Verbindung sicherzustellen und somit die Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Statorsegmente zu reduzieren. Die Stelle der stoffschlüssigen Verbindung muss dabei so gewählt werden, dass diese den magnetischen Kreis so wenig wie möglich beeinflusst.
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Kennzeichnend für die Erfindung ist die Lage der Verbindungsstelle zwischen den einzelnen Statorsegmenten an den jeweiligen Jochabschnitten. Diese Verbindungsstelle ist innerhalb eines Kreisbogens angeordnet, der von einem Zahnabschnitt eines der beiden miteinander verbundenen Statorsegmente in Umfangsrichtung eingenommen ist. Innerhalb dieses Kreisbogens ist die magnetische Flussdichte im Joch vergleichsweise gering. Entsprechend reduziert die Verbindungsstelle hier den effektiven magnetischen Leitwert des Joches am wenigsten.
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Insbesondere bei einer als Schweißstelle ausgebildeten Verbindungsstelle besteht die Gefahr, dass sich vermehrt Wirbelströme ausbilden können, da durch die Schweißstelle eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Blechlagen des Blechpakets gebildet wird. Durch die Positionierung der Schweißstelle in einem Bereich, in dem eine sehr geringe magnetische Flussdichte erwartet wird, wird dieser negative Einfluss minimiert.
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Jedes der Statorsegmente kann genau einen Jochabschnitt und einen Zahnabschnitt aufweisen. Die Startersegmente sind demnach als Einzelzähne gefertigt. Diese Bauweise ermöglicht ein einfacheres Anbringen der Wicklungen an Zahnabschnitte der einzelnen Statorsegmente. Die Wicklungen der einzelnen Segmente werden z.B. als Zahnspulen ausgebildet, die den jeweiligen Zahnabschnitt konzentrisch umgeben. Weiterhin weißt das Statorblechpaket die Verbindungsstelle vorzugsweise in einem Bereich von 1°-7° um die Winkelhalbierende des Kreisbogens eines Zahnabschnittes auf. Sofern der Bereich von 1°-7° der Verbindung um die Winkelhalbierende eingehalten wird, werden die vorteilhaften elektromagnetischen Eigenschaften der Erfindung in besonderem Maße erzielt. Die Lage der Verbindungstelle um die Winkelhalbierende hat den Vorteil, dass der effektive magnetische Leitwert des Joches kaum durch die stoffschlüssige Verbindung reduziert wird. Die Ausbildung von Wirbelströmen durch die elektrisch leitfähige Verbindung der Einzelbleche im Falle einer Schweißverbindung tritt in diesem Winkelbereich quasi nicht auf.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung haben die Jochabschnitte des Statorsegmentes einen radial inneren Bereich und einen radial äußeren Bereich, wobei der radial äußere Bereich zu dem radial inneren Bereich in Umfangsrichtung versetzt ist. Der radial äußere Bereich eines Jochabschnittes eines Statorsegmentes überlappt radial mit dem radial inneren Bereich des Jochabschnittes eines benachbarten Statorsegmentes. Dadurch entstehen zunächst zwei mögliche Verbindungsstellen der Statorsegmente, eine im radial äußeren Bereich und eine im radial inneren Bereich. Bevorzugterweise werden die Statorsegmente untereinander mittels einer Verbindungsstelle im radial äußeren Bereich verbunden, da die in besagtem Kreisbogen angeordnete Verbindungsstelle sich dadurch im Wesentlichen außerhalb des magnetischen Flusses befindet. Eine stoffschlüssige Verbindung in diesem Bereich reduziert den effektiven magnetischen Leitwert des Joches nur sehr gering und hat auch nur sehr eingeschränkt eine Erhöhung der Wirbelstromverluste zur Folge. Würde man die Statorsegmente an einem tangentialen Stoß mittig zur Nut stoffschlüssig verbinden, so würde der magnetische Fluss stark beeinflusst werden. Zusätzlich werden an dieser Stelle die Eisenverluste erheblich steigen, da die einzelnen Blechsegmente um eine etwaige Schweißnaht herum kurzgeschlossen werden.
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Bevorzugt beträgt die Ausdehnung des Versatzes des Jochabschnittes des Statorblechpaketes eine halbe Nutbreite. Diese Ausführungsform ermöglicht einen einheitlichen Aufbau der Statorsegmente.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Herstellen eines Stators aus Statorsegmenten gelöst, bei dem in einem ersten Schritt eine Vielzahl von Statorsegmenten bereitgestellt wird, wobei jedes Statorsegment mindestens einen Jochabschnitt und mindestens einen mit dem Jochabschnitt verbundenen Zahnabschnitt aufweist und in einem zweiten Schritt die Vielzahl von Statorsegmenten auf der äußeren Mantelfläche eines zylinderförmigen Trägers derart angeordnet werden, dass die Statorsegmente in Umfangsrichtung des Statorblechpaketes aneinandergrenzen undin einem dritten Schritt ein stoffschlüssiges Verbinden der Jochabschnitte der einzelnen Statorsegmente miteinander erfolgt, wobei die jeweilige Verbindungsstelle zwischen zwei Statorsegmenten innerhalb eines Kreisbogens angeordnet ist, der von einem Zahnabschnitt eines der beiden miteinander verbundenen Statorsegmente in Umfangsrichtung eingenommen wird.
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Der Außenumfang des zylindrischen Trägers und die Ausdehnung der einzelnen Startersegmente in Umfangsrichtung sind derart bemessen, dass zwischen den einzelnen Startersegmenten ein geringer Spalt verbleibt, wenn diese auf dem Außenumfang des Trägers angeordnet sind. Dieser Spalt ist so bemessen, dass sich die Flanken der einzelnen Jochabschnitte in Umfangsrichtung auch unter Ausnutzung der Toleranzen der einzelnen Statorsegmente nicht berühren. Der verbleibende Spalt wird genutzt, um im dritten Schritt die stoffschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Startersegmenten herzustellen. Dies kann beispielsweise in Form einer Schweißverbindung geschehen. Der Umfang des resultierenden Statorblechpaketes wird auf diese Art und Weise durch den Außenumfang des zylindrischen Trägers definiert und durch die unvermeidbaren Toleranzen der Statorsegmente nicht beeinflusst.
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Um die Position der Statorsegmente am Umfang des zylindrischen Trägers festzulegen, besitzt dieser in vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung Anschläge bzw. Aussparungen in Umfangsrichtung. Diese Aussparungen sind derart voneinander beabstandet auf der Zylinderoberfläche angeordnet, dass die Statorsegmente sich auch dann nicht an ihren Jochabschnitt berühren, wenn diese alle am oberen Toleranzmaß gefertigt sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Teilansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Maschine mit einem segmentierten Statorblechpaket,
- 2 eine schematische Teilansicht eines Statorblechpaketes bestehend aus Statorsegmenten, die mittels einer Schweißverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden sind,
- 3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Statorsegmentes als Einzelzahnsegment,
- 4 eine schematische Teilansicht eines Statorblechpaketes mit Einzelzahnsegmenten gemäß 3 und einem zylindrischen Träger zur Positionierung dieser Statorsegmente,
- 5 eine schematische Teilansicht einer alternativen Ausführungsform eines Statorblechpaketes mit erfindungsgemäßen Statorsegmenten und einem zylindrischen Körper zur Positionierung dieser Statorsegmente.
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1 zeigt eine schematische Teilansicht einer elektrischen Maschine 1, bestehend aus einem Statorblechpaket 2 und einem Rotor 3. Der Rotor 3 und Statorblechpaket 2 der elektrischen Maschine 1 sind über einen Luftspalts 4 voneinander beabstandet. Der Rotor 3 ist lediglich schematisch in Form eines Kreisbogens dargestellt.
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Der Stator 2 ist aus Einzelzähnen 16 aufgebaut, die jeweils mit einer Zahnspule 6 konzentrisch umwickelt sind. Die Wicklungen der Zahnspule 6 befinden sich jeweils in von zwei aneinandergrenzenden Einzelzähnen 16 gebildeten Statornuten A. Die Einzelzähne 16 umfassen jeweils einen radial außen liegenden Jochabschnitt 8. Die Jochabschnitte 8 der Einzelzähne 16 berühren sich umfangseitig an einem tangentialen Stoß 5, der in der Mitte einer Statornut A angeordnet ist.
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Die Einzelzähne 16 sind in einem Maschinengehäuse eingehaust, und stehen dort untereinander in Form eines Presssitzes in Verbindung. Dieser Presssitz gewährleistet einen ausreichenden Wärmeübergang zwischen den Einzelzähnen 16 und einen vergleichsweisen guten magnetischen Leitwertes im Joch 8. Nachteilhaft sind jedoch die relativ hohen Anforderungen eines solchen Pressverbandes an die Maßgenauigkeit der Einzelzähne 16.
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2 veranschaulicht eine schematische Teilansicht eines Statorblechpaketes 2 bestehend aus Statorsegmenten 7, die mittels einer Schweißverbindung 11 stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Bei dem hier dargestellten Statorblechpaket 2 handelt es sich nicht um eine erfindungsgemäße Ausführungsform. Vielmehr repräsentiert das dargestellte Statorblechpaket 2 einen gedanklichen Zwischenschritt zum erfinderischen Gegenstand. Die stoffschlüssige Verbindung 11 zwischen den einzelnen Statorsegmenten 7 befindet sich in Umfangsrichtung betrachtet in der Mitte der Nut, die von zwei Statorsegmenten 7 gebildet wird. Diese Verbindung liegt in einem Bereich, der beim Betrieb der elektrischen Maschine stark vom magnetischen Fluss der Maschine durchflutet wird. Diese Positionierung der Schweißstelle wirkt sich nachteilhaft auf den magnetischen Leitwert im Joch aus. Die mit der Schweißstelle einhergehende Reduktion des magnetischen Leitwertes ist in der Mitte der Nut besonders kritisch aufgrund der hohen Durchflutung, die in diesem Bereich zu erwarten ist. Des weiteren wird durch die Schweißstelle ein Kurzschluss zwischen den einzelnen Elektroblechen des Statorblechpaketes 2 verursacht, aufgrund dessen es zu einer erhöhten Ausbildung von Wirbelströmen in diesem Bereich kommen kann.
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Das Statorblechpaket 2 wird aus einzelnen, in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Statorsegmenten 7 gebildet. Um die einzelnen Statorsegmente 7 miteinander stoffschlüssig verbinden zu können, werden die einzelnen Statorsegmente 7 auf einem zylindrischen Träger 14 positioniert. Die Beabstandung der einzelnen Statorsegmente 7 auf dem zylindrischen Träger 14 wird mittels der Aussparungen 15 vorgegeben. Die Aussparungen 15 sind auf dem zylindrischen Träger 14 ausgeformt. Jede Aussparung 15 ist so ausgeformt, dass mindestens ein Fußabschnitt 10 des Statorsegmentes 7 aufgenommen werden kann.
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3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Statorsegmentes 7 als Einzelzahnsegment. Das Statorsegment 7 weist einen Jochabschnitt 8, einen Zahnabschnitt 9 und einen Fußabschnitt 10 auf. Der Jochabschnitt 8 des Statorsegmentes 7 weist eine radiale Verschiebung des Jochabschnittes 8 auf und teilt den Jochabschnitt 8 in einen radial äußeren Bereich 12 und einen radial inneren Bereich 13 auf. Die radiale Aufteilung des Jochabschnittes 8 ermöglicht die Verschiebung der Verbindungsstelle 11, die zwei Statorsegmente 7 bzw. Einzelzahnsegmente stoffschlüssig miteinander verbindet, von der Mitte der Nut zu einem Bereich, der von einem Kreisbogen eingenommen wird, der radial oberhalb des Zahnabschnittes 9 liegt. Die Verbindungsstelle 11 wird derart verlagert, dass der effektive magnetische Kreis so wenig wie möglich durch die verlagerte Verbindungsstelle 11 beeinflusst wir. Entsprechend reduziert die Verbindungsstelle 11 hier den effektiven magnetischen Leitwert des Joches 8 am wenigsten.
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4 zeigt eine schematische Teilansicht eines Statorblechpaketes 2 mit Statorsegmenten 7 in Form von Einzelzahnsegmenten gemäß 3 und einem zylinderförmigen Träger 14 zur Positionierung dieser Statorsegmente 7 vor deren stoffschlüssiger Verbindung. Das Statorblechpaket 2 wird aus den einzelnen, in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Statorsegmenten 7 gebildet, die mittels einer Schweißverbindung 11 stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Jedes der Statorsegmente 7 weist einen Jochabschnitt 8, einen Zahnabschnitt 9 und einen Fußabschnitt 10 auf. Der Jochabschnitt 8 des Statorsegmentes 7 weist eine radiale Verschiebung des Jochabschnittes 8 auf und teilt den Jochabschnitt 8 in einen radial äußeren Bereich 12 und einen radial inneren Bereich 13 auf. Die radiale Überlappung der Jochabschnitte 8 ermöglicht das Verschieben der stoffschlüssigen Verbindungstelle 11 in den Bereich, der oberhalb der Zahnabschnitte 9 liegt. Bevorzugterweise werden die Statorsegmente 7 untereinander mittels einer Verbindungsstelle 11 im radial äußeren Bereich 12 verbunden, da diese im Kreisbogen KB des Zahnabschnittes 9 angeordnete Verbindungsstelle 11 sich dadurch im Wesentlichen außerhalb des magnetischen Flusses befindet. Die stoffschlüssige Verbindung 11 der Statorsegmente 7 im Bereich des Kreisbogens KB verursacht die geringste Störung des magnetischen Flusses, der mittels der um den Zahnabschnitt 9 gewickelten Spulen 6 erzeugt wird. Idealerweise soll die stoffschlüssige Verbindung 11 an der Winkelhalbierenden W des durch den Zahnabschnitt 9 eingenommenen Kreisbogens KB durchgeführt werden, da an der Winkelhalbierenden W die vorteilhaften elektromagnetischen Eigenschaften der Erfindung in besonderem Maße erzielt werden. Eine stoffschlüssige Verbindung 11 in diesem Bereich reduziert den effektiven magnetischen Leitwert des Joches 8 nur sehr gering und hat auch nur sehr eingeschränkt eine Erhöhung der Wirbelstromverluste zur Folge.
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Um die einzelnen Statorsegmente 7 miteinander stoffschlüssig verbinden zu können, sollen die einzelnen Statorsegmente 7 auf einem zylindrischen Träger 14 positioniert sein. Die Beabstandung der einzelnen Statorsegmente 7 auf dem zylindrischen Träger 14 wird mittels der Aussparungen 15 ermöglicht. Die Aussparungen 15 sind auf dem zylindrischen Träger 14 ausgeformt. Jede Aussparung 15 ist so ausgeformt, dass sie genau einen Fußabschnitt 10 des Statorsegmentes 7 aufnehmen kann. Der Außenumfang des zylindrischen Trägers 14 und die Ausdehnung der einzelnen Startersegmente 7 in Umfangsrichtung sind derart bemessen, dass zwischen den einzelnen Startersegmenten 7 ein geringer Spalt verbleibt, wenn diese auf dem Außenumfang des Trägers 14 angeordnet sind. Dieser Spalt ist so beabstandet, dass sich die Flanken der einzelnen Jochabschnitte 8 in Umfangsrichtung auch unter Ausnutzung der Toleranzen der einzelnen Statorsegmente 7 nicht berühren. Der verbleibende Spalt wird genutzt, um die stoffschlüssige Verbindung 11 zwischen den einzelnen Startersegmenten 7 herzustellen.
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5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Dabei umfasst jedes Statorsegment 7 zwei Einzelzähne. Das Statorsegment 7 weist somit zwei Zahnabschnitte 9 und zwei Fußabschnitte 10 auf. Das Statorsegment 7 hat einen in Umfangsrichtung übergreifenden Jochabschnitt 8, der die einzelnen Zahnabschnitte 9 untereinander verbindet, Jeder Jochabschnitt 8 verjüngt sich in einem umfangseitig außen liegenden Bereich. Hier umfasst der Joch Abschnitt 8 auf der einen Seite einen radial äußeren Bereich 12 und auf der anderen Seite einen radial inneren Bereich 13 . Diese Bereiche überlappen jeweils mit entsprechend verjüngten Randbereichen benachbarter Jochabschnitte 8. Die radiale Überlappung der Jochabschnitte 8 ermöglicht das Verschieben der stoffschlüssigen Verbindungstelle 11 in einen Bereich, in dem nur eine geringe magnetische Durchflutung zu erwarten ist. Die Statorsegmente 7 werden untereinander mittels einer Verbindungsstelle 11 im radial äußeren Bereich 12 der Jochabschnitte 8 verbunden, da diese im Kreisbogen KB des Zahnabschnittes 9 liegt und sich dadurch im Wesentlichen außerhalb des magnetischen Flusses befindet. Idealerweise soll die stoffschlüssige Verbindung 11 an der Winkelhalbierenden W des durch den Zahnabschnitt 9 eingenommenen Kreisbogens KB durchgeführt werden, da an der Winkelhalbierenden W die vorteilhaften elektromagnetischen Eigenschaften in besonderem Maße erzielt werden.
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Um die einzelnen Statorsegmente 7 miteinander stoffschlüssig verbinden zu können, werden die einzelnen Statorsegmente 7 auf einem zylindrischen Träger 14 positioniert. Die Beabstandung der einzelnen Statorsegmente 7 auf dem zylindrischen Träger 14 wird mittels der Aussparungen 15 vorgegeben. Die Aussparungen 15 sind auf dem zylindrischen Träger 14 ausgeformt. Jede Aussparung 15 ist so ausgeformt, dass genau ein Fußabschnitt 10 des Statorsegmentes 7 aufgenommen werden kann. Der Außenumfang des zylindrischen Trägers 14 und die Ausdehnung der einzelnen Startersegmente 7 in Umfangsrichtung sind derart bemessen, dass zwischen den einzelnen Startersegmenten 7 ein geringer Spalt verbleibt, wenn diese auf dem Außenumfang des Trägers angeordnet sind. Dieser Spalt ist so bemessen, dass sich die Flanken der einzelnen Jochabschnitte 8 in Umfangsrichtung auch unter Ausnutzung der Toleranzen der einzelnen Statorsegmente 7 nicht berühren. Der verbleibende Spalt wird genutzt, um die stoffschlüssige Verbindung 11 zwischen den einzelnen Startersegmenten 7 herzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Stator / Statorblechpaket
- 3
- Rotor
- 4
- Luftspalt
- 5
- tangentialer Stoß
- 6
- Zahnspule
- 7
- Statorsegment
- 8
- Jochabschnitt
- 9
- Zahnabschnitt
- 10
- Fußabschnitt
- 11
- Verbindungsstelle
- 12
- radial äußerer Bereich
- 13
- radial innerer Bereich
- 14
- zylinderförmiger Träger
- 15
- Aussparung
- 16
- Einzelzahn
- A
- Nutbreite / Statornut
- W
- Winkelhalbierende
- KB
- Kreisbogen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011114280 A1 [0003]
