DE102020209665A1

DE102020209665A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine Axialflussmaschine, Stator sowie Axialflussmaschine mit Stator

Info

Publication number: DE102020209665A1
Application number: DE102020209665.1A
Authority: DE
Inventors: Armin Merz; Alexander Hero
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-02-03
Also published as: WO2022023062A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators (1) für eine Axialflussmaschine, bei dem ein Elektroblech (2) verwendet wird, das gewickelt wird. Erfindungsgemäß wird das Elektroblech (2) vor dem Wickeln, vorzugsweise einseitig, mit einem Backlack beschichtet. Das mit Backlack beschichtete Elektroblech (2) wird auf einen Dorn aufgewickelt und anschließend wird das gewickelte und mit Backlack beschichtete Elektroblech (2) unter Wärmeeinwirkung mit Hilfe des Backlacks verbacken.Die Erfindung betrifft ferner einen Stator (1) sowie eine Axialflussmaschine mit einem solchen Stator (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine Axialflussmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Stator sowie eine Axialflussmaschine mit einem solchen Stator.
Stand der Technik
Eine Axialflussmaschine ist eine elektrische Maschine mit einem Stator, der einen axial ausgerichteten Magnetfluss erzeugt, der durch Permanentmagnete eines scheibenförmigen Rotors verläuft. Vorteile der Axialflussmaschine liegen in ihrer verkürzten axialen Länge und ihrer Effizienz. Insbesondere ist eine hohe Drehmoment- bzw. Leistungsdichte erzielbar. Ein bevorzugter Anwendungsbereich ist beispielsweise der Automotivebereich. Hier finden Axialflussmaschinen unter anderem Einsatz als Antrieb eines Rezirkulationsgebläses im Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems.
Bei heutigen Ausführungen von Axialflussmaschinen kommen überwiegend gesinterte Statoren zum Einsatz. Darüber hinaus sind gewickelte Statoren bekannt. Beispielhaft wird auf die Offenlegungsschrift DE 10 2014 222 121 A1 verwiesen. Der Vorteil gewickelter Statoren gegenüber gesinterten Statoren liegt in einer höheren Permeabilität, so dass die magnetischen Verluste geringer als bei einem gesinterten Stator sind. Aus fertigungstechnischen Gründen lassen sich gewickelte Statoren jedoch nur mit großen Innendurchmessern realisieren. Für kleine Baugrößen kommt daher nur die Herstellung mittels Sintern in Frage.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung gewickelter Statoren mit kleinem Innendurchmesser ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner werden ein Stator und eine Axialflussmaschine mit einem solchen Stator angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine Axialflussmaschine wird ein Elektroblech verwendet, das gewickelt wird. Erfindungsgemäß wird das Elektroblech vor dem Wickeln, vorzugsweise einseitig, mit einem Backlack beschichtet. Das mit Backlack beschichtete Elektroblech wird auf einen Dorn aufgewickelt und anschließend wird das gewickelte und mit Backlack beschichtete Elektroblech unter Wärmeeinwirkung mit Hilfe des Backlacks verbacken.
Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens lassen sich Statoren mit kleinen Innendurchmessern herstellen, da das beschichtete Elektroblech unmittelbar auf einen Dorn gewickelt und anschließend verbacken bzw. verklebt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit eine Alternative zum Sintern dar. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens können beispielsweise Statoren hergestellt werden, deren Innendurchmesser 10 mm bis 40 mm beträgt.
Bevorzugt wird über den Dornaußendurchmesser der Innendurchmesser des herzustellenden Stators vorgegeben. Zur Herstellung eines Stators mit kleinem Innendurchmesser wird demnach ein Dorn mit einem entsprechend kleinen Annendurchmesser gewählt.
Ferner bevorzugt wird ein Elektroblech in Form eines Streifens verwendet, dessen Höhe der Höhe des herzustellenden Stators entspricht. Somit muss nur eine Wicklung hergestellt werden. Die Höhe des Streifens kann beispielsweise 15 mm bis 40 mm betragen. Die Lagen der Wicklung liegen eng aneinander, so dass die Backlack-Beschichtung einer Lage an dem Elektroblech der folgenden oder der vorhergehenden Lage anliegt. Eine Wicklung zur Herstellung eines Stators kann dabei 20 bis 100 Lagen des beschichteten Elektroblechs umfassen, beispielsweise 40 oder 50 Lagen.
Da unmittelbar nach dem Wickeln die einzelnen Elektroblechlagen über den Backlack noch nicht miteinander verbunden sind, wird vorgeschlagen, dass nach dem Wickeln und vor dem Verbacken das freie Ende des Elektroblechs mit der Wicklung stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt, wird. Auf diese Weise wird ein Aufspringen der Wicklung verhindert, so dass eine enge Wicklung erhalten bleibt.
Zum Verbacken des gewickelten und mit Backlack beschichteten Elektroblechs wird vorzugsweise ein Temperaturofen verwendet. In den Ofen kann die komplette Wicklung eingelegt werden, so dass der Backlack, vorzugsweise bei Temperaturen von 140°C bis 200°C, gleichmäßig erwärmt wird. Durch den erwärmten Backlack werden die einzelnen Lagen des gewickelten Elektroblechs miteinander verklebt. Da die einzelnen Lagen der Wicklung eng aneinander liegen, muss das Elektroblech vor dem Wickeln lediglich einseitig mit Backlack beschichtet werden. Die Beschichtung wird vorzugsweise vollflächig aufgebracht, so dass beim Verbacken eine vollflächige Verklebung erzielt wird.
Vorteilhafterweise wird die Wicklung mit dem Dorn in den Temperaturofen eingelegt. Der Dorn verhindert ein Aufspringen des innenliegenden Endes des Elektroblechs. Um ferner ein Aufspringen des außenliegenden Endes zu verhindern kann - alternativ oder ergänzend zur bereits erwähnten stoffschlüssigen Verbindung - eine zusätzliche Spannvorrichtung außenumfangseitig angeordnet werden.
Des Weiteren bevorzugt werden nach dem Verbacken des gewickelten und mit Backlack beschichteten Elektroblechs radial verlaufende Nuten in den gewickelten Stator geschnitten oder gefräst. Die Nuten führen zur Ausbildung von Zähnen, die durch die Nuten voneinander getrennt werden. Beim Schneiden oder Fräsen der Nuten besteht keine Gefahr, dass die einzelnen Lagen des gewickelten Elektroblechs auffächern, da diese über den Backlack miteinander verklebt sind. Die Verklebung ermöglicht somit erst das nachträgliche Schneiden oder Fräsen der Nuten.
Bevorzugt werden radial verlaufende Nuten mit parallel verlaufenden Nutflanken in den gewickelten Stator geschnitten oder gefräst. Das heißt, dass die Nuten radial innen und radial außen die gleiche Breite aufweisen. Die Nuten mit parallel verlaufenden Nutflanken führen zur Ausbildung von Zähnen, die im Wesentlichen sektorförmig sind. Die Zähne weisen Zahnflanken auf, die nicht parallel, sondern schräg zueinander verlaufen. Der Verlauf der Zahnflanken ist annähernd radial.
Zur Herstellung des Stators wird vorzugsweise ein Elektroblech mit einer Dicke von 0,25 mm bis 0,50 mm, beispielsweise mit einer Dicke von 0,35 mm, verwendet. Hierbei handelt es sich um übliche Dicken von Elektroblechen, so dass deren Verfügbarkeit gesichert ist. Von der Dicke des Elektroblechs, der Dicke der Beschichtung und der Anzahl der Lagen hängt später der Außendurchmesser des Stators ab.
Darüber hinaus wird ein Stator für eine Axialflussmaschine vorgeschlagen. Der vorgeschlagene Stator weist mehrere Lagen eines gewickelten und mit Backlack verbackenen Elektroblechs auf, die von radial verlaufenden Nuten zur Ausbildung von Zähnen unterbrochen werden. Das heißt, dass der gesamte Stator aus einer Wicklung hergestellt ist, so dass die Höhe des gewickelten Elektroblechs der Höhe des Stators entspricht. Die Höhe der Wicklung bzw. des Stators kann beispielsweise 15 mm bis 40 mm betragen.
Der vorgeschlagene Stator ist einfach und kostengünstig herstellbar, insbesondere, wenn er nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Die Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht zudem kleine Baugrößen mit reduziertem Innendurchmesser, die bislang nur in einem Sinterprozess hergestellt werden konnten. Der Innendurchmesser eines erfindungsgemäßen Stators kann beispielsweise 10 mm bis 40 mm betragen.
Ferner wird eine Axialflussmaschine mit einem erfindungsgemäßen Stator vorgeschlagen. Das heißt, dass die Axialflussmaschine einen gewickelten Stator umfasst, der gegenüber einem gesinterten Stator eine höhere Permeabilität aufweist und somit zu geringeren magnetischen Verlusten führt. Da der erfindungsgemäße Stator aufgrund der möglichen geringen Baugröße einen geringen Bauraumbedarf hat, kann auch die Axialflussmaschine entsprechend klein ausgelegt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Axialflussmaschine in einer mobilen Anwendung zum Einsatz gelangt, beispielsweise als Antrieb eines Rezirkulationsgebläse in einem Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stators und
2 einen Querschnitt durch den Stator der 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der in der 1 dargestellte Stator 1 ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und weist ein Statorjoch 7 mit einer zentralen Öffnung 8 sowie auf dem Statorjoch 7 um die Öffnung 8 herum angeordnete Zähne 5 auf. Die Zähne 5 werden von radial verlaufenden Nuten 4 getrennt, die parallel verlaufende Nutflanken 6 aufweisen.
Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, die einen Querschnitt durch den Stator 1 im Bereich des Statorjochs 7 zeigt, besteht der Stator 1 aus einem gewickelten Elektroblech 2 bzw. einer Wicklung 3. Vorliegend wurde ein 0,35 mm starkes Elektroblech 2 verwendet, das vor dem Wickeln einseitig mit Backlack beschichtet worden ist. Über den Backlack, der nach dem Wickeln des Elektroblechs 2 erwärmt wurde, werden die mehreren Lagen des Elektroblechs 2 untereinander verklebt. Die Verklebung ist derart fest, dass beim anschließenden Fräsen der Nuten 4 die Wicklung 3 nicht aufgefächert ist.
Zum Wickeln des dargestellten Stators 1 wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Dorn verwendet. Der Dorn besaß einen Außendurchmesser D₁, der dem Innendurchmesser D₂ des Stators 1 entspricht. Auf den Dorn wurde ein Elektroblech 2 in Form eines Streifens gewickelt. Die Höhe des Streifens H₁ entspricht der Höhe H₂ des Stators 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014222121 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Stators (1) für eine Axialflussmaschine, bei dem ein Elektroblech (2) verwendet wird, das gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroblech (2) vor dem Wickeln, vorzugsweise einseitig, mit einem Backlack beschichtet wird, das mit Backlack beschichtete Elektroblech (2) auf einen Dorn aufgewickelt wird und anschließend das gewickelte und mit Backlack beschichtete Elektroblech (2) unter Wärmeeinwirkung mit Hilfe des Backlacks verbacken wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Dornaußendurchmesser (D₁) der Innendurchmesser (D₂) des herzustellenden Stators (1) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektroblech (2) in Form eines Streifens verwendet wird, dessen Höhe (H₁) der Höhe (H₂) des herzustellenden Stators (1) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Wickeln und vor dem Verbacken das freie Ende des Elektroblechs (2) mit der Wicklung (3) stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt, wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbacken des gewickelten und mit Backlack beschichteten Elektroblechs (2) ein Temperaturofen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verbacken des gewickelten und mit Backlack beschichteten Elektroblechs (2) radial verlaufende Nuten (4) zur Ausbildung von Zähnen (5) in den gewickelten Stator (1) geschnitten oder gefräst werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass radial verlaufende Nuten (4) mit parallel verlaufenden Nutflanken (6) in den gewickelten Stator (1) geschnitten oder gefräst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektroblech (2) mit einer Dicke von 0,25 mm bis 0,50 mm, beispielsweise mit einer Dicke von 0,35 mm, verwendet wird.
Stator (1) für eine Axialflussmaschine, wobei der Stator (1) mehrere Lagen eines gewickelten und mit Backlack verbackenen Elektroblechs (2) aufweist, die von radial verlaufenden Nuten (4) zur Ausbildung von Zähnen (5) unterbrochen werden.
Axialflussmaschine mit einem Stator (1) nach Anspruch 9.