DE102021111029A1

DE102021111029A1 - Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten, vorzugsweise für einen Stator eines Elektromotors, und Elektromagnet

Info

Publication number: DE102021111029A1
Application number: DE102021111029.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Dietrich
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2022-11-03
Also published as: EP4331097A1; WO2022228605A1; CN117280580A; US20240195273A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten, vorzugsweise für einen Stator eines Elektromotors, bei welchem aus mehreren übereinanderliegenden Blechen (6, 9, 10, n) Blechelemente (12) umfassende Blechpakete (7) ausgestanzt und als Zähne ausgeformt werden, wobei die Blechelemente (12) der Blechpakete (7) miteinander verpresst werden und anschließend jedes Blechpaket (7) zur Erzeugung eines Magnetpols mit einer Spulenwicklung (3) umgeben wird, wobei nebeneinanderliegende Blechpakete (7) in entgegengesetzte Richtungen mit der Spulenwicklung (3) umwickelt werden und die umwickelten Blechpakete (7) zu dem Elektromagneten (1) zusammengefügt werden. Bei einem Verfahren, bei welchem ein Montageaufwand des Elektromagneten vereinfacht wird, bleiben während des Stanzens der Blechelemente (12) der Blechpakete (7) aus den übereinanderliegenden Blechen (6, 9, 10, n) durchgehende Verbindungen (13, 17) zwischen den sich in mindestens einer gleichen Position befindlichen Blechelementen (12) aller Blechpakete (7) erhalten, welche als Montagehilfen bei dem Zusammenfügen des Elektromagneten (1) dienen, wobei die Verbindungen (13, 17) während oder nach dem Zusammenfügen des Elektromagneten (1) unterbrochen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten, vorzugsweise für einen Stator eines Elektromotors, bei welchem aus mehreren übereinanderliegenden Blechen Blechelemente umfassende Blechpakete ausgestanzt und als Zähne ausgeformt werden, wobei die Blechelemente der Blechpakete miteinander verpresst werden und anschließend jedes Blechpaket zur Erzeugung eines elektrischen Magnetpols mit einer Spulenwicklung umgeben wird, wobei nebeneinanderliegende Blechpakete in entgegengesetzte Richtungen mit der Spulenwicklung umwickelt werden und die umwickelten Blechpakete zu dem Elektromagneten zusammengefügt werden, sowie ein Elektromagnet.
Bei der Herstellung eines Elektromagneten zur Verwendung in einem Elektromotor ist es bekannt, aus mehreren übereinanderliegenden Blechen Blechpakete in der Form von Zähnen auszustanzen und jeden Zahn zur Bildung eines elektromagnetischen Pols anschließend mit einer Spulenwicklung zu umwickeln. Dabei können die Zähne einzeln hergestellt und zur Umwicklung mit der Spulenwicklung auf einem Werkzeug positioniert werden. Dabei muss darauf geachtet werden, dass ausschließlich Prägungen aus einem Strang der Blechpresse für den Elektromagneten verwendet werden. Alternativ können Ketten von mehreren Zähnen ausgestanzt werden, wobei die Zähne vollständig über ihren Außenradius verbunden sind, wobei die Stege mit dem Elektromagneten im Elektromotor verbaut werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten und einen Elektromagneten anzugeben, bei welchen ein Montageaufwand des Elektromagneten auch beim Verbau im Elektromotor vereinfacht wird.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem eingangs erläuterten Verfahren werden aus mehreren übereinanderliegenden Blechen Blechelemente umfassende Blechpakete ausgestanzt und als Zähne ausgeformt, wobei die Blechelemente der Blechpakete miteinander verpresst werden und anschließend jedes Blechpaket zur Erzeugung eines elektrischen Magnetpols mit einer Spulenwicklung umgeben wird, wobei nebeneinanderliegende Blechpakete in entgegengesetzte Richtungen mit der Spulenwicklung umwickelt werden und die umwickelten Blechpakete zu dem Elektromagneten zusammengefügt werden. Bei diesem Verfahren bleiben während des Stanzens der Blechelemente der Blechpakete aus den übereinanderliegenden Blechen durchgehende Verbindungen zwischen den sich in mindestens einer gleichen Position befindlichen Blechelementen aller Blechpakete erhalten, welche als Montagehilfen bei dem Zusammenfügen des Elektromagneten dienen, wobei die Verbindungen während oder nach dem Zusammenfügen des Elektromagneten unterbrochen werden. Durch die Verbindung der Blechpakete mit den Stegen entfällt der hohe Aufwand, welcher beim Abstapeln der einzelnen Zähne aus der Presse und beim Einbringen der einzelnen Zähne in einen Werkstückträger notwendig wird. Somit weisen alle Zähne ohne zusätzlichen Aufwand den gleichen Höhenanschlag auf. Das Unterbrechen der Stege beim Zusammenfügen des Elektromagneten verhindert die Entstehung von Luft aufweisenden und so die magnetische Flussdichte negativ beeinflussenden Spalten zwischen den Zähnen im Jochbereich. Somit wird neben dem vereinfachten Montageaufwand eine hohe Effizienz des Elektromagneten ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform brechen die Verbindungen zwischen den einzelnen umwickelten Blechpaketen während des Zusammenfügens des Elektromagneten, vorzugsweise während eines Rollprozesses, automatisch ab. Dadurch kann auf einen zusätzlichen Montageschritt zum Trennen der Verbindungen verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Verbindungen zwischen den einzelnen umwickelten Blechpaketen nach den Zusammenfügen des Elektromagneten unterbrochen. Somit bleibt die Justierung der einzelnen Blechpakete zueinander unbeeinflusst. Außerdem entsteht eine glatte Kontaktstelle zwischen den Verbindungen
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird beim Stanzen der Blechpakete ein Stempelwerkzeug verwendet, welches in den auf einer Seite außen liegenden Blechelementen aller Blechpakete eine Durchgangsöffnung erzeugt und gleichzeitig in dem äußersten Blech, aus dem die obersten Blechelemente hergestellt werden, die durchgehenden Verbindungen zwischen den aus dem äußersten Blech gestanzten Blechelemente erzeugt. Es wird ein Stempelwerkzeug eingespart, da die Durchgangsöffnungen und die durchgehenden Verbindungen mit demselben Werkzeug hergestellt werden, was die Kosten für die Herstellung des Elektromagneten reduziert.
Ein weitere Aspekt der Erfindung betrifft einen Elektromagneten, insbesondere für einen Stator eines Elektromotors, umfassend mehrere Pole, die aus jeweils einem mehrere übereinanderliegende Blechelemente aufweisenden Blechpaket bestehen, die als Zähne ausgebildet sind und die Blechpakete jeweils von einer Spulenwicklung umgeben sind, wobei die Spulenwicklungen zweier nebeneinander angeordneter Blechpakete in bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn um das jeweilige Blechpaket aufgewickelt sind. Bei einem Elektromagneten, bei dessen Herstellung ein Montageaufwand vereinfacht wird, sind die in einer gleichen Position befindlichen Blechelemente aller nebeneinander angeordneten Blechpakete über Stege miteinander verbunden, die aus demselben Blech gefertigt sind, wie die sich in der gleichen Position befindlichen Blechelemente. Dies hat den Vorteil, dass eine Sortierung der einzelnen Blechpakete beim Zusammenbau des Elektromagneten entfällt und alle Blechpakete des Elektromagneten eine gleiche Höhe aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der Steg zwischen den beiden nebeneinanderliegenden Blechpaketen. Dadurch wird für die Stege nur wenig Bauraum benötigt, weshalb die Größe des Elektromagneten weitgehend unbeeinflusst bleibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Steg von jedem Blechpaket nach außen gezogen und die Enden der Stege aller Blechpakete sind mit einem aus demselben Blech wie die Stege und die in der gleichen Position befindlichen Blechelemente geformten Hauptsteg verbunden. Dabei wird eine Breite des zum Ausstanzen der Blechpakete zur Verfügung stehenden Bleches maximal ausgenutzt. Ein zusätzlicher Materialaufwand entfällt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist jeder Steg radial nach außen weisend in einem Bereich des jeweiligen Blechpaketes ausgebildet, welcher unbeeinträchtigt ist von einem durch die stromdurchflossene Spulenwicklung erzeugten Feldlinienverlauf eines Magnetfeldes. Dadurch bleibt die magnetische Flussdichte durch den Steg unbeeinflusst, was die Effizient des Elektromagneten erhöht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schließt der Steg an eine vertiefte Einkerbung der in der gleichen Position angeordneten Blechelemente der Blechpakete, insbesondere im Bereich einer Schwalbenschwanz-Verbindung der Blechelemente der Blechpakete zur Ankopplung der Blechpakete an einem Werkzeug, an. Dieser Bereich ist für die Funktion des Elektromagneten irrelevant, da in diesen keine Feldlinien verlaufen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Stege an den äußeren Blechelementen der Blechpakete, an welchem ein Stempelwerkzeug zur Paketierung der Blechpakete angreift, ausgebildet. Dadurch werden die Stege mit demselben Stempelwerkzeug hergestellt, mit welchem die Paketierung erfolgt, was eine Reduzierung der Herstellungskosten nach sich zieht.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung einer Wirkungsweise eines Elektromagneten,
2 eine Prinzipdarstellung eines durch Stanzpaketieren hergestellten Kern des Elektromagneten,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kerns für einen Stator eines Elektromotors,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Kerns für einen Stator eines Elektromotors.

In 1 ist eine Prinzipdarstellung einer Wirkungsweise eines Elektromagneten gezeigt. Der Elektromagnet 1 besteht gemäß 1a aus einem ferromagnetischen Kern 2, der von einer Spulenwicklung 3 umgeben ist. Die Spulenwicklung 3 ist an eine elektrische Stromquelle 4 angeschlossen. Fließt ein Strom I durch die Spulenwicklung 3, baut sich um diese ein Magnetfeld H auf, welches durch den ferromagnetischen Kern 2 verstärkt wird (1b).
Elektromagneten 1, die in Elektromotoren eingesetzt werden, weisen einen Statorkern 5 auf, der aus einer Vielzahl von übereinanderliegende Blechen in einem Stanzpaketiervorgang gefertigt wird. Das Stanzpaketieren kombiniert die Verfahren für das Stanzen, das Umformen und das mechanische Fügen in einem Fertigungsmaterial, bei welchen die übereinanderliegende Bleche als Bandmaterial ausgebildet sind. Dieses Fügeverfahren beruht auf dem Prinzip des Tiefens und Verpressens der aufeinander ausgestanzten Bleche. Bild 2 zeigt den prinzipiellen Vorgang dieses Verfahrens. Das erste Blech 6 jedes Blechpaketes 7 wird einzeln voll durchgestanzt und erhält Durchgangsöffnungen 8, wie es in 2a gezeigt ist. Die darauffolgenden Bleche 9, 10, n werden nicht voll durchgestanzt, sondern erhalten Durchsetzungen 11, die ineinander gepresst werden, wie es in 2b dargestellt ist. Infolge dieser Aufweitung entstehen Radialkräfte in den Durchsetzungen 11, die den Zusammenhalt der einzelnen Bleche 6, 9, 10, n bewirken.
In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Statorkerns 5 dargestellt, wie er in einem Elektromotor verwendet wird, der insbesondere als Aktor in Kupplungen und Getrieben eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird. Dieser Statorkern 5 wird mit dem beschriebenen Stanzpaketiervorgang als Kette einer vorgegebenen Anzahl von Blechpaketen 7 hergestellt. Jedes Blechpaket 7, welches beim Stanzen zu einem Zahn ausgeformt wird, weist nach dem Stanzen eine Mehrzahl von übereinanderliegenden Blechelementen 12 auf. Eines der außenliegenden, den Abschluss der Blechpakete 7 bildende Blech 6 wird mit einem Stempelwerkzeug bearbeitet, welches neben den Durchgangsöffnungen 8 in aus dem Blech 6 gebildeten, nebeneinanderpositionierten Blechelementen 12 gleichzeitig Stege 13 aus dem Blech 6 herausstanzt, welche die Blechelemente 12 des Bleches 6 miteinander verbinden. Die Stege 13 sind dabei parallel zueinander nach außen gezogen und über einen Hauptsteg 14 miteinander verbunden. Vorteilhafterweise sind die Stege 13 im Bereich eines Schwalbenschwanzes 15 in einer vertieften Einkerbung 16 gehalten. Ein solcher trapezförmiger Schwalbenschwanz 15 ist Bestandteil einer Schwalbenschwanz-Verbindung, deren komplementäres Gegenstück an einem nicht weiter dargestellten Werkzeugträger ausgebildet ist, und mit welcher der Statorkern 5 an dem Werkzeugträger befestigt wird. Nach dem Aufbringen des Statorkerns 5 auf den Werkzeugträger werden die Blechpakete 7 mit der Spulenwicklung 3 umgeben, wobei zwei nebeneinanderliegende Blechpakete 7 Spulenwicklungen aufweisen, die in entgegengesetzte Richtungen (eine Wicklung im Uhrzeigersinn, die andere Wicklung entgegen dem Uhrzeigersinn) aufgebracht werden. Dadurch werden diese Spulenwicklungen 3 beim Anschluss an die Stromquelle 4 in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen und bilden somit positive und negative Magnetpole. Nach Abschluss des Wickelprozesses wird die durch die Stege 13 verbundene Kette aus den die Spulenwicklung 3 tragenden Blechpaketen 7 zum Stator gerollt. Anschließend werden mittels einer Schneideinrichtung die Stege 13 gekappt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Statorkerns für einen Elektromotor ist in 4 gezeigt. Dabei sind die Stege 17 direkt zwischen den einzelnen Blechpaketen 7 zur Verbindung der Blechelemente 12 des äußeren Bleches 6 ausgebildet. Auch diese Stege 17 werden mit demselben Stempelwerkzeug wie die Durchgangsöffnungen 8 und somit gleichzeitig mit diesen ausgestanzt. Während des Rollprozesses der durch die Stege 17 zusammen gehaltenen Kette der Blechpakete 7 brechen diese Stege 17 automatisch ab.
Bei den beschriebenen Lösungen sind die Stege 13, 17 jeweils nur zwischen den Blechelementen 12 des äußeren Bleches 6 ausgebildet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass diese an mehreren der übereinanderliegenden Bleche 9, 10, n ausgestanzt werden, um das Handling des Elektromagneten 1 während des Montagevorganges zu verbessern.
Bezugszeichenliste

1: Elektromagnet
2: Ferromagnetischer Kern
3: Spulenwicklung
4: Stromquelle
5: Statorkern
6: außenliegendes Blech
7: Blechpaket
8: Durchgangsöffnung des außenliegenden Blechs
9: Blech
10: Blech
11: Durchsetzung
12: Blechelement
13: Steg
14: Hauptsteg
15: Schwalbenschwanz
16: Einkerbung
17: Steg
I: Strom
H: Magnetfeld
n: Blech

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten, vorzugsweise für einen Stator eines Elektromotors, bei welchem aus mehreren übereinanderliegenden Blechen (6, 9, 10, n) Blechelemente (12) umfassende Blechpakete (7) ausgestanzt und als Zähne ausgeformt werden, wobei die Blechelemente (12) der Blechpakete (7) miteinander verpresst werden und anschließend jedes Blechpaket (7) zur Erzeugung eines Magnetpols mit einer Spulenwicklung (3) umgeben wird, wobei nebeneinanderliegende Blechpakete (7) in entgegengesetzte Richtungen mit der Spulenwicklung (3) umwickelt werden und die umwickelten Blechpakete (7) zu dem Elektromagneten (1) zusammengefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass während des Stanzens der Blechelemente (12) der Blechpakete (7) aus den übereinanderliegenden Blechen (6, 9, 10, n) durchgehende Verbindungen (13, 17) zwischen den sich in mindestens einer gleichen Position befindlichen Blechelementen (12) aller Blechpakete (7) erhalten bleiben, welche als Montagehilfen bei dem Zusammenfügen des Elektromagneten (1) dienen, wobei die Verbindungen (13, 17) während oder nach dem Zusammenfügen des Elektromagneten (1) unterbrochen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen (13, 17) zwischen den einzelnen umwickelten Blechpaketen (7) während des Zusammenfügens des Elektromagneten (1), vorzugsweise während eines Rollprozesses, automatisch abbrechen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen (13, 17) zwischen den einzelnen umwickelten Blechpaketen (7) nach den Zusammenfügen des Elektromagneten (1) unterbrochen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Stanzen der Blechpakete (7) ein Stempelwerkzeug verwendet wird, welches in den auf einer Seite außen liegenden Blechelementen (12) aller Blechpakete (7) eine Durchgangsöffnung (8) erzeugt und gleichzeitig in dem äußeren Blech (6), aus dem die äußeren Blechelemente (12) hergestellt werden, die durchgehenden Verbindungen (13, 17) zwischen den aus dem äußeren Blech (6) gestanzten Blechelemente (12) erzeugt.
Elektromagnet, insbesondere für einen Stator eines Elektromotors, umfassend mehrere Pole, die aus jeweils einem mehrere übereinanderliegende Blechelemente (12) aufweisenden Blechpaket (7) bestehen, die als Zähne ausgebildet sind, wobei die Blechpakete (7) jeweils von einer Spulenwicklung (3) umgeben sind und die Spulenwicklungen (3) zweier nebeneinander angeordneter Blechpakete (7) in bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn um das jeweilige Blechpaket (7) aufgewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer gleichen Position befindlichen Blechelemente (12) aller nebeneinander angeordneten Blechpakete (7) über Stege (13, 17) miteinander verbunden sind, welche aus demselben Blech gefertigt sind, wie die sich in der gleichen Position befindlichen Blechelemente (12).
Elektromagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (17) sich zwischen den beiden nebeneinanderliegenden Blechpaketen (7) erstreckt.
Elektromagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (13) von jedem Blechpaket (7) nach außen gezogen ist und die Enden der Stege (13) aller Blechpakete (7) mit einem aus demselben Blech wie die Stege (13) und die in der gleichen Position befindlichen Blechelemente (12) geformten Hauptsteg (14) verbunden sind.
Elektromagnet nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Steg (13) radial nach außen weisend in einem Bereich des jeweiligen Blechpaketes (12) ausgebildet ist, welcher unbeeinträchtigt ist von einem durch die stromdurchflossene Spulenwicklung (3) erzeugten Feldlinienverlauf eines Magnetfeldes.
Elektromagnet nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (13, 17) an eine vertiefte Einkerbung (16) der in der gleichen Position angeordneten Blechelemente (12) der Blechpakete (7), insbesondere im Bereich einer Schwalbenschwanz-Verbindung (15) der Blechelemente (12) der Blechpakete (7) zur Ankopplung der Blechpakete (7) an einem Werkzeug, anschließt.
Elektromagnet nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (13, 17) an den äußeren Blechelementen (12) der Blechpakete (7), an welchem ein Stempelwerkzeug zur Paketierung der Blechpakete (7) angreift, ausgebildet sind.