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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach diesem Verfahren hergestellten Stator sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator und ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.
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Aus der
US 2005 / 0 040 277 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Elektromotors, mit einem Statorkern mit zumindest zwei sich in Axialrichtung des Stators erstreckenden Statornuten bekannt.
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Aus der
DE 10 2015 216 840 A1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine mit einem Blechpaket bekannt, das Nuten aufweist, die sich in axialer Richtung des Stators erstrecken.
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Aus der
US 2003 / 0 127 936 A1 sind eine rotierende elektrische Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben bekannt.
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Aus der
DE 10 2013 107 277 A1 ist ein Stator einer elektrischen drehenden Maschine für eine Fahrzeugverwendung mit einem Statorkern bekannt, der Statornuten aufweist, die entlang einer Umfangsrichtung desselben angeordnet sind. Ebenfalls vorgesehen sind Segmentleiter, die einen rechtwinkligen Querschnitt haben und derart auf den Statorkern gewickelt sind, dass jede der Statornuten mindestens zwei der Segmentleiter unterbringt, um eine Statorwicklung zu bilden. Zwischen der Statornut und dem Segmentleiter ist darüber hinaus eine elektrische Isolierschicht mit einer Vielzahl von Vorsprüngen angeordnet, die zu einer Wandoberfläche der Statornut vorspringen. Über ein Harz ist die elektrisch isolierende Schicht imprägniert.
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Aus der
DE 100 23 204 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer isolierten Statorwicklung für eine elektrische Maschine bekannt, wobei eine elektrische Statorwindung hergestellt wird, die eine ausreichende Isolierung über die vorgesehene Lebensdauer der elektrischen Maschine gewährleistet. Die isolierte Statorwicklung ist aus zumindest einem elektrisch leitenden Leiterstab mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt aufgebaut, wobei zumindest ein elektrisch isolierender Schrumpfschlauch, der einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, um dem Umfang des Leiterstabs aufgebracht und anschließend aufgeschraubt wird. Hierdurch soll ein einfaches Verfahren zum Aufbringen einer langlebigen elektrischen Isolierung bereitgestellt werden.
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Aus der
EP 1 641 104 A1 ist ein Wicklungsträger für eine elektrische Maschine mit mehreren Polzähnen bekannt. Benachbarte Polzähne begrenzen zwischen sich wenigstens eine Nut, in der jeweils mindestens eine Wicklung angeordnet ist. Der Wicklungsträger ist dabei in den Nuten und an Stirnseiten mit einer Schicht versehen, wobei die Schicht in den Nuten wenigstens eine in der jeweiligen Nut angeordnete Blechhülse ist. Hierdurch soll mit einem einfachen Verfahren kostengünstig ein hoher Kupferfüllfaktor erreicht werden können.
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Aus der
WO 2020 042 245 A1 ist ein Verfahren zur Isolierung einer Statornut bei einer elektrischen Maschine bekannt.
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Generell sind die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine, insbesondere durch ein aufwendiges und komplexes Einbringen einer elektrischen Isolierung in eine Statornut teuer. Daneben wird üblicher Weise zu einer Flächenisolation auch sogenanntes Nutisolationspapier verwendet, welches jedoch zur Herstellung einer ausreichenden Isolierung an einer Seite überlappend in der Nut eingebracht werden muss, was wiederum einen maximal möglichen Kupferfüllfaktor reduziert und dadurch die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine mindert.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine kostengünstige Isolierung einer Statornut ermöglicht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zur elektrischen Isolierung und zur Auskleidung einer Statornut eines Stators nicht mehr wie bislang Nutisolationspapier zu verwenden, sondern einen kostengünstigen, einfach zu verformenden und zugleich einfach einzubauenden Kunststoffschlauch. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Elektromotors, mit einem Statorkern mit zumindest zwei sich in Axialrichtung des Stators erstreckenden Statornuten mit jeweils einem Innenumfang wird zunächst ein Stator bereitgestellt. Dieser Stator besitzt die zuvor erwähnten Statornuten. Zuvor, gleichzeitig oder danach wird ein Kunststoffrohr, beispielsweise in der Art eines flexiblen Kunststoffschlauches, hergestellt, dessen Außenumfang dem Innenumfang zumindest einer dieser Statornuten bezogen auf einen Querschnitt entspricht. Der Außenumfang des Kunststoffrohres muss immer demjenigen Innenumfang der Statornut entsprechen, in welche das Kunststoffrohr später eingeschoben wird. Anschließend wird das Kunststoffrohr auf die axiale Länge des Hohlraums abgelängt und mit einem Werkzeug auf eine Statornut-Innengeometrie umgeformt bzw. verformt. ES ist ebenfalls möglich, das Kunststoffrohr mit einem definierbarem Übermaß abzulängen, um an den Statorenden ebenfalls eine ausreichende Isolationswirkung zu erzielen. Das Kunststoffrohr weist danach eine Außenkontur (bezogen auf einen Querschnitt der Statornut) auf, die einer Innenkontur der Statornut entspricht. Anschließend wird das Kunststoffrohr in die Statornut eingeschoben und legt sich dabei als elektrisch isolierende Innenauskleidung mit seiner Außenmantelfläche an die Innengeometrie/Innenmantelfläche der Statornut, das heißt an deren Innenumfang, an. Ein Einschieben des Kunststoffrohrs in die Statornut erfolgt dabei mittels Druckluft. Hierdurch kann vorteilhafterweise eine bislang bei der Verwendung eines Nutisolationspapiers erforderliche Überlappung entfallen, wodurch der Kupferfüllfaktor und damit die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine gesteigert werden können. Das Umformen bzw. Verformen des Kunststoffrohres kann dabei rein mechanisch erfolgen, wobei selbstverständlich auch eine thermische Unterstützung, beispielsweise durch ein Erwärmen, denkbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kunststoffrohr aus einem Thermoplast hergestellt. Thermoplaste sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich verformen lassen. Dieser Vorgang ist reversibel und kann beispielsweise durch Abkühlung und Wiedererwärmung beliebig oft wiederholt werden. Ein derartiger Thermoplast lässt sich in nahezu beliebigen Dicken herstellen, wodurch die isolierende Wirkung durch das Kunststoffrohr bzw. die daraus hergestellte elektrisch isolierende Innenauskleidung individuell beeinflusst werden können. Thermoplaste sind darüber hinaus kostengünstige Kunststoffe.
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Zweckmäßig wird das Kunststoffrohr extrudiert. Hierbei wird beispielsweise ein Thermoplast erwärmt und unter Druck kontinuierlich aus einer formgebenden Öffnung, üblicherweise einer Düse bzw. einer Matrize, herausgepresst. Hierdurch lassen sich querschnittsgleiche Körper als Extrudat in nahezu beliebiger Länge kostengünstig herstellen.
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Zweckmäßig wird eine Statorwicklung bereitgestellt und mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen. Die Statorwicklung ist beispielsweise aus einzelnen Kupferdrähten hergestellt, wobei hier insbesondere ein sogenannter Kupferfüllfaktor eine große Rolle bezüglich der späteren Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine spielt. Eine elektrisch isolierende Schicht der Statorwicklung kann beispielsweise mittels eines Schrumpfschlauches oder ähnlichem erfolgen.
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Anschließend wird die Statorwicklung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in die Statornut und in die elektrisch isolierende Innenauskleidung eingeschoben, wobei aufgrund der nunmehr nicht mehr erforderlichen Überlappung durch die Verwendung des Kunststoffrohres ein hoher Kupferfüllfaktor in der jeweiligen Statornut erreicht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Stator einer elektrischen Maschine entsprechend dem in den vorherigen Absätzen beschriebenen Verfahren herzustellen und dadurch eine kostengünstige Fertigung zu erreichen, die zudem industrialisierbar und damit automatisierbar ist. Gleichzeitig kann hierdurch eine gleichbleibend hohe Bauteilqualität erreicht werden. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kunststoffrohre lassen sich auch Wandstärken und damit eine Isolationswirkung äußerst variabel und schnell einstellen.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine elektrische Maschine mit einem in dem vorherigen Absatz beschriebenen Stator auszustatten und dadurch eine kostengünstig und mit hohem Automatisierungsgrad herstellbare elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor, zu erhalten. Derartige elektrische Maschinen sind hinsichtlich ihres Einsatzgebietes nahezu unbegrenzt und finden beispielsweise in modernen Elektro- und Hybridfahrzeugen zunehmend Verwendung. Selbstverständlich können derartige Elektromaschinen auch in sämtlichen anderen elektrisch angetriebenen Maschinen, beispielsweise Haushaltsgeräten oder Komponenten eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise Lüfter, eingesetzt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Frontalansicht auf ein noch nicht umgeformtes Kunststoffrohr zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren eines Stators,
- 2 eine Segmentansicht auf einen erfindungsgemäß hergestellten Stator,
- 3a bis c unterschiedliche Fertigungsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Stators 1 (vgl. 2) einer elektrischen Maschine 2 wird ein Statorkern 3 mit mehreren sich in Axialrichtung (gemäß der 2) orthogonal zur Blattebene des Stators 1 erstreckenden Statornuten 4 mit jeweils einem Innenumfang 5 verwendet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst der Stator 1 mit den Statornuten 4 bereitgestellt. Zuvor, gleichzeitig oder danach wird ein Kunststoffrohr 6 (vgl. die 1 und 3) hergestellt, dessen Außenumfang dem Innenumfang 5 einer zugehörigen Statornut 4 entspricht oder geringfügig kleiner ist. Das Kunststoffrohr 6 ist dabei vorzugsweise zylindrisch ringförmig ausgebildet und insbesondere mittels eines automatisierten Extrusionsverfahrens hergestellt. Als Kunststoff für das Kunststoffrohr 6 kann beispielsweise ein Thermoplast verwendet werden. Ein Querschnitt des Kunststoffrohres 6 kann dabei selbstverständlich auch an einen Querschnitt der späteren Innenauskleidung 8 angepasst sein, so dass auch ein im Querschnitt rechteckförmiges Kunststoffrohr 6 denkbar ist.
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Anschließend wird das Kunststoffrohr 6 auf die axiale Länge der Statornut 4 abgelängt, beispielsweise abgeschnitten, und anschließend mit einem Werkzeug 7 (vgl. die 3b und 3c) so umgeformt, dass der Querschnitt des Kunststoffrohres 6 nun einem Innenquerschnitt bzw. einer Innengeometrie der Statornut 4 entspricht. Anschließend wird das Kunststoffrohr 6 in seinem nun verformten Zustand (vgl. 2) in die Statornut 4 eingeschoben und legt sich dabei als elektrisch isolierende Innenauskleidung 8 an die Innengeometrie der Statornut 4 an. Ein Einbringen des Kunststoffrohres 6 in die Statornut 4 kann beispielsweise mittels eines entsprechenden Schiebers oder Druckluft erfolgen.
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Hierdurch ist es möglich, eine äußerst kostengünstige elektrisch isolierende Innenauskleidung 8 hochautomatisiert herzustellen. Zugleich kann mittels eines derartigen umgeformten Kunststoffrohres 6 eine gleichbleibend hohe Bauteilqualität erzielt werden. Bezüglich einer elektrischen Isolierwirkung lässt sich durch eine einfache Anpassung einer Wanddicke des Kunststoffrohres 6 die elektrisch isolierende Wirkung einfach adaptieren.
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Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Kunststoffrohres 6 als Innenauskleidung 8 liegt darin, dass keine überlappenden Bereiche mehr erforderlich sind, wie diese bei der Verwendung von bisherigem Nutisolationspapier erforderlich waren. Diese Überlappung verminderte einen maximal möglichen Kupferfüllfaktor und damit reduzierten sie auch eine maximal mögliche Leistung der elektrischen Maschine 2.
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Das Kunststoffrohr 6 kann beispielsweise aus einem Thermoplast hergestellt sein und lässt sich dadurch in einem vordefinierten Temperaturbereich einfach plastisch verformen, beispielsweise durch das zuvor erwähnte Werkzeug 7. Zur Herstellung des Kunststoffrohres 6 ist zu sagen, dass dieses beispielsweise mittels Extrusionsverfahren hergestellt werden kann, wodurch ebenfalls ein vollautomatisiertes, kostengünstiges Herstellungsverfahren mit nahezu beliebigen Querschnitten ermöglicht wird.
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Zur vollständigen Herstellung des Stators 1 wird anschließend noch eine nicht gezeigte Statorwicklung bereitgestellt und mit einer elektrisch isolierenden Schicht, beispielsweise einem Schrumpfschlauch, überzogen. Diese Statorwicklung wird dann in die Statornut 4 und in die elektrisch isolierende Innenauskleidung 8 eingeschoben, wobei rein theoretisch auch denkbar ist, dass auf eine separate elektrische Isolierung der Statorwicklung, beispielsweise die zuvor genannte elektrisch isolierende Schicht, verzichtet werden kann, sofern beispielsweise das Kunststoffrohr 6 und damit die elektrisch isolierende Innenauskleidung 8 eine entsprechende Wandstärke aufweisen.
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Eine mit einem solchen erfindungsgemäßen Stator 1 ausgestattete elektrische Maschine 2 kann beispielsweise in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug 9 eingesetzt werden und dort zur Leistungssteigerung beitragen.
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Alles in allem kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Stator 1 und darüber auch eine elektrische Maschine 2 kostengünstig und mit hoher Bauteilqualität hergestellt werden, wobei zudem auch eine Leistung einer mit einem derartigen Stator 1 ausgestatteten elektrischen Maschine 2 gesteigert werden kann, da mit dem erfindungsgemäß eingesetzten und umgeformten Kunststoffrohr 6 eine bislang bei der Verwendung von Nutisolationspapier erforderliche Überlappung und einer damit einhergehenden Reduzierung eines Kupferfüllfaktors vermieden werden kann.
