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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewicklung von Statorzähnen eines Stators eines Elektromotors, insbesondere eines innengenuteten Vollblechstators. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Stator eines Elektromotors sowie einen solchen Elektromotor.
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Elektromotoren kommen in Kraftfahrzeugen zwischenzeitlich für eine Vielzahl von unterschiedlichen Aufgaben zum Einsatz. So schreitet mittlerweile deren Einsatz als Fahr-Antrieb immer weiter voran. Aber auch verstellbare Elemente eines Kraftfahrzeugs werden in zunehmenden Umfang - insbesondere zur Steigerung des Nutzer-Komforts - elektrisch angetrieben. Zu solchen Elementen zählen neben elektrisch verstellbaren Fensterscheiben, Türen - insbesondere Heckklappen -, Schiebedächern und dergleichen auch Fahrzeugsitze, insbesondere deren Lehnen und/oder Sitzflächen.
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Die dabei eingesetzten Elektromotoren weisen regelmäßig Statoren auf, die aus aufeinander geschichteten und radial innenseitig genuteten Vollblechen gebildet sind. Durch diese Nuten werden die jeweiligen Pol- oder Statorzähne gebildet. Diese sind üblicherweise zur Ausbildung einer Spule, die wiederum einen Elektromagneten bildet, mit einem elektrisch leitfähigen Draht bewickelt. Die elektrische Effizienz des Elektromotors hängt dabei von der Kompaktheit der Spulenwicklung ab. Sie nimmt dabei mit abnehmendem Luftspalt-Volumen zwischen den einzelnen „Draht-Gängen“ zu. Je enger also die einzelnen Draht-Gänge zueinander angeordnet sind, desto höher ist die Leistungsfähigkeit des Elektromotors. Ein Maß hierfür ist der sogenannte Füllfaktor. Dieser gibt an, welcher Anteil einer zur Verfügung stehenden Spulenquerschnittsfläche mit leitfähigem Draht-Material gefüllt ist oder werden kann. Da übliche Wicklungsdrähte meist einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und darüber hinaus einen isolierenden Schutzlack tragen, ist ein maximaler Füllfaktor von 100 Prozent (oder 1) faktisch nicht erreichbar, zumindest nicht mit solchen Wicklungsdrähten. Mit geordneten Wicklungen, bei denen die Drähte einer nachfolgenden Wicklungslage in den „Tälern“ zwischen den Drähten der vorausgehenden Wicklungslage angeordnet sind, sind Werte von etwa 90 Prozent (oder 0,9) erreichbar.
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Für derartige Wicklungsschemata ist allerdings eine präzise Führung des Drahts während des Wickelns erforderlich. Üblicherweise kommt hierfür die sogenannte Nadelwickeltechnik zum Einsatz. Hierbei wird der Draht mittels einer Art Nadel gegenüber dem Spulenträger geführt und die Wicklung Lage um Lage auf diesem aufgebaut. Bei einem innengenuteten Vollblechstator bilden die Statorzähne diese Spulenträger. Erkanntermaßen ist hier bereits aufgrund des Innenprofils die Zugänglichkeit für das eingesetzte Wickel-Werkzeug, insbesondere also die Wickelnadel, begrenzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, den Füllfaktor bei einem Stator zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bewicklung von Statorzähnen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Stator mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Außerdem wird diese Aufgabe auch erfindungsgemäß gelöst durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Weitere vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bewicklung von Statorzähnen eines Stators eines Elektromotors, insbesondere eines innengenuteten Vollblechstators, insbesondere mit Spulendraht. Verfahrensgemäß wird dabei - insbesondere zur Ausbildung einer sogenannten konzentrierten Wicklung - eine Gesamtzahl der Statorzähne in eine Gruppe von ersten Statorzähnen und in eine Gruppe von zweiten Statorzähnen unterteilt. Von den zweiten Statorzähnen ist jeweils einer in Umfangsrichtung des Stators gesehen zwei ersten Statorzähnen zwischengeordnet. Die ersten Statorzähne werden dabei mit einer durchgehend geordneten Wicklung bewickelt. Die zweiten Statorzähne werden dagegen zumindest teilweise mit einer ungeordneten Wicklung bewickelt.
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Anders ausgedrückt wird „nur“ jeder zweite Statorzahn mit der geordneten Wicklung versehen, während die dazwischenliegenden Statorzähne zumindest teilweise ungeordnet gewickelt werden.
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„Durchgehend“ wird im vorstehenden Zusammenhang insbesondere dahingehend verstanden, dass die ersten Statorzähne nur, insbesondere im Sinne von ausschließlich, mit der geordneten Wicklung - unabhängig von einer durch einen Spulenanfang und/oder ein Spulenende gegebenenfalls vorhandenen, gewissen Unordnung - bewickelt werden. Unter „Umfangsrichtung“ in wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung tangential zu einer zentralen Achse des Stators, die vorzugsweise mit einer Rotationsachse eines im bestimmungsgemäßen Montagezustand innerhalb des Stators aufgenommen Rotors zusammenfällt, verstanden.
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Dadurch, dass die ersten Statorzähne geordnet gewickelt werden, weisen diese vorteilhafterweise einen vergleichsweise hohen Füllfaktor-Wert auf. Dadurch kann der gesamte (d. h. für den gesamten Stator gesehene) Füllfaktor vorteilhafterweise ebenfalls erhöht werden, selbst wenn die zweiten Statorzähne ungeordnet bewickelt werden, da bei einer durchgehend geordneten Bewicklung aller Zähne die jeweiligen Spulen nur „dünner“ bewickelt werden können.
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Optional werden die ersten Statorzähne dabei jeweils einzeln mit der jeweiligen (durchgehend geordneten) Wicklung (also ohne elektrische Verbindung zwischen diesen Wicklungen) versehen und die einzelnen Wicklungen (insbesondere die dadurch gebildeten Spulen) nachfolgend miteinander kontaktiert. Alternativ werden die ersten Statorzähne fortlaufend bewickelt, indem der gleiche Spulendraht ohne Unterbrechung zwischen den Wicklungen der ersten Statorzähne verlegt wird. Entsprechendes gilt auch für die (teilweise) ungeordneten Wicklungen der zweiten Statorzähne.
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In einer vorteilhaften Verfahrensvariante werden die zweiten Statorzähne mit einer „Wicklungsgrundschicht“ in einer geordneten Weise bewickelt und auf diese nachfolgend oder „darüber liegend“ ungeordnet bewickelt. Dadurch kann auch für die zweiten Statorzähne der Füllfaktor vorteilhaft erhöht werden. Insgesamt wird diese „gemischte“ Wicklung hier und im Folgenden zur Vereinfachung aber „im Ganzen“ als ungeordnete Wicklung bezeichnet.
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In einer bevorzugten Verfahrensvariante werden zuerst die ersten Statorzähne vollständig bewickelt. Erst daran anschließend werden dann die zweiten Statorzähne bewickelt. Dadurch verbleibt für die Ausbildung der geordneten Wicklung der ersten Statorzähne ein vergleichsweise großer „Arbeitsraum“ für das eingesetzte Wicklungswerkzeug.
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In einer zweckmäßigen Verfahrensvariante wird als geordnete Wicklung eine sogenannte Lagenwicklung ausgebildet. Insbesondere wird diese Lagenwicklung als orthozyklische Wicklung oder alternativ als schraubenförmige Wicklung ausgebildet. Diese Wicklungsformen ermöglichen vergleichsweise hohe Füllfaktor-Werte, bspw. von wenigsten 80 Prozent, sogar bis zu etwa 90 Prozent.
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Vorzugsweise wird die geordnete Wicklung mittels der sogenannten Nadelwickeltechnik ausgebildet. Diese ermöglicht ein möglichst präzises Ablegen des Drahts an dessen bestimmungsgemäßer Position.
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Insbesondere wird an den zweiten Statorzähnen zwischen der geordneten und der (insbesondere darüber angeordneten) ungeordneten Wicklung gewechselt, wenn für eine Wickelnadel (die bei der vorstehend genannten Nadeltechnik zum Einsatz kommt, nicht mehr ausreichend Freiraum (insbesondere der vorstehend beschriebene Arbeitsraum) insbesondere gegenüber der geordneten Wicklung des benachbarten ersten Statorzahns vorhanden ist. Durch dieses Vorgehen wird somit auch für den jeweiligen zweiten Statorzahn eine Wicklung mit möglichst hohem Füllfaktor-Wert ausgebildet.
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Vorzugsweise wird die ungeordnete Wicklung vom Zahngrund (insbesondere eines jeden zweiten Statorzahns) her aufsteigend zu einem Freiende des entsprechenden zweiten Statorzahns, insbesondere bis zu einer Polschuhkappe des zweiten Statorzahns, ausgebildet. Optional wird diese ungeordnete Wicklung dabei auf Kontakt zu der benachbarten geordneten Wicklung des angrenzenden ersten Statorzahns ausgebildet, insbesondere um einen möglichst hohen Füllfaktorwert und bspw. auch die gleiche Wicklungszahl wie beim ersten Statorzahn zu erreichen.
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Der erfindungsgemäße Stator ist zum Einsatz in einem Elektromotor eingerichtet und vorgesehen und weist dabei die Gesamtzahl von Statorzähnen auf, die wie vorstehend beschrieben in die beiden Gruppen von ersten und zweiten Statorzähnen die jeweils alternierend in Umfangsrichtung des Stators angeordnet sind, aufgeteilt ist. Wie vorstehend beschrieben weisen die ersten Statorzähne eine durchgehend geordnete Wicklung auf, wohingegen die zweiten Statorzähne eine zumindest teilweise ungeordnete Wicklung aufweisen, d. h. tragen.
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Der erfindungsgemäße Stator ist also insbesondere gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor weist den vorstehen beschriebenen Stator auf.
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Der erfindungsgemäße Stator und der erfindungsgemäße Elektromotor weisen somit die entsprechenden, sich aus den vorstehend beschriebenen Verfahrensmerkmalen ergebenden körperlichen Merkmale sowie die sich daraus ergebenden Vorteile gleichermaßen auf.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Darin zeigen:
- 1 in einer schematischen Draufsicht auf eine Stirnfläche ein Stator-Blechpaket eines Stators eines Elektromotors,
- 2 in Ansicht gemäß 1 schematisch das Stator-Blechpaket in einem teilweise bewickelten Zustand, und
- 3 in Ansicht gemäß 1 schematisch das Stator-Blechpaket in einem fertig bewickelten Zustand.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch ein Stator 1 eines nicht näher dargestellten Elektromotors in Ansicht auf eine Stirnseite dargestellt. Dieser Stator 1 ist im üblichen, bestimmungsgemäßen Einsatzzustand in ein Gehäuse des Elektromotors eingesetzt, meist eingepresst. Der Stator 1 ist aus einem Blechpaket 2 gebildet, das entlang einer Achse A aufeinander gestapelte Statorbleche aufweist. In diese Statorbleche und somit auch in das Blechpaket 2 sind in Bezug auf die Achse A radial innenseitig eine Vielzahl von Nuten 4 eingeschnitten. Vorsprünge des Statorblechpakets 2, die zwischen den Nuten 4 von einem in einer Umfangsrichtung U geschlossenen Ring radial nach innen vorstehen, werden hier und im Folgenden als Statorzähne, kurz: „Zähne 6“, bezeichnet. An diesem Zähnen 6 sind radial innenseitig sogenannte Polschuhe 8 (oder auch Polschuhkappen) ausgebildet. Diese weisen zur Achse A hin ausgerichtet eine einen Kreisringabschnitt bildende Kante auf, die im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand mit einem geringfügigen Luftspalt zu einem um die Achse A rotierbar in dem Stator 1 aufgenommenen Rotor angeordnet ist.
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Um ein für den Betrieb des Elektromotors erforderliches Magnetfeld aufbauen zu können, werden die Zähne 6 mit einem Wickel- oder Spulendraht bewickelt, so dass jeder Zahn 6 jeweils eine zugeordnete Spule trägt. Man spricht hier auch von konzentrierter Wicklung. Um eine möglichst hohe elektrische Leistungsfähigkeit zu erreichen, ist eine möglichst enge Anordnung der einzelnen Drähte zueinander erforderlich, mit möglichst geringen Luftspalten zwischen den einzelnen Drähten. Für eine solche Anordnung ist - insbesondere bei dem wie dargestellt als innengenuteter Vollblechstator ausgebildeten Stator 1 - eine sogenannte Nadelwickeltechnik erforderlich. Dabei wird der Spulendraht mit einer Wickelnadel um den jeweiligen Zahn 6 herumgeführt. Da die Nuten 4 aber nur begrenzt Arbeitsraum für die Wickelnadel lassen, ist eine entsprechend dick gewickelte Spule meist nicht möglich.
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Deshalb wird der dargestellte Stator 1 wie folgend beschrieben bewickelt. Die Zähne 6 werden dazu in erste Zähne 6a und zweite Zähne 6b unterteilt, die einander in Umfangsrichtung U abwechseln. Mit anderen Worten ist zwischen zwei ersten Zähnen 6a stets ein zweiter Zahn 6b angeordnet und entsprechend umgekehrt.
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In einem ersten Wickeldurchlauf wird mittels Nadelwickeltechnik jeder erste Zahn 6a mit einer geordneten Wicklung 10 bewickelt (s. 2). Bei der geordneten Wicklung handelt es sich um eine Lagenwicklung, z. B. eine orthozyklische oder eine schraubenförmige (d. h. helixartige) Wicklung. Dadurch kann ein besonders hoher Füllfaktorwert, d. h. ein besonders hoher Anteil an leitfähigem Material in dem für die durch die Wicklung gebildete Spule zur Verfügung gestellten Bauraum (oder: „Spulenraum“) erreicht werden. Dadurch, dass zunächst nur die ersten Zähne 6a bewickelt werden, steht in der jeweiligen Nut 4 ausreichend Arbeitsraum für die eingesetzte Wickelnadel zur Ausbildung der geordneten Wicklung 10 zur Verfügung.
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In einem zweiten Wickeldurchlauf werden anschließend die zweiten Zähne 6b bewickelt (vgl. 3). Dabei wird zunächst, d. h. solange der Arbeitsraum in den Nuten 4 für die Wickelnadel ausreicht, ebenfalls eine geordnete Wicklung ausgebildet. Wenn der Arbeitsraum in den Nuten 4 zu klein für die Wickelnadel wird, wird von der geordneten Wicklung zu einer ungeordneten, einer sogenannten „wilden Wicklung“ gewechselt. Diese wird vom Nutgrund in Richtung auf die Polschuhe 8 „aufgebaut“. Konkret werden dabei die Nuten 4 von radial außen nach radial innen aufgefüllt. Die geordneten Wicklungen 10 und die (insgesamt als ungeordnet bezeichneten) Wicklungen 12 der zweiten Zähne 6b berühren sich dabei sogar. Durch eine derartige Ausbildung der Wicklungen 10 und 12 der Zähne 6 wird insgesamt ein höherer Füllfaktor bei einem innengenuteten Vollblechstator ermöglicht, als wenn jeder Zahn 6 geordnet bewickelt wird, die entsprechende Wicklung aufgrund des Arbeitsraums für die Wickelnadel aber „dünner“ gehalten werden muss.
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In einem optionalen, nicht näher dargestellten, Ausführungsbeispiel werden im ersten Wickeldurchlauf die ersten Zähne 6a durchlaufend, also ohne Unterbrechung des Spulendrahts zwischen den jeweiligen geordneten Wicklungen 10 bewickelt. Im zweiten Wickeldurchlauf werden die ungeordneten Wicklungen 12 ebenfalls durchlaufend ausgebildet. In einem alternativen, nicht näher dargestellten, Ausführungsbeispiel werden die geordneten und auch die ungeordneten Wicklungen 10 bzw. 12 jeweils einzeln, d. h. mit Unterbrechung des Spulendrahts zwischen den jeweiligen Wicklungen 10 bzw. 12 eines jeden Wickeldurchlaufs, ausgebildet. Die Wicklungen 10 werden in diesem Fall anschließend untereinander kontaktiert, ebenfalls die Wicklungen 12.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Blechpaket
- 4
- Nut
- 6, 6a, 6b
- Zahn
- 8
- Polschuh
- 10
- geordnete Wicklung
- 12
- ungeordnete Wicklung
- A
- Achse
- U
- Umfangsrichtung
