-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine mit einem aus einer Mehrzahl von Statorblechen gebildeten zylinderringförmigen Statorkörper, mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Statorkörper erstreckender Statornuten, welche entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung ausweisen. Die Erfindung betrifft ferner einen Stator für eine elektrische Maschine.
-
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
-
Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegel-raddifferenzial oder Stirnraddifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
-
Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
-
In vielen derartigen automobilen Anwendungen werden permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) oder Asynchronmaschinen (ASM) eingesetzt, welche einen zu bestromenden Stator aufweisen. Der Stator wird hierzu mit Kupferdrähten bewickelt sein, wobei diese Statorwicklungen beispielsweise als Hairpin- oder Wellenwicklung ausgeführt sein können. Insbesondere bei Statoren mit Wellenwicklung spielt die Geometrie der Statornut und das elektrische Isolationsmittel, wie beispielsweise ein Isolationspapier, eine große Rolle, nicht nur für die Leistungsdichte der entsprechenden elektrischen Maschine, sondern auch insbesondere für den Montageprozess des Stators.
-
Aktuell werden die Einzelbleche der Statoren mit Stanzpaketierung und mehrere Laserschweißnähten am Umfang mechanisch zueinander fixiert. Sowohl die Stanzpaketierung als auch die Schweißnaht wirken sich jedoch negativ auf die Performance der entsprechenden elektrischen Maschine aus und führen zu zusätzlichen Verlusten. Es besteht daher ein Bedürfnis, sowohl auf die Stanzpaketierung, als auch auf den Laserschweißprozess verzichten zu können.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu reduzieren oder vollständig zu vermeiden und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Stators sowie einen Stator für eine elektrische Maschine bereitzustellen, der eine hohe Leistungsdichte aufweist, sowie einfach zu fertigen ist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine mit einem aus einer Mehrzahl von Statorblechen gebildeten zylinderringförmigen Statorkörper, mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Statorkörper erstreckender Statornuten, welche entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung ausweisen, umfassend die folgenden Schritte:
- - Stanzen der ringförmigen Statorbleche mit den Statornuten und den Statorzähnen,
- - Bereitstellung eines zylinderförmigen Montagedorns, dessen Durchmesser so gewählt ist, dass die Statorzähne an dem Montagedorn anliegen und der Montagedorn wenigstens ein Zahnelement aufweist, das radial aus dem zylinderförmigen Montagedorn herausragt und so konfiguriert ist, dass er beim Aufsetzen der Statorbleche in eine der Nutöffnungen einer der Statornuten eingreift, so dass die Statorbleche in Umfangsrichtung gegenüber dem Montagedorn festgelegt sind,
- - Aufsetzen der Statorbleche auf den Montagedorn, so dass diese gegenüber dem Montagedorn in Umfangsrichtung festgelegt sowie zentriert sind.
-
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass u.a. Statorbleche gestanzt werden können, die sowohl auf Geometrien für die Stanzpaketierung, als auch auf Laserschweißung verzichten. Da gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auf diese Prozesse verzichtet werden kann, können dadurch auch die notwendigen Investitionskosten für die entsprechenden Anlagen gespart sowie auch die Taktzeit verkürzt werden.
-
Um auf die beiden Prozesse Stanzpaketierung als auch auf Laserschweißung verzichten zu können, müssen die Statorbleche während der Herstellung des Statorkörpers zueinander fixiert werden. Hierzu werden die Statorbleche gestanzt und auf einen radial innenliegenden Montagedorn gesetzt, wodurch die Statorbelche zentriert werden. Die umfängliche Ausrichtung der Statorbleche geschieht beispielsweise über ein oder mehrere Zahnelemente am Montagedorn, die in die Nutöffnung eingreifen und den Nutraum der Statornuten aber nicht beschneiden. Somit sind die Statorbleche zueinander ausgerichtet und für temporär fixiert. In diesem Zustand, kann nachfolgend beispielsweise ein Nutisolationspapier und die Hairpins einer Hairpin-Wicklung in die Statornuten geführt werden. Die Hairpins können im Anschluss vertwistet und verschweißt werden. Im Folgeschritt erfolgt dann die finale Fixierung der Statorleche mittels Träufel- oder Tauchimprägnieren. Das Imprägnierharz füllt hierbei dann die Statornuten und zeiht aufgrund der geringen Viskosität auch zwischen die Statorbelche und fixiert diese zueinander. Im Ofen härtet das Imprägnierharz dann nachfolgend aus und verbindet die Statorbleche fest miteinander. Danach kann der Montagedorn mit den Zahnelementen entfernt werden und man erhält hierdurch dann einen fertig bewickelten Stator.
-
Der erfindungsgemäße Stator ist für eine Verwendung in einer elektrischen Maschine vorgesehen. Eine elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfasst einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
-
Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
-
Der Stator ist bevorzugt zur Verwendung in einer Radialflussmaschine ausgebildet. Ein Stator für eine Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen.
-
In die Statornuten des Stators sind Statorwicklungen eingelassen. Eine Statorwicklung ist ein elektrisch leitfähiger Leiter, dessen Längenerstreckung wesentlich größer ist als sein Durchmesser. Die Statorwicklung kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs- und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet.
-
Bevorzugt weist eine Statorwicklung eine Isolierung auf. Zur Isolierung der Statorwicklungen kann beispielsweise Glimmerpapier, welches aus mechanischen Gründen durch einen Glasgewebeträger verstärkt sein kann, in Bandform um eine oder mehrere Statorwicklungen gewickelt sein, welche mittels eines aushärtenden Harzes imprägniert sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine aushärtbare Lackschicht ohne ein Glimmerpapier zu verwenden, um eine Statorwicklung zu isolieren. Die Statorwicklung kann bevorzugt als Wellenwicklung oder Hairpin-Wicklung ausgeführt sein.
-
Der Stator besitzt ferner einen Statorkörper. Der Statorkörper kann einteilig oder mehrteilig, insbesondere segmentiert ausgebildet sein. Ein einteiliger Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Statorkörper umfänglich gesehen einteilig ausgebildet ist. Der Statorkörper ist dabei in der Regel aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet, wobei jedes der Elektrobleche zu einem Kreisring geschlossen ausgebildet ist. Ein segmentiert aufgebauter Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einzelnen Statorsegmentteilen aufgebaut ist. Der Statorkörper kann dabei aus einzelnen Statorzähnen oder Statorzahngruppen aufgebaut sein, wobei jeder einzelne Statorzahn oder jede einzelne Statorzahngruppe aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet sein kann, wobei jedes der Elektrobleche als Statorsegmentblechteil ausgebildet ist.
-
Der Statorkörper ist bevorzugt aus einem oder mehreren Statorblechpaketen gebildet. Als Statorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Statorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Statorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben. Es ist bevorzugt, dass das Blechpaket keine Verschweißung aufweist.
-
In dem Statorkörper sind bevorzugt die Statorzähne des Stators ausgebildet. Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen oder außen gerichtete Teile des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist. Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein im Wesentlichen kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht.
-
Höchst bevorzugt ist der Stator aus einem Statorblechpaket, umfassend eine Mehrzahl an Statorblechen gebildet, wobei Statornuten mittels Stanz- und/oder Schneidverfahren in die Statorbleche eingebracht sind.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass nach dem Aufsetzen der Statorbleche auf den Montagedorn jeweils ein Nutisolationspapier in die Statornuten eingesetzt wird. Das Isolationspapier kann ein organisches oder anorganisches Isolationspapier sein. Das Isolationspapier kann insbesondere auch laminiert sein. Ferner kann das Isolationspapier auch mit organischen oder anorganischen Fasern faserverstärkt sein.
-
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass nach dem Aufsetzen der Statorbleche auf den Montagedorn eine Hairpin-Wicklung in die Statornuten eingesetzt wird.
-
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass nach dem Einsetzen der Hairpin-Wicklung in die Statornuten die Hairpin-Wicklung vertwisted und/oder verschweißt wird.
-
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass nach dem Einsetzen der Hairpin-Wicklung in die Statornuten eine Fixierung der Statorbleche mittels einer Träufel- und/oder Tauchimprägnierung erfolgt.
-
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass nach der Fixierung der Statorbleche mittels einer Träufel- und/oder Tauchimprägnierung eine Aushärtung der Imprägnierung in einem Ofen erfolgt.
-
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass nach der Aushärtung der Imprägnierung der Montagedorn aus dem gebildeten Statorkörper entfernt wird.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch einen Stator einer elektrischen Maschine mit einem aus einer Mehrzahl von Statorblechen gebildeten zylinderringförmigen Statorkörper, mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Statorkörper erstreckender Statornuten, welche entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung ausweisen, und eine Hairpin-Wicklung in den Statornuten angeordnet ist und die Statorbleche mittels einer ausgehärteten Träufel- und/oder Tauchimprägnierung gegeneinander fixiert sind, wobei die Statorkörper keine Laserschweißung und/oder Stanzpacketierung der Statorbleche aufweist.
-
Der erfindungsgemäße Stator kann besonders bevorzugt für eine Verwendung in einer elektrischen Maschine eines Hybridmodul vorgesehen sein. In einem derartigen Hybridmodul können Bau- und Funktionselemente eines hybridisierten Antriebsstrangs räumlich und/oder baulich zusammengefasst und vorkonfiguriert sein, so dass ein Hybridmodul in einer besonders einfachen Weise in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Insbesondere können ein Elektromotor und ein Kupplungssystem, insbesondere mit einer Trennkupplung zum Einkuppeln des Elektromotors in und/oder Auskuppeln des Elektromotors aus dem Antriebsstrang, in einem Hybridmodul vorhanden sein.
-
Der erfindungsgemäße Stator kann des Weiteren bevorzugt in einer elektrischen Maschine eines elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrangs verbaut sein. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Maschine und ein Getriebe, wobei die elektrische Maschine und das Getriebe eine bauliche Einheit bilden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine und das Getriebe in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Maschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung des Getriebes gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
-
Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
-
Es zeigt:
- 1 eine Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine,
- 2 eine Querschnittsausschnittsansicht eines Statorkörpers und eines Montagedorns.
-
Anhand der 2 wird das Verfahren zur Herstellung eines Stators 1 näher erläutert. Der Stator 1 einer elektrischen Maschine 2, wie sie exemplarisch auch in der 1 gezeigt ist, besitzt einen aus einer Mehrzahl von Statorblechen 3 gebildeten zylinderringförmigen Statorkörper 4, mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 5 und zwischen den Statorzähnen 5 gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Statorkörper 4 erstreckender Statornuten 6, welche entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund 7 und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung 8 ausweisen. Das Herstellverfahren erfolgt nun in den folgenden Schritten:
-
Zunächst erfolgt das Stanzen der ringförmigen Statorbleche 3 mit den Statornuten 6 und den Statorzähnen 5. Ferner erfolgt die Bereitstellung eines zylinderförmigen Montagedorns 9, dessen Durchmesser 11 so gewählt ist, dass die Statorzähne 5 an dem Montagedorn 9 anliegen und der Montagedorn wenigstens ein Zahnelement 10 aufweist, das radial aus dem zylinderförmigen Montagedorn 9 herausragt und so konfiguriert ist, dass er beim Aufsetzen der Statorbleche 3 in eine der Nutöffnungen 8 einer der Statornuten 6 eingreift, so dass die Statorbleche 3 in Umfangsrichtung gegenüber dem Montagedorn 9 festgelegt sind. Dann erfolgt das Aufsetzen der Statorbleche 3 auf den Montagedorn 9, so dass diese gegenüber dem Montagedorn 9 in Umfangsrichtung festgelegt sowie zentriert sind. Dieser Zustand ist in der 2 gezeigt.
-
Nach dem Aufsetzen der Statorbleche 3 auf den Montagedorn 9 wird jeweils ein Nutisolationspapier in die Statornuten 6 sowie eine Hairpin-Wicklung in die Statornuten 6 eingesetzt. Nach dem Einsetzen der Hairpin-Wicklung in die Statornuten 6 kann die Hairpin-Wicklung vertwisted und/oder verschweißt werden.
-
Nach dem Einsetzen der Hairpin-Wicklung in die Statornuten 6 erfolgt eine Fixierung der Statorbleche 3 mittels einer Träufel- und/oder Tauchimprägnierung, gefolgt von einer Aushärtung der Imprägnierung in einem Ofen. Nach der Aushärtung der Imprägnierung wird der Montagedorn 9 aus dem gebildeten Statorkörper 4 entfernt und man erhält einen bewickelten Stator 1.
-
Der so gebildete Stator 1 einer elektrischen Maschine 2 besitzt somit einen aus einer Mehrzahl von Statorblechen 3 gebildeten zylinderringförmigen Statorkörper 4, mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 5 und zwischen den Statorzähnen 5 gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Statorkörper 4 erstreckender Statornuten 6, welche entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund 7 und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung 8 ausweisen, und eine Hairpin-Wicklung in den Statornuten 6 angeordnet ist und die Statorbleche 3 mittels einer ausgehärteten Träufel- und/oder Tauchimprägnierung gegeneinander fixiert sind, wobei die Statorkörper 4 keine Laserschweißung und/oder Stanzpacketierung der Statorbleche 3 aufweist.
-
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stator
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Statorbleche
- 4
- Statorkörper
- 5
- Statorzähne
- 6
- Statornuten
- 7
- Nutgrund
- 8
- Nutöffnung
- 9
- Montagedorn
- 10
- Zahnelement
- 11
- Durchmesser
