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Die Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Rotationsmaschine, ein Verfahren zur Herstellung des Stators und eine elektrische Rotationsmaschine, die den Stator umfasst.
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Elektrische Rotationsmaschinen sind in vielfältigen Ausgestaltungen für unterschiedlichste Anwendungsfälle bekannt, wobei sie in erster Linie als Antriebsaggregate dienen, oder auch als Generatoren betrieben werden.
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Sie umfassen jeweils einen Stator und diesbezüglich drehbar angeordnet einen Rotor. Übliche Ausführungsformen sehen vor, dass sich dabei der Rotor radial innerhalb des Stators befindet bzw. dort drehbar gelagert ist.
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An den Stator werden unterschiedliche Anforderungen gestellt. So muss der Stator das von der elektrischen Rotationsmaschine erzeugte Drehmoment abstützen bzw. aufnehmen können und an ein Gehäuse oder auch Gestell übertragen können. Üblicherweise bildet dabei der Stator zumindest teilweise auch ein Gehäuse der elektrischen Rotationsmaschine aus, bzw. ist fest an das Gehäuse angeschlossen. Elektrische Rotationsmaschinen können dabei als permanenterregte Synchronmaschinen ausgestaltet sein, mit einem zu bestromenden Stator und einem permanenterregten Rotor. Der Stator umfasst ein Blechpaket mit Drahtwicklungen, einen Statorträger, der auch als Träger bezeichnet wird, und einen Verschaltungsring sowie ein Terminal zur Leistungselektronik.
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Die mechanische Befestigung des Blechpakets an dem Träger soll möglichst spannungsfrei realisiert werden, so dass keine Verformungen einzelner Bleche bzw. des gesamten Blechpakets des Stators auftreten, die wiederum zu elektrischen Verlusten führen könnten.
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In Nuten, die zwischen Zähnen des Stators ausgebildet sind, befinden sich elektrische Leitern in Form von Drahtwicklungen, die mehrere Statorzähne umschlingen. Gegebenenfalls sind diese Wicklungen aus Draht mit den Statorzähnen verklebt oder verklemmt und/ oder mit einem Epoxidharz vollständig vergossen.
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In einigen Ausführungsformen von elektrischen Rotationsmaschinen sind ein zylinderförmiges Blechpaket und der Träger mittels eines Querpressverbands aneinander fixiert. Dadurch wird eine Presspassung zwischen dem Blechpaket und dem Träger realisiert, beispielsweise bei Statoren-Durchmessern von 100mm -350 mm mit einem Übermaß von 0,1 bis 0,5 mm, um eine sichere Drehmomentübertragung zu gewährleisten.
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In den 1 und 2 ist beispielhaft eine derartige Ausführungsform dargestellt. Hier ist ein Stator 1 ersichtlich, der an seiner radialen Außenseite durch einen hohlzylinderförmigen Träger 30 ausgebildet ist. Radial innerhalb des hohlzylinderförmigen Trägers 30 ist ein aus mehreren Blechen 11 zusammengesetztes Blechpaket 10 angeordnet. Die Bleche 11 des Blechpakets 10 bildenden Statorzähne 12 aus, die nach radial innen ragen, und zwischen denen Wicklungen 20 von Leitungselementen angeordnet sind. Eine äußere Mantelfläche 25 einer Zylinderform des Blechpakets 10 liegt entsprechend an einer inneren Mantelfläche 35 der Hohlzylinderform des Trägers 30 an. Entsprechend bilden die äußere Mantelfläche 25 des Blechpakets 10 und die innere Mantelfläche 35 des Trägers 30 zusammen eine gemeinsame Mantelfläche 50 aus, in der ein Querpressverband 60 zwischen Träger 30 und Blechpaket 10 realisiert ist.
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Nachteilig daran ist jedoch der auf die Bleche 11 des Blechpakets 10 radial wirkende Druck, der zu einer Beeinträchtigung des vom Stator 1 zu realisierenden magnetischen Feldes führt, was mit Einbußen hinsichtlich des Wirkungsgrades der mit dem Stator 1 ausgestatteten elektrischen Rotationsmaschine verbunden ist. Weiterhin sind Statoren bekannt, die in Umfangsrichtung segmentiert aus einzelnen Zähnen gefertigt sind. Auch hier erfolgt eine Fixierung der einzelnen Blechpakete innerhalb eines umgebenden Trägers sowie mithilfe eines Imprägnierharzes.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stator sowie ein Verfahren zur Herstellung des Stators zur Verfügung zu stellen, die in einfacher und kostengünstiger Ausführung einen effizienten Betrieb des Stators gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Stator gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Herstellung des Stators gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Stators sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben. Ergänzend wird eine elektrische Rotationsmaschine gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Begriffe „radial“, „axial“ und „Umfangsrichtung“ beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auf die Drehachse eines Rotors einer mit dem Stator ausgestatteten elektrischen Rotationsmaschine.
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Die Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Rotationsmaschine, umfassend einen Träger und ein einen Statorkörper ausbildendes Blechpaket, wobei eines der beiden Elemente Träger und Blechpaket im Wesentlichen eine äußere Mantelfläche einer Zylinderform ausbildet und das jeweils andere Element im Wesentlichen eine innere Mantelfläche einer Hohlzylinderform ausbildet. Das eine äußere Mantelfläche einer Zylinderform ausbildende Element ist zumindest bereichsweise innerhalb eines von der Hohlzylinderform des anderen Elements ausgebildeten Hohlraums angeordnet, so dass die beiden Elemente mit ihren Mantelflächen aneinander anliegen. In wenigstens einer der beiden Mantelflächen sind Vertiefungen angeordnet, so dass durch die Vertiefungen ausgebildete Flächenbereiche außerhalb der jeweiligen Mantelfläche ausgebildet sind.
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Eine jeweilige Mantelfläche weicht entsprechend von der exakten geometrischen Form der inneren Mantelfläche eines Hohlzylinders bzw. der äußeren Mantelfläche eines Zylinders durch die Anordnungen der Vertiefungen ab.
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Das bedeutet, dass in einer radialen Begrenzungsseite eines Elements von einer dortigen Mantelfläche Flächenbereiche ausgebildet sind, die in einer ideellen Mantelfläche verlaufen, und die somit auch an der Mantelfläche des jeweils anderen Elements anliegen. Des Weiteren sind an derselben radialen Begrenzungsseite des Elements zweite Flächenbereiche durch Vertiefungen ausgebildet, wobei diese zweiten Flächenbereiche zur Mantelfläche des Elements beabstandet sind und entsprechend auch nicht an der Mantelfläche des jeweils anderen Elements anliegen. Die von einer Mantelfläche ausgebildeten Flächenbereiche können dabei auch eine zusammenhängende Fläche ausbilden, wie zum Beispiel in einer Ausführungsform, bei der die Vertiefungen nicht aneinandergrenzen bzw. nicht ineinander übergehen, sondern in einer betreffenden Mantelfläche jeweils eine abgegrenzte, vertiefte Fläche ausbilden.
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In einer anderen Ausführungsform können auch die von den Vertiefungen ausgebildeten Flächenbereiche eine zusammenhängende Fläche ausbilden, wie zum Beispiel bei Realisierung von Übergängen bzw. Berührungen derartiger Vertiefungen aneinander.
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Eine Vertiefung kann dabei durch eine Kavität realisiert sein.
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Der Stator umfasst des Weiteren in Umfangsrichtung verteilte und in einer ersten Erstreckungsrichtung sich radial erstreckende sowie in einer zweiten Erstreckungsrichtung sich axial erstreckende Statorzähne sowie zwischen den Statorzähnen mehrere im Wesentlichen sich axial erstreckende Nuten und in den Nuten jeweils zumindest einen Statorzahn umschlingend zumindest eine Wicklung wenigstens eines Leiterelements.
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Eine Ausführungsform des Stators sieht vor, dass Vertiefungen in der Mantelfläche des Blechpakets und/ oder in der Mantelfläche des Trägers ausgebildet sind.
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Das eine innere Mantelfläche einer Hohlzylinderform ausbildende Element kann der Träger sein, und das eine äußere Mantelfläche einer Zylinderform ausbildende Element kann das Blechpaket sein.
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Die Vertiefungen können jeweils punktsymmetrisch ausgeführt sein, oder als Nuten ausgeführt sein. Bei punktsymmetrischer Ausführungsform kann die Vertiefung beispielsweise die Form eines Hohlkugelsegments aufweisen. Im Fall der Ausgestaltung der Vertiefungen als Nuten verlaufen diese in einer vorteilhaften Ausführungsform achsparallel zu einer Drehachse einer mit dem erfindungsgemäßen Stator ausgestatteten elektrischen Rotationsmaschine.
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Von Vertiefungen ausgebildete Flächenbereiche können zwischen 10% und 70% einer gemeinsamen ideellen Mantelfläche ausbilden, in der der Träger und das Blechpaket aneinander anliegen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Träger und das Blechpaket im nicht aneinander montierten Zustand an ihren radialen Seiten, die im montierten Zustand mit ihren Mantelflächen aneinander anliegen, in Bezug zueinander mit einem radialen Übermaß w ausgebildet sind, wobei das radiale Übermaß w in Bezug zum maximalen Durchmesser D des Blechpakets in folgendem Verhältnis steht: w/D = 5,7 x 10-4 ... 0,001.
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Entsprechend bilden der Träger und das Blechpaket einen Querpressverband. Der maximale Durchmesser D des Blechpakets ist dabei der Durchmesser des Blechpakets in einem Bereich, der einen Luftspalt zu einem Rotor einer mit dem Stator ausgestatteten elektrischen Rotationsmaschine ausbildet.
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Das bedeutet, dass beispielsweise bei einem Außendurchmesser des Blechpakets im Bereich von 100 mm bis 350 mm und vorgesehener Anordnung des Trägers an der radialen Außenseite des Blechpakets der Träger einen Innendurchmesser des vom Träger ausgebildeten Hohlzylinders aufweisen kann, der um 0,02 mm bis 0,4 mm kleiner ist als der Außendurchmesser des Blechpakets.
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In alternativer Ausführungsform kann auch bei einem Außendurchmesser des Blechpakets im Bereich von 100 mm bis 350 mm und vorgesehener Anordnung des Trägers an der radialen Außenseite des Blechpakets das Blechpaket einen Außendurchmesser des vom Blechpaket ausgebildeten Zylinders aufweisen, der um 0,02 mm bis 0,4 mm größer ist als der Innendurchmesser des Trägers.
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Das realisierte Übermaß zwischen Träger und Blechpaket sorgt im montierten Zustand von Träger und Blechpaket für eine Presspassung zwischen den radialen Begrenzungsseiten des Trägers und des Blechpakets. Aufgrund dessen, dass jedoch in der Oberfläche der Anlage des Blechpakets am Träger Vertiefungen angeordnet sind, wirken Druckspannungen zwischen Träger und Blechpaket nur lokal begrenzt auf das Blechpaket, sodass es zu keiner oder nur einer unwesentlichen Beeinträchtigung des vom Stator zu realisierenden magnetischen Feldes kommt. Entsprechend wird auch die Effizienz einer mit dem Stator ausgestatteten elektrischen Rotationsmaschine nicht oder nur unwesentlich gemindert.
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Aufgrund des relativ geringen Übermaßes ist eine Montage mittels Querpressverband in einfacher und kostengünstiger Weise möglich.
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Das Maß der Tiefe t einer jeweiligen Vertiefung, gemessen von deren tiefsten Punkt zur jeweiligen ideellen Mantelfläche des mit der Vertiefung ausgestatteten Elements kann in Bezug zum Durchmesser D des Blechpakets in folgendem Verhältnis stehen: t/D = 1,4 x 10-5 ... 0,003.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Blechpaket einen in Umfangsrichtung geschlossenen Körper ausbildet.
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Das bedeutet, dass das Blechpaket nicht entlang der Umfangsrichtung segmentiert ausgeführt ist, sondern dass die einzelnen Bleche des Blechpakets jeweils im Wesentlichen eine Kreisringform ausbilden, sodass auch das aus mehreren Blechen zusammengesetzte Blechpaket entsprechend eine geschlossene Kreisringform aufweist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zumindest in einer Vertiefung Harz aufgenommen ist, welches zwischen dem Träger und dem Blechpaket eine adhäsiv wirkende Verbindung realisiert.
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Mit anderen Worten dient das Harz in einer Vertiefung zur Herstellung einer Klebewirkung zwischen dem Träger und dem Blechpaket. Es ist dabei nicht ausgeschlossen, dass Harz auch zwischen Bleche des Blechpaketes dringt und auch dort eine adhäsive Wirkung entfaltet.
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Der erfindungsgemäße Stator kann der Stator einer permanenterregten Synchronmaschine sein, oder aber auch für eine Asynchronmaschine oder für eine fremderregte Maschine eingesetzt werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stators, bei dem ein Blechpaket und ein Träger bereitgestellt werden, wobei eines der beiden Elemente Träger und Blechpaket im Wesentlichen eine äußere Mantelfläche einer Zylinderform ausbildet und das jeweils andere Element im Wesentlichen eine innere Mantelfläche einer Hohlzylinderform ausbildet. Es wird eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des eine innere Mantelfläche einer Hohlzylinderform ausbildenden Elements und der Temperatur des eine äußere Mantelfläche einer Zylinderform ausbildenden Elements eingestellt, so dass aufgrund temperaturbedingter Ausdehnung der Durchmesser des Hohlraums, der von der Hohlzylinderform des eine innere Mantelfläche einer Hohlzylinderform ausbildenden Elements ausgebildet ist, größer ist als der Außendurchmesser des eine äußere Mantelfläche einer Zylinderform ausbildenden Elements. Weiterhin wird das eine äußere Mantelfläche einer Zylinderform ausbildende Element zumindest bereichsweise in dem Hohlraum der von der Hohlzylinderform des eine innere Mantelfläche einer Hohlzylinderform ausbildenden Elements angeordnet, und dann wird der Temperaturunterschied der beiden Elemente verringert, so dass die innere Mantelfläche des eine Hohlzylinderform ausbildenden Elements unter Realisierung einer Presspassung an der äußeren Mantelfläche des eine Zylinderform ausbildenden Elements anliegt.
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Vertiefungen, die dabei in wenigstens einer der Mantelflächen eingearbeitet sind, bewirken dabei Hohlräume zwischen einer radialen Begrenzungsseite des Blechpakets und einer radialen Begrenzungsseite des Trägers.
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Nach dem thermischen Fügeprozess wird der Stator mit einem Harz imprägniert, welches die von den Vertiefungen ausgebildeten Hohlräume im Wesentlichen ausfüllt. Die adhäsive Wirkung des Harzes steigert die Drehmoment-Festigkeit des Stators bzw. das zwischen Blechpaket und Träger aufnehmbare Drehmoment bis zu einem Sicherheitskoeffizienten von 5-20.
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Gemäß der Erfindung wird außerdem eine elektrische Rotationsmaschine zur Verfügung gestellt, welche einen Rotor sowie einen erfindungsgemäßen Stator aufweist.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: einen herkömmlichen Stator in axialer Ansicht,
- 2: einen Ausschnitt aus dem in 1 dargestellten Stator,
- 3: einen Ausschnitt aus einem Blechpaket für einen erfindungsgemäßen Stator in axialer Ansicht, und
- 4: einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Stator in axialer Ansicht.
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Auf die 1 und 2 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
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Die 3 und 4 zeigen in Ausschnitten Teilbereiche des erfindungsgemäßen Stators.
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Der Stator wird im Folgenden anhand der beiden 3 und 4 erläutert.
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3 zeigt dabei das axial vorderste Blech 11 des Blechpakets 10 des Stators, welches auch einen sogenannten Statorkörper ausbildet. Es ist ersichtlich, dass das Blechpaket 10 an seiner radial inneren Seite mehrere Statorzähne 12 ausbildet.
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An der radial äußeren Seite ist das Blechpaket 10 im Wesentlichen durch eine äußere Mantelfläche 25 einer Zylinderform begrenzt. Diese äußere Mantelfläche 25 eine Zylinderform ist jedoch durch Vertiefungen 40 unterbrochen. Das bedeutet, dass die äußere Mantelfläche 25 keiner exakten, geschlossenen geometrischen Form einer Außenfläche eines Zylinders entspricht.
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Die Vertiefungen 40 können dabei punktsymmetrisch ausgeführt sein, wie zum Beispiel als Hohlkugelsegmente, oder aber auch in Form als Nuten ausgeführt sein und sich somit entlang der Längserstreckungsrichtung des Blechpakets 10 an dessen radialer Außenseite erstrecken.
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Die Vertiefungen 40 definieren entsprechend ausgebildete Flächenbereiche 41, die nicht in der äußeren Mantelfläche 25 der Zylinderform des Blechpakets 10 verlaufen, sondern zu dieser ideellen, geometrisch exakten Zylinderfläche einen Abstand mit der Tiefe t aufweisen.
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4 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäß ausgestalteten Stators 1 in axialer Ansicht.
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Es ist ersichtlich, dass zwischen den Statorzähnen 12 des Blechpakets an dessen radial innerer Seite 10 Wicklungen 20 angeordnet sind.
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An der radial äußeren Seite des Blechpakets 10 ist dieses radial von einem Träger 30 umgeben, der im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweist, wobei eine innere Mantelfläche 35 der Hohlzylinderform des Trägers 30 an der äußeren Mantelfläche 25 der Zylinderform des Blechpakets 10 anliegt.
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Entsprechend sind die äußere Mantelfläche 25 der Zylinderform des Blechpakets 10 und die innere Mantelfläche 35 der Hohlzylinderform des Trägers 30 in einer gemeinsamen Mantelfläche 50 angeordnet.
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Hier wird ein Querpressverband 60 zwischen dem Träger 30 und dem Blechpaket 10 realisiert. Dieser Querpressverband 60 ist dadurch realisiert, dass das Blechpaket 10 mit einem radialen Übermaß, welches in 3 angedeutet ist, in Bezug auf den inneren Durchmesser des Trägers 30 realisiert ist. Das bedeutet, dass der Außendurchmesser des Blechpakets 10 etwas größer ist als der Innendurchmesser des Trägers 30.
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Dabei ist die vorliegende Erfindung nicht darauf eingeschränkt, dass das radiale Übermaß w lediglich an der radial äußeren Seite des Blechpakets 10 realisiert ist, sondern alternativ oder zusätzlich könnte ein derartiges radiales Übermaß w auch durch den Träger 30 realisiert sein.
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Durch Erwärmung des Trägers 30 erfährt dieser eine radiale Aufweitung, sodass sich sein Durchmesser vergrößert und das Blechpaket 10 an der radialen Innenseite des Trägers 30 positioniert werden kann. Durch Abkühlung des Trägers 30 wird der Durchmesser des Trägers 30 wiederum verringert, sodass es aufgrund des radialen Übermaßes w zu einer dauerhaften Pressverbindung zwischen der inneren Mantelfläche 35 der Hohlzylinderform des Trägers 30 und der äußeren Mantelfläche 25 der Zylinderform des Blechpakets 10 kommt.
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Die durch die Vertiefungen 40 ausgebildeten Flächenbereiche 41 werden jedoch nicht durch die Querpressungen des Querpressverbandes 60 mit Kraft beaufschlagt. Entsprechend ist das Blechpaket 10 in den Bereichen der Vertiefungen 41 im Wesentlichen spannungsfrei oder spannungsgemindert ausgeführt, sodass zumindest in diesen Bereichen keine oder eine nur minimale Störung des vom Blechpaket 10 und den Wicklungen 20 zu generierenden magnetischen Feldes auftritt.
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Die vorliegende Erfindung ist dabei nicht darauf eingeschränkt, dass die Vertiefungen 40 nur an der radialen Außenseite des Blechpakets 10 ausgeführt sind. Alternativ oder zusätzlich könnten die Vertiefungen 40 auch an der radialen Innenseite des Trägers 30 ausgeführt sein.
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Um jedoch eine ausreichende mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen Träger 30 und Blechpaket 10 zu gewährleisten ist in den durch die Vertiefungen 40 ausgebildeten Hohlräumen Harz 61 aufgenommen, welches eine adhäsive Verbindung zwischen den durch die Vertiefungen 40 ausgebildeten Flächenbereichen 41 und der inneren Mantelfläche 35 der Hohlzylinderform des Trägers 30 realisiert.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Stator sowie dem Verfahren zur Herstellung des Stators werden Lehren zur Verfügung zu stellen, die in einfacher und kostengünstiger Ausführung einen effizienten Betrieb des Stators gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 10
- Blechpaket
- 11
- Blech
- 12
- Statorzahn
- 20
- Wicklung
- 25
- äußere Mantelfläche einer Zylinderform
- 30
- Träger
- 35
- innere Mantelfläche einer Hohlzylinderform
- 40
- Vertiefung
- 41
- durch die Vertiefungen ausgebildeter Flächenbereich
- 50
- Gemeinsame Mantelfläche
- 60
- Querpressverband
- 61
- Harz
- w
- radiales Übermaß
- t
- Tiefe
