DE102022134047A1 - Stator and electric motor and method for producing a stator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Stator, aufweisend eine Vielzahl hohlzylindrischer Bleche (101), welche an einem jeweiligen Innenradius Aussparungen (133) aufweisen und welche derart horizontal zwischen einer ersten Stirnseite (105) des Stators und einer der ersten Stirnseite gegenüberliegend angeordneten zweiten Stirnseite des Stators gestapelt sind, dass vertikal orientierte Nuten (103) vorliegen, welche durch die Aussparungen gebildet werden, in welchen Kupferdrähte angeordnet sind, wobei an einem ersten hohlzylindrischen Blech an der ersten Stirnseite ein erster Ring (131) angeordnet ist und wobei an einem zweiten hohlzylindrischen Blech an der zweiten Stirnseite ein zweiter Ring angeordnet ist, und ein Isolationsmaterial (151), welches in den Nuten (103) vorliegt und den ersten Ring (131) und den zweiten Ring ummantelt, wobei dem ersten Ring (131) eine erste Außenkontur (155) und dem zweiten Ring eine zweite Außenkontur derart aufgeprägt sind, dass eine Thermospannung, insbesondere eine Kerbspannung, zwischen dem Isolationsmaterial (151) und dem ersten hohlzylindrischen Blech und/oder dem Isolationsmaterial (151) und dem zweiten hohlzylindrischen Blech reduziert ist.The invention relates to a stator, comprising a plurality of hollow cylindrical sheets (101) which have recesses (133) on a respective inner radius and which are stacked horizontally between a first end face (105) of the stator and a second end face of the stator arranged opposite the first end face, such that vertically oriented grooves (103) are present which are formed by the recesses, in which copper wires are arranged, wherein a first ring (131) is arranged on a first hollow cylindrical sheet on the first end face and wherein a second ring is arranged on a second hollow cylindrical sheet on the second end face, and an insulating material (151) which is present in the grooves (103) and encases the first ring (131) and the second ring, wherein a first outer contour (155) is impressed on the first ring (131) and a second outer contour is impressed on the second ring in such a way that a thermal voltage, in particular a notch voltage, is formed between the insulating material (151) and the first hollow cylindrical sheet and/or the insulation material (151) and the second hollow cylindrical sheet.
Description
Die Erfindung betrifft einen Stator, aufweisend eine Vielzahl hohlzylindrischer Bleche, welche an einem jeweiligen Innenradius Aussparungen aufweisen und welche derart horizontal zwischen einer ersten Stirnseite des Stators und einer der ersten Stirnseite gegenüberliegend angeordneten zweiten Stirnseite des Stators gestapelt sind, dass vertikal orientierte Nuten vorliegen, welche durch die Aussparungen gebildet werden, in welchen Kupferdrähte angeordnet sind, wobei an einem ersten hohlzylindrischen Blech an der ersten Stirnseite ein erster Ring angeordnet ist und wobei an einem zweiten hohlzylindrischen Blech an der zweiten Stirnseite ein zweiter Ring angeordnet ist, und ein Isolationsmaterial, welches in den Nuten vorliegt und den ersten Ring und den zweiten Ring ummantelt und einen Elektromotor sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Stators.The invention relates to a stator having a plurality of hollow cylindrical sheets which have recesses on a respective inner radius and which are stacked horizontally between a first end face of the stator and a second end face of the stator arranged opposite the first end face in such a way that vertically oriented grooves are present which are formed by the recesses and in which copper wires are arranged, wherein a first ring is arranged on a first hollow cylindrical sheet on the first end face and wherein a second ring is arranged on a second hollow cylindrical sheet on the second end face, and an insulating material which is present in the grooves and encases the first ring and the second ring and an electric motor and a method for producing a stator.
Die wesentlichen Bestandteile eines Elektromotors sind beispielsweise ein Rotor, ein Stator, ein Kommutator, Bürsten, eine Spule und eine Welle. Eine Rotationsenergie an der Welle des Elektromotors, wird durch den Rotor, welcher sich zwischen den beiden Polen des Stators bewegt, erzeugt. Je nach Art des Elektromotors nehmen insbesondere zwei Hauptkomponenten Einfluss auf die Leistungsklasse des Elektromotors: ein Blechpaket, welches der Führung der Wicklungen in seinen Nuten und zur lokalen Konzentration von Magnetfeldlinien dient sowie die das Magnetfeld erzeugende elektrische Wicklung selbst.The main components of an electric motor are, for example, a rotor, a stator, a commutator, brushes, a coil and a shaft. Rotational energy on the shaft of the electric motor is generated by the rotor, which moves between the two poles of the stator. Depending on the type of electric motor, two main components in particular influence the performance class of the electric motor: a laminated core, which serves to guide the windings in its slots and to locally concentrate magnetic field lines, and the electrical winding itself that generates the magnetic field.
Dabei besteht das Blechpaket im Allgemeinen aus einer Vielzahl dünner Bleche mit Dicken von ca. 0,1 mm bis 0,6 mm. Die zumeist gestanzten Bleche werden in axialer Richtung gestapelt und können gegeneinander elektrisch isoliert sein. Durch die Stapelung und die Form der Bleche entstehen Nuten zur Führung der Wicklung im Innenraum des Blechpaketes.The laminated core generally consists of a large number of thin sheets with thicknesses of approximately 0.1 mm to 0.6 mm. The mostly punched sheets are stacked in an axial direction and can be electrically insulated from one another. The stacking and the shape of the sheets create grooves for guiding the winding inside the laminated core.
Die in die Nuten des Blechpakets eingelegte Wicklung eines Elektromotors, welche verteilt oder konzentriert sein kann, besteht im Allgemeinen aus Kupferdrähten. Die Drähte sind dabei zumeist elektrisch gegeneinander und gegen das Blechpaket isoliert.The winding of an electric motor, which can be distributed or concentrated and is inserted into the slots of the laminated core, generally consists of copper wires. The wires are usually electrically insulated from each other and from the laminated core.
Die erreichbare Leistung des Elektromotors ist insbesondere auch von der thermischen Belastbarkeit der Isolation der Drähte des Stators abhängig. An die Isolation werden darüber hinaus eine Vielzahl weiterer Anforderungen, wie bspw. eine hohe Kriechstromfestigkeit, eine gute thermische Leitfähigkeit oder eine hohe Temperaturbeständigkeit gestellt.The achievable performance of the electric motor depends in particular on the thermal resilience of the insulation of the stator wires. The insulation also has to meet a number of other requirements, such as high tracking resistance, good thermal conductivity or high temperature resistance.
Im Stand der Technik sind Papierisolatoren bekannt, welche zur Hochvolt-Isolierung der Kupferdrähte in die Nuten des Blechpakets eingebracht werden. Der Montageprozess der Isolierpapiere ist zeitaufwändig und somit kostenintensiv.Paper insulators are known in the state of the art; these are inserted into the grooves of the laminated core for high-voltage insulation of the copper wires. The process of installing the insulating paper is time-consuming and therefore costly.
Weiter sind im Stand der Technik kunststoffummantelte Rotoren und Statoren bzw. kunststoffummantelte Segmente eines Stators bekannt (
Da das Blechpaketmaterial einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Umspritzungsmaterial hat, treten im Betrieb des Elektromotors Thermospannungen, insbesondere Kerbspannungen auf. Durch die Kerbspannungen können Materialversagen und/oder Materialentkoppelungen hervorgerufen werden. Bei einem Materialversagen kann beispielsweise das Isolationsmaterial des Stators aufbrechen. Bei Entkoppelungen kann eine Verbindung zwischen dem Stator und dem Isolationsmaterial aufbrechen. Bei derartigem Versagen kann eine unerwünschte elektrische Leitung zwischen Bauteilen, insbesondere Wicklungen und Blechpaket und/oder Gehäuse entstehen. Diese treten insbesondere bei hohen Leistungsklassen (Hochvolt-Anwendungen) auf oder bei Tieftemperaturen, weil das Material der Umspritzung hier schneller schrumpft, als das Blechpaketmaterial. Auch durch derartige unterschiedliche Erstreckungen kann die Umspritzung brechen.Since the laminated core material has a different coefficient of thermal expansion than the overmolding material, thermal stresses, particularly notch stresses, occur when the electric motor is in operation. The notch stresses can cause material failure and/or material decoupling. If the material fails, for example, the insulation material of the stator can break. If decoupling occurs, a connection between the stator and the insulation material can break. If this type of failure occurs, an undesirable electrical connection can arise between components, particularly windings and laminated core and/or housing. This occurs particularly in high power classes (high-voltage applications) or at low temperatures, because the overmolding material shrinks faster than the laminated core material. The overmolding can also break due to such different expansions.
Die
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Die
Die
Die
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Folglich besteht ein Bedarf an einem Stator mit einem Isolationsmaterial, bei dem auch bei unterschiedlichen Temperaturen, z.B. im Nutzungszustand und im ausgeschalteten Zustand des Elektromotors, keine oder nur geringe thermische Spannungen zwischen dem Isolationsmaterial und dem Blechpaket des Stators auftreten.Consequently, there is a need for a stator with an insulating material in which no or only minimal thermal stresses occur between the insulating material and the laminated core of the stator even at different temperatures, e.g. when the electric motor is in use and when it is switched off.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.The object of the invention is to improve the state of the art.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Stator, aufweisend eine Vielzahl hohlzylindrischer Bleche, welche an einem jeweiligen Innenradius Aussparungen aufweisen und welche derart horizontal zwischen einer ersten Stirnseite des Stators und einer der ersten Stirnseite gegenüberliegend angeordneten zweiten Stirnseite des Stators gestapelt sind, dass vertikal orientierte Nuten vorliegen, welche durch die Aussparungen gebildet werden. In den Nuten sind bevorzugt Kupferdrähte angeordnet. An einem ersten hohlzylindrischen Blech an der ersten Stirnseite ist vorzugsweise ein erster Ring angeordnet und an einem zweiten hohlzylindrischen Blech an der zweiten Stirnseite ist ein zweiter Ring angeordnet. Ein Isolationsmaterial liegt vorzugsweise in den Nuten vor und ummantelt den ersten Ring und den zweiten Ring, wobei dem ersten Ring eine erste Außenkontur und dem zweiten Ring eine zweite Außenkontur derart aufgeprägt sind, dass eine Thermospannung, insbesondere eine Kerbspannung, zwischen dem Isolationsmaterial und dem ersten hohlzylindrischen Blech und/oder dem Isolationsmaterial und dem zweiten hohlzylindrischen Blech reduziert ist.The object is achieved by a stator having a plurality of hollow cylindrical sheets which have recesses on a respective inner radius and which are stacked horizontally between a first end face of the stator and a second end face of the stator arranged opposite the first end face in such a way that vertically oriented grooves are present which are formed by the recesses. Copper wires are preferably arranged in the grooves. A first ring is preferably arranged on a first hollow cylindrical sheet on the first end face and a second ring is arranged on a second hollow cylindrical sheet on the second end face. An insulating material is preferably present in the grooves and encases the first ring and the second ring, wherein a first outer contour is impressed on the first ring and a second outer contour is impressed on the second ring in such a way that a thermal stress, in particular a notch stress, between the insulating material and the first hollow cylindrical sheet and/or the insulating material and the second hollow cylindrical sheet is reduced.
Somit wird ein Stator bereitgestellt, welcher auch bei unterschiedlichen Temperaturen keine oder nur geringe thermische Spannungen zwischen dem Isolationsmaterial und dem Blechpaket des Stators aufweist.This provides a stator which, even at different temperatures, has little or no thermal stress between the insulation material and the laminated core of the stator.
Die verringerte thermische Spannung wird insbesondere durch die dem ersten Ring aufgeprägte erste Außenkontur bzw. durch die dem zweiten Ring aufgeprägte zweite Außenkontur erreicht.The reduced thermal stress is achieved in particular by the first outer contour impressed on the first ring or by the second outer contour impressed on the second ring.
Die Außenkontur ist dabei dazu eingerichtet, insbesondere eine Kerbspannung zwischen dem Isolationsmaterial und dem ersten holzylindrischen Blech bzw. eine Kerbspannung zwischen dem Isolationsmaterial und dem zweiten holzylindrischen Blech zu reduzieren.The outer contour is designed in particular to reduce a notch stress between the insulation material and the first wooden cylindrical sheet or a notch stress between the insulation material and the second wooden cylindrical sheet.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass beim Einbringen des Isolationsmaterial eine Geometrie des Isolationsmaterials herbeigeführt wird, welche auf Grund ihrer Gestalt zu einer Reduktion von thermischen Spannungen an Materialübergängen führt.An essential idea of the invention is based on the fact that when the insulation material is introduced, a geometry of the insulation material is created which, due to its shape, leads to a reduction of thermal stresses at material transitions.
Folgendes Begriffliche sei erläutert:
- Unter einem „Stator“ wird insbesondere ein Element eines Elektromotors verstanden. Ein Elektromotor ist insbesondere ein Energiewandler, welcher elektrische Energie in mechanische Energie wandelt und zumindest einen Stator und einen Rotor aufweist. Ein Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen Stator ist vorzugsweise ein Innenläufermotor, bei dem der Rotor insbesondere in einem Statorauge läuft. Der Stator weist vorzugsweise ein Blechpaket aus einer Vielzahl Bleche, eine Wicklung aus Drähten und eine Isolierung der Wicklung gegenüber dem Blechpaket auf. Das Blechpaket besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl axial gestapelter, hohlzylindrischer Bleche. Die Wicklung wird vorzugsweise in dafür vorgesehene Nuten des Blechpakets eingelegt. Die Isolierung kann insbesondere ein Kunststoff, insbesondere ein Duroplast oder Thermoplast sein.
- A “stator” is understood to mean, in particular, an element of an electric motor. An electric motor is, in particular, an energy converter which converts electrical energy into mechanical energy and has at least one stator and one rotor. An electric motor with a stator according to the invention is preferably an internal rotor motor in which the rotor runs in particular in a stator eye. The stator preferably has a laminated core made up of a large number of sheets, a winding made up of wires and insulation of the winding relative to the laminated core. The laminated core preferably consists of a large number of axially stacked, hollow cylindrical sheets. The winding is preferably inserted into grooves provided for this purpose in the laminated core. The insulation can in particular be a plastic, in particular a duroplastic or thermoplastic.
Unter einem „hohlzylindrischen Blech“ wird insbesondere ein gestanztes Blech verstanden. Alternativ kann ein hohlzylindrisches Blech mittels Laserschweißen hergestellt sein. Ein hohlzylindrisches Blech weist vorzugsweise eine Außenkontur und/oder einen Innenradius / Innenkontur auf. Der Innenradius ist vorzugsweise rotationssymmetrisch. Das hohlzylindrische Blech kann insbesondere auf einer Stirnfläche Aufnahmen für Verbindungselemente, wie z.B. Durchgangslöcher und/oder Gewindebohrungen aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann das hohlzylindrische Blech Zentrierelemente, wie z.B. Erhebungen, Dorne und/oder Bohrungen aufweisen. Das hohlzylindrische Blech kann beispielsweise einen weichmagnetischen Werkstoff / ferromagnetisches Material aufweisen. Der weichmagnetische Werkstoff kann vorzugsweise metallisch sein. Der weichmagnetische Werkstoff kann insbesondere Eisen, Stahl mit niedrigem Kohlenstoffanteil, Stahl mit Siliziumzusatz (FeSi), eine Nickel-Eisen-Legierung (FeNi), eine Cobalt-Eisen-Legierung (FeCo), andere Legierungen (z.B. FeAl, FeAlSi) und/oder Ferrite aufweisen. Die Dicke eines hohlzylindrischen Bleches beträgt vorzugsweise 0,05 mm bis 0,6 mm, besonders bevorzugt 0,1 mm bis 0,35 mm. Das hohlzylindrische Blech kann von einem elektrischen Isoliermaterial ummantelt sein. Der Innenradius eines hohlzylindrischen Blechs weist erfindungsgemäß vorzugsweise Aussparungen auf. Die Aussparungen können beispielsweise als Zahnkontur ausgestaltet sein. Bei einer Zahnkontur kann das Material insbesondere an einer Vielzahl Positionen des Innenradius über eine vordefinierte Länge entlang des Umfangs des Innenradius zurückspringend ausgestaltet sein. Zusätzlich oder alternativ können die Aussparungen sternförmig, insbesondere zu einer Mittelachse des hohlzylindrischen Bleches, ausgestaltet sein. Die Aussparungen können insbesondere radial zu einer Mittelachse des Stators orientiert sein. Die Aussparungen eines hohlzylindrischen Bleches korrespondieren vorzugsweise mit den Aussparungen der Vielzahl hohlzylindrischer Bleche des Stators.A “hollow cylindrical sheet” is understood to mean, in particular, a punched sheet. Alternatively, a hollow cylindrical sheet can be produced by means of laser welding. A hollow cylindrical sheet preferably has an outer contour and/or an inner radius/inner contour. The inner radius is preferably rotationally symmetrical. The hollow cylindrical sheet can have receptacles for connecting elements, such as through holes and/or threaded holes, in particular on an end face. Additionally or alternatively, the hollow cylindrical sheet can have centering elements, such as elevations, mandrels and/or holes. The hollow cylindrical sheet can, for example, have a soft magnetic material/ferromagnetic material. The soft magnetic material can preferably be metallic. The soft magnetic material can, in particular, have iron, steel with a low carbon content, steel with added silicon (FeSi), a nickel-iron alloy (FeNi), a cobalt-iron alloy (FeCo), other alloys (e.g. FeAl, FeAlSi) and/or ferrites. The thickness of a hollow cylindrical sheet is preferably 0.05 mm to 0.6 mm, particularly preferably 0.1 mm to 0.35 mm. The hollow cylindrical sheet can be covered by an electrical insulating material. According to the invention, the inner radius of a hollow cylindrical sheet preferably has recesses. The recesses can be designed as a tooth contour, for example. In the case of a tooth contour, the material can be designed to be recessed, in particular at a large number of positions on the inner radius, over a predefined length along the circumference of the inner radius. Additionally or alternatively, the recesses can be designed in a star shape, in particular to a central axis of the hollow cylindrical sheet. The recesses can in particular be oriented radially to a central axis of the stator. The recesses of a hollow cylindrical sheet preferably correspond to the recesses of the large number of hollow cylindrical sheets of the stator.
Die gestapelten hohlzylindrischen Bleche werden vorzugsweise zu einem mechanisch stabilen Verbund gefügt. Der mechanisch stabile Verbund der gestapelten hohlzylindrischen Bleche kann mittels eines Paketierverfahrens hergestellt sein. Die gestapelten hohlzylindrischen Bleche können dabei insbesondere untereinander verklebt und/oder mittels Backlacken verbunden und/oder oder stanzpaketiert und/oder mittels Laserschweißen verbunden sein. Das Blechpaket weist vorzugsweise 50 bis 500 hohlzylindrische Bleche, besonders bevorzugt 100 bis 300 hohlzylindrische Bleche auf.The stacked hollow cylindrical sheets are preferably joined to form a mechanically stable composite. The mechanically stable composite of the stacked hollow cylindrical sheets can be produced by means of a packaging process. The stacked hollow cylindrical sheets can in particular be glued to one another and/or connected by means of baking varnish and/or punched into packages and/or connected by means of laser welding. The sheet package preferably has 50 to 500 hollow cylindrical sheets, particularly preferably 100 to 300 hollow cylindrical sheets.
Unter einer „vertikal orientierten Nut“ wird insbesondere eine durch die korrespondierende Stapelung der Vielzahl hohlzylindrischer Bleche, welche am Innenradius Aussparungen aufweisen, entstehende vertikale Vertiefung verstanden. Die Ausgestaltung der Aussparungen führt vorzugsweise zu einer Vielzahl radial verteilter, insbesondere vertikal orientierter Nuten. Die Nuten entstehen mit anderen Worten durch die aneinander liegenden Aussparungen der hohlzylindrischen Bleche. In den Nuten sind insbesondere Kupferdrähte als Wicklung des Stators angeordnet. Die Kupferdrähte können isoliert sein.A "vertically oriented groove" is understood to mean in particular a vertical depression created by the corresponding stacking of the large number of hollow cylindrical sheets, which have recesses on the inner radius. The design of the recesses preferably leads to a large number of radially distributed, in particular vertically oriented grooves. In other words, the grooves are created by the recesses in the hollow cylindrical sheets lying next to one another. In particular, copper wires are arranged in the grooves as the winding of the stator. The copper wires can be insulated.
Unter einer „Stirnseite“ des Stators wird insbesondere ein oberes bzw. unteres Ende des Stators in axialer Richtung verstanden. Mit anderen Worten säumt eine Stirnseite eine Öffnung des Blechpakets. Die Stirnseite wird dabei insbesondere durch ein erstes bzw. letztes hohlzylindrisches Blech der Vielzahl gestapelter hohlzylindrischer Bleche gebildet. Mit anderen Worten ist die Vielzahl hohlzylindrischer Bleche erfindungsgemäß axial als ein Blechpaket zwischen einer ersten Stirnseite des Stators und einer zweiten Stirnseite des Stators gestapelt. Das letzte hohlzylindrische Blech kann auch ein zweites hohlzylindrisches Blech sein.A "front side" of the stator is understood to mean in particular an upper or lower end of the stator in the axial direction. In other words, a front side lines an opening in the laminated core. The front side is formed in particular by a first or last hollow cylindrical sheet of the plurality of stacked hollow cylindrical sheets. With In other words, according to the invention, the plurality of hollow cylindrical laminations are axially stacked as a laminated core between a first end face of the stator and a second end face of the stator. The last hollow cylindrical lamination can also be a second hollow cylindrical lamination.
Unter einem „ersten Ring“ wird insbesondere ein zu der Form der hohlzylindrischen Bleche, insbesondere der Form am Innenradius der hohlzylindrischen Bleche, korrespondierendes Blech verstanden. Der erste Ring kann vorzugsweise einen Innendurchmesser von 30 mm bis 300 mm, insbesondere 80 mm bis 200 mm aufweisen. Der erste Ring weist vorzugsweise eine Außenkontur auf, die vorzugsweise rotationssymmetrisch ist. Besonders bevorzugt kann die Außenkontur des ersten Ringes parallel zu der Innenkontur des ersten Ringes ausgeführt sein. Der erste Ring kann vorzugsweise einen Außendurchmesser von 50 mm bis 400 mm, insbesondere 100 mm bis 250 mm aufweisen. Weiter kann der erste Ring vorzugsweise eine Dicke von 0,3 mm bis 3 mm, insbesondere 0,8 mm bis 2 mm aufweisen. Der erste Ring kann ein Stanzteil sein. Das Material des ersten Ringes kann beispielsweise metallisch sein. Der erste Ring wird vorzugsweise nach der Aufstapelung der der hohlzylindrischen Bleche zu einem Blechpaket an einer ersten Stirnseite des Blechpakets angeordnet und zu der Orientierung der hohlzylindrischen Bleche korrespondierend ausgerichtet. Hierfür kann der erste Ring beispielsweise Zentrierelemente, wie z.B. Erhebungen oder Löcher aufweisen. Der erste Ring kann vorzugsweise drei Zentrierelemente aufweisen. Das Material des ersten Ringes weist vorzugsweise einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie das Isolationsmaterial auf. Für den zweiten Ring sind dieselben Überlegungen, wie für den ersten Ring gültig, weshalb an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet wird.A “first ring” is understood to mean in particular a sheet that corresponds to the shape of the hollow cylindrical sheets, in particular the shape of the inner radius of the hollow cylindrical sheets. The first ring can preferably have an inner diameter of 30 mm to 300 mm, in particular 80 mm to 200 mm. The first ring preferably has an outer contour that is preferably rotationally symmetrical. The outer contour of the first ring can particularly preferably be designed parallel to the inner contour of the first ring. The first ring can preferably have an outer diameter of 50 mm to 400 mm, in particular 100 mm to 250 mm. Furthermore, the first ring can preferably have a thickness of 0.3 mm to 3 mm, in particular 0.8 mm to 2 mm. The first ring can be a stamped part. The material of the first ring can be metallic, for example. The first ring is preferably arranged on a first end face of the sheet stack after the hollow cylindrical sheets have been stacked to form a sheet stack and is aligned to correspond to the orientation of the hollow cylindrical sheets. For this purpose, the first ring can have centering elements, such as elevations or holes. The first ring can preferably have three centering elements. The material of the first ring preferably has a similar thermal expansion coefficient to the insulation material. The same considerations apply to the second ring as to the first ring, which is why they will not be repeated here.
Dem ersten bzw. zweitem Ring ist vorzugsweise eine „Außenkontur“ aufgeprägt, worunter eine rotations-symmetrische Profilierung des Ringes verstanden wird. Durch die rotationssymmetrische Profilierung entsteht im Querschnitt des Ringes ein vordefiniertes Höhenprofil. Durch das Höhenprofil liegt der Ring vorzugsweise nicht flächig an einer Schnittstellenfläche an. Die Schnittstellenfläche ist insbesondere ein Segment des hohlzylindrischen Bleches an einer der Stirnseiten des Stators. Die Außenkontur kann beispielsweise aufgeprägt sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Außenkontur gelasert sein. Schließlich kann die Außenkontur geätzt sein. Die Kontur ist vorzugsweise an der Geometrie des Ringes orientiert. Die Außenkontur ist vorzugsweise derart gestaltet, dass an rechtwinklig zueinander orientierten Segmenten des hohlzylindrischen Bleches an einer der Stirnseiten des Stators, ein Hohlraum entsteht. An den hohlzylindrischen Blechen sind insbesondere die Zahnflankensegmente zu den Zahnflächensegmenten rechtwinklig zueinander angeordnet. Die Außenkontur des zweiten Ringes kann der Außenkontur des ersten Ringes entsprechen und/oder spiegelsymmetrisch zu dieser sein.The first or second ring is preferably stamped with an “outer contour”, which is understood to mean a rotationally symmetrical profiling of the ring. The rotationally symmetrical profiling creates a predefined height profile in the cross section of the ring. Due to the height profile, the ring preferably does not lie flat on an interface surface. The interface surface is in particular a segment of the hollow cylindrical sheet on one of the front sides of the stator. The outer contour can be stamped, for example. Additionally or alternatively, the outer contour can be lasered. Finally, the outer contour can be etched. The contour is preferably oriented to the geometry of the ring. The outer contour is preferably designed in such a way that a cavity is created on segments of the hollow cylindrical sheet that are oriented at right angles to one another on one of the front sides of the stator. On the hollow cylindrical sheets, the tooth flank segments in particular are arranged at right angles to the tooth surface segments. The outer contour of the second ring can correspond to the outer contour of the first ring and/or be mirror-symmetrical to it.
Unter einem „Isolationsmaterial“ wird insbesondere ein Material verstanden, welches zur elektrischen Isolierung auf eine Oberfläche eines Bauteils aufgebracht ist und/oder zur elektrischen Isolierung zwischen zwei Elemente / Segmenten/ Bauteilen eingebracht ist. Das Isolationsmaterial führt folglich vorzugsweise zu einer Unterbrechung einer elektrischen Leitfähigkeit zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element. Das Isolationsmaterial kann beispielsweise ein Kunststoff sein. Das Isolationsmaterial kann bevorzugt ein Duroplast sein. Das Isolationsmaterial kann besonders bevorzugt PPS-GF40 aufweisen. Weiter kann das Isolationsmaterial vorzugsweise in einem flüssigen Zustand aufgebracht werden und nach dem Einbringen bspw. thermisch zum Aushärten gebracht werden. Das Isolationsmaterial wird vorzugsweise in die Nuten des Blechpaketes eingebracht. Zusätzlich umschließt das Isolationsmaterial vorzugsweise den ersten Ring und/oder den zweiten Ring an den Stirnseiten des Stators. Bevorzugt weist das Isolationsmaterial einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wie das Material der hohlzylindrischen Bleche. Das Isolationsmaterial weist weiter vorzugsweise eine hohe Temperaturbeständigkeit und/oder eine hohe chemische Beständigkeit auf.An “insulating material” is understood to mean in particular a material which is applied to a surface of a component for electrical insulation and/or is introduced between two elements/segments/components for electrical insulation. The insulating material therefore preferably leads to an interruption of electrical conductivity between a first element and a second element. The insulating material can be a plastic, for example. The insulating material can preferably be a thermosetting plastic. The insulating material can particularly preferably comprise PPS-GF40. Furthermore, the insulating material can preferably be applied in a liquid state and, after introduction, can be thermally cured, for example. The insulating material is preferably introduced into the grooves of the laminated core. In addition, the insulating material preferably encloses the first ring and/or the second ring on the end faces of the stator. The insulating material preferably has a similar thermal expansion coefficient to the material of the hollow cylindrical sheets. The insulating material also preferably has a high temperature resistance and/or a high chemical resistance.
Unter einer „Kerbspannung“ wird insbesondere eine Konzentration von Spannungen an einer Kerbe bzw. Querschnittsübergang verstanden. Die Spannungen können insbesondere durch mechanische Belastungen, z.B. Zug, Druck, Biegung und/oder Torsion und/oder eine unterschiedliche thermische Ausdehnung von miteinander verbundenen Elementen, insbesondere der hohlzylindrischen Bleche und des Isolationsmaterials, induziert sein.A "notch stress" is understood to mean in particular a concentration of stresses at a notch or cross-sectional transition. The stresses can be induced in particular by mechanical loads, e.g. tension, pressure, bending and/or torsion and/or a different thermal expansion of interconnected elements, in particular the hollow cylindrical sheets and the insulation material.
Unter einer „reduzierten Thermospannung“ wird insbesondere eine Thermospannung verstanden, welche so gering ist, dass kein temperaturbedingtes Materialversagen oder temperaturbedingte Entkopplungen auftreten.A “reduced thermoelectric voltage” is understood to mean in particular a thermoelectric voltage which is so low that no temperature-related material failure or temperature-related decoupling occurs.
Unter einem „Freistich“ wird eine Materialabtragung mit einer bestimmten Form und festgelegten Maßen verstanden. Ein Freistich ist insbesondere nach DIN 509 definiert. Der erfindungsgemäße Freistich ist vorzugsweise am Übergang der axialen Planfläche des Ringes zu der radialen Zylinderfläche am Außenradius des Ringes angeordnet. Der erfindungsgemäße Freistich weist vorzugsweise eine Breite von 0,05 mm bis 1,5 mm, insbesondere bevorzugt 0,3 mm bis 1,0 mm auf.A "relief cut" is understood to mean a material removal with a specific shape and fixed dimensions. A relief cut is defined in particular according to DIN 509. The relief cut according to the invention is preferably arranged at the transition from the axial flat surface of the ring to the radial cylinder surface on the outer radius of the ring. The relief cut according to the invention preferably has a width of 0.05 mm to 1.5 mm, particularly preferably 0.3 mm to 1.0 mm.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch einen Elektromotor, umfassend einen Stator nach Anspruch 1-6 und einen Rotor sowie einen Stromspeicher, wobei der Stromspeicher insbesondere ein Hochvoltspeicher ist.According to a second aspect, the object is achieved by an electric motor comprising a stator according to claims 1-6 and a rotor as well as a power storage device, wherein the power storage device is in particular a high-voltage storage device.
Unter einem „Stromspeicher“ wird dabei insbesondere eine Vorrichtung verstanden, welche zur Speicherung von elektrischem Strom eingerichtet ist. Der erfindungsgemäße Stromspeicher ist bevorzugt ein Hochvoltspeicher.The term “power storage device” is understood to mean, in particular, a device which is designed to store electrical power. The power storage device according to the invention is preferably a high-voltage storage device.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird an dieser Stelle auf die Ausführungen zum ersten Aspekt verwiesen, welche analog gelten.In order to avoid repetition, reference is made here to the comments on the first aspect, which apply analogously.
Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Stators gemäß dem ersten Aspekt. In einem ersten Schritt werden eine Vielzahl hohlzylindrischer Bleche, welche an einem jeweiligen Innenradius Aussparungen aufweisen, zwischen einer ersten Stirnseite des Stators und einer der ersten Stirnseite gegenüberliegend angeordneten zweiten Stirnseite des Stators horizontal aufgestapelt, so dass eine Vielzahl vertikaler Nuten entstehen, welche durch die Aussparungen gebildet werden. In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein erster Ring an einem ersten hohlzylindrischen Blech an der ersten Stirnseite angeordnet und in einem dritten Schritt ein zweiter Ring an einem zweiten hohlzylindrischen Blech an der zweiten Stirnseite angeordnet, wobei dem ersten Ring eine erste Außenkontur aufgeprägt ist und dem zweiten Ring eine zweite Außenkontur aufgeprägt ist. In einem vierten Schritt wird ein aushärtendes Isolationsmaterial in die Nuten und den ersten Ring sowie den zweiten Ring ummantelnd eingebracht, so dass durch das Zusammenwirken der Außenkontur des ersten Ringes und der Außenkontur des zweiten Ringes ein isolierter Stator mit geringer Thermospannung, insbesondere Kerbspannung, zwischen dem Isolationsmaterial und der Vielzahl hohlzylindrischer Bleche vorliegt.According to a third aspect, the object is achieved by a method for producing a stator according to the first aspect. In a first step, a plurality of hollow cylindrical sheets, which have recesses on a respective inner radius, are stacked horizontally between a first end face of the stator and a second end face of the stator arranged opposite the first end face, so that a plurality of vertical grooves are created which are formed by the recesses. In a second step of the method according to the invention, a first ring is arranged on a first hollow cylindrical sheet on the first end face and, in a third step, a second ring is arranged on a second hollow cylindrical sheet on the second end face, wherein a first outer contour is embossed on the first ring and a second outer contour is embossed on the second ring. In a fourth step, a hardening insulating material is introduced into the grooves and the first ring as well as the second ring, so that through the interaction of the outer contour of the first ring and the outer contour of the second ring, an insulated stator with low thermal stress, in particular notch stress, is present between the insulating material and the plurality of hollow cylindrical sheets.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird an dieser Stelle auf die Ausführungen zum ersten Aspekt verwiesen, welche analog gelten.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.In order to avoid repetition, reference is made here to the comments on the first aspect, which apply analogously.
The invention is explained below using exemplary embodiments.
Es zeigen
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Blechpakets und -
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen ersten Ringes, -
3 einen Ausschnitt einer schematischen Darstellung einer Scheibe des, unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Ringes hergestellten, Isolationsmaterials, -
4 einen Ausschnitt einer schematischen Darstellung eines Schnitts durch das, unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Ringes hergestellten, Isolationsmaterial sowie durch den Ring und das Blechpaket und -
5 Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stators.
-
1 a schematic representation of a laminated core according to the invention and -
2 a schematic representation of a first ring according to the invention, -
3 a section of a schematic representation of a disc of the insulating material produced using a ring according to the invention, -
4 a detail of a schematic representation of a section through the insulation material produced using a ring according to the invention as well as through the ring and the laminated core and -
5 Method steps of a method according to the invention for producing a stator according to the invention.
Ein Elektromotor (nicht dargestellt) weist einen Rotor und einen Stator auf. Der Stator umfasst ein Blechpaket 101. Das Blechpaket 101 ist aus einer Vielzahl axial gestapelter Bleche, welche untereinander verklebt sind, hergestellt. Am Innenumfang des Blechpakets 101 sind eine Vielzahl Nuten 103 angeordnet, welche zur Aufnahme eines Kupferdrahtes eingerichtet sind. Auf der ersten Stirnfläche 105 des Blechpaketes 101 sind drei 2 mm breite und 1 mm tiefe Löcher als ein erstes Zentrierelement 107 sowie ein zweites Zentrierelement 109 und ein drittes Zentrierelement 111 angeordnet, welche mit Zentrierelementen (137, 139, 141) eines Ringes 131 korrespondieren. Zur Befestigung weist das Blechpaket vier Durchgangslöcher (113, 115, 117, 119) auf.
Der Ring 131 weist am Innenradius eine zu den Nuten 103 des Blechpakets 101 korrespondierende Zahnkontur 133 auf. Die Dicke des Rings 131 beträgt 1 mm. Des Weiteren sind auf der zweiten Stirnfläche 135 des Ringes 131 ein viertes Zentrierelement 137 und ein fünftes Zentrierelement 139 und ein sechstes Zentrierelement 141 angeordnet, wobei die Zentrierelemente (137, 139, 141) des Rings 131 mit den Zentrierelementen (107, 109, 111) des Blechpakets 101 korrespondieren. Weiter weist der Ring 131 umlaufend und zu der Zahnkontur 133 korrespondierend einen Freistich 155 mit einer Tiefe von 1 mm und einer Breite von 2 mm auf.
Am äußeren Umfang des Isolationsmaterials 151 liegt umlaufend und der Zahnkontur 133 folgend, eine Rille 157 vor. Die Rille 157 entsteht während der Umspritzung des erfindungsgemäßen Ringes 131 und der Nuten 103 durch den am Ring 131 angeordneten Freistich 155. Die Rille 157 liegt somit am Übergang zwischen dem Isolationsmaterial 151 und dem Blechpaket 101 umlaufend und der Zahnkontur 133 folgend im Isolationsmaterial 151 vor.
In einem ersten Schritt 100 eines Verfahrens zur Herstellung eines Stators werden eine Vielzahl hohlzylindrischer Bleche, welche an einem jeweiligen Innenradius Aussparungen 133 aufweisen, aufgestapelt. Das derart aufgestapelte Blechpaket 101 weist auf der Innenmantelfläche eine Vielzahl vertikaler Nuten 103 auf, welche durch die Aussparungen 133 gebildet werden. In einem zweiten Schritt 200 wird ein erster Ring 131 an einem ersten hohlzylindrischen Blech des Blechpakets 101 angeordnet und in einem dritten Schritt 300 ein zweiter Ring an einem zweiten hohlzylindrischen Blech des Blechpakets 101 angeordnet, wobei dem ersten Ring 131 eine erste Außenkontur 155 aufgeprägt ist und dem zweiten Ring eine zweite Außenkontur aufgeprägt ist und in einem vierten Schritt 400 wird ein aushärtendes Isolationsmaterial 151 in die Nuten 103 und den ersten Ring 131 und den zweiten Ring ummantelnd eingebracht, so dass durch das Zusammenwirken der Außenkontur 155 des ersten Ringes 131 und der Außenkontur des zweiten Ringes ein isolierter Stator mit geringer Thermospannung, insbesondere Kerbspannung, zwischen dem Isolationsmaterial 151 und dem Blechpaket 101 vorliegt.An electric motor (not shown) has a rotor and a stator. The stator comprises a
The
A groove 157 is present on the outer circumference of the insulating
In a
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 101101
- BlechpaketSheet metal package
- 103103
- NutenGrooves
- 105105
- erste Stirnflächefirst frontal surface
- 107107
- erstes Zentrierelementfirst centering element
- 109109
- zweites Zentrierelementsecond centering element
- 111111
- drittes Zentrierelementthird centering element
- 113113
- erstes Durchgangslochfirst through hole
- 115115
- zweites Durchgangslochsecond through hole
- 117117
- drittes Durchgangslochthird through hole
- 119119
- viertes Durchgangsloch fourth through hole
- 131131
- Ringring
- 133133
- ZahnkonturTooth contour
- 135135
- zweite Stirnflächesecond front surface
- 137137
- viertes Zentrierelementfourth centering element
- 139139
- fünftes Zentrierelementfifth centering element
- 141141
- sechstes Zentrierelement sixth centering element
- 151151
- IsolationsmaterialInsulation material
- 155155
- FreistichFreeway
- 157157
- Rillegroove
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 002022054381 A1 [0011]WO 002022054381 A1 [0011]
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Claims (9)
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