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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiter einen Elektromotor mit einem solchen Stator.
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Der in Rede stehende Stator ist einem Elektromotor zugeordnet und wirkt mit einem Rotor zusammen. Der Stator dient allgemein der Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, das eine Rotation des Rotors bewirkt.
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Für die Erzeugung des obigen elektromagnetischen Feldes ist der Stator mit einer Anzahl von Stator-Wicklungen ausgestattet, die auf Zähnen des Stators angeordnet sind. Der Stator weist üblicherweise axial geschichtete Blechlamellen auf und dient einerseits der Weiterleitung des von der Wicklung erzeugten magnetischen Flusses und andererseits der mechanischen Aufnahme der Wicklung. Zur Bildung des Stators können die Zähne zusammenhängend oder vereinzelt ausgeführt sein, wobei die Mittelache des Stators funktionsbedingt mit der Drehachse des Rotors zusammenfällt.
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Ein Einzel-Zahn lässt sich von der Mittelachse des Stators aus radial in aufeinanderfolgende Abschnitte, nämlich einen Zahnfuß, einen Zahnhals und einen Zahnkopf aufteilen, wobei die tangentialen Abmaße von Zahnfuß und Zahnkopf die des Zahnhalses überragen. Zur Bildung eines ringförmigen Stators werden die Zähne an seitlichen Flanken des Zahnkopfes aneinandergereiht.
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Die Wicklung wird vorzugsweise unter Verwendung eines lackisolierten Kupferdrahtes gebildet, der in einer Wickelmaschine um den Zahn, insbesondere den Zahnhals, geschlungen wird. Damit die Wicklung durch die produktionsbedingt scharfkantig gestanzten Blechlamellen keine Beschädigung erfährt, ist es bereits bekannt, vor dem Wickelprozess auf dem Zahn zwei kunststoffgespritzte Spulenkörper anzubringen, die den Zahnhals und zumindest teilweise den Zahnfuß sowie den Zahnkopf bedecken. Die in der Regel U-förmig ausgebildeten Spulenkörper werden axial über beide Stirnseiten des Zahns gestülpt, um denjenigen Teil des Zahns, der theoretisch mit der Wicklung in Berührung kommen könnte, zu schützen.
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Damit sich die Spulenkörper nach deren Anbringung am Zahn nicht wieder lösen, was zum Beispiel bei einer Einspannung des Spulenkörpers in die Wickelmaschine vorkommen kann, werden diese bekanntermaßen in tangentialer Richtung kraftschlüssig am Zahn festgelegt. Dazu sind die beiden Schenkel des U-förmigen Spulenkörpers, die sich entlang des Zahnhalses erstrecken, mit einem Übermaß gegenüber der tangentialen Breite des Zahnhalses versehen. Dieses Übermaß ergibt sich dadurch, dass sich die lichte Weite der Schenkel von der Stirnseite des Zahns entlang des Zahnhalses verkleinert bzw. verjüngt. Das Übermaß ergibt sich dabei entweder durch bewusste Nutzung von herstellungsbedingten Schrumpfungen, die sich beim Abkühlen des Spulenkörpers nach dem Spritzguss-Prozess automatisch einstellen, oder das Übermaß wird im Kunststoffspritzguss-Werkzeuges von vornherein vorgehalten. Die Bestückung des Zahnes mit solchen Spulenkörpern erfolgt mit einem Spreizwerkzeug, welches die Schenkel derart weit voneinander entfernt, dass der Spulenkörper an dem Zahn positioniert werden kann. Nach diesem Montageschritt üben die Schenkel aufgrund der federelastischen Eigenschaft des Kunststoffs auf den Zahnhals eine Klemmkraft aus, die den Spulenkörper am Zahn kraftschlüssig hält.
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Als nachteilig hat sich bei dem oben genannten Konzept herausgestellt, dass die Klemmkraft mit zunehmender axialer Länge des Stators abnimmt. Dies erfolgt deshalb, weil die lichte Weite der Schenkel nicht beliebig verkleinert werden kann, da es ansonsten zu plastischen Verformungen oder sogar zum Bruch des Spulenkörpers kommt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Stator vorzuschlagen, der eine sichere kraftschlüssige Festlegung eines Spulenkörpers an einem Statorzahn ermöglicht.
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Bezüglich des Stators wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Stator eines Elektromotors weist Zähne auf, die von einer Mittelachse des Stators aus radial in aufeinanderfolgende Abschnitte, nämlich einen Zahnfuß, einen Zahnhals und einen Zahnkopf aufgeteilt sind. Die tangentialen Abmaße von Zahnfuß und Zahnkopf sind derart bemessen, dass sie die des Zahnhalses überragen.
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Des Weiteren ist ein Spulenkörper aus einem Isolierwerkstoff wie z.B. Kunststoff vorgesehen, der U-förmig ausgebildet ist und nach seiner Anbringung am Zahn die o.g. Abschnitte zumindest teilweise axial und radial bedeckt. Im Bereich des Zahnhalses ist der Spulenkörpers vorzugsweise mit Rillen versehen, in denen der Spulendraht formschlüssig geführt ist. Der Spulenkörper ist kraftschlüssig in radialer Richtung zur Mittelachse zwischen Zahnfuß und Zahnkopf am Zahn festgelegt. Der Spulenkörper weist vor Anbringung am Zahn bezüglich eines radialen Abstands zwischen Zahnfuß und Zahnkopf ein Übermaß auf. Im Rahmen der Anbringung am Zahn wird der Spulenkörper bezüglich seiner radialen Abmessung gestaucht, was zu besagtem Kraftschluss führt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Spulenkörper Zahnkopf-seitig mit mindestens einem Wickelschild ausgerüstet ist, welches zumindest an einer von zwei der Mittelachse zugewandten Seiten des Zahnkopfes tangential anliegt und für die kraftschlüssige Festlegung in radialer Richtung sorgt. Die Seiten des Zahns verlaufen dabei in einem Winkelbereich zwischen 75° und 105°, vorzugsweise 90°, zu einem Radius ausgehend von der Mittelachse des Stators entweder grad- oder bogenförmig. Das Wickelschild ist vorzugsweise in einen ersten zahnhalsnahen Bereich und einen zweiten zahnhalsfernen Bereich unterteilt. Der erste Bereich liegt kraftlos an der Seite des Zahns an, wobei der zweite Bereich gegenüber der Seite des Zahns ein Übermaß zur kraftschlüssigen Festlegung aufweist. Dies bedingt, dass vor Anbringung des Spulenkörpers am Zahn der zweite Bereich mittels eines Spreitzwerkzeuges in eine Position verbracht wird, die die Anbringung ohne Kollision mit dem Zahn zulässt. Zur radialen Führung der Wicklung, insbesondere des stirnseitig auf dem Zahn befindlichen Wickelkopfes, überragt das Wickelschild den Zahn axial. Vorzugweise weist das Wickelschild zwei zahnhalsnahe und - ferne Bereiche auf, die an den beiden Seiten des Zahns zur Anlage kommen.
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Zur Einstellung der Kraft, die nach der Anbringung des Spulenkörpers am Zahn herrschen soll, ist das Wickelschild mit einer Sollbiegestelle ausgerüstet, die vorzugweise der Seite des Zahnkopfes zugewandt und zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Kraft über die Positionierung und die geometrische Ausgestaltung der Sollbiegestelle (Tiefe und Form einer Einprägung) einstellbar.
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Für eine definierte stirnseitige Auflage des Spulenkörpers auf dem Zahn ist dieser mit einem Steg ausgerüstet, der an der der Mittelachse abgewandten Seite des Wickelschildes tangential verläuft. Da sich der Steg auch über die beiden oben genannten ersten und zweiten Bereiche des Zahnhalses erstreckt ist dieser im Bereich der Sollbiegestelle mit einer vorzugsweise kreisförmigen Aussparung ausgerüstet. Aber auch andere Geometrien, wie zum Beispiel eine V-Form sind denkbar.
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Zur Versteifung des Wickelschildes ist dieses im Bereich des Zahnhalses mit Stützstreben ausgerüstet, die sich vorzugsweise im Bereich des Zahnhalses vom Steg aus axial erstrecken.
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In einer besonderen Ausführungsform überragt lediglich der zahnhalsferne Bereich den Zahn axial, wobei hingegen der zahnhalsnahe Bereich eine Verlegenut in Höhe des Steges für einen Wickeldraht aufweist, die sich radial in Richtung Zahn erstreckt.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in Schrägansicht einen Stator mit bewickelten Spulenkörpern,
- 2 in Draufsicht einen Zahn des Stators,
- 3 in Schrägansicht einen Zahn mit Spulenkörper von vorne,
- 4 in Schrägansicht einen Zahn mit Spulenkörper von hinten,
- 5 in Draufsicht einen Spulenkörper mit und ohne Zahn, und
- 6 eine Detailansicht des Spulenkörpers mit und ohne Zahn.
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1 zeigt einen Stator St eines bürstenlosen Elektromotors, der bezüglich einer Mittelachse M aus konzentrisch angeordneten (Stator-)Zähnen 2 gebildet ist.
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Für die Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes ist der Stator St eines Elektromotors mit einer Anzahl von (Stator-)Wicklungen W ausgestattet, die auf (Einzel-)Zähnen 2 des Stators St angeordnet sind. Ein Zahn 2 besteht aus stanzpaketierten Blechlamellen und dient einerseits der Weiterleitung des von der Wicklung W erzeugten magnetischen Flusses und andererseits der mechanischen Aufnahme der Wicklung W. Zwischen der Wicklung W und dem Zahn 2 ist ein Spulenkörper 1 aus Kunststoff mit einer gewissen Grundelastizität angeordnet, der für einen Schutz gegenüber den in der Regel schafkantigen Blechlamellen sorgt und somit eine Beschädigung der Wicklung W nebst Kurzschluss vermeidet.
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Der Zahn 2 ist entsprechend 2 von der Mittelachse M des Stators St aus radial in aufeinanderfolgende Abschnitte Zahnfuß 3, Zahnhals 4 und Zahnkopf 5 aufgeteilt, wobei die tangentialen Abmaße von Zahnfuß 3 und Zahnkopf 5 die des Zahnhalses 4 überragen.
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Der Zahnkopf 5 weist an seiner der Mittelachse M abgewandten Seite eine schwalbenschwanzförmige Nut für die Aufnahme eines Federelementes auf, das für eine akustische Entkopplung zwischen dem Stator St und einem nicht gezeigten Gehäuse sorgt. Benachbart zu dieser Nut verläuft tangential beidseitig eine elektromagnetisch optimierte Kontur, die im Wesentlichen konzentrisch zur Mittelachse M verlauft. Die Seiten des Zahnkopfes 5 sind in Richtung Mittelachse M ausgerichtet, so dass eine Aneinanderreihung identischer Zähne 2 einen Statorring formen. Die der Mittelachse M zugewandten Seiten S des Zahnkopfes 5 verlaufen orthogonal (90°) zur Symmetrieachse des Zahns 2 können aber auch, wie die punktierte Line zeigt, bogenförmig verlaufen. An den Zahnkopf 5 schließt sich in Richtung Mittelachse M der Zahnhals 4 an, dessen seitliche Flanken sich bis zum Zahnfuß 3 parallel über einen Abstand A, A' erstrecken. In Richtung Mittelachse M nimmt der Zahnfuß 3 eine Trapez-förmige Erweiterung an, um letztendlich an der der Mittelachse M zugewandten Seite in einer Kreis-förmigen Kontur zu enden.
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Die 3 und 4 zeigen den Zahn 2 mit dem an ihm festgelegten Spulenkörper 1 in einer Ansicht von der Mittelachse M aus auf den Zahnfuß 3 und rechts von au-ßen auf den Zahnkopf 5. Der Spulenkörper 1 ist U-förmig aus Kunststoff gebildet und derart an dem Zahn 2 festgelegt, dass er den Zahnhals 4, die Seiten S und die Trapez-förmige Erweiterung des Zahnfußes 3 in axialer Richtung nahezu hälftig bedeckt. Mit anderen Worten liegen die der Mittelachse M zugeordnete Seite des Zahnfußes 3, die Seiten des Zahnkopfes 3 und nahezu die gesamte Stirnseite des Zahnkopfes 5 frei.
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Im Bereich des Zahnhalses 4 ist der Spulenkörper 1 mit Rillen ausgerüstet, die eine gezielte Ablage der Wicklung W im Wickelprozess ermöglicht. Zahnkopfseitig ist der Spulenkörper 1 einstückig mit einem Wickelschild 6 ausgerüstet, welches an den der Mittelachse M zugewandten Seiten S des Zahnkopfes 5 tangential anliegt und vor Anbringung am Zahn 2 ein Übermaß bezüglich eines radialen Abstands A, A' zwischen Zahnfuß 3 und Zahnkopf 5 aufweist. Das Wickelschild 6 weist dabei im Detail einen ersten zahnhalsnahen Bereich 6a auf, der kraftlos an der Seite S anliegt und einen zweiten zahnhalsfernen Bereich 6b, der gegenüber der Seite S besagtes Übermaß zur kraftschlüssigen Festlegung des Spulenkörpers 1 in radialer Richtung aufweist. Für eine eindeutige funktionale Zuordnung ist zwischen dem ersten Bereich 6a und dem zweiten Bereich 6b eine Sollbiegestelle 7 eingeprägt, die der Seite S des Zahnkopfes 5 zugewandt ist.
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Neben den oben genannten Bereichen 6a, 6b überragt das Wickelschild 6 im Bereich des Zahnhalses 4 den Zahn 2 in axialer Richtung. Wie 4 zeigt, ist der Spulenkörper 1 mit einem Steg 8 ausgerüstet ist, welcher auf dem Zahnkopf 3 stirnseitig zur Anlage kommt und im Bereich der Sollbiegestelle 7 eine kreisförmige Aussparung 9 aufweist. Zur Stabilisierung des axial über den Zahn 2 hinaus sich erstreckende Wickelschild 6 sind Stützstreben 10 vorgesehen, die in einem Abstand entsprechend des tangentialen Abmaßes des Zahnhalses 4 angeordnet sind und sich vom Steg 8 aus axial erstrecken.
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Wie 4 weiterhin zeigt, überragt der zahnhalsferne Bereich 6b den Zahn 2 in axialer Richtung, wobei der zahnhalsnahe Bereich 6a eine Verlegenut 11 für einen Wickeldraht aufweist, die sich radial in Richtung Zahn 2 erstreckt.
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5 zeigt auf der linken Seite den Spulenkörpers 1 allein und auf der rechten Seite den Spulenkörper 1 in einem am Zahn 2 festgelegten bzw. montierten Zustand jeweils in einer Ansicht von oben. Dabei sind die zahnhalsfernen Bereiche 6b im Ausgangszustand, also vor der Festlegung am Zahn 2, winkelig in Richtung Zahnkopf 3 gegenüber den Seiten S des Zahns 2 angestellt.
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Ein nicht gezeigtes Werkzeug setzt im Rahmen der Montage an den Bereichen 6b an und drückt diese entlang der Sollbiegestelle 7 in eine Position, in der sich der Spulenkörper 1 über den Zahn 2 schieben lässt. Wie eingangs erwähnt besteht der Spulenkörper 1 aus einem Kunststoff, der eine gewisse Grundelastizität aufweist. Die bedeutet im konkreten Fall, dass nach Wegfall der Werkzeug-bedingten Krafteinwirkung, die zu einer Auslenkung der zahnhalsfernen Bereiche 6b geführt hat, diese wieder ihre ursprüngliche Ausrichtung annehmen wollen. Eine anschließende Wegnahme des Werkzeugs führt demnach dazu, dass sich das Wickelschild 6 zwischen den zahnhalsfernen Bereiche 6b und der Trapez-förmigen Erweiterung des Zahnfußes 5 kraftschlüssig an den der Mittelachse M zugewandten Seiten S des Zahnkopfes 5 festlegt.
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Wie der 6 entnommen werden kann, verlaufen die Seiten S des Zahns 2 in einem Winkel von 90° zu dem von der Mittelachse M ausgehenden Radius R. Dies bedeutet, dass die Zahnhals-Bereiche 6a, 6b nach Montage des Spulenkörpers 1 am Zahn 2 in einem Winkel von 180° zueinander ausgerichtet sind. Damit sich eine kraftschlüssige Festlegung zwischen dem zahnhalsfernen Bereich 6b und der Trapez-förmigen Erweiterung des Zahnfußes 3 einstellt sind die zahnhalsfernen Bereiche 6b gegenüber den zahnhalsnahen Bereich 6a in einem Winkel kleiner 180° (180° - x) in Richtung Zahnkopf 5 angestellt. Diese winkelige Überlappung von den zahnhalsfernen Bereiche 6b und den Seiten S des Zahnes 2 bilden das vorgenannte Übermaß.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Stator St eines Elektromotors, aufweisend einen Zahn 2 und einem Spulenkörper 1, wobei der Zahn 2 von einer Mittelachse M des Stators St aus radial in aufeinanderfolgende Abschnitte Zahnfuß 3, Zahnhals 4 und Zahnkopf 5 aufteilbar ist, wobei die tangentialen Abmaße von Zahnfuß 3 und Zahnkopf 5 die des Zahnhalses 4 überragen, wobei der Spulenkörper 1 U-förmig ausgebildet ist und nach Anbringung am Zahn 2 die Abschnitte zumindest teilweise axial und radial bedeckt, und wobei der Spulenkörper 1 kraftschlüssig in radialer Richtung zur Mittelachse M zwischen Zahnfuß 3 und Zahnkopf 5 am Zahn 2 festlegbar ist.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spulenkörper
- 2
- Zahn
- 3
- Zahnfuß
- 4
- Zahnhals
- 5
- Zahnkopf
- 6
- Wickelschild
- 6a
- zahnhalsnaher Bereich
- 6b
- zahnhalsferner Bereich
- 7
- Sollbiegestelle
- 8
- Steg
- 9
- Aussparung
- 10
- Stützstrebe
- 11
- Verlegenut
- A, A'
- Abstand
- R
- Radius
- St
- Stator
- W
- Wicklung
