DE10304992A1 - Spulenträger und Verfahren zur Herstellung eines Spulenträgers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spulen- oder Magnetträger 1 für einen elektrischen Antrieb oder Generator, welcher mehrere in Axialrichtung geschichtet angeordnete lamellenartige Elemente 10, 20, 30 aus dünnem Blechwerkstoff aufweist, von denen jedes Element 10, 20, 30 mehrere Vorsprünge 11, 21, 31 mit jeweils einem Zahn 12, 22, 32 zwischen zwei Ausnehmungen 13, 13, 23, 24, 33, 34 aufweist, und wobei sich radial außerhalb zu jeder Ausnehmung 13, 14, 23, 24, 33, 34 ein Joch 15, 16 befindet, welches eine nach radial innen offene und durch Biegeumformung zumindest tendenziell verschließbare Aussparung 17, 18 aufweist. DOLLAR A Zur Paketierung des Spulen- oder Magnetträgers 1 wird vorgeschlagen, dass die Aussparungen 17, 18 eine übereinstimmende Form aufweisen und dass in Axialrichtung (X) benachbarte Aussparungen 17, 18 von unterschiedlichen Elementen 10, 20, 30 in Umfangsrichtung U zumindest geringfügig versetzt zueinander derart angeordnet sind, dass sich an die Aussparungen 17, 18 angrenzende Bereiche benachbarter Elemente 10, 20, 30 infolge Aufwölbung miteinander verzahnen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Spulen- oder Magnetträger für einen elektrischen Antrieb oder Generator, welcher mehrere in Axialrichtung geschichtet angeordnete lamellenartige Elemente aus dünnem Blechwerkstoff aufweist, von denen jedes Element mehrere Vorsprünge mit jeweils einem Zahn zwischen zwei Ausnehmungen aufweist, und wobei sich radial außerhalb zu jeder Ausnehmung ein Joch befindet, welches eine nach radial innen offene, und durch Biegeumformung zumindest tendenziell verschließbare Aussparung aufweist.
• Aus der WO 00/28638 ist ein Stator und ein Verfahren zur Herstellung eines Stators bekannt. Zur Verbesserung der Werkstoffausnutzung werden streifenförmig aus Blechwerkstoff ausgestanzte Elemente in die Statorringform gebogen, so dass ein radial innen angeordneter Rotor aufgenommen werden kann. Betreffend Paketierung - mit anderen Worten zwecks Zusammenfassung mehrerer Elemente zu einer kompakten Einheit - wird in dem genannten Stand der Technik lediglich vorgeschlagen, die Elemente durch Zusammenschieben oder Einhaken zu fügen. Eine stabile Verbindung ergibt sich dadurch nicht.
• Zur Paketierung von mehreren geschichteten Elementen eines Rotor- oder Statorgrundkörpers ist beispielsweise das so genannte Stanzpaketieren bekannt, wobei Teile eines Elementes unter direktem Werkzeugdruck an oder in ein anderes, benachbartes Element eingezogen werden. Dies erfordert einen gesonderten Arbeitsgang, zumindest jedoch ein speziell darauf ausgerichtetes Stanzwerkzeug.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Spulen- oder Magnetträger und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Spulen- oder Magnetträgers der eingangs genannten Art anzugeben, welcher eine vereinfachte Paketierung erlaubt, und die Nachteile nach dem Stand der Technik vermeidet.
• Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Spulen- oder Magnetträger durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst, indem die Aussparungen eine übereinstimmende Form aufweisen und dass in Axialrichtung benachbarte Aussparungen von unterschiedlichen Elementen in Umfangsrichtung zumindest geringfügig versetzt zueinander derart angeordnet sind, so dass sich an die Aussparungen angrenzende Bereiche benachbarter Elemente infolge Aufwölbung miteinander verzahnen. Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Aussparungen sowie der daran angrenzenden Bereiche ohne zusätzlichen Aufwand Paktierungsmittel gebildet werden, indem sich Werkstoffbereiche gewissermaßen fächerartig in der dritten Dimension - das heißt in Dickenrichtung der Elemente (Axialrichtung) wirksam - miteinander Verzahnen. Die Aufwölbung der Bereiche erfolgt primär durch den Biegevorgang selbst, so dass ein gesonderter Arbeitsgang (Verstemmprozess) entfällt.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Aussparungen kerb- oder sichelförmig ausgebildet. Kerbförmige Aussparungen vereinfachen den Aufbau des Stanzwerkzeug und erfordern wegen geringer Schnittlänge auch verringerte Schnittkräfte. Sichelförmige Aussparungen sind ebenfalls möglich.
• Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Elemente streifenförmig sind, und zwei Enden aufweisen, welche zur gegenseitigen Überlappung stufenförmig ausgebildet sind. Dadurch werden magnetische Verluste im Spulen- oder Magnetträger verringert. Die Stufe ist dabei so ausgebildet, dass lediglich eine Auflage in Radialrichtung erfolgt. In Umfangsrichtung stoßen die beiden Enden dagegen nicht aneinander an, so dass eine Durchmesserkalibrierung des Spulen- oder Magnetträgers möglich ist.
• Zur Fixierung ist es von Vorteil, wenn die Enden eines Elementes eine Profilierung zur formschlussartigen Verbindung aufweisen.
• Gemäß einer anderen Lösung der Aufgabe weisen in Axialrichtung benachbarte Aussparungen unterschiedlicher Elemente eine unterschiedliche Form auf, so dass sich an die Aussparungen angrenzende Bereiche von benachbarten Elementen infolge Aufwölbung miteinander verzahnen. Dadurch wird im Bereich der Aussparungen in Axialrichtung eine erhöhte Überdeckung der Elemente erreicht, was wiederum zur Verringerung magnetischer Verluste beiträgt.
• Ein Verfahren zur Herstellung eines Spulen- oder Magnetträgers besteht darin, dass die Elemente einzeln ausgestanzt und sodann in Axialrichtung geschichtet sowie zu einem Paket verbunden werden, indem sich an Aussparungen angrenzende Bereiche von benachbarten Elementen infolge Aufwölbung miteinander verzahnen, und wobei zur Einstellung eines definierten Luftspaltes zwischen Rotor und Statur eine Durchmesserverformung des zur Ringform gebogenen Spulen- oder Magnetträgers vorgenommen wird.
• Um einen verbesserten Füllungsgrad der Wicklung zu erzielen, können die Zähne von mehreren zu einem Paket verbundenen Elementen mit Wicklungsdraht umwickelt werden, bevor eine Umformung des Paketes in die Ringform erfolgt.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung anhand der Zeichnung hervor. In der Zeichnung wird die Erfindung am Beispiel eines Spulenträgers verdeutlich.
• Es zeigt:
• Fig. 1 ein Streifenbild mehrerer streifenförmiger Elemente für einen Spulenträger,
• Fig. 2a ein Ausschnitt eines ersten Elementes für einen Spulenträger gemäß einer Ausführungsform,
• Fig. 2b ein Ausschnitt eines zweiten Elementes für einen Spulenträger gemäß einer Ausführungsform zur Anordnung über dem Element gemäß Fig. 2a,
• Fig. 2c eine Ansicht übereinander geschichtet angeordneter Elemente gemäß Fig. 2a und 2b zwecks Bildung eines Spulenträgers,
• Fig. 3 eine schematische Verdeutlichung eines Biegeprozesses
• Fig. 4 eine Ansicht des gebogenen Spulenträgers.
• Fig. 1 zeigt am Beispiel eines Streifenbildes mehrere einzelne Elemente 10, 20, 30 eines Spulenträgers 1, welche aus einem streifenförmigen Blechwerkstoff 2 herausgetrennt, vorzugsweise gestanzt oder lasergeschnitten werden. Wie zu ersehen ist, weist jedes Element 10, 20, 30 abwechselnd Vorsprünge 11, 21, 31 in Form von Zähnen 12, 22, 32 und Ausnehmungen 13, 14, 23, 24, 33, 34 auf. Die Elemente 10, 20, 30 sind in der Figur von oben nach unten jeweils abwechselnd T-förmig ineinandergreifend sowie Rücken an Rücken derart angeordnet, dass ein geringer Werkstoffverschnitt (Abfall) des Blechwerkstoffes 2 - insbesondere im Vergleich mit ringförmig ausgestanzten Elementen - auftritt. Die Zähne 12, 22, 32 sind mittels einem Joch miteinander verbunden, welches jeweils identisch übereinstimmende Aussparungen aufweist.
• Fig. 2a ist ein Teilabschnitt eines einzelnen Elementes 10 entnehmbar, welches abwechselnde Vorsprünge 11, 111 in Form von Zähnen 12, 112 zwischen Ausnehmungen 13, 14 aufweist. Radial außerhalb jeder Ausnehmung 13, 14 befindet sich ein Joch 15, 16 mit einer nach radial innen offenen Aussparung 17, 18 zur Jochschwächung, um einen Biegeprozess zu erleichtern. Die Aussparung weist eine möglichst geringe radiale Ausdehnung auf, um den magnetischen Fluss so wenig wie möglich zu behindern. Die Aussparungen 17, 18 sind je nach Ausführungsform des zu bildenden Spulenträgers 1 identisch wie in Fig. 1 oder unterschiedlich wie in Fig. 2. Insoweit ist die Form der Aussparungen 17, 18 exemplarisch zu verstehen und erfährt wie in der Fig. 2 dargestellt unterschiedliche Variationen. Eine favorisierte Ausführungsform verfügt über kerbenförmige oder sichelförmige Aussparungen wie es aus den Fig. 1 und 3 hervorgeht.
• Fig. 2b zeigt ein weiteres Element 20, das in der axialen Schichtung des Spulenträgers gemäß Fig. 2c räumlich über dem Element 10 aus Fig. 2a angeordnet wird. Gemäß Fig. 2c übergreifen sich die Zähne 12, 22 wie auch die Ausnehmungen 13, 23 14, 24 der Elemente 10, 20 deckungsgleich. Die Elemente 10, 20 sind ferner so geschichtet, dass jeweils unterschiedlich geformte Aussparungen 17, 18, 27, 28 aufeinander liegen. In Axialrichtung X aufeinander folgende Elemente können prinzipiell unterschiedliche Werkstoffdicken aufweisen.
• Die Zähne 12, 22; 112, 122 eines geschichteten Paketes werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einem nachgeschalteten Verfahrensschritt nach einem bestimmten Schema mit nicht dargestelltem elektrischem Wicklungsdraht umwickelt, so dass die Ausnehmungen 13, 14, 23, 24 mit der Wicklung gefüllt werden, bis mehrere bestrombare Erregerspulenwicklungen vorliegen. Hierbei kann der Wicklungsdraht zur Erhöhung des Füllfaktors zwischen den Zähnen 12, 22; 112, 122 ein bestimmtes, von der Kreisform abweichendes Profil aufweisen. Das Profil (quadratisch, rechteckig, dreieckig) kann über die Länge des Wicklungsdrahtes unterschiedlich ausgebildet sein. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, den beschriebenen Träger 1 zur Halterung von Magneten eines Stator oder Rotors zu verwenden. In diesem Fall dienen die Ausnehmungen 13, 14; 23, 24 zur Aufnahme von nicht dargestellten stabförmigen Magneten. Es bestehen folglich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten - insbesondere im Kraftfahrzeug.
• Gemäß dem in Fig. 3 illustrierten Biegeprozess sind die Enden 3, 4 der Elemente stufenförmig ausgebildet, so dass sich diese nach Umformung (Biegung) in die Zylinderform in Umfangsrichtung überlappen (Fig. 4). Dabei liegt lediglich eine Auflage einer Zunge 5, 6 der Enden in der Radialrichtung vor. Die Auflage kann eine nicht verdeutlichte Profilierung wie beispielsweise eine Riffelung oder Rillen aufweisen, was einerseits die Fixierung verbessert und dennoch eine Durchmesserkalibrierung erlaubt. In Umfangsrichtung stoßen die Enden 3, 4 nicht aneinander an, um die Durchmesserkalibrierung - insbesondere Durchmesserreduzierung infolge radialer Krafteinleitung wie exemplarisch in Fig. 4 anhand von Pfeilen verdeutlicht - zu erlauben. Dabei wird das aus den zusammengefügten Elementen bestehende Paket auf eine Haltevorrichtung (Dorn) aufgesetzt, oder es wird ein Dorn 7 in eine mittige Öffnung des Spulenträgers eingeführt. Der Biegung und Kalibrierung dient ein Walzvorgang mittels Walzen 8, 9 am Umfang des Spulenträgers, welcher sich bei Durchmesseranpassung entsprechend verändert. Dadurch kann der Luftspalt zwischen einem Stator und einem Rotor angepasst werden, ohne eine spanende Bearbeitung vornehmen zu müssen. Eine Luftspaltverringerung erhöht die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine. Nach einem Wickelvorgang kann ein Walzvorgang dazu herangezogen werden, um einen höheren Füllungsgrad der Spulenwicklungen zu erreichen. Eine Erhöhung des Füllgrades auf Werte über 80% ist möglich. Anschließend erfolgt beispielsweise eine Bandagierung des Außenumfangs des Spulenträgers 1. Weiterhin können die Spulenwicklungen mit Vergussmasse versehen werden. Der bandagierte Spulenträger 1 wird in ein nicht gezeichnetes Motorgehäuse eingesetzt. Wird die Bandagierung nach dem Einsetzen in das Motorgehäuse entfernt, so weitet sich der Spulenträger spannringartig auf. Dieses Aufweiten führt zu einer selbsttätigen Fixierung des Spulenträgers 1 im Motorgehäuse. Weitere Maßnahmen zur Fixierung sind grundsätzlich nicht notwendig.
• Fig. 4 zeigt den in die Ringform gebogenen Spulenträger 1. Die Aussparungen 17, 18 sind infolge Biegevorgang vollständig verengt, was den magnetischen Verlust verringert. Es ist ersichtlich, dass sich die Enden 3, 4 des obersten Elementes in Umfangsrichtung U nicht berühren, sondern lediglich anhand der Zunge in Radialrichtung R. Bezugszeichenliste 1 Spulenträger
  2 Blechwerkstoff
  3 Ende
  4 Ende
  5 Zunge
  6 Zunge
  7 Dorn
  8 Walze
  9 Walze
  10 Element
  11 Vorsprung
  12 112 Zahn
  14 Ausnehmung
  15 Joch
  16 Joch
  17 Aussparung
  18 Aussparung
  19
  20 Element
  21 Vorsprung
  22 122 Zahn
  23 Ausnehmung
  24 Ausnehmung
  30 Element
  31 Vorsprung
  32 Zahn
  33 Ausnehmung
  34 Ausnehmung
  

Claims (7)

1. Spulen- oder Magnetträger für einen elektrischen Antrieb oder Generator, welcher mehrere in Axialrichtung geschichtet angeordnete lamellenartige Elemente (10, 20, 30) aus dünnem Blechwerkstoff aufweist, von denen jedes Element (10, 20, 30) mehrere Vorsprünge (11, 21, 31) mit jeweils einem Zahn (12, 22, 32, 112, 122) zwischen zwei Ausnehmungen (13, 14, 23, 24, 33, 34) aufweist, und wobei sich radial außerhalb zu jeder Ausnehmung (13, 14, 23, 24, 33, 34) ein Joch (15, 16) befindet, welches eine nach radial innen offene, und durch Biegeumformung zumindest tendenziell verschließbare Aussparung (17, 18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Aussparungen (17, 18) eine übereinstimmende Form aufweisen und dass in Axialrichtung (X) benachbarte Aussparungen (17, 18) von unterschiedlichen Elementen (10, 20, 30) in Umfangsrichtung (U) zumindest geringfügig versetzt zueinander angeordnet sind, so dass sich an die Aussparungen (17, 18) angrenzende Bereiche von benachbarten Elementen (10, 20, 30) infolge Aufwölbung miteinander verzahnen.

2. Spulen- oder Magnetträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (17, 18) kerb- oder sichelförmig sind.

3. Spulen- oder Magnetträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (10, 20, 30) streifenförmig sind, und zwei Enden (3, 4) aufweisen, welche zur gegenseitigen Überlappung stufenförmig ausgebildet sind.

4. Spulen- oder Magnetträger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (3, 4) eines Elementes (10, 20, 30) in der Anlagefläche einer Zunge (5, 6) eine Profilierung zur formschlussartigen Verbindung aufweisen.

5. Spulen- oder Magnetträger für einen elektrischen Antrieb oder Generator, welcher mehrere in Axialrichtung (X) geschichtet angeordnete lamellenartige Elemente (10, 20, 30) aus dünnem Blechwerkstoff aufweist, von denen jedes Element (10, 20, 30) mehrere Vorsprünge (11, 21, 31) mit jeweils einem Zahn (12, 22, 32, 112, 122) zwischen zwei Ausnehmungen (13, 14, 23, 24, 33, 34) aufweist, und wobei sich radial außerhalb zu jeder Ausnehmung (13, 14, 23, 24, 33, 34) ein Joch (15, 16) befindet, welches eine nach radial innen offene, und durch Biegeumformung zumindest tendenziell verschließbare Aussparung (17, 18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in Axialrichtung (X) benachbarte Aussparungen (17, 18) unterschiedlicher Elemente (10, 20, 30) eine unterschiedliche Form aufweisen, so dass sich an die Aussparungen (17, 18) angrenzende Bereiche von benachbarten Elementen (10, 20, 30) infolge Aufwölbung miteinander verzahnen.

6. Verfahren zur Herstellung eines Spulen- oder Magnetträgers nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (10, 20, 30) ausgestanzt und sodann in Axialrichtung (X) geschichtet sowie zu einem Paket verbunden werden, indem sich an Aussparungen (17, 18) angrenzende Bereiche von benachbarten Elementen (10, 20, 30) miteinander verzahnen, wobei zur Einstellung eines definierten Luftspaltes zwischen Rotor und Stator eine Durchmesserverformung des zur Ringform gebogenen Spulen- oder Magnetträgers (1) vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (12, 22) von mehreren, zu einem Paket verbundenen Elementen (10, 20, 30) mit Wicklungsdraht umwickelt werden, bevor eine Umformung des Paketes in eine Zylinderform erfolgt.