DE19851363A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stators für einen Elektromotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator mit einer geschlossenen Umfangsform und zu einer zentralen Achse gerichteten Statorzähnen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, wobei der Stator in Umfangsrichtung aus mehreren Segmenten zusammengesetzt oder aus einem Band gebogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Stators für einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Es ist bekannt, Statoren von elektrischen Maschinen durch gestanzte Einzelbleche herzustellen. Einzelne, bevorzugt runde Bleche werden so gestanzt, daß sie im inneren Bereich die vorgesehene Zahl von Statorzähnen aufweisen. Anschließend werden sie in Richtung der Statorachse aufeinandergelegt und verbunden, so daß ein kompaktes Statorblechpaket entsteht. Die nach innen zur zentralen Achse gerichteten Statorzähne werden mit Draht umwickelt, so daß jeder Statorzahn oder mehrere Statorzähne anschließend mit jeweils einer Spule umgeben sind, deren Wicklungsebenen parallel zur Statorachse ausgerichtet sind. Die Montage der Spulen ist wegen der komplexen Form des Stators sehr aufwendig und schwierig. Besonders bei Spulen mit relativ großen Drahtdurchmessern und starren Drähten ist ein maschinelles Wickeln und Montieren der Spulen kaum möglich. Ein weiteres Problem stellt das Einbringen einer elektrischen Isolierung zwischen Spulen und Statorzähne und Nutfuß dar, da das Innere des Stators nicht frei zugänglich ist. Ebenso kann das Haltern von bereits eingesetzten Spulen beim Einsetzen weiterer Spulen ein Montageproblem darstellen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Fertigung eines Stators vereinfacht wird, so daß eine maschinelle und preiswerte Herstellung möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß ein Stator in Umfangsrichtung aus mindestens zwei Segmenten zusammengesetzt oder aus einem Band gebogen.

Es ist vorteilhaft, ein langgestrecktes, gerades oder gekrümmtes Band mit einem, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators, ersten und einem zweiten Ende anzufertigen, bei dem Statorzähne auf einer Seite des Bandes angeordnet sind.

Anschließend wird das Band zu einem Stator umgeformt, indem in Umfangsrichtung des Stators das erste Ende mit dem zweiten Ende des Bandes verbunden wird. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, ein Segment oder mehrere Segmente vor dem Zusammensetzen des Stators zu biegen.

Es ist günstig, das Bandes und/oder die Segmente zwischen den Statorzähnen einzukerben. Das Biegen erfordert dadurch einen geringeren Kraftaufwand, und überzähliges Material wölbt sich nicht auf. Beim Zusammensetzen eines Stators aus Segmenten sind kreisbogenförmige Segmente zweckmäßig. Günstig ist, die Segmente durch Zusammenschieben und/oder Einhaken zusammenzufügen.

In einem günstigen Verfahrensschritt kann Spulendraht auf zumindest einen Statorzahn gewickelt werden, bevor das Band und/oder die Segmente zu einem Stator umgeformt oder zusammengesetzt werden und so ein Stator mit einer geschlossenen Querschnittsform gebildet wird. Damit ist eine maschinelle Wicklung der Spulen möglich.

Zweckmäßig ist, wenn Statorzähne mit dem Band und/oder den Segmenten jeweils einstückig ausgebildet werden.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird das Band und/oder werden die Segmente durch jeweils ein Blechpaket gebildet, wobei das Blechpaket durch in Richtung der Statorachse aufeinandergelegte, gestanzte Blechscheiben zusammengesetzt wird. Der besondere Vorteil ist, daß beim Stanzen der Bänder der Blechabfall im Gegensatz zum Stanzen von Statoren mit geschlossenem Umfang erheblich reduziert werden kann.

In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt wird ein Stator durch mindestens zwei Blechpakete, welche entlang der zentralen Achse des Stators aufeinandergelegt sind, zusammengesetzt. Der Vorteil ist, daß etwaige fertigungsbedingte Schwankungen in der Höhe des Stators ausgeglichen werden können. Vorzugsweise werden derartige Blechpakete in Umfangsrichtung verdreht und zusammengesetzt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung werden Statorzähne mit Spulendraht umwickelt, wobei beim Umwickeln die Querschnittsform des Spulendrahts verändert wird. Damit ist eine vorteilhafte Ausnutzung des Raums zwischen den Statorzähnen möglich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird beim Wickeln der einer Spule durch Umwickeln eines Statorzahns mit Spulendraht der Außendurchmesser der Spule so verändert, daß der größere Außendurchmesser der Spule am Nutfuß ausgebildet wird. Damit ist eine weitere vorteilhafte Ausnutzung des Raums zwischen den Statorzähnen möglich. Es können beim Wickeln einer Spule sowohl der Drahtquerschnitt als auch der Durchmesser der Spule verändert werden.

Ein erfindungsgemäßer Stator weist zumindest eine Stoßnaht in einer Ebene senkrecht zu seiner zentralen Achse auf. Die Stoßnaht kann beliebig verlaufen, insbesondere radial, gekrümmt, wellig oder gezackt.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensschritts vor dem Formen des Stators,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Stators in gebogener Form,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritts während des Formens,

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritts während des Formens,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Stators vor dem Formen.

Die Erfindung ist für elektrische Maschinen geeignet, welche einen Stator aufweisen, wie etwa Asynchronmaschinen, Reluktanzmaschinen und dergleichen.

In Fig. 1 ist ein Fertigungsschritt für einen erfindungsgemäßen Stator dargestellt, bevor dieser in eine geschlossene Querschnittsform gebracht wird. Der Stator ist als langgestrecktes, ebenes Band 6 mit einem ersten Ende 6.1 und einem zweiten Ende 6.2 ausgebildet. Die Länge des Bandes 6 in Umfangsrichtung des Stators kann geringer sein als die Höhe des Stators. Das Band 6 weist Statorzähne 4 auf, die auf derselben Seite des Bandes 6 angeordnet sind, während die Rückseite 6.3 des Bandes, welche später die äußere Begrenzung des Stators bilden kann, keine Statorzähne aufweist.

Die Statorzähne 4 sind in diesem Zustand von außen frei zugänglich und können demnach auf einfache Weise mit Spulendraht 5 umwickelt werden. Dies ist insbesondere maschinell möglich und erlaubt eine großserientaugliche Fertigung von derartigen Statoren. Ebenso einfach kann nunmehr eine etwaige elektrische Isolation zwischen Stator 1 und Spulendraht 5, insbesondere eine Nutfußisolation, in die Nuten 3 zwischen den Statorzähnen 4 angebracht werden. In der Figur ist der Spulendraht 5 im Querschnitt als einlagige Wicklung an einem Statorzahn 4 angedeutet.

Anschließend wird das Band 6 zum Stator umgeformt. Dies kann gemäß der Erfindung auf zwei Arten erfolgen. Entweder wird das Band 6 mit einem geeigneten Werkzeug gebogen und in eine geschlossene Querschnittsform gebracht, indem das erste Ende 6.1 mit dem zweiten Ende 6.2 verbunden wird. Dies ist durch Pfeile in der Figur angedeutet. Oder der Stator wird durch Segmente in Umfangsrichtung zusammengesetzt, bis ein geschlossener Stator entsteht, indem eines der Enden 6.1 oder 6.2 des Bandes 6 mit einem weiteren Ende eines weiteren Bandes zusammengesetzt wird etc., wie in Fig. 4 skizziert. Vorzugsweise entspricht die so hergestellte geschlossene Querschnittsform derjenigen Form, in der der Stator mit Rotor und Gehäuse zusammengebaut wird. Die Form kann rund oder eckig sein und kann gegebenenfalls noch bearbeitet werden. Das gebogene Band 6 wird in seiner endgültigen Form fixiert. Die Stoßnaht kann mit einem geeigneten Fügeprozeß verschlossen, insbesondere verschweißt oder verklebt werden. Der Stator wird gegebenenfalls in ein Gehäuse (nicht dargestellt) eingebracht.

Ein erfindungsgemäß hergestellter Stator 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Der Stator 1 weist eine im wesentlichen runde Querschnittsform auf mit einer zentralen Achse 2. Eine Stoßkante oder Stoßnaht 9, an der die beiden Bandenden 6.1 und 6.2 verbunden wurden, ist angedeutet. Die Stoßnaht kann unterschiedlich ausgebildet sein, insbesondere gerade oder gekrümmt sein oder mit ineinandergreifenden Zacken versehen sein, um den Einfluß etwaiger Luftspalte zu minimieren.

Im dargestellten Beispiel sind zusätzlich zu den Statorzähnen 4 am inneren Umfang des Stators 1 am äußeren Umfang des Stators 1 Zacken Z ausgebildet, von denen der Übersichtlichkeit wegen nur einige mit Bezugszeichen bezeichnet sind. In einem bevorzugten Stator 1 für einen Reluktanzmotor werden diese nach dem Einbau in ein etwaiges Gehäuse (nicht dargestellt) von dem Gehäuse an der Kontaktfläche abgedichtet und fungieren als Kühlkanäle. Die Gestaltung des äußeren Umfangs des Stators 1 kann dem jeweiligen Einsatzzweck und der jeweiligen elektrischen Maschine, für die der Stator vorgesehen ist, angepaßt werden.

Das Band 6 und/oder die Statorzähne 4 können aus Massivmaterial gefertigt sein. Eine besonders bevorzugte Möglichkeit besteht darin, Blechstreifen auszustanzen und in Richtung der Statorachse aufeinander zu stapeln. Das Band 6 wird dann aus in Achsrichtung 2 des Stators aneinandergereihten Blechen zusammengesetzt. Der ganz besondere Vorteil ist hier, daß die erfindungsgemäße Herstellung des Stators eine erhebliche Materialersparnis ermöglicht. Beim Ausstanzen von Statorblechen mit geschlossenem Umfang fällt eine erhebliche Menge an Materialabfall an, sowohl aus dem Inneren des Stators als auch, insbesondere bei runden Statorblechen, aus dem Außenbereich. Beim Ausstanzen von langgestreckten Bändern, welche anschließend erst zu einem geschlossenen Umfang gebogen oder zusammengesetzt werden, kann das Ausgangsmaterial wegen der günstigeren Geometrie der Bänder besser genutzt und die Abfallmenge reduziert werden. Daraus folgt auch eine beträchtliche Kostenersparnis bei der Fertigung des Stators

Besonders zweckmäßig ist es, zwischen den Statorzähnen 4 Einkerbungen 7 im Band 6 vorzusehen, wie in Fig. 3 gezeigt. Dort ist ein Band in einer vorteilhaften Ausführung im gekrümmten Zustand beim Biegen skizziert. Beim Biegen des Bandes wölbt sich das Material an den Einkerbungen 7 nicht auf, und es erfordert weniger Kraft, einen dicken Blechstapel zu biegen, als ohne Einkerbungen. Vorteilhaft werden an den Einkerbungen Nasen 7.1 und Vertiefungen 7.2 vorgesehen, die beim Zusammenführen ineinandergreifen, und das Band ist mittels Verbindungsstegen 7.3 zusammengehalten.

Anschließend können die Statorzähne 4 mit Spulendraht 5 umwickelt werden. Bei einer Asynchronmaschine oder bei Maschinen, bei denen Spulen um mehr als einen Statorzahn gewickelt wird, kann der Spulendraht auch erst nach dem Formen des Stators eingebracht werden.

Dann wird das Band 6 zu seiner endgültigen Form gebogen oder aufgewickelt und in dieser Form fixiert. Die Stoßnaht 9 kann mit geeigneten Fügeverfahren hergestellt werden, insbesondere verschweißt oder verklebt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung werden Segmente 8 mit Statorzähnen 4 hergestellt. Dies ist in Fig. 4 gezeigt.

Vorzugsweise weist ein einzelnes Segment 8 mindestens einen Statorzahn 4 auf. Die frei zugänglichen Zähne 4 werden mit Spulendraht 5 (nicht dargestellt) umwickelt. Anschließend werden die Segmente 8 zusammengefügt, bis ein geschlossener, insbesondere runder Umfang des Stators 1 gebildet ist und in dieser Form fixiert. Bei einem runden Stator sind kreisbogenförmige Segmente zweckmäßig. Die Segmente 8 können dazu bereits als Kreisbogen gestanzt oder auch als gerade Bänder gestanzt und vor dem Zusammensetzen oder auch nach dem Zusammensetzen gebogen werden. Es ist auch möglich, Blechpakete aus Band (6) und Segmenten (8) in einem gemeinsamen Stator miteinander zu kombinieren.

Die Nahtstellen 9 des gebogenen Bandes 6 bzw. der zusammengefügten Segmente 8 können mit geeigneten Fügetechniken verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt werden, um Luftspalte im Stator 1 möglichst zu minimieren. Der Spulendraht 5 ist vorzugsweise aus einem kupferhaltigen und/oder einem aluminiumhaltigen Material gefertigt. Die Stoßstellen oder die Naht 9 der Segmente 8 oder des gebogenen Bandes 6 verlaufen in einer Ebene, welche senkrecht zur zentralen Achse 2 des Stators angeordnet ist.

Neben dem Vorteil der maschinellen Fertigung bei der Spulenwicklung ist ein weiterer Vorteil darin zu sehen, daß der Füllgrad der Spulendrähte 5, 5' zwischen den Statorzähnen 4 durch die ausgezeichnete Zugänglichkeit der Statorzähne 4 beim Wickeln optimal erhöht werden kann. Damit wird der Wirkungsgrad des Motors verbessert.

Eine weitere Möglichkeit der Wirkungsgradverbesserung ist in Fig. 5 dargestellt und besteht darin, daß der Spulendraht beim Aufwickeln zur Spule in seiner Querschnittsform geändert wird. In der Figur sind Drahtquerschnitte mit verändertem Querschnitt 5 und unverändertem Querschnitt 5' dargestellt.

In der endgültigen Form des Stators 1 ist zwischen den Statorzähnen 4 jeweils eine Nut 3 ausgebildet, welche die Spulendrähte aufnehmen. Die Nut 3 hat häufig einen trapezförmigen Querschnitt und/oder einen gerundeten Boden. In diesem Volumen soll das Material des Spulendrahts eingebracht werden. Je höher der Füllfaktor, desto höher ist der Wirkungsgrad. Bei Spulen mit sehr dickem Draht mit wenigen Windungen ist es sehr schwierig, den zur Verfügung stehenden Platz auszufüllen, da die Form der Nut zwischen den Statorzähnen 4 mit der Form des Spulendrahtes bzw. der Spulen nicht zusammenpaßt. Daher wird gemäß der Erfindung beim Aufwickeln einer Spule der Querschnitt des Drahtes verändert. Besonders bevorzugt wird der Querschnitt so verändert, daß sich der Spulendraht der Form des Stators 1 am Nutfuß anpaßt. Günstig sind auch im wesentlichen trapezförmige oder dreieckige Drahtquerschnitte. Nach dem Wickeln kann auch die ganze Spule verformt werden.

Die Spulen mit verformten Drahtquerschnitt können auch in einen konventionell gefertigten Stator 1 in üblicher Weise eingebracht werden, womit der Wirkungsgrad des Motors wegen des daraus resultierenden erhöhten Füllfaktors verbessert ist.

Mit Vorteil läßt sich auch der verformte Spulendraht auf Statorzähne 4 eines langgestreckten Stator-Bandes 6 oder auf Statorzähne 4 von Statorsegmenten 8 aufbringen.

Eine weitere günstige Ausführung ist, den Außendurchmesser der Spule zu verändern, insbesondere die Wicklungsbreite entlang eines Statorzahnes 4. Zweckmäßigerweise befindet der größte Außendurchmesser der Spule am Nutfuß des Stators 1.

Der erfindungsgemäße Stator ist für verschiedene elektrische Maschinen, insbesondere für eine Reluktanzmaschine oder auch eine Asynchronmaschine geeignet.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Stators (1) mit einer geschlossenen Umfangsform und zu einer zentralen Achse (2) hin ausgerichteten Statorzähnen (4) für eine elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) in Umfangsrichtung aus mindestens zwei Segmenten (8) zusammengesetzt und/oder aus einem Band (6) gebogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst ein langgestrecktes, gerades oder gekrümmtes Band (6) mit einem, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators (1), ersten (6.1) Ende und einem zweiten Ende (6.2) angefertigt wird, wobei Statorzähne (4) auf einer Seite des Bandes (6) angeordnet werden, und danach zum Stator (1) umgeformt wird indem das erste Ende (6.1) mit dem zweiten Ende (6.2) verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Segment (8) oder mehrere Segmenten (8) vor dem Zusammensetzen des Stators (1) gebogen werden.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (6) und/oder die Segmente (8) zwischen den Rotorzähnen (4) mit Vertiefungen (7) eingekerbt werden.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Segmente (8) durch Zusammenschieben und/oder Einhaken zusammengefügt werden.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Spulendraht (5) um mindestens einen Statorzahn (4) gewickelt wird, bevor das Band (6) und/oder die Segmente (8) zu einem Stator (1) umgeformt oder zusammengesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorzähne (4) mit dem Band (6) und/oder den Segmenten (8) jeweils einstückig sind.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (6) und/oder die Segmente (8) durch jeweils ein Blechpaket gebildet werden, wobei das Blechpaket durch entlang der zentralen Achse (2) des Stators (1) aufeinandergelegte Blechscheiben hergestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Blechpakete aufeinandergestapelt werden, welche entlang der zentralen Achse (2) des Stators (1) aufeinandergelegt sind.

10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Statorzähne mit Spulendraht (5, 5') umwickelt werden, wobei beim Umwickeln die Querschnittsform des Spulendrahts (5, 5') geändert wird.

11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule um einen Statorzahn (4) mit Spulendraht (5, 5') gewickelt wird, wobei der Außendurchmesser der Spule verändert wird, so daß der größere Außendurchmesser der Spule am Nutfuß ausgebildet wird.

12. Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator eine zentrale Achse (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) zumindest eine Stoßnaht (9) in einer Ebene senkrecht zur seiner zentralen Achse (2) aufweist.