DE19947119A1 - Elektrische Maschine mit einem Stator - Google Patents

Abstract

Um die Herstellung einer elektrischen Maschine zu vereinfachen, wird ein ein Rückschlußjoch (1) bildender Stator vorgeschlagen, wobei das Rückschlußjoch (1) einen wicklungsähnlichen Aufbau aufweist, dessen Wicklungsachse im wesentlichen mit der Achse der elektrischen Maschine fluchtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit zumin­ dest einem ein Rückschlußjoch bildenden Stator.

Elektrische Maschinen weisen bekanntermaßen ein geblechtes Statorpaket auf, das als Rückschlußjoch für die magnetischen Feldlinien dient. Bei den bekannten Querschnittsformen der Statorbleche fallen beim Stanzen Blechabfälle an. Außerdem ist nachteilig, daß die Statorwicklung bezüglich des Rück­ schlußjoches isoliert ausgeführt werden muß, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Zusätzlich sind zur Herstellung eines Stator­ blechpakets mehrere zeitraubende Schritte wie Paketieren, Fi­ xieren etc. der Statorbleche notwendig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, durch einfa­ che und wirtschaftliche Herstellung einen ein Rückschlußjoch bildenden Stator einer elektrische Maschine zu schaffen, das zumindest ähnliche magnetische Eigenschaften aufweist wie Statoren herkömmlicher elektrischer Maschinen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, daß das Rückschlußjoch einen wicklungsähnlichen Aufbau aufweist, des­ sen Achse im wesentlichen mit der Achse der elektrischen Ma­ schine fluchtet.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Rückschlußjochs des Stators sieht einen wicklungsähnlichen Aufbau durch Drähte oder Bän­ der aus magnetischen Materialien vor. Die Wicklungsachse fluchtet dabei mit der Maschinenachse. Der wicklungsähnliche Aufbau weist wie bei herkömmlichen elektrische Maschinen eine Statorbohrung auf, die später einen Rotor aufnimmt. Durch die Verwendung von Drähten oder Bändern mit festgelegten magneti­ schen Eigenschaften sind die magnetischen Eigenschaften des Rückschlußjochs genau vorbestimmbar. Berechnungen elektrischer Maschinen sind dadurch einfacher, genauer und stellen somit ein nahezu direktes magnetisches Abbild der tatsächli­ chen Maschine dar.

Der Aufbau des Rückschlußjochs durch einen Draht, der u. a. durch folgende Parameter wie Durchmesser, Querschnittsform, Material und Beschaffenheit gekennzeichnet ist, gestattet so­ mit eine einfache Herstellung. Es ist kein zeitaufwendiger Werkzeugwechsel bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Rückschlußjochs notwendig. Um aber eine bestimmte Eigenschaf­ ten des Rückschlußjochs wie mechanische Festigkeit, magneti­ sche Eigenschaften und Formen etc. variieren zu können, ist es gegebenenfalls sinnvoll, unterschiedliche Drähte mit den oben genannten unterschiedlichen Parametern einzusetzen.

Wenn von Drähten gesprochen wird, beinhaltet dies auch Bän­ der, durch die ein erfindungsgemäßes Rückschlußjoch ebenfalls gebildet werden kann. Bänder sind demnach ein speziell ge­ formter Draht.

Vorteilhafterweise hat der Draht eine Isolationsschicht, um magnetische Kurzschlüsse im Rückschlußjoch zu vermeiden. Da­ mit reduzieren sich die notwendigen Schichtdicken der Isolie­ rungen der eigentlichen Wicklung der elektrischen Maschine, insbesondere im Bereich der Wickelköpfe gegenüber dem Rück­ schlußjoch. Daraus ergibt sich, sofern kein Luftspaltmotor vorliegt, ein erhöhter Nutfüllfaktor der Nuten der elektri­ schen Maschine, so daß der Gesamtwirkungsgrad dieser Maschine steigt. Eine ausreichende Schichtdicke stellt dabei, je nach Spannungsebene bereits eine Oxidschicht des Drahtes dar. Vor­ zugsweise FE₃O₄, das sich durch eine gezielte Wärmebehandlung auf dem Draht bildet. Eine derartige Wärmebehandlung hat au­ ßerdem den Vorteil, daß sie die magnetischen Eigenschaften des verwendeten Drahtes positiv beeinflußt, d. h. der Draht weist weniger Remanenz auf. Die Wärmebehandlung erfolgt vor oder während der Herstellung des Rückschlußjochs. Zur Her­ stellung eines erfindungsgemäßen Rückschlußjochs ist auch Draht mit einer Isolationsschicht aus Kunststoff oder anderen Isoliermedien geeignet.

Die Form des Drahtquerschnitts ist unterschiedlich; um eine kompakte Paketierung des Rückschlußjochs zu erreichen, werden vorzugsweise rechteckige oder runde Drahtquerschnittsformen eingesetzt. Der Winkel der Wicklung bezüglich der Symmetrie­ achse der elektrischen Maschine oder in anderen Worten die Ganghöhe der Wicklung ist frei wählbar. Die magnetischen Ei­ genschaften werden dabei von der Wendelhöhe der Wicklung und/oder der Anzahl der Lagen, der Dicke und dem Material vorgegeben. Durch Wahl und Einstellung dieser Parameter kön­ nen dabei die magnetischen Eigenschaften des Stators und/oder des Rückschlußjoches genau vorbestimmt und eingestellt wer­ den.

Um die Flußdichten im Rückschlußjoch bei gegebenen Außen­ durchmesser des Rückschlußjochs unverändert beizubehalten, ist mit wachsenden Polzahlen die Höhe des Rückschlußjochs zu verringern. Derartige Anpassungen lassen sich vorzugsweise einfach durch Variation der Schichtdicke der Wicklung des Rückschlußjochs, d. h. durch die Anzahl der radial übereinan­ derliegenden Schichten, durchführen. Diese Anpassung erfolgt in einer anderen Ausführungsform durch die Verwendung unter­ schiedlicher Drahtdurchmesser.

Um ein Rückschlußjoch in einem nahezu beliebig geformten Ge­ häuse unterzubringen, ist eine dementsprechende äußere Form des Rückschlußjochs erforderlich. Ein derartiges Rückschluß­ joch wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß der oder die zu verwendeten Drähte um einen Hilfskörper gewickelt werden, der im wesentlichen die Abmessungen des Gehäuses abbildet. Die Abmessungen des Hilfskörpers, insbesondere der Durchmes­ ser entspricht im wesentlichen des Innenradius des Gehäuses abzüglich der Höhe des vorgesehenen Rückschlußjochs. Bei Luftspaltwicklungen ist außerdem der Wickelraum und der Luftspalt der elektrischen maschine zu berücksichtigen. Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Rückschlußjochs wird vor­ teilhafterweise mit modulartig aufgebauten wiederverwendbaren Hilfskörpern durchgeführt, die miteinander verbunden werden können oder auch separat im Wickelverband positionierbar sind. Somit läßt sich nahezu jede Gehäuseform nachbilden. So­ mit sind rechteckige, achteckige, ovale, und runde aber auch Kombinationen aus rundlichen und eckigen Querschnittsformen einfach und wirtschaftlich herstellbar.

Vorteilhafterweise ist auch die Form des Rückschlußjochs bzw. Stators im Bereich der Statorbohrung wählbar, so daß insbe­ sondere im Bereich der Wickelköpfe eine radiale Erweiterung der Statorbohrung vorgesehen werden kann.

Bei größeren Maschinen ist es sinnvoll, in dem Rückschlußjoch Kühlkanäle vorzusehen, die entweder als Rippen oder als durchgehende Kühlkanäle im Stator oder im Rückschlußjoch aus­ geführt sind. Die Kühlkanäle sind insbesondere bei Maschinen mit größeren Eisenverlusten vorzusehen. Dabei sind sowohl Luftkühlungs- als auch Flüssigkeitskühlungsprinzipien ein­ setzbar. Bei Flüssigkeitskühlung sind insbesondere die Kühl­ kanäle gesondert abzudichten, um Leckageverluste und damit ev. Betriebsschäden in der elektrischen Maschine zu vermei­ den. Die Abdichtung erfolgt in ansich bekannter Art und Wei­ se u. a. durch Auskleidung oder durch Ausgießen der Kühlkanä­ le.

Ein stoffschlüssiges Fixieren des gewickelten Rückschlußjochs als Ganzes oder in Abschnitten z. B. durch Vergießen mit Harz erhöht außerdem die Steifigkeit der Gesamtanordnung. Eine weitere Erhöhung der Steifigkeit wird alternativ oder zusätz­ lich durch mechanische Komponenten wie Bänder oder Zuganker erreicht.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus des Rückschlußjochs reduzieren sich, wie Versuche gezeigt haben, elektromagnetisch erregte Einzeltöne, die insbesondere bei einem Rück­ schlußjoch mit geringer Höhe auftreten.

Die Herstellung des Rückschlußjochs erfolgt, vorzugsweise bei axial längeren elektrischen Maschinen in mehreren axialen Ab­ schnitten, die später zusammengesetzt werden. Dabei ist der gesamte Hilfskörper zumindest in axiale Abschnitte unter­ teilt. Die Herstellung erfolgt mittels eines starr fixierten Hilfskörpers, um die die ein oder mehrere drahtspendende Werkzeuge in Umfangsrichtung kreisen, wobei ein gewisser axialer Vorschub einstellbar ist. Ebenso ist ein verharrendes nur radial bewegliches drahtspendendes Werkzeug vorstellbar, bei dem der Hilfskörper durch eine geeignete Vorrichtung axial verschoben wird. Bei mehreren drahtspendenden Werkzeu­ gen sind unterschiedliche Drahtsorten sogar gleichzeitig bei der Herstellung eines Rückschlußjochs einsetzbar. Kühlkanäle werden vorzugsweise dadurch gebildet, daß auf bereits gewic­ kelte Lagen zusätzliche Hilfskörper zumindest zeitweise auf­ gebracht werden, die umwickelt werden und somit Kühlkanäle bilden. Ebenso wird nach Entfernen der zusätzlichen Hilfskör­ per ein Kühlkanal gebildet.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüchen werden im fol­ genden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbei­ spiels in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 den Längsschnitt eines derartigen gewickelten Rück­ schlußjochs,

Fig. 2 und 3 prinzipielle Darstellungen von Längsschnitten.

Fig. 1 zeigt ein gewickeltes Rückschlußjoch 1, das dreilagig mit isolierten Drähten 2 ausgeführt ist. Dabei befinden sich die Drähte 2 radial übereinander. Die Drähte sind ebenso leicht versetzt anordenbar, so daß ein Draht 2 einer radial weiter außen liegenden Schicht mit zwei Drähten 2 einer radi­ al weiter innenliegenden Schicht in Berührung steht. Das gewickelte Rückschlußjoch 1 fluchtet mit der Achse einer nicht näher dargestellten elektrischen Maschine. Der Winkel 3 zur Maschinenachse ist bei der Herstellung dabei nahezu beliebig über die Ganghöhe der Wicklung einstellbar. Der Draht 2 weist eine runde Querschnittsform auf. Selbstverständlich sind auch andere, rechteckige oder elliptische Drahtquerschnittsformen einsetzbar. Der Draht 2 kann mit einer Isolationsschicht oder auch blank ausgeführt sein. Aufgrund einer gezielten Wärmebe­ handlung vor oder nach dem Wickelvorgang bildet sich auf ei­ nem blanken Draht 2 eine vorbestimmbare Oxidationsschicht (FE₃O₄), die u. a. die einzelnen Drahtlagen gegeneinander iso­ liert. Durch die Anzahl der Lagen der Drähte 2 können die ma­ gnetischen Eigenschaften des gewickelten Rückschlußjochs be­ einflußt werden.

In das Rückschlußjoch kann ein genuteter Stator eingesetzt werden, oder es werden direkt Luftspaltwicklungen an diesem Rückschlußjoch in bekannter Art und Weise befestigt.

Fig. 2 und 3 zeigen im Längsschnitt verschiedene Formen eines erfindungsgemäßen Rückschlußjochs. Fig. 2 zeigt dabei insbe­ sondere ein mittig versteiftes Rückschlußjoch. Die Verstei­ fung wird dadurch erreicht, daß insbesondere im Bereich der axialen Mitte des Rückschlußjochs 1 mehrere Lagen von Drähten vorgesehen sind, oder aber Drähte 2 mit größeren Durchmessern verwendet wurden.

Fig. 3 zeigt ein Rückschlußjoch 1 mit einem Flansch zum An­ schluß an eine nicht näher dargestellte Arbeitsmaschine. Die­ ser Flansch wird ebenso durch mehrere Lagen von Drähten 2 und/oder durch einige Windungen von Drähten 2 mit größerem Durchmesser hergestellt. In diese Flansche sind insbesondere hilfskörper einbringbar, die eine Anschluß an eine Arbeitsma­ schine ermöglichen, z. B. Gewindehülsen.

Durch Aufbau eines derartig gewickelten Rückschlußjochs wird der Blechabfall bei Ausstanzen vorgegebener Blechformen vermieden, insbesondere sind zusätzliche Isolierungen durch den beschichteten Draht nicht zwingend erforderlich. Außerdem können bei Herstellung dieser Wicklung mögliche Statorwick­ lungen, insbesondere Luftspaltwicklungen mit hergestellt wer­ den, so daß sich ein weiterer Herstellungsschritt erübrigt.

Claims (7)

1. Elektrische Maschine mit zumindest einem ein Rückschluß­ joch (1) bildenden Stator, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rückschlußjoch (1) einen wick­ lungsähnlichen Aufbau aufweist, dessen Achse im wesentlichen mit der Achse der elektrischen Maschine fluchtet.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau zumindest ei­ nen Draht (2) umfaßt.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (2) eine Isola­ tionsschicht aufweist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtquerschnitt un­ terschiedlich ist.

5. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Rückschlußjoch (1) außen und/oder innenlie­ gende Kühlkanäle aufweist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Rückschlußjochs einer elektrischen Maschine, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - ein vorgegebener Hilfskörper, der im wesentlichen den Be­ reich der späteren Statorbohrung und des Wickelraumes der elektrischen Maschine einnimmt, wird durch mindestens ei­ nen Draht in axialer und/oder radialer Richtung umwickelt,
• - die Wicklungen werden als Ganzes oder in vorgebaren Ab­ schnitten fixiert,
• - die fixierten Wicklungen werden von dem Hilfskörper be­ darfsweise getrennt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fixierung mechanisch und/oder stoffschlüssig erfolgt.