-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Stator für einen Elektromotor, mit einem
umfangsseitigen Joch und mit einer geraden Anzahl von Statorzähnen, die
ausgehend vom Joch radial nach Innen abstehen, sowie mit Pollaschen,
die am inneren Zahnende mindestens eines Statorzahns in Umfangsrichtung
abstehen, sowie mit zwischen den Statorzähnen angeordneten Statornuten,
in die Statorwicklungen im Nadelwickelverfahren eingebracht sind.
-
Ein
Elektromotor, insbesondere ein elektronisch kommutierter Vielpol-Drehstrommotor,
weist einen Stator und einen häufig
auch als Anker oder Läufer
bezeichneten Rotor auf. Der Stator enthält in der Regel ein Statorblechpacket,
das aus einer Vielzahl von einzelnen Blechen zusammengesetzt ist
und Statorzähne
mit zwischen diesen Statorzähnen
vorgesehenen Statornuten aufweist. In die Statornuten ist die Statorwicklung
(Drahtwindungen eines Wickeldrahtes) eingebracht.
-
Die
radial verlaufenden Statorzähne
sind im umfangsseitigen Joch zusammengeführt und weisen am nuteintrittsseitigen
Zahnende (freiendseitig) beidseitig in Umfangsrichtung weisende
Laschen (Pollaschen) auf. Dadurch bilden die Statorzähne an den dem
Joch gegenüberliegenden
Freienden üblicherweise
sehr eng beieinanderliegende kreissegmentförmige Polschuhe aus, die das
magnetische Erregerfeld entsprechend kreissegmentförmig auf
den Rotor (Anker) verteilen.
-
Die
Statorwicklung besteht üblicherweise aus
Kupferdrähten,
die gemäß einem
vorgegebenen Wickelschema mit einer bestimmten Anzahl von Windungen
um die Statorzähne
herum geführt
sind. Der Windungs- bzw. Wicklungsdraht weist üblicherweise einen kreisförmigen Querschnitt
auf. Im Betrieb des Motors wird die Statorwicklung von einem elektrischen
Strom durchflossen, wobei die dadurch hervorgerufene elektromagnetische
Wechselwirkung mit dem Rotor ein Drehmoment erzeugt.
-
Ziel
jeder Auslegung eines Elektromotors ist es, im motorischen Betrieb
entstehende – insbesondere
elektrische – Verluste
möglichst
gering zu halten. Zu diesem Zweck ist es wünschenswert, den Anteil des
durch die Wicklungsdrähte
der Statorwicklung gebildeten Kupfers im Verhältnis zu der zur Verfügung stehenden
Nutfläche
möglichst
groß zu
gestalten. Der hierzu eingeführte
Nutfüllfaktor
des Stators eines Elektromotors, bei welchem es sich um das Verhältnis der
gesamten Wicklungsquerschnittsfläche
zur Nutfläche
handelt, ist in der Praxis stets kleiner als 100%.
-
Um
eng beieinanderliegende Polschuhe von Elektromotoren effizient zu
bewickeln, werden die üblicherweise
mit einer Isolation versehenen Statorzähne direkt mittels der sogenannten
Nadelwickeltechnik bewickelt. Bei der Nadelwickeltechnik verfährt eine Nadel
mit einer Düse,
die rechtwinklig zur Bewegungsrichtung angeordnet ist, in einer
Hubbewegung durch den jeweiligen Nutschlitz zwischen benachbarten
Statorzähnen
des Stators vorbei, um den Draht an die gewünschte Stelle (Position) zu
legen. Mit dieser Wickeltechnik kann ein gewünschter Lagenaufbau realisiert
werden, bei dem zur Erzielung eines möglichst hohen Füllfaktors
bei Verwendung kreisrunder Wicklungsdrähte die Wicklung einer Oberwicklung
in die Täler
einer darunterliegenden Unterwicklung abgelegt werden, so dass sich
bei drei runden Wicklungsdrähten
ein kleinstmöglicher
Raumbedarf unter einer 60°-Anordnung
ergibt.
-
Vorteilhaft
bei der Nadelwickeltechnik ist, dass in der Regel der Nadelträger, an
der sich die Drahtführungsdüse befindet,
an ein CNC (computerised numerical control) Koordinatensystem gekoppelt ist,
so dass ein räumliches
Verfahren der Düse
zum Stator hin ermöglicht
ist. Hierbei ist zusätzlich
zu der normalen Hubbewegung und der Rotation des Stators auch eine
Verlegebewegung durchführbar.
Die Nadelwickeltechnik ermöglicht
es zudem, eine fertige Baugruppe, zum Beispiel Statorspulen sowie
deren Verschaltung und Kontaktierung, auf einer einzigen Maschine
herzustellen. Dabei ist es auch möglich, auf geringe Statorblechstapelhöhen (Wickelkopfhöhen) Motorspulen
zu wickeln, die einen guten Füllfaktor
besitzen.
-
Nachteilig
bei der Nadelwickeltechnik ist jedoch, dass zwischen zwei benachbarten
Statorzähnen
ein Freiraum verbleiben muss, dessen Größe mindestens dem Düsendurchmesser
der Nadel entspricht. Dieser Düsendurchmesser
beträt
etwa das dreifache des Durchmessers des Wickeldrahtes. Der Raum
zwischen zwei benachbarten Statorzähnen kann somit nicht vollständig verfüllt werden.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere auch mittels
der Nadelwickeltechnik bewickelbaren Stator für einen Elektromotor mit hohem
Wickelfüllfaktor
anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Der
erfindungsgemäße Stator
für einen
Elektromotor weist eine Anzahl von als Polschuh wirksamen Statorzähnen auf,
die ausgehen von einem umfangsseitigen Joch radial nach Innen abstehen.
In zwischen den Statorzähnen
gebildeten Statornuten sind Statorwicklungen eingebracht. Während in
Umfangsrichtung lediglich jeder zweite Statorzahn bewickelt (Einzelzahnwicklung)
und am nuteintrittsseitigen (inneren) Zahnende mit beidseitig in
Umfangsrichtung weisenden (abstehenden) Pollaschen versehen ist,
sind die verbleibenden, also zwischen den bewickelten Statorzähnen angeordneten
Statorzähne
wicklungsfreie und freiendseitig laschenfrei. Die Spulenwicklungen
sind vorzugsweise nach dem Nadelwickelverfahren in die Statornuten
eingebracht.
-
Der
Wicklungsanfang der jeweiligen Statorwicklung ist zweckmäßigerweise
innerhalb der jeweiligen Statornut am Nutboden und dort geeigneterweise
im mit dem bewickelten Statorzahn gebildeten Zwickel positioniert.
Die Lagestelle oder Position des Wicklungsendes der Statorwicklung
ist am dem Joch abgewandten Nuteintritt und dort vorzugsweise dem Wicklungsanfang
diametral gegenüberliegend
in der Nähe
des benachbarten unbewickelten Statorzahns der jeweiligen Statornut
vorgesehen.
-
Der
Stator ist vorzugsweise zwölfnutig
und somit mit zwölf
Statorzähnen
ausgeführt.
Dieser zwölfnutige
Stator ist besonders geeignet in einem zehnpoligen, bürstenlosen
Elektromotor (Gleichstrommotor) eingesetzt.
-
Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch den Entfall einiger der Pollaschen am Stator eines Elektromotors mit
Einzelzahnwicklung im Nadelwickelverfahren der Füllfaktor von bisher etwa 30%
auf 60% erhöht
werden kann. Die Einzelwickeltechnik, die im Vergleich zur Doppelzahnwicklung
praktisch die gleiche Motorleistung hervorbringt, hat zudem eine
vergleichsweise geringe Ausfallwahrscheinlichkeit in Folge von Kurzschlussfehlern
zwischen den Phasen eines üblicherweise
dreiphasig betriebenen Elektromotors. Die Erhöhung des Füllfaktors wiederum führt zu einem erhöhten Kupferanteil
und zu einem verminderten Widerstand im Motor.
-
Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
-
1 einen
erfindungsgemäßen Elektromotor
mit einem Rotor und mit einem Stator, und
-
2 einen
Ausschnitt II aus 1 in größerem Maßstab mit einer erfindungsgemäßen Einzelzahnwicklung.
-
Einander
entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
-
1 zeigt
schematisch einen bürstenlosen Elektromotor 1,
insbesondere Gleichstrommotor, wie dieser in Kraftfahrzeugen beispielsweise
zur Unterstützung
halb automatischer Getriebe oder dergleichen eingesetzt ist.
-
Der
Elektromotor 1 umfasst einen Stator 2, der einen
auf einer Achse oder Ankerwelle 3 sitzenden Rotor 4 koaxial
umgibt. Der Rotor 4 ist aus einem Blechpaket aufgebaut
und weist außenumfangsseitig eine
Anzahl von Permanentmagneten 5 auf. Innerhalb des Rotors 4 bilden übereinander
gestapelte Einzelbleche des Blechpaketes eine Anzahl von Taschen 6 zur
Aufnahme der Permanentmagnete 5 auf.
-
Der
Stator 2, der ebenfalls aus einem Blechpaket mit übereinander
gestapelten Einzelblechen ausgeführt
sein kann, weist ein umfangsseitiges Joch 7 und eine gerade
Anzahl von Statorzähnen 8 mit
dazwischen liegenden Statornuten 9 auf. Jeder zweite Statorzahn 8b trägt eine
Statorwicklung 10, während die
dazwischen stehenden Statorzähne 8a unbewickelt
sind.
-
Der
in 1 dargestellte bevorzugte Elektromotor 1 ist
rotorseitig mit zehn Permanentmagneten 5 belegt und stellt
somit einen zehnpoligen Elektromotor 1 mit zwölf Statornuten 9 und
zwölf Statorzähnen 8 dar.
Von diesen sind alternierend sechs Statorzähnen 8b bewickelt
und sechs Statorzähne 8a unbewickelt.
-
Wie
in 2 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, ist
jeder zweite Statorzahn 8b am dem Rotor 4 zugewandten
inneren Zahnende 11 mit Pollaschen 12 versehen.
Diese stehen in Umfangsrichtung 13 ab und weisen hierbei
in Richtung der jeweils angrenzenden Statornut 9. Lediglich
diejenigen Statorzähne 8b,
die mit derartigen Pollaschen 12 versehen sind, tragen
die Statorwicklung 10. Die hierzu benachbarten Statorzähne 8a weisen
keine derartigen Pollaschen 12 auf. Auch sind diese Statorzähne 8a nicht
bewickelt. Mit anderen Worten: Bei dem Stator 2 ist in
Umfangsrichtung 13 jeder zweite Statorzahn 8a sowohl
wicklungsfrei als auch pollaschenfrei.
-
Die
Bewicklung des jeweiligen Statorzahns 8b erfolgt mit dem
sogenannten Nadelwickelverfahren. Wie in 2 angedeutet,
wird hierzu eine Nadel 14 in eine der beiden zum bewickelten
Statorzahn 8b benachbarte Statornut 9 eingeführt und
der Statorzahn 8b wird durch entsprechend gesteuerte Bewegung
der Nadel 14 bewickelt. Hierbei tritt der üblicherweise
aus Kupfer bestehende Wickeldraht 15 aus einer vorderen
Düse 16 der
Nadel 14 aus und wird entsprechend dem dargestellten Wickelschema um
den jeweiligen Statorzahn 8b gewickelt.
-
Der
durch den Pfeil 17a dargestellte Wicklungsanfang (Wickelanfang)
ist in einer Nutecke 18 zwischen dem bewickelten Statorzahn 8b und
dem Nutboden 19 der angrenzenden Statornut 9 vorgesehen.
Bei der anschließenden
Bewicklung sollte von Wicklungslage zu Wicklungslage darauf geachtet werden,
dass die Wickeldrähte 15 einer
Wicklungslage in den Tälern
zwischen benachbarten Wickeldrähten 15 der
vorherigen Wicklungslage einliegen. Hierdurch ist der Füllfaktor
besonders groß.
-
Das
durch den Pfeil 17b angedeutete Wicklungs- bzw. Wickelende
befindet sich in der zum selben Statorzahn 8b benachbarten
anderen Statornut 9 und dabei praktisch diametral gegenüber dem Wicklungsanfang 17a.
Das Wicklungsende 17b befindet sich somit am dortigen,
die entsprechende Statornut 9 begrenzenden, laschenfreien
und unbewickelten Statorzahn 8a im Bereich des Nuteintritts 20. Dieses
Wicklungsende 17b kann dann in nicht näher dargestellter Art und Weise über Nuten
oder Schlitze im Bereich des Jochs 7 aus dem Stator 2 herausgeführt und
gemäß einer
bestimmten Verschaltung, beispielsweise in Dreiecks- oder Sternschaltung,
mit den weiteren Wicklungen 10 verbunden sein.
-
Ersichtlich
ist durch den Wegfall der Pollaschen 12 an jedem zweiten
Statorzahn 8a der Zugang für die Wickelnadel 14 zu
der jeweiligen Statornut 9 ausreichend groß, um zu
gewährleisten,
dass die Nadel 14 den Wicklungsanfang 17a in der
Nutecke 18 zwischen dem bewickelten Statorzahn 8b und der
einen angrenzenden Statornut 9 ablegen, anschließend die
mehrlagige Wicklung durchführen
und das Wicklungsende 17b im Bereich des Nuteintritts 20 der
anderen angrenzenden Statornut 9 aus dieser herausführen kann.
Der Füllfaktor
in den Statornuten 9 ist dabei im Vergleich zu einem herkömmlichen
Stator erhöht
und kann insbesondere größer 50%
betragen.
-
Wie
lediglich in 2 veranschaulicht, sind der
oder jeder bewickelte Statorzahn 8b und die Statornuten 9 mit
an den Nutwänden
angelegten Isolierungen 21 bemantelt bzw. abgedeckt. Dadurch
werden Kurzschlüsse
zwischen den üblicherweise
ebenfalls isolierten Kupferwicklungen 10, 15 und
dem Stator 2 zuverlässig
verhindert.
-
- 1
- Elektro-/Gleichstrommotor
- 2
- Stator
- 3
- Achse/Ankerwelle
- 4
- Rotor
- 5
- Permanentmagnet
- 6
- Tasche
- 7
- Joch
- 8
- Statorzahn
- 8a
- unbewickelter
Statorzahn
- 8b
- bewickelter
Statorzahn
- 9
- Statornut
- 10
- Statorwicklung
- 11
- Zahnende
- 12
- Pollasche
- 13
- Umfangsrichtung
- 14
- Nadel
- 15
- Wickeldraht
- 16
- Düse
- 17a
- Wicklungsanfang
- 17b
- Wicklungsende
- 18
- Nutecke
- 19
- Nutboden
- 20
- Nuteintritt
- 21
- Isolierung