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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator mit Zähnen und einem im Bereich des Zahnkopfes optimiertem Wickelraum. Die Erfindung betrifft gleichermaßen geteilte und ungeteilte Statoren.
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Unter Spulenwickeltechnik versteht man in der Elektroindustrie die Art und Methode des Aufwickelns des elektrischen Leiters (isolierter Draht oder Litze) zu einer Spule. Die Wicklungen von Statoren oder Rotoren von Motoren werden ebenfalls als Spulen bezeichnet. Die Wickeltechnik bestimmt wesentlich die Eigenschaften von wicklungsbehafteten, elektromechanischen Baugruppen. Dazu gehören die Isolationsfestigkeit, der Gütefaktor, die für eine bestimmte Leistung oder Magnetkraft erforderliche Größe oder auch das magnetische Streufeld. Weil die Anforderungen an die Energieeffizienz stark zunehmen, wachsen auch die Ansprüche an die Entwicklung von Bauteilen für elektromechanische Baugruppen wie z. B. bei Elektromotoren.
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Elektrische Maschinen wie z. B. Elektromotoren und Generatoren sind üblicherweise aus einem Stator und einem Rotor aufgebaut. Bei Statoren wird der eisenhaltige Körper häufig aus Blech als Stanzteil im Vollschnittverfahren hergestellt, d. h. dass die Lamellen über den gesamten Umfang zusammenhängend sind. Hierbei ist typischerweise das Joch, die Zähne und die Zahnköpfe zusammenhängend - also ohne Trennstelle - aufgebaut. In axialer Richtung bestehen solche Statoren üblicherweise aus mehreren Lamellen, die häufig geklebt, verbacken oder mittels Stanznoppen stanzpacketiert sind.
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Um ein Magnetfeld aufzubauen, wird um die jeweiligen Zähne eine Spule ein Wickeldraht gewickelt. Das abzugebende Drehmoment eines Motors steigt unter anderem mit dem Strom, der durch die Windungen fliest und der Anzahl der Windungen, die um die Zähne gewickelt sind. Insofern ist ein hoher Füllfaktor wünschenswert. Beim Bewickeln von Zähnen mit Zahnköpfen, muss zwischen den benachbarten Zahnköpfen ein Spalt freigehalten werden, damit das Wickelwerkzeug dazwischen passt, was für nadelgewickelte ungeteilte Statoren zutrifft. Alternativen dazu sind flyergewickelte und ggf. geteilte Statoren.
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Um bei einem Motor das designbedingte Rastmoment und die Welligkeit zu reduzieren, besitzen die Zähne häufig sogenannte Zahnköpfe, wie zum Beispiel hammerförmige oder T-förmige Zahnköpfe.
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Der zuvor genannte Füllfaktor ist die Summe des Querschnitts der eingelegten Kupferdrähte geteilt durch den Querschnitt zwischen den einzelnen Zähnen. Wenn für die elektrische Maschine nur ein sehr geringes Rastmoment und nur eine geringe Welligkeit zugelassen sind, sind aber häufig Zahnköpfe zwingend dazu notwendig. Dann kann - weil zwischen den Zahnköpfen ein gewisser Korridor freizuhalten ist - nur ein durchschnittlicher Kupferfüllfaktor erreicht werden.
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Häufig benötigen elektrische Maschinen eine so hohe Leistungsdichte, die nur mit einem hohen Kupferfüllfaktor erreichbar ist.
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Wünschenswert ist daher eine technisch einfache und effiziente Lösung zur Verbesserung des Füllfaktors bei einem mit Zahnköpfen ausgebildeten Zähnen eines Stators, insbesondere bei einem Stators bei dem die jeweiligen Zahnköpfe einstückig mit dem entsprechenden Zahn ausgebildet sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, vorbesagte Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und einen Stator mit Zahnköpfen aufweisenden Zähnen so weiter zu entwickeln, dass eine optimierte Wicklung erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist hierzu die Isolation am Wickelzahn so auszugestalten, dass der Wickeldraht gezielt gestützt wird, um eine geordnete Wicklung zu ermöglichen. Vorzugsweise wird in der Isolationslage, die sich entlang dem Zahnkopf erstreckt, eine Kontur erzeugt, die dem Drahtdurchmesser und dem Wickelschema angepasst ist. Sie ist so ausgeführt, dass auf den Wickeldraht nach dem Bewicklungsprozess möglichst geringe Verschiebekräfte wirken, so dass der Draht nach dem Ablegen in seiner Zielposition verbleibt. Erfindungsgemäß ist hierzu ein Wickelzahn eines Stators einer elektrischen Maschine mit einem an einem Zahnhals angeordneten Zahnkopf mit einer Zahnkopfstirnseite (am radial äußeren Ende) vorgesehen, wobei der Zahnkopf zur Reduktion der Motorwelligkeit zwei Auskragungen besitzt, die sich vom Zahnhals seitlich weg erstrecken, wobei je eine Isolationslage entlang dem Zahnhals und dem jeweiligen seitlichen Bereich der jeweiligen Auskragung vorgesehen ist und die jeweilige Isolationslage im Bereich des Zahnkopfes je eine Auskragung ausbildet, die sich seitlich vom Zahnkopf weg erstreckt. Diese Auskragungen bilden dadurch Halteeinrichtungen zum Positionieren der Wickeldrähte im Bereich des Zahnkopfes aus. Somit gibt es die Möglichkeit die Nut zwischen zwei benachbarten Zähnen mit einem besseren Füllfaktor zu füllen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die jeweilige Auskragung der jeweiligen Isolationslage im Wesentlichen in die gleiche seitliche Richtung erstreckt, wie die Erstreckungsrichtung der jeweiligen Auskragungen. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn sich die jeweilige Auskragung jeweils am äußersten seitlichen Endabschnitt des Wickelzahns und zwar unmittelbar benachbart zur jeweiligen Ecke des Wickelzahns befindet, die am Übergang von der jeweiligen Seitenfläche an den Auskragungen zur Zahnkopfstirnseite ausbildet ist. Somit kann eine maximale Raumausnutzung für die Bewicklung erzielt werden.
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Eine weitere bevorzugte Maßnahme, dass der Wickeldraht nach dem Ablegen durch das Wickelwerkzeug in seiner Zielposition verbleibt, ist es den Anlagewinkel α des Wickeldrahtes an der Isolationslage geringer als 45° zu gestalten. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Rillenstruktur in die Isolationslage eingebracht werden, die dem Drahtdurchmesser des Wickeldrahtes angepasst ist. Somit ist es weiter vorteilhaft, wenn die Isolationslage zumindest im Bereich der jeweiligen Auskragungen des Zahnkopfes eine solche gewellte oder gerillte Oberflächenstruktur zum Lagepositionieren eines Wickeldrahts aufweist, um dadurch eine geordnete Wicklung zu ermöglichen.
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Dies kann zum Beispiel dadurch bewerkstelligt werden, dass sich die von der Fußpunktmitte des Wickelzahns an die Anlagefläche der Isolationslage im Bereich der jeweiligen Auskragungen verlaufende Tangente unter einem Winkel α orientiert zur mittigen Wickelzahnachse verläuft, wobei α < 45° ist. Allerdings ist der Schnittpunkt in der „Fußpunktmitte“ nicht fix. Wichtiger ist der gewählte Winkel zwischen den beiden Linien.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Stator mit einem Statorzentrum, an dem eine Mehrzahl sich radial nach außen weg erstreckende, wie zuvor beschriebene Wicklezähne ausgebildet sind, wobei wenigstens einer vorzugsweise jedoch alle Wickelzähne sowohl im Bereich des Zahnhalses als auch im Bereich des Zahnkopfs mit einem Wickeldraht mit einem Wickeldrahtdurchmesser DW umwickelt ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass in Umfangsrichtung betrachtet zwischen je zwei unmittelbar benachbarten Wickelzähnen ein Nutzschlitz vorhanden ist und für die Breite des Nutzschlitzes folgende Bedingung gilt: BN ≥ 2,5 · DW, wobei DW wie zuvor angegeben der Wickeldrahtdurchmesser des Wickeldrahtes des bewickelten Stators ist.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn für die Höhe des Zahnkopfes HZK im Bereich der Auskragungen im Verhältnis zur Höhe des Wickelzahns Hwz folgendes Verhältnis gilt: HZK ≥ 0,1 · HZ . Selbstreden ist dabei, dass der Zahnkopf natürlich nie mehr als ca. 20% der Höhe des Zahnes haben soll, so dass ein optimaler Bereich zwischen 10% und 20% liegt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auskragung der jeweiligen Isolationslage eine Länge La aufweist, die mindestens 30% weiter vorteilhaft mindestens 50% des Wickeldrahtdurchmessers DW des Wickeldrahtes entspricht.
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Weiter Vorteilhaft ist es, wenn der Füllfaktor um etwa 18% - 25% größer ist im Vergleich zu einem identisch ausgebildeten Stator mit Wickelzähnen gleicher Anordnung und Geometrie, jedoch ohne das Vorhandensein einer Isolationslage im Bereich des Zahnkopfes.
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Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Elektromotor aufweisend einen wie zuvor beschriebenen Stator.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigt:
- 1 eine Ansicht eines Teilbereichs eines Stators mit drei Zähnen und
- 2 eine weitere Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die 1 und 2 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
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In der 1 findet sich eine Ansicht eines Teilbereichs eines Stators 30 mit drei Wickelzähnen 1, wobei die beiden äußeren Wickelzähne 1 nur zum Teil zu sehen sind. Jeder Wickelzahn 1 besitzt einen Zahnhals 3 an dessen Ende einstückig und einteilig ein Zahnkopf 2 ausgebildet ist.
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Der Zahnkopf 2 ist als T-förmiger Zahnkopf ausgebildet und besitz an seinem radial äußeren Ende eine Zahnkopfstirnseite 20. Der Zahnkopf 2 besitz zwei Auskragungen 21a, 21b, die sich vom Zahnhals 3 seitlich weg in Richtung des jeweils benachbarten Zahnkopfes 2 des benachbarten Wickelzahns 1 erstrecken.
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Ferner ist zu erkennen, dass die Nut zwischen zwei Wickelzähnen 1 mit einer Isolationslage 10a, 10b versehen ist, die jeweils an der Oberfläche der Wickelzähne 1 entlang dem Zahnhals 3 und dem jeweiligen seitlichen Bereich der jeweiligen Auskragungen 21a, 21b vorgesehen ist. Der Wickelzahn 1 besitzt im Bereich der Zahnkopfstirnseite 20 keine Isolationslage 10a, 10b.
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Wie ebenfalls in den 1 und 2 zu erkennen, bildet die jeweilige Isolationslage 10a, 10b, die jeweils im Bereich des Zahnkopfes 2 vorgesehen ist, je eine Auskragung 11a, 11b aus, die sich seitlich vom Zahnkopf 2 weg erstreckt und zwar ebenso in Richtung R des jeweils benachbarten Zahnkopfes 2 des benachbarten Wickelzahns 1. Der so gebildete Vorsprung der Länge La bezogen auf die Oberseite der Isolationslage stellt eine Positioniereinrichtung für den Wickeldraht W dar. Die Positionierung zu geordneten Wicklung kann noch dadurch verbessert werden, dass die Isolationslage 10a, 10b zumindest im Bereich des Zahnkopfes 2 eine wellenförmige Ausnehmung 14 aufweist, in die der Wickeldraht eintauchen kann und sich dadurch in einer fest definierten Position am Wickelzahn 1 befindet.
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Ebenfalls ist erkennbar in den beiden 1 und 2, dass sich die jeweilige Auskragung 11a, 11b jeweils am äußersten seitlichen Endabschnitt des Wickelzahns 1 und zwar unmittelbar benachbart zur jeweiligen Ecke Ea, Eb des Wickelzahns 1 befindet, wobei die Ecken Ea, Eb den Übergang von der jeweiligen Seitenfläche an den Auskragungen 21a, 21b zur Zahnkopfstirnseite 20 definieren.
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Der Nutzschlitz 31 zwischen je zwei unmittelbar benachbarten Wickelzähnen 1 besitzt die Breite BN = 4,5 · DW . Für die Höhe des Zahnkopfes HZK im Bereich der Auskragungen 21a, 21b im Verhältnis zur Höhe des Wickelzahns HWZ gilt bei diesem Ausführungsbeispiel: HZK = 0,15 · HZ .
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In der 2 ist die Orientierung der Anlagefläche A zur besseren Erläuterung dargestellt. Es ist eine Tangente an die Anlagefläche A der Isolationslage 10b gezeigt. Die Tangente T verläuft unter einem Winkel von 30° orientiert zur Radialrichtung der Wickelzahnachse Wa.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10229333 A1 [0008]
- DE 10022071 A1 [0008]
- DE 102014114929 A [0008]
