WO2002058211A1 - Stator für elektrische maschinen und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Stator für elektrische maschinen und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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stator winding
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Helmut Kreuzer
Eberhard Rau
Reinhard Bezner
Martin Henne
Josef Schwankl
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02K15/10—Applying solid insulation to windings, stators or rotors

Definitions

  • the invention relates to a stator for electrical machines with a substantially ring-shaped stator body consisting of packetized laminations, which is provided over its circumference with receiving grooves for the stator winding.
  • the present invention further relates to a method for producing such a stator.
  • Stator bodies for electrical machines and in particular for motor vehicle generators or starters with a laminated structure are customary and best known.
  • the individual slats can be so-called segment or full-cut slats, with slats of constant thickness being used for the complete stand body.
  • emboss the finished package on the edges delimiting the groove to blunt the edges In order to achieve the smoothest possible liquid winding of the stator body with the stator winding and secure insulation of the winding line from the groove receiving it, it is known from the prior art to emboss the finished package on the edges delimiting the groove to blunt the edges.
  • slot fill factor Another problem with the design of stators for electrical machines is the so-called slot fill factor.
  • High slot filling factors increase the performance and the efficiency of the electrical machine, lower the stator, in particular stator winding temperature and reduce copper losses.
  • high slot filling factors also require a high level of mechanical stability in the stand areas that delimit the slots. The usual packaged stand bodies often reach their mechanical limits.
  • the slot edges form a pronounced weak point with regard to the insulation of the stator winding with respect to the slots, since in the area of the cutting-like edges, the insulation, which is designed as a surface insulating material, can easily be pushed through and thus be affected.
  • the invention has for its object to improve a stator for electrical machines of the generic type so that the stator body is easier to wind, mechanically stable and provided with a more secure insulation.
  • the end lamellae closing the stator body are provided with a sheet thickness at least twice that of the inner sheet metal lamellae. Furthermore, these end lamellae are provided with a rounding on their groove edges facing the receiving grooves, the radius of which corresponds to at least half the sheet thickness of the end lamella.
  • the reinforced end lamellae advantageously achieve two effects at the same time.
  • the entire stator body is mechanically considerably reinforced, which makes the stator considerably more stable, particularly in the area of the slot spaces. This means that stator windings with a slot fill factor exceeding 50% can also be easily inserted.
  • the high sheet thickness of the end fins creates the prerequisite for a strong rounding can be applied to the groove edges. In this way, the edge cutting in the area of the groove edges, which at most is broken in the prior art, is eliminated, which significantly reduces the risk of a single or multi-layer insulating material, for example made of polyester film, separating from the stand body.
  • an electric motor stator makes it considerably easier to manufacture, in that a groove insulation paper or film can be inserted more easily, or better edge coverage is achieved with a groove insulation powder coating. Furthermore, the stator winding can be drawn into or introduced into the package more smoothly, thereby avoiding a possible manufacturing error due to a ground fault.
  • the radius of curvature of the end lamella edges is preferably at least about 75% of the sheet thickness of the end lamellae. This allows the advantages of groove edge rounding discussed above to be maximized.
  • stator winding from insulated round wire, preferably with a slot fill factor of more than 50% in all stator slots, the electrical properties of an electrical machine discussed at the beginning are considerably improved.
  • Another aspect of the invention relates to the manufacture of the stator and in particular to the rounding of the groove edges according to the invention.
  • the rounding of the groove edges of the end slats is provided according to the characterizing part of claim 6. or to package them with the remaining metal plates. This means that the finished stator body no longer has to be processed to round the groove edges, which in turn serves to reduce reject parts during manufacture.
  • the end lamellae with undersize can preferably be punched out of a sheet metal and then simultaneously provided with the rounding by an adapted rounding tool and brought to the finished size.
  • the so-called cut air, the embossing stamp and the punch stroke can be matched to the rounding radius.
  • stator winding can be designed as a distributed wave or loop winding with a forward and reverse winding direction in a one or two-layer arrangement and is produced as a so-called pull-in winding. It is also possible to introduce the stator winding in the form of pre-wound partial windings one after the other or together in the stator body.
  • the advantages of the invention are, on the one hand, the improvement of the performance properties of an electrical machine by increasing the efficiency, reducing the stator temperature and reducing struggled to name losses.
  • the existing manufacturing processes and manufacturing facilities can continue to be used from an economic point of view, so that the invention can be put into practice without high investment costs.
  • Fig. 1 is a partial perspective view of a stator body with an insulating coating.
  • Fig. 2 is a plan view of a stator slot of a stator
  • Stator body according to FIG. 1 and indicated stator winding
  • FIG. 3 shows a section through the stator body along the section line III-III according to FIG. 2.
  • annular stator body 1 can be seen in sections, which extends over its circumference with the stems open toward the inside.
  • the body 1 is provided parallel to its annular axis penetrating grooves 2.
  • the receiving grooves 2 are substantially U-shaped in plan view, with webs 4 narrowing the groove opening being formed on the free ends of the stator legs 3 formed between the receiving grooves 2.
  • the entire stand body 1 is composed of packaged sheet metal laminations 5, as is indicated in FIG. 1 in the cut-away area of the powder coating 6.
  • the individual sheet metal lamellae 5 consist of congruent stamped parts which are correspondingly placed on top of one another and permanently connected to one another.
  • the individual sheet metal fins 5 are not constructed absolutely identically. Rather, the two end lamellae 5 ', which laterally close the stator body 1, are made thicker. Their sheet thickness e is at least twice, in particular approximately 2.0 to 2.5 times the sheet thickness b of the inner sheet metal fins 5.
  • the following dimensioning pairs can be used as examples for e and b:
  • e / b 1.0 / 0.35; 1.0 / 0.5; 1.25 / 0.5; 1.5 / 0.65 etc.
  • stator winding 9 made of insulated round wire is indicated in the receiving groove 2 shown there.

Abstract

Ein Stator für elektrische Maschinen ist mit einem aus paketierten Blechlamellen (5, 5') bestehenden, im wesentlichen ringförmigen Ständerkörper (1) und mit einer Statorwicklung (9) versehen, die in Aufnahmenuten (2) im Ständerkörper (1) angeordnet ist. Die den Ständerkörper (1) abschließenden Endlamellen (5') weisen gegenüber den innenliegenden Blechlamellen (5) eine mindestens doppelt so große Blechstärke auf. Ferner sind diese Endlamellen (5') an ihren den Aufnahmenuten (2) zugewandten Nutkanten (7) mit einer Abrundung (8) versehen, deren Radius (r) mindestens der Hälfte der Blechstärke (e) der Endlamellen (5') entspricht.

Description

Stator für elektrische Maschinen und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Stator für elektrische Maschinen mit einem aus paketierten Blechlamellen bestehenden, im wesentlichen ringförmigen Ständerkörper, der über seinen Umfang mit Aufnahmenuten für die Statorwicklung versehen ist. Femer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stators.
Ständerkörper für elektrische Maschinen und insbesondere für Kraf tfahr- zeug-Generatoren oder Starter mit lamelliertem Aufbau sind üblich und bestens bekannt. Die einzelnen Lamellen können sogenannte Segmentoder Vollschnitt-Lamellen sein, wobei für den kompletten Ständerkörper Lamellen gleichbleibender Dicke verwendet werden. Um ein möglichst reibungsloses, flüssiges Bewickeln des Ständerkörpers mit der Statorwick- lung und eine sichere Isolierung der Wicklungsleitung gegenüber der sie aufnehmenden Nut zu erreichen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, am fertig paketierten Ständer an den die Nut begrenzenden Kanten eine Anprägung anzubringen, um die Kantenschneiden abzustumpfen.
Ein weiteres Problem bei der Auslegung von Statoren für elektrische Maschinen liegt im sogenannten Nutfüllfaktor. Hohe Nutfüllfaktoren steigern die Leistung und den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine, senken die Stator-, insbesondere Statorwicklungstemperatur und reduzieren die Kupferverluste. Allerdings bedingen hohe Nutfüllfaktoren auch eine hohe me- chanische Stabilität der die Nuten begrenzenden Ständerbereiche. Dabei stoßen die üblichen paketierten Ständerkörper vielfach an ihre mechanischen Grenzen. Schließlich bilden die Nutkanten beim Stand der Technik einen ausgesprochenen Schwachpunkt hinsichtlich der Isolierung der Statorwicklung gegenüber den Nuten, da sich im Bereich der schneidenartigen Kanten die als Flächenisolierstoff ausgelegte Isolierung leicht durchdrückt und damit in Mitleidenschaft gezogen werden kann.
Ausgehend von den geschilderten Problemen beim Stand .der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stator für elektrische Maschi- nen der gattungs gemäßen Art so zu verbessern, daß der Ständerkörper einfacher zu bewickeln, mechanisch stabiler und mit einer sichereren Isolierung versehen ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 . angegebenen Merkmale gelöst. Demnach sind die den Ständerkörper abschließenden Endlamellen gegenüber den innenliegenden Blechlamellen mit einer mindestens doppelt so großen Blechstärke versehen. Ferner sind diese Endlamellen an ihren den Aufnahmenuten zugewandten Nuträndern mit einer Abrundung versehen, deren Radius mindestens der Hälfte der Blechstärke der Endlamelle entspricht.
Durch die verstärkten Endlamellen werden vorteilhafterweise zwei Effekte gleichzeitig erreicht. So wird der gesamte Ständerkörper zum einen dadurch mechanisch erheblich verstärkt, was insbesondere im Bereich der Nut-Zwischenräume den Stator erheblich stabiler macht. Damit können auch Statorwicklungen mit einem 50% übersteigenden Nutfüllfaktor problemlos eingebracht werden. Darüber- hinaus wird durch die hohe Blechstärke der Endlamellen die Voraussetzung dafür geschaffen, daß an den Nutkanten eine starke Abrundung angebracht werden kann. Damit entfallen also die beim Stand der Technik allenfalls gebrochenen Kantenschneiden im Bereich der Nutkanten, wodurch das Risiko eines Durc tren- nens eines Ein- oder Mehrschicht-Isolierstoffes, z.B. aus Polyesterfolie, auf dem Ständerkörper deutlich vermindert wird. Insbesondere bedeutet dies, daß bei erfindungsgemäßen Statoren im Falle von Isolier-Pulverbeschich- tungen mit einer dünneren Pulverschicht eine gleichbleibende Isoliersicher- heit rreicht wird. Dies wirkt sich wiederum wirkungsgradsteigernd und kostenmindernd für Leistungsfähigkeit und Herstellungs aufwand des Sta- tors aus.
Zusammenfassend läßt sich durch die erfindungsgemäße Auslegung eines Elektromotor-Stators eine erhebliche Fertigungserleichterung erzielen, indem ein Nut-Isolations-Papier oder -Folie leichter einfügbar ist bzw. bei einer Nut-Isolations-Pulverbeschichtung eine bessere Kantendeckung erzielt wird. Ferner kann die Statorwicklung in das Paket reibungsloser eingezogen bzw. eingebracht und dadurch ein möglicher Fertigungsfehler durch Masseschluß vermieden werden.
Vorzugsweise liegt der Rundungsradius der Endlamellenkanten bei mindestens etwa 75% der Blechstärke der Endlamellen. Dadurch lassen sich die vorstehend erörterten Vorteile der Nutkanten -Verrundung maximieren.
Bei der Auslegung der Statorwicklung aus isoliertem Runddraht vorzugs- weise mit einem Nutfüllfaktor von mehr als 50% in allen Ständernuten werden die eingangs erörterten elektrischen Eigenschaften einer elektrischen Maschine erheblich verbessert. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Herstellung des Stators und insbesondere die erfindungsgemäße Vornahme der Abrundung der Nutkanten. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist nämlich laut Kennzeich- nungsteil des Anspruches 6 vorgesehen, die Abrundung der Nutkanten der Endlamellen. or deren Paketierung mit den restlichen Blechlamellen vorzunehmen. Dies bedeutet, daß am fertigen Ständerkörper kein Bearbeitungsschritt zur Abrundung der Nutkanten mehr vollzogen werden muß, was wiederum einer Verminderung von Ausschußteilen bei der Herstellung dient.
Bevorzugtermaßen können die Endlamellen mit Untermaß aus einem Blech gestanzt und anschließend durch ein angepaßtes Verrundungswerkzeug simultan mit der Abrundung versehen und auf Fertigmaß gebracht werden. Dabei können die sogenannte Schnittluft, der Prägestempel und der Stanzhub auf den Verrundungsradius abgestimmt sein.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf die Auslegung der Statorwicklung. Letztere kann als verteilte Wellen- oder Schleifenwicklung mit Vor- und Rückwärts-Wickelrichtung in ein- oder zweischichtiger Anordnung ausgeführt sein und wird als sogenannte Einziehwicklung hergestellt. Auch ist es möglich, die Statorwicklung in Form von vorgewickelten Teilwicklungen einzeln nacheinander oder gemeinsam in den Ständerkörper einzubringen.
Zusammenfassend sind als Vorteile der Erfindung einerseits die Verbesserung der Leistungseigenschaften einer elektrischen Maschine durch Steigerung des Wirkungsgrades, Senkung der Ständertemperatur und Reduzie- rang von Verlusten zu nennen. Andererseits können unter wirtschaftlichen Aspekten die vorhandenen Fertigungsverfahren und Fertigungseinrichtungen weiterhin genutzt werden, so daß die Erfindung ohne hohe Investitionskosten in die Praxis umsetzbar ist.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Teildarstellung eines Ständerkörpers mit Isolierbeschichtung.
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ständernut eines Stators mit einem
Ständerkörper gemäß Fig. 1 und angedeuteter Statorwicklung, und
Fig. 3 einen Schnitt durch den Ständerkörper entlang der Schnittlinie III-III nach Fig. 2.
Anhand von Fig. 1 ist der übliche Aufbau eines Stators für Elektromotoren zu erläutert. So ist dort ein ringförmiger Ständerkörper 1 ausschnittsweise erkennbar, der über seinen Umfang mit nach innen offenen und den Stän- . derkörper 1 parallel zu seiner Ringachse durchsetzenden Aufnahmenuten 2 versehen ist. Die Aufnahmenuten 2 sind in Draufsicht im wesentlichen U- förmig umgrenzt, wobei an den freien Enden der zwischen den Aufnahme- nuten 2 gebildeten Ständerschenkel 3 die Nutöffnung verengende Stege 4 angeformt sind. Der gesamte Ständerkörper 1 ist aus paketierten Blechlamellen 5 zusammengesetzt, wie dies in Fig. 1 im weggeschnittenen Bereich der Pulverbeschichtung 6 angedeutet ist. Die einzelnen Blechlamellen 5 bestehen aus kongruenten Stanzteilen, die entsprechend aufeinandergelegt und miteinan- der dauerhaft verbunden werden.
Wie bereits in Fig. 1 weiterhin angedeutet, jedoch besser anhand von Fig. 2 und insbesondere Fig. 3 erkennbar ist, sind die einzelnen Blechlamellen 5 nicht absolut identisch aufgebaut. Vielmehr sind die beiden Endlamellen 5', die den Ständerkörper 1 seitlich abschließen, dicker ausgeführt. Ihre Blechstärke e beträgt mindestens das Doppelte, insbesondere etwa das 2,0- bis 2,5-Fache der Blechstärke b der innenliegenden Blechlamellen 5. Folgende Dimensionierungspaare können beispielhaft für e und b verwendet werden:
e/b = 1,0/0,35; 1,0/0,5; 1,25/0,5; 1,5/0,65 usw.
Die beiden Endlamellen 5' weisen nun im Bereich ihrer der Aufnahmenut 2 zugewandten Nutkante 7 eine Abrundung 8 auf, deren Radius r in einem Größenbereich von > 0,8 mm liegt. Bei größeren Blechstärken e können noch größere Radien gewählt werden.
In Fig. 2 ist schließlich in der dort gezeigten Aufnahmenut 2 die Statorwicklung 9 aus isoliertem Runddraht angedeutet.

Claims

Patentans rüche
1. Stator für elektrische Maschinen mit einem aus paketierten Blechlamellen (5, 5') bestehenden, im wesentlichen ringförmigen Ständerkör - per (1), der über seinen Umfang mit Aufnahmenuten (29) für die Statorwicklung (9) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ständerkörper (1) abschließenden Endlamellen (5') gegenüber den innenliegenden Blechlamellen (5) eine mindestens doppelt so große Blechstärke (e) aufweisen und an ihren den Aufnahmenuten (2) zuge- wandten Nutkanten (7) mit einer Abrundung (8) versehen sind, deren
Radius (r) mindestens der Hälfte der Blechstärke (e) der Endlamelle (5') entspricht.
2. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rundungs- radius (r) der Endlamellenkanten (7) mindestens 75% der Blechstärke
(e) der Endlamellen (5') beträgt.
3. Stator nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (9) aus isoliertem Runddraht besteht.
4. Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (9) mit einem Nutfüllfaktor von mehr als 50% in vorzugsweise allen Aufnahmenuten (2) angelegt ist.
5. Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (9) als Einziehwicklung ausgelegt ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Stators mit einer Statorwicklung (9) und einem Ständerkörper (1), der aus paketierten Blechlamellen (5, 5') mit stärker ausgelegten und mit verrundeten Nutkanten (7) versehenen Endlamellen (5') besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abrun- düng (8) der Nutkanten (7) der Endlamellen (5') vor deren Paketierung mit den restlichen Blechlamellen (5) vorgenommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Endlamellen (5') mit Untermaß aus einem Blech gestanzt und anschließend durch ein angepaßtes Verrundungswerkzeug simultan mit der Abrundung (8) versehen und auf Fertigmaß gebracht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (9) als verteilte Wellen- oder Schleifenwicklung mit Vor- und Rückwärts-Wickelrichtung in mindestens einschichtiger Anordnung ausgeführt wird.
9. Verfahren nach Ansprach 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (9) in Form von Teilwicklungen einzeln nacheinander oder gemeinsam in den Ständerkörper eingebracht werden.
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