WO2004057734A1 - Verfahren zur herstellung eines stators für eine elektrische maschine - Google Patents

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Joerg Aschoff
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02K3/522—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to stators only for generally annular cores with salient poles

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a stator for an electrical machine, in particular for a small motor, according to the preamble of claim 1.
  • stator of this type (WO 00/69047 AI)
  • the individual stator teeth have a stator neck and a tooth head integrally formed on one end of the stator neck, projecting above this on all sides, whose surface facing away from the stator neck has a curvature coaxial with the stator axis and with which Rotor of the electrical machine limits the working air gap.
  • a prefabricated ring coil is pushed onto the stator neck from the neck end facing away from the stator head, and the stator teeth provided with the ring coil are then connected to one another via a magnetic yoke.
  • a total of four semi-ring-shaped yoke sections are provided, axially in pairs -?
  • the two pairs of composite yoke sections collide in a plane running through the stator axis and are firmly connected to one another.
  • the method according to the invention for producing the stator with the features of claim 1 has the advantage of cost-effective production by direct, individual coil winding-free winding of the individual stator teeth separated from the back yoke ring, which is easy to accomplish in parallel in an automatic winding machine, and the advantage of simple assembly by fastening the stator teeth on the closed, one-piece yoke ring.
  • the attachment can be done in a simple manner by welding or gluing.
  • the ring coils wound on the stator teeth can easily be adjusted with e.g. conical outer contour.
  • the wound stator teeth are fastened to a thin tube and the tube equipped with the stator teeth is inserted into the return ring in such a way that the stator teeth rest on the return ring with their foot region.
  • This procedure is particularly advantageous when the yoke ring does not allow the individual teeth to be fitted from the inside, which is the case, for example, when the yoke ring is part of the machine housing.
  • the inner tube used as a carrier for the wound stator teeth can simultaneously serve as a protective tube against blocking the rotor by hooking protruding rotor parts, which is particularly advantageous when the motor according to the invention is used as a steering motor in motor vehicles.
  • the tube carrying the stator teeth is preferably made of magnetically non-conductive or poorly conductive material.
  • a stator manufactured by the method according to the invention for an electrical machine, in particular for a small motor, is the subject of claim 7.
  • FIG. 1 is a perspective view of a stator for an external rotor motor, partially cut away,
  • FIG. 2 is a perspective view of a stator for an inner rotor otor, partially cut away,
  • Fig. 3 is the same representation as in Fig. 2 of a modified stator for one
  • the stator shown in perspective in FIG. 1 for a brushless or electronically commutated DC small motor designed as an external rotor motor or for a brushless synchronous motor with an internal rotor as an example of a general electrical machine has a one-piece, closed yoke ring 11 and one
  • Each stator tooth 13 has a tooth neck with tooth base 132 and tooth head 133 formed thereon.
  • the tooth base 132 and tooth head 133 integrally connecting the tooth neck cannot be seen in FIG. 1, since it is enclosed by the toroidal coil 12. Tooth base 132 and tooth head 133 project beyond the tooth neck on all sides and are curved coaxially to the stator axis, the curvature of the tooth base
  • the stator teeth 13 and the yoke ring 11 are either packaged from sheet metal laminations or made from an SMC (Soft Magnetic Composite) material.
  • the stator teeth 13 which are present as individual parts, are first provided with a thin insulation 15 which surrounds the tooth neck and covers the mutually facing protruding surfaces of tooth base 132 and tooth head 133.
  • This thin insulation 15 is produced, for example, by coating with an insulating powder or by gluing on an insulating film.
  • the individual, insulated stator teeth 13 are wound with a winding wire in several layers, which is advantageously carried out by means of an automatic winding machine, the one
  • a plurality of stator teeth 11 are wound in parallel.
  • the ring coils 12 thus formed on the stator teeth 13 can be given a desired, for example conical, outer contour by partially different number of winding layers and can thus be optimally adapted to the clearance in the stator slots 13 which are respectively enclosed between two successive stator teeth 13.
  • the wound stator teeth 13 are placed with their tooth feet 132 on the outer surface 111 of the yoke ring 11 and attached to the yoke ring 11, for example by welding or gluing.
  • the stator teeth 13 are arranged so that their tooth feet 132 meet without a gap.
  • the individual toroidal coils 12 are connected to form a three-phase or three-strand stator winding in the exemplary embodiment with three parallel or series toroidal coils 12 per winding phase or phase.
  • stator outlined in FIG. 2 for an internal rotor motor is produced in the same manner as described above, with the difference that the wound stator teeth 13 with their tooth feet 132 are placed on the inner surface 112 of the one-piece closed return ring 11 and on the return ring 11 by welding or glued.
  • the stator teeth 13 are again arranged in the same way that the tooth feet 132 of all the stator teeth 13 abut against one another in the circumferential direction of the yoke ring 11.
  • the stator sketched in FIG. 3 for an inner rotor motor is modified compared to the stator according to FIG. 2 in that the tooth heads 133 of all stator teeth 13 arranged on the return ring 11 are fastened on a thin tube 14 that together with the inner rotor of the small motor the working air gap limited.
  • the thin tube 14 consists of a magnetically non-conductive or magnetically poorly conductive material.
  • This stator is manufactured in such a way that the wound individual as described above Stator teeth 13 with their tooth heads 133 placed on the outer surface 141 of the tube 14 and firmly connected to the tube 14, for example by welding, gluing, riveting, caulking or the like.
  • the arrangement of the stator teeth 13 on the tube 14 is again made in such a way that the tooth feet 132 of the stator teeth 13 abut each other.
  • the thin tube 14 fitted with the stator teeth 13 is inserted into the return ring 11, a positive connection being brought about between the inner surface 112 of the return ring 11 and the tooth feet 132 of the stator teeth 13.
  • the tooth feet 132 of the stator teeth 13 are preferably frictionally applied to the yoke ring 11, which can be achieved, for example, by shrinking the yoke ring 11.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen bürstenlosen Kleinmotor, die eine Vielzahl von einzelnen, jeweils mit einer Ringspulen (12) bewickelten einzelnen Statorzähnen (13) und einen die Statorzähne (13) miteinander verbindenden magnetischen Rückschluß aufweist, angegeben, bei dem zur kostengünstigen Herstellung des Stators auf die vereinzelten Statorzähne (13) jeweils eine Ringspule (12) direkt in mehreren Lagen aufgewickelt und jeder bewickelter Statorzahn (13) an einem einstückig geschlossenen Rückschlußring (11) festgelegt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Kleinmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Stator dieser Art (WO 00/69047 AI) besitzen die einzelnen Statorzähne einen Statorhals und einen an dem einen Ende des Statorhalses einstückig angeformten, über diesen allseits vorspringenden Zahnkopf, dessen vom Statorhals abgekehrte Oberfläche eine zur Statorachse koaxiale Krümmung besitzt und mit dem Rotor der elektrischen Maschine den Arbeitsluftspalt begrenzt. Auf den Statorhals wird von dem vom Statorkopf abgekehrten Halsende her eine vorgefertigte Ringspule aufgeschoben, und die mit der Ringspule versehenen Stator∑ähne werden anschließend über einen magnetischen Rückschluß miteinander verbunden. Für den magnetischen Rückschluß sind insgesamt vier halbringförmige Rückschlußsektionen vorgesehen, die paarweise axial so - ?
zusammengesetzt sind, daß sie in einer zur Statorachse- rechtwinklig verlaufenden Radialebene aneinanderstoßen und hierbei mit Ausnehmungen jeweils das zahnkopfferne Halsende eines Statorzahns kraft- und formschlüssig umschließen. Die beiden Paare von zusammengesetzten Rückschlußsektionen stoßen in einer durch die Statorachse verlaufenden Ebene zusammen und sind fest miteinander verbunden.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Stators mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil einer kostengünstigen Fertigung durch direkte, spulenträgerfreie Einzelbewicklung der vom Rückschlußring getrennten, einzelnen Statorzähne, was parallel in einem Wickelautomaten einfach zu bewerkstelligen ist, und den Vorteil einer einfachen Montage durch Befestigung der Statorzähne an dem geschlossenen, einteiligen Rückschlußring. Das Befestigen kann in einfacher Weise durch Schweißen oder Kleben vorgenommen werden. Die auf die Statorzähne aufgewickelten Ringspulen können problemlos mit angepaßter, z.B. konischer Außenkontur gewickelt werden. Durch das Aufwickeln der Ringspulen direkt auf die Statorzähne, wobei diese vorteilhaft zuvor mit einer dünnen elektrischen Isolierung versehen werden, kann eine optimale Füllung der zwischen den Statorzähnen eingeschlossenen Statornuten erreicht werden.
Durch die in den weiteren Ansprüchen 2 - 8 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Stators für einen Innenläufermotor werden die bewickelten Statorzähne auf einem dünnen Rohr befestigt und das mit den Statorzähnen bestückte Rohr in den Rückschlußring so eingeschoben, daß die Statorzähne mit ihrem Fußbereich an dem Rückschlußring anliegen. Diese Verfahrensweise ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Rückschlußring keine Montage der Einzel∑ähne von innen zuläßt, was z.B. dann der Fall ist, wenn der Rückschlußring Bestandteil des Maschinengehäuses ist. Das als Träger für die bewickelten Statorzähne benutzte innere Rohr kann gleichzeitig als Schutzrohr gegen Blockieren des Rotors durch Einhaken abstehender Rotorteile dienen, was insbesondere bei Anwendung des erfindungsgemäßen Motors als Lenkungsmotor in Kraftfahrzeugen von Vorteil ist. Das die Statorzähne tragende Rohr wird vorzugsweise aus magnetisch nicht oder schlecht leitendem Werkstoff hergestellt.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Kleinmotor, ist Gegenstand des Anspruchs 7.
Durch die in den weiteren Ansprüche 8 - 13 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 7 angegebenen Stators möglich.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Stators für einen Außenläufermotor, teilweise aufgeschnitten,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Stators für einen Innenläufer otor, teilweise aufgeschnitten,
Fig. 3 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 2 eines modifizierten Stators für einen
Innenläufermotor .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in Fig. 1 perspektivisch dargestellte Stator für einen als Außenläufermotor konzipierten, bürstenlosen oder elektronisch kommutierten Gleichstrom-Kleinmotor oder für einen bürstenlosen Synchronmotor mit Innenläufer als Beispiel für eine allgemeine elektrische Maschine weist einen einstückigen, geschlossenen Rückschlußring 11 und eine
Vielzahl (im Ausführungsbeispiel neun) von einzelnen, jeweils mit einer Ringspule 12 bewickelten Statorzähnen 13 auf, die um gleiche Drehwinkel am Umfang des Rückschlußrings 11 äquidistant angeordnet sind. Jeder Statorzahn 13 weist einen Zahnhals mit daran angeformten Zahnfuß 132 und Zahnkopf 133 auf. Der Zahnfuß 132 und Zahnkopf 133 miteinander einstückig verbindende Zahnhals ist in Fig. 1 nicht zu sehen, da er von der Ringspule 12 umschlossen ist. Zahnfuß 132 und Zahnkopf 133 stehen allseits über den Zahnhals vor und sind koaxial zur Statorachse gekrümmt, wobei die Krümmung des Zahnfußes
132 der Krümmung des Rückschlußrings 11 und die Krümmung des Zahnkopfes 133 der Krümmung der Innenwand des Außenläufers angepaßt ist. Der zwischen dem Stator und dem hier nicht dargestellten Außenläufer vorhandene Arbeitsluftspalt des Kleinmotors ist durch die Zahnköpfe 133 der Statorzähne 13 begrenzt. Die in Umfangsrichtung gesehene Breite der Zahnfüße 132 ist so ausgebildet, daß sie bei auf den Rückschlußring 11 aufgesetzten Statorzähnen 13 spaltlos aneinanderliegen . Hierdurch bilden die aneinanderstoßenden Zahnfüße 132 einen zum Rückschlußring 11 parallelen Flußweg für den magnetischen Fluß, so daß der Rückschlußring 11 dünner bemessen werden kann als es die Auslegung des magnetischen Kreises erfordert. Die Statorzähne 13 und der Rückschlußring 11 sind entweder aus Blechlamellen paketiert oder aus einem SMC (Soft Magnetic Composite) -Werkstoff hergestellt .
Zur Herstellung des wie vorstehend beschriebenen Stators für den Außenläufermotor werden die als Einzelteile vorliegenden Statorzähne 13 zunächst mit einer dünnen Isolierung 15 versehen, die den Zahnhals umschließt und die einander zugekehrten Überstehflächen von Zahnfuß 132 und Zahnkopf 133 überdeckt. Diese dünne Isolierung 15 wird beispielsweise durch eine Beschichtung mit einem isolierenden Pulver oder durch Aufkleben einer Isolierfolie hergestellt. Die einzelnen, isolierten Statorzähne 13 werden mit einem Wickeldraht in mehreren Lagen bewickelt, was vorteilhaft mittels eines Wickelautomaten durchgeführt wird, der eine
Mehrzahl von Statorzähnen 11 parallel bewickelt. Die dadurch auf den Statorzähnen 13 entstehenden Ringspulen 12 können durch partiell unterschiedlich viele Wickellagen eine gewünschte, z.B. konische, Außenkontur erhalten und so optimal an den Freiraum in den zwischen zwei aufeinanderfolgenden Statorzähnen 13 jeweils eingeschlossenen Statornuten angepaßt werden. Die bewickelten Statorzähne 13 werden mit ihren Zahnfüßen 132 auf die Außenfläche 111 des Rückschlußrings 11 aufgesetzt und an dem Rückschlußring 11, z.B. durch Schweißen oder Kleben, befestigt. Dabei werden die Statorzähne 13 so angeordnet, daß ihre Zahnfüße 132 spaltlos aneinanderstoßen. Anschließend werden die einzelnen Ringspulen 12 zu einer im Ausführungsbeispiel dreiphasigen oder dreisträngigen Statorwicklung mit drei parallelen oder in Reihe liegenden Ringspulen 12 pro Wicklungsphase oder -sträng verschaltet.
Der in Fig. 2 skizzierte Stator für einen Innenläufermotor wird in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben hergestellt, mit dem Unterschied, daß die bewickelten Statorzähne 13 mit ihren Zahnfüßen 132 auf die Innenfläche 112 des einteiligen geschlossenen Rückschlußrings 11 aufgesetzt und an dem Rückschlußring 11 durch Schweißen oder Kleben befestigt werden. Die Anordnung der Statorzähne 13 erfolgt wiederum in der gleichen Weise, daß die Zahnfüße 132 aller Statorzähne 13 in- Umfangsrichtung des Rückschlußrings 11 aneinanderstoßen.
Der in Fig. 3 skizzierte Stator für einen Innenläufermotor ist gegenüber dem Stator gemäß Fig. 2 insoweit modifiziert, als die Zahnköpfe 133 aller an dem Rückschlußring 11 angeordneten Statorzähne 13 auf einem dünnen Rohr 14 befestigt sind, daß zusammen mit dem Innenläufer des Kleinmotors den Arbeitsluftspalt begrenzt. Das dünne Rohr 14 besteht aus einem magnetisch nicht leitenden oder magnetisch schlecht leitenden Werkstoff.
Die Herstellung dieses Stators erfolgt in der Weise, daß die wie vorstehend beschriebenen, bewickelten, einzelnen Statorzähne 13 mit ihren Zahnköpfen 133 auf die Außenfläche 141 des Rohrs 14 aufgesetzt und mit dem Rohr 14 fest verbunden werden, z.B. durch Schweißen, Kleben, Nieten, Verstemmen oder dgl .. Die Anordnung der Statorzähne 13 auf dem Rohr 14 wird wiederum so getroffen, daß die Zahnfüße 132 der Statorzähne 13 aneinanderliegen. Nunmehr wird das mit den Statorzähne 13 bestückte, dünne Rohr 14 in den Rückschlußring 11 eingeschoben, wobei zwischen der Innenfläche 112 des Rückschlußrings 11 und den Zahnfüßen 132 der Statorzähne 13 ein Formschluß herbeigeführt wird. Vorzugsweise werden die Zahnfüße 132 der Statorzähne 13 kraftschlüssig an den Rückschlußring 11 angelegt, was z.B. durch Schrumpfen des Rückschlußrings 11 erreichbar ist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen bürstenlosen Kleinmotor, die eine Vielzahl von einzelnen, jeweils mit einer Ringspule (12) bewickelten Statorzähnen (13) und einen die Statorzähne (13) miteinander verbindenden, magnetischen Rückschluß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf die als Einzelteile vorliegenden Statorzähne (13) eine Ringspule (12), vorzugsweise in mehreren Lagen, direkt aufgewickelt wird und daß die bewickelten Statorzähne (13) auf einem einstückigen, geschlossenen Rückschlußring (11) festgelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorzähne (13) vor Aufwickeln der Ringspulen (12) mit einer dünnen, elektrischen Isolierung (15), vorzugsweise mit einer Pulverbeschichtung oder einer Folie, belegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewickelten Statorzähne (13) auf der Außenfläche (111) oder Innenfläche (112) des Rückschlußrings (11) befestigt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewickelten Statorzähne (13) auf einem dünnen Rohr (14) aus magnetisch nicht oder schlecht leitendem Material befestigt werden und daß das mit den Statorzähnen (13) bestückte Rohr (14) in den Rückschlußring (11) so eingeschoben wird, daß die Statorzähne (13) an dem Rückschlußring (11) anliegen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Statorzähne (13) jeweils mit einem gekrümmten Zahnfuß (132) und einem gekrümmten Zahnkopf (133), die durch einen Zahnhals einstückig miteinander verbunden sind, so ausgeführt werden, daß Zahnfuß (132) und Zahnkopf (133) über den Zahnhals vorstehen, daß die dünne Isolierung (15) auf den Zahnhals und auf die einander gegenüberliegenden Überstehfläche des Zahnfußes (132) und des Zahnkopfes (133) aufgebracht wird, daß die Ringspule (12) in mehreren Lagen auf den Zahnhals so aufgewickelt wird, daß die mit ihren Stirnseiten an Zahnfuß (132) und
Zahnkopf (133) anliegt, und daß die Statorzähne (13) mit ihren Zahnfüßen (132) so am Rückschlußring (11) festgelegt werden, daß die Zahnfüße (132) in Umfangsrichtung des Rückschlußrings (11) aneinanderstoßen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorzähne (13) und der Rückschlußring (11) aus Blechlamellen zusammengesetzt oder aus einem SMC-Werkstoff hergestellt werden.
7. Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen bürstenlosen Kleinmotor, mit einer Vielzahl von jeweils mit einer Ringspulen (12) belegten, einzelnen Statorzahnen (13), die in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet radial von einem Rückschlußring (11) abstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspulen (12) spulenträgerlos direkt auf den Statorzähnen (13) aufgewickelt sind und daß der Rückschlußring (11) einstückig geschlossen ausgebildet ist.
8. Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorzähne (13) auf der Außen- oder Innenfläche (111, 112) des Rückschlußrings (11) befestigt sind.
9. Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorzähne (13) auf der Außenfläche (141) eines dünnen Rohrs (14) aus nicht oder schlecht magnetisch leitendem Material befestigt sind und daß die Abmessungen von Rohr (14), Rückschlußring (11) und Statorzähnen (13) so festgelegt sind, daß bei in den Rückschlußring (11) eingeschobenem Rohr (14) die Statorzähne (13) an dem Rückschlußring (11) anliegen.
10. Rotor nach einem der Ansprüche 7 - 10 , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Statorzahn (13) und der darauf vorzugsweise mehrlagig aufgewickelten Ringspule (12) eine dünne elektrische Isolierung (15) angeordnet ist.
11. Rotor nach einem der Ansprüche 7 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Statorzahn (13) einen radial ausgerichteten Zahnhals sowie einen koaxial zur Statorachse gekrümmte . Zahnfuß (1321) und Zahnkopf (133| aufweist, die mit dem Zahnhals einstückig und über den Zahnhals allseitig vorstehend ausgebildet sind.
12. Rotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnfüße (132) der Statorzähne (13) so bemessen sind, daß sie in Umfangsrichtung des Rückschlußrings (11) aneinanderstoßen .
13. Rotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne elektrische Isolierung (15) auf den Zahnhals und auf die einander zugekehrten Überstehflächen von Zahnfuß (132) und Zahnkopf (133) aufgebracht ist.
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