WO2022023062A1 - Verfahren zur herstellung eines stators für eine axialflussmaschine, stator sowie axialflussmaschine mit stator - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines stators für eine axialflussmaschine, stator sowie axialflussmaschine mit stator Download PDF

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Armin Merz
Alexander Hero
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a stator for an axial flow machine according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a stator preferably produced using the method according to the invention and an axial flow machine with such a stator.
  • An axial flux machine is an electrical machine with a stator that generates an axially aligned magnetic flux that passes through permanent magnets of a disc-shaped rotor.
  • the advantages of the axial flow machine are its shortened axial length and its efficiency. In particular, a high torque or power density can be achieved.
  • a preferred area of application is, for example, the automotive sector.
  • axial flow machines are used, among other things, to drive a recirculation fan in the anode path of a fuel cell system.
  • Sintered stators are predominantly used in today's designs of axial flow machines.
  • wound stators are known.
  • the advantage of wound stators over sintered stators is their higher permeability, so that the magnetic losses are lower than with a sintered stator.
  • wound stators can only be realized with large inner diameters. For small sizes, therefore, only production by means of sintering comes into question.
  • the object of the present invention is to specify a method which enables the production of wound stators with a small inner diameter.
  • an electrical steel sheet is used, which is wound.
  • the electrical steel sheet is coated with a baking varnish, preferably on one side, before it is wound.
  • the electrical steel sheet coated with baking varnish is wound onto a mandrel and then the wound electrical steel sheet coated with baking varnish is bonded under the action of heat with the aid of the baking varnish.
  • the proposed method can be used to produce stators with small internal diameters, since the coated electrical steel sheet is wound directly onto a mandrel and then baked or glued.
  • the method according to the invention thus represents an alternative to sintering.
  • the proposed method can be used, for example, to produce stators whose inner diameter is 10 mm to 40 mm.
  • the inner diameter of the stator to be produced is preferably specified via the outer diameter of the mandrel. To produce a stator with a small inner diameter, a mandrel with a correspondingly small outer diameter is therefore selected.
  • an electrical steel sheet in the form of a strip is preferably used, the height of which corresponds to the height of the stator to be produced.
  • the height of the strip can be 15 mm to 40 mm, for example.
  • the layers of the winding are close together, so that the baking lacquer coating of a layer on the electrical sheet of the following or the previous layer.
  • a winding for producing a stator can comprise 20 to 100 layers of the coated electrical steel sheet, for example 40 or 50 layers.
  • the free end of the electrical sheet be materially connected to the winding, preferably welded, after the winding and before the baking. This prevents the coil from popping open, so that a tight coil is maintained.
  • a temperature oven is preferably used to bake the wound electrical steel sheet coated with baking lacquer.
  • the complete winding can be placed in the oven so that the baked enamel is heated evenly, preferably at temperatures of 140°C to 200°C.
  • the individual layers of the wound electrical sheet are bonded to one another by the heated backing lacquer. Since the individual layers of the winding are close together, the electrical sheet only has to be coated on one side with baking varnish before it is wound.
  • the coating is preferably applied over the entire surface, so that full-surface adhesion is achieved during baking.
  • the winding is placed with the mandrel in the temperature furnace.
  • the mandrel prevents the inside end of the electric sheet metal from springing open.
  • an additional clamping device can be arranged on the outer circumference, as an alternative or in addition to the already mentioned cohesive connection.
  • grooves are preferably cut or milled into the wound stator after the wound electrical steel sheet coated with baking varnish has been baked.
  • the grooves lead to the formation of teeth, which are separated from one another by the grooves.
  • teeth are separated from one another by the grooves.
  • the grooves there is no risk of the individual layers of the wound electrical steel fanning out, as they are glued together with the baking varnish. The bonding thus only enables the subsequent cutting or milling of the grooves.
  • grooves running radially with groove flanks running parallel are cut or milled into the wound stator. This means that the grooves have the same width radially inside and radially outside.
  • the grooves with parallel flanks lead to the formation of teeth that are essentially sector-shaped.
  • the teeth have tooth flanks that do not run parallel but at an angle to one another. The course of the tooth flanks is almost radial.
  • An electrical steel sheet with a thickness of 0.25 mm to 0.50 mm, for example with a thickness of 0.35 mm, is preferably used to produce the stator. These are the usual thicknesses of electrical steel, so that their availability is ensured.
  • the outer diameter of the stator later depends on the thickness of the electrical sheet, the thickness of the coating and the number of layers.
  • stator for an axial flow machine has several layers of a wound electrical steel sheet baked with baking varnish, which are interrupted by radially running grooves for the formation of teeth. This means that the entire stator is made from one winding, so that the height of the wound electrical steel sheet corresponds to the height of the stator.
  • the height of the winding or the stator can be 15 mm to 40 mm, for example.
  • the proposed stator is simple and inexpensive to produce, especially if it is made using the method according to the invention described above.
  • the production according to the method according to the invention also enables small sizes with a reduced inner diameter, which previously could only be produced in a sintering process.
  • the inner diameter of a stator according to the invention can be 10 mm to 40 mm, for example.
  • the axial flux machine includes a wound stator, which has a higher permeability than a sintered stator and thus leads to lower magnetic losses. Since the stator according to the invention requires little installation space due to the possible small size, the axial flow machine can also be designed to be correspondingly small. the. This is particularly advantageous when the axial flow machine is used in a mobile application, for example to drive a recirculation fan in an anode path of a fuel cell system.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a stator according to the invention
  • FIG. 2 shows a cross section through the stator of FIG.
  • the stator 1 shown in FIG. 1 is produced according to the procedural method according to the invention and has a stator yoke 7 with a central opening 8 and teeth 5 arranged on the stator yoke 7 around the opening 8 .
  • the Zäh ne 5 are separated by radially extending grooves 4, which have groove flanks 6 running parallel.
  • the stator 1 consists of a wound electrical steel sheet 2 or a winding 3.
  • a 0.35 mm thick electrical steel sheet 2 used, which has been coated on one side with baking varnish before winding.
  • the several layers of the electrical steel sheet 2 are bonded to one another via the baked lacquer, which was heated after the electrical steel sheet 2 was wound. The bond is so strong that when the grooves 4 are subsequently milled, the winding 3 is not fanned out.
  • a mandrel was used to wind the illustrated stator 1 according to the method according to the invention.
  • the mandrel had an outside diameter Di which corresponds to the inside diameter D2 of the stator 1 .
  • An electrical steel sheet 2 in the form of a strip was wound onto the mandrel.
  • the height of the strip Hi corresponds to the height H2 of the stator 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators (1) für eine Axialflussmaschine, bei dem ein Elektroblech (2) verwendet wird, das gewickelt wird. Erfindungsgemäß wird das Elektroblech (2) vor dem Wickeln, vorzugsweise einseitig, mit einem Backlack beschichtet. Das mit Backlack beschichtete Elektroblech (2) wird auf einen Dorn aufgewickelt und anschließend wird das gewickelte und mit Backlack beschichtete Elektroblech (2) unter Wärmeeinwirkung mit Hilfe des Backlacks verbacken. Die Erfindung betrifft ferner einen Stator (1) sowie eine Axialflussmaschine mit einem solchen Stator (1).

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine Axialflussmaschine, Stator sowie
Axialflussmaschine mit Stator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine Axial flussmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her gestellten Stator sowie eine Axialflussmaschine mit einem solchen Stator.
Stand der Technik
Eine Axialflussmaschine ist eine elektrische Maschine mit einem Stator, der ei nen axial ausgerichteten Magnetfluss erzeugt, der durch Permanentmagnete ei nes scheibenförmigen Rotors verläuft. Vorteile der Axialflussmaschine liegen in ihrer verkürzten axialen Länge und ihrer Effizienz. Insbesondere ist eine hohe Drehmoment- bzw. Leistungsdichte erzielbar. Ein bevorzugter Anwendungsbe reich ist beispielsweise der Automotivebereich. Hier finden Axialflussmaschinen unter anderem Einsatz als Antrieb eines Rezirkulationsgebläses im Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems.
Bei heutigen Ausführungen von Axialflussmaschinen kommen überwiegend ge sinterte Statoren zum Einsatz. Darüber hinaus sind gewickelte Statoren bekannt. Beispielhaft wird auf die Offenlegungsschrift DE 102014222 121 Al verwiesen. Der Vorteil gewickelter Statoren gegenüber gesinterten Statoren liegt in einer hö heren Permeabilität, so dass die magnetischen Verluste geringer als bei einem gesinterten Stator sind. Aus fertigungstechnischen Gründen lassen sich gewi ckelte Statoren jedoch nur mit großen Innendurchmessern realisieren. Für kleine Baugrößen kommt daher nur die Herstellung mittels Sintern in Frage. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzuge ben, das die Herstellung gewickelter Statoren mit kleinem Innendurchmesser er möglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran sprüchen zu entnehmen. Ferner werden ein Stator und eine Axialflussmaschine mit einem solchen Stator angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine Axial flussmaschine wird ein Elektroblech verwendet, das gewickelt wird. Erfindungs gemäß wird das Elektroblech vor dem Wickeln, vorzugsweise einseitig, mit einem Backlack beschichtet. Das mit Backlack beschichtete Elektroblech wird auf einen Dorn aufgewickelt und anschließend wird das gewickelte und mit Backlack be schichtete Elektroblech unter Wärmeeinwirkung mit Hilfe des Backlacks verba cken.
Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens lassen sich Statoren mit kleinen In nendurchmessern hersteilen, da das beschichtete Elektroblech unmittelbar auf einen Dorn gewickelt und anschließend verbacken bzw. verklebt wird. Das erfin dungsgemäße Verfahren stellt somit eine Alternative zum Sintern dar. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens können beispielsweise Statoren hergestellt werden, deren Innendurchmesser 10 mm bis 40 mm beträgt.
Bevorzugt wird über den Dornaußendurchmesser der Innendurchmesser des herzustellenden Stators vorgegeben. Zur Herstellung eines Stators mit kleinem Innendurchmesser wird demnach ein Dorn mit einem entsprechend kleinen An- nendurchmesser gewählt.
Ferner bevorzugt wird ein Elektroblech in Form eines Streifens verwendet, des sen Höhe der Höhe des herzustellenden Stators entspricht. Somit muss nur eine Wicklung hergestellt werden. Die Höhe des Streifens kann beispielsweise 15 mm bis 40 mm betragen. Die Lagen der Wicklung liegen eng aneinander, so dass die Backlack-Beschichtung einer Lage an dem Elektroblech der folgenden oder der vorhergehenden Lage anliegt. Eine Wicklung zur Herstellung eines Stators kann dabei 20 bis 100 Lagen des beschichteten Elektroblechs umfassen, beispiels weise 40 oder 50 Lagen.
Da unmittelbar nach dem Wickeln die einzelnen Elektroblechlagen über den Backlack noch nicht miteinander verbunden sind, wird vorgeschlagen, dass nach dem Wickeln und vor dem Verbacken das freie Ende des Elektroblechs mit der Wicklung stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt, wird. Auf diese Weise wird ein Aufspringen der Wicklung verhindert, so dass eine enge Wicklung erhalten bleibt.
Zum Verbacken des gewickelten und mit Backlack beschichteten Elektroblechs wird vorzugsweise ein Temperaturofen verwendet. In den Ofen kann die kom plette Wicklung eingelegt werden, so dass der Backlack, vorzugsweise bei Tem peraturen von 140°C bis 200°C, gleichmäßig erwärmt wird. Durch den erwärmten Backlack werden die einzelnen Lagen des gewickelten Elektroblechs miteinander verklebt. Da die einzelnen Lagen der Wicklung eng aneinander liegen, muss das Elektroblech vor dem Wickeln lediglich einseitig mit Backlack beschichtet wer den. Die Beschichtung wird vorzugsweise vollflächig aufgebracht, so dass beim Verbacken eine vollflächige Verklebung erzielt wird.
Vorteilhafterweise wird die Wicklung mit dem Dorn in den Temperaturofen einge legt. Der Dorn verhindert ein Aufspringen des innenliegenden Endes des Elekt roblechs. Um ferner ein Aufspringen des außenliegenden Endes zu verhindern kann - alternativ oder ergänzend zur bereits erwähnten stoffschlüssigen Verbin dung - eine zusätzliche Spannvorrichtung außenumfangseitig angeordnet wer den.
Des Weiteren bevorzugt werden nach dem Verbacken des gewickelten und mit Backlack beschichteten Elektroblechs radial verlaufende Nuten in den gewickel ten Stator geschnitten oder gefräst. Die Nuten führen zur Ausbildung von Zäh nen, die durch die Nuten voneinander getrennt werden. Beim Schneiden oder Fräsen der Nuten besteht keine Gefahr, dass die einzelnen Lagen des gewickel ten Elektroblechs auffächern, da diese über den Backlack miteinander verklebt sind. Die Verklebung ermöglicht somit erst das nachträgliche Schneiden oder Fräsen der Nuten. Bevorzugt werden radial verlaufende Nuten mit parallel verlaufenden Nutflanken in den gewickelten Stator geschnitten oder gefräst. Das heißt, dass die Nuten ra dial innen und radial außen die gleiche Breite aufweisen. Die Nuten mit parallel verlaufenden Nutflanken führen zur Ausbildung von Zähnen, die im Wesentlichen sektorförmig sind. Die Zähne weisen Zahnflanken auf, die nicht parallel, sondern schräg zueinander verlaufen. Der Verlauf der Zahnflanken ist annähernd radial.
Zur Herstellung des Stators wird vorzugsweise ein Elektroblech mit einer Dicke von 0,25 mm bis 0,50 mm, beispielsweise mit einer Dicke von 0,35 mm, verwen det. Hierbei handelt es sich um übliche Dicken von Elektroblechen, so dass de ren Verfügbarkeit gesichert ist. Von der Dicke des Elektroblechs, der Dicke der Beschichtung und der Anzahl der Lagen hängt später der Außendurchmesser des Stators ab.
Darüber hinaus wird ein Stator für eine Axialflussmaschine vorgeschlagen. Der vorgeschlagene Stator weist mehrere Lagen eines gewickelten und mit Backlack verbackenen Elektroblechs auf, die von radial verlaufenden Nuten zur Ausbil dung von Zähnen unterbrochen werden. Das heißt, dass der gesamte Stator aus einer Wicklung hergestellt ist, so dass die Höhe des gewickelten Elektroblechs der Höhe des Stators entspricht. Die Höhe der Wicklung bzw. des Stators kann beispielsweise 15 mm bis 40 mm betragen.
Der vorgeschlagene Stator ist einfach und kostengünstig herstellbar, insbesonde re, wenn er nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren her gestellt wird. Die Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermög licht zudem kleine Baugrößen mit reduziertem Innendurchmesser, die bislang nur in einem Sinterprozess hergestellt werden konnten. Der Innendurchmesser eines erfindungsgemäßen Stators kann beispielsweise 10 mm bis 40 mm betragen.
Ferner wird eine Axialflussmaschine mit einem erfindungsgemäßen Stator vorge schlagen. Das heißt, dass die Axialflussmaschine einen gewickelten Stator um fasst, der gegenüber einem gesinterten Stator eine höhere Permeabilität aufweist und somit zu geringeren magnetischen Verlusten führt. Da der erfindungsgemä ße Stator aufgrund der möglichen geringen Baugröße einen geringen Bauraum bedarf hat, kann auch die Axialflussmaschine entsprechend klein ausgelegt wer- den. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Axialflussmaschine in einer mo bilen Anwendung zum Einsatz gelangt, beispielsweise als Antrieb eines Rezirku- lationsgebläse in einem Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher er läutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stators und Fig. 2 einen Querschnitt durch den Stator der Fig. 1.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der in der Fig. 1 dargestellte Stator 1 ist nach dem erfindungsgemäßen Verfah ren hergestellt und weist ein Statorjoch 7 mit einer zentralen Öffnung 8 sowie auf dem Statorjoch 7 um die Öffnung 8 herum angeordnete Zähne 5 auf. Die Zäh ne 5 werden von radial verlaufenden Nuten 4 getrennt, die parallel verlaufende Nutflanken 6 aufweisen.
Wie insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist, die einen Querschnitt durch den Stator 1 im Bereich des Statorjochs 7 zeigt, besteht der Stator 1 aus einem gewi ckelten Elektroblech 2 bzw. einer Wicklung 3. Vorliegend wurde ein 0,35 mm starkes Elektroblech 2 verwendet, das vor dem Wickeln einseitig mit Backlack beschichtet worden ist. Über den Backlack, der nach dem Wickeln des Elektrob- lechs 2 erwärmt wurde, werden die mehreren Lagen des Elektroblechs 2 unterei nander verklebt. Die Verklebung ist derart fest, dass beim anschließenden Frä sen der Nuten 4 die Wicklung 3 nicht aufgefächert ist.
Zum Wickeln des dargestellten Stators 1 wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Dorn verwendet. Der Dorn besaß einen Außendurchmesser Di, der dem Innendurchmesser D2 des Stators 1 entspricht. Auf den Dorn wurde ein Elektroblech 2 in Form eines Streifens gewickelt. Die Höhe des Streifens Hi ent spricht der Höhe H2 des Stators 1.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Stators (1) für eine Axialflussmaschine, bei dem ein Elektroblech (2) verwendet wird, das gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroblech (2) vor dem Wickeln, vorzugs weise einseitig, mit einem Backlack beschichtet wird, das mit Backlack beschich tete Elektroblech (2) auf einen Dorn aufgewickelt wird und anschließend das ge wickelte und mit Backlack beschichtete Elektroblech (2) unter Wärmeeinwirkung mit Hilfe des Backlacks verbacken wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Dornaußendurchmesser (Di) der In nendurchmesser (D2) des herzustellenden Stators (1) vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektroblech (2) in Form eines Streifens verwendet wird, dessen Höhe (Hi) der Höhe (H2) des herzustellenden Stators (1) entspricht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Wickeln und vor dem Verbacken das freie Ende des Elektroblechs (2) mit der Wicklung (3) stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt, wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbacken des gewickelten und mit Back lack beschichteten Elektroblechs (2) ein Temperaturofen verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verbacken des gewickelten und mit Backlack beschichteten Elektroblechs (2) radial verlaufende Nuten (4) zur Aus- bildung von Zähnen (5) in den gewickelten Stator (1) geschnitten oder gefräst werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass radial verlaufende Nuten (4) mit parallel verlau fenden Nutflanken (6) in den gewickelten Stator (1) geschnitten oder gefräst wer den.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektroblech (2) mit einer Dicke von
0,25 mm bis 0,50 mm, beispielsweise mit einer Dicke von 0,35 mm, verwendet wird.
9. Stator (1) für eine Axialflussmaschine, wobei der Stator (1) mehrere Lagen eines gewickelten und mit Backlack verbackenen Elektroblechs (2) aufweist, die von radial verlaufenden Nuten (4) zur Ausbildung von Zähnen (5) unterbrochen werden.
10. Axialflussmaschine mit einem Stator (1) nach Anspruch 9.
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