DE102006050166A1

DE102006050166A1 - Stator in einem Elektromotor

Info

Publication number: DE102006050166A1
Application number: DE200610050166
Authority: DE
Inventors: Guenter Kastinger; Achim Hawighorst
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2008-04-30
Also published as: EP2084805A2; WO2008049721A2; WO2008049721A3

Abstract

Ein Stator in einem Elektromotor weist ein als Hohlkörper ausgebildetes Statorteil mit einem Aufnahmeraum zur Aufnahme eines rotierenden Ankers auf, wobei die Wandung des Statorteils aus magnetisch leitfähigem Material besteht und mindestens einen Magneten aufweist. Der Statorteil ist als Sinterbauteil gefertigt und besteht zumindest abschnittsweise aus weichmagnetischem Sinterwerkstoff.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator in einem Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
In der US 4,973,871 wird ein als permanenterregter Gleichstrommotor ausgeführter Elektromotor beschrieben, dessen Stator topfförmig ausgebildet ist und einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines rotierend gelagerten Ankers aufweist. An den Statorinnenwänden sind gegenüberliegend zwei gegenpolige Permanentmagnete angeordnet. In Umfangsrichtung weist der Stator eine nicht-runde Querschnittsform auf, wobei die Wandungen des Stators im Bereich der Magnete den Querschnitt reduzierende Abflachungen besitzen und in den übrigen Bereichen mit konstantem Wandquerschnitt ausgebildet sind.
Derartige Statoren sind regelmäßig aus magnetisch leitfähigem Material gefertigt, das den von den Permanentmagneten ausgehenden magnetischen Fluss durch die Wandung des Stators verstärkt. In den Abschnitten mit reduzierter Wandstärke wird eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte erreicht. Die Abschnitte mit größerer Wandstärke zwischen den Magneten stellen sicher, dass der magnetische Fluss aufrechterhalten bleibt.
Diese Statoren sind üblicherweise als tief gezogener Statortopf ausgeführt, der nach dem Tiefziehen einer spanenden Bearbeitung unterzogen wird, um die gewünschte Wandstärkenreduzierung in Höhe der anzubringenden Magnete zu erreichen. Alternativ zu tief gezogenen Statorteilen können auch gerollte Statorteile eingesetzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Stators unter Berücksichtigung konstruktiver Vorgaben oder Gegebenheiten in einem Elektromotor zu vereinfachen, wobei die magnetische Flussdichte nicht beeinträchtigt sein soll. Zweckmäßig soll auch das Gewicht eines Stators reduziert sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Erfindungsgemäß ist das Statorteil als Sinterbauteil gefertigt und besteht zumindest abschnittsweise aus einem weichmagnetischen Sinterwerkstoff, der den magnetischen Fluss in Umfangsrichtung durch die Wandung des Statorteiles zwischen den Polen des Magenten bzw. zwischen den mehreren Magneten sicherstellt. Das Statorteil kann im Sinterverfahren hergestellt werden, wobei Anpassungen an konstruktive Gegebenheiten bzw. physikalische Zielsetzungen leicht durchführbar sind. Beispielsweise kann zur Einsparung von Material und Gewicht die Wandstärke – in Umfangsrichtung gesehen – des Statorteils zumindest abschnittsweise reduziert sein, ohne den magnetischen Fluss zu beeinträchtigen. Vielmehr kann diese Maßnahme sogar zur Verbesserung des magnetischen Flusses durch die Wandung des Statorteiles beitragen, da die Gesamtwandstärke in Radialrichtung im Bereich der Magnete aufgrund der reduzierten Wandstärke des Statorteiles annähernd gleich gestaltet werden kann wie in den Bereichen außerhalb der Magnete.
Das Statorteil kann im Sinterverfahren mit hohen Maßgenauigkeiten bzw. entsprechend geringen Toleranzen hergestellt werden. Außerdem ist es möglich, Befestigungsmaßnahmen wie zum Beispiel Schultern, Haken oder dergleichen an der Wandung des Sinterbauteiles vorzusehen, beispielsweise um die Ausrichtung und Positionierung des Statorteiles an ein sich anschließendes Getriebe oder den Statordeckel zu ermöglichen bzw. zu erleichtern. Möglich ist auch, die Halterung beispielsweise an der Karosserie zu integrieren. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die konstruktive Ausgestaltung des Statorteils so gewählt werden kann, dass Schwingungen und damit auch Geräusche gut gedämpft werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung bestehen verschiedene Abschnitte des Statorteils aus unterschiedlichen Sinterwerkstoffen, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden. So ist es insbesondere möglich, verschiedene Abschnitte im Statorteil aus Sinterwerkstoffen mit weichmagnetischen und mit hartmagnetischen Eigenschaften zu fertigen. Die Abschnitte aus weichmagnetischem Sinterwerkstoff befinden sich hierbei vorteilhaft im Bereich zwischen den Magneten, die Abschnitte aus hartmagnetischem Sinterwerkstoff bilden dagegen zweckmäßig die Magnete, was den Vorteil aufweist. Hierbei kommen verschiedene Ausführungen in Betracht: zum einen können das Statorteil und die Magnete als separate Bauteile aus weichmagnetischem bzw. hartmagnetischem Sinterwerkstoff hergestellt werden, die anschließend in einem darauf folgenden Arbeitsschritt zusammengefügt, insbesondere zusammengebacken und durch Diffusion miteinander verbunden werden. Die Magnete befinden sich dabei auf der Innenseite des weichmagnetischen Statorteils und die Verbindung zwischen der Innenwand des Statorteils und den Magneten erfolgt durch Diffusion, was den Vorteil hat, dass kein störender Luftspalt zwischen Innenwand und Magnet liegt, wodurch auch magnetische Streuverluste reduziert werden. Außerdem werden Schwingungen der Magnete und daraus resultierende Geräuschentwicklungen vermieden.
Zum andern können in einem gemeinsamen Arbeitsschritt weichmagnetische und hartmagnetische Sinterwerkstoffe als Pulver in verschiedenen Abschnitten des Statorteils verteilt und anschließend durch Erhitzen gebacken werden. In diesem Fall bilden Statorteil und Magnete ein einteiliges Bauteil.
In den beiden vorgenannten Ausführungen bestehen die Magnete jeweils aus hartmagnetischem Sinterwerkstoff. Es ist auch möglich, zusätzliche Magnete vorzusehen, die gegebenenfalls aus einem anderen Material gefertigt sind. Darüber hinaus kann auch ein aus weichmagnetischem Sinterwerkstoff bestehendes Statorteil mit Magneten versehen werden, die ausschließlich aus anderen als Sinterwerkstoffen gefertigt sind.
Die weichmagnetischen Abschnitte im Statorteil ermöglichen einen gewünschten magnetischen Fluss in Umfangsrichtung zwischen den Polen der Magnete. Zur Herstellung des Statorteils aus zwei unterschiedlichen Sinterwerkstoffen werden diese in verschiedenen Abschnitten bzw. Bereichen in ein Werkzeug gefüllt, welches dem Statorteil die Form gibt, wobei im anschließenden Sinterprozess das fertige und endgültige Bauteil aus den verschiedenen Sinterwerkstoffen entsteht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Stator mindestens zweiteilig aufgebaut und umfasst ein radial inneres Statorteil, das von einem äußeren Statorteil radial umgriffen ist. Die Statorteile können in einer Ausführungsvariante aus gleichem Sinterwerkstoff bzw. in gleicher Weise aus zwei oder mehreren Sinterwerkstoffen bestehen. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann es aber auch zweckmäßig sein, das äußere und das innere Statorteil aus sich unterscheidenden Sinterwerkstoffen herzustellen. Die Variante mit zwei Statorteilen hat den Vorteil, dass zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten bestehen. So ist es beispielsweise möglich, dass nur eines der Statorteile in Umfangsrichtung eine wechselnde Wandstärke aufweist, wohingegen das zweite Statorteil mit konstanter Wandstärke ausgebildet ist. Alternativ hierzu ist es aber möglich, beide Statorteile in Umfangsrichtung mit wechselnden Wandstärken zu versehen.
Es ist zweckmäßig, die äußere Mantelfläche des Statorteils im Falle wechselnder Wandstärken so zu gestalten, dass keine Sprünge im Verlauf und in der ersten Ableitung gegeben sind, dass also die Übergänge zwischen Abschnitten verjüngter und verstärkter Wandstärken kontinuierlich und frei von Sprüngen erfolgen. Dies gilt sowohl für die Ausführung des Stators mit nur einem Statorteil als auch in der Ausführung mit zwei oder mehreren Statorteilen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 im Querschnitt einen Stator eines als Kleinmotor ausgeführten Elektromotors, wobei der Stator ein ring- bzw. zylindrisches Statorteil aufweist, an dessen Innenwand zwei gegenüberliegende, gegenpolige Permanentmagnete angeordnet sind und die Wandstärke des Statorteiles sich in Umfangsrichtung verändert,
2 einen Stator in alternativer Ausführung mit insgesamt vier an der Innenseite des Statorteiles positionierten Permanentmagneten,
3 einen Längsschnitt durch einen Stator eines kleinmotorischen Elektromotors mit zylindrischem Statorteil, das an beiden Stirnseiten offen ist,
4 eine 3 entsprechende Darstellung, jedoch mit einem topfförmigen Statorteil, welcher an einer Stirnseite geschlossen ist.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Der in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen dargestellte Stator 1 ist Bestandteil eines als Kleinmotor ausgeführten Elektromotors, bei dem es sich insbesondere um einen permanenterregten Gleichstrommotor handelt, welcher in Hilfseinrichtungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, beispielsweise zur Betätigung von Schiebedächern, Fensterhebern, Scheibenwischern oder dergleichen.
Wie 1 zu entnehmen, umfasst der Stator 1 ein ring- bzw. hülsenförmiges Statorteil 2, das einen inneren Aufnahmeraum 5 zur Aufnahme eines drehbar gelagerten Ankers des Elektromotors aufweist. An den Innenwänden des Statorteils 2 sind auf gegenüberliegenden Seiten zwei gegenpolige Permanentmagnete 3 und 4 angeordnet. Die Permanentmagnete 3 und 4 weisen die gleiche Krümmung auf wie der Innenmantel des Statorteils 2 und liegen spielfrei unmittelbar an der Innenwand an.
Die Wandstärke des Statorteils 2 ist in Umfangsrichtung veränderlich ausgebildet. Im Bereich der Magnete 3 und 4 ist die Wandstärke geringer, im zwischen liegenden Bereich zwischen den Magneten ist die Wandstärke größer. Dadurch ergibt sich eine elliptische äußere Mantelfläche, wohingegen der Innenmantel zylindrisch ausgeführt ist. Das Winkelsegment, über das sich jeder Permanentmagnet 3 bzw. 4 erstreckt, beträgt beispielhaft größer als 90°, jedoch kleiner als 120°. Der Übergang zwischen den geringeren Wandstärken zu den größeren Wandstärken verläuft kontinuierlich und frei von Sprüngen.
Der Werkstoff, aus dem das Statorteil 2 besteht, ist ein Sinterwerkstoff, entsprechend wird das Statorteil 2 im Sinterverfahren hergestellt. Als Sinterwerkstoff kommen insbesondere weichmagnetische Metallpulver in Betracht, insbesondere ferromagnetische Sinterwerkstoffe auf der Basis von Eisen, Kobalt oder Nickel oder sonstigen Metallen. Der weichmagnetische Werkstoff besitzt den Vorteil, dass dieser den magnetischen Fluss durch die Wandung des Statorteils 2 in Umfangsrichtung besonders gut leitet. Der weichmagnetische Sinterwerkstoff kann in einem Magnetfeld magnetisiert werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante besteht das gesamte Material des Statorteils 2 aus einem einheitlichen, weichmagnetischen Sinterwerkstoff. Die Magnete 3, 4 sind aus hartmagnetischem Sinterwerkstoff hergestellt und werden als Halbzeug mit dem Statorteil 2 verbacken und dadurch mit dem Statorteil spielfrei zusammengefügt.
Gemäß einer alternativen Ausführung kann es aber auch zweckmäßig sein, verschiedene Abschnitte im Statorteil aus unterschiedlichen Sinterwerkstoffen zu fertigen, insbesondere die Winkelsegmente, an denen sich die Permanentmagnete 3 und 4 befinden, aus einem hartmagnetischen Sinterwerkstoff zu fertigen und die zwischen liegenden Bereiche aus weichmagnetischem Sinterwerkstoff. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass der hartmagnetische Sinterwerkstoff dauermagnetische Eigenschaften besitzt; in diesem Fall bilden Statorteil 2 und die Magnete 3 und 4 ein gemeinsames, einteiliges Bauteil. Zusätzliche Magnete können zwar vorgesehen sein, sie sind aber nicht zwingend erforderlich.
Bei dem in 2 dargestellten Stator 1 sind insgesamt vier über den Umfang auf der Innenseite des Statorteils 2 gleichmäßig verteilte Magnete 3, 4, 6 und 7 vorgesehen, wobei die Wandstärke des Statorteils 2 im Winkelsegment eines Magneten geringer ist und im Winkelsegment zwischen zwei benachbarten Magneten vergrößert ist. Die äußere Mantelfläche des Statorteils 2 weist zur Realisierung der sich in Umfangsrichtung ändernden Wandstärken konvexe und konkave Abschnitte auf. Das Statorteil 2 ist in gleicher Weise wie bei den übrigen, dargestellten Ausführungsbeispielen als gesintertes Bauteil gefertigt.
Wie 3 zu entnehmen, kann das Statorteil 2 als Hohlzylinder ausgebildet sein, der an beiden axialen Stirnseiten offen ist. Im Unterschied hierzu ist beim Ausführungsbeispiel nach 4 das Statorteil 2 topfförmig ausgeführt, an der geschlossenen axialen Stirnseite befindet sich einteilig mit der Wandung des Statorteiles ausgebildet ein Lager 8 zur Lagerung des Ankers des Elektromotors.

Claims

Stator in einem Elektromotor, insbesondere einem permanenterregten Gleichstrommotor, insbesondere in Hilfseinrichtungen in Kraftfahrzeugen, mit einem als Hohlkörper ausgebildeten Statorteil (2), der einen Aufnahmeraum (5) zur Aufnahme eines rotierenden Ankers aufweist, wobei die Wandung des Statorteils (2) aus magnetisch leitfähigem Material besteht und mindestens einen Magneten (3, 4, 6, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorteil (2) als Sinterbauteil gefertigt ist und zumindest abschnittsweise aus weichmagnetischem Sinterwerkstoff besteht.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorteil (2) in Umfangsrichtung gesehen im Bereich außerhalb des Magneten (3, 4, 6, 7) aus weichmagnetischem Sinterwerkstoff besteht.
Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorteil (2) Abschnitte aus verschiedenen Sinterwerkstoffen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften aufweist.
Stator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorteil (2) abschnittsweise aus weichmagnetischem und aus hartmagnetischem Sinterwerkstoff besteht.
Stator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Magnet (3, 4, 5, 6, 7) von einem Abschnitt aus hartmagnetischem Sinterwerkstoff gebildet ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorteil (2) in Umfangsrichtung eine wechselnde Wandstärke aufweist, wobei die Wandstärke im Bereich des Magneten (3, 4, 6, 7) verjüngt und im Bereich außerhalb des Magneten (3, 4, 6, 7) mindestens abschnittsweise verstärkt ausgebildet ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1) mindestens zweiteilig mit einem inneren und einem äußeren Statorteil (2) aufgebaut ist.
Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Statorteile (2) in Umfangsrichtung eine wechselnde Wandstärke aufweist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorteil (2) in Umfangsrichtung abwechselnd konvex und konkav geformte Abschnitte aufweist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff ein ferromagnetisches Metallpulver ist.
Verfahren zur Herstellung eines Stators nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Arbeitsschritt das Statorteil (2) und mindestens ein Magnet (3, 4, 6, 7) als separate Bauteile aus weichmagnetischem bzw. hartmagnetischem Sinterwerkstoff hergestellt und in einem zweiten Arbeitsschritt Statorteil (2) und Magnet (3, 4, 6, 7) zusammengefügt, insbesondere zusammengebacken werden.
Verfahren zur Herstellung eines Stators nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem gemeinsamen Arbeitsschritt weichmagnetische und hartmagnetische Sinterwerkstoffe als Pulver in verschiedenen Abschnitten des Statorteils verteilt und anschließend durch Erhitzen gebacken werden.