DE102008055818A1

DE102008055818A1 - Statorkern einer rotierenden elektrischen Maschine und Herstellverfahren

Info

Publication number: DE102008055818A1
Application number: DE102008055818A
Authority: DE
Inventors: Alan G. Clarkston Holmes
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2009-06-18
Also published as: US20090113696A1; CN101431279B; CN101431279A; US7845065B2

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Motorstatorkerns mit einem Rückeisen und einer Vielzahl von Zähnen, die sich von dem Rückeisen weg radial nach innen erstrecken, umfasst, dass die Vielzahl von Zähnen und das Rückeisen aus einem ausgerichteten Stahl derart bereitgestellt werden, dass ein Magnetflussübertragungspfad mit besseren Eigenschaften im Wesentlichen in eine Richtung gebildet wird. Mindestens einer der Vielzahl von Zähnen und das Rückeisen werden an gewählten Abschnitten geglüht, um eine Magnetflussübertragung in eine zweite Richtung zu verbessern, die sich von der einen Richtung unterscheidet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Verfahren zur Herstellung von Motorstatorkernen.
HINTERGRUND
Motorkerne werden gewöhnlich aus Stahlmaterialblechen hergestellt, welche ausgerichtet oder nicht ausgerichtet sein können. Ausgerichteter Stahl weist in der Richtung, in welche der Stahl gezogen oder gewalzt wurde, ausgerichtete oder anisotrope Eigenschaften auf, wodurch er über bessere magnetische Eigenschaften in dieser Walzrichtung verfügt. Andererseits weist ausgerichteter Stahl in die anderen Richtungen, die zur Walzrichtung quer verlaufen, schlechtere Eigenschaften auf. Da Statorkerne von Motoren rund sind und einen Fluss aufweisen, der in den Zähnen (radiale Richtung) und dem Rückeisen (um den Umfang herum) in rechtwinklige Richtungen fließt, unterstützt die Verwendung von ausgerichtetem Stahl die Magnetflussübertragung in einem Gebiet des Stators, aber sie schadet in einem anderen Gebiet des Stators genauso viel, sodass ihr Gesamteffekt normalerweise Null beträgt. Daher verwenden fast alle Motoren einen nicht ausgerichteten Stahl.
Bei nicht ausgerichtetem Stahl wird der Stahl typischerweise in eine Richtung gewalzt und unter Verwendung von Stanzformen zu der gewünschten Gestalt ausgestanzt. In vielen Fällen wird das gesamte Werkstück dann geglüht, um irgendwelche zufälligen Richtungseigenschaften aufgrund des Walzens und Stanzens zu entfernen. Als Folge fließt der Magnetfluss bei Motoren, die aus einem nicht ausgerichteten Stahl hergestellt sind, durch den Stahl in jede Richtung einigermaßen gut, wobei keine Flussrichtung besser oder schlechter als eine andere Flussrichtung ist.
Es wäre jedoch wünschenswert, einen Motorstator zu schaffen, der die Vorteile sowohl von ausgerichtetem als auch von nicht ausgerichtetem Stahl nutzt, um bei einigen Gebieten des Stators die effizientere Magnetflussübertragung zu erhalten, ohne die Magnetflussübertragung in einer Richtung, die quer zu diesen Gebieten verläuft, zu verschlechtern.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zur Herstellung eines Motorstatorkerns mit einem Rückeisen und einer Vielzahl von Zähnen, die sich von dem Rückeisen weg radial nach innen erstrecken, umfasst, dass die Vielzahl von Zähnen und das Rückeisen aus einem ausgerichteten Stahl so geschaffen werden, dass ein Magnetflussübertragungspfad mit besseren Eigenschaften im Wesentlichen in eine Richtung ausgebildet wird. Mindestens einer der Vielzahl von Zähnen und das Rückeisen wird an ausgewählten Abschnitten so geglüht, dass die Magnetflussübertragung in eine zweite Richtung verbessert wird, die sich von der einen Richtung unterscheidet, wie etwa die Richtung, die rechtwinklig zu der einen Richtung verläuft.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Querschnittsansicht eines Zahns und eines Abschnitts eines Rückeisens eines segmentierten Stators ist, der gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde;
2 eine Querschnittsansicht eines Statorkerns ist, der gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde; und
3 eine Querschnittsansicht eines Statorkerns ist, der gemäß einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.
GENAUE BESCHREIBUNG
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen das Gezeigte nur zur Veranschaulichung gewisser beispielhafter Ausführungsformen und nicht zur Beschränkung derselben gedacht ist, zeigt 1 einen segmentierten Motorstatorkern, der gemäß des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde. Ein segmentierter Statorkern wird typischerweise bei kleinen Motoren verwendet, weil die Drähte vor einem Zusammenbau zu einem kreisförmigen Stator sehr eng um die einzelnen Segmente herum gewickelt werden können. Zuerst wird der Stahl in eine erste Richtung gewalzt und die einzelnen Zähne 10 und die Rückeisenabschnitte 12 werden so ausgestanzt, dass der Magnetflussübertragungspfad in beiden Abschnitten in eine Längsrichtung verlaufen würde, wie durch die Pfeile mit zwei Spitzen von 1 gezeigt ist. Dann wird jeder der Zähne mit den Rückeisenabschnitten über einen Schweißvorgang so gekoppelt, dass der Magnetflussübertragungspfad der Zähne rechtwinklig zu dem Magnet flussübertragungspfad des Rückeisens verläuft, wobei sich dazwischen eine Region aus geglühtem, nicht ausgerichtetem Stahl 13 (z. B. geschweißt) befindet. Sobald die einzelnen Segmente zusammengebaut sind, wird der Statorkern 14 die Magnetflussübertragungspfade mit besseren Eigenschaften in die Richtungen aufweisen, wie in 2 gezeigt ist.
Mit Bezug nun auf 3 ist ein Motorstatorkern gezeigt, der aus einem durchgehenden kreisförmigen Stator hergestellt ist, welcher eine Vielzahl von Zähnen 10 umfasst, die sich von dem durchgehenden Rückeisen 12 weg radial nach innen erstrecken. Bei dieser Anwendung wird der Stator aus einem Stahl gestanzt, der in eine Richtung gewalzt ist. Es ist schwieriger, diesen Statortyp zu verbessern, weil die magnetischen Eigenschaften des ausgerichteten Stahls entlang eines jedes Blechs in eine Richtung verlaufen. Bei einer Ausführungsform wird ein Abschnitt der Zähne 10 geglüht, um die Ausrichtungseigenschaften zu entfernen, wie etwa bei den Positionen 12 Uhr und 6 Uhr. Abschnitte des Rückeisens 12 werden bei Gebieten geglüht, die rechtwinklig zu den geglühten Zähnen 10 verlaufen, wie etwa bei den Positionen 3 Uhr und 9 Uhr. Ein weiterer Abschnitt der Zähne 10 wird nicht geglüht, wie etwa bei den Positionen 3 Uhr und 9 Uhr. Weitere Abschnitte des Rückeisens werden nicht geglüht, wie etwa die Positionen 12 Uhr und 6 Uhr. Die Zähne und das Rückeisen, die sich in den Positionen befinden, die nicht bereits beschrieben sind, werden dann ein Glühen bis zu einem gewissen Zwischengrad erhalten.
Dieses Glühen der Zähne und des Rückeisens bei gewählten Abschnitten wird die Magnetflussübertragung in dem Kern des zusammengebauten Motors bei den geglühten Abschnitten verbessern, weil vor dem Glühen die bessere Magnetflussrichtung in dem ausgerichteten Material vor dem Glühen im Wesentlichen nicht bei allen Stellen um den Stator herum mit dem Magnetfluss ausgerichtet ist, der bei einem normalen Betrieb entwickelt wird.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform kann der Statorkern in einem versetzten Muster gestapelt sein, wobei sich die geglühten Abschnitte an einem vorbestimmten Winkel zwischen jedem Blech oder jeder Gruppe derselben in dem Stapel befinden, wie etwa 120 Grad. In diesem Fall wäre jedes Merkmal des gestapelten Statorkerns, wie etwa ein gegebener Zahn 10, teilweise aus einem Kernmaterial mit der Ausrichtung nach der nützlichsten Richtung oder in die Nähe derselben und teilweise aus Material, das geglüht wurde und daher keine Ausrichtung aufweist, zusammengesetzt. Somit könnten gemäß dieser Ausführungsform der Offenbarung die magnetischen Eigenschaften des zusammengebauten Statorkerns gegenüber einem Statorkern verbessert werden, der vollständig aus einem nicht ausgerichteten Material zusammengesetzt ist.
Das Glühen des durchgehenden Stators kann durch Aufbringen von Energie an die selektiven Abschnitte erfolgen. Bei einem ersten Verfahren kann Energie, wie etwa Wärme, unvermittelt auf selektive Abschnitte des Stators aufgebracht werden, um ihn deutlich über die Schwellenwerttemperatur für das Glühen zu erwärmen, sodass das Glühen relativ schnell stattfindet, und dann die selektiven Abschnitte gekühlt werden, bevor die Temperatur des Rests des Stators auf die Glühtemperatur angestiegen ist. Alternativ kann die Energie auf die selektiven Abschnitte aufgebracht werden, während gleichzeitig die nicht selektiven Abschnitte gekühlt werden, um einen im Wesentlichen stationären Temperaturgradienten in dem Stator für den Glühprozess herzustellen, sodass sich ein Teil des Stators über der Glühtemperatur befindet und ein Teil des Stators unter der Glühtemperatur.
Durch ein selektives Glühen von Abschnitten des Statorkerns an Stellen, an denen Ausrichtungseigenschaften der Gesamtleistung des Motors entgegenwirken, wie etwa bei dem Rückeisen, während aus die Ausrichtungseigenschaften dort intakt gelassen werden, wo sie die Gesamtleitung des Motors unterstützen, wie etwa bei den Zähnen, werden daher die Kernverluste verringert, während der Wirkungsgrad verbessert wird.
Kernverluste können verwendet werden, um Energie auf den Statorkern selektiv aufzubringen. Das Aufbringen eines starken schwankenden oder wechselnden Magnetfelds auf den Statorkern mit einem ähnlichen Magnetflussmuster, wie es der Motor bei einem normalen Betrieb entwickeln würde, wird bei Abschnitten des Statorkerns, bei denen Ausrichtungseigenschaften des ausgerichteten Stahls bei einem normalen Betrieb gegen die Gesamtleistung des Motors wirken würden, größere Verluste und damit eine größere aufgebrachte Wärme verursachen. Das heißt, dass ein sich schnell verändernder Magnetfluss, der um das Rückeisen herum wandert, welchen der Stator bei einem normalen Betrieb entwickeln wird, die größte Erwärmung immer dort verursachen wird, wo in dem Rückeisen die bessere Richtung für die Magnetflussübertragung quer zu dem Fluss verläuft. Dieser Wärmegradient wird nutzbringend verwendet, um selektiv diejenigen Abschnitte zu glühen, bei denen die Erwärmung am größten ist (d. h. Abschnitte, bei denen die Flussübertragung am wenigsten effizient ist).

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Statorkerns einer rotierenden elektrischen Maschine, der ein Rückeisen und eine Vielzahl von Zähnen aufweist, welche sich von dem Rückeisen weg radial nach innen erstrecken, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Motorstatorkern bereitgestellt wird, dessen Vielzahl von Zähnen und Rückeisen aus einem ausgerichteten Stahl derart hergestellt sind, dass ein Magnetflussübertragungspfad mit besseren magnetischen Eigenschaften im Wesentlichen in eine Richtung ausgebildet wird; und mindestens einer der Vielzahl von Zähnen und das Rückeisen bei ausgewählten Abschnitten geglüht werden, um die Magnetflussübertragung in eine zweite Richtung zu verbessern, die sich von der einen Richtung unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen des Motorstatorkerns umfasst, dass eine Vielzahl von Segmenten bereitgestellt wird, wobei jedes Segment aus einem Zahn und einem Abschnitt des Rückeisens besteht, jeder Zahn aus einem ausgerichteten Stahl so hergestellt ist, dass er einen Magnetflussübertragungspfad im Wesentlichen in eine Längsrichtung aufweist, und jeder Abschnitt des Rückeisens aus einem ausgerichteten Stahl so hergestellt ist, dass er einen Magnetflussübertragungspfad im Wesentlichen in eine Längsrichtung aufweist, und wobei das Glühen mindestens eines der Vielzahl von Zähnen und des Rückeisens umfasst, dass ein Abschnitt geglüht wird, bei dem jeder der Vielzahl von Zähnen mit dem Abschnitt des Rückeisens so verbunden wird, dass der Magnetflussübertragungspfad mit besseren Eigenschaften eines jeden der Zähne rechtwinklig zu dem Magnetflussübertragungspfad mit besseren Eigenschaften eines jeden der Abschnitte des Rückeisens verläuft.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Glühen jedes der Zähne mit jedem der Abschnitte des Rückeisens umfasst, dass jeder der Zähne an jeden der Abschnitte des Rückeisens geschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen des Motorstatorkerns umfasst, dass ein durchgehender kreisförmiger Stator bereitgestellt wird, und wobei das Glühen mindestens eines der Vielzahl von Zähnen und des Rückeisens umfasst, dass: ein Abschnitt der Vielzahl von Zähnen so geglüht wird, dass die besseren Eigenschaften des Magnetflussübertragungspfads in die eine Richtung entfernt werden; und ein Abschnitt des Rückeisens in einem Gebiet, das rechtwinklig zu den geglühten Abschnitten der Vielzahl von Zähnen verläuft, so geglüht wird, dass die besseren Eigenschaften des Magnetflussübertragungspfads in die eine Richtung entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst, dass: die durchgehenden kreisförmigen Statoren so gestapelt werden, dass die geglühten Abschnitte der Zähne und des Rückeisens um einen vorbestimmten Winkel zueinander versetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Glühen der Abschnitte der Vielzahl von Zähnen und der Abschnitte des Rückeisens umfasst, dass Energie auf die Abschnitte aufgebracht wird, indem ein sich schnell änderndes Magnetfeld verwendet wird, das im Wesentlichen die gleiche Magnetflussrichtung aufweist, welche der zusammengebaute Motor im Betrieb entwickeln wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Glühen der Abschnitte umfasst, dass Wärme bei einer hohen Temperatur auf die Abschnitte aufgebracht wird, wonach die Abschnitte gekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Glühen der Abschnitte umfasst, dass Wärme auf diese Abschnitte aufgebracht wird, während gleichzeitig die anderen Abschnitte des Stators, bei denen die ausgerichteten Eigenschaften beibehalten werden sollen, gekühlt werden.
Statorkernblech für eine rotierende elektrische Maschine, das einen umlaufenden ringförmigen Rückeisenabschnitt und Zähne, die sich von dem Rückeisenabschnitt weg radial nach innen erstrecken, umfasst, wobei die Verbesserung umfasst, dass: die Zähne radial anisotrop sind.
Statorkernblech für eine rotierende elektrische Maschine, das einen umlaufenden ringförmigen Rückeisenabschnitt und Zähne, die sich radial nach innen von dem Rückeisenabschnitt weg erstrecken, um fasst, wobei die Verbesserung umfasst, dass: der Rückeisenabschnitt durch anisotrope Regionen und isotrope Regionen gekennzeichnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Statorkernblechs einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Blech, das ein Rückeisen und Zähne umfasst, aus einem ausgerichteten Stahl ausgestanzt wird; und ein Zahn und/oder ein gewählter Abschnitt des Rückeisens selektiv geglüht wird bzw. werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das selektive Glühen umfasst, dass ausgewählte Zähne und Abschnitte des Rückeisens geglüht werden, die eine Ausrichtung vor dem Glühen aufweisen, welche im Wesentlichen nicht nach einem lokalen Magnetfluss ausgerichtet ist, der in dem Statorkern während des Betriebs der elektrischen Maschine erzeugt werden soll.