DE102009047454A1

DE102009047454A1 - Elektromotor sowie Verfahren zur Herstellung eines Stators

Info

Publication number: DE102009047454A1
Application number: DE200910047454
Authority: DE
Inventors: Werner Hangmann
Original assignee: Hanning Elektro Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Hanning Elektro Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-06-09
Also published as: WO2011066815A2; WO2011066815A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor für den Betrieb einer Pumpe, insbesondere einer Entleerungspumpe, mit einem zylinderförmigen Trennkörper, der innenseitig über einen Luftspalt beabstandet zu einem Rotor angeordnet und außenseitig mit einem Stator verbunden ist, wobei der Stator von einem Spulenkörper umgebene Polschenkel aufweist, die über einen in radialer Richtung inneren Rand mit dem zylinderförmigen Trennkörper einerseits und über einen in radialer Richtung äußeren Rand mit einem koaxial zu dem zylinderförmigen Trennkörper angeordneten Polring andererseits verbunden sind, wobei der innere Rand der Polschenkel formschlüssig oder stoffschlüssig mit dem zylindrischen Trennkörper verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor für den Betrieb einer Pumpe, insbesondere einer Entleerungspumpe, mit einem zylinderförmigen Trennkörper, der innenseitig über einen Luftspalt beabstandet zu einem Rotor angeordnet und außenseitig mit einem Stator verbunden ist, wobei der Stator von einem Spulenkörper umgebene Polschenkel aufweist, die über einen in radialer Richtung inneren Rand mit dem zylinderförmigen Trennkörper einerseits und über einen in radialer Richtung äußeren Rand mit einem koaxial zu dem zylinderförmigen Trennkörper angeordneten Polring andererseits verbunden sind.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für einen Elektromotor, wobei Spulenkörper auf Polschenkel aufgebracht werden und wobei zum einen ein innerer Rand des Polschenkels mit einem zylindrischen Trennkörper und zum anderen ein äußerer Rand des Polschenkels mit zumindest einen Teil eines Polringes verbunden wird.
Aus der DE 20 2009 003 756 U1 ist ein Elektromotor für den Betrieb einer Pumpe bekannt, der als ein Spaltrohrmotor ausgebildet ist. Ein als Spaltrohr ausgebildeter zylinderförmiger Trennkörper ist auf seiner Innenseite über einen Luftspalt beabstandet zu einem Rotor angeordnet. An einer äußeren Umfangsfläche des zylinderförmigen Trennkörpers schließen sich eine Mehrzahl von Polschenkeln an, die mit einem inneren Rand (Polschuh) an der Umfangsfläche des Spaltrohres anliegen. Ein in radialer Richtung angeordneter äußerer Rand der Polschenkel ist mit einem Polring verbunden, der sich in Umfangsrichtung des Spaltrohres und koaxial zu demselben erstreckt. Die äußeren Ränder der Polschuhe sind über eine Schwalbenschwanz-Verbindung formschlüssig mit dem Polring verbunden. Bei Einsatz von relativ klein dimensionierten Elektromotoren ist es jedoch nicht erforderlich, dass der Polring eine solche Mindestwindstärke aufweist, dass die Polschuhe über die Schwalbenschwanz-Verbindung gehalten sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Elektromotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Stators derart anzugeben, dass die Anbindung von Polschenkeln an einen zylinderförmigen Trennkörper sowie einen in einem größeren Radius zu demselben angeordneten Polring unter verringerter Wandstärke desselben verbessert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Elektromotor in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand der Polschenkel formschlüssig oder stoffschlüssig mit dem zylindrischen Trennkörper verbunden ist.
Nach der Erfindung ist eine formschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung zwischen inneren Rändern von Polschenkeln einerseits und einem zylindrischen Trennkörper andererseits vorgesehen, so dass eine mechanische Stabilität des Stators gewährleistet ist, wobei die Wandstärke eines Polrings ausschließlich an die elektromagnetischen Erfordernisse angepasst sein kann. Nach der Erfindung bestimmt die Befestigungsart zwischen den Polschenkeln einerseits und dem Polring andererseits nicht die Dicke bzw. Wandstärke des Polringes. Durch die erfindungsgemäße formschlüssige Verbindung zwischen den Polschenkeln und dem zylindrischen Trennkörper wirkt eine definierte Haltekraft auf die jeweiligen Polschenkel zumindest in radialer Richtung und in Umfangsrichtung.
Nach einer Variante der Erfindung sind die Polschenkel stoffschlüssig mit dem zylinderförmigen Trennkörper verbunden. Beispielsweise können die Polschenkel zusammen mit dem zylinderförmigen Trennkörper (Spaltrohr) durch Spritzgießen hergestellt werden. Vorteilhaft sind hierdurch die Polschenkel zusätzlich durch eine in axialer Richtung wirkende Haltekraft gehalten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der zylinderförmige Trennkörper an einer äußeren Umfangsseite eine Mehrzahl von in radialer Richtung nach außen abragende Rippen auf, die ein formschlüssiges Einschieben der Polschenkel in axialer Richtung in die vorgesehene Position ermöglichen. Nach Einsetzen der Polschenkel können dieselben dann mit einem Spulenkörper versehen werden, der sich aus einem Spulenträger und einer Spulenwicklung zusammensetzt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die von dem zylinderförmigen Trennkörper abragenden Rippen im Querschnitt T-förmig oder pilzförmig ausgebildet, so dass an gegenüberliegenden Seite Axialnuten gebildet werden, in die gegenüberliegende Seite der inneren Ränder der benachbarten Polschenkel eingreifen können. Vorteilhaft können hierdurch die Polschenkel einfach in die vorgesehene Halteposition verbracht werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Polring segmentiert ausgebildet, wobei ein Polringsegment einstückig mit einem in radialer Richtung anschließenden Polschenkel verbunden ist. Vorteilhaft wird hierdurch ein Polsegmentteil gebildet, auf dessen Polschenkel die Spulenwicklung mittels eines Linearwickels gewickelt werden kann. Dadurch, dass der Spulendraht lagenweise unter Vermeidung von Überkreuzungen wickelbar ist, kann eine größere Packungsdichte erzielt werden als beim Wickeln mittels bekannter Nadelwickler. Darüber hinaus können kürzere Taktzeiten realisiert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Polschenkel in einem ersten Schritt jeweils formschlüssig mit dem zylindrischen Trennkörper verbunden werden, dann in einem zweiten Schritt der Spulenkörper auf den äußeren Rand des Polschenkels aufgeschoben und in einem dritten Schritt der Polring auf die äußeren Ränder der Polschenkel aufgepresst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen mechanisch stabilen Aufbau des Stators, wobei die Wandstärke des Polrings ausschließlich abhängig von den elektromagnetischen Erfordernissen ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die Spulenkörper jeweils auf einen mit einem Segment des Polrings einstückig verbundenen Polschenkel aufgebracht werden, in einem zweiten Schritt der Polschenkel zusammen mit dem Polringsegment des Polringes formschlüssig mit dem zylindrischen Trennkörper und/oder den benachbarten Polringsegmenten des Polringes verbunden werden.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass neben der verbesserten mechanischen Stabilität des Stators unter Unabhängigkeit der Wandstärke des Polringes von der Befestigungsart zusätzlich eine fertigungstechnisch günstige Bewicklung der Polschenkel gewährleistet ist. Die zu einem Polsegmentteil verbundenen Polschenkel und Polringsegmente weisen eine solche Form auf, dass die Spulendrähte mittels eines Linearwicklers auf die Polschenkel aufgebracht werden können. Vorteilhaft können hierdurch die Taktzeiten reduziert und die Packungsdichte der Wicklung erhöht werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Elektromotor nach einer ersten Ausführungsform,
2a einen Querschnitt durch einen zylindrischen Trennkörper sowie einer Mehrzahl von Polschenkeln des Elektromotors gemäß 1 nach einem ersten Herstellungsschritt,
2b einen Querschnitt durch die Motorteile gemäß 2a, wobei nach einem zweiten Verfahrensschritt zusätzlich Spulentragkörper auf die Polschenkel aufgebracht worden sind,
2c einen Querschnitt durch die Motorteile gemäß 2b, wobei nach einem weiteren Verfahrensschritt ein äußerer Polring aufgebracht worden ist,
3 einen Querschnitt durch einen Elektromotor nach einer zweiten Ausführungsform,
4a einen Querschnitt durch ein Polsegmentteil des Elektromotors gemäß 3,
4b einen Querschnitt durch das Polsegmentteil gemäß 4a, auf dem nach einem ersten Verfahrensschritt ein Spulenträger aufgebracht worden ist,
4c einen Querschnitt durch die Motorteile gemäß 4b, wobei mittels eines weiteren Verfahrensschrittes eine Spulenwicklung auf den Spulenträger aufgebracht worden ist und
4d einen Querschnitt durch die Motorteile gemäß 4c, wobei gemäß einem weiteren Verfahrensschritt ein Polschuh des Polsegmentteils formschlüssig mit dem zylinderförmigen Trägerteil verbunden worden ist.
Ein erfindungsgemäßer Elektromotor 1 ist für den Betrieb von Pumpen, insbesondere von Entleerungspumpen in Geschirrspül- und Waschmaschinen vorgesehen. Der Elektromotor 1 ist vorzugsweise als ein Spaltrohrmotor ausgebildet und kann als Nassläufer-Synchronmotor oder als ein elektronisch kommutierter Motor (BLDC-Motor) ausgebildet sein. Das im Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel beschreibt einen 3-phasigen-BLDC-Motor mit vier Polen.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß den 1 bis 2c ist ein zylinderförmiger Trennkörper 2 als Spaltrohr vorgesehen, auf dessen innerer Seite über einen Luftspalt ein Rotor 3 angeordnet ist. Der Rotor 3 weist einen ringförmigen Permanentmagneten 4 auf, der über einen aus einem Kunststoff bestehenden Verbindungsrohr 5 fest, das heißt kraft- und/oder formschlüssig, mit einer Welle 6 des Motors 1 verbunden ist. Sofern der Rotor 3 mit einer nicht dargestellten Drehlosen versehen ist, kann er auch auf der Welle 6 drehbar gelagert sein.
Der zylindrische Trennkörper 2 ist koaxial zu der Welle 6 angeordnet. Eine Innenseite des zylindrischen Trennkörpers (Spaltrohr 2) ist im Querschnitt kreisförmig ausgebildet. Eine Außenseite des Spaltrohrs 2 ist bereichsweise, das heißt in Umfangsrichtung verteilt, mit in radialer Richtung nach außen abragenden T-förmigen oder pilzförmigen Rippen 7 versehen, so dass eine formschlüssige Anbindung von einer Mehrzahl von Polschenkeln 8 eines Stators 9 ermöglicht wird. Der Stator 9 umfasst ferner einen Spulenkörper 10, der umfangsseitig auf dem Polschenkel 8 angeordnet ist. Der Spulenkörper 10 besteht zum einen aus einem Spulenträger 11, der trommelförmig mit einer Bohrung vorgesehen ist, in die der Polschenkel 8 eingreifbar ist. Der Spulenträger 11 weist im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Polschenkel 8 verlaufende Begrenzungswände 12 auf, zwischen denen eine Spulenwicklung 13 positioniert werden kann. Der Spulenträger 11 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Polschenkels 8. Darüber hinaus weist der Stator 9 einen Polring 14 (Joch) auf, der im Wesentlichen koaxial zu der Welle 6 und dem Spaltrohr 2 angeordnet ist, vergleichsweise jedoch einen größeren Radius aufweist. Zwischen dem Polring 14 und dem Spaltrohr 2 erstrecken sich die in einem Winkel von 60° in Umfangsrichtung verteilt angeordneten sechs Polschenkel 8 sowie die zugehörigen Spulenkörper 10. Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung könnte der Motor 1 auch sechs Pole aufweisen, so dass neun Polschenkel in einem gleichen Winkelabstand von 40° zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise ist die Erfindung bei Elektromotoren einsetzbar, bei der ein Quotient aus Anzahl der Polschenkel zu der Anzahl der Phasen gradzahlig ist.
Die Polschenkel 8 sind formschlüssig mit dem Spaltrohr 2 verbunden. Der Polschenkel 8 weist einen inneren Rand 15 (Polschuh) auf, dessen in axialer Richtung verlaufende Seiten bzw. Seitenflächen 16 jeweils in einer Axialnut 17 benachbarter Rippen 7 eingefasst ist. Wie aus 1 zu ersehen ist, weisen die Rippen 7 bezüglich einer Längsmittelebene L derselben jeweils eine einzige Axialnut 17 auf, die in axialer Richtung durchgehend oder unterbrochen ausgebildet sein kann. Die Rippen 7 sind in Umfangsrichtung derart angeordnet, dass die Axialnuten 17 benachbarter Rippen 7 auf eine Polbreite B der Polschuhe 15 angepasst sind.
Der Polschenkel 8 weist einen konvexförmig ausgebildeten äußeren Rand 18 auf, der in einer korrespondierenden Ausnehmung 19 des Polringes 14 pressend gehalten ist.
Die Polschenkel 8 sowie das Joch 14 bestehen jeweils vorzugsweise aus einem gestanzten Blechpaket.
Die Herstellung des Stators 9 wird im Folgenden anhand der 2a bis 2c näher erläutert.
In einem ersten Schritt werden die Polschenkel 8 sequentiell oder gleichzeitig formschlüssig mit dem Spaltrohr 2 verbunden, wobei die Seitenflächen 16 der Polschuhe 15 in axialer Richtung innerhalb der Axialnuten 17 der Rippen 7 vorzugsweise mit Spiel verschoben werden, bis sie ihre vorgesehene Position erreicht haben, siehe 2a.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden nun die Spulenkörper 10 in radialer Richtung nach innen auf die Polschenkel 8 aufgesteckt, siehe 2b.
In einem abschließenden Verfahrensschritt gemäß 2c wird das Joch 14 auf den äußeren Rand 18 der Polschenkel 8 aufgepresst, wobei die äußeren Ränder 18 jeweils in korrespondierenden Ausnehmungen 19 des Jochs 14 pressend gelagert sind.
Gegebenenfalls können die Verfahrensschritte auch in einer anderen Reihenfolge durchlaufen werden.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform des Elektromotors 1 können die Polschenkel 8 auch einstückig mit dem Spaltrohr 2 verbunden sein, wobei die aus einem gestanzten und pakettierten Blechmaterial bestehenden Polschenkel 8 in eine Spritzgießform eingelegt und dann von der Kunststoffmasse zur Bildung des Spaltrohres 2 teilweise umspritzt oder angespritzt werden. Die Polschenkel 8 sind somit stoffschlüssig mit dem Spaltrohr 2 verbunden. Hierdurch wird eine zusätzliche axiale Sicherung der Polschenkel 8 gewährleistet.
Eine weitere Ausführungsform eines Elektromotors 1' gemäß den 3 bis 4d weist im Unterschied zu dem oben beschriebenen Elektromotor 1 einen Stator 9' auf, der über einen segmentierten Polring verfügt. Der Polring setzt sich aus einer zu der Polzahl übereinstimmenden Anzahl von Polringsegmenten 22 zusammen, die jeweils mit einem Polschenkel 8' einstückig verbunden sind und jeweils mit denselben ein Polsegmentteil 21 bilden.
Gleiche Bauteile bzw. Bauteilfunktion der Ausführungsbeispiele sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Die Polschenkel 8' weisen auf einer in radialer Richtung inneren Seite die gleiche Ausbildung auf wie die Polschenkel 8 der ersten Ausführungsform. Entsprechende Übereinstimmung besteht hinsichtlich der Ausbildung des Spaltrohres 2 sowie des Rotors 3.
Die Polringsegmente 22 verlaufen im Wesentlichen senkrecht zu den einstückig verbundenen Polschenkeln 8' und weisen endseitig eine kugelkopfförmige Ausformung auf, so dass unter Eingreifen eines Kugelteils 23 des einen Polringsegmentes 22' in ein Pfannenteil 24 eines benachbarten Polringsegmentes 22'' eine formschlüssige, insbesondere rastende Verbindung der Polringsegmente 22 gewährleistet ist.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform können die Polringsegmente 22 auch stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
Die Herstellung des Stators 9' wird im Folgenden anhand der 4a bis 4d beschrieben.
In einem ersten Schritt werden die Polsegmentteile 21 durch Stanzen und Pakettieren von Blechen hergestellt, siehe 4a. Alternativ können die Polsegmentteile 21, wie auch die Polschenkel 8, 8', aus einem mit einem Füllmaterial versehenen Metallpulver bestehen, wobei die endgültige Form durch Spritzen und/oder Sintern hergestellt wird. In einem zweiten Schritt gemäß 4b wird der Spulenträger 11 auf den Polschenkel 8' des Polsegmentteils 21 aufgespritzt bzw. angeformt. In einem weiteren Schritt gemäß 4c wird der von dem Spulenträger 11 begrenzte Raum mit der Spulenwicklung 13 durch Aufwickeln vollständig gefüllt. Hierzu kann ein Linearwickler genutzt werden, der die Bewicklung des Polschenkels 8' relativ schnell und mit erhöhter Packungsdichte ermöglicht. In einem weiteren Schritt gemäß 4d können die Polschuhe 15 der Polschenkel 8' gleichzeitig oder nacheinander in axialer Richtung in die Axialnuten 17 benachbarter Rippen 7 vorzugsweise mit Spiel eingeschoben werden, bis sie die vorgesehene Position in Relation zu dem Spaltrohr 2 erreicht haben. Werden die Polsegmentteile 21 nacheinander in die Axialnuten 17 eingeschoben, erfolgt gleichzeitig eine rastende Verbindung der benachbarten Polringsegmente 22, 22', 22'' durch schnappendes Eingreifen des Kugelteils 23 des einen Polringsegmentes 22' in das Pfannenteil 24 des anderen Polringsegmentes 22''.
Gegebenenfalls können die Verfahrensschritte auch in einer anderen Reihenfolge durchlaufen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202009003756 U1 [0003]

Claims

Elektromotor für den Betrieb einer Pumpe, insbesondere einer Entleerungspumpe, mit einem zylinderförmigen Trennkörper, der innenseitig über einen Luftspalt beabstandet zu einem Rotor angeordnet und außenseitig mit einem Stator verbunden ist, wobei der Stator von einem Spulenkörper umgebene Polschenkel aufweist, die über einen in radialer Richtung inneren Rand mit dem zylinderförmigen Trennkörper einerseits und über einen in radialer Richtung äußeren Rand mit einem koaxial zu dem zylinderförmigen Trennkörper angeordneten Polring andererseits verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (15) der Polschenkel (8, 8') formschlüssig oder stoffschlüssig mit dem zylindrischen Trennkörper (2) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderförmige Trennkörper (2) in radialer Richtung nach außen abragende Rippen (7) aufweist, derart, dass der Polschenkel (8, 8') mit seinem inneren Rand (15) in axialer Richtung zwischen den zwei in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordneten Rippen (7) einsetzbar ist.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Rippen (7) derart ausgebildet sind, dass der innere Rand (15) des Polschenkels (8, 8') in axialer Richtung verschiebbar ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (7) im Querschnitt T-förmig oder pilzförmig ausgebildet sind, wobei an gegenüberliegenden Seiten einer Längsmittelebene (L) der jeweiligen Rippe (7) eine Axialnut (17) gebildet ist zur Aufnahme von zueinander gekehrten Seiten (16) der inneren Ränder (15) benachbarter Polschenkel (8, 8').
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialnuten (17) der benachbarten Rippen (7) einen auf eine Polbreite (B) angepassten Umfangsabstand aufweisen.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (7) in Axialrichtung durchgehend oder unterbrochen ausgebildet sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Polring (14) segmentiert ausgebildet ist, wobei ein Polringsegment (22, 22', 22'') einstückig mit dem in radialer Richtung anschließenden Polschenkel (8') verbunden ist zur Bildung eines Polsegmentteils (21).
Elektromotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polringsegmente (22, 22', 22'') derart ausgebildet sind, dass in Umfangsrichtung benachbarte Polringsegmente (22, 22', 22'') formschlüssig oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Stators für einen Elektromotor, wobei Spulenkörper auf Polschenkel aufgebracht werden und wobei zum einen ein innerer Rand des Polschenkels mit einem zylindrischen Trennkörper und zum anderen ein äußerer Rand des Polschenkels mit zumindest einen Teil eines Polringes verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Polschenkel (8) jeweils formschlüssig mit dem zylindrischen Trennkörper (2) verbunden werden, – der Spulenkörper (10) auf den äußeren Rand des Polschenkels (8) aufgeschoben und – der Polring (14) auf die äußeren Ränder der Polschenkel (8) aufgepresst wird.
Verfahren zur Herstellung eines Stators für einen Elektromotor, wobei Spulenkörper auf Polschenkel aufgebracht werden und wobei zum einen ein innerer Rand des Polschenkels mit einem zylindrischen Trennkörper und zum anderen ein äußerer Rand des Polschenkels mit zumindest einen Teil eines Polringes verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Spulenkörper (10) jeweils auf einen mit einem Segment des Polrings einstückig verbundenen Polschenkel (8') aufgebracht werden, – der Polschenkel (8') zusammen mit dem Polringsegment (22, 22', 22'') des Polringes formschlüssig mit dem zylindrischen Trennkörper (2) und/oder den benachbarten Polringsegmenten (22, 22', 22'') des Polringes verbunden werden.