DE102016003896A1

DE102016003896A1 - Verfahren zur Herstellung einer Statorbaugruppe mit hoher Kupferfüllung sowie Elektromotor mit einer derartigen Statorbaugruppe

Info

Publication number: DE102016003896A1
Application number: DE102016003896.9A
Authority: DE
Inventors: Jens Schulze
Original assignee: Lakeview Innovation Ltd
Current assignee: Maxon International AG
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-10-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Statorbaugruppe, die einen Statorkern sowie mehrere Statorspulen aufweist, wobei der Statorkern eine Längsachse, einen Statorrückschluss, sowie mehrere in Bezug auf die Längsachse radial vorstehende und um die Längsachse herum verteilt angeordnete Statorzähne aufweist, wobei jeder zweite Statorzahn unbewickelt ist und die übrigen Statorzähne jeweils mit einer der Statorspulen bewickelt sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die unbewickelten Statorzähne einteilig zusammen mit dem Statorrückschluss hergestellt werden, wobei die übrigen Statorzähne jeweils einzeln mit einer der Statorspulen bewickelt werden, so dass die bewickelten Statorzähne zusammen mit der jeweils zugehörigen Statorspule jeweils eine Spulenbaugruppe bilden, und wobei die Spulenbaugruppen in Richtung der Längsachse des Statorkerns jeweils zwischen zwei unbewickelte Statorzähne des Statorrückschlusses eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Statorbaugruppe nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. Eine Statorbaugruppe der gattungsgemäßen Art weist einen Statorkern sowie mehrere Statorspulen auf. Der Statorkern weist eine Längsachse, einen Statorrückschluss sowie mehrere in Bezug auf die Längsachse radial vorstehende und um die Längsachse herum verteilt angeordnete Statorzähne auf. Jeder zweite Statorzahn ist unbewickelt, die übrigen Statorzähne sind jeweils mit einer der Statorspulen bewickelt.
Die Erfindung betrifft ferner die Statorbaugruppe selbst sowie einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen Statorbaugruppe.
Aus dem Stand der Technik ist eine Reihe gattungsgemäßer Statorbaugruppen bekannt. Die DE 10124415 A1 beschreibt einen segmentartig aufgebauten Stator. Die Segmente werden in Umfangsrichtung form- und/oder reibschlüssig aneinandergefügt. Jedes Segment weist jeweils einen Statorzahn auf, wobei nur jedes zweite Segment mit einer Statorspule bewickelt wird, bevor die Segmente zusammengesetzt werden.
Ein ähnlicher segmentartiger Aufbau ist aus DE 10259090 A1 bekannt. Hier werden die Segmente zunächst in einer Ebene mittels Verbindungselementen zusammengesetzt und anschließend um ein Kernelement zu einem Ring geformt.
Ein weiterer segmentartiger Aufbau ist aus DE 10 2004 043 424 A1 und aus DE 10 2004 043 425 A1 bekannt. Laut Beschreibung wird das Blechpaket des Stators aus Zahnsegmenten zusammengesetzt, indem bewickelte Zahnsegmente und unbewickelte Zwischenzahnsegmente in Umfangsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgend zusammengesetzt werden. Zwischen den Segmenten kann ein Formschluss, beispielsweise in Form einer Nut- und Federverbindung, vorgesehen sein. Ein ähnlicher Aufbau ist zudem aus US 2005/0258706 A1 bekannt.
Aus GB 2149226A ist eine Statorbaugruppe bekannt, bei der die bewickelten Statorzähne einteilig zusammen mit dem Statorrückschluss ausgeführt sind. Die unbewickelten Zähne werden nach dem Bewickeln der bewickelten Zähne in entsprechende Nuten des Statorrückschlusses eingesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das eine möglichst einfache und kostengünstige Herstellung einer Statorbaugruppe mit einer hohen Kupferfüllung erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach liegt bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn die unbewickelten Statorzähne einteilig zusammen mit dem Statorrückschluss hergestellt werden, wobei die übrigen Statorzähne jeweils einzeln mit einer der Statorspulen bewickelt werden, sodass die bewickelten Statorzähne zusammen mit der jeweils zugehörigen Statorspule jeweils eine Spulenbaugruppe bilden, und wobei die Spulenbaugruppen in Richtung der Längsachse des Statorkerns jeweils zwischen zwei unbewickelte Statorzähne des Statorrückschlusses eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung eines Stators mit hoher Kupferfüllung. Der Zwischenraum zwischen den Statorzähnen kann durch die Statorspulen optimal ausgefüllt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Spulenbaugruppen vorgefertigt werden und anschließend passgenau zwischen zwei unbewickelte Statorzähne des Statorrückschlusses eingesetzt werden können. Das Einsetzen der Spulenbaugruppen erfolgt parallel zur Längsachse des Statorkerns. Der Statorkern besteht aus dem Statorrückschluss, den einteilig zusammen mit dem Statorrückschluss hergestellten unbewickelten Statorzähnen und den nachträglich zusammen mit den Statorspulen eingesetzten bewickelten Statorzähnen.
Der Statorrückschluss ist in Bezug auf die Längsachse vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgeführt. Besonders bevorzugt ist der Statorrückschluss hohlzylindrisch ausgeführt. Die Statorzähne sind weiter vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt, sodass zwischen jeweils zwei Statorzähnen stets ein einheitlicher Abstand bzw. ein einheitlicher Winkel besteht. Die Statorzähne können sowohl radial nach innen als auch radial nach außen vorstehen. Die Erfindung eignet sich daher sowohl für Innen- als auch Außenläufermotoren. Ganz besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Statorbaugruppe für einen permanenterregten bürstenlosen Elektromotor.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die bewickelten Statorzähne vor der Bewicklung zumindest teilweise mit einer Isolierung ummantelt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Spulenbaugruppen anschließend mit dem Statorrückschluss verklebt oder vergossen. Dadurch wird ein besonders stabiler Zusammenhalt gewährleistet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Statorrückschluss zusammen mit den unbewickelten Zähnen als Blechpaket hergestellt. Hierzu werden mehrere Ringe mit jeweils vorstehenden Statorzähnen aus einem Blech ausgestanzt und zu dem Blechpaket aufgeschichtet. Die einzelnen Ringe des Blechpakets werden vorzugsweise miteinander verklebt.
Die Erfindung stellt ferner eine Statorbaugruppe bereit, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Statorbaugruppe sind die Spulenbaugruppen in radialer Richtung bezogen auf die Längsachse des Statorkerns mittels Formschluss zwischen den unbewickelten Statorzähnen gehalten. Wenn sich die unbewickelten Statorzähne vom Statorrückschluss radial nach innen zur Längsachse hin erstrecken und eine im Wesentlichen gleichbleibende Breite über ihre gesamte Erstreckung in radialer Richtung aufweisen, und die Spulenbaugruppen ferner derart ausgeführt sind, dass die Statorspulen im Wesentlichen den Zwischenraum zwischen den Statorzähnen vollständig ausfüllen, dann können die Spulenbaugruppen in radialer Richtung bezogen auf die Längsachse des Statorkerns nicht aus dem Zwischenraum zwischen jeweils zwei unbewickelten Statorzähnen herausfallen. In diesem Fall ist keine weitere Maßnahme erforderlich, um den Formschluss herzustellen. Der Formschluss kann jedoch verbessert werden, wenn die unbewickelten Statorzähne an ihrem Ende jeweils eine Erweiterung aufweisen. Die Erweiterung bildet einen Hinterschnitt, an dem sich die jeweilige Spulenbaugruppe in radialer Richtung abstützt. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere dann, wenn die Statorbaugruppe für einen Außenläufermotor vorgesehen ist und die Statorzähne somit radial nach außen vom Statorrückschluss abstehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Statorbaugruppe grenzt das Ende jedes unbewickelten Statorzahns unmittelbar an eine Isolierung des benachbarten bewickelten Statorzahns an. Diese Ausführungsform wirkt sich besonders günstig auf das magnetische Drehfeld aus, das durch die Statorbaugruppe aufgebaut wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die bewickelten Statorzähne an ihrem Ende eine Erweiterung auf, deren Form so gestaltet ist, dass sie hinter die Erweiterung der unbewickelten Statorzähne greift. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte radiale Abstützung erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Statorbaugruppe weisen die Statorzähne alle die gleiche Geometrie auf. Auch dies wirkt sich günstig auf das magnetische Drehfeld aus und erleichtert zudem die Herstellung.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Statorbaugruppe füllen die Statorspulen die Zwischenräume zwischen den Statorzähnen vollständig aus. Dadurch können besonders leistungsfähige Elektromotoren mit geringen Abmessungen hergestellt werden.
Die Erfindung stellt ferner einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen Statorbaugruppe gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sowie mit einem Permanentmagnetrotor bereit.
Die Erfindung eignet sich besonders für einen Elektromotor, dessen Statorspulen in mehreren Phasen miteinander verschaltet sind, wobei zwischen der Anzahl Q an Statorzähnen, einer Polpaarzahl p des Permanentmagnetrotors und der Anzahl m an Phasen folgende Relation besteht: Q / |Q – 2p| = 2m
Ganz besonders eignet sich die Erfindung für einen Elektromotor, bei dem der Permanentmagnetrotor als Innenläufer ausgeführt ist, wobei die Anzahl Q an Statorzähnen 12 beträgt, die Polpaarzahl p entweder 5 oder 7 beträgt, und die Anzahl m an Phasen 3 beträgt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Schrägansicht des Statorrückschlusses einer erfindungsgemäßen Statorbaugruppe mit radial nach innen vorstehenden, unbewickelten Statorzähnen,
2 eine Schrägansicht eines einzelnen zu bewickelnden Statorzahns,
3 eine Spulenbaugruppe bestehend aus dem Statorzahn aus 2 und einer darauf aufgewickelten Statorspule,
4 einen Querschnitt durch die Spulenbaugruppe aus 3,
5 den Statorrückschluss aus 1 mit einer zur Hälfte zwischen zwei unbewickelte Statorzähne eingesetzten Spulenbaugruppe gemäß den 3 und 4,
6 die Ansicht aus 5 mit vollständig eingesetzter Spulenbaugruppe,
7 einen Querschnitt durch eine Statorbaugruppe bestehend aus dem Statorrückschluss gemäß 1 und insgesamt sechs Spulenbaugruppen gemäß den 3 und 4,
8 einen Querschnitt durch einen Elektromotor mit der in 7 gezeigten Statorbaugruppe und einem als Innenläufer ausgeführten Permanentmagnetrotor, und
9 eine Detailansicht einer Querschnittsdarstellung gemäß einer bevorzugten Abwandlung der Statorbaugruppe aus 7.
Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden. Sofern in einer Figur Bezugszeichen enthalten sind, auf die in der zugehörigen Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen.
1 zeigt eine Schrägansicht eines Statorrückschlusses 4 einer erfindungsgemäßen Statorbaugruppe. Der Statorrückschluss 4 ist hohlzylindrisch und rotationssymmetrisch in Bezug auf die Längsachse 3 ausgeführt. Vom Innenumfang des Statorrückschlusses 4 stehen radial nach innen zur Längsachse 3 hin insgesamt sechs unbewickelte Statorzähne 5 vor. Die unbewickelten Statorzähne 5 weisen am Ende jeweils eine Erweiterung 9 auf, deren Funktion weiter unten erläutert wird. Die unbewickelten Statorzähne 5 sind zusammen mit dem Statorrückschluss 4 einteilig ausgeführt. Die Herstellung erfolgt durch Ausstanzen mehrere Ringe mit jeweils radial nach innen abstehenden Statorzähnen aus einem Blech und Aufeinanderschichten der einzelnen Ringe zu einem Blechpaket.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden weitere Statorzähne jeweils einzeln mit einer Statorspule bewickelt, sodass die bewickelten Statorzähne zusammen mit der jeweils zugehörigen Statorspule jeweils eine Spulenbaugruppe bilden. Die Spulenbaugruppen werden anschließend in Richtung der Längsachse 3 jeweils zwischen zwei unbewickelte Statorzähne 5 des Statorrückschlusses 4 eingesetzt. Die Herstellung der Spulenbaugruppen und das Einsetzen der Spulenbaugruppen in den Statorrückschluss wird im Folgenden anhand der 2 bis 6 beschrieben.
2 zeigt einen einzelnen Statorzahn 6, der dazu vorgesehen ist, mit einer Statorspule bewickelt zu werden. Wie 2 zeigt, weist auch dieser Statorzahn an einem Ende eine Erweiterung 9 auf, ähnlich wie die unbewickelten Statorzähne aus 1. Der in 2 gezeigte Statorzahn wird vorzugsweise zunächst zumindest teilweise mit einer Isolierung ummantelt und anschließend mit einem Kupferdraht bewickelt. Der fertig bewickelte Statorzahn ist in 3 dargestellt. Der Statorzahn 6 bildet zusammen mit der aus dem Kupferdraht bestehenden Statorspule 2 eine Spulenbaugruppe 7. 4 zeigt einen Querschnitt der Spulenbaugruppe, in dem auch die weiter oben angesprochene Isolierung 8 zu erkennen ist. Die Kontur der Isolierung 8 ist so gestaltet, dass sich die Spulenbaugruppe 7 auf der Erweiterung 9 der unbewickelten Statorzähne 5 abstützt.
Die Spulenbaugruppe 7 ist hinsichtlich ihres Querschnitts derart beschaffen, dass sie passgenau zwischen zwei unbewickelte Zähne 5 des in 1 gezeigten Statorrückschlusses 4 eingesetzt werden kann. Dieser Vorgang ist in 5 dargestellt. Die Spulenbaugruppe 7 wird in axialer Richtung, das heißt parallel zur Längsachse des Statorrückschlusses, zwischen zwei unbewickelte Statorzähne 5 eingeschoben. Die Erweiterungen 9 an den Enden der beiden unbewickelten Statorzähne 5 bilden einen Hinterschnitt, an dem sich die Spulenbaugruppe in radialer Richtung bezogen auf die Längsachse des Statorrückschlusses abstützt.
Der fertig eingesetzte Zustand ist in 6 dargestellt. In 6 ist ferner zu erkennen, dass die Erweiterungen 9 der beiden unbewickelten Statorzähne 5 unmittelbar an die Isolierung 8 des bewickelten Statorzahns der Spulenbaugruppe 7 angrenzen. Auf die oben beschriebene Weise werden fünf weitere Spulenbaugruppen hergestellt und in die verbleibenden Zwischenräume zwischen den unbewickelten Statorzähnen 5 eingesetzt.
7 zeigt einen Querschnitt durch die dadurch erhaltene Statorbaugruppe 1. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 12 Statorzähne vorhanden, nämlich sechs unbewickelte Statorzähne 5 und sechs bewickelte Statorzähne 6. Die Anzahl der Statorspulen 2 beträgt demnach ebenfalls 6.
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektromotor 10 im Querschnitt. Der Elektromotor 10 weist die in 7 gezeigte Statorbaugruppe 1 und einen als Innenläufer ausgeführten Permanentmagnetrotor 11 mit insgesamt zehn Polen 12 bzw. fünf Polpaaren auf. Jeweils zwei der insgesamt sechs Statorspulen sind zu einer Phase verschaltet, so dass insgesamt drei Statorphasen vorhanden sind.
Eine bevorzugte Abwandlung der Statorbaugruppe gemäß 7 zeigt die Detailansicht in 9. Bei dieser Ausführungsform weisen die bewickelten Statorzähne 6 an ihrem Ende eine Erweiterung 9 auf, deren Form so gestaltet ist, dass sie hinter die Erweiterung 9 des jeweils benachbarten unbewickelten Statorzahns 5 greift. Hierdurch wird eine besonders vorteilhafte radiale Abstützung erreicht. Auch bei dieser Ausführungsform verhindert die Isolierung 8 einen direkten Kontakt der Statorzähne 5 und 6.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10124415 A1 [0003]
DE 10259090 A1 [0004]
DE 102004043424 A1 [0005]
DE 102004043425 A1 [0005]
US 2005/0258706 A1 [0005]
GB 2149226 A [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Statorbaugruppe (1), die einen Statorkern sowie mehrere Statorspulen (2) aufweist, wobei der Statorkern eine Längsachse (3), einen Statorrückschluss (4), sowie mehrere in Bezug auf die Längsachse (3) radial vorstehende und um die Längsachse (3) herum verteilt angeordnete Statorzähne (5, 6) aufweist, wobei jeder zweite Statorzahn (5) unbewickelt ist und die übrigen Statorzähne (6) jeweils mit einer der Statorspulen (2) bewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die unbewickelten Statorzähne (5) einteilig zusammen mit dem Statorrückschluss (4) hergestellt werden, wobei die übrigen Statorzähne (6) jeweils einzeln mit einer der Statorspulen (2) bewickelt werden, so dass die bewickelten Statorzähne (6) zusammen mit der jeweils zugehörigen Statorspule (2) jeweils eine Spulenbaugruppe (7) bilden, und wobei die Spulenbaugruppen (7) in Richtung der Längsachse (3) des Statorkerns jeweils zwischen zwei unbewickelte Statorzähne (5) des Statorrückschlusses (4) eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bewickelten Statorzähne (6) vor der Bewicklung zumindest teilweise mit einer Isolierung (8) ummantelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenbaugruppen (7) anschließend mit dem Statorrückschluss (4) verklebt oder vergossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorrückschluss (4) zusammen mit den unbewickelten Zähnen (5) als Blechpaket hergestellt wird.
Statorbaugruppe (1) mit einem Statorkern sowie mehreren Statorspulen (2), wobei der Statorkern eine Längsachse (3), einen Statorrückschluss (4), sowie mehrere in Bezug auf die Längsachse (3) radial vorstehende und um die Längsachse (3) herum verteilt angeordnete Statorzähne (5, 6) aufweist, wobei jeder zweite Statorzahn (5) unbewickelt ist und die übrigen Statorzähne (6) jeweils mit einer der Statorspulen (2) bewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorbaugruppe (1) nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt ist.
Statorbaugruppe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenbaugruppen (7) in radialer Richtung bezogen auf die Längsachse (3) des Statorkerns mittels Formschluss zwischen den unbewickelten Statorzähnen (5) gehalten sind.
Statorbaugruppe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unbewickelten Statorzähne (5) an ihrem Ende eine Erweiterung (9) aufweisen.
Statorbaugruppe (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende jedes unbewickelten Statorzahns (5) unmittelbar an eine Isolierung 8 des benachbarten bewickelten Statorzahns (6) angrenzt.
Statorbaugruppe (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bewickelten Statorzähne (6) an ihrem Ende eine Erweiterung 9 aufweisen, deren Form so gestaltet ist, dass sie hinter die Erweiterung 9 der unbewickelten Statorzähne 5 greift.
Statorbaugruppe (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Statorzähne (5, 6) die gleiche Geometrie aufweisen.
Statorbaugruppe (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspulen (2) die Zwischenräume zwischen den Statorzähnen (5, 6) vollständig ausfüllen.
Elektromotor (10) mit einer Statorbaugruppe (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11 und mit einem Permanentmagnetrotor (11).
Elektromotor (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspulen (2) in mehreren Phasen miteinander verschaltet sind, wobei zwischen der Anzahl Q an Statorzähnen (5, 6), einer Polpaarzahl p des Permanentmagnetrotors (11), und der Anzahl m an Phasen folgende Relation besteht: Q / |Q – 2p| = 2m
Elektromotor (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnetrotor (11) als Innenläufer ausgeführt ist, wobei die Anzahl Q an Statorzähnen 12 beträgt, die Polpaarzahl p entweder 5 oder 7 beträgt, und die Anzahl m an Phasen 3 beträgt.