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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Isoliermaske und einen Stator einer elektrischen Maschine, eine elektrische Maschine, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit der
DE 10 261617 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt geworden, bei der auf den Statorzähnen einzelne Isoliermasken aufgesetzt sind. Die Isoliermasken weisen am Jochbereich eine axiale Umfangswand auf, durch die hindurch Anschlussdrähte radial nach außen geführt werden. Sollen nun beispielsweise mehrere Spulen mittels Verbindungsdrähte ununterbrochen miteinander verbunden werden, können dabei solch hohe Kräfte durch den umgebogenen Wickeldraht auftreten, dass die Gefahr besteht, dass sich die Umfangswand verbiegt, oder gar abbricht.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Stator, die erfindungsgemäße elektrische Maschine, sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer solchen Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass durch die die Integration eines harten Einlegeteils im Inneren der Isoliermaske deren mechanische Stabilität erhöht werden kann. Dadurch kann verhindert werden, dass die Isoliermaske bricht oder beschädigt wird, wenn beim Bewickeln der Isoliermaske hohe Anpresskräfte durch den Wickeldraht auftreten. Dabei kann sowohl ein Jochkörper der Isoliermaske, der den Jochbereich des Statorgrundkörpers abdeckt, als auch die Zahnkörper der Isoliermaske, die die Statorzähne isolieren, durch das härtere Einlegeteile mechanisch verstärkt werden. Durch das Einfügen der Einlegeteile in das Innere der Isoliermaske bleibt deren Isolationswirkung für den Wickeldraht vollständig erhalten.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den abhängigen Ansprüchen vorgegebenen Ausführungen möglich. So ist die Isoliermaske bevorzugt als umlaufender, ununterbrochener Ring ausgebildet, wobei von dem ringförmigen Jochkörper in Radialrichtung die Zahnkörper für die Isolation der Statorzähne angeformt sind. Dabei kann der Jochkörper für einen Außenläufermotor radial innerhalb der Zahnkörper ausgebildet sein. Alternativ kann für einen Innenläufermotor der Jochkörper auch radial außerhalb der Zahnkörper ausgebildet werden.
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Am Jochkörper können besonders vorteilhaft in Axialrichtung axiale Fortsätze einstückig angeformt werden, die beispielsweise zur Führung und/oder zum Kontaktieren des Wickeldrahts verwendet werden können. Da diese axialen Fortsätze verglichen zum ringförmigen Jochkörper relativ dünn oder filigran ausgebildet sind, können die axialen Fortsätze durch das Einfügen der Einlegeteile, die sich innerhalb der axialen Fortsätze in Axialrichtung erstrecken, besonders effektiv mechanisch stabilisiert werden.
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Werden die axialen Fortsätze beispielsweise dazu benutzt, um den Wickeldraht als Verbindungsdraht zwischen zwei Spulen in einer bestimmten Position zu fixieren, liegt der Wickeldraht an der radial von den Zahnkörpern abgewandten Seite an dem axialen Fortsatz mit einer relativ hohen Zugkraft an. Durch dieses Umschlingen des axialen Fortsatzes innerhalb der radialen Ebene wirkt eine hohe Scherkraft auf den axialen Fortsatz. Durch das harte Einlegeteile im Inneren des axialen Fortsatzes kann dieser hohe Stützkräfte aufbringen, ohne dass sich hierbei der axiale Fortsatz verbiegt oder bricht.
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Zur mechanischen Verstärkung der Isoliermaske kann das Einlegeteil besonders günstig aus Metall gefertigt werden, wobei insbesondere Stahl eine sehr hohe Festigkeit aufweist und kostengünstig ist. Das Metall kann auch in einfacher Weise beliebig geformt werden, um an das Design der Isoliermaske angepasst zu werden.
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Dabei kann das Einlegeteile insbesondere als ein geschlossener Ring ausgebildet werden, von dem sich in Axialrichtung einzelne axiale Pins in die axialen Fortsätze der Isoliermaske hinein erstrecken. Ein solches ringförmiges Einlegeteile kann besonders günstig als ein einziges Teil in die Werkzeugform beim Spritzgießen eingelegt und positioniert werden, und danach umspritzt werden.
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Beim Kunststoff-Spritzgießen kann dabei das Einlegeteile vollständig mit dem Kunststoff umschlossen werden, so dass auch ein Einlegeteile aus Metall sicher gegenüber dem Statorgrundkörper und gegenüber dem Wickeldraht isoliert ist, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Wird das eine oder die mehreren Einlegeteile bereits beim Spritzgießen in die Werkzeugform eingelegt, entfallen weitere nachträgliche Prozessschritte für das Einfügen der Einlegeteile.
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Insbesondere für kleine Stückzahlen können die Isoliermasken zuerst aus Kunststoff gefertigt werden, und anschließend die härteren Einlegeteile in den Kunststoff eingepresst werden. Hierzu können beispielsweise axiale Bohrungen in den axialen Fortsätzen ausgebildet werden, in die in Axialrichtung axiale Stifte, beispielsweise aus Metall, eingepresst werden. Alternativ können die Einlegeteile - beispielsweise bei der Fertigung der Isoliermaske mittels eines 3-D-Druckverfahrens - unmittelbar in den Kunststoffkörper eingebettet werden.
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Die erfindungsgemäße Isoliermaske kann auf einen Statorgrundkörper aus Metall aufgesetzt werden, um diesen elektrisch gegenüber der elektrischen Wicklung zu isolieren. Dabei werden auf die isolierten Statorzähne elektrische Spulen gewickelt, die dann als Magnetpole für den Rotor dienen. Dabei kann bevorzugt eine Isoliermaske verwendet werden, die über ihren gesamten Umfang ununterbrochen ausgebildet ist. Alternativ kann sich die Isoliermaske an einer Stirnseite auch aus mehreren Winkelsegmenten zusammensetzen, die jeweils nur ein oder zwei oder drei oder mehrere Zahnkörper für die Isolierung der entsprechenden Statorzähne aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Stators werden an den beiden gegenüberliegenden axialen Stirnseiten des Statorgrundkörpers jeweils eine Isoliermaske axial aufgesetzt. Die elektrische Wicklung setzt sich dabei insbesondere aus Einzelzahnspulen zusammen. Dabei können Drahtanfänge und Drahtenden beispielsweise an den axialen Fortsätzen fixiert und/oder mit einer Verschaltungsvorrichtung kontaktiert werden. Hierzu ist es hilfreich, wenn die axialen Fortsätze durch die harten Einlegeteile vor einer mechanischen Beschädigung geschützt werden.
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In einer bevorzugten Ausführung des Stators werden Verbindungsdrähte zwischen zwei oder mehreren Einzelzahnspulen ohne Unterbrechung in der radialen Ebene um die axialen Fortsätze herum geführt, um die Drahtspannung beim Wickeln aufrecht zu erhalten. Dabei können an einem konkreten axialen Fortsatz ein oder zwei oder mehrere Verbindungsdrähte in ein oder zwei oder mehreren axialen Schichten um den axialen Fortsatz geschlungen werden, um aufwändigere Verschaltung der Einzelzahnspulen mit einem ununterbrochenen Wickeldraht zu realisieren. Dabei können die Verbindungsdrähte relativ hohe Scherkräfte auf die axialen Fortsätze aufbringen, die dann insbesondere von den Einlegeteilen aufgenommen werden, die sich im Inneren der axialen Fortsätze in Axialrichtung zum Jochkörper hin erstrecken.
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Der fertig bewickelt Stator ist Bestandteil einer elektrischen Maschine, bei der die Statorwicklung elektrisch kommutierbar ist. Für einen Außenläufermotor wird hierzu radial außerhalb der Statorzähne ein Rotor drehbar gelagert, der insbesondere Permanentmagnete aufweist. Bei einem Innenläufermotor erstrecken sich die Zahnkörper vom äußeren Jochkörper radial nach innen, wobei der Rotor radial innerhalb der Statorzähne drehbar angeordnet ist.
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Zum Herstellen der elektrischen Maschine werden in einem ersten Schritt die Isoliermasken hergestellt, bei dem in den Kunststoff die Einlegeteile aus Metall eingefügt sind. Diese Isoliermasken werden auf die axialen Stirnseiten des Statorgrundkörpers gefügt und anschließend mit Einzelzahnspulen bewickelt. Dabei werden Verbindungsdrähte zwischen zwei Einzelzahnspulen an einer radialen Seite eines axialen Fortsatzes, die den Statorzähnen abgewandt ist, radial abgestützt. Dabei können die durch die Einlegeteile verstärkten axialen Fortsätze höhere radiale Zugkräfte aufnehmen, die durch die Zugkraft des Wickeldrahts beim Wickeln der Einzelzahnspulen aufgebracht wird.
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In einer bevorzugten Ausführung können dabei an einem einzigen axialen Fortsatz mehrere Verbindungsdrähte zwischen Einzelzahnspulen radial anliegen. Dabei weisen die axialen Fortsätze insbesondere Führungsstrukturen für den Wickeldraht auf, die die Verbindungsdrähte axial beabstandet um die radiale Anlagefläche herum führt, die den Statorzähnen radial abgewandt ist. Dabei können an den axialen Fortsätzen insbesondere auch radiale Kerben oder axiale Stufen ausgebildet sein, an denen die Verbindungsdrähte radial von den Einzelzahnspulen in Radialrichtung über den Jochkörper und dann in Umfangsrichtung an der radialen Anlagefläche der axialen Fortsätze entlang geführt werden. Dadurch kann ein Kurzschluss zwischen den Verbindungsdrähten vermieden werden. Aufgrund der mechanischen Verstärkung der axialen Fortsätze durch die Einlegeteile kann entsprechend Kunststoff-Material der Isoliermaske eingespart werden, und insbesondere auch dicke Wickeldrähte verwendet werden, die eine hohe Drahtvorspannung beim Wickelprozess benötigen.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ausführungen der Beschreibung und der Zeichnungen, wie diese in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben sind. Es zeigt:
- 1 eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Isoliermaske, und
- 2. ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Isoliermaske 40, die beispielsweise auf einen Stator 12 gefügt werden kann, um dessen Statorgrundkörper 13 gegenüber einer elektrischen Wicklung 30 zu isolieren. Die Isoliermaske 40 weist hier einen Jochkörper 44 auf, der hier als Ringsegment 41 ausgebildet ist. An dem Jochkörper 44 erstrecken sich in Radialrichtung 7 mehrere Zahnkörper 46, die im Betrieb auf Statorzähnen 16 des Statorgrundkörpers 13 anliegen. Die Zahnkörper 46 sind einstückig am Jochkörper 44 angeformt und aus Kunststoff hergestellt. Das Ringsegment 41 in 1 weist beispielsweise genau drei Zahnkörper 46 auf, wobei mehrere Ringsegmente 41 notwendig sind, um den ganzen Umfang des Statorgrundkörpers 13 vollständig zu isolieren. Der Jochkörper 44 weist hier in Axialrichtung 8 eine größere Dicke 61 auf, als die axiale Dicke 62 der Zahnkörper 46. Am Jochkörper 44 sind axiale Fortsätze 45 ausgebildet, die sich in Axialrichtung 8 erstrecken. Diese axialen Fortsätze 45 sind insbesondere als Stützelemente 48 ausgebildet, die den Wickeldraht 32 der elektrischen Wicklung 30 bezüglich der Radialrichtung 7 abstützen können. Der axiale Fortsatz 45 auf der linken Seite der 1 weist beispielsweise eine Kerbe 64 in Radialrichtung 7 auf, durch die der Wickeldraht 32 von den bewickelten Statorzähnen 16 radial nach innen geführt werden kann. In dem axialen Fortsatz 45 aus Kunststoff ist ein Einlegeteil 50 eingefügt, das aus einem härteren Material hergestellt ist, als der Kunststoff der Isoliermaske 40. Beispielsweise ist das Einlegeteile 50 aus Metall, insbesondere aus Stahl, hergestellt. Das Einlegeteile 50 erstreckt sich hier über die gesamte axiale Höhe 63 des axialen Fortsatzes 45 in Axialrichtung 8 bis in den Jochkörper 44 hinein. Bei dieser Ausführung ist hierzu in den axialen Fortsätzen 45 eine Aussparung 56 ausgebildet, die sich insbesondere als Bohrung in Axialrichtung 8 erstreckt. In diese Aussparungen 56 sind als Einlegeteile 50 axiale Stifte 54 eingepresst, der die mechanische Stabilität der axialen Fortsätze 45 vergrößern. Der axiale Stift 54 ist hier beispielsweise mit einem runden Querschnitt ausgebildet, der in eine runde Bohrung als Aussparung 56 eingepresst ist. An den axialen Fortsätzen 45 ist dabei an einer radial gegenüberliegenden Seite 49 zu den Zahnkörpern 46 eine Stützfläche 49 ausgebildet, an der sich ein Verbindungsdraht 33 zwischen Einzelzahnspulen 31 der elektrischen Wicklung 30 radial abstützen kann. Die axialen Fortsätze 45 können unterschiedlich ausgeformt sein. So weist der axiale Fortsatz 45 auf der rechten Seite der 1 eine tangentiale Stufe 66 auf, die ein radiales Führungselement 58 für den Wickeldraht 32 ausbilden kann. Dadurch können insbesondere an den axialen Fortsätzen 45 mehrere Wickeldrähte 32 in Axialrichtung 8 nebeneinander geführt werden, wie dies für einem bewickelten Stator 12 in 2 dargestellt ist. An den Zahnkörpern 46 sind in Tangentialrichtung 9 verlaufende Rillen 68 ausgebildet, in denen die unterste Lage der Einzelzahnspule 31 geführt wird. Am radialen Ende 70 der Zahnkörper 46 ist jeweils eine Anschlagsfläche 69 in Radialrichtung 7 ausgebildet, die die Einzelzahnspulen 31 auf den Statorzähnen 16 halten.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine Isoliermaske 40 auf einen Statorgrundkörper 13 aufgesetzt und mit einer elektrischen Wicklung 30 bewickelt wurde. Bei dieser Ausführung weist die Isoliermaske 40 einen geschlossenen Ring 43 als Jochkörper 44 auf, von dem sich die Zahnkörper 46 in Radialrichtung 7 erstrecken. Die elektrische Maschine 10 ist hier als Außenläufer ausgebildet, wobei der dargestellte bewickelte Stator 12 mittig fest steht, und ein nicht dargestellter Rotor radial außerhalb der Statorzähne 16 drehbar angeordnet ist. An dem Jochkörper 44 sind wieder mehrere axiale Fortsätze 45 einstückig an diesem angeformt, so dass diese die axiale Dicke 61 des Jochkörpers 44 übertragen. Die axialen Fortsätze 45 dienen als Stützelemente 48, um die die Verbindungsdrähte 33 zwischen den Einzelzahnspulen 31 herum geführt werden. Das Einlegeteil 50 weist in dieser Ausführung einen Basisring 52 auf, der von dem geschlossenen Ring 43 des Jochkörpers 44 umschlossen ist. Von dem Basisring 52 erstrecken sich in Axialrichtung 8 die axialen Stifte 54 innerhalb der axialen Fortsätze 45. Bei dieser Ausführung kann die Isoliermaske mittels Kunststoff-Spritzgießen hergestellt werden, wobei in das Werkzeug nur ein einziges Einlegeteile 50 eingelegt wird. Bevorzugt wird dieses Einlegeteile dabei vollständig umspritzt, sodass das Einlegeteil durch den Kunststoff der Isoliermaske vollständig nach außen elektrisch isoliert ist. In 2 ist erkennbar, wie die Einzelzahnspulen 32 mittels der Verbindungsdrähte 33 miteinander verbunden sind. Die elektrische Wicklung 30 beginnt hier beispielsweise mit einem Drahtanfang 77, wobei auf einem Statorzahn 16 eine erste Einzelzahnspulen 71 gewickelt wird. Diese erste Einzelzahnspule 71 ist mittels einem ersten Verbindungsdraht 75 mit einer zweiten benachbarten Einzelzahnspule 72 verbunden. Dieser erste Verbindungsdraht 75 umschlingt einen ersten axialen Fortsatz 81 an seiner radialen Innenseite 49 in einer ersten axialen Ebene. Nach dem fertigen Wickeln der zweiten Einzelzahnspulen 72 wird der Wickeldraht 32 als zweiter Verbindungsdraht 76 zu einer dritten Einzelzahnspulen 73 geführt, die wiederum insbesondere benachbart angeordnet ist. Dabei wird der zweite Verbindungsdraht 76 in einer zweiten axialen Ebene durch die Kerbe 64 des ersten axialen Fortsatzes 81 radial hindurch geführt. Dabei wird er an der radialen Innenseite 49 und an der tangentialen Stufe 66 eines zweiten axialen Fortsatzes 82 axial beabstandet zur ersten axialen Ebene zur dritten Einzelzahnspulen 73 geführt. Nach dem fertigen Wickeln der dritten Einzelzahnspule 73 wird von dieser ein Drahtende 78 weggeführt. Somit kann hier insbesondere eine Drillingsspule mittels einem einzigen Drahtanfang 77 und einem einzigen Drahtende 78 bestromt werden. In einer weiteren Ausführung kann die Anzahl und die Reihenfolge der nacheinander gewickelten Einzelzahnspulen 31 auch variiert werden. Nach dem Bewickeln der ersten Einzelzahnspule 71 übt der erste Verbindungsdraht 75 eine relativ starke Zugkraft in Radialrichtung 7 nach außen auf den ersten axialen Fortsatz 81 auf. Durch die axialen Stifte 54 des Einlegeteils 50 werden die axialen Fortsätze 45 mechanisch stabilisiert, so dass diese nicht abgeschert werden können. Der Statorgrundkörper 13 ist beispielsweise drehfest auf einer Welle 22 gelagert, wobei der Statorgrundkörper 13 mehrere Speichen 24 aufweist, die sich bis zu dem Jochring 14 erstrecken, von dem radial nach außen die Statorzähne 16 abstehen. Der Statorgrundkörper 13 ist insbesondere aus einzelnen Blechlamellen 26 zusammengesetzt. Die beiden axialen Stirnseiten 18 des Statorgrundkörpers 13 sind hier jeweils mit einer einstückigen Isoliermaske 40 abgedeckt. Die äußeren radialen Enden 20 der Statorzähne 16 bilden durch die Bestromung der Einzelzahnspulen 31 die Magnetpole, die den äußeren Rotor antreiben. Die elektrische Maschine 10 ist dabei als elektrisch kommutierter EC-Motor 10 ausgebildet, wobei der Rotor drehbar zum festen Stator 12 gelagert ist.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So bezieht sich die Erfindung sowohl auf die Verwendung einer Isoliermaske 40 aus einzelnen Winkelsegmenten 41 als auch auf einen geschlossene ringförmige Isoliermaske 40. Die Anzahl der Zahnkörper und die Orientierung der Zahnkörper 46 radial nach außen oder radial nach innen kann dabei variiert werden. Die axialen Fortsätze 45 sind bevorzugt tangential zwischen den Zahnkörpern 46 angeordnet, wobei deren Anzahl und Form und Funktion ebenfalls an die Anforderungen der elektrischen Wicklung 30 angepasst werden kann. Für große Stückzahlen eignet sich die Fertigung mittels Kunststoff-Spritzgießen mit einem oder mehreren Einlegeteilen 50, kleinere Stückzahlen können beispielsweise auch mittels 3D-Drucker gefertigt werden, wobei die Einlegeteile gleich mitgedruckt oder nachträglich eingefügt werden können. Die erfinderische Antriebseinheit 10 eignet sich besonders als Ausführung eines EC-Motors 10 zur Verstellung beweglicher Komponenten oder als Rotationsantrieb im Kraftfahrzeug.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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