DE19920818A1 - Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, sowie elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (10) für eine elektrische Maschine wie beispielsweise einen Elektromotor, wobei der Stator (10) ein Ringjoch (12) mit radial nach innen stehenden Polen (14) aufweist, auf die Spulen (16) aufgesteckt sind. Zur Fixierung der Spulen (16) auf den Polen (14) schlägt die Erfindung vor, die Spulen (10) mit einem keilförmigen inneren und einem rechteckförmigen äußeren Bereich Wicklungsquerschnitt auszubilden und in die zwischen den Spulen (16) bestehenden Zwischenräumen X-förmige Fixierelemente (22) einzusetzen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Derartige Statoren sind an sich bekannt. Sie weisen im wesentlichen radial angeordnete und mit Abstand in Umfangsrichtung voneinander angeordnete Pole auf, die an ihren radial äußeren Enden befestigt sind und deren radial innere Enden frei sind. Die Pole weisen üblicherweise in radialer Richtung einen gleichbleibenden Querschnitt auf, sie können sich allerdings auch in radialer Richtung nach außen erweitern. Üblicherweise haben die Pole einen rechteckigen Querschnitt, sie gehen an ihren radial äußeren Enden üblicherweise in ein ringförmiges oder hohlzylindrisches Joch über.

Von den radial inneren, freien Enden sind ringförmige Spulen auf die Pole aufgesteckt. Die Spulen sind vorgefertigt, sie sind vielfach auf einen elektrisch isolierenden und nicht-magnetischen rohrförmigen Spulenträger mit Flansch­ scheiben an seinen Enden gewickelt. Ein die Spule durchsetzendes Loch hat eine den Polen entsprechende Form und Größe, bei im Querschnitt rechteckigen Polen ist das die Spulen durchsetzende Loch ebenfalls rechteckförmig. Eine weitere Möglichkeit ist es, Wicklungen der Spule in Kunstharz oder Lack einzugießen.

Die Spulen müssen auf den Polen gesichert werden. Dazu ist es bekannt, Scheiben oder Plättchen in Nuten in den Polen einzusetzen. Die Plättchen oder Scheiben befinden sich radial innerhalb der Spulen. Diese Fixiermöglichkeit ist beispielsweise offenbart in der DE 32 44 326 C1. Diese Fixiermöglichkeit hat den Nachteil, daß die Spulen wegen der Scheiben oder Plättchen nicht bis zum radial inneren Ende der Pole reichen können, es geht Bauraum für die Spulen verloren. Des weiteren wird ein durch die Spulen in den Polen erzeugtes Magnetfeld durch die in den Polen angebrachten Nuten beeinflußt und dies gerade im Bereich der höchsten magnetischen Felddichte an den Kanten am freien inneren Ende der Pole.

Um einen möglichst großen Füllgrad zu erreichen, also einen Zwischenraum zwischen den Polen bestmöglich mit den Wicklungen der Spulen auszufüllen, wobei die Spulen trotzdem noch vom radial inneren Ende her auf die Pole aufsteckbar sind, schlägt die EP 793 870 B1 vor, jede zweite Spule mit einem trapezförmigen, sich radial nach innen verjüngenden Wicklungsquerschnitt auszubilden. Eine jeweils dazwischenliegende Spule hat einen rechteckigen Wicklungsquerschnitt. Es werden zunächst die Spulen mit dem trapezförmigen Wicklungsquerschnitt auf jeden zweiten Pol aufgesteckt und anschließend die Spulen mit dem rechteckigen Wicklungsquerschnitt auf die noch freien Pole aufgesteckt. Durch die abwechselnde Anordnung einer Spule mit trapezförmigem, sich nach innen verjüngendem Wicklungsquerschnitt und einer Spule mit rechteckförmigem Wicklungsquerschnitt wird ein zwischen den Polen vorhandener, sich radial nach außen erweiternder Zwischenraum gut ausgenutzt. Eine Sicherungsmöglichkeit für die Spulen auf den Polen ist jedoch nicht offenbart. Der bekannte Stator hat den Nachteil, daß er wegen der abwechselnden Anordnung zweier Spulen mit unterschiedlichem Wicklungsquerschnitt zwingend eine gerade Pohlzahl aufweisen muß. Des weiteren bestehen Fehlermöglichkeiten bei der Montage des Stators durch die Verwendung von Spulen mit zwei unterschiedlichen Wicklungsquerschnitten. Zudem erfordert der bekannte Stator zwei unterschiedlich gewickelte Spulen, was den Herstellungs- und Montageaufwand erhöht.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Stator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist Spulen auf, bei denen eine Wicklungsquerschnittsfläche in einem radial äußeren Bereich der Spulen parallele Seitenflächen aufweist und sich in einem radial inneren Bereich keilförmig verjüngt. Mit Wicklungsquerschnitt ist die Fläche einer die Wicklungen der Spule auf einer einem benachbarten Pol zugewandten Seite eines Pols umhüllenden, geschlossenen Linie gemeint. Im radial äußeren Bereich verläuft eine einem benachbarten Pol zugewandte Außenfläche der Spule parallel zu dem Pol, auf den die Spule aufgesteckt ist. Im radial inneren Bereich bildet die dem benachbarten Pol zugewandte Außenfläche der Spule eine Schrägfläche vorzugsweise parallel zu einer zugewandten Seitenfläche des benachbarten Pols. Aufgrund der Schrägfläche ist es möglich, die benachbarte Spule auf den benachbarten Pol aufzustecken, wenn die vorhergehende Spule bereits auf den Pol aufgesteckt worden ist. Die später aufgesetzte Spule wird beim Aufstecken an der Schrägfläche der bereits zuvor aufgesteckten Spule vorbei geschoben. Durch die keilförmige Vergrößerung des Wicklungsquerschnitts der Spulen vergrößert sich der Wicklungsquerschnitt radial nach außen, wodurch der Zwischenraum zwischen den Polen besser von den Wicklungen der Spulen ausgenutzt wird. Die Wicklungsquerschnittsfläche der Spulen des erfindungsgemäßen Stators ist um über 20% größer als im Vergleich mit Spulen mit einem rechteckigen Wicklungsquerschnitt. Theoretische Berechnungen ergeben eine Erhöhung des Drehmoments um über 10% und eine Steigerung des Wirkungsgrades von über 5% einer elektrischen, mit dem erfindungsgemäßen Stator ausgerüsteten Maschine.

Die erfindungsgemäße Form des Wicklungsquerschnitts der Spulen des Stators bewirkt, daß einander zugewandte Außenflächen benachbarter Spulen sich sowohl radial nach innen als auch radial nach außen voneinander entfernen, ein zwischen den einander zugewandten Außenflächen benachbarter Spulen verbleibender Zwischenraum hat die Form eines X. In diesen verbleibenden Zwischenraum zwischen den einander zugewandten Außenflächen benachbarter Spulen sind beim erfindungsgemäßen Stator Fixierelemente mit im wesentlichen X-förmigem Querschnitt eingesetzt. Dabei genügt es, ein Fixierelement in jedem zweiten Zwischenraum anzuordnen, vorzugsweise ist allerdings in jedem Zwischenraum ein Fixierelement angeordnet, wodurch die Fixierung der Spulen auf den Polen verbessert ist. Die Fixierelemente und die Spulen des erfindungsgemäßen Stators halten einander durch Formschluß wechselseitig, es ist nicht möglich, eine oder mehre Spulen radial nach innen von den Polen herunter zu ziehen oder die Fixierelemente radial nach innen zwischen den Spulen herauszuziehen. Die Anordnung der Spulen auf den Polen und der Fixierelemente zwischen den Spulen ist durch Formschluß selbsthaltend. Dadurch ist auf einfache Weise eine Fixierung der Spulen auf den Polen des Stators bewirkt. Weiterer Vorteil ist, daß die Fixierelemente im wesentlichen nur in Bereichen zwischen den Spulen angeordnet sind, die wegen des Erfordernisses, die Spulen radial von innen auf die Pole aufstecken zu können, ohnehin nicht von den Wicklungen der Spulen eingenommen werden können, durch Fixierelemente geht somit kein Raum verloren, der für eine Vergrößerung des Wicklungsquerschnitts der Spulen nutzbar wäre. Weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Polzahl des Stators beliebig und sowohl gerade als auch ungerade sein kann.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung zum Gegenstand.

Eine optimale Ausnutzung des Zwischenraums zwischen den Spulen ergibt sich gemäß Anspruch 3, wenn sich der Übergang vom radialen äußeren Bereich des Wicklungsquerschnitts der Spulen mit den parallelen Seitenflächen zum keilförmigen inneren Bereich des Wicklungsquerschnitts in halber Höhe der Pole in radialer Richtung des Stators befindet. Die Wicklungsquerschnittsfläche der Spulen ist dann um über 20% größer als bei einer Spule mit rechteckigem Wicklungsquerschnitt. Eine Verschiebung des Übergangs um ungefähr 20% bezogen auf die radiale Höhe der Pole radial nach innen oder nach außen ergibt noch keine wesentliche Verkleinerung der Wicklungsquerschnittsfläche der Spulen und soll als durch Anspruch 3 umfaßt angesehen werden.

Die Spulen des erfindungsgemäßen Stators sind vorzugsweise übereinstimmend ausgebildet, so daß lediglich ein Spulentyp hergestellt werden muß (Anspruch 4). Die Fixierelemente sind gemäß Anspruch 5 federelastisch und liegen mit einer Vorspannung an den Spulen an, wodurch die Spulen spielfrei auf den Polen und die Fixierelemente spielfrei zwischen den Spulen gehalten sind. Außer der spielfreien Halterung der Spulen selbst hat diese Ausgestaltung der Erfindung den Vorteil, daß eine Geräuschbildung durch auf den Polen bewegliche Spulen vermieden wird.

Außer dem Stator als solches betrifft die Erfindung eine mit dem Stator ausgerüstete elektrische Maschine (Anspruch 6) wie beispielsweise einen Generator und insbesondere einen Elektromotor (Anspruch 7).

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Stator in Stirnansicht mit geschnitten dar­ gestellten Spulen; und

Fig. 2 ein Fixierelement des Stators aus Fig. 1 gemäß der Erfindung in perspektivischer Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 dargestellte, erfindungsgemäße Stator 10 ist für eine elektrische Maschine wie einen Generator oder einen Elektromotor, beispielsweise einen Reluktanzmotor vorgesehen. Der Stator 10 weist ein Ringjoch 12 auf, von dessen Innenseite mit dem Ringjoch 12 einstückige Pole 14 radial nach innen abstehen. Die Pole 14 weisen einen rechteckigen Querschnitt auf, der sich über eine radiale Höhe der Pole 14 nicht ändert. Es wird angemerkt, daß der gemeinte Querschnitt der Pole 14 sich jeweils in Sekantenebenen des Stators 10 befindet. Zwischenräume zwischen benachbarten Spulen 14 verengen sich radial von außen nach innen. Das Ringjoch 12 mit den Polen 14 kann in an sich bekannter Weise als Blechpaket aus Dynamoblech hergestellt sein.

Auf jeden Pol 14 ist von einer Innenseite des Stators 10 her eine Spule 16 aufgesetzt. Die Spule 16 kann in an sich bekannter Weiser auf einen rechteckrohrförmigen Träger mit Stirnflanschen gewickelt oder beispielsweise in Kunstharz eingegossen sein. Die Spule 16 hat eine Ringform mit einem durchgehenden, auf den Pol 14 passenden Rechteckloch. Dem jeweils benachbarten Pol 14 zugewandte Außenflächen 18 der Spulen 16 verlaufen in einem radial äußeren Bereich der Spulen 16 parallel zu Seitenflächen 20 des Pols 14, auf dem die jeweilige Spule 16 aufgesetzt ist. Mit Außenflächen 18 sind Hüllflächen der Spulen 16 gemeint. Der radial äußere Bereich der Spulen 16 erstreckt sich über näherungsweise die Hälfte der Erstreckung der Spule 16 in radialer Richtung zum Stator 10. Auf einem sich anschließenden radial inneren Bereich verlaufen die dem benachbarten Pol 14 zugewandten Außenflächen 18 der Spulen 16 parallel zu dessen bezeichneten Seitenflächen 20. Die Spulen 16 weisen also in ihrem radial äußeren Bereich eine in etwa konstante Dicke auf und verjüngen sich im radial inneren Bereich in Richtung radial nach innen. Sie weisen im radial inneren Bereich einen keilförmigen Wicklungsquerschnitt auf. Die Verjüngung der Spulen 16 radial nach innen ermöglicht es, eine Spule 16 von innen auf einen Pol 14 aufzusetzen, wenn auf die beiden benachbarten Pole 14 bereits Spulen 16 aufgesetzt sind. Beim Aufsetzen einer Spule 16 auf einen Pol 14 verschiebt sich deren Außenfläche 18 im radial äußeren Bereich der Spule 16 mit geringem Abstand parallel an der Außenfläche 18 im radial inneren Bereich einer benachbarten, bereits auf den benachbarten Pol 14 aufgesetzten Spule 16 vorbei. Die beschriebene Form der den benachbarten Polen 14 zugewandten Außenflächen 18 der Spulen 16 ermöglicht das Aufsetzen der Spulen 16 auf die Pole 14, wobei die sich radial nach außen erweiternden Zwischenräume zwischen den Polen 14 weitgehend mit den Wicklungen der Spulen 16 gefüllt sind, d. h. der erfindungsgemäße Stator weist einen hohen Füllfaktor auf.

Zwischen den einander zugewandten Außenflächen 18 einander benachbarter, auf die Pole 14 des Stators 10 aufgesetzter Spulen 16 verbleibt ein Zwischenraum, der sich sowohl radial nach innen als auch radial nach außen dreiecksförmig erweitert. In diese Zwischenräume zwischen den einander zugewandten Außenflächen 18 der Spulen 16 ist je ein im Querschnitt X-förmiges Fixierelement 22 gesteckt. Das Fixierelement 22, das in Fig. 2 in größerer Darstellung perspektivisch gezeichnet ist, besteht aus einem elastischen Kunststoff. Es weist zwei einander kreuzende, miteinander einstückige Seitenwände 24 auf, die an ihren Außenrändern durch Querwände 26 einstückig miteinander verbunden sind. Die Querwände 26 sind gewölbt, sie verlaufen bei in den Stator 10 eingesetztem Fixierelement 22 in Umfangsrichtung des Stators 10. Die Fixierelemente 22 lassen sich in achsparalleler Richtung zum Stator 10 in die Zwischenräume zwischen die auf die Pole 14 aufgesetzten Spulen 16 schieben. Durch die X-Form der Fixierelemente 22 und die sich sowohl radial nach außen als auch radial nach innen dreiecksförmig erweiternden Zwischenräume zwischen den Spulen 16 besteht ein Formschluß zwischen den Fixierelementen 22 und den Spulen 16 in radialer Richtung. Durch diesen Formschluß lassen sich weder die Spulen 16 noch die Fixierelemente 22 für sich allein radial nach innen bewegen. Da sich die Zwischenräume zwischen Polen 14 radial nach innen verjüngen, ist es auch nicht möglich, die Spulen 16 gemeinsam mit den Fixierelementen 22 radial nach innen zu bewegen, einander benachbarte Spulen 16 sperren sich gegenseitig über das zwischen ihnen einliegende Fixierelement 22 gegen eine Bewegung radial nach innen, die Spulen 16 sind durch die zwischen ihnen einliegenden Fixierelemente 22 auf den Polen 14 fixiert. Da einander benachbarte Spulen 16 sich gegenseitig über das zwischen ihnen einliegende Fixierelement 22 sperren, genügt es an sich, in jeden zweiten Zwischenraum ein Fixierelement 22 einzulegen.

Die Fixierelemente 22 weisen ein Übermaß in Bezug auf den Zwischenraum zwischen den Spulen 16 auf, d. h. die Fixierelemente 22 werden beim achsparallelen Einschieben zwischen die Spulen 16 elastisch verformt und drücken elastisch mit einer Vorspannung gegen die ihnen zugewandten Außenflächen 18 der Spulen 16. Dadurch wird ein fester und spielfreier Sitz der Spulen 16 auf den Spulen 14 und ein spielfreier Sitz der Fixierelemente 22 zwischen den Spulen 16 erreicht, die Befestigung der Spulen 16 am Stator 10 ist klapperfrei. Zur spielfreien Befestigung der Spulen 16 und der Fixierelemente 22 weisen die Fixierelemente 22 Wulste 28 (Fig. 2) an Außenflächen ihrer Seitenwände 24 auf, mit denen sie an den ihnen zugewandten Außenflächen 18 der Spulen 16 unter elastischer Verformung der Seitenwände 24 der Fixierelemente 22 anliegen.

Claims (7)

1. Stator für eine elektrische Maschine, mit im wesentlichen radial angeordneten, in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Polen, deren radial innere Enden zum Aufstecken von Spulen frei sind, und mit auf die Pole aufgesteckten Spulen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wicklungsquerschnitt der Spulen (16) zwischen den Polen (14) in einem radial inneren Bereich der Spulen (16) eine Keilform, die sich in radialer Richtung nach außen verbreitert, und in einem radial äußeren Bereich der Spulen (16) in etwa parallele Seitenflächen (18) aufweist, und daß in einem Zwischenraum zwischen zwei Polen (14) ein Fixierelement (22) angeordnet ist, das einen im wesentlichen X-förmigen Querschnitt aufweist und das zwischen einander zugewandten Außenflächen zweier benachbarter Spulen (16) einliegt und diese auf den Polen (14) fixiert.

2. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einer benachbarten Spule (16) zugewandte Außenfläche (18) einer Spule (16) im radial inneren Bereich der Spule (16) in etwa parallel zu einer dieser Spule (16) zugewandten Seitenfläche (20) eines benachbarten Pols (14) ist.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der keilförmige Bereich des Wicklungsquerschnitts der Spulen (16) zwischen den Polen (14) über etwa die Hälfte einer radialen Höhe der Pole (14) erstreckt.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (16) des Stators (10) übereinstimmend ausgebildet sind.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierelemente (22) federelastisch sind und mit einer Vorspannung an den einander zugewandten Außenflächen (18) zweier benachbarter Spulen (16) anliegen.

6. Elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Stator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine ein Elektromotor ist.