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WO2001069761A1 - Verfahren zur herstellung einer baugruppe einer elektrischen maschine und nach diesem verfahren herstellbare baugruppe, elektrische maschine mit einer derartigen baugruppe - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer baugruppe einer elektrischen maschine und nach diesem verfahren herstellbare baugruppe, elektrische maschine mit einer derartigen baugruppe Download PDF

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WO2001069761A1
WO2001069761A1 PCT/EP2001/002624 EP0102624W WO0169761A1 WO 2001069761 A1 WO2001069761 A1 WO 2001069761A1 EP 0102624 W EP0102624 W EP 0102624W WO 0169761 A1 WO0169761 A1 WO 0169761A1
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electrical machine
coil
iron particles
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Andreas GRÜNDL
Bernhard Hoffmann
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Compact Dynamics Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing an assembly of an electrical machine and assembly that can be produced by this method, and to an electric motor with such an assembly.
  • the assembly of an electrical machine is understood to mean both a stator of an electrical machine and, under certain conditions - described below - a rotor.
  • An electrical machine is both an electrical motor and an electrical generator, regardless of whether the electrical machine is designed as a rotating machine or, for example, as a linear motor.
  • stator or rotor windings are either prefabricated and insulated form coils that are inserted into the open slots. When the slots are closed, the winding wires must be threaded from the face of the laminated core so that a corresponding coil is created.
  • a development coming from a completely different area is to provide finely pulverized soft iron particles with a thermoplastic coating.
  • An iron powder is suitable for this, in which iron particles with a diameter of approximately 20-150 ⁇ m have a coating of polyethylene of approximately 2-10 ⁇ m.
  • Such powder is described, for example, in SAE Technical Paper Series, "P / M Cores for Pulsed DC Ignition Systems", David E. Gay, International Congress & Exposition, Detroit, MI, February 24-27, 1997.
  • the materials described therein are suitable for carrying out the invention. However, it is also possible to use corresponding material from other manufacturers with similar properties for the process according to the invention.
  • the invention is based on the problem of fundamentally simplifying this process so that it becomes significantly less expensive.
  • the solution to this problem according to the invention consists in a method for producing an assembly of an electrical machine with the following steps: - Manufacturing at least part of a winding of a rotor or stator of an electrical machine; - Positioning the at least part of the winding in a mold, the cavity shape of which reproduces at least part of the assembly;
  • the elaborate assembly step to insert the winding into the grooves of the sheet metal parts is evidently not necessary here.
  • the assembly and alignment of the bleaching parts to one another is no longer necessary.
  • the winding can be virtually completely surrounded by the soft iron particles, so that no winding heads are created.
  • the wires of the winding are not received in preformed slots. Rather, the soft iron particles adhere directly to the wires of the winding, so that there is practically no air gap between the wires of the winding and the molded body made of soft iron particles (apart from the material thickness of the plastic coating of the soft iron particles).
  • the soft iron particles introduced into the casting mold are mechanically compressed to such an extent before the heat treatment that none There are more air pockets in the powder made of soft iron particles or at interfaces between the powder and the coil (s). This can be done by shaking, vibrating the mold, compressing by means of a stamp, or the like. , or can also be achieved by combinations of the individual aforementioned methods.
  • a recess is formed in the soft iron particles introduced into the casting mold before or during the heat treatment, in which an electronic circuit (for example a control circuit or a sensor assembly) for the electrical machine is introduced.
  • an electronic circuit for example a control circuit or a sensor assembly
  • the ends of the coil (s) can end in this recess, so that the electronic circuit can be connected directly to it.
  • the heat treatment step is carried out in such a way that the insulation of the winding wire (made of lacquer, plastic, enamel or ceramic) is not damaged.
  • the heat treatment is preferably carried out at about 250 ° to 350 ° Celsius until the soft iron particles are surrounded by a uniform, molten plastic coating, without the iron particles coming to any appreciable extent into a magnetically (or electrically) conductive connection.
  • the coil forming the short-circuit rotor is produced by casting.
  • the coil can be made by punching out recesses from a circular cylindrical tube made of aluminum or copper. be put. In both cases, the coil produced in this way is then surrounded with the soft iron particles and heat-treated.
  • the invention also relates to an assembly for an electrical machine, in which a coil is at least partially surrounded by iron, the iron being formed by interconnected soft iron particles with a thermoplastic plastic coating.
  • the invention also relates to an electrical machine with a stator and / or a rotor, which is formed by such an assembly.
  • a shaft is introduced into the powder in the rotor before the compression and the heat treatment, the shaft having an outer polygon or projections, so that the shaft rotates after the compression and the heat treatment (and cooling) and is captively accommodated in the rotor assembly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektrischen Maschine mit den Schritten: Fertigen wenigstens eines Teils einer Spule eines Läufers oder Ständers einer elektrischen Maschine; Positionieren des wenigstens eines Teils der Spule in einer Gußform, deren Hohlraumgestalt zumindest einen Teil der Baugruppe wiedergibt; Einfüllen von Weicheisenpartikeln mit einem termoplastischen Kunststoffüberzug in die Gußform; Wärmebehandeln der gefüllten Gußform, bis der Kunststoffüberzug der Weicheisenpartikel erweicht; Erkaltenlassen der der gefüllten Gußform; und Entnehmen der Baugruppe aus der Gußform.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektrischen Maschine und nach diesem Verfahren herstellbare Baugruppe, elektrische Maschine mit einer derartigen Baugruppe
Beschreibung
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektrischen Maschine und nach diesem Verfah- ren herstellbare Baugruppe sowie einen Elektromotor mit einer derartigen Baugruppe.
Begriffsdefinitionen
Unter Baugruppe einer elektrischen Maschine wird hierbei so- wohl ein Ständer einer elektrischen Maschine, als auch unter bestimmten - weiter unten beschriebenen - Voraussetzungen ein Läufer verstanden. Eine elektrische Maschine ist hierbei sowohl ein elektrischer Motor als auch ein elektrischer Generator, gleichgültig ob die elektrische Maschine als rund lau- fende Maschine oder zum Beispiel als Linearmotor ausgestaltet ist .
Stand der Technik
Im Stand der Technik ist es bekannt, die magnetisch leitenden Teile einer elektrischen Maschine (insbesondere einer Wechselstrommaschine) wegen der sonst auftretenden Wirbelströme aus Blechen aufzubauen. Für die Blechpakete werden dabei typischerweise zwischen 0.35 mm und 1.5 mm dicke, einseitig oder doppelseitig isolierte Blechtafeln aus Dynamoblech (warmgewalztes Elektroblech) in entsprechend geformte Streifen geschnitten. Aus diesen Streifen werden Ständer- und Lau- ferbleche mit jeweiligen Ausnehmungen gestanzt, wobei ein möglichst geringer Abfall angestrebt wird. Die solcherart hergestellten Ständer- und Läuferbleche werden aufeinander geschichtet und unter Druck zu Blechpaketen vereint, bei de- nen die Ausnehmungen der einzelnen Bleche Nuten für die anschließend einzubringenden Ständer- bzw. Läuferwicklungen bilden.
Diese Ständer- bzw. Läuferwicklungen sind entweder vorgefer- tigte und isolierte Formspulen, die in die offenen Nuten eingelegt werden. Bei geschlossenen Nuten müssen die Wicklungsdrähte von der Stirnseite der Blechpakete eingefädelt, so daß eine entsprechende Spule entsteht.
Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise ist zwar in einigen Details weiter entwickelt worden. Dennoch ist dies im Prinzip die seit vielen Jahrzehnten bewährte und angewendete Methode um elektrische Maschinen herzustellen, ohne daß sich daran grundlegend etwas geändert hätte. Allerdings zeigt die obige Darstellung auch, daß die Herstellung sehr aufwendig ist, beim Stanzvorgang der Bleche Stanzabfälle anfallen und daß der Einbringvorgang der Wicklungen bzw. der Wicklungs- drähte in die Nuten sehr zeitintensiv ist. Außerdem sind hierbei sog. Wicklungsköpfe (über die Stirnfläche der Blech- pakete hinausragende Abschnitte der Wicklungen) unvermeidbar, welche keinen Wirkungsbeitrag zu der Leistung der elektrischen Maschine liefern.
Eine aus einem völlig anderen Gebiet kommende Entwicklung be- steht darin, fein pulverisierte Weicheisenpartikel mit einem termoplastischen Kunststoffuberzug zu versehen. Besonders gut eignet sich hierbei ein Eisenpulver, bei dem Eisenpartikel mit etwa 20 - 150 μm Durchmesser einen Überzug aus Polyethy- len von etwa 2 - 10 μm haben. Derartiges Pulver ist zum Beispiel in SAE Technical Paper Series , "P/M Cores for Pulsed DC Ignition Systems", David E. Gay, International Congress & Exposition, Detroit, MI, February 24 - 27, 1997 beschrieben. Die darin beschriebenen Materialien eignen sich zur Ausführung der Erfindung. Es ist jedoch auch möglich, entsprechendes Material von anderen Herstellern mit ähnlichen Eigen- schatten für das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzen.
Die Erfinder haben festgestellt, daß sich derartiges Material in überraschender Weise hervorragend dazu eignet, den Herstellungsvorgang für elektrische Maschinen bzw. deren Bau- gruppen konzeptionell völlig anders zu gestalten, wobei sogar elektrische Maschinen herstellbar sind, die zum Teil bessere elektrische Eigenschaften haben als von der Größe, Bauart etc. vergleichbare herkömmliche elektrische Maschinen.
Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
Ausgehend von der eingangs beschriebenen Vorgehensweise für die Herstellung einer elektrischen Maschine liegt der Erfindung das Problem zugrunde, diesen Vorgang grundlegend zu vereinfachen, damit er signifikant kostengünstiger wird.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektrischen Maschine mit folgenden Schritten: - Fertigen wenigstens eines Teils einer Wicklung eines Läu- fers oder Ständers einer elektrischen Maschine; - Positionieren des wenigstens eines Teils der Wicklung in einer Gußform, deren Hohlraumgestalt zumindest einen Teil der Baugruppe wiedergibt;
- Einfüllen von pulverisierten Weicheisenpartikeln mit einem termoplastischen Kunststoffuberzug in die Gußform;
- Wärmebehandeln der gefüllten Gußform, bis der Kunststoffuberzug der Weicheisenpartikel erweicht;
- Erkaltenlassen der der gefüllten Gußform; und
- Entnehmen der Baugruppe aus der Gußform.
Diese völlig neuartige Weise der Herstellung von elektrischen Maschinen bzw. deren Bauteilen hat eine Reihe von signifikanten Vorteilen:
Ersichtlich entfällt hier der aufwendige Montageschritt, die Wicklung in die Nuten der Blechteile einzulegen. Außerdem ist die Montage und Ausrichtung der Bleichteile zueinander nicht mehr notwendig. Des weiteren kann die Wicklung praktisch vollständig von den Weicheisenpartikeln umgeben sein, so daß keine Wicklungsköpfe entstehen. Außerdem sind die Drähte der Wicklung nicht in vorgeformten Nuten aufgenommen. Vielmehr haften die Weicheisenpartikel direkt an den Drähten der Wicklung an, so daß zwischen den Drähten der Wicklung und dem Formkörper aus Weicheisenpartikeln praktisch kein Luftspalt (außer der Materialdicke des Kunststoff-Überzuges der Weicheisenpartikel) vorhanden ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wer- den die in die Gußform eingebrachten Weicheisenpartikel vor der Wärmebehandlung mechanisch soweit verdichtet, daß keine Lufttaschen in dem Pulver aus Weicheisenpartikeln oder an Grenzflächen zwischen dem Pulver und der/den Spulen mehr vorhanden sind. Dies kann durch Rütteln, Vibrieren lassen der Gußform, Komprimieren mittels eines Stempels, oder dergl . , oder auch durch Kombinationen der einzelnen vorgenannten Verfahren erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in die in die Gußform eingebrachten Weicheisen- partikel vor oder bei der Wärmebehandlung eine Ausnehmung eingeformt, in der eine elektronische Schaltung (zum Beispiel eine Steuerschaltung oder eine Sensorbaugruppe) für die elektrische Maschine eingebracht wird. Dabei können die Enden der Spule/n in dieser Ausnehmung enden, so daß die elektronische Schaltung direkt mit diesen verbunden werden kann.
Der Schritt der Wärmebehandlung erfolgt dabei in einer Weise, daß die Isolierung des Wicklungsdrahtes (aus Lack, Kunststoff, Email oder Keramik) nicht beschädigt wird. Vorzugswei- se erfolgt die Wärmebehandlung mit etwa 250° - 350° Celsius, solange bis die Weicheisenpartikel mit einem gleichmäßigen geschmolzenen Kunststoffuberzug umgeben sind, ohne daß die Eisenpartikel in nennenswertem Umfang miteinander in eine magnetisch (oder elektrisch) leitende Verbindung kommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, das sich insbesondere zur Herstellung eines Läufers eines Asynchronmotors eignet, wird die den Kurzschluß- Läufer bildende Spule durch Gießen hergestellt. Alternativ dazu kann die Spule durch Ausstanzen von Aussparungen aus einem kreiszylindrischen Rohr aus Aluminium oder Kupfer herge- stellt werden. In beiden Fällen wird anschließend die so hergestellte Spule mit den Weicheisenpartikeln umgeben und wärmebehandelt .
Die Erfindung betrifft auch eine Baugruppe für eine elektrische Maschine, bei der eine Spule zumindest teilweise mit Eisen umgeben ist, wobei das Eisen durch miteinander verbundene Weicheisenpartikel mit einem termoplastischen Kunststoffuberzug gebildet ist. Schließlich betrifft die Erfindung auch ei- ne elektrische Maschine mit einem Ständer und/oder einem Läufer, der durch eine solche Baugruppe gebildet ist.
In den Läufer wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vor dem Verdichten und der Wärmebehandlung eine Welle in das Pulver eingebracht, wobei die Welle einen Außen- mehrkant oder Vorsprünge aufweist, damit nach dem dem Verdichten und der Wärmebehandlung (und dem Erkalten) die Welle drehtest und unverlierbar in der Lauferbaugruppe aufgenommen ist .
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß auch andere elektrische Komponenten mit induktiven Komponenten, zum Beispiel Drosseln oder Transformatoren mit diesem neuartigen Verfahren hergestellt werden können.

Claims

Ansprüche
1. Ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektrischen Maschine mit folgenden Schritten: - Fertigen wenigstens eines Teils einer Spule eines Läufers oder Ständers einer elektrischen Maschine;
- Positionieren des wenigstens eines Teils der Spule in einer Gußform, deren Hohlraumgestalt zumindest einen Teil der Baugruppe wiedergibt; - Einfüllen von Weicheisenpartikeln mit einem termoplastischen Kunststoffuberzug in die Gußform;
- Wärmebehandeln der gefüllten Gußform, bis der Kunststoffuberzug der Weicheisenpartikel erweicht;
- Erkaltenlassen der der gefüllten Gußform; und - Entnehmen der Baugruppe aus der Gußform.
2. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, bei dem die in die Gußform eingebrachten Weicheisenpartikel vor der Wärmebehandlung rae- chanisch verdichtet werden.
3. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, bei dem in die in die Gußform eingebrachten Weicheisenpartikel vor oder bei der Wärmebe- handlung eine Ausnehmung zur Aufnahme einer elektronische Schaltung eingeformt wird.
4. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Wär- mebehandlung in einer Weise erfolgt, daß die Isolierung der Spule unbeschädigt bleibt .
5. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektrischen Maschine nach Anspruch 4, bei dem die Wärmebehandlung mit etwa 250° - 350° Celsius solange erfolgt, bis die Weicheisenpartikel mit einem gleichmäßigen geschmolzenen
Kunststoffuberzug umgeben sind, ohne daß die Eisenpartikel in nennenswertem Umfang miteinander in eine magnetisch oder elektrisch leitende Verbindung kommen.
6. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Teils der Spule aus Aluminium oder Kupfer hergestellt wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektri- sehen Maschine nach Anspruch 1, bei dem die Spule durch Gießen hergestellt wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, bei dem die Spule durch Aus- stanzen von Aussparungen aus einem kreiszylindrischen Rohr aus Aluminium oder Kupfer hergestellt wird.
9. Baugruppe für eine elektrischen Maschine, bei der eine Spule zumindest teilweise mit Eisen umgeben ist, dadurch ge- kennzeichnet, daß das Eisen durch Weicheisenpartikel mit einem termoplastischen Kunststoffuberzug gebildet ist.
10. Elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer und/oder der Läufer durch eine Baugruppe nach Anspruch 9 gebildet ist.
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