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WO2011026795A1 - Stator mit separat gefertigten zahnköpfen - Google Patents

Stator mit separat gefertigten zahnköpfen Download PDF

Info

Publication number
WO2011026795A1
WO2011026795A1 PCT/EP2010/062564 EP2010062564W WO2011026795A1 WO 2011026795 A1 WO2011026795 A1 WO 2011026795A1 EP 2010062564 W EP2010062564 W EP 2010062564W WO 2011026795 A1 WO2011026795 A1 WO 2011026795A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tooth
stator
radial
necks
heads
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/062564
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Achim Neubauer
Bruno Holzwarth
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to CN2010800391734A priority Critical patent/CN102484399A/zh
Publication of WO2011026795A1 publication Critical patent/WO2011026795A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/146—Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles
    • H02K1/148—Sectional cores

Definitions

  • Electric machines such as electric motors, starters and generators are usually constructed of stator and rotor.
  • stators the iron-containing body is often made of sheet metal as a stamped part in the full-cut process, i. that the lamellae are connected over the entire circumference.
  • the stamped sheets are also called slats.
  • Stators made in the full-cut process are also referred to as one-piece.
  • stators In lamellae from a full section or one-piece stators are the yoke, the teeth and the plug-in tooth heads contiguous -also without
  • Trennstelle- constructed In the axial direction, such stators exist
  • integral laminations may also be made by other methods than punching, e.g. by laser cutting.
  • a coil - usually made of copper - is wound around the teeth.
  • the torque of a motor or starter to be output increases, inter alia, with the current flowing through the windings and the number of windings wound around the teeth.
  • the voltage generated increases with the number of turns wound around the teeth.
  • the teeth In order to reduce the occurrence of cogging torque and ripple in a motor, the teeth often have tooth tips. When winding one-piece stators with tooth heads, a corridor must be kept free between the adjacent teeth heads, so that the
  • stators are often built without a tooth head, because the tooth head is disturbing when winding stators, which are made in the full-cut process.
  • the copper fill factor is the sum of the cross section of the inserted copper wires divided by the cross section between the individual teeth. If only a very small cogging torque and only a slight ripple are permitted for the electric machine, however, tooth heads are often necessary. Then - because a certain corridor is to be kept free between the tooth tips - only an average copper fill factor can be achieved. This is usually less than 35% for needle winding. Frequently, electrical machines require such a high power density (space for the power output) that can only be achieved with a copper fill factor of more than 35%.
  • the described in DE 10 2004 056 303 AI and thus known motor, where a sleeve is placed over the teeth, has two major disadvantages:
  • the teeth are firmly attached to the yoke.
  • the sleeve has recesses into which the teeth are joined.
  • the recesses are contiguous and have a fixed distance. Since the teeth are firmly connected to the yoke and the
  • Recesses are firmly assembled over the sleeve, all parts must be made with a very high manufacturing accuracy, so that the teeth can be added to the sleeve. This is very difficult to manufacture and can only be achieved with limited accuracy. Is the distance between the recesses of the sleeve not exactly the distance of the joining region in the teeth (ie the
  • the joining of the sleeve over / into the teeth is very complicated or not possible. Due to the constantly changing alternating field, an eddy current in the axial direction is generated in the stator. The eddy current that occurs in the stator increases the idle torque and generates heat. Usually - especially in engines that are used for electric power steering - the idling torque should be as low as possible. To prevent the engine components from becoming too warm, the heat generated in the stator should generally be kept low. In order to keep the eddy currents low, stators are usually constructed of lamella plates, which are insulated from each other in the axial direction. The insulation is very thin and has virtually no influence on the amount of iron in the lamellae.
  • the sleeve described in DE 10 2004 056 303 A1 In order that the detent torque and the waviness can be reduced by the sleeve described in DE 10 2004 056 303 A1, it must be constructed from a ferromagnetic material.
  • the sleeve described in DE 10 2004 056 303 AI is axially continuous, it does not consist of mutually insulated laminations. Since ferromagnetic substances are also electrically conductive and the sleeve is connected in the axial direction, a significantly higher eddy current can occur in the stator in the region of the sleeve than in stators which have no such sleeve. Thus, in engines with this sleeve, the idle torque and heat generated is increased.
  • the stator according to the invention and the inventive method for producing a stator with the features of the independent claims has the advantage that the stator allows a high Kupferglallmine, and has a later mountable tooth head to reduce cogging torque and ripple. Due to the subsequent installation of the tooth head, the winding does not have to be wound within a space that is difficult to access, which significantly increases the copper filling factor can be.
  • the shape of the tooth head can be adjusted as required.
  • the stator can thus have a high rigidity (stability) and the geometrical tolerances (dimension and shape and position tolerances) can be very good and are produced by means of stamping. The idle torque is thereby minimized and there is little heat generated in the stator.
  • the main advantage of the proposal is that the tooth tip is not put on the tooth until the coil / coil around the tooth is already attached. Then no corridor for the winding tool must be kept between the tooth tips and it can thus achieve a higher copper fill factor than stators, which are constructed with integral lamellae.
  • the proposed plug-in tooth head is installed in a stator consisting mainly of a yoke (stator ring) with stator teeth, a
  • Cap / insulation consists of a tooth neck and windings. Although the wires of the windings have insulation, an additional cap, overmold or paper is usually used as insulator and protection.
  • caps are placed over the teeth or tooth necks, which isolate the windings from the sheets / iron, which guide the wires during winding and which later provide a hold for the windings during operation.
  • the caps are preferably made of a material that is not conductive.
  • the cap is usually made of plastic.
  • the yoke, the stator tooth and the tooth tip can be encapsulated in the region of the winding with a material which is not current-conducting and which also has the winding opposite the one
  • the cap or the encapsulation leads during winding the wires and protects them from damage and later forms a firm hold for the winding during operation.
  • the caps can also be replaced by paper.
  • the tooth head is - after the winding is applied to the stator - placed in the radial or axial direction on the tooth. For this contains the
  • Tooth head as a radial extension a "plug" and the stator tooth as
  • the contour of the plug and the groove are designed so that after the joining of the tooth head is positively or non-positively and positively secured to the tooth neck. If the tooth head is axially (ie in the longitudinal direction) joined to the tooth, the area to be inserted may only have a minimum height, so that he with the tooth head
  • the tooth heads receive a weld over the entire axial length. This would increase the cohesion of the individual lamellae of the tooth head in addition.
  • the stator can on the one hand be acoustically vibration-proof - e.g. against ovalization or triangulation - be formed, and on the other hand, the tooth head can be aligned very precisely with respect to the rotor.
  • the winding takes place in the stator preferably with a needle winder.
  • Plastic parts or papers are put on the teeth or the teeth and tooth tips are overmolded.
  • the teeth, which are already surrounded by the insulation / cap or molded, are wound, preferably with a needle winder.
  • the tooth heads are then joined to the teeth.
  • the insulating plastic parts and / or the tooth heads are inserted in the radial or axial direction on the teeth.
  • connection points Connecting the wire ends is complex and there is always the risk that the wires come loose at the connection points.
  • the further interconnection of the coils can e.g. done with the help of a wiring plate.
  • the disadvantage here is that the measures to avoid the mutual contact of the different winding coils are complex.
  • the plastic parts are wound outside the stator and then put on the teeth.
  • Plastic parts are individually wound on a device. This is done so that for each stator tooth, a plastic part is wound, in which case usually two tooth ends are present per tooth. The wire ends are then linked later depending on the desired interconnection. The plastic parts including winding are then added to the teeth.
  • the tooth heads are added to the teeth.
  • the advantage here is that the winding of the coils can be done very easily and inexpensively, a very high Kupfer yogall310 can be achieved, and that the individual windings and coils can be safely protected against mutual contact. This can e.g. be effected in that on the plastic part, a movable wall is formed, which lays when joining the tooth head to the coil or an additional insert is inserted.
  • the plastic parts are wound in a machine system.
  • all plastic caps are added simultaneously in a device and the order in which the teeth are wound is arbitrary and the wire can be over any
  • Number of coils to be continuous It can e.g. two adjacent teeth are wound in succession and then several teeth are skipped before the next tooth is wound. After that, the
  • the winding is produced in a further embodiment in a device without this being wound around a plastic cap.
  • the winding is made as an "air coil.”
  • the order in which the teeth are wound is arbitrary, and the wire may be over any number of coils
  • FIG. 1 shows a stator according to the invention
  • FIG. 2 shows a stator tooth according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a detail of a stator tooth according to an alternative
  • Figure 4 shows an electric machine with inserted tooth heads according to
  • FIG. 3 shows a detail of a further stator tooth, for example
  • FIG. 1 shows a stator 1 with a stator ring 2 embodied as a yoke.
  • Statorzähne 14 are arranged on the stator ring 2 on which the winding coils 3 are wound.
  • the winding coils 3 are arranged here on a plastic insert 4, which isolates the winding 3 relative to the stator 1.
  • the stator teeth 14 have tooth necks 54, in which separately manufactured tooth heads 5 are inserted.
  • On the outer circumference of the stator 1 are
  • stator 1 in a housing 74 of an electric machine can be attached (see Figure 4).
  • the stator ring 2 and the tooth tips 5 are made of several layered ones
  • Laminations constructed, which generally have substantially the same thickness. For simplicity, the separation points of the individual slats are not shown to each other in the figures.
  • a rotor 70 is arranged, which is mounted by means of a rotor shaft 72 in the housing 74 of the electric machine 71, as shown in Figure 4 can be seen.
  • a Verschaltungspatte axially arranged over the windings 3 (not shown) by means of which the individual winding strands interconnected and, for example, can be commutated electronically.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a separately manufactured tooth head 5, which has a radial projection (plug) 7 with a width 9.
  • the extension 7 has a thickening 90 with a width 12 in the circumferential direction 37.
  • the thickening 90 here has a radial length 10 and a radial distance 11 from a contact surface 30 of the tooth head 5.
  • the thickening (90) is the thickening (90)
  • the contact surface 30 is formed here as a symmetrical wedge-shaped planar surfaces, whereby the tooth head 5 when inserted into the tooth neck 54th has another centering.
  • the tooth head 5 has a width 13 which cooperates with the rotor 70.
  • a weld 52 may connect the fins.
  • Figure 3 shows a laminated core of a stator 1, which is constructed of a plurality of layered lamellae and the lamellae are held together by way of example by means of punching nubs 15.
  • the laminated core contains mainly the yoke 2 and the teeth 14.
  • the tooth necks 54 have a recess 21 with a curved recess 16.
  • the contact surfaces 30, which preferably lie flat against corresponding mating surfaces 40 of the tooth necks 54 are aligned obliquely to the radial direction 35.
  • the tooth heads 5 are inserted into the curved depressions 16 of the tooth necks 54 with straight or curved extensions 7 a.
  • the windings 3 are not shown in this figure.
  • the latter are here optionally additionally welded. This is for example a
  • Welding point 53 arranged at the axial end of the stator. Shown is a laminated core of a stator 1, which is composed of a plurality of laminated laminations, wherein the lamellae are held together by way of example by means of punching nubs 15.
  • the laminated core mainly contains the yoke 2, the teeth 14 with the attached tooth heads 5.
  • the recess 21 in the tooth neck 54 is shown enlarged.
  • an undercut 76 is shown with the depth 22 and the width 24, which is formed at a distance 23 from the counter surface 40.
  • the undercut 76 forms a widening 56, which receives the corresponding thickening 90 of the extension 7.
  • the corners of the recess 21 may be formed as curves 61, 65.
  • the width 25 of the recess 21 can expand elastically or partially plastically when inserting the extension 7.
  • the tooth head 5 according to FIG. 6 has an extension 7, which is widened at its end as a thickening 90, so that it joins in the widened region during joining 56 of the recess 21 engages.
  • the extension 7 can fit well into the recess 21, he has a hole 31, whereby he receives a high elasticity.
  • the joining force is reduced when inserting the extension 7 in the recess 21 and the extension 7 and the recess 21 are only so strongly deformed during joining that the tooth head 5 holds securely on the tooth neck 54.
  • the quality of the shape and position tolerances is not significantly impaired by the resulting during the joining deformation.
  • the thickening 90 with the hole 31 is in this case formed as a closed ring 80.
  • the ring 80 may differ in its outer shape as well as the shape of the hole 31 from a circle.
  • FIG. 7 Shown in Figure 7 is a section of a stator 1 as in Fig. 6, but the extension 7 has two elastic strap 44, which forms a thickening 90.
  • bracket 44 There are also versions with exactly one or more bracket 44 possible; Here two brackets 44 are exemplified.
  • the advantage here is that the connection is even more elastic and the joining force compared to the construction of FIG. 6 are even lower and the elastic strap 44 hold the extension 7 still safe.
  • the contact surfaces 30 of the tooth head 5 and the corresponding mating surfaces 40 of the tooth neck 54 are aligned here approximately perpendicular to the radial direction 35.
  • the recess 21 here has no undercut 76, in a variant, the bracket 44 can form a positive connection with an undercut 76.
  • a dowel pin can be inserted axially into the hole 31 of the open or closed ring 80.
  • the dowel pin not shown here should be designed as a press fit to the hole 31.
  • FIG. 8 shows an embodiment where the recess 21 in the tooth neck 54 has a bearing journal 45.
  • the recess 21, the contact surface 30, 40 and the extension 7 are coordinated so that when joining the tooth head 5 in the tooth neck 54, the bracket 44 abut the bearing pin 45 before the Abutment surfaces 30 of the tooth head 5 abut against the contact surfaces 40 of the tooth neck 54.
  • the dimensions are chosen so that when the tooth head 5 is completely joined in the tooth neck 54, the bracket 44 is elastic and / or plastic
  • Circumferential direction 37 spread This version is particularly suitable for
  • the tooth necks 54 have a recess 21 with a tangential recess 60.
  • the tooth head 5 has an extension 7 which is provided with a hook 55.
  • the embodiment shown here is particularly suitable when the tooth head 5 is to be inserted in the radial direction 35 on the tooth 14.
  • the projection 7 is wider in the region of the hook 55 than the width 25 of the recess 21. Therefore, the recess 21 expands when the projection 7 is inserted into the recess 21.
  • the expansion is elastic, but it can also be elastic and plastic depending on the design. If, when joining the extension 7 of the hook 55 has entered the recess 60, the hook 55 engages in the recess 60 and the
  • the hook 55 preferably has a plurality of insertion bevels 69.
  • the insertion bevels 69 can also be rounded.
  • the recess 21 to increase the strength at the corners rounding 61, 65 or other shape that reduces the notch effect.
  • Adhesive is attached to improve the retention of the tooth head 5 on the tooth neck 54.
  • the adhesive is attached to the chamfers 69, but it may also be attached to one or more other locations.
  • the recess 21 does not dilate unnecessarily strong, the depth 68 of the hook 55 is executed only so strong that the tooth head 5 is securely fixed by the hook connection on the tooth neck 54.
  • a significant advantage of this embodiment is that the gap 21 can be widened elastically over a large area by the existing spacing 67, and thus the widening of the recess 21 during joining is completely or almost completely reduced after completion of the joining and the extension 7 the recess 21 almost completely completed.
  • connection of the tooth head 5 with the tooth neck 54 can also be done as a combination of the illustrated connection types.
  • the expansion occurring during the joining of the extension 7 in the recess 21 is relatively small and has no influence or only a negligible influence on the winding 3. If the electric
  • Machine operated occurs in the stator 1 and the rotor 70 in a magnetic flux.
  • the projection 7 at least approximately fills the recess 21 and the components are designed so that the gaps between the extension 7 and the recess 21 and the tooth head 5 and the tooth neck 54, and in particular on the abutment surfaces 30, 40 between the tooth head 5 and the tooth neck 54 are minimized.
  • FIG. 10 shows a further connection of a tooth head 5 with a tooth neck 54, in which the thickening 90 is formed asymmetrically with respect to the circumferential direction 37.
  • the thickening 90 has a different shape on both sides of an imaginary radial center line 27 of the extension 7.
  • the two webs 78, 79 which form the recess 21, in the region of the tangential depressions 60, preferably each have the same radial extent 28 between the two Recess 21 and the respective edge 29 of the tooth neck 54 in the circumferential direction 37.
  • the recess 21 is not mirror-symmetrical to a plane of symmetry 26 of the tooth neck 54, which extends centrally between the two radial expansions 28.
  • the shape and the exact positioning of the thickening 90 is selected so that the tooth head 5 rests permanently on the V-shaped mating surfaces 40 by means of its cold deformation after insertion by means of a radial undercut 76.
  • the thickening 90 can also be designed as opposite latching hooks 55.
  • the tooth heads 5 consist of the same slats / sheets.
  • the tooth heads 5 are composed of lamellae / metal sheets, and not every lamella has an extension 7.
  • lamellae without extension 7 is at the points of the tooth head 5, where else the extension 7, a free space.
  • the tooth head 54 in the region of the extension 7 is more elastic, which is particularly useful when the tooth head 5 in the axial direction 36 - is joined.
  • stator ring 2 and / or the tooth head 5 are constructed of layered lamellae, they can be connected to one another, for example, by stamped nubs 15, 8 and / or rivets and / or welding and / or gluing and / or baked enamel.
  • the tooth head 5 with the various geometries and / or the yoke 2 and the tooth necks 54 made of sintered ferritic steel are constructed.
  • Sintered ferritic steel components conduct electricity less well than conventional ferritic steel. Therefore, eddy currents can form in sintered components, but they are usually lower than in solid bodies of conventional ferritic steel, if the body is thus not formed in one piece of lamellae, which are insulated from each other.
  • Sintered ferritic steel components are magnetic but their properties are less favorable than conventional ferritic steel. Toothed heads made of sintered ferritic steel are easy to manufacture and the points of connection / connection of the lamellas with each other is eliminated. Often, stators make 1 where the yoke 2, the Tooth necks 54 and / or the tooth heads 5, which are made of sintered ferritic steel, a useful compromise.
  • the contour of the tooth tips 5 can be adapted to the requirements, e.g. the width 13 of the tooth head 5 can be adjusted. If the tooth head 5 is joined in the radial direction 35 (from the center to the outside), the
  • Plastic insert 4 be designed so that it gives the tooth head 5 in the axial direction 36 an additional grip.
  • the proposed fixation and positioning of the tooth heads 5 in the tooth necks 54 can be so
  • connection dimension that the tooth heads 5 abut with bias on the contact surfaces 30, 40 of the teeth 14.
  • the seat (play, transition or interference fit) of the connection is designed in the tooth head 5 over the widths 24 and 25 and in the extension over the widths 9 and 12. Often it makes sense that the connection is designed as a press fit. Sometimes, however, it makes sense that the area of the thickening 90 is designed as a play or transition fit.
  • the distance 10, 23 is usually designed as a press fit 12, 24.
  • connection can take place without the recess 60 (undercut 76) in the tooth neck 54 and / or without the thickening 90 in the extension 7 purely frictionally (friction), for example as a press fit (with overlap).
  • the extension 7 and / or the recess 21 may then have a slight skew.
  • stators 1 are shown with, for example, 12 stator teeth, but the proposed principle can also be used with stators with a different number of teeth.
  • the connection principle between the tooth neck 54 and the tooth head 5 is also applicable to the tangential connection of individual (T-shaped) stator segments.
  • the invention can be used for example in electric motors, starters or generators, preferably as a motor for the electrical adjustment of moving parts in the motor vehicle, in particular as a steering assistance.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (1) einer elektrische Maschine (71), sowie ein Herstellungsverfahren desselben, insbesondere zum motorischen Verstellen beweglicher Teile im Kraftfahrzeug, mit einem Statorring (2), an den Statorzähne (14) zur Aufnahme von elektrischen Wicklungen (3) angeordnet sind, wobei die Statorzähne (14) sich radial erstreckende Zahnhälse (54) aufweisen, an deren radialen Enden Zahnköpfe (5) angeordnet sind, wobei jeder einzelne Zahnkopf (5) als separat gefertigtes Bauteil ausgebildet ist, das nach dem Aufbringen der elektrischen Wicklung (3) auf dem Zahnhals (54) an diesem befestigbar ist.

Description

Titel
Stator mit separat gefertigten Zahnköpfen
Stand der Technik
Elektrische Maschinen wie Elektromotoren, Starter und Generatoren sind üblicherweise aus Stator und Rotor aufgebaut. Bei Statoren wird der eisenhaltige Körper häufig aus Blech als Stanzteil im Vollschnittverfahren hergestellt, d.h. dass die Lamellen über den gesamten Umfang zusammenhängend sind. Die gestanzten Bleche werden auch als Lamellen bezeichnet. Statoren, die im Vollschnittverfahren hergestellt sind, werden auch als einstückig bezeichnet. Bei Lamellen aus einem Vollschnitt bzw. einstückige Statoren sind das Joch, die Zähne und die steckbaren Zahnköpfe zusammenhängend -also ohne
Trennstelle- aufgebaut. In axialer Richtung bestehen solche Statoren
üblicherweise aus mehreren Lamellen, die häufig geklebt, verbacken oder mittels Stanznoppen stanzpacketiert sind. Einstückige Lamellen können aber auch mittels anderen Verfahren als dem Stanzen hergestellt werden, z.B. mittels Laserschnitt.
Um ein Magnetfeld aufzubauen, wird um die Zähne eine Spule - üblicherweise aus Kupfer - gewickelt. Das abzugebende Drehmoment eines Motors oder Starters steigt unter anderem mit dem Strom, der durch die Windungen fliest und der Anzahl der Windungen, die um die Zähne gewickelt sind. Beim Generator steigt die erzeugte Spannung mit der Anzahl der Windungen, die um die Zähne gewickelt sind. Um bei einem Motor das auftretende Rastmoment und die Welligkeit zu reduzieren, besitzen die Zähne häufig Zahnköpfe. Beim Bewickeln von einteiligen Statoren mit Zahnköpfen, muss zwischen den benachbarten Zahnköpfen ein Korridor freigehalten werden, damit das
Wickelwerkzeug dazwischen passt. Um einen hohen Kupferfüllfaktor zu erzielen, werden häufig Statoren ohne Zahnkopf gebaut, denn der Zahnkopf ist beim Bewickeln von Statoren, die im Vollschnittverfahren hergestellt sind, störend. Der Kupferfüllfaktor ist die Summe des Querschnitts der eingelegten Kupferdrähte geteilt durch den Querschnitt zwischen den einzelnen Zähnen. Wenn für die elektrische Maschine nur ein sehr geringes Rastmoment und nur eine geringe Welligkeit zugelassen sind, sind aber häufig Zahnköpfe zwingend notwendig. Dann kann - weil zwischen den Zahnköpfen ein gewisser Korridor freizuhalten ist - nur ein durchschnittlicher Kupferfüllfaktor erreicht werden. Dieser liegt beim Nadelwickeln üblicherweise unter 35%. Häufig benötigen elektrische Maschinen eine so hohe Leistungsdichte (Bauraum zur abgegebenen Leistung), die nur mit einem Kupferfüllfaktor von über 35 % erreichbar ist.
In DE 10 2004 056 303 AI ist ein Stator beschrieben, bei dem die Statorzähne an ihren freien Enden mit einer Hülse gekoppelt sind. Die Hülse bewirkt ähnlich wie ein Zahnkopf, dass das auftretende Rastmoment und die auftretende Welligkeit reduziert sind. Ferner werden in DE 102 29 333 AI und in DE
10022071 AI Statorzähne und Zahnköpfe beschrieben.
Der in DE 10 2004 056 303 AI beschriebene und somit bekannte Motor, wo eine Hülse über die Zähne gesteckt wird, hat zwei wesentliche Nachteile: Die Zähne sind am Joch fest angebaut. Die Hülse hat Aussparungen, in die die Zähne gefügt werden. Die Aussparungen sind zusammenhängend und haben einen festen Abstand. Da die Zähne fest mit dem Joch verbunden sind und die
Aussparungen über die Hülse fest zusammengebaut sind, müssen alle Teile mit einer sehr hohen Fertigungsgenauigkeit hergestellt sein, damit sich die Zähne in die Hülse fügen lassen. Dies ist beim Herstellen sehr schwierig und auch nur mit begrenzter Genauigkeit erzielbar. Ist der Abstand der Aussparungen der Hülse nicht genau dem Abstand des Fügebereichs in den Zähnen (also dem
Gegenstück), ist das Fügen der Hülse über/in die Zähne sehr aufwändig oder nicht möglich. Durch das sich ständig ändernde Wechselfeld wird im Stator ein Wirbelstrom in axialer Richtung erzeugt. Der Wirbelstrom, der im Stator auftritt, erhöht das Leerdurchdrehmoment und erzeugt Wärme. Üblicherweise - insbesondere bei Motoren, die zur elektrischen Lenkunterstützung verwendet werden - soll das Leerdurchdrehmoment so gering wie möglich sein. Damit die Motorbauteile nicht zu warm werden, sollte die im Stator erzeugte Wärme im Allgemeinen niedrig gehalten werden. Um die Wirbelströme niedrig zu halten, sind Statoren meist aus Lamellenblechen aufgebaut, die in axialer Richtung gegeneinander isoliert sind. Die Isolation ist sehr dünn und hat praktisch keinen Einfluss auf die Eisenmenge der Lamellen. Damit durch die in DE 10 2004 056 303 AI beschriebene Hülse das Rastmoment und die Welligkeit reduziert werden kann, muss sie aus einem ferromagnetischen Stoff aufgebaut sein. Die in DE 10 2004 056 303 AI beschriebene Hülse ist axial zusammenhängend, sie besteht nicht aus gegeneinander isolierten Blechlamellen. Da ferromagnetische Stoffe auch elektrisch leitend sind und die Hülse in axialer Richtung zusammenhängend ist, kann im Stator im Bereich der Hülse ein deutlich höherer Wirbelstrom auftreten, als bei Statoren, die keine solche Hülse haben. Somit ist bei Motoren mit dieser Hülse das Leerdurchdrehmoment und die erzeugte Wärme erhöht.
In der hier vorgeschlagenen Erfindung wird ein steckbarer Zahnkopf
beschrieben, durch den ebenfalls das Rastmoment und die Welligkeit reduziert werden, der aber die oben beschriebenen Nachteile der in
DE 10 2004 056 303 AI beschrieben Hülse nicht besitzt.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Stator und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Stators mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass der Stator einen hohen Kupferfüllfaktor ermöglicht, und zur Reduzierung von Rastmoment und Welligkeit einen nachträglich montierbaren Zahnkopf besitzt. Durch die nachträgliche Montage des Zahnkopfes muss die Wicklung nicht innerhalb eines schwer zugänglichen Bauraums gewickelt werden, wodurch der Kupferfüllfaktor deutlich gesteigert werden kann. Die Form des Zahnkopfs kann je nach Erfordernis angepasst werden. Der Stator kann so eine hohe Steifigkeit (Stabilität) besitzen und die geometrischen Toleranzen (Maß sowie Form- und Lagetoleranzen) können sehr gut sein und mittels Stanzen herstellt werden. Das Leerdurchdrehmoment ist dadurch minimiert und es wird nur wenig Wärme im Stator erzeugt. Hauptvorteil des Vorschlages ist, dass der Zahnkopf erst dann auf den Zahn gefügt wird, wenn die Wicklung/Spule um den Zahn angebracht bereits angebracht ist. Dann muss zwischen den Zahnköpfen kein Korridor für das Wickelwerkzeug freigehalten werden und es lässt sich somit ein höherer Kupferfüllfaktor erzielen als bei Statoren, die mit einstückigen Lamellen aufgebaut sind.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Ausführungen möglich.
Der vorgeschlagene steckbare Zahnkopf wird in einem Stator verbaut, der hauptsächlich aus einem Joch (Statorring) mit Statorzähnen, einer
Kappe/Isolierung einem Zahnhals und Wicklungen besteht. Die Drähte der Wicklungen besitzen zwar eine Isolation, trotzdem wird üblicherweise eine zusätzliche Kappe, eine Umspritzung oder ein Papier als Isolator und Schutz verwendet.
Über die Zähne bzw. Zahnhälse werden beispielsweise Kappen gesteckt, welche die Wicklungen gegenüber den Blechen/Eisen isoliert, die beim Wickeln die Drähte führen und die später im Betrieb den Wicklungen einen Halt geben. Die Kappen bestehen bevorzugt aus einem Stoff, der nicht stromleitend ist. Die Kappe ist üblicherweise aus Kunststoff. Alternativ kann das Joch, der Statorzahn als auch der Zahnkopf im Bereich der Wicklung mit einen Stoff umspritzt sein, der nicht stromleitend ist und der ebenfalls die Wicklung gegenüber dem
Blech/Eisen isoliert. Die Kappe bzw. die Umspritzung führt beim Wickeln die Drähte und schützt diese vor Beschädigung und bildet später im Betrieb einen festen Halt für die Wicklung. Die Kappen können auch durch Papier ersetzt sein. Der Zahnkopf wird - nachdem die Wicklung auf den Stator aufgebracht ist - in radialer oder axialer Richtung auf den Zahn gesteckt. Hierfür enthält der
Zahnkopf als radialen Fortsatz einen„Stecker" und der Statorzahn als
Aussparung (21) eine„Nu .
Die Kontur des Steckers und der Nut sind so gestaltet, dass nach dem Fügen der Zahnkopf kraftschlüssig oder kraft- und formschlüssig an dem Zahnhals befestigt ist. Wird der Zahnkopf axial (also in Längsrichtung) auf den Zahn gefügt, darf der zu steckende Bereich nur eine minimale Höhe besitzen, damit er mit der
Wicklung nicht kollidiert.
Je nach erforderlichem Zusammenhalt der einzelnen Lamellen der Zahnköpfe und Ausführung des Stanznoppens kann es sinnvoll sein, wenn die Zahnköpfe über die gesamte axiale Länge eine Schweißnaht erhalten. Dies würde den Zusammenhalt der einzelnen Lamellen des Zahnkopfs zusätzlich erhöhen.
Durch die erfindungsgemäße Verbindung kann der Stator einerseits akustisch schwingungsfest - z.B. gegen Ovalisierung oder Triangulation - ausgebildet werden, und andererseits der Zahnkopf sehr präzise gegenüber dem Rotor ausgerichtet werden kann.
Bei dem vorgeschlagenen Stator gibt es verschiedene Montagekonzepte, das in Abhängigkeit der Erfordernisse auszuwählen ist. Nachfolgend sind die Vorteile verschiedener Montagekonzepte beschrieben:
Das Wickeln erfolgt im Stator bevorzugt mit einem Nadelwickler. Kunststoffteile oder Papiere werden auf die Zähne gesteckt oder die Zähne und Zahnköpfe werden umspritzt. Die Zähne, die bereits mit der Isolierung/Kappe umgeben sind oder umspritzt sind, werden bewickelt, vorzugsweise mit einem Nadelwickler. Die Zahnköpfe werden anschließend auf die Zähne gefügt. Je nach Platzverhältnis und Erfordernis werden die isolierenden Kunststoffteile und/oder die Zahnköpfe in radialer oder axialer Richtung auf die Zähne gesteckt. Der Vorteil bei diesem Montagekonzept ist, dass die Reihenfolge in der die Zähne bewickelt werden beliebig ist und der Draht über eine beliebige Anzahl von Spulen durchgehend sein kann. Es können z.B. zwei benachbarte Zähne nacheinander bewickelt werden und anschließend mehrere Zähne übersprungen werden bevor der nächste Zahn bewickelt wird. Der Draht kann dabei -ohne aufwändige
Vorrichtungen- ununterbrochen weitergeführt werden und die Anzahl der Drahtenden kann minimiert werden. Dies ist häufig gewünscht, weil das
Verknüpfen der Drahtenden aufwändig ist und immer die Gefahr besteht, dass sich die Drähte an den Verbindungsstellen lösen. Die weitere Verschaltung der Spulen kann z.B. mit Hilfe einer Verschaltungsplatte erfolgen. Nachteilig hierbei ist, dass die Maßnahmen zur Vermeidung der gegenseitigen Berührung der verschiedenen Wicklungsspulen aufwändig sind.
In einem alternativen Fertigungsverfahren werden die Kunststoffteile außerhalb des Stators bewickelt und anschließend auf die Zähne gesteckt. Die
Kunststoffteile werden auf einer Vorrichtung einzeln bewickelt. Dies erfolgt so, dass für jeden Statorzahn ein Kunststoffteil bewickelt wird, wobei dann üblicherweise je Zahn zwei Drahtenden vorhanden sind. Die Drahtenden werden dann später in Abhängigkeit der gewünschten Verschaltung verknüpft. Die Kunststoffteile samt Wicklung werden danach auf die Zähne gefügt.
Anschließend werden die Zahnköpfe auf die Zähne gefügt. Vorteilig hierbei ist, dass das Wickeln der Spulen sehr einfach und kostengünstig erfolgen kann, ein sehr hoher Kupferfüllfaktor erzielbar ist, und dass die einzelnen Wicklungen und Spulen sicher gegen gegenseitigen Kontakt geschützt werden können. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass an dem Kunststoffteil eine bewegliche Wand angeformt ist, die sich beim Fügen auf den Zahnkopf um die Spule legt oder ein zusätzliches Einlegeteil eingefügt wird.
In einer weiteren alternativen Herstellungsvariante werden die Kunststoffteile in einer Maschinenanlage bewickelt. Hierbei werden alle Kunststoff kappen gleichzeitig in einer Vorrichtung aufgenommen und die Reihenfolge in der die Zähne bewickelt werden ist beliebig und der Draht kann über eine beliebige
Anzahl von Spulen durchgehend sein. Es können z.B. zwei benachbarte Zähne nacheinander bewickelt werden und anschließend mehrere Zähne übersprungen werden bevor der nächste Zahn bewickelt wird. Danach werden die
Kunststoffteile samt Wicklung auf die Zähne gefügt. Die Zahnköpfe werden anschließend wieder auf die Zähne gefügt. Die Vorteile hierbei sind, dass ein sehr hoher Kupferfüllfaktor erzielbar ist und dass die einzelnen Wicklungen und Spulen sicher gegenüber einer gegenseitigen Kontaktierung geschützt werden können. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass an dem Kunststoffteil eine klappbare Wand enthalten ist, die sich beim Fügen auf den Zahnkopf um die Spule legt oder durch ein zusätzliches Einlegeteil.
Die Wicklung wird in einer weiteren Ausführung in einer Vorrichtung hergestellt ohne dass diese um eine Kunststoffkappe gewickelt wird. Die Wicklung wird als eine„Luftspule" hergestellt. Die Reihenfolge in der die Zähne bewickelt werden ist beliebig und der Draht kann über eine beliebige Anzahl von Spulen
durchgehend sein. Es können z.B. zwei benachbarte Zähne nacheinander bewickelt werden und anschließend mehrere Zähne übersprungen werden bevor der nächste Zahn bewickelt wird. Die Zähne und Zahnköpfe sind hierbei umspritzt oder von einer Kunststoffkappe umgeben. Die Wicklungen werden danach auf die Zähne gefügt. Anschließend werden die Zahnköpfe auf die Zähne gefügt. Die Vorteile hierbei sind, dass ein sehr hoher Kupferfüllfaktor erzielbar ist. Wenn die Zahnköpfe umspritzt sind und kein Kunststoffeinlegeteil erforderlich ist, lässt sich das Fügen der Wicklungen auf die Zahnköpfe einfacher gestalten
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den folgenden Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Stator,
Figur 2 einen Statorzahn gemäß Figur 1,
Figur 3 ein Detail eines Statorzahns gemäß einer alternativen
Ausführung mit gekrümmter Aussparung,
Figur 4 eine elektrische Maschine mit eingefügten Zahnköpfen gemäß
Figur 3 Figur 5 ein Detail eines weiteren Statorzahns, beispielsweise
korrespondierend zu dem Zahnkopf gemäß Figur 2
Figur 6-10 verschiedene Ausführungen einer Verbindung zwischen
Zahnkopf und Zahnhals.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist ein Stator 1 mit einem als Joch ausgebildetem Statorring 2 dargestellt. Am Statorring 2 sind Statorzähne 14 angeordnet auf denen die Wicklungsspulen 3 gewickelt sind. Die Wicklungsspulen 3 sind hier auf einem Kunststoffeinsatz 4 angeordnet, der die Wicklung 3 gegenüber dem Stator 1 isoliert. Die Statorzähne 14 weisen Zahnhälse 54 auf, in die separat gefertigte Zahnköpfe 5 eingefügt sind. Am äußeren Umfang des Stators 1 sind
beispielsweise Ausformungen 6 angeformt, mittels denen der Stator 1 in einem Gehäuse 74 einer elektrischen Maschine befestigt werden kann (siehe Figur 4). Der Statorring 2 und die Zahnköpfe 5 sind aus mehreren geschichteten
Blechlamellen aufgebaut, die in der Regel im Wesentlichen dieselbe Dicke aufweisen. Zur Vereinfachung sind in den Figuren die Trennstellen der einzelnen Lamellen zueinander nicht dargestellt. Innerhalb des Stators 1 ist ein Rotor 70 angeordnet, der mittels einer Rotorwelle 72 in dem Gehäuses 74 der eletrischen Maschine 71 gelagert ist, wie in Figur 4 ersichtlich ist. Zur Verbindung der einzelnen Drahtenden der Wicklungsspulen 3 ist beispielsweise axial über den Wicklungen 3 eine Verschaltungspatte angeordnet (nicht dargestellt) mittels derer die einzelnen Wicklungsstränge miteinander verschaltet und beispielsweise elektronisch kommutiert werden können.
In Figur 2 ist eine Ausführung eines separat gefertigten Zahnkopfes 5 dargestellt, der einen radialen Fortsatz (Stecker) 7 mit einer Breite 9 aufweist. Der Fortsatz 7 weist eine Verdickung 90 mit einer Breite 12 in Umfangsrichtung 37 auf. Die Verdickung 90 hat hier eine radiale Länge 10 und einen radialen Abstand 11 von einer Anlagefläche 30 des Zahnkopfes 5. An der Verdickung (90) ist
beispielsweise über einen Teil der radialen Länge (10) eine Einführungsphase (88) angeformt. Die Anlagefläche 30 ist hier als symmetrische keilförmige ebene Flächen ausgebildet, wodurch der Zahnkopf 5 beim Einfügen in den Zahnhals 54 eine weitere Zentrierung besitzt. Der Zahnkopf 5 weist eine Breite 13 auf, die mit dem Rotor 70 zusammenwirkt. Die einzelnen Blechlamellen werden
beispielsweise über Stanznoppen 8 zusammengehalten. Zusätzlich kann eine Schweißnaht 52 die Lamellen verbinden.
Figur 3 zeigt ein Blechpaket eines Stators 1, das aus mehreren geschichteten Lamellen aufgebaut ist und die Lamellen beispielhaft mittels Stanznoppen 15 zusammengehalten werden. Das Blechpaket beinhaltet hauptsächlich das Joch 2 und die Zähne 14. Die Zahnhälse 54 haben eine Aussparung 21 mit einer gekrümmten Vertiefung 16. Die Anlageflächen 30, die vorzugsweise flächig an korrespondierenden Gegenflächen 40 der Zahnhälse 54 anliegen, sind schräg zur Radialrichtung 35 ausgerichtet.
In Figur 4 sind die Zahnköpfe 5 mit geraden oder gekrümmt ausgebildeten Fortsätzen 7a in die gekrümmten Vertiefungen 16 der Zahnhälse 54 eingefügt. Die Wicklungen 3 sind allerdings in dieser Figur nicht dargestellt. Nach dem Aufbringen der Wicklung 3 und dem Einfügen der Zahnköpfe 5 werden letztere hier optional zusätzlich festgeschweißt. Dazu ist beispielsweise ein
Schweißpunkt 53 am axialen Ende des Stators angeordnet. Gezeigt wird ein Blechpaket eines Stators 1, das aus mehreren geschichteten Blechlamellen aufgebaut ist, wobei die Lamellen beispielhaft mittels Stanznoppen 15 zusammengehalten werden. Das Blechpaket beinhaltet hauptsächlich das Joch 2, die Zähne 14 mit den aufgesteckten Zahnköpfen 5.
In Figur 5 ist die Aussparung 21 im Zahnhals 54 vergrößert dargestellt. Dabei ist ein Hinterschnitt 76 mit der Tiefe 22 und der Breite 24 dargestellt, der im Abstand 23 von der Gegenfläche 40 ausgebildet ist. Der Hinterschnitt 76 bildet eine Aufweitung 56, die die korrespondierende Verdickung 90 des Fortsatzes 7 aufnimmt. Dabei können die Ecken der Aussparung 21 als Rundungen 61, 65 ausgebildet sein. Die Breite 25 der Aussparung 21 kann sich beim Einfügen des Fortsatzes 7 elastisch oder auch teilweise plastisch aufweiten.
Der Zahnkopf 5 gemäß Figur 6 hat einen Fortsatz 7, der an seinem Ende als Verdickung 90 aufgeweitet ist, so dass er beim Fügen im aufgeweiteten Bereich 56 der Aussparung 21 einrastet. Dies entspricht einem Formschluss mit dem Hinterschnitt 76. Damit sich der Fortsatz 7 gut in die Aussparung 21 fügen lässt, hat er ein Loch 31, wodurch er eine hohe Elastizität erhält. Dadurch wird die Fügekraft beim Einfügen des Fortsatzes 7 in die Aussparung 21 reduziert und der Fortsatz 7 als auch die Aussparung 21 werden beim Fügen nur so stark verformt, dass der Zahnkopf 5 auf dem Zahnhals 54 sicher hält. Dabei wird die Güte der Form- und Lagetoleranzen durch die sich beim Fügen ergebende Verformung nicht wesentlich verschlechtert. Die Verdickung 90 mit dem Loch 31 ist hierbei als geschlossener Ring 80 ausgebildet. Der Ring 80 kann jedoch in seiner äußern Form ebenso wie die Form des Loches 31 auch von einem Kreis abweichen.
Dargestellt ist in Figur 7 ein Ausschnitt eines Stators 1 wie in Fig. 6, jedoch hat der Fortsatz 7 zwei elastische Bügel 44, die eine Verdickung 90 bildet. Es sind auch Ausführungen mit genau einem oder mit mehreren Bügel 44 möglich; hier sind beispielhaft zwei Bügel 44 dargestellt. Der Vorteil hierbei ist, dass die Verbindung noch elastischer ist und die Fügekräft gegenüber der Konstruktion nach Fig. 6 noch geringer sind und die elastischen Bügel 44 den Fortsatz 7 trotzdem sicher halten. Des weiteren sind die Fügekräfte von den Wanddicken der Bügel 44 und der Überdeckung (Passung) abhängig. Die Anlageflächen 30 des Zahnkopfes 5 und die korrespondierenden Gegenflächen 40 des Zahnhalses 54 sind hier näherungsweise senkrecht zur Radialrichtung 35 ausgerichtet. Die Aussparung 21 weist hier keinen Hinterschnitt 76 auf, in einer Variante können die Bügel 44 auch mit einem Hinterschnitt 76 einen Formschluss bilden.
Um die Stabilität der Verbindung zu steigern, kann optional nach dem Einfügen des Fortsatzes 7 in die Aussparung 21 ein Passstift in das Loch 31 des offenen oder geschlossenen Rings 80 axial eingeschoben werden. Der hier nicht dargestellte Passstift sollte dabei als Presspassung zum Loch 31 ausgelegt sein.
In Figur 8 ist eine Ausführung dargestellt, wo die Aussparung 21 im Zahnhals 54 einen Lagerzapfen 45 aufweist. Die Aussparung 21, die Anlagefläche 30, 40 und der Fortsatz 7 sind so aufeinander abgestimmt, dass beim Fügen des Zahnkopfs 5 in den Zahnhals 54 die Bügel 44 am Lagerzapfen 45 anliegen bevor die Anlageflächen 30 des Zahnkopfs 5 an den Anlageflächen 40 des Zahnhalses 54 anliegen. Die Maße sind so gewählt, dass wenn der Zahnkopf 5 vollständig in den Zahnhals 54 gefügt ist, sich die Bügel 44 elastisch und/oder plastisch
verformen, so dass der Zahnkopf 5 sicher auf dem Zahnhals 54 gehalten wird.
Dabei werden die Bügel 44 durch die Anlage am Lagerzapfen 45 in
Umfangsrichtung 37 aufgespreizt. Diese Ausführung eignet sich besonders für
Anwendungen, in der der Zahnkopf 5 in radialer Richtung 35 auf den Zahnhals
54 gefügt wird.
Dargestellt ist in Figur 9 ein Ausschnitt aus einem Schnitt durch das Lamellenpaket eines Stators 1 entsprechend Figur 1. Die Zahnhälse 54 haben eine Aussparung 21 mit einer tangentialen Vertiefung 60. Der Zahnkopf 5 hat einen Fortsatz 7, der mit einem Haken 55 versehen ist. Die hier dargestellte Ausführung eignet sich besonders dann, wenn der Zahnkopf 5 in radialer Richtung 35 auf den Zahn 14 gesteckt werden soll. Der Fortsatz 7 ist im Bereich des Hakens 55 breiter als die Breite 25 der Aussparung 21. Deshalb weitet sich die Aussparung 21 auf, wenn der Fortsatz 7 in die Aussparung 21 eingeführt wird. Die Aufweitung ist elastisch, sie kann aber je nach Auslegung auch elastisch und plastisch sein. Wenn beim Fügen des Fortsatzes 7 der Haken 55 in die Vertiefung 60 gelangt ist, rastet der Haken 55 in die Vertiefung 60 ein und die
Aufweitung geht wieder zurück. Nach dem Einrasten liegt der Haken 55 in der
Vertiefung 60 im Bereich des Hinterschnitts 76 im Wesentlichen in Radialrichtung 35 fest an. Dadurch kommt es zu einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung des Zahnkopfs 5 mit dem Zahnhals 54. Mit zunehmendem Abstand 67 das Hakens 55 zum radialen Ende des Fortsatzes 7 steigt der elastische Anteil, der während des Fügens entstehenden Aufweitung der Aussparung 21, wodurch nach dem Einrasten des Hakens 55 in die Vertiefung 60 die Aufweitung stärker zurückgehen kann und der Anteil der plastischen Verformung reduziert, beziehungsweise vermieden werden kann. Je stärker die Aufweitung nach dem Einrasten des Hakens 55 zurück geht, desto robuster wird die Verbindung. Andererseits soll der Abstand 67 nicht zu groß werden, da sonst die beiden Stege 78 und 79, die die Aussparung 21 bilden, zu flexibel ausgebildet sind. Der Haken 55 hat vorzugsweise mehrere Einführschrägen 69. Die Einführschrägen 69 können auch verrundet sein. Bevorzugt hat die Aussparung 21 zur Festigkeitssteigerung an den Ecken Verrundungen 61, 65 oder eine sonstige Form, die die Kerbwirkung reduziert. Je nach Auslegung und Herstelltoleranz kann es notwendig sein, dass an den Freiräumen zwischen dem Fortsatz 7 und dem Zahnhals 54
Klebstoff angebracht ist, um das Halten des Zahnkopfs 5 auf dem Zahnhals 54 zu verbessern. Gegebenenfalls ist der Klebstoff an den Einführschrägen 69 angebracht, er kann aber auch an einer oder mehreren anderen Stellen angebracht sein. Damit beim Fügen des Fortsatzes 7 in die Aussparung 21 sich die Aussparung 21 nicht unnötig stark aufweitet, ist die Tiefe 68 des Hakens 55 nur so stark ausgeführt, dass durch die Hakenverbindung der Zahnkopf 5 auf dem Zahnhals 54 sicher befestigt ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführung ist, dass durch den vorhandenen Abstand 67 die Aussparung 21 über einen großen Bereich elastisch aufgeweitet werden kann und somit die beim Fügen entstehende Aufweitung der Aussparung 21 nach Abschluss des Fügens vollständig oder nahezu vollständig zurückgeht und der Fortsatz 7 die Aussparung 21 nahezu vollständig ausfüllt. Dadurch wird erreicht, dass durch die Trennstelle von Zahnhals 54 und Zahnkopf 5 kein oder nur ein äußerst geringer Einfluss auf den magnetischen Fluss entsteht. Es ist auch die Variante möglich, bei der auch auf beiden gegenüberliegenden Führungsflächen 62, 63 eine Vertiefung 60 angeformt ist, in die jeweils ein Haken 55 eingreift.
Die Verbindung des Zahnkopfs 5 mit dem Zahnhals 54 kann auch als Kombination der dargestellten Verbindungsarten erfolgen. Die beim Fügen des Fortsatzes 7 in die Aussparung 21 auftretende Aufweitung ist relativ gering und hat keinen Einfluss oder nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Wicklung 3. Wird die elektrische
Maschine betrieben, tritt im Stator 1 und im Rotor 70 ein magnetischer Fluss auf. Um den magnetischen Fluss nicht oder nur unwesentlich zu stören, ist es sinnvoll, dass der Fortsatz 7 die Aussparung 21 zumindest annähernd ausfüllt und die Bauteile so ausgelegt sind, dass die Spalte zwischen dem Fortsatz 7 und der Aussparung 21 sowie dem Zahnkopf 5 und dem Zahnhals 54, und insbesondere an der Anlageflächen 30, 40 zwischen dem Zahnkopf 5 und dem Zahnhals 54 minimiert sind.
In Figur 10 ist eine weitere Verbindung eines Zahnkopfes 5 mit einem Zahnhals 54 dargestellt, bei der die Verdickung 90 asymmetrisch bezüglich der Umfangsrichtung 37 ausgebildet ist. Dabei weist die Verdickung 90 auf beiden Seiten einer gedachten radialen Mittellinie 27 des Fortsatzes 7 eine unterschiedliche Ausformung auf. Die beiden Stege 78, 79, die die Aussparung 21 bilden, weisen im Bereich der tangentialen Vertiefungen 60 bevorzugt jeweils die gleiche radiale Ausdehnung 28 zwischen der Aussparung 21 und dem jeweiligen Rand 29 des Zahnhalses 54 in Umfangsrichtung 37 auf. Die Aussparung 21 ist dabei nicht spiegelsymmetrisch ausgebildet zu einer Symmetrieebene 26 des Zahnhalses 54, die mittig zwischen den beiden radialen Ausdehnungen 28 verläuft. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Zahnkopf 5 nicht verdreht in die Aussparung 21 des Zahnhalses 54 eingefügt werden kann. Die Ausformung und die genaue Positionierung der Verdickung 90 wird so gewählt, dass durch deren Kaltverformung der Zahnkopf 5 nach dem Einfügen dauerhaft mittels eines radialen Hinterschnitts 76 an den V-förmigen Gegenflächen 40 anliegt. Die Verdickung 90 kann auch als gegenüberliegende Rasthaken 55 ausgebildet sein.
In den Figuren 1 bis 10 sind Ausführungen dargestellt, in denen die Zahnköpfe 5 aus gleichen Lamellen/Blechen bestehen. Es sind aber auch Ausführungen denkbar, bei denen die Zahnköpfe 5 aus Lamellen/Blechen zusammengesetzt sind, und nicht jede Lamelle einen Fortsatz 7 besitzt. Je nach Anwendung ist es sinnvoll, wenn Zahnköpfe 5 so aufgebaut sind, dass nach einer oder mehreren Lamellen mit Fortsatz 7 eine oder mehrere Lamellen ohne Fortsatz 7 angeordnet sind. Bei Lamellen ohne Fortsatz 7 ist an den Stellen des Zahnkopfs 5, wo sonst der Fortsatz 7 ist, ein Freiraum. Hierdurch wird der Zahnkopf 54 im Bereich des Fortsatzes 7 elastischer, was besonders sinnvoll ist, wenn der Zahnkopf 5 in Axialrichtung 36 - gefügt wird. Wird der Statorring 2 und/oder der Zahnkopf 5 aus geschichteten Lamellen aufgebaut, können diese beispielsweise durch Stanznoppen 15, 8 und/oder Nieten und/oder Schweißen und/oder Kleben und/oder Backlack miteinander verbunden sein. Es sind auch Anwendungen denkbar, wobei der Zahnkopf 5 mit den verschiedenen Geometrien und/oder das Joch 2 und die Zahnhälse 54 aus gesintertem ferritischem Stahl aufgebaut sind. Bauteile aus gesintertem ferritischem Stahl leiten elektrischen Strom schlechter als üblicher ferritischer Stahl. Deshalb können sich Wirbelströme in gesinterten Bauteilen bilden, sie sind aber üblicherweise geringer als bei Vollkörpern aus üblichem ferritischer Stahl, wenn der Körper einstückig also nicht nicht aus Lamellen aufgebaut ist, die gegeneinander isoliert sind. Bauteile aus gesintertem ferritischem Stahl sind magnetisch aber ihre Eigenschaften sind ungünstiger als bei üblichem ferritischer Stahl. Zahnköpfe, die aus gesintertem ferritischem Stahl hergestellt sind, sind einfach herstellbar und die Verknüpfungspunkte/Verbindung der Lamellen miteinander fällt weg. Häufig stellen Statoren 1, bei denen das Joch 2, die Zahnhälse 54 und/oder die Zahnköpfe 5, die aus gesintertem ferritischem Stahl hergestellt sind, einen brauchbaren Kompromiss dar.
Die Kontur der Zahnköpfe 5 kann den Erfordernissen angepasst werden, z.B. kann die Breite 13 des Zahnkopfs 5 angepasst werden. Wird der Zahnkopf 5 in radialer Richtung 35 gefügt (vom Zentrum nach außen), kann der
Kunststoffeinsatz 4 so ausgeführt sein, dass er dem Zahnkopf 5 in axialer Richtung 36 einen zusätzlichen Halt gibt. Die vorgeschlagene Fixierung und Positionierung der Zahnköpfe 5 in den Zahnhälsen 54 lässt sich so
dimensionieren, dass die Zahnköpfe 5 mit Vorspannung an den Anlageflächen 30, 40 der Zähne 14 anliegen. Der Sitz (Spiel-, Übergangs- oder Presssitz) der Verbindung wird im Zahnkopf 5 über die Breiten 24 und 25 und im Fortsatz über die Breiten 9 und 12 ausgelegt. Häufig ist es sinnvoll, dass die Verbindung als Presssitz gestaltet ist. Teilweise ist es aber auch sinnvoll, dass der Bereich der Verdickung 90 als Spiel- oder Übergangspassung ausgeführt ist. Der Abstand 10, 23 ist üblicherweise als Presspassung 12, 24 ausgelegt. Beim
Montieren/Fügen erfolgt das Einrasten der Verdickung 90 des Fortsatzes 7 in die Breite 24 des Hinterschnitts 76 häufig dadurch, dass die Zahnköpfe 5 kräftig in die Aussparungen 21 der Zahnhälse 54 gedrückt werden. Dadurch kommt es zum Anliegen der Anlagefläche 30, 40 des Zahnkopfes 5 in der Anlagefläche des Zahnhalses 54. Solange die Anlagefläche 30 des Zahnkopfes 5 gegen die Anlagefläche 40 des Zahnhalses 54 gedrückt wird, wird die Breite 25 der Aussparung (21) 21 minimal aufgeweitet. Dadurch kann die Breite 12 der Verdickung 90 in der Breite 24 der Hinterschnitts 76 einrasten. Wird der
Anpressdruck/Fügekraft gelöst/entfernt, geht die Aufweitung komplett oder nahezu komplett auf ihren Ausgangszustand zurück und der Kopf 5 wird über den Fortsatz 7 und den Hinterschnitt 76 im Zahn 14 über Kraft- und Formschluss gehalten. Durch eine gekrümmte Kontur 16 der Aussparung 21 wird der Fortsatz 7 bei Montage in Radialrichtung 35 umgebogen. Falls Bedarf besteht ist zur Verbesserung der Befestigung der Zahnköpfe 5 in den Zähnhälsen 54 je Zahn 14 ein Schweißpunkt 53 an beiden axialen Stirnflächen des Stators 1 möglich und zwar an der Kontaktstelle der Zahnhälsen 54 zu den Zahnköpfen 5. Da der Schweißpunkte 53 erst angebracht werden kann, wenn die Wicklung 3 und der Kunststoffeinsatz 4 aufgebracht sind, sollte der Wärmeeintrag in den Stator 1 gering sein. Deshalb sollte der Schweißpunkt 53 relativ klein sein. Falls ein Schweißpunkt 53 erforderlich ist, sollte am Kunststoffeinsatz 4 an der entsprechenden Stelle ein Freiraum vorgesehen sein. Zur Verbesserung der Befestigung des Zahnkopfs 5 im Zahnhals 54 ist es möglich, dass der Zahnkopf 5 zusätzlich in den Zahnhals 54 geklebt wird.
Wenn die Zähne 14 relativ stabil sind, kann die Verbindung auch ohne die Vertiefung 60 (Hinterschnitt 76) im Zahnhals 54 und/oder ohne die Verdickung 90 im Fortsatz 7 rein kraftschlüssig (Reibschluss) erfolgen, beispielsweise als Presspassung (mit Überdeckung). Der Fortsatz 7 und/oder die Aussparung 21 können dann eine geringe Schrägung haben. In den Figuren sind Statoren 1 mit beispielsweise 12 Statorzähnen abgebildet, das vorgeschlagene Prinzip ist aber auch bei Statoren mit einer anderen Zähnezahl verwendbar. Ebenso ist das Verbindungsprinzip zwischen Zahnhals 54 und Zahnkopf 5 auch zur tangentialen Verbindung einzelner (T-förmiger) Statorsegmente anwendbar. Die Erfindung kann beispielsweise bei Elektromotoren, Starter oder Generatoren eingesetzt werden, vorzugsweise als Motor für die elektrische Verstellung für bewegliche Teile im Kraftfahrzeug, insbesondere als Lenkunterstützung.

Claims

Ansprüche
1. Stator (1) einer elektrische Maschine (71), insbesondere zum motorischen Verstellen beweglicher Teile im Kraftfahrzeug, mit einem Statorring(2), an den Statorzähne (14) zur Aufnahme von elektrischen Wicklungen (3) angeordnet sind, wobei die Statorzähne (14) sich radial erstreckende Zahnhälse (54) aufweisen, an deren radialen Enden Zahnköpfe (5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einzelne Zahnkopf (5) als separat gefertigtes Bauteil ausgebildet ist, das nach dem Aufbringen der elektrischen Wicklung (3) auf dem Zahnhals (54) an diesem befestigbar ist.
2. Stator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnköpfe (5) kraft- und oder formschlüssig auf die Zahnhälse (54) aufsteckbar sind.
3. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnhälse (54) an ihrem radialen Ende eine radiale Aussparung (21) aufweisen, in die radiale Fortsätze (7) der Zahnköpfe (5) einfügbar sind.
4. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die radialen Aussparungen (21) der Zahnhälse (54) bezüglich der Radialrichtung (35) einen Hinterschnitt (76) aufweisen, der mit Verdickungen (90) der eingefügten radialen Fortsätzen (7) der Zahnköpfe (5) einen Formschluss bezüglich der Radialrichtung (35) bildet.
5. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die radialen Fortsätzen (7) beim Einfügen in die radialen Aussparungen (21) elastisch und/oder plastisch verformt werden.
6. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die radialen Fortsätzen (7) an ihren radialen Enden in Axialrichtung (36) ein Loch (31) aufweisen und insbesondere
näherungsweise ringförmig ausgebildet sind.
7. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die radialen Fortsätzen (7) bezüglich der
Radialrichtung (35) als Verdickung (90) mindestens einen Rasthaken (55) oder - insbesondere an ihren radialen Enden - ein oder zwei Klemmbügel (44) aufweisen.
8. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass innerhalb der Aussparungen (21) der Zahnhälse (54) Lagerzapfen (45) angeformt sind und die Enden von zwei getrennten Klemmbügel (44) derart an den Lagerzapfen (45) anliegen, dass die
Klemmbügel (44) in vollständig eingefügtem Zustand der Zahnköpfe (5) bezüglich der Umfangsrichtung (37) durch den Lagerzapfen (45)
aufgespreizt werden.
9. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die radialen Aussparungen (21) der Zahnhälse (54) einen abgeknickten oder gekrümmtem Abschnitt (16) aufweisen, der von der Radialrichtung (35) abweicht, und in den hinein sich die radialen Fortsätze (7) beim Einstecken der Zahnköpfe (5) einfügen.
10. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass bezüglich der Umfangsrichtung (37) benachbart zu den radialen Aussparungen (21) an den Zahnhälsen (54) Anlageflächen (40) angeformt sind, an denen die Zahnköpfe (5) im eingefügten Zustand insbesondere mit korrespondierenden Gegenflächen (30) flächig anliegen.
11. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anlageflächen (40, 30) keilförmig - oder insbesondere näherungsweise senkrecht - zur Radialrichtung (35) ausgeformt sind.
12. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Statorring (2) mit den Zahnhälsen (54) und/oder die Zahnköpfe (5) in Axialrichtung (36) aus einzelnen Blechlamellen (20) zusammengesetzt sind, wobei insbesondere die Zahnköpfe (5) derart aufgebaut sind, dass nach einer oder mehreren Blechlamellen (20) mit einem radialen Fortsatz (7) eine oder mehrere Blechlamellen (20) ohne radialen Fortsatz (7) bezüglich der Axialrichtung (36) angeordnet sind.
13. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zahnköpfe (5) im eingefügten Zustand mit den Zahnhälsen (54) verschweißt oder verklebt sind.
14. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verdickung (90) bezüglich der Umfangsrichtung (37) asymmetrisch zur radialen Mittellinie (27) des Fortsatzes (7) ausgebildet ist, und insbesondere die Verdickung (90) in zwei bezüglich der
Umfangsrichtung (37) gegenüberliegenden asymmetrischen tangentialen Vertiefungen (60) der Aussparung (21) eingreift.
15. Elektrische Maschine (71) - insbesondere ein elektrisch kommutierter
Elektromotor - mit einem Stator (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei der Stator (1) einen Rotor (70) antreibt, der insbesondere als Innenläufer ausgebildet ist und vorzugsweise Permanentmagnete aufweist, die speichenförmig oder in Umfangsrichtung (37) ausgerichtet sind.
16. Verfahren zum Herstellen eines Stators (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Fertigen eines Statorrings (2) mit mehreren Zahnhälsen (54)
Anordnen von Wicklungen (3) auf die Zahnhälse (54) mittels
Nadelwickeln oder mittels Aufschieben von separat von den Zahnhälsen (54) gewickelten Wicklungen (3)
Radiales und/oder axiales Einfügen von Zahnköpfen (5) in die
Zahnhälse (54), derart, dass an den Zahnköpfen (5) angeformte radiale Fortsätze (7) in radiale Aussparungen (21) der Zahnhälse (54) eingesteckt werden
Insbesondere optional zusätzliches Verschweißen und/oder Einkleben der Zahnhälse (54) mit den Zahnköpfen (5) nach deren Einstecken.
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