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Die Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die gattungsgemäße Schrift
US 6049153 A beschreibt einen Stator einer elektrischen Maschine. Der Stator verfügt über einen Statorträger und Einzelsegmente, die zu Beginn der Fertigung des Stators als eigenständige Teile hergestellt werden. Die Einzelsegmente werden dann zu einem Statorring zusammengesetzt, wobei die Einzelsegmente mit einem benachbarten Einzelsegment kräftefrei in Kontakt stehen, was im Folgenden als zusammengesetzter Zustand der Einzelsegmente bezeichnet wird. In einem weiteren Fertigungsschritt werden die zu einem Statorring zusammengesetzten Einzelsegmente in den Statorträger eingepresst, so dass der Statorträger die Einzelsegmente gegeneinander verspannt, was im Folgenden als eingepresster Zustand der Einzelsegmente bezeichnet wird. Der Stator verfügt über ein erstes Einzelsegment und ein zweites Einzelsegment, wobei das erste Einzelsegment eine Auswölbung und das zweite Einzelsegment eine Ausnehmung aufweist, so dass im zusammengesetzten Zustand, die Auswölbung des ersten Einzelsegmentes in die Ausnehmung des zweiten Einzelsegmentes hineinragt.
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Dem gegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Stator einer elektrischen Maschine vorzuschlagen, die einfach und kostengünstig gefertigt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Stator einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist die Auswölbung des ersten Einzelsegmentes und die Ausnehmung des zweiten Einzelsegmentes derart ausgeformt, dass im zusammengesetzten Zustand der Einzelsegmente nur ein Teilbereich der Auswölbung mit einem Teilbereich der Ausnehmung eine Kontaktfläche aufweist. Zwischen einem anderen Teilbereich der Auswölbung und der Ausnehmung bildet sich ein Spalt, dessen Größe je nach Ausformung der Auswölbung und der Ausnehmung gestaltet ist. Weiter verfügt das zweite Einzelsegment erfindungsgemäß über ein verformbares Teil, welches an dem Teilbereich der Ausnehmung des zweiten Einzelsegmentes angeordnet ist, der mit der Auswölbung des ersten Einzelsegmentes in Kontakt steht. Das verformbare Teil ist im eingepressten Zustand, durch die aufgewendete Kraft der Einpressung, verformt. Durch die Verformung des verformbaren Teiles ist die Ausnehmung des zweiten Einzelsegmentes der Auswölbung des ersten Einzelsegmentes so angepasst, dass die Kontaktfläche der Auswölbung des ersten Einzelsegmentes mit der Ausnehmung des zweiten Einzelsegmentes im eingepressten Zustand größer ist, als im zusammengesetzten Zustand, bei dem das verformbare Teil noch unverformt ist. Die Kontaktfläche zwischen der Auswölbung des ersten Einzelsegmentes und der Ausnehmung des zweiten Einzelsegmentes ist im eingepressten Zustand größer als im zusammengesetzten Zustand, so dass der magnetische Fluss im Stator ungehindert über die Kontaktfläche zwischen den Einzelsegmenten fließen kann. Die Einzelsegmente sind zu einem Statorring zusammengesetzt, dessen Außendurchmesser durch den Statorträger vorgegeben ist. Da sich die Produktionstoleranzen der Einzelsegmente im Statorring aufsummieren, muss jedes Einzelsegment sehr genau und präzise produziert sein. Durch das verformbare Teil des zweiten Einzelsegmentes und den Spalt, der sich zwischen der Auswölbung des ersten Einzelsegmentes und der Ausnehmung des zweiten Einzelsegmentes im zusammengesetzten Zustand bildet, kann die Einpresskraft den Außendurchmesser des Statorringes durch Verformen des verformbaren Teiles auf den vom Statorträger vorgegebenen Wert zusammenpressen. Die Ausnehmung des zweiten Einzelsegmentes passt sich beim Einpressen der Auswölbung des ersten Einzelsegmentes an, so dass die Auswölbung weiter in die Ausnehmung hineinragt und der Außendurchmesser des Statorringes verkleinert ist. Die Fehlertoleranz der Einzelsegmente ist vergrößert, da Produktionsungenauigkeiten im eingepressten Zustand durch das Verformen des verformbaren Teils ausgleichbar sind. Die Einzelsegmente sind leichter und billiger zu fertigen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung zeichnet sich der Stator einer elektrischen Maschine dadurch aus, dass das verformbare Teil des Einzelsegmentes hauptsächlich in radialer Richtung des Statorringes verformbar ist. Das verformbare Teil des zweiten Einzelsegmentes weist eine Form auf, dass eine Kraft, die beim Einpressen des Statorringes in den Statorträger im Statorring in Umfangsrichtung wirkt, zu einer radialen Verformung des verformbaren Teiles führt. Zusätzlich kann das verformbare Teil des zweiten Einzelsegmentes über eine strukturelle Schwächung des Einzelsegmentmaterials verfügen, die im Bereich der Kontaktfläche der Auswölbung des ersten Einzelsegmentes mit der Ausnehmung des zweiten Einzelsegmentes in radialer Richtung angeordnet ist. Die radiale Anordnung der strukturellen Schwächung des verformbaren Teiles begünstigt die Verformung des verformbaren Teiles in radiale Richtung. Die strukturelle Schwächung ist durch eine Materialausnehmung im verformbaren Teil oder durch eine geringe Materialstärke im Bereich des verformbaren Teils zu erreichen. Das verformbare Teil ist derart ausgeformt, dass sich beim Einpressen ein Freiraum zwischen dem verformbaren Teil und dem Statorträger ergibt, in den Material des verformbaren Teils beim Verformen eingepresst wird. Im eingepressten Zustand weist das verformbare Teil ein gleiches Raumvolumen auf wie vor der Verformung. Es wirken keine zusätzlichen Kräfte und Spannungen durch Materialkompression, die das Material des Einzelsegmentes belasten. Eine Materialausnehmung am radialen Außenbereich des Statorringes im Bereich des verformbaren Teiles bewirkt eine strukturelle Schwächung des Bereichs und bildet mit dem Statorträger einen Freiraum, in den das verformbare Teil verformbar ist. Die Materialausnehmung verhindert ein Materialüberstand, der dem Einpressvorgang in den Statorträger hinderlich ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung zeichnet sich der Stator einer elektrischen Maschine dadurch aus, dass im eingepressten Zustand der Einzelsegmente mindestens 90 Prozent einer Oberfläche der Auswölbung des ersten Einzelsegmentes mit einer Oberfläche der Ausnehmung des zweiten Einzelsegmentes Kontakt aufweisen. Durch den Stator fließ der magnetische Fluss, der an Materialübergängen beeinträchtigt ist. An den Kontaktflächen zwischen den Einzelsegmenten fließt der magnetischen Fluss ungestört, so dass eine möglichst große Kontaktfläche zwischen den Einzelsegmenten des Stators den magnetischen Fluss begünstigt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung zeichnet sich der Stator einer elektrischen Maschine dadurch aus, dass das erste Einzelsegment über eine Ausnehmung und das zweite Einzelsegment über eine Auswölbung verfügt. Die Auswölbung der Einzelsegmente ist im zusammengesetzten Zustand der Einzelsegmente mit der Ausnehmung des benachbarten Einzelsegmentes verzahnt. Im Statorring verfügt jedes Einzelsegment über ein benachbartes Einzelsegment, mit dem es eine Verzahnung bildet, so dass die Stabilität des Statorringes erhöht ist.
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Die Produktionsungenauigkeit der Einzelsegmente summiert sich im Statorring auf und resultiert in einer Ungenauigkeit des Außendurchmessers des Statorringes. Entspricht die aufsummierte Produktionsungenauigkeit aller Einzelsegmente der maximal möglichen Änderung des Umfanges des Statorringes, der durch die Verformung genau eines verformbaren Teiles eines Einzelsegmentes erzeugt werden kann, ist nur genau ein Einzelsegment mit einem verformbaren Teil notwendig damit der Außendurchmesser des Statorringes dem Statorträger anpassbar ist. Ist die aufsummierte Produktionsungenauigkeit größer als durch genau ein verformbares Teil eines Einzelsegmentes korrigierbar ist, sind mehrere Einzelsegmente mit einem verformbaren Teil in dem Statorring vorgesehen, so dass der Außendurchmessers des Statorringes dem Statorträger anpassbar ist. Sind die Einzelsegmente mit dem verformbaren Teil symmetrisch im Statorring verteil, sind auch die Kräfte, die beim Einpressen in den Statorträger wirken, symmetrisch, so dass die Montage einfach möglich ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung zeichnet sich der Stator einer elektrischen Maschine dadurch aus, dass alle Einzelsegmente eine gleiche Form aufweisen. Dies erleichtert die Produktion, da nur eine Form des Einzelsegmentes hergestellt werden muss und die Position eines Einzelsegmentes innerhalb des Ringes unbestimmt ist. Somit ist beim Zusammenfügen des Statorringes auch nicht auf die Position und Reihenfolge des jeweiligen Einzelsegmentes zu achten. Verfügt jedes Einzelsegment über ein verformbares Teil, ist durch die Verformung genau eines verformbaren Teils im eingepressten Zustand die Produktionsungenauigkeit genau eines Einzelsegmentes korrigierbar. Die Fertigung wird durch eine hohe Fehlertoleranz der Einzelsegmente erleichtert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung zeichnet sich der Stator einer elektrischen Maschine dadurch aus, dass jedes Einzelsegment aus einem Blechpaket aufgebaut. Die Form des Einzelsegmentes lässt sich besonders einfach durch Stanzen des Einzelsegmentes aus einem Blechband herstellen. Um nun aus der Form des Einzelsegmentes mit der Tiefe eines Blechbandes die erforderliche axiale Tiefe des Einzelsegmentes für den Stator zu bekommen, werden mehrere ausgestanzte Formen zu einem Blechpaket aufgebaut. Außerdem bietet das Material des Blechbandes eine vorteilhafte magnetische Eigenschaft.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen Statorring einer elektrischen Maschine, der aus Einzelsegmenten zusammengesetzt ist,
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2 einen Ausschnitt eines Stators aus Einzelsegmenten, der in einen Statorträger eingepresst ist
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3 einen vergrößerten Ausschnittes eines Stators aus Einzelsegmenten, bei dem die Einzelsegmente vor dem Einpressen in den Statorträger zusammengesetzt sind und
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4 einen vergrößerten Ausschnittes eines Stators aus Einzelsegmenten, bei dem die Einzelsegmente in den Statorträger eingepresst sind.
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1 zeigt eine axiale Ansicht eines Statorringes 7, der über Einzelsegmente 3a, 3b verfügt. Der Statorring 7 verfügt über ein erstes Einzelsegment 3a und ein benachbartes, zweites Einzelsegment 3b, wobei das erste Einzelsegment 3a eine Auswölbung 4 und das zweite Einzelelement 3b eine Ausnehmung 5 aufweist. Im zusammengesetzten Zustand, bei dem die Einzelsegmente zu einen Statorring 7 kraftfrei zusammengesetzt sind, ist die Auswölbung 4 an der, dem zweiten Einzelsegment 3b zugewandten Seite des ersten Einzelsegmentes 3a angeordnet und die Ausnehmung 5 an der, dem ersten Einzelsegment 3a zugewandten Seite des zweiten Einzelsegmentes 3b angeordnet. Die Auswölbung 4 des ersten Einzelsegmentes 3a ragt in die Ausnehmung 5 des zweiten Einzelsegmentes 3b hinein und die Auswölbung 4 berührt die Ausnehmung 5. In der dargestellten Ausführung des Statorringes 7 weisen alle Einzelsegmente eine gleiche Form auf. Die Auswölbung 4 und die Ausnehmung 5 verzahnen die Einzelsegmente miteinander und stabilisieren den Statorring 7. Der Statorring 7 weist einen Außendurchmesser 8 auf.
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2 zeigt einen Ausschnitt eines Stators 1, der über einen Statorträger 2 und Einzelsegmente 3a, 3b, wie in 1, verfügt. In dem Ausschnitt sind die benachbarten Einzelsegmente 3a, 3b dargestellt, wobei die Auswölbung 4 des Einzelsegmentes 3a in die Ausnehmung 5 des Einzelsegmentes 3b hineinragt und mit diesem in Kontakt steht. Das erste Einzelsegment 3a verfügt an der, der Auswölbung 4 gegenüberliegenden Seite über eine Ausnehmung 5' und das zweite Einzelsegment 3b verfügt an der, der Ausnehmung 5 gegenüberliegenden Seite über eine Auswölbung 4'. In der dargestellten Ausführung des Stators 1 weisen die Einzelsegmente die gleiche Form auf, so dass in diesem Fall auch die Auswölbung 4 und 4', sowie die Ausnehmung 5 und 5' eine gleiche Form aufweisen. Eine dargestellte Ausformung der Auswölbung 4 des Einzelsegmentes 3a ist eine an der umfänglichen Seitenfläche zum benachbarten Einzelsegment 3b mittig angeordnete Fortsetzung, die in der axialen Ansicht in der grundlegenden Form aus einem Trapez mit anschließendem Dreieck besteht, wobei die Spitze des Dreieckes abgerundet ist, die Seitenflächen des Dreieckes mit den Seitenflächen des Trapezes einen Winkel kleiner als 180° einschließen, so dass das Dreieck steiler zuläuft als das Trapez und die Grundseiten des Trapezes sowohl mit dem Dreieck als auch mit dem Einzelsegment 3a bündig abschließen. Zum vereinfachten Stanzen der Einzelsegmente 3a, 3b aus Blechbändern sind die Übergänge der einzelnen Formen ineinander abgerundet. Die Ausnehmung 5 ist mittig an einer Seitenfläche des Einzelsegmentes 3b in Umfangsrichtung zum Einzelsegment 3a angeordnet. Eine Ausformung der Ausnehmung 5 entspricht der grundlegenden Form der Auswölbung 4 aus einer Kombination eines Trapezes und eines abgerundeten Dreieckes, wobei sich die Seitenverhältnisse zwischen Dreieck und Trapez bei der Ausnehmung 5 zu den Seitenverhältnissen der Auswölbung 4 unterscheiden. Durch den Unterschied der Seitenverhältnisse ähnelt die Form der Auswölbung 4 der Form der Ausnehmung 5, wobei die Form aber nicht gleich ist. Das Einzelsegment 3b verfügt über einen verformbaren Teil 6, der an der Ausnehmung 5 angeordnet ist. Der Ausschnitt zeigt die Einzelsegmente in einem eingepressten Zustand, bei dem die Einzelsegmente 3a, 3b in den Statorträger 2 eingepresst sind. Durch das Einpressen in den Statorträger 2 ist das verformbare Teil 6 derart verformt, dass die Ausnehmung 5 der Auswölbung 4 angepasst ist. Die Auswölbung 4 berührt die Ausnehmung 5 fast mit der gesamten Oberfläche, wodurch der magnetische Fluss im Stator von Materialübergängen unbeeinflusst ist.
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3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der beiden benachbarten Einzelsegmente 3a, 3b aus 2 im zusammengesetzten Zustand, bei dem die Einzelsegmente 3a, 3b zum Statorring 7 kräftefrei zusammengesetzt und noch nicht im Statorträger 2 verpresst sind. Im zusammengesetzt Zustand ist das verformbare Teil 6 noch unverformt und so in der Vergrößerung dargestellt. Die Auswölbung 4 berührt die Ausnehmung 5 nur in einem Teilbereich 4a. Der Teilbereich 4a bildet mit einem Teilbereich 5a der Ausnehmung 5 eine Kontaktfläche 9a zwischen den beiden benachbarten Einzelsegmenten 3a, 3b. An dem Teilbereich 5a der Ausnehmung 5 ist das verformbare Teil 6 angeordnet. Ein anderer Teilbereich 4c der Auswölbung 4 bildet mit der Ausnehmung 5 einen Spalt. Beim Einpressen in den Statorträger 2 wird das verformbare Teil 6 derart verformt, dass die Ausnehmung 5 der Auswölbung 4 angepasst ist und der Spalt geschlossen ist, so dass die Auswölbung 4 fast über die gesamte Fläche die Ausnehmung 5 berührt. Das verformbare Teil 6 ist so gestaltet, dass beim Einpressen in den Statorträger 2 die Einpresskraft das verformbare Teil 6 vor allem radial nach außen verformt. In der Vergrößerung ist auch zu sehen, dass die radiale Ersteckung des verformbaren Teiles 6 kleiner als der Außendurchmesser 8 des zusammengesetzten Statorringes 7 ist. Beim Einpressen in den Statorträger 2 ist der Außendurchmesser 8 durch den Statorträger 2 definiert. Das verformbare Teil 6 ist somit beim Einpressen in den Statorträger 2 radial nach außen verformbar ohne dass die radiale Erstreckung des verformbaren Teiles 6 größer als der Außendurchmesser 8 des Statorringes 7 ist.
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4 zeigt einen zu 3 analogen Ausschnitt der beiden benachbarten Einzelsegmente 3a, 3b bei dem die Einzelsegmente 3a, 3b in den Statorträger 2 eingepresst sind. Die gleichen oder gleichwirkenden Komponenten, die in 3 schon beschrieben wurden, werden für diese Darstellung übernommen und nicht explizit nochmals aufgeführt. Das verformbare Teil 6 ist durch das Einpressen in den Statorträger 2 in radialer Richtung nach außen verformt und so in der Vergrößerung dargestellt. Die radiale Erstreckung des verformbaren Teiles 6 reicht durch die Verformung hauptsächlich in radialer Richtung bis zum Statorträger 2, dessen Innendurchmesser den Außendurchmesser 8 des Statorringes 7 definiert. Ein Teilbereich 4b der Auswölbung 4 bildet mit einem Teilbereich 5b der Ausnehmung 5 eine Kontaktfläche 9b. Die Oberfläche der Kontaktfläche 9b ist größer als die Oberfläche der Kontaktfläche 9a, die sich zwischen dem Einzelsegmente 3a und dem Einzelsegment 3b im zusammengesetzten Zustand in 2 bildet. Ein anderer Teilbereich 4d der Auswölbung 4 steht nicht in Kontakt mit der Ausnehmung 5 und bildet einen Spalt zwischen dem Teilbereich 4d der Auswölbung 4 und der Ausnehmung 5. Die Form der Auswölbung 4 ist derart gewählt, dass ein möglichst großer Anteil der Oberfläche der Auswölbung 4 die Kontaktfläche 9b zur Ausnehmung 5 bildet. Der magnetische Fluss im Stator fließt ungestört über die Kontaktfläche 9b vom Einzelsegment 3a zum Einzelsegment 3b.
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Eine andere mögliche grundlegende Ausformung der Auswölbung wäre eine Gauss-Kurven-förmige Außenlinie, wobei die Ausnehmung ebenfalls eine Außenlinie in Gauss-Kurven-Form mit anderen Parametern aufweisen würde. Durch eine unterschiedliche Krümmung entlang der Gauss-Kurven-förmigen Außenlinie ergibt sich im zusammengesetzten Zustand der Einzelsegmente auch ein Teilbereich der Auswölbung, der mit der Ausnehmung eine Kontaktfläche bildet und ein anderer Teilbereich der Auswölbung, der mit der Ausnehmung einen Spalt bildet. Die grundlegende Form der Außenlinie der Auswölbung und der Ausnehmung in Gauss-Kurven-Form weist die gleichen funktionalen Merkmale auf, wie die dargestelte Ausformung der Auswölbung 4 und Ausnehmung 5 als Kombination eines Trapezes mit einem abgerundetem Dreieck.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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