-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Blechpakets eines Stators einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung einen Stator einer elektrischen Maschine, das heißt eines Elektromotors oder Generators.
-
Die
EP 2 355 308 A2 offenbart einen Elektromotor, dessen Stator eine Mehrzahl an Windungen umfasst. Die Mittelachsen der einzelnen Windungen sind hierbei in Radialrichtung des Elektromotors ausgerichtet, sodass insgesamt eine sternförmige Anordnung der Windungen gegeben ist. Die am Umfang des Stators verteilten, sternförmig angeordneten Windungen sind durch klammerartige Verbindungselemente, welche sich nahe des Außenumfangs des Stators befinden, miteinander verbunden.
-
Die
CN 106936271 A offenbart eine Vorrichtung, welche zum Zusammenbau flächiger Elemente eines Stators eines Elektromotors vorgesehen ist. Die Vorrichtung umfasst mehrere Druckplatten, mit denen auf die zu montierenden Elemente Druck ausgeübt werden kann.
-
Blechpakete von Statoren, die in Elektromotoren zum Einsatz kommen, sind üblicherweise aus Elektroblech aufgebaut, wobei die einzelnen Bleche elektrisch gegeneinander isoliert sind. In diesem Zusammenhang wird auf die Norm DIN EN 10106:2016-03 „Kaltgewalztes nicht kornorientiertes Elektroband und -blech im schlussgeglühten Zustand“ hingewiesen.
-
Als Maß für die Qualität eines Statorblechpaketes kann unter anderem der Stapelfaktor herangezogen werden. Der Stapelfaktor, welcher sich auch auf Rotoren von elektrischen Maschinen beziehen kann, beschreibt die Dichte eines aus Elektroblech gebildeten Paketes. Vom Stapelfaktor hängt unter anderem das maximale Drehmoment und der Wirkungsgrad eines Elektromotors ab. Erreichbare Werte des Stapelfaktors können je nach genauer Bauform beispielsweise zwischen 94% und 97% liegen. In diesem Zusammenhang wird auf die Norm DIN EN 60404-13 „Magnetische Werkstoffe - Prüfverfahren zur Messung der Dichte, des spezifischen Widerstandes und des Stapelfaktors von Elektroblech und -band“ hingewiesen.
-
Aus der
DE 25 36 390 B1 ist ein Kurzschlussläufer für eine elektrische Maschine mit in das Läuferblechpaket eingespritztem Kurzschlusskäfig bekannt. Der Kurzschlusskäfig hält das Läuferblechpaket zusammengepresst und umfasst stirnseitige Kurzschlussringe, wobei mindestens einer der Kurzschlussringe mit einer Läufernabe oder Läuferwelle verdrehungs- und verschiebungssicher verzahnt ist.
-
Die
DE 10 2008 032 214 B4 offenbart einen Reluktanzmotor, dessen Rotor in Umfangsrichtung regelmäßig angeordnete Aussparbereiche aufweist. Der Rotor ist als Blechpaket ausgeführt, wobei aus den Blechteilen die Aussparungen ausgestanzt sind. Die einzelnen Blechteile können durch Stanzpaketierung zusammengehalten werden. Optional sind die Aussparungen mit Kunststoff ausgespritzt.
-
Die
DE 10 2016 24 249 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine Synchronreluktanzmaschine, das die Verfahrensschritte Stapeln eines Rotorpaketes und Ausspritzen von Flusssperren innerhalb des Rotorpaketes mit einem Magnetpartikel enthaltenden Kunststoffmaterial umfasst. Weiter ist das Ausrichten der Magnetpartikel durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes vorgesehen.
-
Aus der
DE 10 2017 220 123 A1 ist eine Nutwandisolation für einen Stator eines Elektromotors bekannt. Die Nutwandisolation soll direkt auf einer Fläche eines Statorblechs in einem Spritzgussprozess ausbildbar sein. Damit ist die Nutwandisolation zahnförmig ausgebildet. Durch die zahnförmige Gestaltung ist eine Aussparung ausgebildet, welche zur Aufnahme eines elektrischen Leiters geeignet ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte bei der Herstellung von Statoren für elektrische Maschinen zu erzielen, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Herstellungsaufwand und elektrischen Eigenschaften des Endproduktes, das heißt des Elektromotors beziehungsweise Generators, angestrebt wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisendes Verfahren zur Herstellung eines Blechpakets, welches zur Verwendung als Teils eines Stators einer elektrischen Maschine vorgesehen ist. Das Herstellungsverfahren geht von der Bereitstellung einer Vielzahl an Elektroblechen mit signifikanter Welligkeit, das heißt einer Abweichung von einer geometrisch idealen, ebenen Form, aus und umfasst folgende Schritte:
- - Stapeln der Elektrobleche zu einem Blechpaket mit einer unkomprimierten Dicke, wobei die aufeinander liegenden Elektrobleche in diesem Zustand einen zumindest geringfügig federelastischen Stapel bilden,
- - Komprimieren des Blechpakets gegen die gegebenen Federkräfte unter Reduzierung der Welligkeit der Elektrobleche soweit, dass das Blechpaket eine komprimierte Dicke erreicht, welche nicht mehr als 98 % der unkomprimierten Dicke, beispielsweise lediglich 95 % oder sogar einen geringeren Anteil der unkomprimierten Dicke, beträgt.
-
Mit diesem Verfahren ist insbesondere ein nach Anspruch 6 ausgebildeter Stator herstellbar, welcher eine Mehrzahl an komprimierten, aufeinander gestapelten Blechpaketen aus Elektroblech umfasst.
-
In vorteilhafter Verfahrensführung erfolgt die Kompression des Blechpaketes unter Anwendung eines zwischen den Elektroblechen befindlichen Harzes, wobei das fertiggestellte, komprimierte Blechpaket zumindest überwiegend durch das Harz zusammengehalten wird. Damit ist auf rationelle Weise ein Blechpaket mit einem hohen Stapelfaktor, insbesondere einem Stapelfaktor von mindestens 96 %, herstellbar, wobei von aufwändigen Technologien zur Verbindung der Elektrobleche abgesehen werden kann.
-
Der Stapelfaktor des Blechpaketes ist in bewährter Weise bestimmbar, indem insbesondere Massen und Abmessungen des Blechpaktes gemessen und/oder aus gespeicherten Daten übernommen werden, wobei auch bekannte Materialeigenschaften, insbesondere die Dichte von Werkstoffen, in die Berechnung eingehen.
-
Das Harz, welches die Elektrobleche miteinander verbindet und zugleich für die Beibehaltung einer geometrisch zumindest annähernd idealen, ebenen Form der einzelnen Bleche sorgt, kann als einziges Mittel zur elektrischen Isolation zwischen den Elektroblechen vorgesehen sein. Im Vergleich zu Blechstapeln, welche durch Stanzpaketieren ohne klebende Stoffe hergestellt sind, stellt die Verbindung durch Harz nicht nur eine rationelle, gut reproduzierbare Technologie dar, sondern zeichnet sich, da Luftvolumina zwischen den einzelnen Blechen praktisch vollständig vermieden werden, auch durch eine vergleichsweise hohe Packungsdichte, das heißt einen hohen Stapelfaktor, aus.
-
Optional können durch das Harz auch elektrische Leiter, welche sich in Axialrichtung des Blechpaketes erstrecken, fixiert und - soweit nötig - gegenüber den Elektroblechen elektrisch isoliert werden. Die elektrischen Leiter, welche im Rahmen des Herstellungsverfahrens mit dem aus Elektroblechen gebildeten Statorpaket verbunden werden, stellen insgesamt eine Wellenwicklung dar. Bei der Fertigung des Statorpakets kann auf prinzipiell bekannte Verfahren, insbesondere das Stanzpaketieren, zurückgegriffen werden.
-
Das Aufbringen des Harzes auf die Elektrobleche kann je nach Verfahrensvariante in unterschiedlichen Stadien des Herstellungsprozesses erfolgen. Beispielsweise wird das Harz aufgebracht, was auch als Imprägnierprozess bezeichnet wird, nachdem die Bleche, ausgehend von einem bandförmigen Ausgangsmaterial, vereinzelt wurden. Auch ist es möglich, in verschiedenen Verfahrensstadien an verschiedenen Stellen der Ausgangs- oder Zwischenprodukte Harz aufzubringen. In allen Fällen ist jeglicher Federweg des Blechpakets nach dessen Fertigstellung praktisch vollständig eliminiert.
-
Um den gewünschten hohen Stapelfaktor zu erreichen, erfolgt der Härteprozess, in welchem unter Aushärtung des Harzes die Elektrobleche dauerhaft miteinander verbunden werden, unter Anwendung einer Vorspannkraft auf das Blechpaket. Die Vorspannkraft, das heißt Druckkraft, kann durch eine Presse prinzipiell bekannter Bauart aufgebracht werden. Die Presse wird beispielsweise hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch betätigt. Der durch die Anwendung der Presse und die Aushärtezeit im Vergleich zu rein mechanischen Verbindungsverfahren zusätzlich entstehende Zeitaufwand wird in Kauf genommen.
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teils symbolisiert:
- 1 einen Stator eines Elektromotors in perspektivischer Ansicht,
- 2 eine zur Herstellung des Stators zu verwendende Anordnung aus gestapelten Elektroblechen in einer Ansicht analog 1,
- 3 eine Anordnung aus aufeinander gestapelten Elektroblechen, wie sie Teil des Stators nach 1 sind,
- 4 lose aufeinander liegende Elektrobleche, wie sie als im Herstellungsverfahren auftretendes Zwischenprodukt in der Anordnung nach 2 vorhanden sind.
-
Ein Stator 1 eines nicht weiter dargestellten Elektromotors umfasst eine Vielzahl einzelner Elektrobleche 3, welche zu Blechpaketen 2 verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel sind vier Blechpakete 2 erkennbar. Ebenso könnte lediglich ein einziges Blechpaket 2 vorgesehen sein. Insgesamt handelt es sich bei dem den Stator 1 umfassenden Elektromotor um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine. Der zugehörige, mit Permanentmagneten, beispielsweise Seltenerdmagneten, bestückte Rotor des Elektromotors ist nicht dargestellt.
-
In der Innenumfangsfläche des Blechpaketes 2 sind zahlreiche Statornuten 4 ausgebildet, in welchen sich beim fertiggestellten Stator 1 elektrische Leiter 6 befinden, die insgesamt eine Wellenwicklung bilden. Ferner sind in den 1 und 2 mehrere Längsnuten 8 in der Außenumfangsfläche des Stators 1 erkennbar.
-
Die Gesamtheit der Blechpakete 2 wird als Statorblock 9 definiert. Die Gestalt des Statorblocks 9 ändert sich im Laufe des Herstellungsverfahrens, wie in den 3 und 4 in teils stark überhöhter Darstellung visualisiert ist. Es wird davon ausgegangen, dass jedes Elektroblech 3 eine signifikante Welligkeit aufweist. In diesem Zustand ist eine Dicke DLo des Blechpaketes 2 und eine in derselben Richtung, das heißt in axialer Richtung des Stators 1, zu messende Höhe HLo des gesamten Statorblocks 9 gegeben. Die tatsächliche Anzahl der Elektrobleche 3 pro Blechpaket 2 ist weit höher als in 4 eingezeichnet.
-
Um die Elektrobleche 3 dauerhaft miteinander zu verbinden und gleichzeitig deren Welligkeit weitestgehend zu beseitigen, wird ein Harz 5 verwendet, welches in 4 lediglich andeutungsweise dargestellt ist. Tatsächlich bedeckt das Harz 5 die Elektrobleche 3 vollflächig. Ausgehend von dem in 4 veranschaulichten Zustand werden die Elektrobleche 3 einschließlich der Zwischenlagen an Harz 5 durch eine nicht dargestellte Presse komprimiert, sodass sich der in 3 skizzierte Zustand, in welchen die Dicke des Blechpaketes 2 auf die kombinierte Dicke Dcom abgenommen hat, erreicht wird. In diesem Zustand ist die Höhe des gesamten Statorblocks 9 auf Hcom reduziert.
-
Mit dem beschriebenen Verfahren wird zum einen der Statorblock 9 auf rationelle Weise hergestellt und zum anderen ein hoher Stapelfaktor des Blechpakets 2 erreicht. Ohne Verwendung irgendwelcher zusätzlicher Elemente, etwa Zuganker, ist ein Stapelfaktor eines jeden einzelnen Blechpaketes 2 und auch des gesamten Statorblocks 9 zwischen 94 % und 97 % erreichbar. Optional wird das Harz 5 auch zur Verankerung der Leiter 6 in den Statornuten 4 verwendet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stator
- 2
- Blechpaket
- 3
- Elektroblech
- 4
- Statornut
- 5
- Harz
- 6
- Leiter
- 7
- Freiraum
- 8
- Längsnut
- 9
- Statorblock
- DLo
- Dicke, lose
- Dcom
- Dicke, komprimiert
- HLo
- Höhe, lose
- Hcom
- Höhe, komprimiert
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2355308 A2 [0002]
- CN 106936271 A [0003]
- DE 2536390 B1 [0006]
- DE 102008032214 B4 [0007]
- DE 10201624249 A1 [0008]
- DE 102017220123 A1 [0009]
