Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere ein EC-Motor (elektronisch kommutierter Motor), wobei der Stator ein aus

Lamellenblechen bestehenden Kern aufweist, bei dem Polzähne jedes oder einiger Lamellenbleche des Kerns über jeweilige Stege miteinander verbunden sind. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stators.

In einer Reihe von Anwendungen treten elektronisch gesteuerte Elektromotoren immer stärker in den Vordergrund. Hierbei handelt es sich um Elektromotoren, bei denen das erforderliche, periodische Schalten von Spulen nicht mehr durch einen Kommutator, sondern durch elektronische Schalteinrichtungen vorgenommen wird. Zu den elektronischen Schalteinrichtungen gehört auch ein Rotorpositionssensor, um festzustellen, wann sich der Stator und der Läufer für die gerade zu schaltenden Spulen in einer schaltungsgünstigen bzw. schaltungserforderlichen Redaktiv-Stellung befinden.

Aus der DE 198 42 948 ist ein Elektromotor bekannt, welcher einen aus einem Blechpaket hergestellten Stator aufweist, der in der Figur 7 gezeigt ist. Hierbei weisen die einzelnen Blechlamellen 1 Eindrückungen 4 auf, um ein Ineinandergreifen von einander benachbarten Blechlamellen 1 zu ermöglichen. Die einzelnen Pole 2 sind dabei über eine Vielzahl von Stegen 3 miteinander verbunden, in denen ein geradliniger Nutschlitz 9 ausgestaltet ist, der durch eine Vielzahl von kurzen Aussparungen 10 gebildet ist, welche jeweils durch eine Verbindung 11 getrennt sind. Aufgrund der geradlinigen Ausbildung der Nutschlitze 9 und der Vielzahl an Verbindungen 11 könnte dieser bekannte

Elektromotor jedoch ein relativ hohes Rastmoment aufweisen (wenn ein ungeschrägter Rotor eingesetzt ist) und eine relativ geringe Leistung.

Aus der DE 102 03 272 Al ist ein in der Figur 8 gezeigter Stator für eine elektrische Maschine bekannt, die die aus der DE 198 42 948 Al bekannten Nachteile überwindet,

indem der Nutschlitz 12 in einem vorbestimmten Winkel schräg zu einer Mittelachse A des Stators verlaufend ausgestaltet wird. Hier kann in dem Stator zwischen zwei Polen 2 jeweils ein durchgängiger Nutschlitz vorgesehen sein, wobei das oberste Blech 1 und das unterste Blech 1 des Statorblechpakets keine Schlitze aufweisen, oder es kann jeweils eine Vielzahl von Nutschlitzen vorgesehen sein, welche in Richtung der Mittelachse A des Stators zueinander parallel versetzt sind, wobei zwischen den einzelnen Nutschlitzen jeweils ein oder mehrere Bleche 1 angeordnet sind, worin keine Schlitze ausgebildet sind.

Weiter beschreibt die DE 10242 404 Al einen als Blechpaket ausgebildeten Stator einer elektrischen Maschine, der in der Figur 9 gezeigt ist, wobei das Blechpaket aus übereinandergestapelten Blechlaminaten 1 mit im Wesentlichen konstanter Dicke besteht und ringförmig mit nach außen abstehenden Polzähnen 2 aufgebaut ist. Um in Bezug auf die DE 198 42 948 und die DE 102 03 272 Al eine einfachere Fertigung bei ähnlichen magnetischen Eigenschaften zu erzielen, weisen die für das gesamte Statorblechpaket gleich ausgestalteten Blechlaminate 1 zwischen den Polzähnen 2 einen Abschnitt 13 mit geringerer Dicke als die im Wesentlichen konstante Dicke auf.

Allen beschriebenen Statoren ist es gemeinsam, dass der magnetische Kreis des Stators geteilt, d.h., segmentiert ist, so dass die Fasenspulen getrennt von dem Stator gewickelt werden können und anschließend vor dem endgültigen Zusammensetzen des

Magnetkreises auf die Polzähne des Stators gesetzt werden können. Die Vorteile dieses Verfahrens des Statoraufbaues sind vielfältig. Z.B. können die Fasenspulen sehr präzise gewickelt werden, wodurch ein hoher Füllfaktor der Lücken zwischen den Polzähnen besteht und die Endwindungen minimiert werden können, wodurch die Länge des Motors reduziert werden kann und demzufolge Kosten gespart werden können. Nachdem die

Fasenspulen eingesetzt sind, wird der mit den Fasenspulen versehene Kern des Stators in den äußeren Rückschlussring gepresst oder mittels einer Wärmepassung eingesetzt.

Der Aufbau des sternförmigen aus Einzelblechen 1 aufeinander geschichteten Kerns ist sehr komplex. Im Falle der DE 198 42 948 müssen zwei unterschiedliche Formen von

Lamellenblechen 1 erstellt werden, nämlich der einzelne Polzahn 2 und der Stern, d.h. durch Stege 3 mit Verbindungen 11 verbundene Polzähne 2. Diese beiden Formen der Lamellenbleche 1 müssen in einer genauen vordefinierten Reihenfolge aufeinander geschichtet werden, um den Kern zu erzeugen. Die individuellen aufeinander geschichteten Polzähne 2 werden nur mittels ineinander greifender Eindrückungen 4

gehalten, wodurch die Polzähne 2 entweder eine Schwalbenschwanzverbindung an dem Ende des Rückschlussrings benötigen, um ihre mechanische Stabilität zu gewährleisten und sie in ihrer radialen Position zu fixieren, oder es ist nötig, dass der gesamte Statorkern in einer Epoxy- Verbindung gekapselt werden muss.

Allgemein schließen die Verbindungen 11 oder dünneren Abschnitte 13 der Stege 3 zwischen den Polzähnen den Magnetfluss des Rotors kurz, wodurch der von den Fasenspulen verbundene Gesamtfluss und dadurch das Ausgangsmoment des Motors reduziert werden. Diese Verbindungen 11 oder dünneren Abschnitte 13 können weiter zu einer nicht-sinusförmigen Wellenform der elektromotorischen Kraft führen, wenn der

Motor belastet wird, wodurch eine Welligkeit des elektromagnetischen Moments ansteigen kann. Weiter verkompliziert die Verwendung von Verbindungen 11 oder dünneren Abschnitten 13 die Berechnung der elektromagnetischen Eigenschaften des Motors, da z.B. für die Optimierung des Motors bei Verwendung von 2D-Finite- Elemente- Verfahren kein bekanntes Verfahren der genauen Modellierung solcher

Verbindungen (oder teilweise geschlossener Spaltöffnungen) bekannt ist.

Wie zuvor angegeben, werden von der DE 102 42 404 und der DE 102 03 272 die zuvor beschriebenen Nachteile teilweise überwunden, so wird durch die DE 102 42 404 der Aufbau des sternförmigen Kerns vereinfacht. Die durch die DE 102 03 272 erfolgende

Verminderung der Welligkeit des elektromagnetischen Drehmoments weist jedoch den Nachteil von einer größeren Anzahl von unterschiedlichen Formen der Polzähne 2 auf, die hergestellt und zueinander angeordnet werden müssen.

Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine, der einen aus

Lamellenblechen bestehenden Kern aufweist, wobei Polzähne jedes Lamellenblechs des Kerns über jeweilige Stege 3 und Verbindungen 11 miteinander verbunden sind, ist derart ausgebildet, dass die Lamellenbleche des Kerns aus einem Zwei-Zustands-Stahl bestehen und im Bereich der Polzähne eine hohe relative Permeabilität sowie im Bereich der Stege einen Abschnitt mit einer niedrigen relativen Permeabilität aufweisen.

Korrespondierend dazu umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, der einen aus Lamellenblechen bestehenden Kern aufweist, wobei Polzähne jedes Lamellenblechs des Kerns über jeweilige Stege miteinander verbunden sind, die Schritte:

- A -

Fertigen der Lamellenbleche aus einem Zwei-Zustands-Stahl mit einer hohen relativen Permeabilität, und

Durchfuhren einer Wärmebehandlung der Lamellenbleche im Bereich der Stege, so dass dort Abschnitte mit einer niedrigen relativen Permeabilität entstehen.

Erfindungsgemäß können die Lamellenbleche vor oder nach der Wärmebehandlung zu dem Statorkern gestapelt werden. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von aus Zwei-Zustands-Stahl bestehenden Lamellenblechen für den Magnetkern in elektrischen Maschinen können sowohl hinsichtlich der mechanischen als auch der elektromagnetischen Eigenschaften Vorteile erzielt werden. Bei dem Zwei-Zustands-

Stahl kann die normal vorherrschende hohe magnetische Permeabilität in lokalen Bereichen mittels einer Wärmebehandlung permanent auf die Permeabilität von Luft reduziert werden. Die "Spaltöffnungen" des Statorkerns werden durch eine Demagnetisierung des magnetischen Materials erzeugt, wodurch keine komplizierten Brückenanordnungen in den Spaltöffnungen erfolgen müssen, d.h., die "Spaltöffnungen" bestehen aus durchgängigem Material, das eine geringe relative Permeabilität aufweist, vorzugsweise die von Luft. Eine solche "Spaltöffnung" wird im Folgenden auch als "effektiver Spalt" bezeichnet.

Weiter kann die Verwendung dieses Verfahrens zur Erzeugung von effektiven Spalten in einem Stator verwendet werden, um geneigte oder beliebig anders geformte effektive Spalte zu erzeugen, damit Rastmomente und Wellen des elektromagnetischen Moments reduziert werden. Durch die Erfindung können schräge oder beliebig geformte effektive Spalte erreicht werden, ohne dass der Kern tatsächlich physische Aussparungen aufweisen muss, d.h. erfindungsgemäß braucht nur eine Art Lamellenblech gefertigt zu werden.

Nach der Erfindung liegt die hohe relative Permeabilität vorzugsweise im Bereich von 900 oder darüber und die niedrige relative Permeabilität liegt erfindungsgemäß vorzugsweise im Bereich von 1. Bei diesen Werten können die effektiven Spalte des erfindungsgemäßen Stators mittels einer Wärmebehandlung erzeugt werden, bei der das Material auf Temperaturen oberhalb von 1100 ⁰ C erwärmt wird, damit die relative Permeabilität permanent um nahezu drei Größenordnungen von etwa 900 auf 1, d.h., Luft, reduziert wird. Diese Erwärmung erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise mittels des

Verfahrens eines Plasma-Schweißkopfs über die Abschnitte, die den jeweiligen effektiven Spalt bilden sollen.

Der erfindungsgemäße Stator besteht also aus gleichen einstückigen weichmagnetischen Lamellenblechen, die nebeneinander liegende Bereiche mit hoher und niedriger

Permeabilität aufweisen. Die wärmebehandelten Bereiche niedriger Permeabilität weisen weiterhin die mechanische Stärke und Integrität des ursprünglich mit einer hohen Permeabilität versehenen Lamellenblechs auf.

Nach der Erfindung sind die Abschnitte der einzelnen Lamellenbleche vorzugsweise so ausgebildet, dass der Kern im Bereich der Stege zwischen zwei Polzähnen jeweils einen effektiven Spalt mit niedriger relativer Permeabilität aufweist, der parallel zu einer Mittelachse des Stators verläuft. Durch diese konstruktive Ausgestaltung wird ein Stator gemäß der DE 198 42 948 geschaffen, bei dem die mechanische Festigkeit aufgrund es nicht vorhandenen tatsächlichen physikalischen Spalts im Material verbessert wird.

Weiter ist die Fertigung aufgrund der jeweils gleich ausgestalteten Lamellenbleche einfacher.

Alternativ sind die Abschnitte der einzelnen Lamellenblech erfindungsgemäße vorzugsweise so ausgebildet, dass der Kern im Bereich der Stege zwischen zwei

Polzähnen jeweils einen effektiven Spalt mit niedriger relativer Permeabilität aufweist, der in einem vorbestimmten Winkel schräg zu einer mittleren Achse des Stators verläuft. Hierdurch wird ein Stator gemäß der DE 102 03 272 Al geschaffen, wobei die in Bezug auf die DE 198 42 948 genannten Vorteile erhalten bleiben.

Wie zuvor beschrieben, kann der erfindungsgemäße effektive Spalt, der also lediglich ein Spalt bezüglich der Permeabilität und nicht bezüglich des Materials ist, beliebig ausgestaltet sein, da er durch eine Wärmebehandlung des schon zusammengesetzten Statorkerns erfolgt. Der effektive Spalt kann also auch so ausgestaltet sein, dass er in einer ersten Hälfte des Kerns in einem vorbestimmten Winkel schräg zu einer Mittelachse des Stators verläuft und in einer zweiten Hälfte des Kerns in dem negierten vorbestimmten Winkel schräg zur Mittelachse des Stators verläuft, also fischgrätenförmig.

Der erfindungsgemäße Stator ist vorzugsweise segmentiert, wobei um den Kern ein Rückschlussring angeordnet ist. Zur Fertigung des erfindungsgemäßen Stators werden demzufolge die Schritte des Stapeins der Lamellenbleche zu einem Kern und der Wärmebehandlung, des Einsetzens von Spulen auf die Polzähne des Kerns und des Einsetzens des mit den Spulen versehenen Kerns in einen Rückschlussring ausgeführt.

Zeichnung

In der nachfolgenden Beschreibung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figuren 2a und 2b schematische perspektivische Detailansichten des in Figur 1 gezeigten

Statorkerns,

Figur 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 4 eine Aufsicht auf den in der Figur 3 gezeigten Statorkern gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 5 eine schematische perspektivische Teilansicht des den Statorkern bildenden Statorblechpakets des in den Figuren 3 und 4 gezeigten zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,

Figur 6 eine schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 7 eine schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns nach dem

Stand der Technik (DE 198 42 948),

Figur 8 eine schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß dem Stand der Technik (DE 102 03 272), und

Figur 9 eine schematische perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß dem Stand der Technik (DE 10242 404).

Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 1 ein Statorkern gemäß einem ersten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Wie in Figur 1 gezeigt ist, umfasst der Statorkern mehrere zahnförmige nach außen gerichtete Polzähne 2. Zwischen zwei benachbarten Polzähnen 2 ist jeweils ein Steg 3 vorgesehen. Der Statorkern setzt sich aus einer Vielzahl von einzelnen Blechen 1 zusammen, welche übereinandergesetzt werden. Die Bleche 1 werden vorzugsweise gestanzt, so dass sie fertigungstechnisch einfach herstellbar sind. Die Figuren 2a und 2b zeigen Detailansichten des in der Figur 1 gezeigten Statorkerns, wobei die einzelnen

Lamellenbleche 1 erkennbar sind.

Die Stege 3 weisen jeweils einen wärmebehandelten Abschnitt 5 auf, der z.B. unter Verwendung eines Plasma-Schweißkopfs wärmebehandelt wurde, um die magnetischen Eigenschaften der Lamellenbleche 1 so zu ändern, dass sie mit Luft vergleichbar sind, also um einen effektiven Luftspalt 5 zwischen den Polzähnen 2 zu bilden. Die Abschnitte niedriger Permeabilität der einzelnen Lamellenbleche 1 bilden eine durchgehenden effektiven Spalt 5, der parallel zu einer Mittelachse A des Stators verläuft. Diese zwischen den Polzähnen 2 gebildeten effektiven Luftspalte 5 sind äquivalent zu den herkömmlichen Spaltöffnungen in einem herkömmlich hergestellten Statorkern. Es ist auch möglich, dass die Stege 3 vollständig den jeweiligen effektiven Spalt 5 bilden, d.h., vollständig wärmebehandelt werden.

Wie es in den Figuren 2a und 2b gezeigt ist, können sich die Stege 3 auch alternativ zu der in Figur 1 gezeigten konstanten Dicke zu der zwischen den Polzähnen 2 liegenden

Mitte hin verjüngen. Der zwischen zwei Polzähnen 2 ausgestaltete effektive Spalt 5 kann dann z.B. an der dünnsten Stelle der Lamellenbleche 1 angeordnet sein.

Jedes Lamellenblech 1 ist vorzugsweise axial über sich verschwenkende Vertiefungen und Vorsprünge 4 mit dem benachbarten Lamellenblech 1 verbunden, wie es auch bei dem Stand der Technik erfolgt.

Das erfindungsgemäße Zwei-Zustands-Lamellenblech weist ähnliche oder bessere magnetische oder mechanische Eigenschaften auf, als herkömmliches 0,5 mm dickes Silizium-Stahl-Lamellenblech, 1,0 mm dickes nicht-legiertes kaltgewalztes Lamellenblech oder eine herkömmlich verfügbare weichmagnetische Pulvermaterialmischung (z.B. ein Soft Magnetic Composite Material), die üblicherweise in elektrischen Maschinen mit segmentierten Statoren verwendet werden, wobei ein erfindungsgemäßer Statorkern im Vergleich mit den zum Stand der Technik beschriebenen Statorkernen mechanisch stabiler ist, da keine Unterbrechungen des Materials der Stege 3 erfolgt, sondern lediglich eine Änderung der magnetischen Eigenschaften.

Die Figuren 3 und 4 zeigen einen erfindungsgemäßen Statorkern eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die zwischen den Polzähnen 2 gebildeten effektiven Spalte 6 nicht parallel zu der Mittelachse A des Stators verlaufen, sondern in einem vorbestimmten Winkel schräg zu der Mittelachse A des Stators verlaufen. Hier weist ein effektiver Spalt 6 also an einem Ende des Statorblechpakets neben einem

Polzahn 2a ein Ende 6a und an dem anderen Ende des Statorblechpakets ein Ende 6b neben dem benachbarten Polzahn 2b auf. Weiter ist in der Figur 4 ein Rückschlussring 8 gezeigt, in den das Statorblechpaket eingesetzt ist. Figur 5 zeigt eine perspektivische Teilansicht des erfindungsgemäßen Statorkerns gemäß dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform, wobei die einzelnen Lamellenbleche 1 erkennbar sind.

Figur 6 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Statorkerns, bei dem die effektiven Spalte 7 nicht lediglich in einem vorbestimmten Winkel schräg zu der Mittelachse A des Stators verlaufen, sondern in einer ersten Hälfte in einem vorbestimmten Winkel schräg zu der Mittelachse A und in einer zweiten Hälfte des Kerns in dem negierten vorbestimmten Winkel schräg zu der Mittelachse A des Stators, d.h., V- oder fischgrätförmig, wobei beide Enden der effektiven Spalte 7 neben dem gleichen Polzahn liegen.

Die Figuren 1 bis 6 lassen erkennen, dass die Form eines jeweiligen effektiven Spaltes 5, 6, 7 frei gewählt werden kann, da keine Unterbrechungen des Materials der einzelnen Lamellenbleche 1 erfolgt. Hierdurch kann eine effektive Reduzierung von Wellen des elektromagnetischen Moments und von einem Rastmoment reduziert werden, wodurch die Vibration elektrischer Maschinen reduziert werden kann. Die

Wärmebehandlung/Entmagnetisierung der effektiven Spalte 5, 6, 7 kann erfolgen, nachdem der Statorkern zusammengesetzt ist, wodurch Spalte 5, 6, 7 entstehen, die keinen Versatz bezüglich nebeneinanderliegender Lamellenbleche 1 aufweisen, auch dann nicht, wenn die effektiven Spalte 6, 7 nicht parallel zu der Mittelachse A des Stators verlaufen.

Der Aufbau des sternförmigen Statorkerns gemäß der Erfindung ist im Vergleich mit dem Stand der Technik einfacher, da nur eine Form von Lamellenblechen 1 hergestellt werden muss und diese Lamellenbleche 1 nicht in einer genauen vordefϊnierten Reihenfolge aufeinandergeschichtet werden müssen.

Weiter ist nach der Erfindung keine Schwalbenschwanzführung an der Verbindung mit den Lamellenblechen 1 und dem Rückschlussring 8 nötig, um die radiale Position der Lamellenbleche 1 zu sichern und zu fixieren. Auch braucht der gesamte Stator nicht in einer Epoxy- Verbindung gekapselt zu werden, um die radiale Position der individuellen

Polzähne 2 zu sichern.

Nach der Erfindung braucht der sternförmige aus den aufeinandergeschichteten Lamellenblechen 1 bestehende Statorkern lediglich einer Wärmebehandlung unterzogen zu werden, z.B. durch die Bewegung eines Plasma-Schweißkopfes über die Abschnitte der Lamellenbleche 1, die den effektiven Spalt 5, 6, 7 bilden sollen. Es ist natürlich auch möglich, jedes individuelle Lamellenblech 1 wärmezubehandeln, bevor der Statorkern zusammengesetzt wird.

Der erfindungsgemäße Stator weist den elektromagnetischen Vorteil auf, dass kein

Magnetfluss über die wärmebehandelten entmagnetisierten Stege 3 kurzgeschlossen wird, da diese Stege 3 jeweils einen durchgehenden ununterbrochenen effektiven Spalt 5, 6, 7 mit den magnetischen Eigenschaften von Luft aufweisen. Hierdurch können evtl. bestehende schlechtere Eigenschaften des Zwei-Zustands-Stahls ausgeglichen werden und das Drehmoment eines Motors im Vergleich mit einem Motor, der einen

herkömmlichen Statorkern-Rückschlussring- Aufbau aufweist und mit herkömmlichem Lamellenblech aufgebaut ist, erhöht werden. Nach der Erfindung können sinusförmige Wellenformen der elektromagnetischen Kraft auch unter Belastung der Maschine erhalten werden. Weiter wird durch das Entfernen der magnetischen Brücken die Berechnung und die Optimierung der elektrischen Maschine stark vereinfacht.