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WO2012089404A2 - Wicklungszahn für eine elektrische maschine, maschinenkomponente und elektrische maschine - Google Patents

Wicklungszahn für eine elektrische maschine, maschinenkomponente und elektrische maschine Download PDF

Info

Publication number
WO2012089404A2
WO2012089404A2 PCT/EP2011/070354 EP2011070354W WO2012089404A2 WO 2012089404 A2 WO2012089404 A2 WO 2012089404A2 EP 2011070354 W EP2011070354 W EP 2011070354W WO 2012089404 A2 WO2012089404 A2 WO 2012089404A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tooth
stator
winding
geometry
toothed shaft
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/070354
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2012089404A3 (de
Inventor
Torsten Wilharm
Tilo Koenig
Maxim Sukhman
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
Publication of WO2012089404A2 publication Critical patent/WO2012089404A2/de
Publication of WO2012089404A3 publication Critical patent/WO2012089404A3/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

Definitions

  • the present invention relates generally to electrical machines, particularly electrical machines having machine components constructed by stacking laminations. Furthermore, the present invention relates to the improvement of the Wrkungsgrades and the improvement of the thermal contact resistance and reduction of the installation space in electrical machines.
  • Machine components such as stators or rotor of electrical machines, are often built in lamellar construction of lamella plates.
  • the lamellar plates are usually similarly punched and stacked on top of each other, so that these - in rotary electric machines in the axial direction, otherwise generally in a direction perpendicular to a relative direction of movement between the stator and rotor - lie on each other.
  • the laminations are typically insulated from each other to reduce the flow of wrinkles in the machine component.
  • an inverting tooth for an electric machine having a tooth shaft and a tooth tip disposed at one end of the tooth shaft with respect to an extension direction of the tooth shaft and projecting beyond the tooth shaft in a tooth head direction perpendicular to the extension direction.
  • the tooth tip is tapered at at least one end with respect to a transverse direction that is perpendicular to the extension direction and perpendicular to the tooth tip direction in which the tooth tip protrudes.
  • An idea of the above invention is to reduce the width of the tooth tips with respect to the direction of extension direction of the tooth shaft toward an end of the tooth for toothing with respect to the transverse direction.
  • the tooth cross-section in the area of the toothed shaft is virtually rounded and thus the circumference reduced, which results in winding in a reduced wire length and thus in lower ohmic losses, increased efficiency and lower material costs.
  • the grading of the tooth heads makes better use of the available space and improves the thermal contact resistance.
  • the toothed shaft may be tapered at at least one end, with respect to a transverse direction that is perpendicular to the extension direction and perpendicular to the tooth tip direction.
  • the first lamination with the first geometry provides a width of the toothed shaft transversely to the extension direction, which is greater in the tooth-head direction than the corresponding width of the toothed shaft in the second geometry.
  • a machine component in particular a stator or rotor of an electrical machine, is provided with one or more of the above winding teeth.
  • the machine component may be composed of a plurality of similar segments each having one or more winding teeth.
  • a machine component in particular a stator or rotor of an electrical machine, is provided with one or more of the above teeth, wherein at least one of the winding teeth is provided with an insulating part which is shaped to be one or both of the tapered ones Ends of the tooth shaft covered.
  • the optimized design of the insulating parts which can be placed on the tapered end of the toothed shaft, allows reliable protection of the winding wire with a small cross-sectional area.
  • the insulating part may be formed as a separate component or by encapsulation of the winding teeth with an insulating material.
  • an engine component for an electric machine having a tooth for toothing with a toothed shaft and a stator portion, the toothed shaft being disposed at one end with respect to its extending direction at the stator portion, the stator portion being in a stator direction perpendicular to the extending direction of the tooth - Stem projects, wherein the stator section is tapered at at least one end with respect to a transverse direction which is perpendicular to the extension direction and perpendicular to the stator direction, tapered.
  • the winding tooth may have a tooth tip, which is arranged at a further end of the tooth shaft with respect to an extension direction of the tooth shaft and which protrudes in a tooth head direction corresponding to the stator direction, perpendicular to the extension direction over the tooth shaft, wherein the tooth tip at least an end is tapered with respect to the transverse direction.
  • the toothed shaft may be tapered at at least one end with respect to the transverse direction.
  • the winding tooth has a stack of laminations, which are stacked in the transverse direction, wherein a first laminations are provided with a first geometry and a second laminations with a second geometry, wherein the first laminations with the first geometry has a width of Tooth sprocket transversely to its extension direction provides, which is greater than the corresponding width of the toothed shaft in the second geometry with respect to the tooth head direction in which the tooth head protrudes beyond the toothed shaft.
  • winding teeth are wound with sprocket wire to form a wadlung.
  • an electric machine with the above machine component is provided.
  • FIGS. 1a-1c show various laminations for constructing a stator of an internal rotor motor in one-part or multi-part design
  • FIG. 2 is a perspective view of the sheet metal section or
  • Figure 3 is a sectional view of a stator tooth of the stator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows a cross section through a wound toothed shaft
  • FIGS. 1 a to 1 c show different geometries of laminations for laminations for constructing a stator for an electrical machine.
  • the stator is built up by stacking the lamella plates.
  • the stator of the electric machine to be produced should have stator teeth to be wound with winding wire to make a stator winding.
  • FIG. 1 a shows a lamination plate 20, which images the cross section of the complete stator cross-section in one piece as a complete section.
  • a sheet metal section is suitable for the production of small and large size electrical machines.
  • the fin plate 20 has a stator yoke plate portion 21, a toothed plate portion 22, and a tooth tip portion 23 each provided for forming a stator yoke, a tooth stem, and a tooth tip, respectively, of a stator constructed of stacked laminations.
  • Such lamella plates are punched or cut by laser cutting, and then stacked on each other, so that the individual lamellae are congruent to each other.
  • stator is formed with stator teeth which have a cross-section perpendicular to their longitudinal extent in the winding plane of a stator winding to be applied thereon, which extends in the axial direction (stacking direction).
  • a stator may also be constructed from lamination plates which form a stator section when stacked. The stator sections can then be assembled into a stator.
  • the stator yoke and the stator teeth located in the interior of the stator yoke are made up of separate lamination plates.
  • FIG. 2 is a perspective view of a disk set 1 for constructing an electrical machine, such as a synchronous machine or the like.
  • the illustrated disk set 1 is provided for an internal rotor motor and therefore has an internal recess.
  • the stator 1 comprises a stator yoke 2, from which stator teeth 3 protrude radially into the interior of the cylindrical stator yoke 2.
  • Each of the stator teeth 3 has a tooth shank 4 and a tooth tip 5 arranged at the inward end of the stator tooth 3.
  • the tooth head 5 has an outer contour 7 directed into the interior of the stator 1 or onto a rotor, which defines the region in which the rotor (not shown) of the electric machine to be formed with the stator 1 is arranged.
  • the type of outer contour of the tooth heads is used to define the shape of the air gap between the rotor poles of the rotor and the tooth tips 5.
  • the outer contour of the tooth tips is opposite to a bottom 6 of the tooth head 5, which faces the tooth shaft 4.
  • the underside 6 closes with an extension direction E of the tooth shank, i.
  • the underside 6 extends obliquely to the respective extension direction E of the extension of the toothed shaft 4 and obliquely to one
  • Tooth-head direction U which in rotating electrical machines of a Um- catch direction or a tangential direction corresponds.
  • the tooth-head direction U generally corresponds to the direction in which electrical movement takes place between the stator and the rotor.
  • the stator teeth 3 of the stator 1 are wound with winding wire to produce a stator winding.
  • the thickness of the tooth shank 4 in the tooth-head direction U at the ends of the stator teeth 3 in an axial direction that is, in an axial direction.
  • a transverse direction Z which is perpendicular to the respective extension direction E of the toothed shaft 4 and substantially perpendicular to the tooth head direction U of the corresponding tooth head 5, tapers, so that the cross section of the tooth shaft 4 approaches a rounding there.
  • the wire length required for the winding can thereby be reduced, so that the ohmic resistance of the winding is reduced. This manifests itself in an increased degree of wrinkling of the electrical machine and lower material costs for the winding wire.
  • the width of the tooth head 5 tapers towards at least one of the ends of the stator teeth 3 in the transverse direction Z (axial direction). Since the rotor facing the outer contour of the tooth head 5 defines the air gap and should substantially correspond to a lateral surface of a circular cylinder, the taper takes place on the underside 6 of the tooth head 5, which faces the toothed shaft 4.
  • the stator 1 in a stator section, on which the toothed shaft 4 protrudes from the stator yoke 2 has a toothing 5 corresponding to the taper.
  • a side of the stator 2 facing the toothed shaft 4 is tapered in the transverse direction Z in the region of the section on which the toothed shaft 4 is connected to the stator 2.
  • FIG. 3 shows a detailed illustration of one of the stator teeth 3 in a section.
  • the stator tooth 3, which is shown by way of example in FIG. 3, has two steps at an axial end of the toothed shaft 4, which reduce the thickness of the toothed shaft 4 in the circumferential direction. 3. It can be seen that not only the toothed shaft 4 but also the thickness of the tooth head 5 tapers towards the axial end of the stator tooth 3, in that the toothed shaft 4 is tapered facing bottom 6 of the tooth head 5 is displaced in the direction of the outer contour 7 of the tooth head 5.
  • windings 8 which are wound in several layers around the toothed shaft 4.
  • One or more further turns 9 are provided for exploiting the available winding space in a region 10 which is formed by the space between a perpendicular to the extension of the toothed shaft 4 in the circumferential direction (tooth head direction) and the underside 6 of the tooth head 5.
  • this would mean that these further turns 9 would have been forced into a transitional area 11 in which the toothed shaft 4 merges into the tooth head 5, and thus the thickness of the stator winding where it is in the transition area 1 1 is applied to the tooth head 5, would increase.
  • FIG. 4 shows a cross section through the toothed shaft 4 with the windings 8 of the stator winding wound around it.
  • an insulating mask 12 is provided which has an inner contour 13 which substantially corresponds to the contour of the tapering toothed shaft 4 that the insulating mask 12 can be placed on the axial end of the toothed shaft 4.
  • the insulating mask 12 has an outer contour 14 which is curved and preferably in no section has a curvature which is greater than a predetermined threshold value.
  • the outer contour of the insulating mask 12 is semicircular, so that the walls 9 of the stator winding can rest against the outer contour 14.
  • the insulating mask 12 is preferably formed in two parts, wherein the two parts of the insulating mask 12 are placed on both sides of the toothed shaft 4. For example, identical or nearly identical insulating masks 12 can be placed on both sides of the toothed shaft 4.
  • the cross section of the tooth tips 5 is determined by the design of the magnetic circuit in the electrical machine. Often, the cross-section of the tooth heads 5 is oversized due to the mechanical strength and the manufacturability of the laminations and the building on him insulating masks. By grading the tooth heads 5 of the available space can be used better.
  • the width of the insulating mask 12 is determined by the tooth tips 5 in the widest region with respect to the tooth head direction U (perpendicular to the axial direction and in the direction of relative movement between the stator and the rotor), if the design is based on harmonic tangential transitions of the surfaces without stiffening. is aligned. This is necessary for a good manufacturability of the insulating masks and a good wire position of the winding wire. Due to the stepped design of the tooth cross-sections, the insulating masks 12 shift relative to one another and the axially last tooth head plates would lead to a very small wall thickness of the insulating masks 12 or the insulating masks 12 would have to be greatly oversized in the remaining region. Therefore it is also from this

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 Wicklungszahn (3) für eine elektrische Maschine mit einem Zahnschaft (4) und einem Zahnkopf (5), der an einem Ende des Zahnschaftes (4) bezüglich einer Erstreckungsrichtung (E) des Zahnschaftes (4) angeordnet ist und der in einer Zahnkopf-Richtung (U) senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E) über den Zahnschaft (4) übersteht, wobei der Zahnkopf (5) an mindestens einem Ende bezüglich einer Querrichtung (Z), die senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E) und senkrecht zu der Zahnkopf-Richtung (U), in der Zahnkopf (5) übersteht, verläuft, verjüngt ist.

Description

Beschreibung
Titel
Wicklungszahn für eine elektrische Maschine, Maschinenkomponente und elektrische Maschine
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektrische Maschinen, insbesondere elektrische Maschinen mit Maschinenkomponenten, die durch Stapelung von Lamellenblechen aufgebaut sind. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verbesserung des Wrkungsgrades und die Verbesserung der thermischen Übergangswiderstände sowie Verkleinerung des Bauraums in elektrischen Maschinen.
Stand der Technik
Maschinenkomponenten, wie beispielsweise Statoren oder Läufer von elektrischen Maschinen, werden häufig in Lamellenbauweise aus Lamellenblechen aufgebaut. Die Lamellenbleche werden in der Regel gleichartig gestanzt und aufeinander gestapelt, so dass diese - bei rotatorischen elektrischen Maschinen in axialer Richtung, ansonsten allgemein in einer Richtung senkrecht zur einer relativen Bewegungsrichtung zwischen Stator und Läufer - aufeinander liegen. Die Lamellenbleche sind in der Regel zueinander isoliert, um Wrbelströme in der Maschinenkomponente zu verringern.
Je nach Art der elektrischen Maschine weist die Maschinenkomponente Wicklungszähne auf, die von einem Trägerelement, das einen magnetischen Rück- schluss bildet, entweder in radialer Richtung nach innen oder außen abstehen und von einem Zahnkopf, der in der relativen Bewegungsrichtung breiter ist als der Zahnschaft, abgeschlossen werden. Die Wicklungszähne werden häufig vor dem Bewickeln mithilfe von Isolierteilen in Form von Kunststoffmasken, Papier, Pulver oder Lack oder einer Kombination davon isoliert und anschließend mit Wicklungsdraht, z.B. einem Kupferdraht, bewickelt. Diese Isolation der Wicklungszähne dient dem mechanischen Schutz des in der Regel nur mit einer dünnen Lackschicht isolierten Wcklungsdrahtes vor den scharfkantigen Blechrändern.
Die Maschinenkomponente kann entweder einteilig aus einer Vielzahl gleichartiger gestapelter einzelner Lamellenbleche hergestellt werden, was man in der Regel als Komplettschnitt bezeichnet, oder mehrteilig, was in der Regel als geteilter Schnitt bzw. geteilter Stator oder mehrteiliger Schnitt bzw. mehrteiliger Stator bezeichnet wird. Unabhängig von der Aufbauweise und der Isolation der Wicklungszähne ist die Geometrie des Blechschnitts der einzelnen Lamellenbleche oft identisch, um nur ein einziges Stanzwerkzeug oder ein Stanzwerkzeug geringer Komplexität zu benötigen.
Aus der Druckschrift DE 10/2004 018208 A1 ist ein Wicklungsträger für eine elektrische Maschine bekannt, der als ein Blechpaket ausgeführt ist und mehrere Polzähne (Wicklungszähne) aufweist. Die Wicklungszähne weisen jeweils einen Zahnschaft mit Polfuß (Zahnkopf) auf, um die die Wcklung anordbar ist. Die Zahnschäfte der Wcklungszähne sind so ausgebildet, dass sie ausgehend von den Stirnseiten des Blechpakets eine veränderliche Breite aufweisen.
Eine solche Aufbauweise führt zu einer besseren Nutzung des zur Verfügung stehenden Bauraumes, stellt aber je nach den geometrischen Verhältnissen allein nicht das Optimum dar. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Winkel zwischen Zahnschaft und Zahnkopf abweichend von 90° ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wcklungszahn und eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, durch die eine verbesserte Wicklung ermöglicht wird und wobei insbesondere eine Verbesserung der thermischen Übergangswiderstände der bewickelten Maschinenkomponente erreicht wird. Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch den Wicklungszahn für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die Maschinenkomponente und die elektrische Maschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Wcklungszahn für eine elektrische Maschine mit einem Zahnschaft und einem Zahnkopf vorgesehen, der an einem Ende des Zahnschaftes bezüglich einer Erstreckungsrichtung des Zahnschaftes angeordnet ist und der in einer Zahnkopf-Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung über den Zahnschaft übersteht. Der Zahnkopf ist an mindestens einem Ende verjüngt, und zwar bezüglich einer Querrichtung, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung und senkrecht zu der Zahnkopf-Richtung verläuft, in der der Zahnkopf übersteht.
Eine Idee des obigen Wcklungszahns besteht darin, die Breite der Zahnköpfe bezüglich der Richtung der Erstreckungsrichtung des Zahnschaftes zu einem Ende des Wcklungszahns hin bezüglich der Querrichtung zu verringern. Dadurch wird der Zahnquerschnitt im Bereich des Zahnschafts quasi verrundet und damit der Umfang verringert, was sich beim Bewickeln in einer verringerten Drahtlänge und somit in geringeren ohmschen Verlusten, einem erhöhten Wirkungsgrad und geringeren Materialkosten auswirkt. Durch die Stufung der Zahnköpfe wird der zur Verfügung stehende Bauraum besser genutzt und die thermischen Übergangswiderstände verbessert.
Weiterhin kann der Wcklungszahn einen Stapel von Blechlamellen aufweisen, die in Querrichtung gestapelt sind, wobei eine erste Blechlamelle mit einer ersten Geometrie und eine zweite Blechlamelle mit einer zweiten Geometrie vorgesehen sind, wobei die erste Geometrie eine Breite des Zahnkopfes in Erstreckungsrichtung vorsieht, die größer ist als die Breite des Zahnkopfes in Erstreckungsrichtung bei der zweiten Geometrie, um eine Stufung des Zahnkopfes vorzusehen, wobei insbesondere die zweite Blechlamelle einer letzten Blechlamelle des Stapels von Blechlamellen entspricht.. Mit anderen Worten entspricht die zweite Blechlamelle der zweiten Geometrie einer Blechlamelle, die einen Abschluss des Stapels bildet.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Zahnschaft an mindestens einem Ende verjüngt sein, und zwar bezüglich einer Querrichtung, die senkrecht zur Erstre- ckungsrichtung und senkrecht zu der Zahnkopf-Richtung verläuft.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Blechlamelle mit der ersten Geometrie eine Breite des Zahnschaftes quer zur Erstreckungsrichtung vorsieht, die bezüglich der Zahnkopf-Richtung größer ist als die entsprechende Breite des Zahnschaftes bei der zweiten Geometrie.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Maschinenkomponente, insbesondere ein Stator oder Läufer einer elektrischen Maschine, mit einem oder mehreren der obigen Wicklungszähne vorgesehen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Maschinenkomponente mit mehreren gleichartigen Segmenten mit jeweils einem oder mehreren Wicklungszähnen zusammengesetzt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Maschinenkomponente, insbesondere ein Stator oder Läufer einer elektrischen Maschine, mit einem oder mehreren der obigen Wcklungszähne vorgesehen, wobei mindestens einer der Wicklungszähne mit einem Isolierteil versehen ist, das so geformt ist, dass es eines oder beide der sich verjüngenden Enden des Zahnschaftes bedeckt. Die optimierte Gestaltung der Isolierteile, die auf das sich verjüngende Ende des Zahnschafts aufgesetzt werden können, ermöglicht einen zuverlässigen Schutz des Wicklungsdrahts bei gleichzeitig geringer Querschnittsfläche. Das Isolierteil kann als separates Bauteil oder durch Umspritzung der Wicklungszähne mit einem Isoliermaterial ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine mit einem Wcklungszahn mit einem Zahnschaft und einem Statorabschnitt vorgesehen, wobei der Zahnschaft mit einem Ende bezüglich seiner Erstreckungsrichtung an dem Statorabschnitt angeordnet ist, wobei der Statorabschnitt in einer Stator-Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Zahn- Schaftes übersteht, wobei der Statorabschnitt an mindestens einem Ende bezüglich einer Querrichtung, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung und senkrecht zu der Stator-Richtung verläuft, verjüngt ist.
Weiterhin kann der Wicklungszahn einen Zahnkopf aufweisen, der an einem weiteren Ende des Zahnschaftes bezüglich einer Erstreckungsrichtung des Zahnschaftes angeordnet ist und der in einer Zahnkopf-Richtung, die der Stator- Richtung entspricht, senkrecht zur Erstreckungsrichtung über den Zahnschaft übersteht, wobei der Zahnkopf an mindestens einem Ende bezüglich der Querrichtung verjüngt ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Zahnschaft an mindestens einem Ende bezüglich der Querrichtung verjüngt sein.
Es kann vorgesehen sein, dass der Wicklungszahn einen Stapel von Blechlamellen aufweist, die in Querrichtung gestapelt sind, wobei eine erste Blechlamelle mit einer ersten Geometrie und eine zweite Blechlamelle mit einer zweiten Geometrie vorgesehen sind, wobei die erste Blechlamelle mit der ersten Geometrie eine Breite des Zahnschaftes quer zu seiner Erstreckungsrichtung vorsieht, die bezüglich der Zahnkopf-Richtung, in der der Zahnkopf über den Zahnschaft übersteht, größer ist als die entsprechende Breite des Zahnschaftes bei der zweiten Geometrie.
Es kann vorgesehen sein, dass die Wicklungszähne mit Wcklungsdraht bewickelt sind, um eine Wcklung zu bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit der obigen Maschinenkomponente vorgesehen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figuren 1a - 1c verschiedene Blechschnitte zum Aufbau eines Stators eines Innenläufermotors in einteiliger oder mehrteiliger Ausführung;
Figur 2 eine perspektivische Darstellung des Blechschnitts bzw.
Lamellenpakets eines Stators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 eine Schnittansicht eines Statorzahns des Stators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figur 4 einen Querschnitt durch einen bewickelten Zahnschaft bei
Aufsetzen eines Isolierteils auf den Statorzahn der Figuren 2 und 3.
Beschreibung von Ausführungsformen
In den Figuren 1 a bis 1 c sind verschiedene Geometrien von Blechschnitten für Lamellenbleche zum Aufbau eines Stators für eine elektrische Maschine dargestellt. Der Stator wird durch Stapeln der Lamellenbleche aufgebaut. Der herzustellende Stator der elektrischen Maschine soll Statorzähne aufweisen, die mit Wicklungsdraht bewickelt werden sollen, um eine Statorwicklung herzustellen.
Die in der Figur 1 a gezeigte Geometrie zeigt ein Lamellenblech 20, das den Querschnitt des vollständigen Statorquerschnitts einteilig als Komplettschnitt abbildet. Ein solcher Blechschnitt eignet sich zur Herstellung von elektrischen Maschinen kleiner und großer Baugröße. Das Lamellenblech 20 weist einen Statorjochblechbereich 21 , einen Zahnschaftblechbereich 22 und einen Zahnkopfblechbereich 23 auf, die jeweils zum Ausbilden eines Statorjochs, eines Zahnschaftes bzw. eines Zahnkopfes eines aus gestapelten Blechlamellen aufgebauten Stators vorgesehen sind. Derartige Lamellenbleche werden gestanzt oder durch Laserschneiden geschnitten, und anschließend aufeinander gestapelt, so dass die einzelnen Lamellenbleche deckungsgleich aufeinander liegen. Dadurch wird der Stator mit Statorzähnen ausgebildet, die einen Querschnitt senkrecht zur ihrer Längserstreckung in Wicklungsebene einer darauf aufzubringenden Statorwicklung aufweisen, die sich in axialer Richtung (Stapelrichtung) erstreckt. Gemäß weiteren Möglichkeiten kann ein Stator auch aus Lamellenblechen aufgebaut sein, die beim Stapeln einen Statorabschnitt ausbilden. Die Statorabschnitte können dann zu einem Stator zusammengesetzt werden. In Figur 1 b sind beispielsweise das Statorjoch und die im Inneren des Statorjochs befindlichen Statorzähne aus separaten Lamellenblechen aufgebaut.
In Figur 1 c ist das Lamellenpaket des Stators aus Lamellenblechen aufgebaut, die jeweils gleichartige Statorsegmente zum Aufbau eines Stators ausbilden. Die gleichartigen Segmente weisen in etwa die Struktur eines Doppel-T auf und werden in Umfangsrichtung aneinander gesetzt, um einen zylinderförmigen Stator auszubilden. Jedes der Statorsegmente trägt einen oder mehrere der den Statorzahn bildenden Blechbereiche. In Figur 2 ist ein Lamellenpaket 1 zum Aufbau einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise einer Synchronmaschine oder dergleichen, perspektivisch dargestellt. Das dargestellte Lamellenpaket 1 ist für einen Innenläufermotor vorgesehen und weist daher eine Innenausnehmung auf. Der Stator 1 umfasst ein Statorjoch 2, von dem Statorzähne 3 radial ins Innere des zylinderförmigen Statorjochs 2 abstehen. Jeder der Statorzähne 3 weist einen Zahnschaft 4 und einen Zahnkopf 5 auf, die an dem nach innen gerichteten Ende des Statorzahns 3 angeordnet sind. Der Zahnkopf 5 weist eine ins Innere des Stators 1 bzw. auf einen Rotor gerichtete Außenkontur 7 auf, die den Bereich definiert, in dem der Rotor (nicht gezeigt) der mit dem Stator 1 zu bildenden elektrischen Maschine angeordnet ist. Die Art der Außenkontur der Zahnköpfe dient der Definition der Form des Luftspalts zwischen Rotorpolen des Rotors und den Zahnköpfen 5. Der Außenkontur der Zahnköpfe liegt eine Unterseite 6 des Zahnkopfes 5 gegenüber, die dem Zahnschaft 4 zugewandt ist. Die Unterseite 6 schließt mit einer in Erstreckungsrichtung E des Zahnschaftes, d.h. mit einer in radialer Richtung verlaufenden Seite bzw. Mittenachse des Zahnschaftes 4 einen stumpfen Winkel ein. Mit anderen Worten verläuft die Unterseite 6 schräg zur jeweiligen Erstre- ckungsrichtung E der Erstreckung des Zahnschaftes 4 und schräg zu einer
Zahnkopf-Richtung U, die bei rotatorischen elektrischen Maschinen einer Um- fangsrichtung bzw. einer tangentialen Richtung entspricht. Die Zahnkopf- Richtung U entspricht allgemein bei elektrischen Maschinen der Richtung, in der eine relative Bewegung zwischen dem Stator und Läufer erfolgt.
Zum Aufbau einer elektrischen Maschine werden die Statorzähne 3 des Stators 1 mit Wicklungsdraht bewickelt, um eine als Statorwicklung herzustellen. Um die Drahtlänge des Wcklungsdrahts zu verringern, ist die Dicke des Zahnschafts 4 in Zahnkopf-Richtung U an den Enden der Statorzähne 3 in einer axialen Richtung, d.h. in einer Querrichtung Z, die senkrecht zur jeweiligen Erstreckungsrichtung E des Zahnschaftes 4 und im wesentlichen senkrecht zur Zahnkopf-Richtung U des entsprechenden Zahnkopfes 5 verläuft, verjüngt, so dass der Querschnitt des Zahnschafts 4 sich dort einer Abrundung annähert. In der Praxis wird dies dadurch erreicht, dass Lamellenbleche verschiedener Geometrien aufeinander gestapelt werden, wobei auf einen Stapel von Lamellenblechen, die einen Innenbereich (in Querrichtung) des Stators 1 ausbilden, z. B. solche, wie sie in den Figuren 1 a bis 1 c gezeigt sind, weitere Lamellenbleche mit Zahnschaftblechbereichen reduzierter Breite in Zahnkopf-Richtung gestapelt werden. Es werden dadurch Zahnschäfte 4 der Statorzähne 3 gebildet, die sich stufenweise zu den Enden des Stators in Querrichtung Z hin verjüngen.
Beim Bewickeln des Zahnschafts 4 mit Wicklungsdraht kann dadurch die für die Wicklung benötigte Drahtlänge verringert werden, so dass sich der ohmsche Widerstand der Wicklung verringert. Dies macht sich in einem erhöhten Wrkungs- grad der elektrischen Maschine und geringeren Materialkosten für den Wicklungsdraht bemerkbar.
Insbesondere an dem dem Zahnkopf 5 zugewandten Ende der Wcklung kann es aufgrund der schräg verlaufenden Unterseite 6 des Zahnkopfs 5 dazu kommen, dass sich Wndungen der Wcklungen an der dem Zahnkopf 5 zugewandten Sei- te drängen. Dies kann dazu führen, dass sich die Statorwicklung in diesem Bereich verdickt. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, ist vorgesehen, dass sich die Breite des Zahnkopfs 5 zu mindestens einem der Enden der Statorzähne 3 in Querrichtung Z (axialer Richtung) hin verjüngt. Da die dem Läufer zugewandte Außenkontur des Zahnkopfs 5 den Luftspalt definiert und im Wesentlichen einer Mantelfläche eines Kreiszylinders entsprechen sollte, erfolgt die Verjüngung an der Unterseite 6 des Zahnkopfs 5, die dem Zahnschaft 4 zugewandt ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Stator 1 in einem Statorabschnitt, an dem der Zahnschaft 4 von dem Statorjoch 2 absteht, eine dem Zahnkopf 5 entsprechende Verjüngung aufweist. D.h. eine dem Zahnschaft 4 zugewandte Seite des Stators 2 ist im Bereich des Abschnitts, an dem der Zahnschaft 4 mit dem Stator 2 verbunden ist, in Querrichtung Z verjüngt. Dadurch kann, wie oben in Verbindung mit dem Zahnkopf 5 beschrieben, dem Effekt des Drängens der Windungen der Wicklungen an der dem Statorjoch 2 zugewandten Seite entgegen gewirkt werden.
In Figur 3 ist eine detailliertere Darstellung eines der Statorzähne 3 in einem Schnitt dargestellt. Der Statorzahn 3, der in Figur 3 beispielhaft dargestellt ist, weist zwei Abstufungen an einem axialen Ende des Zahnschafts 4 auf, die die Dicke des Zahnschafts 4 in Umfangsrichtung verringern. Die Stapelung der Blechlamellen zum Aufbau eines solchen Statorzahns 3 erfolgt senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 3. Man erkennt, dass sich zum axialen Ende des Statorzahns 3 hin nicht nur der Zahnschaft 4 sondern auch die Dicke des Zahnkopfes 5 verjüngt, indem die dem Zahnschaft 4 zugewandte Unterseite 6 des Zahnkopfs 5 in Richtung der Außenkontur 7 des Zahnkopfs 5 verschoben ist.
Weiterhin sind in Figur 3 die Wcklungsdrahtquerschnitte angedeutet. Man erkennt Windungen 8, die in mehreren Lagen um den Zahnschaft 4 gewickelt sind. Eine oder mehrere weitere Windungen 9 sind zur Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Wicklungsraumes in einem Bereich 10 vorgesehen, der durch den Raum zwischen einer Senkrechten auf die Erstreckung des Zahnschaftes 4 in Umfangsrichtung (Zahnkopf-Richtung) und der Unterseite 6 des Zahnkopfes 5 gebildet ist. Bei einem sich nicht verjüngenden Zahnkopf 5 hätte dies zur Folge, dass diese weiteren Windungen 9 in einem Übergangsbereich 1 1 , in dem der Zahnschaft 4 in den Zahnkopf 5 übergeht, gedrängt wären und sich somit die Dicke der Statorwicklung dort, wo diese in dem Übergangsbereich 1 1 an dem Zahnkopf 5 anliegt, erhöhen würde. Dies beschränkt die Anzahl der Windungen und reduziert dadurch den Nutfüllfaktor zwischen benachbarten Statorzähnen 3. Die Verjüngung des Zahnkopfs 5 gibt den weiteren Windungen 9 ausreichend Raum, damit die Statorwicklung sich an ihrem Ende insgesamt nicht verbreitert. In Figur 4 ist ein Querschnitt durch den Zahnschaft 4 mit den darum gewickelten Windungen 8 der Statorwicklung dargestellt. Damit der Wicklungsdraht, der von einem Isolierlack umgeben ist, nicht an den Kanten der Stufungen des sich verjüngenden Zahnschafts 4 beschädigt wird, ist eine Isoliermaske 12 vorgesehen, die eine Innenkontur 13 aufweist, die im Wesentlichen der Kontur des sich verjüngenden Zahnschafts 4 entspricht, so dass die Isoliermaske 12 auf das axiale Ende des Zahnschaftes 4 aufgesetzt werden kann.
Weiterhin weist die Isoliermaske 12 eine Außenkontur 14 auf, die gekrümmt ist und vorzugsweise in keinem Abschnitt eine Krümmung aufweist, die größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Vorzugsweise ist die Außenkontur der Isoliermaske 12 halbkreisförmig, so dass sich die Wndungen 9 der Statorwicklung an die Außenkontur 14 anlegen können. Die Isoliermaske 12 ist vorzugsweise zweiteilig ausgebildet, wobei die beiden Teile der Isoliermaske 12 auf beiden Sei- ten des Zahnschafts 4 aufgesetzt sind. Beispielsweise können auf beide Seiten des Zahnschafts 4 identische oder nahezu identische Isoliermasken 12 aufgesetzt werden.
In der Regel wird der Querschnitt der Zahnköpfe 5 von der Auslegung des mag- netischen Kreises in der elektrischen Maschine bestimmt. Oft wird der Querschnitt der Zahnköpfe 5 aufgrund der mechanischen Festigkeit und der Herstellbarkeit der Lamellenbleche sowie der auf ihn aufbauenden Isoliermasken überdimensioniert. Durch die Stufung der Zahnköpfe 5 kann der zur Verfügung stehende Bauraum besser genutzt werden.
Weiterhin wird die Breite der Isoliermaske 12 von den Zahnköpfen 5 im breitesten Bereich bezüglich der Zahnkopf-Richtung U (senkrecht zur axialen Richtung und in Richtung der relativen Bewegung zwischen Stator und Läufer) bestimmt, wenn das Design auf harmonische tangentiale Übergänge der Flächen ohne Ste- tigkeitssprünge ausgerichtet ist. Dies ist für eine gute Herstellbarkeit der Isoliermasken und eine gute Drahtlage des Wicklungsdrahtes erforderlich. Durch die gestufte Gestaltung der Zahnquerschnitte verschieben sich die Isoliermasken 12 zueinander und die axial letzten Zahnkopfbleche würden zu einer sehr geringen Wandstärke der Isoliermasken 12 führen bzw. die Isoliermasken 12 müssten im übrigen Bereich stark überdimensioniert werden. Daher ist es auch aus diesem
Grund vorteilhaft, den Zahnkopf 5 ähnlich dem Zahnschaft 4 abzustufen. Es kann vorgesehen sein, das Statorjoch am dem Zahnkopf gegenüberliegenden Ende des Zahnschaftes auch zu verjüngen. Die Verjüngung hat Vorteile bei der Fertigung des Stators, insbesondere bei dem Aufbringen der Isoliermaske 12. Der Gradient der Verjüngung kann dem Gradienten der Verjüngung des Zahnkopfes entsprechend oder kann davon verschieden sein.

Claims

Ansprüche
1. Wicklungszahn (3) für eine elektrische Maschine mit einem Zahnschaft (4) und einem Zahnkopf (5), der an einem Ende des Zahnschaftes (4) bezüglich einer Erstreckungsrichtung (E) des Zahnschaftes (4) angeordnet ist und der in einer Zahnkopf-Richtung (U) senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E) über den Zahnschaft (4) übersteht,
wobei der Zahnkopf (5) an mindestens einem Ende bezüglich einer Querrichtung (Z), die senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E) und senkrecht zu der Zahnkopf-Richtung (U), in der der Zahnkopf (5) übersteht, verläuft, verjüngt ist.
2. Wicklungszahn nach Anspruch 1 , wobei der Wcklungszahn (3) einen Stapel von Blechlamellen aufweist, die in Querrichtung (Z) gestapelt sind, wobei eine erste Blechlamelle mit einer ersten Geometrie und eine zweite Blechlamelle mit einer zweiten Geometrie vorgesehen sind, wobei die erste Geometrie eine Breite des Zahnkopfes (5) in Erstreckungsrichtung (E) vorsieht, die größer ist als die Breite des Zahnkopfes (5) in Erstreckungsrichtung (E) bei der zweiten Geometrie, um eine Stufung des Zahnkopfes (5) vorzusehen, wobei die zweite Blechlamelle insbesondere einer letzten Blechlamelle des Stapels von Blechlamellen entspricht.
3. Wicklungszahn nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zahnschaft (4) an mindestens einem Ende bezüglich der Querrichtung (Z), die senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E) und senkrecht zu der Zahnkopf-Richtung (U) verläuft, verjüngt ist.
4. Wicklungszahn nach Anspruch 3, wobei der Wicklungszahn (3) einen Stapel von Blechlamellen aufweist, die in Querrichtung (Z) gestapelt sind, wobei eine erste Blechlamelle mit einer ersten Geometrie und eine zweite Blechlamelle mit einer zweiten Geometrie vorgesehen sind, wobei die erste Blechlamelle mit der ersten Geometrie eine Breite des Zahnschaftes (4) quer zu seiner Erstreckungsnchtung (E) vorsieht, die bezüglich der Zahnkopf- Richtung (U), in der der Zahnkopf (5) über den Zahnschaft (4) übersteht, größer ist als die entsprechende Breite des Zahnschaftes (4) bei der zweiten Blechlamelle der zweiten Geometrie.
Maschinenkomponente, insbesondere Stator oder Läufer einer elektrischen Maschine, mit einem oder mehreren Wicklungszähnen (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Maschinenkomponente, insbesondere Stator oder Läufer einer elektrischen Maschine, mit einem oder mehreren Wicklungszähnen (3) nach einem der Ansprüche 3 und 4, wobei mindestens einer der Wcklungszähne (3) mit einem Isolierteil (12) versehen ist, das so geformt ist, dass es eines oder beide der sich verjüngenden Enden des Zahnschaftes (4) bedeckt.
Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine mit einem Wcklungs- zahn (3) mit einem Zahnschaft (4) und einem Statorabschnitt, wobei der Zahnschaft (4) mit einem Ende bezüglich seiner Erstreckungsnchtung (E) an dem Statorabschnitt angeordnet ist, wobei der Statorabschnitt in einer Stator-Richtung (U) senkrecht zur Erstreckungsnchtung (E) des Zahnschaftes (4) übersteht,
wobei der Statorabschnitt an mindestens einem Ende bezüglich einer Querrichtung (Z), die senkrecht zur Erstreckungsnchtung (E) und senkrecht zu der Stator-Richtung verläuft, verjüngt ist.
Maschinenkomponente nach Anspruch 7, wobei der Wcklungszahn (3) einen Zahnkopf (5) aufweist, der an einem weiteren Ende des Zahnschaftes (4) bezüglich einer Erstreckungsnchtung (E) des Zahnschaftes (4) angeordnet ist und der in einer Zahnkopf-Richtung (U), die der Stator-Richtung entspricht, senkrecht zur Erstreckungsnchtung (E) über den Zahnschaft (4) übersteht,
wobei der Zahnkopf (5) an mindestens einem Ende bezüglich der Querrichtung (Z) verjüngt ist.
9. Maschinenkomponente nach Anspruch 8, wobei der Zahnschaft (4) an mindestens einem Ende bezüglich der Querrichtung (Z) verjüngt ist.
10. Maschinenkomponente nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Wicklungszahn (3) einen Stapel von Blechlamellen aufweist, die in Querrichtung (Z) gestapelt sind, wobei eine erste Blechlamelle mit einer ersten Geometrie und eine zweite Blechlamelle mit einer zweiten Geometrie vorgesehen sind, wobei die erste Blechlamelle mit der ersten Geometrie eine Breite des Zahnschaftes (4) quer zu seiner Erstreckungsrichtung (E) vorsieht, die bezüglich der Zahnkopf-Richtung (U), in der der Zahnkopf (5) über den Zahnschaft (4) übersteht, größer ist als die entsprechende Breite des Zahnschaftes (4) bei der zweiten Geometrie.
1 1. Maschinenkomponente nach einem der Ansprüche 5 bis10, wobei die Wicklungszähne (3) mit Wcklungsdraht bewickelt sind, der eine Wicklung bildet.
12. Maschinenkomponente nach einem der Ansprüche 5 bis 1 1 , wobei die Maschinenkomponente aus mehreren gleichartigen Segmenten mit jeweils einem oder mehreren Wicklungszähnen (3) zusammengesetzt ist.
13. Elektrische Maschine mit einer Maschinenkomponente nach einem der Ansprüche 5 bis 12.
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