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Dokumentenidentifikation DE69012951T2 16.03.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0428323
Titel Statoranordnung mit rechteckig abgekanteten Statorblechen für Elektromotoren.
Anmelder A.O. Smith Corp., Milwaukee, Wis., US
Erfinder Peters, Richard E., Tipp City, Ohio 45371, US
Vertreter Prüfer, L., Dipl.-Phys.; Materne, J., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.habil., Pat.-Anwälte, 81545 München
DE-Aktenzeichen 69012951
Vertragsstaaten DE, FR, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 07.11.1990
EP-Aktenzeichen 903121812
EP-Offenlegungsdatum 22.05.1991
EP date of grant 28.09.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.03.1995
IPC-Hauptklasse H02K 1/16
IPC-Nebenklasse H02K 15/02   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektromotoren, in welchen das Statorelement aus einem geschichteten Aufbau von im wesentlichen kreisförmigen Platten ausgebildet ist, und genauer einen solchen Aufbau, in welchem die Plattenkanten teilweise abgeschnitten oder quadratisch gemacht und in einer Umfangsrichtung während des Zusammensetzens zufällig orientiert werden, so daß die effektive äußere Oberfläche des Plattenstapels zylindrisch erhalten wird.

Es ist in der Technik wohlbekannt, das Statorelement eines Elektromotors aus einem Stapel von dünnen Platten in einem geschichteten Aufbau zu konstruieren. Die Platten weisen eine kreisförmige Zentralöffnung auf, die durch radiale Statorbeine definiert ist, welche, in dem zusammengesetzten Stapel, eine kreisförinige Innenöf fnung für den Rotor definieren. Die radiale äußere Umfangsoberfläche des Stapels ist typischerweise in einem Motorgehäuse oder -mantel enthalten. Wenn kreisförmige Platten verwendet werden, ist das Innere des Gehäuse oder des Mantels in der Form im wesentlichen zylindrisch. Es ist außerdem bekannt, die Kanten der Platten zu beschneiden oder quadratisch zu machen, um Material zu sparen, aber kreisbogenförmige umfangsseitige Kantensektoren zwischen den beschnittenen Kanten zu belassen, die in dem Aufbau ausgerichtet sind, um halbzylinderförmige Oberflächenabschnitte zu schaffen, die direkt durch das zylindrische Innere des Gehäuses gehalten werden. Die in Quadratform zugerichteten Kanten sind bevorzugterweise in dem zusammengesetzten Stapel ausgerichtet, um offene äußere zylindrische Segmente für den Durchgang von Kühlluft zwischen dem Plattenaufbau und dem Inneren des Gehäuses oder des Mantels zu schaffen. Jedoch erfordert das Fehlen einer vollständig durchgängigen zylindrischen äußeren Oberfläche in diesem Plattenaufbau die Verwendung eines schwereren äußeren Gehäuses oder Rahmens und außerdem die mögliche Notwendigkeit, spanabhebend oder in anderer Weise Verzapfungen an der Innenseite des Gehäuses auszubilden, um eine gute Konzentrizität des zusammengesetzten Stators zu erreichen.

Die U.S. Patente 1 156 639, 1 158 495 und 2 818 515 offenbaren alle Statoraufbauten, die Stapel von geschichteten Platten mit quadratisch gemachten äußeren Kanten aufweisen, die durch kreisbogenförmige umfangsseitige Kantensektoren getrennt sind, wobei die kreisbogenförmigen Kanten sich gegen die zylindrische Innenfläche des Motorgehäuses stützen. Diese Patente zeigen außerdem den Gebrauch kleineren dünneren Elementsubstapeln, die umfangsseitig indiziert sind, um die kreisbogenförmigen Kantenabschnitte zu versetzen und eine gleichförmigere Abstützung für die zylindrische innenseitige Oberfläche des Rahmens zu schaffen. Obwohl solche Konstruktionen eine etwas erhöhte innere Abstützung schaffen, führt die Ausrichtung der Platten in jedem Substapel und die sorgfältige Indizierung der benachbarten Substapel dazu, daß der gesamte Statorzusammenbau die Verwendung hochentwickelterer Zusammenbautechniken und -ausrüstung benötigt.

Das britische Patent Nr. 2194104 offenbart einen Statoraufbau mit einer Mehrzahl von Statorplatten, die regelmaßig zur Erzeugung eines Statoraufbaus einer im wesentlichen zylindrischen Form angeordnet sind.

Es ist außerdem bekannt, geschichtete Rotoraufbauten für Elektromotoren mit kreisförmigen Rotorplatten auszubilden, die willkürlich orientiert sind, um eine Summierung von Kantendickenvariationen bei den Platten über die volle Weite des Plattenstapels zu eliminieren. Wie angedeutet, weisen die Rotorplatten jedoch anders als die Statorplatten vollständig kreisförmige äußere Umfangskanten auf und das zufällige Anordnen wird leicht durch Verwendung irgendeiner von verschiedenen bekannten Techniken erreicht.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein geschichteter Statoraufbau für ein Elektromotor geschaffen, der aufweist: eine Anzahl von Statorplatten, die in einer gestapelten Fläche- zu-Fläche Beziehung angeordnet sind;

wobei jede der Platten mit im wesentlichen kreisbogenförmigen umfangsseitigen Kantensektoren ausgebildet ist, die durch quadratförmig zugerichtete Kantensegmente getrennt sind;

wobei jede Platte weiter eine kreisförmige Innenöffnung aufweist, die durch umfangsseitig getrennte, sich nach innen erstreckende radiale Statorbeine definiert ist;

wobei die gestapelten Platten ein vollständiges Umfangsregister und axiale Ausrichtung der Statorbeine aufweisen, um dazwischen fortlaufende Statorschlitze, die sich durch den Plattenstapel erstrecken, zu definieren; und dadurch gekennzeichnet, daß die kreisbogenförmigen umfangsseitigen Kantensektoren der Platten in einer willkürlichen umfangsseitigen Orientierung angeordnet sind, um einen geschichteten Stapel mit einer im wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche zu schaffen.

Die kreisbogenförmigen Kantensektoren der Platten weisen bevorzugterweise in Umfangsrichtung voneinander getrennte Kantenöffnungen auf, die radial mit den Statorbeinen ausgerichtet sind, die einen inneren Durchmesser und eine kreisförmige Öffnung in der Platte definieren. Die Ausrichtung der Statorschlitze zwischen den Beinen beim Zusammenbau resultiert in einer direkten Ausrichtung der Kantenöffnungen in den Platten, so daß der zusammengesetzte Stapel außerdem mit einer Anzahl von in Umfangsrichtung einen Abstand aufweisenden axialen Durchgangslöchern für den Fluß von Kühlungsluft versehen sind.

Die quadratförmig beschnittenen Kantensegmente an jeder Platte werden durch gegenüberliegende Paare von parallelen Bogensehnen definiert, die im wesentlichen radial innerhalb der Kantenöffnungen in den kreisbogenförmigen Kantensektoren liegen.

Entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Zusammenbau eines geschichteten Statoraufbaus für einen Elektromotor geschaffen, bei dem ein Stapel von Statorplatten in einer Fläche-zu-Fläche Beziehung angeordnet ist, wobei jede der Platten kreisbogenförmige umfangsseitige Kantensektoren aufweist, die durch quadratförmig beschnittene Kantensegmente getrennt sind, wobei das Verfahren zum Zusammensetzen des Plattenstapels die Schritte aufweist:

(1) Ausrichten der Platten auf der gemeinsamen Achse des Kreises, der durch die umfangsseitigen Kantensektoren definiert ist; und

(2) zufälliges Orientieren der Platten in einer umfangsseitigen Richtung auf der Achse zum Schaffen eines Stapels mit einer im wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche.

Die Erfindung wird weiter, im Wege des Beispiels, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:

Figur 1 eine Draufsicht auf eine Statorplatte, die eine Schicht des Statoraufbaues einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist, ist;

Figur 2 eine Draufsicht auf einen Stapel von willkürlich orientierten Platten des in Figur 1 gezeigten Typs ist;

Figur 3 die planare Orientierung einer Anzahl von Statorplatten wie die Kanten quadratförmig beschnitten werden zeigt;

Figur 4 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines gestapelten Statoraufbaues ist; und

Figur 5 ein Detail eines Abschnitts des zusammengesetzten geschichteten Stapels für den Stator ist.

In Figur 1 ist eine Statorplatte 10, die typischerweise aus einem dünnen Eisenmetallblech ausgebildet ist, wie durch Stanzen. Die Platte 10 kann eine Dicke von zum Beispiel 0,66 mm (0,026 inch) aufweisen. Jede der Platten 10 liefert eine einzelne Schicht 11 für einen Stapel 12, der einen geschichteten Statoraufbau aufweist, wie in Figuren 2 und 4 gezeigt. Der geschichtete Aufbau kann 50 oder mehr Platten enthalten.

Jede der Platten 10 weist eine im wesentlichen kreisförmige Konfiguration und kreisbogenförmige umfangsseitige Kantensektoren 13 auf, die durch quadratförmig beschnittene Kantensegmente 14 getrennt sind. Jede der Platten 10 weist eine kreisformige Innenöf fnung 15 auf, die durch eine Anzahl von sich nach innen erstreckenden radialen Statorbeinen 16 definiert ist. Jedes Paar von Beinen 16 definiert einen Statorschlitz 17, der, in dem zusammengesetzten Stapel 12, Schlitze für die Windungen des Motors liefert. Die kreisförmige Innenöffnung 15 schafft, in dem zusammengesetzten Stapel, eine Öffnung für den Rotor.

Die Kantensegmente 14 sind im wesentlichen entlang paralleler gegenüberliegender Bogensehnen des Kreises beschnitten, der durch die kreisbogenförmigen Kantensektoren 13 definiert ist. Jeder der kreisbogenförmigen Sektoren 13 weist ein Paar von einen umfangseitigen Abstand aufweisenden Langlöchern 18, die durch eine Quadratnut getrennt sind, auf. Die benachbarten quadratförmig beschnittenen Kantensegmente weisen ein Paar von länglichen Nutabschnitten 21 auf, die voneinander um dieselbe Entfernung wie der Abstand der Langlöcher 18 getrennt sind, wobei jeder der Nutabschnitte 21 von seinem benachbarten Langloch 18 um die Hälfte dieser Entfernung getrennt ist. Die Mitte der Bogensehne 19, die das Kantensegment 14 definiert, weist ungefähr denselben radialen Abstand von der Mitte der Platte 10 wie der Boden der Quadratnut 20 in dem kreisbogenförmigen Kantensektor 13 auf.

Jedes Langloch 18, jede Quadratnut 20 und jeder längliche Nutabschnitt 21 weist einen gemeinsamen Teilungsdurchmesser auf und ist auf einer radialen Linie durch ein Statorbein 16 (die jedes benachbarte Paar von Statorschlitzen 17 halbiert) zentriert. Entsprechend der gerade beschriebenen dimensionsmäßigen Beziehung ist zu ersehen, daß der Winkelabstand zwischen jedem benachbarten Paar, das entweder ein Langloch 18 und eine Quadratnut 20 oder ein Langloch 18 und einen länglichen Nutabschnitt 21 aufweist, identisch zu dem Winkelabstand zwischen benachbarten Statorschlitzen 17 ist. Derart wird es, falls ein Paar von benachbarten axial ausgerichteten Platten 10 in Umfangsrichtung eine bezüglich der anderen um einen Betrag, der gleich dem Winkelabstand zwischen diesen oder zwischen einem Paar von benachbarten Statorschlitzen 17 ist (oder ein Vielfaches davon), indiziert ist, immer eine wechselseitige Öffnungsausrichtung in einer axialen Richtung durch irgendeine resultierende sich überlagernde Kombination von Löchern 18, Nuten 20 und Nutabschnitten 21 geben. Darum wird, bezugnehmend speziell auf Figur 2, der Zusammenbau eines Stapels 12 von Plattenschichten 11 zum Schaffen der notwendigen Statorschlitze 17 in einer Anzahl von peripheren, einen umfangsseitigen Abstand aufweisenden Lüftungslöchern 22 durch den Stapel 12 resultieren.

Noch wichtiger ist jedoch, falls bei der Ausrichtung der Platten zum Schaffen der benötigten Statorschlitze 17 die Platten 10 in einer Umfangsrichtung willkürlich orientiert werden, daß der geschichtete Stapel eine im wesentlichen zylindrische äußere Oberfläche 23 aufweisen wird, wie in Figur 2 gezeigt. Die Oberfläche 23 stellt eine im wesentlichen gleichmäßige äußere Oberfläche zum Kontakt mit der zylindrischen inneren Oberfläche des Motorgehäuses oder -mantels, innerhalb welchem der Stator angeordnet wird, zur Verfügung. Die Probleme der Konzentrizität und/oder der Gehäusestärke, die den quadratförmig beschnittenen Platten des Standes der Technik gemein sind, werden im wesentlichen eliminiert. Zusätzlich ist die willkürliche Orientierung in der zuvor beschriebenen Art wesentlich leichter in einer tatsächlichen Zusammenbauumgebung zu erhalten.

Entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden die Platten auf der gemeinsamen Achse der kreisförmigen Innenöffnungen 15 zentriert und in Winkelrichtung an den Statorschlitzen 17 ausgerichtet. Die willkürliche winkelmäßige Plattenorientierung mit der Ausrichtung an den Schlitzen 17 resultiert in einem Stapel mit einer im wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche 23, die oben beschrieben wurde, und hält dementsprechend die axiale Ausrichtung von irgendwelchen sich überlagernden Löchern 18, Nuten 20 und Nutabschnitten 21 durch den Stapel, um offene Lüftungslöcher 22 durch den Stapel 12 zu behalten.

Entsprechend einem Zusammensetzverfahren wird ein Stapel von Platten 10 auf einem zylindrischen Dorn 24 mit einem Durchmesser, der ungefähr gleich dem Durchmesser der kreisförmigen Innenöffnung 15 in den Platten ist, ausgerichtet, wobei die Platten eine bezüglich der anderen willkürlich drehbewegt werden, während sie fallengelassen werden, oder in anderer Weise axial entlang des Dornes auf einen radial versetzten und sich axial erstreckenden Ausrichtungsstift 25 bewegt werden, der sich in einen der Statorschlitze 17 erstreckt und diesen präzise ausrichtet. Bekannte Vibrationszusammensetzungstechniken können auch beim Zusammensetzen des geschichteten Stapels 12 verwendet werden.

Ebenfalls unter Bezugnahme auf Figur 5, die Quadratnuten 20 in den kreisbogenförmigen Kantensektoren 13 der Platten dienen auch zur Schaffung eines zusätzlichen radialen Lüftungsschlitzes 26 in dem zusammengesetzten Stapel zum Schaffen einer zusätzlichen Luftzirkulation zum Kühlen. Ähnliche radiale Lüftung wird natürlich durch die länglichen Nutabschnitte 21 und die flachen Bogensehnenabschnitte 19 dazwischen ermöglicht. Derart würde, falls eine Quadratnut 20 direkt mit einem Langloch 18 in einer Platte auf beiden Seiten derselben ausgerichtet und dazwischen eingebettet wäre, ein axial dünner und in Umfangsrichtung kurzer Lüftungsschlitz 26 definiert.

In Figur 3, wenn eine Anzahl von Platten 10 in einem einzelnen dünnen Metallblech 27 ausgebildet werden, können die Platten orientiert, gestanzt und beschnitten werden, um ein Minimum an Verschnitt zu produzieren. In einer bevorzugten Orientierung koinzidieren die Bogensehnenlinien 19, die die quadratförmig beschnittenen Kantensegmente 14 definieren, von benachbarten Platten 10 direkt. Es werden jedoch zur Schaffung der länglichen Nutabschnitte 21, die genau auf dem Teilungsdurchmesser der Langlöcher 18 orientiert sind, tränentropfenförmige Löcher 28 in dem Blech 27 auf der Bogensehnenlinie 19, die das nachfolgend ausgebildete quadratförmig beschnittene Kantensegment 14 definiert, ausgestanzt.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein geschichteter Statoraufbau geschaffen, der die Vorteile einer im wesentlichen vollständig zylindrischen äußeren Oberfläche erreicht, aber trotzdem den Nutzen aus der Materialersparnis, der Luftkühlung und dem Wärmeübergang der Platten mit quadratförmig beschnittenen Kanten aufweist. Zusätzlich vereinfacht die Möglichkeit, die Platten in einer Umfangsrichtung willkürlich zu orientieren, das Zusammensetzen. Es wird außerdem geglaubt, daß die willkürliche Orientierung der quadratförmig geschnittenen Kanten in einer verbesserten magnetischen Wirksamkeit in dem Stator resultiert, da schwache magnetische Dichten reduziert werden, die in den Konstruktionen des Standes der Technik auftreten, wo die beschnittenen Kanten zur Ausbildung von Flächen ausgerichtet werden. Wie zuvor angedeutet ermöglicht die im wesentlichen zylindrische äußere Oberfläche, die durch die willkürliche Plattenorientierung geschaffen wird, die Verwendung eines dünneren zylindrischen äusseren Gehäuses mit entsprechenden Kosteneinsparungen.


Anspruch[de]

1. Ein geschichteter Statoraufbau für einen Elektromotor mit:

einer Anzahl von Statorplatten (10), die in einer gestapelten Fläche-zu-Fläche Beziehung angeordnet sind;

wobei jede der Platten (10) mit im wesentlichen kreisbogenförmigen umfangsseitigen Kantensektoren (13) ausgebildet ist, die durch quadratförmig zugerichtete Kantensegmente (14) getrennt sind;

wobei jede Platte (10) weiter eine kreisförmige Innenöffnung (15) aufweist, die durch umfangsseitig getrennte, sich nach innen erstreckende radiale Statorbeine (16) definiert ist;

wobei die gestapelten Platten (10) ein vollständiges Umfangsregister und axiale Ausrichtung der Statorbeine (16) aufweisen, um dazwischen fortlaufende Schlitze (17), die sich durch den Plattenstapel erstrecken, zu definieren; und dadurch gekennzeichnet, daß die kreisbogenförmigen umfangsseitigen Kantensektoren (13) der Platten (10) in einer willkürlichen umfangsseitigen Orientierung angeordnet sind, um einen geschichteten Stapel mit einer im wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche zu schaffen.

2. Aufbau nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kantenöffnungen (18, 20) in den kreisbogenförmigen Kantensektoren (13) jeder Platte (10), die zum Zusammenwirken mit Kantenöffnungen (18, 20) und zugerichteten Kantensegmenten (14) in anderen Platten (10), die der geschichtete Stapel aufweist, angepaßt sind, um axial angeordnete periphere Lüftungslöcher durch den Stapel zu schaffen.

3. Ein Aufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisbogenförmigen Kantensektoren (13) jeder Platte (10) eine Anzahl von umfangsseitig getrennten Kantenöffnungen (18, 20) aufweisen.

4. Ein Aufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (10) vier kreisbogenförmige Kantensektoren (13) aufweist, die durch gegenüberliegende Paare von parallelen Bogensehnen (19), die die quadratförmig zugerichteten Kantensegmente (14) definieren, getrennt sind.

5. Ein Aufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenöffnungen (18, 20) radial mit den nach innen benachbarten Statorbeinen (16) ausgerichtet sind.

6. Ein Aufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantensegmente, die durch die Bogensehnen (19) definiert sind, im wesentlichen radial innerhalb der Kantenöffnungen (18, 20) liegen.

7. Bei einem geschichteten Statoraufbau für einen Elektromotor, bei dem ein Stapel von Statorplatten (10) in einer Fläche-zu-Fläche Beziehung angeordnet ist, wobei jede der Platten (10) kreisbogenförmige umfangsseitige Kantensektoren (13) aufweist, die durch quadratförmig zugerichtete Kantensegmente (14) getrennt sind, weist das Verfahren des Zusammensetzens des Plattenstapels die Schritte auf:

(1) Ausrichten der Platten (10) auf der gemeinsamen Achse des Kreises, der durch die umfangsseitigen Kantensektoren definiert ist; und

(2) zufälliges Orientieren der Platten (10) in einer umfangsseitigen Richtung auf der Achse, um einen Stapel mit einer im wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche zu schaffen.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Platten (10) eine kreisförmige Innenöffnung (15) aufweist, die konzentrisch mit dem Kreis ist, der durch die Kantensektoren definiert ist, und bei dem der Schritt des Ausrichtens das Ausrichten an den umfangsseitigen Kanten der kreisförmigen Innenöffnungen (15) aufweist.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (10) jeweils eine Anzahl von radialen Statorschlitzen (17) aufweisen, die sich von der kreisförmigen Innenöffnung (15) nach außen erstrecken und umfangsseitig darum herum einen gleichen Abstand aufweisen, und bei dem der Schritt des zufälligen Orientierens der Platten (10) den Schritt des Ausrichtens der Platten (10) auf einem Statorschlitz (17) aufweist.







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