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Dokumentenidentifikation DE102007006513A1 06.09.2007
Titel Statoranordnung und Herstellungsverfahren
Anmelder General Motors Corp., Detroit, Mich., US
Erfinder El-Antably, Ahmed M., Indianapolis, Ind., US;
Alfermann, Timothy J., Fishers, Ind., US;
Mc Grew Jr., Arthur L., Plainfield, Ind., US;
Lucas, Charles B., Indianapolis, Ind., US;
Waechter, Molly A., Greensburg, Ind., US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 09.02.2007
DE-Aktenzeichen 102007006513
Offenlegungstag 06.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse H02K 3/46(2006.01)A, F, I, 20070209, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 15/12(2006.01)A, L, I, 20070209, B, H, DE   H02K 1/16(2006.01)A, L, I, 20070209, B, H, DE   H02K 1/20(2006.01)A, L, I, 20070209, B, H, DE   H02K 9/19(2006.01)A, L, I, 20070209, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sieht eine Statoranordnung für eine elektrische Vorrichtung wie z. B. einen Motor oder einen Generator vor. Die Statoranordnung umfasst vorzugsweise einen allgemein ringförmigen Statorkern mit einer Vielzahl von Statorzähnen. Ein Statordraht ist um jeden der Statorzähne herum gewickelt, um eine Statorwicklung zu bilden. Ein Epoxidharz ist derart auf der Statorwicklung und um jeden der Statorzähne herum aufgebracht, dass der Statordraht von dem Epoxidharz überzogen und dadurch elektrisch isoliert ist. Ein Kühlmittelkanal, der zumindest teilweise durch das Epoxidharz definiert ist, ist in unmittelbarer Nähe zu der Statorwicklung angeordnet, sodass die Statoranordnung kalt bleibt. Ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen solch einer Statoranordnung ist ebenfalls vorgesehen.

Beschreibung[de]
STATORANORDNUNG UND HERSTELLVERFAHREN

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Statoranordnung und ein Herstellungsverfahren hierfür.

Elektrische Vorrichtungen wie z. B. Motoren oder Generatoren, die einen Stator aufweisen, der innerhalb des Gehäuses des Motors oder Generators befestigt ist, sind gut bekannt. Ein an einer Welle montierter Rotor ist innerhalb des Stators angeordnet und ist relativ zu dem Stator um die Längsachse der Welle herum drehbar. Ein Transport von Strom durch den Stator hindurch erzeugt ein Magnetfeld, das das Bestreben hat, den Rotor und die daran montierte Welle zu drehen. Es ist auch gut bekannt, dass es erforderlich ist, den Stator innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches zu halten und den Stator frei von Verunreinigungen zu bewahren, um eine optimale Leistung der elektronischen Vorrichtung sicherzustellen.

Die Statoranordnung der vorliegenden Erfindung umfasst einen allgemein ringförmigen Statorkern mit einer Vielzahl von Statorzähnen. Ein Statordraht ist um jeden der Statorzähne herum gewickelt, um eine Statorwicklung zu bilden. Ein Epoxidharz ist derart auf der Statorwicklung und um jeden der Statorzähne herum aufgebracht, dass der Statordraht von dem Epoxidharz überzogen und dadurch elektrisch isoliert ist. Ein Kühlmittelkanal, der zumindest teilweise durch das Epoxidharz definiert ist, ist in unmittelbarer Nähe zu der Statorwicklung angeordnet ist, sodass die Statoranordnung kalt bleibt.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen der Statoranordnung der vorliegenden Erfindung beginnt damit, dass eine Vielzahl von Statorzahnkomponenten zusammengesetzt wird, um den Statorzahn zu bilden. Dann wird ein Statordraht um den Statorzahn herum gewickelt, um die Statorwicklung zu bilden und dadurch einen Pol zu definieren. Ein Epoxidharz wird derart auf die Statorwicklung aufgebracht, dass der Statordraht überzogen und elektrisch isoliert ist. Eine Vielzahl von Polen wird gemeinsam zusammengesetzt, um eine allgemein ringförmige Statoranordnung zu bilden. Eine zweite Schicht von Epoxidharz wird vorzugsweise auf die Vielzahl von Polen aufgebracht, um deren Befestigung aneinander beizubehalten.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Epoxidharz derart gestaltet, dass es das Einbringen von Verunreinigungen in die Statorwicklung verhindert.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Epoxidharz derart gestaltet, dass es den Transport von Wärme von der Statorwicklung durch den Kühlmittelkanal hindurch und aus der Statoranordnung hinaus erleichtert.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist das Epoxidharz derart gestaltet, dass es die Festigkeit des Statorkerns erhöht.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Elektromotors mit einer Statoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

2 eine Querschnittsansicht der Statoranordnung von 1;

3a eine perspektivische Darstellung der Statoranordnung von 1; und

3b eine perspektivische Darstellung einer Komponente der Statoranordnung von 3a.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern in den verschiedenen Darstellungen durchgehend dieselben oder entsprechende Teile bezeichnen, ist in 1 eine schematische Darstellung eines Elektromotors 10 gezeigt. Der Elektromotor 10 ist zur Illustration gemäß der bevorzugten Ausführungsform gezeigt; es sollte jedoch einzusehen sein, dass die vorliegende Erfindung zur Verwendung bei anderen Elektromotorkonfigurationen und anderen elektrische Vorrichtungen wie z. B. einem Generator geeignet ist. Der Elektromotor 10 umfasst ein Gehäuse 12, eine Statoranordnung 14, eine Welle 16 und einen Rotor 18. Die Statoranordnung 14 ist im Wesentlichen ringförmig und derart gestaltet, dass sie während eines Betriebs des Motors 10 feststehend relativ zu dem Gehäuse 12 bleibt. Der Rotor 18 ist an der Welle 16 befestigt und allgemein von dem Stator 14 umgeben. Der Rotor 18 und die Welle 16 sind relativ zu dem Gehäuse 12 und dem Stator 14 drehbar.

Unter Bezugnahme auf 2 umfasst die Statoranordnung 14 vorzugsweise einen Statorkern 20 mit einer Statorschale 22, eine Vielzahl von Statorzähnen 24, die sich davon weg erstreckt und Nuten 21 dazwischen bildet, und einen Statordraht 26, der um jeden von den Statorzähnen 24 herum gewickelt oder geschlungen ist, um zumindest teilweise die Nuten 21 zu füllen und eine Statorwicklung 28 zu bilden. Die Statorwicklung 28ist mit einem Epoxidharz 30 imprägniert, sodass der Statordraht 26 mit Epoxidharz 30 überzogen ist und die Windungen der Statorwicklung 28 voneinander elektrisch isoliert sind. Ein Epoxidharz vom Typ 66-2251, im Handel erhältlich von Wabash Magnetics LLC., 1450 First Street, Wabash, Indiana 46992 wird vorzugsweise als Epoxidharz angewendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Statorkern 20 aus einem weichmagnetischen Verbundmaterial oder SMC (= soft magnetic composite) zusammengesetzt, um Kosten zu reduzieren und die Herstellung zu vereinfachen, und der Statordraht 26 besteht aus Kupfer. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Stator 20 aus Stahllamellen zusammengesetzt sein. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass alternative Epoxidharz-, Statorkern- und/oder Statordrahtzusammensetzungen vorstellbar sind.

Noch immer Bezug nehmend auf 2 wird jeder Statorzahn 24 und der darum herum gewickelte Statordraht 26 nachfolgend als ein „Pol" 32 bezeichnet. Jeder Pol 32 ist vorzugsweise separat gewickelt, um die Anzahl von Windungen innerhalb eines vorhandenen Volumens zu maximieren und dadurch die Leistung des Elektromotors 10 (in 1 gezeigt) zu optimieren. Die Statorzähne 24 erstrecken sich jeweils radial von der Schale 22 nach innen und enden in einem Flansch-Endabschnitt 34. Die Statorzähne 24 bilden eine Nut 33 (in 3b gezeigt), die zwischen der Schale 22 und dem Endabschnitt 34 definiert ist. Das Epoxidharz 30 ist derart um den Umfang eines jeden Statorzahnes 24 herum zwischen der Schale 22 und dem jeweiligen Flansch-Endabschnitt 34 angeordnet, dass zumindest ein Abschnitt eines jeden Pols 32 den von dem Harz 30 verkapselten Statordraht 26 umfasst. Das Hinzufügen des Epoxidharzes 30 auf die hierin oben beschriebene Weise erhöht die Festigkeit der Statoranordnung 14 und sorgt auch für eine zusätzliche Dämpfung. Diese Erhöhung der Festigkeit der Statoranordnung 14 ist besonders vorteilhaft für die bevorzugte Ausführungsform, bei der der Statorkern 20 aus einem weichmagnetischen Verbundmaterial zusammengesetzt ist. Die Dämpfungseigenschaften des Epoxidharzes 30 ermöglichen die Absorption von Schwingungen, die von dem Elektromotor 10 erzeugt werden und die andernfalls unerwünschterweise auftreten würden, wodurch ein sanfterer Betrieb bereitgestellt wird.

Unter Bezugnahme auf 3a ist eine perspektivische Darstellung der Statoranordnung 14 gemäß der bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Die Statoranordnung 14 ist aus zwölf vormontierten Polen 32 zusammengesetzt, die miteinander verbunden sind. Wie in 3b gezeigt, umfassen die Pole 32 vorzugsweise jeweils vier Komponenten 38a, 38b, 38c und 38d. Die vier Komponenten 38a, 38b, 38c und 38d werden zusammengesetzt, um einen einzelnen Zahn 24 (in 2 gezeigt) zu bilden, dann wird ein Statordraht 26 (in 2 gezeigt) um den Zahn 24 herum gewickelt, um eine Statorwicklung (in 2 gezeigt) zu bilden, und Epoxidharz 30 wird auf die hierin oben beschriebene Weise aufgebracht, um die Statorwicklung 28 einzukapseln und die Komponenten 38a, 38b, 38c und 38d festzuhalten. Unter Bezugnahme auf die 3a3b sind die Statorwicklungen 28 (in 2 gezeigt) für jeden von den zwölf Polen 32 durch den Statordraht 26 (in 2 gezeigt) elektrisch miteinander verbunden, sodass Strom zwischen den Polen 32 transportierbar ist. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden die zwölf vormontierten Pole 32 mit einer herkömmlichen Haltevorrichtung (nicht gezeigt) gehalten und eine zweite Schicht aus Epoxidharz 40 wird über dem Epoxidharz 30 zwischen der Statorschale 22 (in 2 gezeigt) und dem Flansch-Endabschnitt 34 eines jeden Zahnes 24 aufgebracht, um die zwölf Pole 32, die die Statoranordnung 14 bilden, festzuhalten.

Unter neuerlicher Bezugnahme auf 2 ist eine Vielzahl von Kühlmittelöffnungen oder -kanälen 42 durch das Epoxidharz 30 und/oder das Epoxidhaxz 40 definiert, die vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zu den Statorwicklungen 28 angeordnet ist. Ein Kühlfluid (nicht gezeigt) wird durch die Kühlmittelkanäle 42 hindurch befördert, um Wärme zu absorbieren und dadurch den Elektromotor 10 (in. 1 gezeigt) zu kühlen. In vorteilhafter Weise sind die Kühlmittelkanäle 42 der vorliegenden Erfindung näher an den Statorwicklungen 28 angeordnet als Kühlkanäle, die in einem Gehäuse ausgebildet sind. Da die Statorwicklungen 28 eine primäre Wärmequelle sind, kühlt die Nähe der Kühlmittelkanäle 42 dazu den Elektromotor 10 effizienter. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kühlmittelkanäle 42 Zwischenräume zwischen den mit Epoxid überzogenen Statorwicklungen 28 eines jeden von den zwölf Polen 32, sodass die Kanäle 34 zumindest teilweise durch das Epoxidharz 30 und/oder die optionale zweite Schicht aus Epoxidharz 40 definiert sind. Die Kühlmittelkanäle 34 können mit Einsätzen gebildet werde, die während des Aushärtens des Epoxidharzes 30 und/oder des Epoxidharzes 40 angewendet werden, oder können auf eine beliebige andere bekannte Art und Weise wie z. B. durch einen herkömmlichen maschinellen Bearbeitungsprozess gebildet werden.

Das Epoxidharz 30 besitzt gute Wärmeleitungseigenschaften und verbessert daher das Wärmeleitvermögen zwischen den Statorwicklungen 28 und dem Kühlfluid (nicht gezeigt). Demgemäß erleichtert die Wärmeleitung des Epoxidharzes 30 den Prozess eines Wärmetransports von den Statorwicklungen 28 aus der Statoranordnung 14 hinaus, um den Elektromotor 10 (in 1 gezeigt) zu kühlen. Das Epoxidharz 30 dient auch als ein elektrischer Isolator, um zu verhindern, dass jede der einzelnen Windungen der Statorwicklungen 28 eine elektrische Verbindung dazwischen und/oder mit dem Statorkern 20 bildet und dadurch den Elektromotor 10kurzschließt. Üblicherweise war es jedoch notwendig, den Statordraht mit einem Lack zu überziehen, um einen Kurzschluss zu vermeiden; dieser Schritt ist jedoch nicht mehr notwendig, da der Prozess des Imprägnierens der Statorwicklungen 28 mit Epoxidharz 30 den Statordraht 26 überzieht, um jede einzelne Windung zu isolieren.

Typischerweise war es erforderlich, darauf zu achten, dass eine Verunreinigung der Statorwicklungen während eines Transports oder dem Einbau in einen Elektromotor verhindert wird. Dies war deshalb notwendig, da Schmutzstoffe innerhalb der Statorwicklung oder durch Zahnräder (nicht gezeigt) eingebracht, die Leistung und Haltbarkeit des Elektromotors 10 verschlechtern können. Vorzugsweise werden die Statorpole 32 zusammengesetzt und dann wird die Statorwicklung 28 auf die hierin oben beschriebene Weise mit Epoxidharz 30 verkapselt, um die Statoranordnung 14 zu bilden. Daher kann die fertiggestellte Statoranordnung 14 ohne eine Verunreinigung befürchten zu müssen, transportiert und installiert werden, sodass der Elektromotor 10 (in. 1 gezeigt) länger haltbar ist als herkömmliche Elektromotoren.

Ein Verfahren zum Herstellen der Statoranordnung der Erfindung ist wie folgt beschrieben. Jeder Pol 32 (in 3b gezeigt) ist konzentrisch gewickelt, um die größtmögliche Nutfüllung zu erreichen, was sehr wichtig ist, um eine hohe Leistung zu erzielen. Dann wird jeder Pol 32 mit einem Material wie z. B. dem Epoxidharz 30, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit, gute Isoliereigenschaften und eine zweckdienliche mechanische Festigkeit bereitstellt, verkapselt. Mehrere Pole 32 werden in einer Haltevorrichtung (nicht gezeigt) zusammengesetzt, um die Statoranordnung 14 zu bilden. Eine weitere Isolierung kann durch Verkapseln der Statoranordnung 14 mit einem Epoxidharz 30 vorgesehen sein, um eine feste Struktur zu bilden. In der Produktion ist dieser Prozess automatisiert, sodass die Pole 32vor der Verkapselung zusammengesetzt werden und dann wird die Verkapselung automatisch in einem Schritt aufgebracht, um eine Produktion mit einem sehr schnellen Zyklus bereitzustellen. Öffnungen oder Kanäle 42 sind in der Verkapselung enthalten, um eine sehr effektive Kühlung und somit Maschinen mit einer sehr hohen Energiedichte vorzusehen, was für Hybridanwendungen auf Grund der starken Einschränkungen in Bezug auf die Kompaktheit wünschenswert ist. Kühlöl (nicht gezeigt) kann dann sehr nahe an der Wärmequelle vorbeigeführt werden, was eine sehr effiziente Kühlung erlaubt. Diese Erfindung ist sowohl auf Stahl- als auch auf SMC (sheet moulded composite oder compound = Blech/Kunststoff)-Teile anwendbar. Für SMC-Teile ist sie besonders wichtig, da sie mechanische Integrität für die Statorstruktur bereitstellt, die andernfalls bei Hochleistungs-Statoranwendungen anfällig gegenüber einem Bruch wäre. Insgesamt sieht die hierin beschriebene Erfindung ein effizientes und geschlossenes Flüssigkeitskühlsystem vor, das eine trockene Maschine mit reduzierten Schleppverlusten und Schutz für die Windungen bereitstellt.

Zusammengefasst sieht die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung eine Statoranordnung für eine elektrische Vorrichtung wie z. B. einen Motor oder einen Generator vor. Die Statoranordnung umfasst vorzugsweise einen allgemein ringförmigen Statorkern mit einer Vielzahl von Statorzähnen. Ein Statordraht ist um jeden der Statorzähne herum gewickelt, um eine Statorwicklung zu bilden. Ein Epoxidharz ist derart auf der Statorwicklung und um jeden der Statorzähne herum aufgebracht, dass der Statordraht von dem Epoxidharz überzogen und dadurch elektrisch isoliert ist. Ein Kühlmittelkanal, der zumindest teilweise durch das Epoxidharz definiert ist, ist in unmittelbarer Nähe zu der Statorwicklung angeordnet, sodass die Statoranordnung kalt bleibt. Ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen solch einer Statoranordnung ist ebenfalls vorgesehen.


Anspruch[de]
Statoranordnung für eine elektronische Vorrichtung, umfassend: einen allgemein ringförmigen Statorkern mit einer Vielzahl von Statorzähnen;

einen Statordraht, der um jeden der Vielzahl von Statorzähnen herum gewickelt ist, um eine Statorwicklung zu bilden; und

ein Epoxidharz, das derart auf der Statorwicklung und um jeden der Vielzahl von Statorzähnen herum aufgebracht ist, dass der Statordraht von dem Epoxidharz überzogen und dadurch elektrisch isoliert ist.
Statoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Kühlmittelkanal umfasst, der in unmittelbarer Nähe zu zumindest einem Abschnitt der Statorwicklung angeordnet ist. Statoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Statorzähnen jeweils einen Flansch-Endabschnitt aufweist, der derart ausgebildet ist, dass er den Statordraht und das Epoxidharz, während es aushärtet, festhält. Statoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorkern aus einem weich-magnetischen Verbundmaterial zusammengesetzt ist. Statoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxidharz derart gestaltet ist, dass es den Transport von Wärme von der Statorwicklung durch den Kühlmittelkanal hindurch und aus der Statoranordnung hinaus erleichtert. Statoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxidharz derart gestaltet ist, dass es das Einbringen von Verunreinigungen in die Statorwicklung verhindert. Statoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxidharz derart gestaltet ist, dass es die Festigkeit des Statorkerns erhöht. Statoranordnung für eine elektronische Vorrichtung, umfassend:

einen allgemein ringförmigen Statorkern mit einer Vielzahl von Statorzähnen;

einen Statordraht, der um jeden der Vielzahl von Statorzähnen herum gewickelt ist, um eine Statorwicklung zu bilden;

ein Epoxidharz, das derart auf der Statorwicklung und um jeden der Vielzahl von Statorzähnen herum aufgebracht ist, dass der Statordraht von dem Epoxidharz überzogen und dadurch elektrisch isoliert ist; und

einen Kühlmittelkanal, der zumindest teilweise durch das Epoxidharz definiert ist, wobei der Kühlmittelkanal in unmittelbarer Nähe zu zumindest einem Abschnitt der Statorwicklung angeordnet ist.
Statoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Statorzähnen jeweils einen Flansch-Endabschnitt aufweist, der derart ausgebildet ist, dass er den Statordraht und das Epoxidharz, während es aushärtet, festhält. Statoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorkern aus einem weich-magnetischen Verbundmaterial zusammengesetzt ist. Statoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxidharz derart gestaltet ist, dass es den Transport von Wärme von der Statorwicklung durch den Kühlmittelkanal hindurch und aus der Statoranordnung hinaus erleichtert. Statoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxidharz derart gestaltet ist, dass es das Einbringen von Verunreinigungen in die Statorwicklung verhindert. Statoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxidharz derart gestaltet ist, dass es die Festigkeit des Statorkernserhöht. Verfahren zum Herstellen einer Statoranordnung, umfassend die Schritte, dass:

ein Statorzahn bereitgestellt wird;

ein Statordraht um den Statorzahn herum gewickelt wird, um eine Statorwicklung zu bilden, wobei die Statorwicklung um den Statorzahn herum angeordnet wird, um einen Pol zu definieren;

ein Epoxidharz derart auf die Statorwicklung aufgebracht wird, dass der Statordraht von dem Epoxidharz überzogen und durch dieses elektrisch isoliert ist; und

eine Vielzahl von Polen zusammengesetzt wird, um eine allgemein ringförmige Statoranordnung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen eines Statorzahnes umfasst, dass eine Vielzahl von Statorzahnkomponenten zusammengesetzt wird, um den Statorzahn zu bilden. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner den Schritt umfasst, dass ein Kühlmittelkanal gebildet wird, der zumindest teilweise durch das Epoxidharz definiert ist. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner den Schritt umfasst, dass eine zweite Schicht von Epoxidharz auf die Vielzahl von Polen aufgebracht wird, um die Befestigung davon beizubehalten.






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