用于电动机的定子元件的制作方法

现有技术

在现有技术中电换向的、具有按照爪极原理的定子的电动机是已知的。在这种定子中，从线圈中出来的磁通被聚集并且通过爪极径向地引导到电动机的转子，其中，转子被磁通穿过。爪极应该尽可能低损失地引导磁通并且通常由实心的金属或由电工板（电气用钢板，硅钢片）制造。备选地，爪极也可以由软磁粉末复合材料(SMC-材料，英文为，soft magnetic composites)制造。借助于电工板和SMC-材料可以实现减小的磁滞损耗。

本发明的公开

本发明的任务是，提供一种按照爪极原理构造的、改进的、用于电动机的定子元件。

按照第一方面，该任务通过一种用于电动机的定子元件来解决，其具有：

-限定的数量的爪极；

-其中，定子元件在制造期间在定子元件的居里温度的范围中经受热处理；

-其中，定子元件在接着热处理之后经受冷却。

借助于在制造定子元件期间设置的热处理，可以改善或均匀化在定子元件内部中的晶粒结构，由此磁阻下降。结果，由此使磁的磁滞损耗最小化，由此有利地支持电动机的改善的有效功率。

按照第二方面，该任务通过一种用于电动机的定子元件来解决，其具有限定的数量的爪极，其中，爪极具有在一个与爪极环的连接区上分布（延伸）的弯曲半径，其中，所述弯曲半径分别在爪极的边缘处大于在爪极的中心处。

按照第三方面，该任务通过一种用于制造用于电动机的定子元件的方法来解决，其中，定子元件具有限定的数量的爪极，其中，方法具有以下步骤：

-成型和加热定子元件；和

-随后冷却定子元件。

定子元件和方法的有利的扩展方案是从属权利要求的内容。

定子元件的一个有利的扩展方案的特征在于，热处理的温度位于在大约400°C和大约1000°C之间的范围中。在这个限定的温度范围中，取决于使用的定子元件的材料，可以实现改善定子元件的涉及磁导的特性。

定子元件的另一个实施方式的特征在于，定子元件在成型工艺期间或在成型工艺之后经受热处理。由此有利地提供用于实施定子元件的热处理的两个备选的可能性。

另一个实施方式规定，定子元件以冲压弯曲的形式经受成型工艺。在冲压弯曲中可能产生的材料损伤可以借助于热处理减小，由此改善定子元件针对磁通的传导特性。

定子元件的另一个实施方式规定，定子元件以关闭加热装置的形式经受冷却，定子元件在热处理期间布置在该加热装置。以这种方式可以有利地实现被加热的定子元件的特别慢的冷却。结果，由此可以提供一种非常可靠的并且可很好地控制的冷却方法。

定子元件的一个优选的实施方式规定，定子元件以在环境温度下冷却的形式经受冷却。以这种方式提供一种相对快速的冷却，它可以带来成本优势。

定子元件的另一个优选的设计方案的特征在于，在定子元件在第一冷却阶段中经受一个限定的温度降之后，定子元件在第二冷却阶段中经受一个具有比在第一冷却阶段中较高的温度梯度的冷却。有利地，由此可能的是，使定子元件经受不同的冷却阶段，由此可以实现不同的冷却速度和由此可以优化制造过程。

定子元件的另一个优选的实施方式规定，爪极具有在一个与爪极环的连接区上分布的弯曲半径，其中，这些弯曲半径分别在爪极的边缘处大于在爪极的中心处。以这种方式和方法提供优化的弯曲半径，借此支持定子元件的磁通量的改善和定子元件的提高的机械强度。

定子元件的另一个实施方式的特征在于，定子元件的材料是一种金属或一种电工板（电气用钢板，硅钢片）。借助于所述不同的材料，有利地提高用于定子元件的设计多样性。

以下以其它的特征和优点借助于多个图详细地解释本发明。与其在说明书中和在图中的描述以及其与在权利要求书中的回引相独立地，在此，全部描述的图形成本发明的内容。这些图仅仅应该定性地理解并且尤其是用于解释本发明本质性的原理。

在图中示出：

图1是按照爪极原理的定子的工作原理的示意图；

图2是用于电动机的定子的元件的分解图；

图3是按照爪极原理的常规定子元件的视图；

图4是按照爪极原理的另一个常规定子元件的视图；

图5是按照爪极原理的按照本发明的定子元件的实施方式；和

图6是按照本发明的方法的一个实施方式的原理性的流程。

实施方式的描述

图1以示意的方式示出按照爪极原理的用于电动机(没有示出)的定子的一个已知的结构。在此，交流电流i周期性地交替地在示出的和逆着示出的方向上被引导通过绕组60。由此在不同的定子元件100，100a的爪极10，10a上周期性地交替地形成磁极北和南，其中，爪极10，10a各布置在一个不同的爪极环70，70a上。封闭的磁通Φ的部分地虚线表示的分布应该表明，磁通Φ在虚线的区域中通过电动机的转子(没有示出)延伸。

图2在3D分解图中示出两个按照爪极原理设计的定子元件100，100a的图，其各具有四个爪极10，20，30，40或10a，20a，30a，40a和磁性接地环50。在以下为了简单起见仅仅详细描述第一定子元件100的元件，其中，第二定子元件100a的结构与第一定子元件100的结构是相同的。爪极10，20，30，40与爪极环70整体地连接，其中，爪极10，20，30，40从爪极环70出发向内弯曲，其中，爪极环70代表定子元件100的支撑架。在图中示出的全部元件最好由电工板（硅钢片）制造。由两个定子元件100，100a和接地环50构成的、用塑料材料环绕注塑的整个结构形成用于按照爪极原理的电动机的定子装置的基础结构。

为了定位和固定爪极10，20，30，40和接地环50，具有多个可能性。已知的例如是，将两个定子元件100，100a用塑料材料(例如玻璃纤维加强的聚酰胺，没有示出)环绕注塑，由此同时地形成与绕组60(在图2中没有示出)的电绝缘。接地环50被构造成基本上无间隙地贴合在爪极板形式的定子元件100，100a上。

定子元件100的爪极10，20，30，40在制造中由电工板通过冲压弯曲工艺制造并且在此情况下用玻璃纤维加强的聚酰胺环绕注塑。在每个弯曲工艺中，部件在内半径处被压缩和在外半径处被伸展。在中心处（在中间处）存在所谓的“中性纤维”，它通过弯曲工艺在长度上基本上保持不变。在示出的爪板和所述的变形或成型工艺下，在每个爪极10，20，30，40的切向中心处也是这种情况。

由于用于爪极10，20，30，40的弯曲线不是直地而是弯曲地延伸，因此导致弯曲工艺的压缩和伸展与几何上限定的伸展重叠。这可以进一步加强电工板的晶粒结构的改变，其在弯曲工艺中总归发生。这对于磁传导性可以是不利的，这可以意味着增大的磁损失。此外由该重叠的伸展导致材料变薄。在爪板中的减小的横截面又以不利的方式限制电动机的功率。

在电动机运行期间，参加产生电动机的机械扭矩的全部磁力线必须穿过在图3中标柱的半径(在外半径Ra和内半径Ri之间的区域)。在此，半径Ra表示在爪极10，20，30，40的弯曲方向上背离的、爪极10，20，30，40的表面(“正面”)处的弯曲半径。内半径Ri表示在爪极10，20，30，40的弯曲方向上面对的、爪极10，20，30，40的表面(“背面”)处的弯曲半径。通过所述的热处理，磁导率μ改善，尤其是在区域Ra和Ri之间，其是这样的区域，它们在前面的冲压弯曲工艺中尤其是在晶粒结构方面被损伤。

制造爪板或用塑料环绕注塑爪板期间，从加工角度上来看可以有意义的是，如在图4中可以看见的，内半径Ri朝着爪极10，20，30，40的边缘变得越来越小。内半径Ri例如在爪极10，20，30，40的中心处可以为大约1mm，相反在边缘处变得非常小，这基本上对应于棱边的形成。这可以导致材料的晶粒结构的极其显著的损伤，由此磁通Φ的传导可以不利地非常地恶化。此外，通过在爪极10，20，30，40的边缘区域中的这些小的半径在那里的材料可以机械地这样地承受负载，即可以导致增大的开裂倾向和减小的强度。

因此，按照本发明，在加工定子元件100的过程中，建议热处理定子元件100，由此定子元件100的磁导率μ(磁的传导能力)可以显著改善。由此可以消除或减小通过所述的变形工艺在晶粒结构中形成的负面的影响，由此可以减少磁损失和提高电动机的有效功率。

有利地，以这种方式可以在减小定子元件100的爪极10，20，30，40中的磁损失下提供增大的磁通。这可以有利地用于改善电动机的效率，用于提高电动机的功率和/或减小电动机的结构空间。有利地，由此可以在相同的功率下减小要求的电流和热损失。

已经证实，为了充分利用热处理的尽可能全部的潜能，居里温度(例如在电工板M250-50A情况下大约745°C)在空气密封下应该被超过并且定子元件100应该经受一个随后的冷却。最好定子元件的所述的热处理应该至少在居里温度的范围中实施。对于所述的电工板，第一数字(250)是用于磁损失的尺度和第二数字是用于板厚度的尺度，在这种情况下为0.5mm。在用不同的板和温度进行的试验系列中，测量显著的、相对于参照部件各依据温度增加的改善。

此外已经证实，在大约400°C和大约1000°C之间的加热可以导致定子元件100的材料的磁的通流特性的决定性的改善。在此尽管在全部所述温度下都产生改善，但是选择的温度越高，该改善也越明显。示范性地，一个保持持续时间，即定子元件100在炉子中的停留时间，可以为仅仅几分钟每毫米壁厚。

此外已经证实，冷却速度的选择也可以具有对定子元件的材料技术上的改善。按照标准地，通过缓慢的冷却可以支持显著改善的材料特性。但是，备选地，也可能的是，将被加热的定子元件100简单地从加热装置(例如炉子)中取出并且让其在室温或环境温度下冷却。备选地，也可以的是，在冷却期间在一个限定的温度降(例如在大约50%的程度上)之后，在第二冷却阶段中以比在前面的第一冷却阶段中较高的梯度进行冷却。这可以例如借助于鼓风机实施。尽管非常缓慢的冷却一般地提供最好的结果，但是可以有利的是，进行较快速的冷却，其还在整个制造过程方面也是成本更有利的。

此外可以规定，在爪极10，20，30，40的中心处维持原始状态，但是在朝着爪极10，20，30，40的边缘的方向上半径Ra，Ri连续地增大。这导致中性纤维的长度几乎与其切向位置无关，由此实现，材料依据切向位置基本上不再不同地伸展。以这种方式，壁厚的不利的与位置相关的减小几乎被消除。结果，由此可以有利地优化或者至少改善用于磁通Φ的磁传导特性。

所述的措施有利地导致在极爪板的关键（临界）区域中的较大的壁厚，其中，电工板的晶粒结构具有较小的损伤。

通过定子元件100，100a的这些具体的几何的结构设计，在一些区域中，在转子和定子(没有示出)之间的空气隙可以稍微地增大，这可以导致较差的电动机性能。但是在与整个空气隙的关系中，这仅仅是一个非常小的部分并且与有效功率增益没有关系，其可以根据按照本发明的原理实现。

图6原理性地示出按照本发明的方法的流程。

在第一步骤S1中实施定子元件100的成型和加热。

最后在第二步骤S2中实施定子元件100的随后的冷却。

总之，通过本发明建议一种用于电动机的定子元件，其具有显著改善的磁的特性。结果，由此支持电动机的改善的性能。这通过在各使用的材料的居里温度的范围中的专门的热处理实现。

显然，本发明在前面借助于具体的实施例进行了描述而本发明不限于描述的实施例。专业人员将认识到，前面描述的特征的大量的变型，尤其是关于材料的选择，爪极的数量，等等，是可能的，而不偏离本发明的核心。