DE10144653A1

DE10144653A1 - Permanent erregte elektromechanische Maschine für den Betrieb in Flüssigkeiten und Gasen

Info

Publication number: DE10144653A1
Application number: DE10144653A
Authority: DE
Inventors: Mark Vohrer; Wolfgang Merath
Original assignee: ATE ANTRIEBSTECHNIK und ENTWIC
Current assignee: ATE ANTRIEBSTECHNIK und ENTWIC
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: DE10144653B4

Abstract

Eine permanent erregte elektromechanische Maschine umfasst einen gekapselten oder einen vergossenen Stator, der auf einem Spulenkörper aufgebracht ist. Ferner sind Sinterlager vorgesehen, so dass ein Betrieb sowohl in einer Flüssigkeits- als auch einer Gasumgebung ohne Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens möglich ist. Die erfindungsgemäße elektromechanische Maschine ist somit vorteilhafterweise in Anwendungen einsetzbar, die bisher eine aufwendige Abdichtung von rotierenden Wellen erforderlich machten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft permanent erregte elektromechanische Maschinen, die auch als permanent erregte Synchronmaschinen oder abhängig von der Art der Ansteuerung als bürstenlose oder kommutatorlose Gleichstrommaschinen bezeichnet werden, wobei ein Gehäuse mit einer Stirnfläche und einer Endfläche, eine Statorwicklung und ein Rotor mit einer Welle mit einem daran angebrachten Magnet vorgesehen sind.
In vielen Bereichen der Technik werden kleine, leistungsfähige drehzahlsteuerbare Antriebe benötigt, die eine hohe Zuverlässigkeit, lange Standzeiten, sowie eine einfache und effiziente Regelung bzw. Steuerung erlauben. Lange Zeit war es schwierig, eine kleine leistungsfähige elektromechanische Maschine bereitzustellen, die alle zuvor aufgeführten Anforderungen erfüllt. Durch die rasche Entwicklung elektronischer Schaltelemente, wie beispielweise MOS-Leistungstransistoren, sowie die Bereitstellung geeigneter Ansteuerelektroniken, ist es möglich, die Vorteile einer permanent erregten Gleichstrommaschine mit den Vorteilen einer kommutatorlosen permanent erregten Synchronmaschine zu vereinigen. Eine permanent erregte Synchronmaschine, die entsprechend der Winkellage des Rotors angesteuert wird, wird auch als bürstenlose oder kommutatorlose Gleichstrommaschine bezeichnet.
Eine bürstenlose Gleichstrommaschine umfasst eine Statorwicklung mit je nach Art und Aufbau der Maschine abhängigen Anzahl von Wicklungen, die bei geeigneter Bestromung ein umlaufendes Magnetfeld erzeugen. Dabei wird der Magnet des Rotors und damit der gesamte Rotor von dem äußeren Drehfeld mitgezogen. Wenn die Bestromung der einzelnen Statorwicklungen entsprechend der augenblicklichen Rotorlage stattfindet, zeigt diese elektromechanische Maschine das Verhalten einer einfachen permanent erregten Gleichstrommaschine, d. h. die Drehzahl ist näherungsweise proportional zur angelegten Spannung und das Drehmoment ist im wesentlichen proportional zum eingeprägten Strom. Durch die Verwendung von Magneten mit einer hohen Flussdichte gelingt es, kleine leistungsstarke Maschinen mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen, wobei aufgrund des fehlenden Kommutators eine hohe Zuverlässigkeit und Standzeit erreicht wird. Aufgrund dieser Eigenschaften werden zusehends konventionelle Gleichstrommaschinen durch entsprechende kommutatorlose Maschinen ersetzt, insbesondere dort, wo eine lange Lebensdauer und Betriebsdauer ohne Wartung erforderlich ist.
Die fehlende Funkenbildung aufgrund der elektronischen Kommutierung des Stroms ergibt zudem ein verbessertes EMV-Verhalten und erlaubt ferner die Anwendung kommutatorloser Gleichstrommaschinen auch in Bereichen, die bislang Asynchronmaschinen vorbehalten blieb. Bedingt durch den hohen Wirkungsgrad, der bei bürstenlosen Gleichstrommaschinen kleiner Bauart erreichbar ist, sowie durch die einfachere Regelung der bürstenlosen Gleichstrommaschinen im Vergleich zu Asynchronmaschinen gibt es zahlreichen Anwendungen, die im Leistungsbereich von einigen wenigen Watt bis zu einigen Hundert oder sogar einigen Tausend Watt effizienter und damit kostengünstiger von bürstenlosen Gleichstrommaschinen bewältigt werden können. So werden beispielsweise bürstenlose Gleichstrommaschinen bei der Förderung von Flüssigkeiten, wie Benzin, Diesel, Kerosin etc., verwendet. In derartigen Anwendungen wird häufig ein Pumpenmechanismus mit der Antriebswelle der elektromechanischen Maschine gekoppelt, wobei mittels einer Dichtung der Innenraum der Maschine, d. h. der den Rotor umgebende Raumbereich, zum Pumpengehäuse hin abgedichtet wird. Aufgrund der mechanischen Belastung der Dichtung durch die Antriebswelle erfolgt ein hoher Verschleiß und erzwingt Wartungsintervalle, die deutlich unterhalb der für die restlichen Antriebskomponenten erforderlichen Wartungszeiten liegen.
Des weiteren sind im Stand der Technik im Bereich kleiner Wasserpumpen Ausführungsformen zu finden, in denen ein Permanentmagnet drehbar auf einer Achse gelagert und mit einem Schaufelrad mechanisch verbunden ist, so dass bei Anlegen eines Drehfelds an die Statorwicklungen, die in einem Gehäuse wasserdicht untergebracht sind, der Magnet und somit das Schaufelrad in Drehung versetzt wird. Aufgrund der Lagerung auf einer Achse, sowie des relativ großen magnetischen Widerstands zwischen der Statorwicklung und dem Permanentmagneten lassen sich lediglich kleine Drehmomente, sowie niedrigen Drehzahlen erreichen. Für effiziente Antriebe, in denen möglicherweise eine genaue Steuerung der mechanischen Leistung erforderlich ist, sind derartige Maschinen daher nicht geeignet.
Ferner ist in US 4,382,199 eine bürstenloser Gleichstrommotor offenbart, dessen Rotor axial und radial durch ein den Rotor umströmenden Fluid, vorzugsweise einer hydraulischen Flüssigkeit mit geringer Viskosität, gelagert ist. Der in diesem Dokument beschriebene bürstenlose Gleichstrommotor erlaubt eine Drehzahl von etwa 10.000 U/min. in beiden Richtungen, wobei jedoch zum Zeitpunkt der Richtungsumkehr die Lagerwirkung durch die hydraulische Flüssigkeit nicht mehr gewährleistet ist. Ferner besteht auch bei geringen Drehzahlen die Gefahr, dass der Fluidfilm im Luftspalt abreißt bzw. zu dünn wird, da aufgrund der geringen Drehzahl das für den Betrieb des Motors erforderliche Schaufelrad keine ausreichende Menge an Hydraulikflüssigkeit fördert. Obwohl dieser Motor bei Betrieb mit konstanter Drehzahl eine ausgezeichnete verschleißfreie Lagerung des Rotors erzielt, so erlaubt der Aufbau dieses Motors jedoch keine Anwendungen, in denen ein hoher Dynamikbereich sowie ein relativ hohes Anlaufmoment notwendig ist. Ferner erlaubt der Aufbau des beschriebenen Motors nur einen Betrieb in einer geeigneten Flüssigkeit, wobei zu gewährleisten ist, dass jederzeit ausreichend Flüssigkeit vorhanden ist, oder wobei der Motor gegenüber der Umgebung in einem entsprechenden Behälter mit Flüssigkeit einzukapseln ist.
Aufgrund der oben dargelegten Situation besteht daher ein Bedarf an kommutatorlosen elektromechanischen Maschinen, die eine Betriebsweise mit einem großen Dynamikbereich bei einem Drehzahlbereich von Null bis einige Zigtausend Umdrehungen pro Minute erlauben, wobei die Maschine unabhängig von der umgebenden Atmosphäre betreibbar sein soll.
Angesicht der zuvor genannten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zum Stand der Technik verbesserte kommutatorlose elektromechanische Maschine bereitzustellen, die ohne Einschränkung des Regelverhaltens sowohl in einer Flüssigkeitsatmosphäre als auch in einer Gasatmosphäre betreibbar ist.
Gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektromechanische Maschine mit einem Gehäuse mit einer Stirnseite und einer Rückseite, die jeweils ein zur Lagerung einer einen Permanentmagnet umfassenden Antriebswelle vorgesehenes Lager aufweisen, wobei die Wicklung des Stators vergossen ist.
Durch die vergossene Statorwicklung wird eine ausgezeichnete elektrische Isolierung des Stators von der den Motor umgebenden und insbesondere den Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor durchsetzenden Atmosphäre erreicht. Aufgrund dieser Bauart ist eine präzise Lagerung des Motors, ähnlich wie bei konventionellen Motoren, gegeben, wobei jedoch durch die elektrische Isolierung sowohl zum Luftspalt hin als auch zu allen anderen die Statorwicklung umgebenden Bereichen ein Betrieb des Motors in kritischen Atmosphären möglich ist. Insbesondere kann der Motor in Flüssigkeiten, auch in elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, ohne Beeinträchtigung des Regelverhaltens oder des Betriebsverhaltens betrieben werden. Wenn ferner der Motor in einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, betrieben wird, ergibt sich durch die Umspülung des vergossenen Stators eine effiziente Kühlung der Wicklung, wodurch die erreichbare Leistung der Maschine im Vergleich zu einem konventionellen Motor vergleichbarer Größe, der in einer Gasatmosphäre betrieben wird, gesteigert ist. Des weiteren erlaubt diese Ausbildung des Motors einen Einsatz, in der sich die Motorumgebung ändern kann, wie dies beispielsweise bei Verwendung des Motors als Pumpe auftreten kann, wenn keine zu fördernde Flüssigkeit mehr vorhanden ist. Die Maschine läuft dann einfach weiter, ohne dass besondere Vorkehrungen zum Schutz der Maschine notwendig sind.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird eine elektromechanische Maschine bereitgestellt mit einem Gehäuse mit einer Stirnseite und einer Rückseite und mit einem gekapselten Stator, wobei die elektromechanische Maschine als bürstenlose Gleichstrommaschine betreibbar und für Dauerbetrieb ausgelegt ist, und wobei ein Spalt zwischen dem gekapselten Stator und dem auf der Antriebswelle befestigten Rotormagnet während des Betriebs mit Flüssigkeit und/oder Gas beaufschlagbar ist.
Die erfindungsgemäße elektromechanische Maschine ist aufgrund des gekapselten Stators sowohl in einer Flüssigkeit als auch in einem Gas oder in einer Atmosphäre, in der beides vorhanden ist, betreibbar, wobei die Maschine einen Dauerbetrieb zulässt, unabhängig von der Art der umgebenden Atmosphäre. Im Gegensatz zu konventionellen Maschinen, die lediglich für den Betrieb in einer Flüssigkeit oder einem Gas konstruiert sind, erlaubt die erfindungsgemäße elektromechanische Maschine somit einen Betrieb in einer beliebigen Atmosphäre. Dies kann beispielsweise vorteilhaft genutzt werden in Anwendungen, in denen feuchte oder heiße Gase und/oder Flüssigkeiten die Maschine umströmen bzw. durchströmen, wie dies in Generatoren mit Betrieb von Dämpfen und/oder Flüssigkeiten der Fall ist. Da ferner hohe Drehzahlen sowie eine einfache Regelung der Maschine möglich ist, kann die Betriebsweise der Maschine an unterschiedliche Strömungsbedingungen, beispielsweise in einem Gas-Flüssigkeits-Kanal angepasst werden.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird eine elektromechanische Maschine bereitgestellt mit einem gekapselten Stator und einem Gehäuse mit einer Stirnseite und einer Rückseite, die jeweils ein für Nass- und Trockenlauf geeignetes Gleitlager zur Lagerung einer Antriebswelle mit einem daran befestigten Permanentmagnet umfassen.
Aufgrund des Gleitlagers in Kombination mit dem gekapselten Stator erlaubt die erfindungsgemäße Maschine eine Anwendung bei niedrigen und hohen Drehzahlen, wobei eine präzise Lagerung der Antriebswelle gewährleistet ist. Im Gegensatz zu herkömmlich verwendeten Kugellagern oder zu der in der zuvor erwähnten US Patentschrift hydrodynamischen Lagerung ist somit ein Betrieb der erfindungsgemäßen elektromechanischen Maschine in einer Vielzahl von Flüssigkeits- und Gasatmosphären über einen weiten Drehzahl- und Leistungsbereich möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung zeichnet sich die erfindungsgemäße elektromechanische Maschine dadurch aus, dass die Statorwicklung auf einen aus elektrisch isolierenden Material hergestellten Spulenkörper aufgebracht ist.
Das Vorsehen eines Spulenkörpers für die Statorwicklung erlaubt eine einfache und effiziente Bewicklung des Spulenkörpers sowie eine ausgezeichnete hermetische Abdichtung der Wicklung zum Rotor hin. Ferner ist durch die Innenwand des Spulenkörpers eine präzise Oberfläche vorgegeben, an der sich der Rotor während des Betriebs vorbeibewegt, so dass sich ein widerstandsarmes Strömungsverhalten für Flüssigkeiten ergibt und somit lediglich ein minimaler radialer Abstand zwischen der Rotoraußenfläche und dem Spulenkörper notwendig ist. Dadurch lässt sich der Spalt zwischen der Statorwicklung und dem Rotormagnet, der auch als Luftspalt bezeichnet wird, sehr genau durch die Materialdicke des Spulenkörpers und dem Abstand zwischen der Spulenkörperfläche und dem Rotormagneten einstellen.
In einer weiteren Ausführungsform ist an dem Spulenkörper ein Kammerbereich zur Aufnahme eines Wicklungsabschnitts der Statorwicklung vorgesehen.
Durch den Kammerbereich in dem Spulenkörper kann der üblicherweise in radialer Richtung eine größere Ausdehnung annehmende Wicklungskopf so auf dem Spulenkörper untergebracht werden, dass der Außendurchmesser, d. h. die dem Rotor abgewandte Seite der Statorwicklung im Bereich der das Magnetfeld erzeugenden Wicklung und im Bereich des Wicklungskopfs im wesentlichen gleich ist. Dadurch lässt sich der Spulenkörper nach der Bewicklung in ein Gehäuse einschieben, das beispielsweise einen bereits vorinstallierten Eisenring als magnetischen Rückschluss aufweist.
Vorzugsweise weist der Kammerbereich einen Durchmesser auf, der kleiner als der Durchmesser des restlichen Spulenkörpers ist.
Durch diese stufenartige Ausbildung des Spulenkörpers lässt sich beispielsweise der magnetisch nicht aktive Teil der Statorwicklung auf dem Spulenkörper unterbringen, ohne dass eine Zunahme der Länge des Spulenkörpers erforderlich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bildet der Spulenkörper mit Teilen der Gehäuseinnenwand einen hermetisch dichten, die Statorwicklung umschließenden Raumbereich.
Auf diese Weise lässt sich die Statorwicklung sowohl vom Innenraum, d. h. dem Raumbereich des Rotors, sowie von der die Maschine umgebenden Atmosphäre isolieren.
In einer Ausführungsform ist der der Endfläche zugewandte Rand des Spulenkörpers mit dem Gehäuse mittels eines Dichtelements verbunden. Dadurch ergibt sich eine effiziente Abdichtung zwischen Spuleninnenraum und Gehäuse. Das Dichtelement kann als O-Ring ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Raumbereich mit einem Füllmaterial gefüllt.
Auf diese Weise lässt sich eine rasche und zuverlässige Isolierung sowie eine hohe mechanische Stabilität erreichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist das Füllmaterial eine Vergussmasse, eine Flüssigkeit, ein Pulver, ein Gel oder dergleichen.
Vorteilhafterweise weist ist das Füllmaterial elektrisch isolierend und weist eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 0,5 bis 2 Watt pro Meter und Kelvin auf.
Dieser Bereich der Wärmeleitfähigkeit stellt sicher, dass in der Statorwicklung erzeugte Wärme abtransportiert wird. Insbesondere, wenn die elektromechanische Maschine in einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, betrieben wird, ist eine sehr effiziente Kühlung gewährleistet, da der Rotor sowohl von der Gehäuseaußenseite her als vom Innenraum her, d. h. von dem Raumbereich des Rotors gekühlt wird. Damit lässt sich die elektromechanische Maschine beim Betrieb in einer Flüssigkeit im Überlastbetrieb betreiben, ohne dass nachteilige Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Maschine auftreten.
In einer weiteren Ausbildung ist an der Stirnseite und/oder der Rückseite des Gehäuses ein Lagerschild vorgesehen, der mit dem Spulenkörper in Kontakt ist.
Das Vorsehen eines beispielsweise einpressbaren Lagerschilds erleichtert den Zusammenbau der Maschine, wobei der mechanische Kontakt zwischen dem Lagerschild und dem Spulenkörper eine Trennung zwischen dem Raumbereich, in dem die Statorwicklung vorgesehen ist, und dem Raumbereich, in dem der Rotor vorgesehen ist, erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausbildung weist der Lagerschild eine in Längsrichtung und nach innen hervorstehende ringförmige Erhebung auf.
Durch diese ringförmige Erhebung wird ein mechanischer Kontakt zwischen dem Spulenkörper und dem Lagerschild in zuverlässiger Weise gewährleistet, so dass eine entsprechende Abdichtung des Stator erreicht ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen ein der ringförmigen Erhebung zugewandter Rand des Spulenkörpers und ein dem Spulenkörper zugewandter Rand der ringförmigen Erhebung eine im wesentlichen gleiche Schräge auf.
Durch diese Anordnung ergibt sich eine "gleitende" Kontaktfläche zwischen der ringförmigen Erhebung und dem Spulenkörper, wobei beim Montieren des Lagerschilds die beiden schrägen Ränder geringfügig aufeinander gleiten können, so dass sich eine leichte Toleranz in axialer Richtung ausgleichen lässt.
In einer weiteren Ausbildung umfassen ein der ringförmigen Erhebung zugewandter Rand des Spulenkörpers und ein dem Spulenkörper zugewandter Rand der ringförmigen Erhebung ein Dichtelement.
Durch dieses Dichtelement, beispielsweise in Form eines O-Rings ergibt sich eine einfache zuverlässige Dichtung.
In einer weiteren Ausbildung weisen der Lagerschild und/oder das Gehäuse ein Dichtelement zum Verschließen des Gehäuses auf.
In einer weiteren Ausbildung weist das Gehäuse zumindest eine Durchgangsöffnung zwischen dem Raumbereich, der zwischen dem Gehäuse und dem Spulenkörper gebildet ist, und der Umgebung auf.
Die Durchgangsöffnung kann vorteilhafterweise bei der Befüllung des Raumbereichs, der die Statorwicklung enthält, verwendet werden. Bei Vorhandensein von zwei oder mehr Durchgangsöffnungen kann vorteilhafterweise eine Durchgangsöffnung als Einfüllöffnung und eine weitere Öffnung als Austrittsöffnung für überschüssiges Füllmaterial verwendet werden. Vorteilhafterweise ist die Durchgangsöffnung verschließbar.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Sinterlager mit einem Schmiermittel getränkt.
Auf diese Weise ist eine exzellente Lagerung der den Rotormagnet tragenden Antriebswelle auch bei einem Betrieb in einer Gasatmosphäre gewährleistet. Vorteilhafterweise wird das Schmiermittel so gewählt, dass dieses mit dem umgebenden Medium, in dem die elektromechanische Maschine zu betreiben ist, kompatibel ist.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt ein Spaltabstand zwischen der Statorwicklung und dem Permanentmagnet des Rotors ungefähr 0,3 bis 0,8 mm.
Diese Wahl des Spaltabstands zwischen der Statorwicklung und dem Rotor erlaubt zum einen eine hohe magnetische Kopplung zwischen den beiden Elementen, und zum anderen eine ausreichende Strömung zwischen dem gekapselten Stator und dem Rotor bei Verwendung der Maschine in einer Flüssigkeit.
In einer weiteren Ausbildung zeichnet sich die elektromechanische Maschine dadurch aus, dass die Stirnseite und/oder die Rückseite zumindest eine Durchgangsöffnung zu einem von dem Stator umschlossenen Innenraum aufweist.
Diese zumindest eine Durchgangsöffnung, die eine Fluidverbindung zu dem vom Stator umschlossenen Innenraum bildet, erlaubt einen Flüssigkeits- bzw. Gasaustausch mit der umgebenden Atmosphäre. Insbesondere bei Betrieb in einer Flüssigkeit, beispielsweise bei Anwendung als Pumpenmotor in Wasser, wird somit eine gewisse Strömung durch den Innenraum hervorgerufen, die zu einer sehr effizienten Kühlung des Motors beiträgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Rotormagnet eine die gesamte freiliegende Oberfläche des Magneten schützende Beschichtung auf.
Dadurch ist der Magnet ganzflächig vor einer korrodierenden Wirkung bei Betrieb in einer Flüssigkeit oder in einer feuchten Atmosphäre zuverlässig geschützt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Antriebswelle einen Auswuchtabschnitt zum selektiven Materialabtrag während des Auswuchtens des Rotors.
Durch das Vorsehen eines speziellen Auswuchtabschnitts kann der Rotor effizient ausgewuchtet werden, ohne dass Material von dem Magnetmaterial des Rotors entfernt werden muss. Auf diese Weise kann eine schützende Beschichtung vor der Montage der Maschine aufgebracht oder die ursprünglich vorhandene schützende Beschichtung erhalten werden.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Lager und der Rotor der elektromechanischen Maschine für einen Betrieb im Drehzahlbereich von Null bis 50.000 U/min. ausgebildet.
Das Verwenden von einem Lager für den obigen Drehzahlbereich sowie eines Rotors, der in diesem Drehzahlbereich betreibbar ist, wird ein großer Regelbereich der Maschine erreicht. Beim Betrieb der Maschine in einer Flüssigkeit wird bei sehr hohen Drehzahlen zusätzlich eine hydrodynamische Lagerwirkung erzielt, wodurch die integrierten Sinterlager entlastet werden. Die erfindungsgemäße elektromechanische Maschine kann durch diesen hohen Drehzahlbereich in feuchten, nassen oder Dampfatmosphären bei hohem Druck eingesetzt werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, Turbinenräder direkt mit der Antriebswelle der Maschine zu verbinden, so dass sich eine effiziente Umwandlung von mechanischer Drehbewegung in elektrische Energie bei sehr hohem Wirkungsgrad im kleinen bis mittleren Leistungsbereich erreichen lässt.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Statorwicklung im Bereich des Rotormagneten Wicklungsabschnitte auf, die im wesentlichen parallel zur Antriebswelle verlaufen. Dadurch ergibt sich eine einfache Wicklungsgeometrie.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Statorwicklung im Bereich des Rotormagneten Wicklungsabschnitte auf, die schräg zu Antriebswelle verlaufen.
Durch die schräge Wicklung kann der Magnetfeldverlauf in der elektromechanische Maschine optimiert werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der Maschine verbessern lässt.
In einer weiteren Ausbildung ist eine Ansteuerelektronik zur Erzeugung eines Statordrehfeldes vorgesehen. Durch das Bereitstellen einer geeigneten Ansteuerelektronik lässt sich die elektromechanische Maschine in einem weiten Bereich den mechanischen Erfordernissen anpassen. Insbesondere kann die Ansteuerelektronik so ausgelegt werden, dass die Drehzahlverstellung der Maschine bei einer optimalen Statorfeldform möglich ist. Des weiteren kann eine blockförmige Ansteuerung der Statorwicklung erfolgen, wobei vorzugsweise die Bestromung einzelner Statorwicklungen in Abhängigkeit von der aktuellen Rotorlage durchgeführt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ansteuerelektronik an dem Gehäuse oder in dem Gehäuse angebracht und elektrisch zur Umgebung isoliert. Durch das Vorsehen der Ansteuerelektronik am oder in dem Gehäuse lässt sich eine sehr kompakte Bauweise verwirklichen, wobei lediglich der Anzahl der einzelnen Wicklungen der Statorwicklung eine entsprechende Anzahl von Zuleitungen erforderlich ist, um die Maschine zu betreiben. Vorteilhafterweise kann dabei die Ansteuerelektronik vollständig vergossen sein, so dass ein Betrieb in feuchten Umgebungen oder in einer Flüssigkeit problemlos möglich ist, wenn die Umgebungstemperatur entsprechend gering ist. Bei Betrieb der elektromechanischen Maschine in Umgebungen mit erhöhten Temperaturen, beispielsweise in Dampfatmosphären, kann das Zuführen bzw. Abführen elektrischer Leistung zu bzw. von der elektromechanischen Maschine durch temperaturbeständige Zuleitungen erfolgen, die mit einer entfernten Ansteuerelektronik verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Ansteuerelektronik eine freigelegte Kühlfläche auf. Diese Kühlfläche ist insbesondere wirksam, wenn die Maschine in einer Flüssigkeit mit einer Temperatur von unterhalb 60 bis 70°C betrieben wird, da dann die Ansteuerelektronik im wesentlichen auf der Umgebungstemperatur gehalten werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Ansteuerelektronik eine flüssigkeitsdichte wärmeleitende Ummantelung auf. Durch die wärmeleitende Ummantelung ergibt sich nicht nur eine ausgezeichnete Dichtigkeit gegenüber der umgebenden Atmosphäre, sondern auch eine hohe mechanische Stabilität und damit Robustheit der Ansteuerelektronik.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellung einer elektromechanischen Maschine, die in einer Gas- und/oder flüssigen Umgebung betreibbar ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bewickeln eines isolierenden Spulenkörpers mit einer Statorwicklung; Einführen des Spulenkörpers in ein Gehäuse mit einer Endfläche, die zur Aufnahme eines Sinterlagers ausgebildet ist, Einführen eines Rotors in das Gehäuse, wobei der Rotor eine Welle und einen daran befestigten Magneten aufweist; und Verschließen des Gehäuses mit einem Lagerschild mit einem Sinterlager; wobei ein Raumbereich, der zwischen dem Gehäuse und dem Spulenkörper gebildet ist, gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine rasche und effiziente Herstellung der elektromechanischen Maschine, wobei insbesondere die Flüssigkeitsdichte Ausgestaltung der Statorwicklung durch Verwenden eines Spulenkörpers mit wenigen Arbeitsvorgängen in präziser Weise ausführbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Verschließens des Gehäuses einen Ausgleichen von Toleranzen in axialer Richtung. Durch ein Ausgleichen der axialen Lage des Spulenkörpers relativ zu dem Gehäuse können geringe, immer auftretende Fertigungstoleranzen des Spulenkörpers und des Gehäuses ausgeglichen werden. Dadurch ergibt sich eine zuverlässige Abdichtung des Innenraums des Spulenkörpers, d. h. des Raumes, der den Rotor aufnimmt, zu dem Gehäuse. Dies kann erreicht werden, indem zumindest ein Teilbereich des Spulenkörpers leicht verformbar ist, so dass beim Verschließen des Gehäuses mit dem Lagerschild beim mechanischen Kontakt des Lagerschilds mit dem Spulenkörper eine für das Abdichten der Maschine erforderlichen Verformung des Spulenkörpers stattfinden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine ringförmige Erhebung an der Stirnfläche des Lagerschilds vorgesehen, so dass der Rand der Erhebung mit dem Spulenkörper in Kontakt gebracht wird und der Spulenkörper geringfügig verformt wird, so dass der Lagerschild in die axiale Sollposition bringbar ist.
Das Vorsehen einer ringförmigen Erhebung mit einem entsprechenden Randbereich erleichtert die Verformung des Spulenkörpers, da dieser beim mechanischen Kontakt mit der ringförmigen Erhebung "abgleiten" kann. Insbesondere wird das Verschließen und zuverlässige Abdichten des Gehäuses erleichtert, wenn der Rand der ringförmigen Erhebung und/oder der Rand des Spulenkörper eine Schräge aufweist, so dass diese Ränder aneinander abgleiten können, um somit axiale Toleranzen ausgleichen zu können. Gleichzeitig wird auch eine radiale Ausrichtung und damit Zentrierung des Spulenkörpers in dem Gehäuse erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Auswuchten des Rotors: provisorisches Anbringen des Magneten an der Antriebswelle, Ermitteln einer Unwucht des Rotors und Ändem der radialen Position des Magneten, um die Unwucht zu verringern.
Dadurch lässt sich eine für kleine Drehzahlen zumeist ausreichende Verringerung der Unwucht des Rotors erreichen, ohne dass ein Materialabtrag am Rotor notwendig ist.
Des weiteren stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer permanent erregten elektromechanischen Maschine, insbesondere einer elektromechanischen Maschine, die in einer Gas- und Flüssigkeitsatmosphäre betreibbar ist, bereit mit den Schritten: Bereitstellen einer Antriebswelle, Bereitstellen eines Magnetmaterials mit einer Bohrung zur Aufnahme der Antriebswelle, Einführen der Antriebswelle in die Bohrung und provisorisches Befestigen des Magnetmaterials, Bestimmen der Unwucht des Rotors, und Verändern der radialen Position des Magnetmaterials auf der Antriebswelle zur Verringerung der Unwucht vor der endgültigen Befestigung des Magnetmaterials.
Dadurch lässt sich der beim Herstellen eines Rotors notwendige Auswuchtvorgang unter Umständen gänzlich ohne Materialabtrag am Rotor vornehmen. Ferner kann die Bohrung vergrößert werden, um größeren Einstellbereich für die Konzentrizität des Magnetmaterials zu erhalten. Die mögliche auftretende Verletzung der Schutzschicht des Magnetmaterials ist dabei nicht erheblich, da die entsprechenden Stellen von dem Klebemittel zuverlässig geschützt sind.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert und gehen ebenfalls aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1a einen schematischen Querschnitt einer elektromechanischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Rotor nicht eingezeichnet ist;
Fig. 1b einen schematischen Querschnitt der elektromechanischen Maschine aus Fig. 1a mit Rotor;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Form der Statorwicklung und des Spulenkörpers im Vergleich zur vorhergehenden Ausführungsform geändert ist;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer elektromechanischen Maschine mit gekapselten Stator; und
Fig. 4 schematisch eine elektromechanische Maschine mit einer am Gehäuse angebrachten Ansteuerelektronik.
Mit Bezug zu den Fig. 1a und 1b wird zunächst ein anschauliches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. In Fig. 1a weist eine elektromechanische Maschine 100, die in diesem Beispiel als bürstenlose Gleichstrommaschine ausgelegt ist, ein Gehäuse 101 mit einer Endfläche 102 auf, in der ein Sinterlager 103 vorgesehen ist. Das Sinterlager 103 ist für Nass- und Trockenlauf ausgebildet und kann mit einem Schmiermittel getränkt sein. An der Innenwand des Gehäuses 101 ist ein ferromagnetischer Ring 104 vorgesehen, der beispielsweise aus geblechtem Eisenmaterial oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann. Ein Spulenkörper 106, der beispielsweise aus elektrisch isolierendem Material, wie etwa Kunstharz, diversen Kunststoffen, Ferrite, Keramik, etc., hergestellt sein kann, ist mit einer Statorwicklung 105 bewickelt. Die Statorwicklung 105 ist lediglich schematisch dargestellt und weist eine von dem Anwendungszweck abhängige Anzahl an einzelnen Wicklungen auf, wobei die einzelnen Wicklungen Wicklungsabschnitte im zentralen Bereich in der axialen Richtung aufweisen können, die im wesentlichen parallel zur axialen Richtung verlaufen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Statorwicklung 105 Wicklungsabschnitte aufweisen, die bezüglich der axialen Richtung im Bereich des ferromagnetischen Rings 104 schräg zur axialen Richtung verlaufen. In der weiteren Beschreibung sowie in den Zeichnungen wird die Statorwicklung 105 als eine dreiphasige Wicklung dargestellt, wobei die vorliegende Erfindung keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl der Phasen unterworfen ist.
An der zur Endfläche 102 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 101 ist ein Lagerschild 107 angebracht, in den ein zweites Sinterlager 111 eingepasst ist. Des weiteren ist an dem Lagerschild 107 eine ringförmige Erhebung 108 ausgebildet, die in der vorliegenden Ausführungsform an dem der Endfläche 102 zugewandten Rand 109 eine Schräge aufweist. Der Rand 109 der ringförmigen Erhebung 108 ist mit einem Rand 110 des Spulenkörpers 106 in Kontakt, wobei der Rand 110 ebenfalls eine Schräge aufweist, die vorzugsweise im Wesentlichen gleich der Schräge des Randes 109 ist. Des weiteren sind in dem Lagerschild 107 Durchgangsöffnungen 112 ausgebildet, die einen durch die Endfläche 102, den Spulenkörper 106 und den Lagerschild 107 begrenzten Innenraum 121 mit der umgebenden Atmosphäre strömungsmäßig verbinden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier Durchgangsöffnungen 112 vorgesehen, jedoch kann eine beliebige Zahl an Durchgangsöffnungen vorgesehen sein, oder in gewissen Ausführungsbeispielen kann auf die Durchgangsöffnungen 112 gänzlich verzichtet werden. Des weiteren ist es möglich, an der gegenüberliegenden Endfläche 102 ebenfalls eine oder mehrere Durchgangsöffnungen vorzusehen. Ferner können an der Endfläche 102 eine oder mehrere Durchgangsöffnungen 113 vorgesehen sein, die zumindest teilweise mit einem Füllmaterial 120 gefüllt sind, das ebenfalls den durch das Gehäuse 102, den Spulenkörper 106 und die ringförmige Erhebung 108 abgegrenzten Raumbereich füllt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Länge der elektromechanischen Maschine 100 ca. 47 mm und der Durchmesser ca. 26 mm. Es ist jedoch zu betonen, dass die Abmessungen der elektromechanischen Maschine 100 entsprechend der gewünschten Anwendung und der benötigten Abgabeleistung der Maschine variieren können. Des weiteren ist an der Endfläche 102 eine gas- und flüssigkeitsdichte Durchführung 128 zur Aufnahme einer Anschlussleitung 129 vorgesehen. Die Durchführung 128 kann mit Vergussmasse oder einer geeigneten Dichtung (nicht gezeigt) abgedichtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine gas- und flüssigkeitsdichte Steckverbindung (nicht gezeigt) am Gehäuse 101 vorgesehen sein. Die Durchführung 128 sowie die Steckverbindung können an einer beliebigen geeigneten Stelle am Gehäuse 101 vorgesehen sein.
Fig. 1b zeigt schematisch den Querschnitt der elektromechanischen Maschine 100, wobei ein aus einer Antriebswelle 114, einem auf der Antriebswelle 114 befestigten Permanentmagnet 115, der mit einer schützenden Schicht (nicht gezeigt) versehen ist, so dass alle freigelegten Oberflächen abgedeckt sind, und Auswuchtbereichen 116 und 117 bestehender Rotor gezeigt ist. Der Magnet 115 bildet im Raumbereich 121 mit dem Spulenkörper 106 einen Spalt 122, wobei der Spalt 122 zusammen mit der Materialstärke des Spulenkörpers 106 den effektiven magnetischen Widerstand zwischen dem Statorfeld und dem Rotorfeld definiert. Im allgemeinen wird der Abstand des Magneten 115 von der Statorwicklung 105 als Luftspalt bezeichnet, wobei in diesem Falle dieser Luftspalt aus dem Spalt 122 und der Wandstärke des Spulenkörper 106 gebildet ist. Für gewöhnlich weisen die Materialien, aus denen der Spulenkörper 106 hergestellt sein kann, Permeabilitätswerte auf, die gleich dem Permeabilitätswert von Luft sind.
Die Herstellung der elektromechanischen Maschine 100 kann beispielsweise die folgenden Schritte umfassen. Zunächst wird der Spulenkörper 106 mit einer geeigneten Länge und geeignetem Durchmesser bereitgestellt, wobei, wie zuvor erwähnt, der Rand 110 vorzugsweise eine Schräge aufweist. Anschließend wird der Spulenkörper 106 mit der Statorwicklung 105 bewickelt, wobei die Anzahl der einzelnen Wicklungen von anwendungstypischen Anforderungen abhängen. Die Größe, die Drahtstärke und die Anzahl der Windungen in den einzelnen Statorwicklungen hängen ebenfalls von dem spezifizierten Anwendungsfall ab. Bei der Bewicklung des Spulenkörpers 106 ist vorzugsweise darauf zu achten, dass der äußere Durchmesser der Statorwicklung 105 überall in etwa den gleichen Wert aufweist. Dies gilt insbesondere für den Teil der Wicklung, in der der Draht entlang dem Umfang des Spulenkörpers 106 geführt wird, um jeweils ein gegenüberliegendes Wicklungspaar zu verbinden. Nach der Bewicklung des Spulenkörpers 106 wird in dieser in das Gehäuse 101 eingeführt, in dem zuvor der ferromagnetische Ring 104 befestigt worden ist. Aufgrund des im Wesentlichen gleichen Außendurchmessers ist das Einführen in das Gehäuse 101 mit bereits installiertem Eisenring 104 in einfacher Weise möglich. Alternativ kann der ferromagnetische Ring 104 nach dem Einführen des Spulenkörpers 106 in das Gehäuse 101 eingeschoben und befestigt werden.
Vor oder nach dem Vorbereiten des Gehäuses 101 wird der Permanentmagnet 115, der aus bekannten Magnetmaterialien, wie beispielsweise Materialien aus seltenen Erden, Eisenneodymmaterialien, etc., bestehen kann, auf der Welle 114 beispielsweise mittels eines Klebstoffes, etwa Lock-Tite, befestigt. Anschließend oder zuvor werden einer oder beide Auswuchtbereiche 116 und 117 auf der Antriebswelle 114 befestigt und der Rotor wird ausgewuchtet, wobei definiert Material an den Auswuchtbereichen 116 und/oder 117 abgetragen wird. Vorteilhaft dabei ist, dass kein Materialabtrag an dem Magnetmaterial 115 notwendig ist, so dass eine bereits aufgebrachte Schutzschicht (nicht gezeigt) des Magneten 115 nicht beschädigt wird. Ferner erfolgt der Ausgleich einer Unwucht durch achsennahen Materialabtrag, so dass insgesamt das Trägheitsmoment des Rotors trotz des zusätzlichen Materials klein bleibt. Dadurch lässt sich ein hoher Drehzahlbereich von etwa 50.000 U/min. erreichen. Vorzugsweise ist daher der Durchmesser der Auswuchtbereiche 116 und 117 kleiner als der halbe Durchmesser des Magnetmaterials 115.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform wird der Rotor vor dem endgültigen Befestigen des Magneten 115 auf der Antriebswelle 114 ausgewuchtet, indem der Magnet 115 mit seiner Bohrung, die ein geringfügiges Spiel im Bereich von Zehntel bis Hundertstel Millimeter aufweist, zunächst mittels einer speziellen Klebevorrichtung (nicht gezeigt) auf der Antriebswelle provisorisch befestigt. Anschließend wird die Unwucht des Rotors ermittelt und entsprechend der festgestellten Unwucht wird die Position des Magneten 115 in radialer Richtung verschoben, um damit die Unwucht zu reduzieren. Dies kann beispielsweise solange ausgeführt werden, bis der Kleber seine endgültige Härte erreicht hat. Diese Methode des Auswuchtens besitzt den Vorteil, dass die Unwucht des Rotors ohne Materialabtrag am Magnet 115 oder den Auswuchtbereichen 116 und 117, die somit auch weggelassen werden können, minimiert werden kann. Insbesondere bei elektromechanischen Maschinen, die unteren Drehzahlbereich bis etwa 10000 U/min betrieben werden, reicht eine derartiges Auswuchten ohne das Vorsehen der Auswuchtbereiche 116 und 117 zumeist aus. Daraus ergibt sich ein minimales Trägheitsmoment des Rotors. Ferner kann die Bohrung des Magneten 115 entsprechend vergrößert werden, so dass sich für das Auswuchten ein größerer radialer Einstellbereich ergibt. Die durch diesen Materialabtrag an der Bohrung bewirkte Verletzung einer bereits aufgebrachten Beschichtung des Magneten 115 wirkt sich nicht nachteilig auf die Beständigkeit des Magneten aus, da dieser Bereich durch das Klebemittel geschützt ist. Selbstverständlich kann das Verfahren auch in Kombination mit Materialabtrag an den Auswuchtbereichen 116 und/oder 117 angewendet werden.
Nach dem Auswuchten wird der aus der Antriebswelle 114, den Auswuchtbereichen 116 und 117 sowie dem Magneten 115 bestehende Rotor in den durch den Spulenkörper 106 gebildeten Raumbereich 121 und in das Sinterlager 103 eingeführt. Anschließend wird der Lagerschild 107 auf das Gehäuse 101 aufgesetzt, wobei der angeschrägte Rand 109 der ringförmigen Erhebung 108 den Rand 110 des Spulenkörpers 106 andrückt und den Spulenkörper 106 gegen die Endfläche 102 presst. Dadurch wird erreicht, dass zum einen eine mögliche Fertigungstoleranz des Lagerschilds 107 und/oder des Spulenkörpers 106 und/oder des Gehäuses 101 in axialer Richtung ausgeglichen wird, und zum anderen, dass eine dichte Verbindung zwischen dem Lagerschild 107 und dem Spulenkörper 106 und zwischen der Endfläche 102 und dem Spulenkörper 106 entsteht. Dabei ist es vorteilhaft, dass zumindest ein Bereich des Spulenkörpers 106 und/oder die ringförmige Erhebung 108 eine gewisse Verformbarkeit besitzen, so dass durch eine entsprechende Verformung ein Abgleiten der beiden Ränder 109 und 110 eine axiale Toleranz ausgleicht. Vorteilhafterweise sind die ringförmige Erhebung 108 und/oder der Spulenkörper 106 so dimensioniert, dass auch bei der größten auftretenden Toleranz gerade noch eine Berührung stattfindet.
Anschließend wird das Füllmaterial 120, beispielsweise als Vergussmasse, durch die eine oder mehrere Durchführungen 113 eingefüllt, bis die eine oder mehrere Durchführungen 113 zumindest teilweise mit Füllmaterial, beispielsweise mit Vergussmasse, gefüllt sind, wodurch sichergestellt ist, dass zumindest die Statorwicklung 105 im wesentlichen vollständig von dem Füllmaterial 120 umschlossen ist. Das Befüllen des Raumbereichs zwischen dem Spulenkörper 106, dem Lagerschild 107 und dem Gehäuse 1001 ist unkritisch, da durch den Abschluss des Spulenkörpers 106 an dem Rand 110 und der Endfläche 102 bereits eine ausreichende Dichtigkeit zum Innenraum 121 hin gegeben ist. Vorzugsweise wird das Füllmaterial 120 in Form einer Vergussmasse eingefüllt, wobei die Vergussmasse elektrisch isolierend ist und vorzugsweise eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Damit ist eine ausreichende thermische Kopplung der Statorwicklung 105 an den Spulenkörper 106 und an das Gehäuse 101 gewährleistet. Mögliche kleine Hohlräume, die während des Befüllens mit Vergussmasse entstehen können, sind für die Funktion der elektromechanischen Maschine 100 ohne Auswirkungen.
Alternativ kann vor dem Aufsetzen des Lagerschilds 107 der zwischen dem Spulenkörper 106 und dem Gehäuse 101 gebildete Raumbereich mit dem Füllmaterial 120 teilweise aufgefüllt werden, so dass der Benetzungsgrad der Statorwicklung 105 beobachtbar ist. Anschließend wird dann der Lagerschild 107 aufgesetzt und die Befüllung kann durch eine an dem Lagerschild vorgesehene Öffnung (nicht gezeigt) oder durch die Durchführungen 113 vervollständigt werden.
Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine weitere Ausführungsform einer elektromechanischen Maschine 200, wobei in Fig. 2 die Teile der elektromechanischen Maschine 200 mit den gleichen jedoch um 100 erhöhten Bezugszeichen belegt sind wie in Fig. 1. Die Beschreibung der entsprechenden Teile wird daher weggelassen. In Fig. 2 weist der Spulenkörper 206 an dem der Endfläche 202 zugewandten Ende einen stufenartig nach innen abgesetzten Bereich 218 auf. In diesem Bereich 218 sind Wicklungsbereiche 219 dargestellt, mit denen gegenüberliegende Wicklungen der Statorwicklung 205 über den Umfang des Spulenkörpers 206 verbunden sind. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da im allgemeinen mehrphasige (beispielsweise dreiphasige) Motoren verwendet werden, wobei die mehreren Windungen möglichst raumsparend zu verbinden sind. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform kann der Bereich 218 die über den Umfang geführten Wicklungsdrähte der drei Phasen bei relativ geringer axialer Ausdehnung aufnehmen, wobei sichergestellt ist, dass der Außendurchmesser der Wicklungsbereiche 219 den Außendurchmesser der Statorwicklung 205 nicht überschreitet. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der Spulenkörper 206 mit der Statorwicklung 205 und dem Wicklungsbereich 219 in das Gehäuse 201 einführbar ist, wenn der ferromagnetische Ring 204 bereits in dem Gehäuse 201 befestigt ist.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektromechanischen Maschine 300, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche aber im Vergleich zu Fig. 2 um 100 erhöhte Bezugszeichen verwendet sind. In Fig. 3 besitzt der Spulenkörper 306 an dem der Endfläche 302 zugewandten Ende ein Dichtelement 325, das beispielsweise in Form eines O-Rings vorgesehen sein kann. Des weiteren sind der Rand 310 des Spulenkörpers 306 sowie der Rand 309 des Lagerschilds 307 gerade ausgeführt, wobei der Rand 310 und/oder der Rand 309 ein Dichtelement 326 aufweisen, der beispielsweise in Form eines O-Rings ausgebildet ist. Ferner weist das Gehäuse 301 und/oder der Lagerschild 307 ein Dichtelement 327, beispielsweise in Form eines O-Rings, auf.
Beim Zusammenbau der elektromechanischen Maschine entsprechend der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform wird beim Aufsetzen des Lagerschilds 307 dieser gegen den Spulenkörper 306 und gegen das Gehäuse 301 gepresst, so dass der Spulenkörper 306 gegen die Endfläche 302 gedrückt wird. Dabei ergibt sich aufgrund der Dichtelemente bzw. O-Ringe 325, 326 und 327 eine hermetische Abdichtung des durch das Gehäuse 301, den Spulenkörper 306 und den Lagerschild 307 definierten Raumbereichs. Fertigungstoleranzen in axialer Richtung werden durch die Verformung der Dichtelemente bzw. O-Ringe 325, 326 und 327 ausgeglichen. Der Lagerschild 307 kann durch ein geeignetes Befestigungsmittel (nicht gezeigt) mit dem Gehäuse 301 verbunden werden. Zu geeigneten Befestigungsmittel gehören beispielsweise Schrauben mit entsprechendem Gewinde im Gehäuse 301, am Gehäuse angebrachte Stifte, die durch entsprechende Durchführungen im Lagerschild 307 mittels Schrauben befestigt werden, Gewindestifte, die sich über die gesamte Länge des Gehäuses 301 erstrecken, Ringschellen, etc.
Durch die Kapselung des Stators 305 mittels der Dichtelemente 325, 326 und 327 ist eine Befüllung des durch den Lagerschild 307, den Spulenkörper 306 und dem Gehäuse 301 definierten Raumbereichs nicht notwendig. Alternativ kann dieser Raumbereich mit einem Füllmaterial mit hoher elektrischer Isolationsfähigkeit und mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise in Form eines Granulats, eines Pulvers, einer Flüssigkeit, eines Gel, etc., durch beispielsweise die Durchführung 313, die mit einem entsprechenden Verschlusselement (nicht gezeigt), beispielsweise einer Kappe, verschließbar ist, befüllt werden. Somit kann eine gute thermische Kopplung der Statorwicklung 305 an den Spulenkörper 306 und das Gehäuse 301 erreicht werden. Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform erlaubt es, in einfacher Weise die elektromechanische Maschine zu demontieren, so dass eventuell anstehende Wartungsarbeiten, wie beispielsweise Austauschen der Lager 303 und/oder 311, in einfacher Weise auszuführen sind. Ferner können ganz Baugruppen, wie beispielsweise das Gehäuse 301 und/oder der Lagerschild 307 und/oder der Stator 305 mit dem Spulenkörper 306 und/oder der Rotor ausgetauscht werden, wobei die restlichen Komponenten wiederverwendbar sind. Diese Bauweise ist besonders vorteilhaft für elektromechanische Maschinen im mittleren und hohen Leistungsbereich, so dass eine Wartung der Maschinen bei minimalen Materialaufwand möglich ist. Ferner kann in dieser Ausführungsform der Spulenkörper 306 aus einem mechanisch sehr stabilen Material hergestellt sein, da eine Verformung zum Ausgleich von Toleranzen durch die entsprechenden Dichtelemente stattfinden kann. In einer weiteren Ausführungsform ist die ringförmige Erhebung 308 nicht vorgesehen und statt dessen ist der Spulenkörper 306 über die gesamte Länge ausgebildet, wobei das Ende des Spulenkörpers mittels eines Dichtelements mit dem eben ausgebildeten Lagerschild 307 verbunden ist. Des weiteren kann beim Zusammenfügen dieser Maschine beispielsweise die Statorwicklung 305 mit dem Spulenkörper verklebt oder vergossen werden.
Im Betrieb der elektromechanischen Maschine 100 oder 200 oder 300 (im folgenden werden nur die Bezugszeichen der Fig. 1 verwendet) wird den Statorwicklungen 105 eine geeignete Spannung und ein geeigneter Strom zugeführt, so dass das entstehende Statordrehfeld den Rotor mitzieht. Wenn die elektromechanische Maschine 100 in einer Flüssigkeit betrieben wird, bildet sich im Innenraum 121 aufgrund der Drehbewegung des Rotors eine Strömung aus, die durch die Durchgangsöffnungen 112, sowie die unvermeidlichen Undichtigkeiten an den Lagern 103 und 111 einen Strömungsaustausch mit der Umgebung des Motors bewirkt. Somit ist der gesamte Innenraum 121 einschließlich des Spalts 122 mit Flüssigkeit gefüllt, wodurch sich zugleich eine hydrodynamische Lagerung des Rotor sowohl in der radialer als auch in axialer Richtung ergibt. Dadurch werden bei hohen Drehzahlen die auf die Lager 102 und 111 wirkenden Kräfte reduziert. Bei Versuchen, die von den Erfindern durchgeführt worden sind, ergab sich ein Drehzahlbereich von Null bis 50.000 U/min. für elektromechanische Maschinen 100 im Leistungsbereich von wenigen Watt bis einige Hundert Watt.
Wenn die Umgebungstemperatur der Flüssigkeit deutlich unter der Betriebstemperatur der elektromechanischen Maschine 100 im Vergleich zum Betrieb in einer umgebenden Gasatmosphäre bei Zimmertemperatur liegt, so ergibt sich durch die Strömung im Raumbereich 121, sowie durch die thermische Ankopplung des Stators 105 an das Gehäuse 101 eine erhöhte Kühlleistung, die den Betrieb des Motors in einem erhöhten Leistungsbereich ermöglicht. Ein typischer Anwendungsbereich für die erfindungsgemäße elektromechanische Maschine ist der Einsatz als Pumpenmotor, wobei vorteilhafterweise keine aufwendige Dichtung zwischen dem Pumpengehäuse und dem Motor notwendig ist. Ferner können in einfacher Weise Pumpenausführungsformen verwirklicht werden, da lediglich entsprechende Schaufelräder, etc. auf die Antriebswelle 114 aufgesetzt werden müssen. Durch die hohe elektrische sowie mechanische Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen elektromechanischen Maschine 100 ist eine Verwendung in kritischen Anwendungen, beispielsweise als Förderpumpe von Flüssigkeiten, wie Benzin, Diesel, Öl, etc., sowie Anwendungen in medizinischen Bereichen vorteilhaft. Ferner erlaubt es der konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen elektromechanischen Maschine, dass diese sowohl in einer Gas-, als auch in einer Flüssigkeitsatmosphäre betrieben wird. Beim Betrieb in einer Gasatmosphäre ist zu berücksichtigen, dass die thermische Kopplung der Statorwicklung 105 an die Umgebung über das Gas stattfindet, so dass die Kühlleistung einer konventionellen Maschine entspricht und im Vergleich zum Betrieb in einer Flüssigkeit mit tiefer Temperatur verringert ist. In gewissen Anwendungsbereichen kann es daher vorteilhaft sein, die elektromechanische Maschine 100 zumindest teilweise in eine entsprechende Flüssigkeit einzutauchen, so dass eine hohe Kühlleistung erreicht wird, da die Kühlflüssigkeit sowohl das Gehäuse 101 zumindest teilweise umgibt und den Innenraum 121 zumindest teilweise ausfüllt. Bei einer entsprechenden Anwendung kann es beispielsweise vorteilhaft sein, die elektromechanische Maschine in nahezu vertikaler Ausrichtung zu betreiben, da dann lediglich ein Behälter als Kühlmittelgefäß notwendig ist, wobei an der oberen offenen Seite des Behälters ohne mechanischen Aufwand eine Lastmaschine an der Antriebswelle 114 ankoppelbar ist. Ein weiterer vorteilhafter Verwendungszweck ergibt sich bei der Verwendung beispielsweise als dampfgetriebener Generator, wobei entsprechende Turbinenschaufelräder direkt an der Antriebswelle 114 befestigbar sind. Aufgrund des konstruktiven Aufbaus der erfindungsgemäßen elektromechanischen Maschine kann diese ohne Beeinträchtigung direkt im Dampfstrahl betrieben werden, wobei lediglich die verwendeten Materialien für den Lagerschild 107 und Spulenkörper 106 für erhöhte Temperaturen von etwa 120° bis 180°C auszulegen sind. Da die erfindungsgemäße elektromechanische Maschine bis zu einem Drehzahlbereich von 50.000 einsetzbar ist, können die bei einem Turbinenbetrieb auftretenden hohen Drehzahlen ohne ein entsprechendes Getriebe direkt an die erfindungsgemäße elektromechanische Maschine übertragen werden, wobei der hohe Wirkungsgrad der Maschine eine Anwendung auch im unteren und mittleren Leistungsbereich attraktiv erscheinen lässt.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Maschine 400, wobei eine entsprechende Ansteuerelektronik 430 an dem Gehäuse 401, beispielsweise als ringförmige Platine an der Endfläche 402 befestigt ist. Je nach Verwendungszweck kann die Ansteuerelektronik 430 lediglich vergossen sein oder eine elektrisch isolierende Ummantelung aufweisen, so dass eine hohe mechanische und elektrische Integrität der Elektronik 430 erreicht wird. Je nach Anwendungszweck kann die Ansteuerelektronik 430 entsprechend ausgebildete Kühlflächen aufweisen, so dass ein Betrieb bei hoher Leistung mit minimalen Bauvolumen der Ansteuerelektronik 430 erreichbar ist. Insbesondere bei der Verwendung der elektromechanischen Maschine 400 in einer Flüssigkeit mit relativ geringer Temperatur lässt sich die Kühlleistung für die Ansteuerelektronik 430 bei gleichbleibender Oberfläche deutlich steigern. Somit kann eine große Leistung auf einfache Weise elektromechanisch umgewandelt werden. Es können äußerst leistungsfähige Antriebe für große Pumpen, Schiffe, etc. aufgebaut werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Ansteuerelektronik 430 in das Gehäuse 401 integriert, beispielsweise, indem das Gehäuse 401 z. B. an der Seite der Endfläche verlängert ist. Auf diese Weise ergibt sich eine erhöhte Robustheit der kombinierten Maschine-Elektronik-Einheit, wobei dennoch eine optimale Kühlung der Ansteuerelektronik erreicht wird, wenn die Einheit in einer Flüssigkeit betrieben wird.

Claims

1. Elektromechanische Maschine mit einem Gehäuse mit einer Stirnseite und einer Rückseite, die jeweils ein zur Lagerung einer einen Permanentmagnet umfassenden Antriebswelle vorgesehenes Lager aufweisen, wobei die Wicklung des Stators vergossen ist.

2. Elektromechanische Maschine mit einem Gehäuse mit einer Stirnseite und einer Rückseite und mit einem gekapselten Stator, wobei die elektromechanische Maschine als bürstenlose Gleichstrommaschine betreibbar und für Dauerbetrieb ausgelegt ist, und wobei ein Spalt zwischen dem gekapselten Stator und dem auf der Antriebswelle befestigten Rotormagnet während des Betriebs mit Flüssigkeit und/oder Gas beaufschlagbar ist.

3. Elektromechanische Maschine mit einem gekapselten Stator und einem Gehäuse mit einer Stirnseite und einer Rückseite, die jeweils ein für Naß- und Trockenlauf geeignetes Gleitlager zur Lagerung einer Antriebswelle mit einem daran befestigten Permanentmagnet umfassen.

4. Die elektromechanische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung auf einen aus elektrisch isolierenden Material hergestellten Spulenkörper aufgebracht ist.

5. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper einen Kammerbereich zur Aufnahme eines Wicklungskopfs der Statorwicklung aufweist.

6. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammerbereich einen Durchmesser aufweist, der kleiner als der Durchmesser des restlichen Spulenkörpers ist.

7. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper mit Teilen der Gehäuseinnenwand einen hermetisch dichten, die Statorwicklung umschließenden Raumbereich bildet.

8. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Gehäuse zugewandte Rand des Spulenkörpers mit dem Gehäuse mittels eines Dichtelements verbunden ist.

9. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement ein O-Ring ist.

10. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumbereich mit einem Füllmaterial gefüllt ist.

11. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial eine Vergussmasse und/oder eine Flüssigkeit und/oder ein Pulver und/oder ein Gel ist.

12. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial elektrisch isolierend ist und eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0.5 bis 2.0 Watt pro Kelvin und Meter aufweist.

13. Die elektromechanische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stirnseite und/oder an der Rückseite des Gehäuses ein Lagerschild vorgesehen ist, der mit dem Spulenkörper in Kontakt ist.

14. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerschild eine in Längsrichtung und nach innen hervorstehende ringförmige Erhebung aufweist.

15. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein der ringförmigen Erhebung zugewandter Rand des Spulenkörpers und ein dem Spulenkörper zugewandter Rand der ringförmigen Erhebung eine im Wesentlichen gleiche Schräge aufweisen.

16. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Lagerschild zugewandter Rand des Spulenkörpers und/oder ein dem Spulenkörper zugewandter Rand der ringförmigen Erhebung ein Dichtelement aufweisen.

17. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerschild und/oder das Gehäuse ein Dichtelement zum Verschließen des Gehäuses aufweisen.

18. Die elektromechanische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zumindest eine Durchgangsöffnung zwischen dem Raumbereich, der zwischen dem Gehäuse und dem Spulenkörper gebildet ist, und der Umgebung aufweist.

19. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Durchführung einen dichtenden Verschluss umfasst.

20. Die elektromechanische Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite und die Rückseite jeweils ein für Naß- und Trockenlauf geeignetes Sinterlager umfassen.

21. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 3 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterlager mit einem Schmiermittel getränkt sind.

22. Die elektromechanische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spaltabstand zwischen der Statorwicklung und dem Permanentmagnet des Rotors ungefähr 0,3 bis 0,8 mm beträgt.

23. Die elektromechanische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite und/oder die Rückseite zumindest eine Durchgangsöffnung zu einem von dem Stator umschlossenen Innenraum aufweist.

24. Die elektromechanische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet eine die gesamte freiliegende Oberfläche des Magneten schützende Beschichtung aufweist.

25. Die elektromechanische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle einen Auswuchtabschnitt zum selektiven Materialabtrag während des Auswuchtens des Rotors aufweist.

26. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswuchtabschnitt einen Durchmesser aufweist, der kleiner als der halbe Rotordurchmesser ist.

27. Die elektromechanische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager und der Rotor für einen Betrieb im Drehzahlbereich von 0 bis ungefähr 50000 Umdrehungen pro Minute ausgebildet sind.

28. Die elektromechanische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung im Bereich des Rotormagneten Wicklungsabschnitte aufweist, die im Wesentlichen parallel zu der Antriebswelle verlaufen.

29. Die elektromechanische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung im Bereich des Rotormagneten Wicklungsabschnitte aufweist, die schräg zur Antriebswelle verlaufen.

30. Die elektromechanische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerelektronik zur Erzeugung eines Statordrehfeldes vorgesehen ist.

31. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik an dem Gehäuse oder in dem Gehäuse angebracht und elektrisch zur Umgebung isoliert ist.

32. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik eine freigelegte Kühlfläche aufweist.

33. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik eine flüssigkeitsdichte wärmeleitende Ummantelung aufweist.

34. Die elektromechanische Maschine nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik in dem Gehäuse vorgesehen ist.

35. Verfahren zur Herstellung einer elektromechanischen Maschine, die in einer Gas- und/oder Flüssigkeitsatmosphäre betreibbar ist, mit den Schritten:
Bewickeln eines elektrisch nicht leitenden Spulenkörpers mit einer Statorwicklung,
Einführen des Spulenkörpers in ein Gehäuse mit einer Endfläche, das zur Aufnahme eines Sinterlagers ausgebildet ist,
Einführen eines Rotors in das Gehäuse, wobei der Rotor eine Antriebswelle und einen daran befestigten Magneten aufweist, und
Verschließen des Gehäuses mit einem ein Sinterlager enthaltenden Lagerschild, wobei ein Raumbereich, der zwischen dem Gehäuse und dem Spulenkörper gebildet ist, gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen wird.

36. Das Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass Verschließen des Gehäuses das Vergießen des Raumbereichs umfasst.

37. Das Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass Verschließen des Gehäuses das Vorsehen von Dichtelementen an dem Spulenkörper und/oder an dem Gehäuse und dem Lagerschild beinhaltet.

38. Das Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass Verschließen des Gehäuses Einfüllen von Füllmaterial durch eine an der Endfläche vorgesehenen, verschließbaren Durchführen umfasst.

39. Das Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass Verschließen des Gehäuses ein Ausgleichen von Herstellungstoleranzen in axialer Richtung beinhaltet.

40. Das Verfahren nach Anspruch 35, das ferner umfasst:
Vorsehen eines Auswuchtabschnitts an der Antriebswelle, und
selektiv Material abtragen bis eine geforderte minimale Unwucht erreicht ist.

41. Das Verfahren nach Anspruch 40, das ferner umfasst: Aufbringen einer Schutzschicht an den freiliegenden Oberflächen des Magnets vor dem Auswuchten des Rotors.

42. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 41, wobei Auswuchten des Rotors umfasst: provisorisches Anbringen des Magneten an der Antriebswelle, Ermitteln einer Unwucht des Rotors und Ändern der radialen Position des Magneten, um die Unwucht zu verringern.

43. Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer permanent erregten elektromechanischen Maschine, insbesondere einer elektromechanischen Maschine, die in einer Gas- und Flüssigkeitsatmosphäre betreibbar ist, mit den Schritten:
Bereitstellen einer Antriebswelle,
Bereitstellen eines Magnetmaterials mit einer Bohrung zur Aufnahme der Antriebswelle,
Einführen der Antriebswelle in die Bohrung und provisorisches Befestigen des Magnetmaterials,
Bestimmen der Unwucht des Rotors, und
Verändern der radialen Position des Magnetmaterials auf der Antriebswelle zur Verringerung der Unwucht vor der endgültigen Befestigung des Magnetmaterials.