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Die
vorliegende Erfindung betrifft permanent erregte elektromechanische
Maschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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.
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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 entspre chende
kommutatorlose Maschinen ersetzt, insbesondere dort, wo eine lange
Lebensdauer und Betriebsdauer ohne Wartung erforderlich ist.
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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.
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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.
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Ferner
ist in
US 4382199 A 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.
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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.
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Die
DE 1931661 A (nächstliegender
Stand der Technik) zeigt einen Elektromotor mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Angesicht
der zuvor genannten Problematik ist es die 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, wobei eine effiziente Montage der Maschine gewährleistet
ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Maschine gelöst,
wie sie im Anspruch 1 definiert ist. Unter anderem ergeben sich
die folgenden Vorteile.
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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 kritischer
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 einfachweiter, ohne
dass besondere Vorkehrungen zum Schutz der Maschine notwendig sind.
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Die
erfindungsgemäße elektromechanische Maschine
ist in einer Ausführungsform
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 Strämungsbedingen,
beispielsweise in einem Gas-Flüssigkeits-Kanal
angepasst werden.
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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.
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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.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist an dem Spulenkörper
ein Kammerbereich zur Aufnahme eines Wicklungsabschnitts der Statorwicklung vorgesehen.
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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.
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Vorzugsweise
weist der Kammerbereich einen Durchmesser auf, der kleiner als der
Durchmesser des restlichen Spulenkörpers ist.
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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.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
bildet der Spulenkörper
mit Teilen der Gehäuseinnenwand
einen hermetisch dichten, die Statorwicklung umschließenden Raumbereich.
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Auf
diese Weise lässt
sich die Statorwicklung sowohl vom Innenraum, d.h. dem Raumbereich
des Rotors, sowie von der die Maschine umgebenden Atmosphäre isolieren.
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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.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Raumbereich mit einem Füllmaterial
gefüllt.
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Auf
diese Weise lässt
sich eine rasche und zuverlässige
Isolierung sowie eine hohe mechanische Stabilität erreichen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausbildung ist das Füllmaterial eine Vergussmasse,
eine Flüssigkeit,
ein Pulver, ein Gel oder dergleichen.
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Vorteilhafterweise
weist ist das Füllmaterial elektrisch
isolierend und weist eine Wärmeleitfähigkeit
von ungefähr
0,5 bis 2 Watt pro Meter und Kelvin auf.
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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.
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Das
Vorsehen eines beispielsweise einpressbaren Lagerschilds erleichtert
den Zusammenbau der Maschine, wobei durch den mechanischen 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.
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Durch
eine nach innen hervorstehende ringförmige Erhebung des Lagerschilds
wird ein mechanischer Kontakt zwischen dem Spulenkörper und dem
Lagerschild in zuverlässiger
Weise gewährleistet,
so dass eine entsprechende Abdichtung des Stators erreicht ist.
Dabei weisen ein der ringförmigen Erhebung
zugewandter Rand des Spulenkörpers
und ein dem Spulenkörper
zugewandter Rand der ringförmigen
Erhebung eine im Wesentlichen gleichen Schräge aus.
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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.
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In
einer weiteren Ausbildung umfassen ein der ringförmigen Erhebung zugewandter
Rand des Spulenkörpers
und ein dem Spulenkörper
zugewandter Rand der ringförmigen
Erhebung ein Dichtelement.
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Durch
dieses Dichtelement, beispielsweise in Form eines O-Rings ergibt
sich eine einfache zuverlässige
Dichtung.
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In
einer weiteren Ausbildung weisen der Lagerschild und/oder das Gehäuse ein
Dichtelement zum Verschließen
des Gehäuses
auf.
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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.
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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.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Sinterlager mit einem Schmiermittel getränkt.
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Auf
diese Weise ist eine exzellente Lagerung der den Rotormagnet tragenden
Antriebswelle auch bei einem Betrieb in einer Gasatmosphäre gewährleistet.
Vorteilhafterweise wird das Schmieremittel so gewählt, dass
dieses mit dem umgebenden Medium, in dem die elektromechanische
Maschine zu betreiben ist, kompatibel ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
beträgt ein
Spaltabstand zwischen der Statorwicklung und dem Permanentmagnet
des Rotors ungefähr
0,3 bis 0,8 mm.
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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.
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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.
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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.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Rotormagnet
eine die gesamte freiliegende Oberfläche des Magneten schützende Beschichtung
auf.
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Dadurch
ist der Magnet ganzflächig
vor einer korrodierenden Wirkung bei Betrieb in einer Flüssigkeit
oder in einer feuchten Atmosphäre
zuverlässig geschützt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Antriebswelle einen Auswuchtabschnitt zum selektiven
Materialabtrag während
des Auswuchtens des Rotors.
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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.
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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.
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Das
Verwenden von einem Lager für
den obigen Drehzahlbereich sowie eines Rotors, der in diesem Drehzahlbereich
betreibbar ist, wird ein großer Regelbetreich
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 ein gesetzt 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.
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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.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist die Statorwicklung im Bereich des Rotormagneten Wicklungsabschnitte
auf, die schräg
zu Antriebswelle verlaufen.
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Durch
die schräge
Wicklung kann der Magnetfeldverlauf in der elektromechanische Maschine optimiert
werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der Maschine verbessern lässt.
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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 Erfordemissen 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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Merkmale und Ausführungsformen sind
in den abhängigen
Patentansprüchen
definiert und gehen ebenfalls aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1a einen
schematischen Querschnitt einer elektromechanischen Maschine gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei der Rotor nicht eingezeichnet
ist;
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1b einen
schematischen Querschnitt der elektromechanischen Maschine aus 1a mit Rotor;
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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;
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3 einen
schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer elektromechanischen
Maschine mit gekapselten Stator; und
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4 schematisch
eine elektromechanische Maschine mit einer am Gehäuse angebrachten
Ansteuerelektronik.
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Mit
Bezug zu den 1a und 1b wird zunächst ein
anschauliches Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben. In 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, Ferrit, 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 120,
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 101 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.
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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.
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2 zeigt
im Querschnitt eine weitere Ausführungsform
einer elektromechanischen Maschine 200, wobei in 2 die
Teile der elektromechanischen Maschine 200 mit den gleichen
jedoch um 100 erhöhten
Bezugszeichen belegt sind wie in 1. Die
Beschreibung der entsprechenden Teile wird daher weggelassen. In 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 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.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
elektromechanischen Maschine 300, wobei wiederum für gleiche
Teile gleiche aber im Vergleich zu 2 um 100
erhöhte
Bezugszeichen verwendet sind. In 3 besitzt
der Spulenkörper 306 an
dem der Endfläche 302 zugewandten
Ende ein Dichtelement 326, das beispielsweise in Form eines
0-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 327 aufweisen,
das beispielsweise in Form eines 0-Rings ausgebildet ist. Ferner
weist das Gehäuse 301 und/oder
der Lagerschild 307 ein Dichtelement 328, beispielsweise
in Form eines 0-Rings, auf.
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Beim
Zusammenbau der elektromechanischen Maschine entsprechend der in 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. 0-Ringe 326, 327 und 328 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. 0-Ringe 326, 327 und 328 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.
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Durch
die Kapselung des Stators 305 mittels der Dichtelemente 326, 327 und 328 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 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 306 verklebt
oder vergossen werden.
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Im
Betrieb der elektromechanischen Maschine 100 oder 200 oder 300 (im
folgenden werden nur die Bezugszeichen der 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 Rotors 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.
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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 elektromecha-nische
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 100, 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 100 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 100 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 100 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 elektrome-chanische
Maschine 100 übertragen
werden, wobei der hohe Wirkungsgrad der Maschine eine Anwendung
auch im unteren und mittleren Leistungsbereich attraktiv erscheinen
lässt.
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4 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
einer ertindungsgemäßen 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.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die Ansteuerelektronik 430 in das Gehäuse 401 integriert,
beispielsweise indem das Gehäuse 401 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.