DE102005038779A1

DE102005038779A1 - Linearmotor für einen Kältemittelkompressor

Info

Publication number: DE102005038779A1
Application number: DE200510038779
Authority: DE
Inventors: Peter Scavenius Andersen; Niels Christian Weihrauch
Original assignee: Danfoss Compressors GmbH
Current assignee: Danfoss Power Solutions Parchim GmbH
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2025-08-18
Also published as: DE102005038779B4

Abstract

Es wird ein Linearmotor (1) für einen Kältemittelkompressor (2) angegeben mit einem Innenstator (4), einem Außenstator (3) und einem hin- und herbewegbaren Anker (6) zwischen Innenstator (4) und Außenstator (3), wobei der Außenstator (3) eine Spulenanordnung (7) aufweist. DOLLAR A Man möchte bei einem derartigen Linearmotor die Baugröße vermindern können. DOLLAR A Hierzu ist vorgesehen, dass der Außenstator (3) ein die Spulenanordnung (7) in Umfangsrichtung umgebendes und in Umfangsrichtung geschlossenes Joch (10) aufweist, das eine Vielzahl von Blechlagen aufweist, die in radialer Richtung aufeinander liegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearmotor für einen Kältemittelkompressor mit einem Innenstator, einem Außenstator und einem hin und her bewegbaren Anker zwischen Innenstator und Außenstator, wobei der Außenstator eine Spulenanordnung aufweist.

Ein derartiger Linearmotor ist beispielsweise aus US 6 812 606 B2 bekannt. Der Außenstator ist hierbei durch eine Vielzahl von Blechen gebildet, die sich radial von innen nach außen erstrecken. Im Bereich ihres äußeren Randes sind sie durch einen Sicherungsring zusammengehalten. Radial weiter innen sind sie durch ein Befestigungsmittel, beispielsweise eine Kunststoff-Gußmasse oder einen Klebstoff, zumindest im Bereich einer Anschlußanordnung für die Spulenanordnung gehalten, um ein Aneinanderschlagen der freien radial inneren En den der Bleche und damit eine Geräuschbildung zu verhindern.

Bei einem derartigen Außenstator gibt es ein relativ schlechtes Verhältnis von Eisen zu Luft. Dies hat zur Folge, daß das Magnetfeld, das durch die Spulenanordnung erzeugt wird, nicht immer optimal geführt wird. Dementsprechend ist eine relativ große Baugröße erforderlich, um die gewünschten Antriebsleistungen erbringen zu können.

US 6 573 624 B2 zeigt einen weiteren derartigen Linearmotor, bei dem der Außenstator durch Blechpakete gebildet ist. Diese Blechpakete sind sternförmig um den Luftspalt angeordnet, in dem sich der Anker bewegt. Die einzelnen Blechpakete weisen dabei eine Schichtung aus mehreren Blechen auf. Die Berührungsebene der Bleche ist im wesentlichen radial gerichtet. Auch dies hat zur Folge, daß zumindest in radial weiter außen liegenden Bereichen relativ große Luftspalte zwischen benachbarten Blechpaketen stehen, die das magnetische Verhalten des Außenstators verschlechtern. Auch hier ist dementsprechend eine relativ große Baugröße erforderlich, um die notwendigen Antriebsleistungen erzeugen zu können.

Bei Kältemittelkompressoren, insbesondere solchen, die in Haushalts-Kühl- und -Gefriergeräten eingesetzt werden, möchte man den Raum, der für den Kältemittelkompressor und seinen Antrieb erforderlich ist, möglichst klein halten. Die Außenabmessungen derartiger Haushaltsgeräte sind in der Regel durch sonstige Bestandteile einer Küche begrenzt. Je kleiner daher der Kom pressor und sein Antrieb ist, desto mehr Nutzraum steht in einem derartigen Kühlmöbel zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Baugröße zu vermindern.

Diese Aufgabe wird bei einem Linearmotor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Außenstator ein die Spulenanordnung in Umfangsrichtung umgebendes und in Umfangsrichtung geschlossenes Joch aufweist, das eine Vielzahl von Blechlagen aufweist, die in radialer Richtung aufeinander liegen.

Mit einer derartigen Ausgestaltung des Jochs erreicht man, daß das von der Spulenanordnung erzeugte Feld, das im Bereich des Jochs im wesentlichen in Axialrichtung verläuft, geführt werden kann, ohne daß es fortlaufend Luftspalte überqueren muß. Die einzelnen Blechlagen liegen so, daß sich das Magnetfeld praktisch immer in der Ebene der einzelnen Blechlagen erstrecken kann. Dementsprechend ist der für die Führung des Magnetfeldes im Joch notwendige Raum praktisch vollständig mit Eisen gefüllt. Da die einzelnen Lagen flächig aneinander anliegen, hat das Magnetfeld auch genügend "Übergangsstellen", um von einer Blechlage zur anderen überzutreten, auch wenn die Blechlagen aufgrund von Rauhigkeiten noch kleine Lufteinschlüsse zwischen sich haben sollten. Da die magnetische Leitfähigkeit des Jochs durch diesen Aufbau in erheblichem Umfang verbessert wird, kann man umgekehrt das Joch verkleinern, insbesondere seine radiale Dicke und damit auch seinen Außendurchmesser. Dementsprechend läßt sich die Baugröße des Motors vermindern, was Ziel der Erfindung ist. Wenn man die Baugröße unverändert beläßt, dann kann man den Kupferanteil, also die Spulenanordnung, vergrößern und damit den Wirkungsgrad des Motors steigern.

Hierbei ist bevorzugt, daß das Joch aus mindestens einem Blechstreifen gewickelt ist. Dies erleichtert zum einen die Herstellung. Es ist lediglich erforderlich, einen Blechstreifen beispielsweise auf einen Dorn aufzuwickeln. Dabei entstehen in Abhängigkeit von der Anzahl der Umdrehungen des auf den Dorn gewickelten Blechstreifens eine entsprechende Anzahl von Lagen. Im Grunde reicht es dann aus, den Anfang und das Ende des Blechstreifens mit der jeweils radial darüber bzw. darunter befindlichen Lage der "Spirale" zu verbinden. Die Herstellung des Jochs läßt sich also außerordentlich kostengünstig gestalten.

Hierbei ist von Vorteil, wenn das Joch eine zumindest teilweise radial nach innen abgeschrägte Stirnseite aufweist. Dies erleichtert es, das Magnetfeld "um die Ecke" zu führen, also in einen Zahnbereich, so daß das Magnetfeld, das von der Spule erzeugt wird und die Spule sozusagen ringförmig umgibt, auch radial mit geringen Verlusten nach innen geführt werden kann.

Bevorzugterweise weist der Außenstator mindestens einen Zahnabschnitt auf, der in Axialrichtung neben der Spulenanordnung angeordnet ist und eine Vielzahl von in Axialrichtung aufeinandergestapelter Scheiben aufweist. Der Begriff "Zahnabschnitt" wird aus magnetischer Sicht gewählt. Tatsächlich hat das Joch an beiden Stirnseiten nur zwei Zähne, die in Umfangsrichtung allerdings geschlossen sind, d.h. in der Regel eine glatte Innenkon tur aufweisen. Die Zahnabschnitte dienen dazu, das von der Spulenanordnung erzeugte Magnetfeld radial nach innen bzw. radial nach außen zu führen. Dadurch, daß der Zahnabschnitt durch eine Vielzahl von Blechscheiben gebildet ist, gilt hier im Grunde das gleiche wie für das Joch. Das Magnetfeld wird praktisch in den einzelnen Scheiben geführt, ohne daß es eine Berührungsfläche zwischen benachbarten Scheiben überspringen müßte. Die Schichtung hat also eine für die Führung des Magnetfelds ideale Form. Wirbelströme, die durch das Magnetfeld induziert werden können, werden klein gehalten, weil sie nicht durch die Berührungsflächen zwischen benachbarten Scheiben treten können.

Vorzugsweise weist der Zahnabschnitt zwischen seinem größten Umfang und seiner axial inneren Stirnseite eine Schrägfläche auf. Das Paket aus Blechscheiben, das den Zahnabschnitt bildet, kann dann das Magnetfeld besser aus dem Joch aufnehmen.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Schrägfläche den gleichen Neigungswinkel und die gleiche Erstreckung wie der abgeschrägte Bereich der Stirnseite aufweist. Die Schrägfläche und der abgeschrägte Bereich können dann vollflächig aneinander anstoßen. Das Magnetfeld kann problemlos vom Joch in den Zahnabschnitt übertreten. Magnetische Verluste werden auf diese Weise klein gehalten.

Vorzugsweise sind die Schrägfläche und der abgeschrägte Bereich geschliffen. Damit erreicht man, daß das Joch und der Zahnabschnitt glatt aneinanderliegen können, d.h. man hält Luftspalte, wenn sie überhaupt entstehen, relativ klein.

Vorzugsweise weisen die Blechstreifen des Jochs eine kleinere Dicke als die Scheiben der Zahnabschnitte auf. Das magnetische Feld weist radial innen eine größere Dichte auf, weil hier weniger Platz zur Verfügung steht. Es ist also günstig, hier auch bei einzelnen Blechen des Zahnabschnitts einen relativ großen Querschnitt zur Verfügung zu stellen. Beim Joch hingegen ist die magnetische Felddichte geringer. Hier sind dann dünnere Blechstreifen vor allem unter dem Aspekt günstig, daß sie leichter gewickelt werden können.

Vorzugsweise weist der Außenstator eine Zahnfußanordnung auf. Eine Zahnfußanordnung erlaubt es, das Magnetfeld im radial inneren Bereich des Außenstators zu führen.

Bevorzugterweise weist die Zahnfußanordnung eine Vielzahl von in Umfangsrichtung aneinandergereihter Zahnfußelemente auf. Jedes Zahnfußelement ist dann praktisch radial ausgerichtet. Die Zahnfußelemente berühren sich zumindest an ihrem radial inneren Ende. Radial weiter außen können sie zwar einen kleinen Luftspalt zueinander aufweisen. Dies ist aber unschädlich, weil das Magnetfeld die Zahnfußelemente radial von außen nach innen oder von innen nach außen durchquert und die Zahnfußelemente damit wiederum die günstige Ausrichtung zum Magnetfeld haben.

Hierbei ist bevorzugt, daß jedes Zahnfußelement als Blechelement ausgebildet ist. Damit läßt sich im Grunde der gesamte Außenstator außer der Spulenanordnung durch kostengünstiges Blech herstellen. Die Zahnfußelemente können beispielsweise ausgestanzt sein.

Vorzugsweise sind die Zahnfußelemente an ihrer radialen Innenseite miteinander verbunden. Dies erleichtert die Fertigung. Eine derartige Verbindung kann beispielsweise durch einen Klebestreifen oder durch eine Schweißnaht erfolgen. Die Verbindung erlaubt es, alle Zahnfußelemente oder zumindest die Zahnfußelemente einer Gruppe gemeinsam zu handhaben und so zu wölben, daß sie in die Bohrung des Blechpakets passen, das den Zahnabschnitt bildet.

Vorzugsweise weisen die Zahnfußelemente axial außen eine vorstehende Nase auf, die an der Stirnseite des Zahnabschnitts anliegt. Dies erleichtert die Montage. Die Zahnfußanordnung kann soweit in den Zahnabschnitt eingesetzt werden, bis die Nase an der Stirnseite anliegt. Darüber hinaus wird die Ausbreitung des magnetischen Feldes durch eine derartige Nase, die zu einer radialen Verdickung der Zahnfußanordnung axial außen neben dem Zahnabschnitt führt, verbessert werden.

Auch ist von Vorteil, wenn die Zahnfußelemente im Bereich des Zahnabschnitts eine ebene radiale Außenseite aufweisen, wobei sich die radiale Erstreckung der Zahnfußelemente axial innerhalb neben den Zahnabschnitten vermindert. Mit dieser Ausgestaltung erreicht man, daß die Zahnfußelemente glatt, also mit wenig Lufteinschlüssen, an der radialen Innenseite des Zahnabschnitts anliegen können. Axial weiter innerhalb verjüngen sich die Zahnfußelemente, was ebenfalls eine günstige Auswirkung auf die Führung des Magnetfelds hat.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch einen Linearmotor,
2 eine Stirnseitenansicht eines Jochs,
3 eine perspektivische Darstellung eines Außenstators in Explosionsansicht und
4 eine schematische perspektivische Darstellung eines Jochs.
1 zeigt schematisch einen Linearmotor 1 zum Antrieb eines nur schematisch dargestellten Kältemittelkompressors 2.
Der Linearmotor weist einen Außenstator 3 und einen Innenstator 4 auf. Zwischen dem Außenstator 3 und dem Innenstator 4 ist ein Spalt 5 ausgebildet, in dem ein Anker 6 angeordnet ist. Der Anker 6 weist in nicht näher dargestellter Weise Permanentmagnete auf.
Der Außenstator 3 weist eine Spulenanordnung 7 mit einer ringförmig gewickelten Spule 8 und einem Spulenhalter 9 auf. Der Spulenhalter 9 ist aus einem Kunststoff gebildet und isoliert die Spule 8 elektrisch gegen den Außenstator 3.
Wenn ein Strom durch die Spule 8 geleitet wird, dann erzeugt dieser Strom ein Magnetfeld, das sich ringförmig durch den Außenstator 3, den Spalt 5, den Anker 6 und den Innenstator 4 schließt. Dadurch wird der Anker 6 in eine Richtung gezogen. Wenn die Richtung des Stroms durch die Spule umgedreht wird, dann ändert das Magnetfeld ebenfalls seine Umlaufrichtung und der Anker 6 wird in eine andere Position bewegt. Durch ein periodisches Umschalten der Stromrichtung läßt sich also eine entsprechende periodische Bewegung des Ankers 6 erreichen, die man zum Antrieb eines Kolbens im Kältemittelkompressor 2 verwenden kann.
Um das Magnetfeld führen zu können, weist der Außenstator 3 ein Joch 10 auf, das aus einem Blechband 11 gebildet ist, das zu einer Rolle aufgewickelt ist. Die Darstellungen der 2 und 4 sind hierbei nicht maßstäblich zu verstehen, sondern dienen alleine der Erläuterung des Aufbaus des Jochs mit dem spiralförmig gewickelten Blechband. Stufen 12, 13, die am Anfang und am Ende des Blechbandes 11 ausgebildet sind, sind in Wirklichkeit natürlich wesentlich kleiner. Auch ist ein Raum 14, der radial innerhalb des Jochs 10 ausgebildet ist, wesentlich größer, als in 2 und 4 dargestellt. Schneidet man nun das Joch 10 in einer beliebigen Stelle in Umfangsrichtung radial auf, dann zeigt ein derartiger Schnitt eine Vielzahl von in Radialrichtung aneinanderliegender Bleche.
Das Magnetfeld wird im Bereich des Jochs 10 zumindest zum größten Teil parallel zu einer Längsachse 15 geführt. Dies ist aber genau die Richtung, in der das Blechband 11 ebenfalls flächig ausgebreitet ist. Das Magnetfeld kann also im Joch 10 praktisch vollständig im Eisen geführt werden. Es muß zum größten Teil nicht einmal Grenzflächen zwischen einzelnen Lagen des Blechbandes 11 überwinden.
An den beiden Stirnseiten der Spulenanordnung ist jeweils ein Zahnabschnitt 16, 17 vorgesehen. Der Außenstator 3 hat also sozusagen zwei Zähne.
Dieser Zahnabschnitt 16, 17 weist eine Vielzahl von Blechscheiben 18 auf, die in Axialrichtung aufeinandergestapelt sind. Die Blechscheiben weisen alle eine Bohrung 19 mit gleichem Durchmesser auf. Der Außendurchmesser der Blechscheiben 18 nimmt axial nach innen ab, so daß sich eine Schrägfläche 20 ergibt. Das Joch 10 weist eine abgeschrägte Stirnseite 21 auf. Die Schrägfläche 20 und die Stirnseite 21 haben den gleichen Neigungswinkel und die gleiche Erstreckung. Sie sind beide vorzugsweise geschliffen, so daß sie dicht an dicht aneinander anliegen.
Die Dicke der Blechscheiben 18 ist größer als die Dicke des Blechbandes 11, aus dem das Joch 10 gewickelt ist. Die Darstellung der 1 ist hier nicht maßstäblich. Das dünnere Blechband 11 läßt sich besser wickeln. Die dickeren Blechscheiben 18 bilden einen ausreichend großen Querschnitt, um insbesondere radial innen einen ausreichend großen Leitungsquerschnitt bereitzustellen.
An ihrer radialen Innenseite weisen die beiden Zahnabschnitte 16, 17 jeweils eine Zahnfußanordnung 22 auf, die durch eine Vielzahl von Zahnfußelementen 23 gebildet ist.
3 zeigt den Außenstator 3 in perspektivischer Explosionsdarstellung. Es ist zu erkennen, wie die Zahnfußanordnung 22 in die Zahnabschnitte 16, 17 eingesteckt ist und sie mit einem Abschnitt 27 durchragt. Die Lücken zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Zahnfußelementen sind in Wirklichkeit so nicht vorhanden. Die Zahnfußelemente stoßen an ihrer radialen Innenseite aneinander an.
Die Zahnfußelemente werden zur Fertigung einfach gestapelt, d.h. hintereinander aufgereiht, und dann durch eine Naht 24, beispielsweise eine Schweißnaht, die durch Laserschweißen hergestellt ist, miteinander verbunden. Danach können die Zahnfußelemente 23 ringförmig gebogen und in die Bohrung 19 eingesetzt werden.
Jedes Zahnfußelement weist axial außen eine Nase 25 auf, mit der es an der axial äußeren Stirnseite 26 des jeweiligen Zahnabschnitts 16, 17 anliegt. Damit wird automatisch die Einschubtiefe der Zahnfußelemente 23 in die Bohrung 19 begrenzt.
Auf der axialen Innenseite nimmt die Dicke der Zahnfußelemente ab. Hierzu ist ein Abschnitt 27 der Zahnfußelemente 23 auf seiner radialen Außenseite leicht abgeschrägt.
Im übrigen sind die Zahnfußelemente auf ihrer radialen Außenseite 28 glatt, so daß sie ohne Bildung größerer Luftspalte an der radialen Innenseite der Zahnabschnitte 16, 17 anliegen können.

Claims

Linearmotor für einen Kältemittelkompressor mit einem Innenstator, einem Außenstator und einem hin und her bewegbaren Anker zwischen Innenstator und Außenstator, wobei der Außenstator eine Spulenanordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenstator (3) ein die Spulenanordnung (7) in Umfangsrichtung umgebendes und in Umfangsrichtung geschlossenes Joch (10) aufweist, das eine Vielzahl von Blechlagen aufweist, die in radialer Richtung aufeinander liegen.
Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (10) aus mindestens einem Blechstreifen (11) gewickelt ist.
Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (10) eine zumindest teilweise radial nach innen abgeschrägte Stirnseite (21) aufweist.
Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenstator (3) mindestens einen Zahnabschnitt (16, 17) aufweist, der in Axialrichtung neben der Spulenanordnung (7) angeordnet ist und eine Vielzahl von in Axialrichtung aufeinandergestapelter Scheiben (18) aufweist.
Linearmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnabschnitt (16, 17) zwischen seinem größten Umfang und seiner axial inneren Stirnseite eine Schrägfläche (20) aufweist.
Linearmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägfläche (20) den gleichen Neigungswinkel und die gleiche Erstreckung wie der abgeschrägte Bereich (21) der Stirnseite aufweist.
Linearmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägfläche (20) und der abgeschrägte Bereich (21) geschliffen sind.
Linearmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen (11) des Jochs (10) eine kleinere Dicke als die Scheiben (18) der Zahnabschnitte (16, 17) aufweisen.
Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenstator (3) eine Zahnfußanordnung (22) aufweist.
Linearmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnfußanordnung (22) eine Vielzahl von in Umfangsrichtung aneinandergereihter Zahnfußelemente (23) aufweist.
Linearmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zahnfußelement (23) als Blechelement ausgebildet ist.
Linearmotor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnfußelemente (23) an ihrer radialen Innenseite miteinander verbunden sind.
Linearmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnfußelemente (23) axial außen eine vorstehende Nase (25) aufweisen, die an der Stirnseite (26) des Zahnabschnitts (16, 17) anliegt.
Linearmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnfußelemente (23) im Bereich des Zahnabschnitts (16, 17) eine ebene radiale Außenseite (28) aufweisen, wobei sich die radiale Erstreckung der Zahnfußelemente (23) axial innerhalb neben den Zahnabschnitten (16, 17) vermindert.