-
Die
Erfindung betrifft einen eisenlosen Elektromotor und insbesondere
einen Elektromotor, der ein hohes Drehmoment bei geringer Baugröße und signifikant
verringerten Verlusten aufbringt.
-
Elektromotoren
existieren in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen,
wobei unter anderem zwischen eisenlosen Maschinen und Eisenmaschinen
unterschieden wird. Unter eisenlosen Maschinen, die bisweilen auch
als eisenfreie Maschinen bezeichnet werden versteht man Elektromotoren,
bei denen eisenfreie Spulen verwendet werden. Bei Eisenmaschinen
sind die Wicklungen um einen Eisenkern herum ausgeführt.
-
An
Bedeutung gewannen eisenlose Elektromotoren in den vergangenen Jahren
durch die hohe Dynamik und das geringe Gewicht dieser Motoren, welche
nicht durch Eisenmaschinen erreicht werden konnten. Neben dem geringeren
Gewicht der bewegten Masse ist dies auf die wegen des fehlenden
Eisenkerns geringere Induktivität
der Spule zurückzuführen sowie
auf den höheren
Kupferfüllfaktor,
d.h. auf den höheren
Anteil des zum Drehmoment beitragenden Leitervolumens am Gesamtvolumen
des für die
Erzeugung des Drehmoments vorgesehenen Körpers. Außerdem weisen eisenlose Elektromotoren
vor allem im Bereich kleiner und mittlerer Leistungen bessere Wirkungsgrade
auf, da im Spulenkern aufgrund der Eisenfreiheit der Spule keine
Eisenverluste entstehen können.
-
Bei
den bekannten eisenlosen Elektromotoren werden die Spulen in den
Luftspalten der Motoranordnungen geführt. Die Luftspalte werden
von einem magnetischen Feld mit der Induktion B → durchsetzt, so dass
auf ein im Luftspalt befindliches Leiterstück dl →, durch das ein skalarer
Strom I fließt
eine Verschiebekraft F → = I·(l → × B →) (1)ausgeübt wird.
Ist das Leiterstück
mit einer zu ihm beabstandeten Drehachse verbunden, kann über die Verschiebekraft
ein Drehmoment erzeugt werden.
-
Zum
Erzeugen eines Drehmoments tragen dabei nur diejenigen Leiterabschnitte
in dem Wickelprofil einer Spule bei, die von dem Magnetfeld durchsetzt
werden. Ferner wird auf Leiterabschnitte die nicht ideal rechtwinklig
zu dem Magnetfeld angeordnet sind eine gemäß dem Vektorprodukt der Gleichung
(1) entsprechend geringere Kraft ausgeübt.
-
In
den bekannten eisenlosen Elektromotoren müssen die in dem Magnetfeld
verlaufenden Leiterabschnitte durch so genannte Wickelköpfe verbunden
werden, die im Allgemeinen außerhalb
des Magnetfeldes angeordnet sind und damit nur zu den Kupferverlusten
des Spulenanordnung, nicht jedoch zur Drehmomenterzeugung beitragen.
Auch wenn sich die Wickelköpfe
innerhalb des Magnetfeldes befinden würden, würde die auf sie ausgeübte Verschiebekraft
größtenteils
in Richtung der Drehachse gerichtet sein und damit nicht zur Ausbildung
eines Drehmoments führen.
Die nicht zum Drehmoment beitragenden Leiterabschnitte tragen jedoch
erheblich zur Gesamtlänge
der Spulenwindungen und damit zu den Kupferverlusten der im Motor
verwendeten Spule bei. Sie erhöhen
ferner die Masse, den Innenwiderstand und die Induktivität der Spulenwicklungen
und verringern damit zum Teil die Vorteile, die eisenfreie Elektromotoren
gegenüber
Eisenmaschinen auszeichnen.
-
Ferner
weisen die bekannten Wicklungsprofile eisenloser Elektromotoren
einen geringen Kupferfüllfaktor
auf. Einerseits ist dies der Ausbildung der eingesetzten Spulen
aus mehrfach gewickelten lackierten Kupferdrähten geschuldet, die wegen
der Drahtgeometrie nur eine begrenzte Raumausnutzung gestatten.
Andererseits besitzen die gewickelten Spulen eine, einen Leeraum
umschließende
ringförmige
Grundstruktur, innerhalb derer keine zur Drehmomenterzeugung beitragende
Stromführung stattfinden
kann.
-
Ausgehend
von dem Beschriebenen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Wicklungsprofil für
einen eisenlosen Elektromotor anzugeben, das ein höheres Drehmoment
bei geringerer Verlustleistung des Motors ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
-
Die
Erfindung umfasst ein Wicklungsprofil für einen Elektromotor mit Stäben aus
einem elektrisch leitfähigem
Material, deren Längsachsen
im Wesentlichen auf einer Mantelfläche eines Kreiszylinders angeordnet
sind und die jeweils ein erstes Stabende an einer ersten Grundfläche des
Kreiszylinders und ein zweites Stabende an einer zweiten Grundfläche des Kreiszylinders
aufweisen, mit ersten Verbindungselementen zum galvanischen Verbinden
der Stäbe
an deren ersten Stabenden, und mit zweiten Verbindungselementen
zum galvanischen Verbinden der Stäbe an deren zweiten Stabenden.
Die ersten und zweiten Verbindungselemente sind hierbei so angeordnet,
dass die durch sie bewirkte Verbindung der Stabenden einen Wicklungsstrang
bestehend aus einer Reihenschaltung der Stäbe oder bestehend aus einer
Kombination aus Reihenschaltung und Parallelschaltung der Stäbe ergibt.
-
Die
Erfindung umfasst ferner einen Elektromotor mit einem entsprechenden
Wicklungsprofil und einer rohrförmigen
permanentmagnetischen Schicht, die um das Wicklungsprofil herum
angeordnet ist.
-
In
diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser
Beschreibung und den Ansprüchen
zur Aufzählung
von Merkmalen verwendeten Begriffe "umfassen", "aufweisen", "beinhalten" und "mit", sowie deren grammatikalische
Abwandlungen generell das Vorhandensein von Merkmalen, wie z.B.
Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen
mehr angeben, jedoch in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder
zusätzlicher
Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.
-
Die
Erfindung ermöglicht
den Bau von eisenlosen Elektromotoren mit hohem Drehmoment, da die
das Drehmoment erzeugenden Leiterelemente nahe am äußeren Umfang
des Elektromotors angeordnet sind. Da die Stromführung fast vollständig im Magnetfeld
durchsetzten Luftspalt stattfindet, sind die 'Kupferverluste' gegenüber herkömmlichen Ausführungsformen
eisenloser Motoren stark reduziert, wodurch die Verlustleistung
des Motors bei gleich bleibendem Drehmoment beträchtlich verringert ist.
-
Die
Erfindung wird in ihren abhängigen
Ansprüchen
weitergebildet.
-
Für eine einfach
zu realisierende Stromversorgung weist der Wicklungsstrang vorteilhaft
zumindest zwei Anschlüsse
zum Einspeisen eines elektrischen Stroms in den Wicklungsstrang
auf.
-
Zur
optimalen Nutzung des im Luftspalt eines eisenlosen Motors vorhandenen
Raums umfasst das Wicklungsprofil vorzugsweise zumindest zwei Wicklungsstränge, deren
Stäbe im
Wesentlichen auf derselben Mantelfläche des Kreiszylinders so angeordnet
sind, dass jeder Stab eines Wicklungsstrangs zwischen zwei Stäben eines
anderen oder zweier anderer Wicklungsstränge angeordnet ist.
-
Zur
unkomplizierten Anordnung mehrerer Wicklungsstränge in einem Wicklungsprofil
sind die ersten Verbindungselemente eines ersten Wicklungsstrangs
bevorzugt in einer ersten Schicht angeordnet und die ersten Verbindungselemente
eines weiteren Wicklungsstrangs bevorzugt in einer weiteren Schicht
angeordnet, wobei die erste Schicht hierbei einen von der zweiten
Schicht verschiedenen Raum einnimmt.
-
Für eine ineinander
verschachtelte Anordnung der Wicklungsstränge weisen die zweiten Verbindungselemente
eines Wicklungsstrangs zweckmäßig Öffnungen
auf, die so ausgebildet sind, dass sie die Durchführung von
Stäben
eines oder mehrerer anderer Wicklungsstränge ohne Kontaktbildung ermöglichen.
-
Zur
Ausbildung von Drehstrommotoren umfasst das Wicklungsprofil vorteilhaft
drei Wicklungsstränge.
Sollen die drei Wicklungsstränge
in Stern verschaltet werden, so ist entsprechend einer vorteilhaften
Weiterentwicklung jeweils einer der Anschlüsse eines jeden der drei Wicklungsstränge mit
den entsprechenden Anschlüssen
der jeweils anderen zwei Wicklungsstränge zu einem Sternpunkt zusammen
geführt.
-
Eine
Raum sparende Verbindung der Stäbe, die
dem Wicklungsprofil gleichzeitig eine gute mechanische Stabilität verleiht
und kostengünstig
mit geringem Aufwand zu realisieren ist wird vorteilhaft durch ein
Ausbilden der zweiten Verbindungselemente als metallische Schichtgeometrien
auf einer Leiterplatte erreicht.
-
In
einer zweckmäßigen Ausführungsform des
Wicklungsprofils werden die zweiten Verbindungselemente eines ersten
Wicklungsstrangs von metallischen Schichtgeometrien gebildet, die
innerhalb einer ersten Schicht einer mehrschichtigen Leiterplatte
angeordnet sind und die zweiten Verbindungselemente eines weiteren
Wicklungsstrangs von metallischen Schichtgeometrien gebildet werden,
die innerhalb einer weiteren, von der ersten Schicht isolierten
Schicht angeordnet sind. Hierdurch lassen sich die 'Verdrahtungen' der Stäbe eines Wicklungsstrangs
getrennt und isoliert von denen der anderen Wicklungsstränge einfach
in einer getrennten Verdrahtungsebene ausführen.
-
Da
der Magnetfeld durchsetzte Luftspalt eines Motors zum Erzeilen eines
hohen Drehmoments nach Gleichung (1) möglichst vollständig vom
Strom durchflossen werden muss, sollte der Luftspalt im Wesentlichen
vollständig
mit Strom führenden Stäben ausgefüllt sein.
Um Kurzschlüsse
zwischen den Stäben
zu vermeiden, ist zwischen den Stäben des Wicklungsprofils zweckmäßig ein
elektrisch isolierendes Material angeordnet.
-
Zur
optimalen Nutzung des zur Verfügung stehenden
Raums weisen die Stäbe
vorteilhaft einen ringsegmentförmigen
Querschnitt auf und sind so angeordnet, dass sie zusammen mit dem
zwischen ihnen angeordneten isolierenden Material einen geschlossenen
Ring bilden.
-
Damit
die Magnetfeldlinien optimal senkrecht zur Stromrichtung in den
Stäben
verlaufen, kann innerhalb des Wicklungsprofils vorteilhaft ein weiterer rohrförmiger oder
zylinderförmiger
permanentmagnetischer Körper
angeordnet sein.
-
Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Ansprüchen sowie
den Figuren. Die einzelnen Merkmale können bei einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung
je für
sich oder zu mehreren verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung
einiger Ausführungsbeispiele
der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen,
von denen
-
1 eine
schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines einzelnen Wicklungsstrangs
eines Wicklungsprofils in einer Projektionsansicht zeigt,
-
2 zwei
ineinander verschachtelte Wicklungsstränge von 1 in der
Projektionsansicht von 1 zeigt,
-
3 zwei
ineinander verschachtelte Wicklungsstränge von 1 in einer
weiteren Projektionsansicht zeigt und
-
4 den
schematischen Aufbau eines Stabläufermotors
mit einem Wicklungsprofil aus drei ineinander ver schachteln Wicklungssträngen von 1 in
einem sektorförmigen
Querschnittsdarstellung zeigt.
-
Die
perspektivische Darstellung der 1 zeigt
den Grundaufbau eines Ausführungsbeispiels für ein Wicklungsprofil
eines eisenfreien Elektromotors. Der gezeigte Wicklungsstrang 10 setzt
sich aus Stabwicklungen zusammen, die über den Umfang einer kreiszylinderförmigen Geometrie
verteilt angeordnet sind.
-
Eine
einzelne Stabwicklung des Wicklungsstrangs 10 setzt sich
aus zwei Wicklungsstäben
wie z.B. den Stäben 11 und 11' zusammen. Eine
Stab- bzw. Spulenwicklung besteht somit aus zwei Windungen, bzw.
einem Stabpaar. Die Stäbe
sind aus Vollmaterial gefertigt, sie enthalten daher insbesondere keine
Kupferlackdrähte
oder Ähnliches.
Als Stabmaterial wird bevorzugt Kupfer verwendet, da es eine hohe
Leitfähigkeit
bei guter Verarbeitbarkeit und nicht zu hohen Kosten aufweist.
-
Die
Verbindung zweier Stäbe 11 und 11' zu einer Stabwicklung
erfolgt über
ein erstes Verbindungselement 12. Das erste Verbindungselement 12 kann,
wie in der Darstellung der Figur nahe gelegt ist, als Einzelkörper ausgeführt sein.
Es kann hierzu aus Vollkupfer oder einem anderen geeigneten Material gestanzt
oder gegossen werden. Vorzugsweise wird die Gesamtheit der ersten
Verbindungselemente 12 jedoch auf einem Träger ausgebildet,
der die einzelnen ersten Verbindungselemente 12 in einem
mechanischen Verbund hält.
Als Träger
eignen sich z.B. Folien oder Formteile aus einem elektrisch isolierenden
Material, wie z.B. Polyimidfolien, Hartpapier oder Epoxydmaterialien,
die eventuell faserverstärkt
ausgeführt
sein können.
Der Träger
kann mit einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material
kaschiert sein, aus der die einzelnen ersten Verbindungselemente 12 dann
mittels eines geeigneten Verfahrens, z.B. einer Trocken- oder Nassätztechnik geformt
werden. Alternativ können
die Verbindungselemente 12 auch direkt auf den Träger aufgebracht werden,
beispielsweise unter Verwenden einer Klebetechnik, Stecktechnik oder
einer strukturierten Beschichtung, wie z.B. mittels eines maskierten
Aufdampf- oder Kathodenzerstäubungsprozesses.
-
Die
Verbindung der ersten Verbindungselemente 12 mit den ihnen
zugewandten ersten Stabenden der jeweiligen Stäbe 11 und 11' kann mittels
Löten,
Kleben, Schweißen
oder in Form einer Steckverbindung erfolgen. Bei einer Steckverbindung
sind die ersten Stabenden der Stäbe 11 und 11' so ausgebildet,
dass sie in komplementäre
ausgeführte
Strukturen an den ersten Verbindungselementen 12 geführt werden
können.
Die Verbindungsstrukturen an den Stabenden wie an den Verbindungselementen
sind dabei bevorzugt so ausgebildet, dass sie beim Zusammenführen einen
Formschluss oder Reibschluss ergeben. Soll die Verbindung in Form
einer Klebeverbindung ausgeführt
werden, so muss zum Verkleben der Stabenden mit den Verbindungselementen
ein geeigneter Leitkleber verwendet werden, damit der Stromfluß von einem
Stab 11 in einen anderen Stab 11' oder umgekehrt gewährleistet
ist.
-
Am
gegenüberliegenden
zweiten Ende sind die Stäbe 11 bzw. 11' jeweils über zweite
Verbindungselemente 13 mit anderen Stäben des Wicklungsstrangs 10 galvanisch,
d.h. elektrisch leitend verbunden. In dem Ausführungsbeispiel der 1 sind
die Stäbe
des Wicklungsstrangs 10 durch die ersten und zweiten Verbindungselemente
in Reihe geschaltet, indem die ersten Verbindungselemente 12 jeweils
zwei benachbarte Stabpaare 11, 11' zu einer Stabwicklung vereinen
und diese Stabwicklungen durch eine gegenüber den ersten Verbindungselementen
um einen Stab versetzte Anordnung der zweiten Verbindungselemente 13 in
Serie geschaltet werden. Diese Serienschaltung der einzelnen Stabwicklungen 11–12–11' stellt jedoch
nur ein Beispiel für
eine mögliche
Verbindung der Stäbe 11, 11' zu einem Wicklungsstrang
dar. Möglich
ist auch eine Parallelschaltung der Stabwicklungen oder eine Kombination
von Serien- und Parallelschaltung der Stabwicklungen. Da sich eine
Stabwicklung stets aus zwei in Serie geschalteten Stäben zusammensetzt,
werden die Stäbe
daher zur Realisierung eines Wicklungs strangs entweder alle in Reihe
geschaltet, oder zu einer Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung
verbunden.
-
Nicht
dargestellt sind in 1 die zur Stromversorgung des
Wicklungsstrangs 10 erforderlichen Anschlüsse. Diese
werden vorzugsweise elektrisch voneinander isoliert an einem speziell
ausgebildeten zweiten Verbindungselement 13 ausgeformt.
-
Die
zweiten Verbindungselemente 13 können analog zu den ersten Verbindungselementen
für eine
Löt-, Klebe-,
Schweiß-
oder Steckverbindung mit den zweiten Enden der Stäbe 11, 11' ausgeformt sein. Ähnlich den
ersten Verbindungselementen 12 können auch sie als Einzelkörper ausgebildet
sein. Vorzugsweise werden jedoch auch die zweiten Verbindungselemente
aus einem elektrisch leitfähigen Material
gefertigt, das auf einem Träger
aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht ist. Soll der Wicklungsstrang
in einem Glockenläufermotor
Verwendung finden, so werden die zweiten Verbindungselemente 13 bevorzugt
auf einer kreisförmig ausgebildeten
Leiterplatte in Form von metallischen Schichtgeometrien angeordnet.
Unter metallischer Schichtgeometrie werden hierbei strukturierte
Metallschichten verstanden, deren Geometrie der Form des jeweiligen
Verbindungselements entspricht. Ein Glockenläufermotor kann insbesondere
eine einseitige axiale Lagerung einer Spule aufweisen, so dass durch
Lagerung und Spule eine glockenförmige
Geometrie gebildet wird.
-
Die
ersten Verbindungselemente 12 und die zweiten Verbindungselemente 13 sind
ferner so ausgebildet, dass mehrere Wicklungsstränge 10 ineinander
verschränkt
werden können
um eine optimale Raumnutzung des Luftspalts eines Motors zu erzielen.
Zur Veranschaulichung der verschränkten Anordnung mehrerer Wicklungsstränge zu einem
Wicklungsprofil ist in den 2 und 3 jeweils
eine schematische Darstellung eines aus zwei Wicklungssträngen bestehenden
Wicklungsstrangs in unterschiedlicher Perspektive gezeigt.
-
Der
Wicklungsstrang 10 weist hierbei Stäbe 11 und 11', erste Verbindungselemente 12 und
zweite Verbindungselemente 13 auf. Analog umfasst der Wicklungsstrang 20 Stäbe 21 und 21', erste Verbindungselemente 22 und
zweite Verbindungselemente 23. Die ersten Verbindungselemente 12 des
Wicklungsstrangs 10 sind in der dargestellten Anordnung entlang
einer Kreislinie positioniert, deren Radius etwas größer ist
als der Radius der Kreislinie, entlang der die ersten Verbindungselemente 22 des
zweiten Wicklungsstrangs 20 angeordnet sind. Erste Verbindungselemente
weiterer Wicklungsstränge
sind entlang von weiteren Kreislinien angeordnet, deren Radien sich
von denen der jeweils anderen Kreislinien unterscheiden. Im Ergebnis
entsteht hierdurch eine ringförmige
Schichtanordnung der ersten Verbindungselemente, wobei den ersten
Verbindungselementen eines jeden Wicklungsstrangs jeweils eine eigene
Schicht in der ringförmigen
Schichtanordnung zugeordnet ist.
-
Indem
die Wicklungsstränge 10 und 20 um einen
bestimmten Winkel zueinander versetzt ineinander verschränkt werden,
passen die Stäbe 11 und 11' des Wicklungsstrangs 10 in
die zwischen den Stäben 21 und 21' bestehenden
Zwischenräume
des Wicklungsstrangs 20 und umgekehrt. Indem die Leeräume in den
Stabwicklungen des einen Wicklungsstrangs wie gezeigt von den Stäben eines
weiteren Wicklungsstrangs genutzt werden, wird ein höherer Kupferfüllfaktor
und vermittelt hierüber,
wie oben ausgeführt,
ein höheres
Drehmoment bei gleicher Baugröße des Elektromotors
erzielt.
-
Um
eine entsprechende Verschränkung mehrerer
Wicklungsstränge
zu ermöglichen,
ist eine besondere Ausbildung der zweiten Verbindungselemente 13 und 23 gefordert,
wenn diese wie dargestellt eine Ausdehnung in radialer Richtung
des Wicklungsprofils aufweisen.
-
Um
ein berührungsloses
Verschachteln zweier oder mehrerer Wicklungsstränge zu ermöglichen, weisen die zweiten
Verbindungselemente 13 und 23 eines jeden der
Wicklungsstränge
eine Öffnung 13a bzw. 23a auf,
durch die die Stäbe 21, 21' bzw. 11, 11' hindurchgeführt werden
können.
Die Abmessungen der Öffnung
sind dabei ausreichend groß gewählt, um
im Bereich des jeweiligen zweiten Verbindungselements befindliche
Stäbe nicht
zugehöriger
Wicklungsstränge
inklusive einer eventuell an diesen Stäben befindlichen Isolierung
so durch die Öffnung
hindurchzuführen,
dass keine elektrische Verbindung mit diesen Stäben ausgebildet wird. Einzig
die Windungsstäbe
des dem jeweiligen zweiten Verbindungselements zugehörigen Wicklungsstrangs
sind mit diesem galvanisch verbunden.
-
Zur
einfachen Herstellung eines Wicklungsprofils mit mehreren Wicklungssträngen können die zweiten
Verbindungselemente dieser Wicklungsstränge auf einer gemeinsamen Leiterplatte
ausgebildet werden. Die Leiterplatte ist hierzu zweckmäßig als
Mehrschichtleiterplatte ausgebildet, bei der sich die zweiten Verbindungselemente
enthaltenden Schichten mit isolierenden Schichten abwechseln. Vorzugsweise
sind die zweiten Verbindungselemente für einen bestimmten Wicklungsstrang
ausschließlich in
einer Schicht der Mehrschichtleiterplatte ausgebildet. So befinden
sich die zweiten Verbindungselemente eines jeden Wicklungsstrangs
jeweils auf einer eigenen Leiterplattenschicht, die von den Schichten
mit zweiten Verbindungselementen für andere Wicklungsstränge durch
Isolationsschichten getrennt ist.
-
Alternativ
können
die zweiten Verbindungselemente eines Wicklungsstrangs auf mehrere Schichten
der Mehrschichtleiterplatte verteilt angeordnet sein, wodurch sich
unterschiedliche Verdrahtungsmuster für einzelne Wicklungsstränge oder auch
der Wicklungsstränge
untereinander vorbereiten lassen. Eine gewünschte Verdrahtung bzw. Verschaltung
von Wicklungen und/oder Wicklungssträngen kann dann z.B. einfach
mittels Durchkontaktierungen hergestellt werden. Werden die Wicklungsstränge für unterschiedliche
Phasen verwendet, beispielsweise bei einem Drehstrom-Synchronmotor,
so sind die Wicklungsstränge
der einzelnen Phasen jedoch stets voneinander isoliert.
-
In
der Mehrschichtleiterplatte sind Öffnungen ausgebildet, die ein
einfaches Einstecken von Stäben 11, 11', 21 und 21' der Wicklungsstränge 10, 20 und
weiterer ermöglichen.
Insbesondere sind die die Öffnungen
so ausgebildet, dass eine elektrisch leitfähige Verbindung nur zwischen
Stäben
eines Wicklungsstrangs und den zu diesem Wicklungsstrang gehörigen zweiten
Verbindungselementen bewirkt wird. Stäbe eines Wicklungsstrangs die
durch ein zweites Verbindungselement eines anderen Wicklungsstrangs
geführt
werden, werden wie oben beschrieben durch die in diesem Verbindungselement ausgebildete Öffnung ohne
Ausbilden einer elektrischen Verbindung hindurch geführt.
-
4 zeigt
einen sektorförmigen
Querschnitt durch einen eisenlosen bzw. eisenfreien Elektromotor 40 mit
einem erfindungsgemäßen Wicklungsprofil.
Das Wicklungsprofil setzt sich aus 3 Wicklungssträngen 10, 20 und 30 mit
den jeweiligen Strangwindungen bzw. -stäben 11, 11', 21, 21' und 31, 31' zusammen.
-
Um
eine elektrische Isolierung zwischen den Stäben 11, 11', 21, 21' und 31, 31' der Wicklungsstränge zu gewährleisten,
sind zwischen den Stäben dünne Isolationsschichten 45 angeordnet.
Für eine gute
elektrische Isolation auch gegenüber
anderen Bauteilen des Elektromotors sind die Stäbe vorzugsweise auch an allen
ihren offenen Flächen
mit einem geeigneten elektrisch isolierenden und widerstandsfähigem Dünnschichtmaterial,
beispielsweise Parylene, überzogen
oder beschichtet. Die Isolationsschicht 45 ermöglicht eine
volle Nutzung des Luftspalts für
die stromführenden
Stäbe der
Wicklungsstränge.
Einzig der von der Isolation eingenommene Raum steht einem Stromfluss
und damit der Drehmomenterzeugung nicht zur Verfügung.
-
Zur
optimalen Nutzung des zur Verfügung stehenden
Raums können
die Stäbe 11, 11', 21, 21' und 31, 31' mit einem ringsegmentförmigen Querschnitt
ausgeführt
werden, so dass sie im montierten Zustand zusammen mit dem zwischen
ihnen angeordne ten isolierenden Material einen geschlossenen Ring
bilden, der den, von dem Magnetfeld durchsetzten Luftspalt praktisch
vollständig
ausfüllt.
-
In
der 4 ist ein Ausschnitt des Wicklungsprofils mit
einer vollständigen
dreiphasigen Wicklung mit jeweils 2 Windungen pro Pol gezeigt. Sollen
die Wicklungen in Sternschaltung verwendet werden, so weisen die
Wicklungen vorteilhaft einen gemeinsamen Anschluss auf, der z.B.
auf der Leiterplatte für
die Verbindungselemente ausgebildet ist. Alternativ können die
entsprechenden Anschlüsse der
einzelnen Wicklungsstränge
auf der Leiterplatte, beispielsweise mittels Durchkontaktierung
oder geeigneter 'Verdrahtung', zusammengeführt werden. Um
den Außenumfang
des Wicklungsprofils ist ein Permanentmagnet 41 angeordnet,
dessen magnetisches Feld im Wesentlichen radial zur Rotationssymmetrieachse
des Wicklungsprofils verläuft.
Damit die Magnetfeldlinien optimal senkrecht zur Stromrichtung in
den Stäben 11, 11', 21, 21' und 31, 31' verlaufen,
kann am Innenradius des Wicklungsprofils ein weiterer, ringförmiger Permanentmagnet 42 angeordnet
sein.
-
Der
Motor wird vorteilhaft von einem Gehäuse 43 nach außen hin
abgeschlossen. Eine Ausführung
des Gehäuses
aus Weicheisen ermöglicht
die Abschirmung des Magnetfeldes nach außen und bildet gleichzeitig
den magnetischen Rückschluss
für Elemente
des Magneten 41. Zur Lagerung der Permanentmagnete 41 und 42 dient
das Lager 44.
-
Auch
wenn die Erfindung unter Bezug auf einige konkrete Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere
ist die Anzahl der in einem Wicklungsprofil verwendeten Wicklungsstränge nicht auf
eine bestimmte Anzahl beschränkt.
Auch kann ein erfindungsgemäßer Wicklungsstrang
bei anderen als dem beschriebenen Drehstrom-Synchronmotor verwendet
werden und ist insbesondere auch bei Generatoren unterschiedlicher
Bauart anwend bar. Insbesondere kommen hier auch Linearantriebe – sowohl
synchrone als auch asynchrone – in
Betracht.
-
- 10
- Wicklungsstrang
eins
- 11,
11'
- Stäbe, Windungen
von Wicklungsstrang eins
- 12
- erstes
Verbindungselement Wicklungsstrang eins
- 13
- zweites
Verbindungselement Wicklungsstrang eins
- 13a
- Öffnung in
zweitem Verbindungselement Wicklungsstrang eins
- 20
- Wicklungsstrang
zwei
- 21,
21'
- Stäbe, Windungen
von Wicklungsstrang zwei
- 22
- erstes
Verbindungselement Wicklungsstrang zwei
- 23
- zweites
Verbindungselement Wicklungsstrang zwei
- 23a
- Öffnung in
zweitem Verbindungselement Wicklungsstrang zwei
- 31,
31'
- Stäbe, Windungen
von Wicklungsstrang drei
- 40
- Elektromotor
- 41
- äußerer Permanentmagnet
- 42
- innerer
Permanentmagnet
- 43
- Gehäuse
- 44
- Lager
- 45
- Isolation