DE102007004359A1

DE102007004359A1 - Kunststoff-Elektromotor

Info

Publication number: DE102007004359A1
Application number: DE200710004359
Authority: DE
Inventors: Peter Ortloff
Original assignee: ORTLOFF HELENE
Current assignee: ORTLOFF HELENE
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2008-07-31
Also published as: DE102008032112A1; WO2008092630A2; EP2115856A2; WO2008092630A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kunststoffmotor mit einem Spritzguß-Stator mit Wicklungen und einem Spritzguß-Rotor aus Magnetcompound. Der Stator und der Rotor bilden eine Konstruktionseinheit. Der Motor ist eisenlos. Die Magnetfeldbildung ist der Bauweise angepaßt. Der Motor kann wahlweise ohne Sensorik mit Kommutierung oder aber auch mit Sensorik und damit als Präzisionspositionierung betrieben werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen bürstenlosen Gleichstrommotor und insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit Permanentmagnet-Elementen, die sich auf einem Rotor befinden.
Technisches Gebiet
Die Erfindung beschreibt einen Kunststoffmotor mit hohem Wirkungsgrad und hoher Effizienz. Die beiden Grundbestandteile sind ein doppelter Magnetring als Rotor und einen Stator mit umspritzten Spulen.
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung bestehen in, der Herstellung von eisenlosen Motoren in Kunststoffspritzgusstechnik.
Die Verwendung einer eisenfreien Wicklung aus Kupferblech bewirkt eine Verbesserung des Wirkungsgrades und erhöht den Kupferfüllgrad der Wicklung.
Problemstellung
Die Aufgabe war einen preisgünstigen Motor mit hohem Wirkungsgrad zu entwickeln. Schwerpunkt der Entwicklungsaufgabe war es den Fertigungsprozess zu vereinfachen.
Stand der Technik
Technischer Hintergrund
Die ersten Anwendungen des eisenlosen Motors lieferte Michael Faraday (1791–1867), der bedeutendste Experimentalphysiker des 19ten Jahrhunderts. Obwohl die eisenlosen Maschinen zuverlässig und mit hoher Leistung funktionierten und den eisenbehafteten Motoren und Generatoren in nichts nachstanden, hatte sich die damalige Fachwelt in zwei unterschiedlich große Lager aufgeteilt. In den 80iger Jahren des 19ten Jahrhunderts wurden sehr viele Wicklungsvorschläge für neue Wicklungen für die drei bekannten Prinzipien Ring-, Trommel- und Scheibenwicklungen zum Patent angemeldet.
1887 wurde in den USA von Nikola Tesla der erste technisch reife Drehfeldmotor entwickelt, der bei einer Leistung von 7,5 kW 380 kg wog.
Grundlagen
Das Eisen verstärkt das Magnetfeld nicht in dem Sinne, dass es dem Feld der Spule ein eigenes Feld hinzufügt, sondern es verkürzt nur den verlustreicheren Weg der Feldlinien durch die Luft.
Die magnetischen Feldlinien sind reale Energielinien, die beim Verlauf in der Luft stark an Energie verlieren, je weiter sie sich von der Quelle entfernen.
Eisen hat die Eigenschaft den Energiefluss auf diesen Energiebahnen wesentlich besser zu leiten, als das Medium Luft.
Paradox scheint allerdings dabei, dass Luftspulenmaschinen nicht das vielfache Volumen oder den vielfachen Durchmesser einer Eisenmaschine gleicher Leistung besitzt. Das Gegenteil ist sogar der Fall, denn bei optimaler technischen Umsetzung der Essenz der Energieumwandlung sind Luftspulenmaschinen kleiner als Eisenmaschinen.
Der Grund dafür ist, dass Luftspulenmaschinen eine höhere Effizienz haben, die z. B. in einer kleinen Bauform und in einem hohen Wirkungsgrad sichtbar wird.
Patentsituation
Im Bereich der eisenlosen Motoren und Generatoren gibt es wenige Patente einige Beispiele sind die Patente DE 103 51 815 und DE 103 35 688 diese Patente beschäftigen sich mit eisenlosen Motoren und Generatoren.
Für Bürstenlose Motoren gibt es eine Vielzahl an Patenten, insbesondere im Bereich von Kleinmotoren, sind bürstenlose Elektromotoren beispielsweise aus US 3 988 654 und DE 10 2005 013 674 A1 bekannt, sie lassen sich in einem Regelkreis betreiben. Zur Regelung der Motoren wird daher eine Information über die Rotorlage benötigt. Diese Information läßt sich durch eine Messung des Stromes oder durch eine Lagesensorik, bekannt sind Hallsensoren siehe DE 32 00 664 oder US 3 988 654 darstellen.
Entwicklungsaufgabe
Der Mangel der vorhanden Entwicklungen war die geringe mechanische Stabilität der Ständerspulen.
Es war deshalb in Vordergrund die Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und einfache Produktion der Schwerpunkt der Entwicklung.
Die Erfindung betrifft deshalb zunächst, nahezu alle mechanisch und elektronisch kommutierten Gleichstrommaschinen, sowie die synchronen Wechselstrom- und Drehstrommaschinen mit all ihren Ausgestaltungen und Wicklungsformen für linear und rotierende Motoren und Generatoren.
Ausführung der Erfindung
Die Verbesserung besteht darin dass kein Eisen relativ gegenüber magnetischen Polen bewegt wird, damit gibt es keine Eisenverluste durch Umpolung. Desweitern bewirkt dieser Aufbau die Optimierung des Spulenausnutzungsgrades, der in dem Verhältnis der wirksamen Länge gegenüber der Gesamtleiterlänge einer Windung eine deutliche Verbesserung bewirkt.
Eisenlose Motoren und Generatoren als Ringläufer haben hohe Wirkungsgrade zwischen 80 und 90% bei kleinen und mittleren Leistungen. Der Wirkungsgrad wird hier nur noch durch mechanische Verluste, wie Luftreibung, Lagerreibung und elektrische wie Kupferverluste, ohmsche Verluste, induktive Verluste, Wirbelstromverluste in der Wicklung und ggf. weitere Kommutierungsverluste gemindert.
Das Prinzip des eisenlosen Motors ist die optimale technische Umsetzung der direkten Energieumwandlung zwischen freien Leitern und Magnetfeld und beinhaltet die Optimierung des Zusammenspiels aller Vektoren B, I, v, was bedeutet, daß das Leitungskupfer optimal ins reale Feld gelegt wird, wobei auf Eisen, welches ständig umgepolt werden würde, verzichtet wird.
Der Spulenausnutzungsgrad stellt, neben der Verwendung von eisenfreien Luftspulen und der Nutzbarmachung hoher Umfangsgeschwindigkeiten, das entscheidende Kriterium als Maß zur Verbesserung der elektrischen Maschinen dar.
Alle diese Verluste werden durch die Steigerung des Spulenausnutzungsgrades, gegenüber einer herkömmlichen Wicklung gleicher geometrischer Abmessungen, durch das neue Maschinenkonzept gemindert, was insgesamt nicht nur zu einer erheblichen Verbesserung des Wirkungsgrades führt, sondern aller entscheidenden Maschineneigenschaften führt.
dem die Wickelköpfe oder unwirksamen Leiter der Spule in Maschinenbereiche verlegt werden, in denen sie weniger störend wirken als im hochenergetischen Umfangsbereich, so dass deren Platz von wirksamen Leitern eingenommen werden kann (d. h. Berücksichtigung des energetischen Zustandes des Ortes innerhalb einer Maschine), Dies wird durch das einspritzen der Kupferwicklung, im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, erreicht, wobei die Spule möglichst im Luftspalt verläuft.
Ausführungsbeispiel
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, die nur beispielhaft angegeben werden und somit die Offenbarung nicht beschränken sollen.
Zeichnung 1 zeigt einen bürstenlosen Gleichstrommotor der folgende Elemente besitzt:
(1) zwei gespritzte Magnetringe mit Magnetpolen die starr miteinander verbunden sind. Punkt (2) für höhere Leistungen ist zur Stabilisierung ein Außen- und ein Innenring vorgesehen, der auch die Funktion des magnetischen Rückschlusses übernehmen kann, Punkt (3) stellt den Stator mit den eingespritzen Spulen dar, Punkt (4) der Luftspalt sollte möglichst klein sein da dies den Wirkungsgrad negativ beeinflußt.
Zeichnung 2 zeigt eine der möglichen Ausführungsformen des bürstenlosen Gleichstrommotors als Schnittzeichnung, mit (1) als Befestigungsmöglichkeit, (2) als mögliche mechanischer Träger für die Magnete. Dieser Teil kann in einem zwei Komponenten Spritzguß auch hergestellt werden. (3) Magnetringe mit z. B. 4 Magnetpolen bei 6 Wicklungen. Der Motor ist ein Hohlwellenmotor und der (4) Bauraum ist zum Einbau eines Getriebes oder einer Welle vorhanden.
Zeichnung 3 zeigt den Grundaufbau des (3) Stators mit den einzelnen (2) Wicklungen. Punkt (1) zeigt ein Ausschnittsdetail aus der Wicklungsform. Die Verschaltung der Spulen ist in Sternschaltung wobei der Sternpunkt herausgeführt ist. Punkt (4) zeigt die Seitenansicht mit stilisierten Wicklungen in Sternschaltung. Die Wicklungen sind (5)U, (6)V, (7)W, und (8) Sternpunkt.
Zeichnung 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform der gestanzten (1) Wicklung mit der (2) Falzstelle und der durch Löten, Ultraschallschweißung, pressen und andre Verfahren zu verbindenden inneren (3) Wicklungsende.
Zeichnung 5 zeigt das Blockschaltbild mit dem μC(1) dem Leistungstreiber (2) dem Motor oder Generator (3). Die Auswertung der Position wird in sensorlosen Systemen durch das Messinterface (4) ermittelt. Die Wicklungen sind (6) U – V – W und (5) der Sternpunkt. Die Steuerung des Motors wird über eine (7) Schnittstelle sichergestellt. Als Option kann ein zusätzliches (8) Hellsystem die Positioniergenauigkeit verbessern.
Zeichnung 6 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Motors mit 4 Magnetringen zum Zweck der Erhöhung des Drehmomentes. Beschreibung siehe [0022].
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10351815 [0013]
- DE 10335688 [0013]
- US 3988654 [0014, 0014]
- DE 102005013674 A1 [0014]
- DE 3200664 [0014]

Claims

Kunststoffmotor mit einem Spritzguß-Stator als Basiseinheit mit einem Rotor aus Magnetcompound, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator und der Rotor ohne Eisen eine Konstruktionseinheit bilden, die wahlweise ohne Sensorik mit Kommutierung, oder aber auch mit Sensorik und damit als Präzisionspositionierung betrieben werden kann.
nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator aus einer gestanzten und gefaltete Wicklung aus Kupferblech besteht. Diese ist mit einem Kunststoff zur Stabilisierung um spritzt.
nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus einem gespritzten Magnetcompound besteht in das durch Magnetisierung die Pole eingebracht werden.
nach Patentanspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb aus 2 oder mehr miteinander verbundenen Rotorringen mit Magnetpolen besteht, die durch ihren Aufbau eine besonders große aktive Magnetfläche haben.
nach Patentanspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator mit einem wärmeleitenden Kunststoff gespritzt wird.
nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mit gestanzten Wicklungen siehe Zeichnung 4 gespritzt wird.
nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sternpunkt zur Messung der Position verwendet wird.
nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stromdurchfloßenen Wicklungen unterschiedliche Spannungsabfälle erzeugen je nach Position zu den Magneten und dieses Signal ausgewertet wird.
nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen und Ströme in den Wicklungen die durch die 4 Meßeingänge gemessen werden mit Hilfe einer „Hashtable" zum Optimieren des Motorlaufs genutzt werden.
Nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom- und Spannungsvektoren durch den DSP (Digitaler Signal Prozessor) sich selbst optimieren.