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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Läufer einer elektrischen Maschine,
wobei der Läufer eine
Anzahl von Polen aufweist, die gleichmäßig um eine Läuferachse
herum verteilt angeordnet sind, wobei jeder Pol einen Polschaft
aufweist, auf den eine jeweilige Läuferwicklung gewickelt ist,
wobei die jeweilige Läuferwicklung
axial beidseitig über
den jeweiligen Polschaft übersteht.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine
mit einem Ständergehäuse, in
dem ein Ständer
befestigt ist, und einem Läufer,
der im Ständergehäuse um die
Läuferachse
drehbar gelagert ist, wobei der Läufer mit dem Ständer elektromagnetisch
zusammenwirkt.
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Soweit
vorstehend der Begriff „axial" verwendet wurde
und auch soweit dieser Begriff nachfolgend verwendet wird, bezieht
er sich stets auf die Läuferachse.
Der Begriff „axial" bedeutet eine Richtung
parallel zur Läuferachse.
Soweit nachfolgend die Begriffe „radial" und „tangential" verwendet werden,
beziehen sie sich ebenfalls auf die Läuferachse. Der Begriff „radial" bedeutet eine Richtung
orthogonal zur Läuferachse,
nämlich
auf die Läuferachse
zu bzw. von der Läuferachse
weg. Der Begriff „tangential" bedeutet eine Richtung
orthogonal zur Läuferachse
und orthogonal zur Radialrichtung, also eine Richtung um die Läuferachse
herum.
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Läufer und
elektrische Maschinen der obenstehend beschriebenen Art sind allgemein
bekannt.
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Bei
Läufern
von elektrischen Maschinen, bei denen auf die Polschäfte des
Läufers
Wicklungen gewickelt sind, müssen
die Läuferwicklungen
radial gesichert werden. Im Bereich der Polschäfte geschieht dies dadurch,
dass die Polschäfte
radial außen
Polschuhe aufweisen, die Polschäfte
also orthogonal zur Läuferachse
gesehen im Wesentlichen einen T-förmigen Querschnitt aufweisen.
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Die
Läuferwicklungen
müssen
jedoch auch in den Bereichen, in denen sie über den jeweiligen Polschaft überstehen,
radial gesichert werden. Im Stand der Technik erfolgt dieses Sichern
mittels sogenannter Polbalken, welche im Polschuhbereich den gesamten
Polschaft axial durchlaufen und axial beidseits über den jeweiligen Polschaft überstehen. Sie übergreifen
die jeweilige Läuferwicklung
radial außen.
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Die
Polbalken werden in Radialrichtung lediglich durch die Polschäfte als
solche (bzw. konkret durch die Polschuhe) gehalten. Aus diesem Grund müssen die
Polschuhe in Radialrichtung gesehen eine relativ große Dicke
aufweisen. Weiterhin beeinflussen die Polbalken den magnetischen
Fluss in der elektrischen Maschine negativ.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Läufer der
eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Nachteile
des Standes der Technik vermieden werden können.
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Die
Aufgabe wird, ausgehend von einem Läufer der eingangs genannten
Art, dadurch gelöst,
- – dass
der Läufer
für jede
Läuferwicklung
eine Halteeinrichtung aufweist, welche die jeweilige Läuferwicklung
in den Bereichen, in denen die jeweilige Läuferwicklung axial über den
jeweiligen Polschaft übersteht,
radial außen übergreift,
und
- – dass
der Läufer
zwei Verbindungselemente aufweist, die mit den Halteeinrichtungen
an deren axialen Enden derart zusammenwirken, dass die Verbindungselemente
Fliehkräfte
aufnehmen, die bei Drehung des Läufers
um die Läuferachse
auf die Halteeinrichtungen einwirken.
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Hiermit
korrespondierend wird die Aufgabe für eine elektrische Maschine
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Läufer wie
obenstehend beschrieben ausgebildet ist.
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Auf
Grund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Läufers
werden auftretende Fliehkräfte axial
außen
von den Verbindungselementen aufgenommen. Die von den Polschäften aufzunehmenden Kräfte sind
daher erheblich reduziert. Insbesondere müssen die Polschäfte nur
noch in äußerst geringem Umfang
Biegebeanspruchungen aufnehmen. Die Polschuhe können daher mit einer niedrigeren
Bauhöhe
realisiert werden als im Stand der Technik.
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Es
ist denkbar, dass die Halteeinrichtungen (wie im Stand der Technik
auch) axial durchgehend ausgebildet sind; sich also in Axialrichtung
gesehen von Verbindungselement zu Verbindungselement erstrecken.
In aller Regel weist jede Halteeinrichtung jedoch zwei Halteelemente
auf. In diesem Fall erstrecken die Halteelemente sich jeweils von
einem der Verbindungselemente zum jeweiligen Polschaft und sind
mit dem jeweiligen Polschaft verbunden.
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Die
Halteelemente können
beispielsweise mit den Verbindungselementen und/oder den Polschäften lösbar verbunden
sein, beispielsweise verschraubt. Es ist sogar möglich, dass die Verbindung mit
den Verbindungselementen und den Polschäften durch einheitliche Elemente
erfolgt, beispielsweise durch durchgehende Bolzen, die sich von
den Verbindungselementen bis zu den Polschäften erstrecken. In der Regel
jedoch sind die Halteelemente mit den Polschäften oder den Verbindungselementen
unlösbar
verbunden.
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Wenn
die Halteelemente mit den Polschäften unlösbar verbunden
sind, wirken sie mit den Verbindungselementen anderweitig zusammen.
Beispielsweise können
die Halteelemente mit den Polschäften verschweißt und mit
den Verbindungselementen verschraubt sein.
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Alternativ
können
die Halteelemente mit den Polschäften
lösbar
und mit den Verbindungselementen unlösbar verbunden sein. Beispielsweise
können die
Verbindungselemente und die Halteelemente einstückig ausgebildet sein und die
Halteelemente mit den Polschäften
verschraubt sein.
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Es
ist möglich,
dass die Verbindungselemente als ringförmige Flansche ausgebildet
sind. Alternativ können
die Verbindungselemente jeweils ein ringförmiges Zentralelement aufweisen,
von dem sich Speichen nach radial außen erstrecken, und die Speichen
radial außen
mit den Polschäften
verbunden sein.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der letztgenannten Varianten liegen
die Verbindungselemente radial an einer Läuferwelle des Läufers an,
auf der die Polschäfte
drehfest angeordnet sind.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist an den Verbindungselementen
radial außen
mindestens eine Auswuchtmasse befestigt. Diese Ausgestaltung ermöglicht es,
auf einfache und effektive Weise den Läufer auszuwuchten (auszutarieren).
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Bevorzugt
bestehen die Halteeinrichtung und/oder die Verbindungselemente aus
einem unmagnetischen Material. Durch diese Ausgestaltung kann der
Einfluss der Halteeinrichtung und der Verbindungselemente auf das
Zusammenwirken von Läufer
und Ständer
reduziert werden. Beispiele geeigneter unmagnetischer Materialien
sind insbesondere nichtmagnetisierbare Stähle.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
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1 in
groben Zügen
den Aufbau einer elektrischen Maschine,
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2 einen
Schnitt durch einen Läufer
der elektrischen Maschine von 1,
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3 einen
weiteren Schnitt durch den Läufer
von 2,
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4 und 5 mögliche Ausgestaltungen von
Verbindungselementen und
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6 und 7 eine
bevorzugte Ausgestaltung eines Halteelements und eines Verbindungselements.
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Gemäß 1 weist
eine elektrische Maschine ein Ständergehäuse 1 auf.
Im Ständergehäuse 1 ist
ein Ständer 2 befestigt.
Die elektrische Maschine weist weiterhin einen Läufer 3 auf. Der Läufer 3 ist mittels
Lager 4 im Ständergehäuse 1 derart
gelagert, dass er um eine Läuferachse 5 drehbar
ist. Der Läufer 3 und
der Ständer 2 wirken
elektromagnetisch zusammen.
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Gemäß 2 weist
der Läufer 3 eine
Anzahl von Polen 6 auf. Die Pole 6 sind gleichmäßig um die Läuferachse 5 herum
verteilt angeordnet. Jeder Pol 6 weist einen Polschaft 7 auf.
Auf jeden Polschaft 7 ist eine Läuferwicklung 8 gewickelt.
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Gemäß 3 stehen
die Läuferwicklungen 8 axial
beidseitig über
die Polschäfte 7 über. 3 zeigt
dies hierbei nur für
eine einzige der Läuferwicklungen 8.
Die Pole 6 (einschließlich
der Polschäfte 7 und
der Läuferwicklungen 8)
sind jedoch alle gleich aufgebaut, so dass die entsprechenden Ausführungen
für alle
Pole 6 gelten.
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Gemäß 2 weisen
die Polschäfte 7 vorzugsweise
radial außen
Polschuhe 9 auf, so dass die Polschäfte 7 in einer Schnittebene
senkrecht zur Läuferachse 5 gesehen
einen im Wesentlichen T-förmigen
Querschnitt aufweisen. Mittels der Polschuhe 9 wird nicht
nur das elektromagnetische Zusammenwirken zwischen Läufer 3 und
Ständer 2 optimiert, sondern
darüber
hinaus auch die Läuferwicklungen 8 nach
radial außen
hin gesichert.
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In
den Bereichen, in denen die Läuferwicklungen 8 axial über die
Polschäfte 7 überstehen, weist
der Läufer 3 für jede Läuferwicklung 8 jeweils eine
Halteeinrichtung 10 auf. Die je weilige Halteeinrichtung 10 übergreift
die jeweilige Läuferwicklung 8 in
den Bereichen, in denen die jeweilige Läuferwicklung 8 axial über den
jeweiligen Polschaft 7 übersteht,
radial außen.
Bevorzugt weist jede Halteeinrichtung 10 hierbei zwei Halteelemente 10', 10'' auf, die sich jeweils von dem
jeweiligen Polschaft 7 axial weg erstrecken.
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Die
Halteelemente 10', 10'' wirken an ihren axial äußeren Enden
(also den von den Polschäften 7 abgewandten
Enden) mit Verbindungselementen 11', 11'' zusammen.
Beispielsweise können
die Halteelemente 10', 10'' an ihren axial äußeren Enden
mit den Verbindungselementen 11', 11'' verbunden
sein. Die Verbindungselemente 11', 11'' sind
daher in der Lage, Fliehkräfte
F aufzunehmen, die bei Drehung des Läufers 3 um die Läuferachse 5 auf
die Halteelemente 10', 10'' einwirken. Beispielsweise können die Verbindungselemente 11', 11'' zu diesem Zweck entsprechend 4 als
ringförmige
Flansche ausgebildet sein. Alternativ können die Verbindungselemente 11', 11'' entsprechend 5 jeweils
ein ringförmiges Zentralelement 12 (Nabe 12)
aufweisen, von dem sich Speichen 13 nach radial außen erstrecken.
In diesem Fall wirken die Speichen 13 radial außen mit der
Halteeinrichtung 10 (bzw. den Halteelementen 10', 10'') zusammen.
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Die
Halteeinrichtung 10 kann sich von dem einen Verbindungselement 11' bis zum anderen
Verbindungselement 11'' erstrecken.
In aller Regel erfolgt jedoch die in 3 dargestellte
Aufteilung in zwei Halteelemente 10', 10''.
In diesem Fall erstrecken sich die Halteelemente 10', 10'' jeweils von einem der Verbindungselemente 11', 11'' zum jeweiligen Polschaft 7.
Sie sind in diesem Fall mit dem jeweiligen Polschäfte 7 und
vorzugsweise auch dem jeweiligen Verbindungselement 11', 11'' verbunden.
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In
der Regel sind die Halteelemente 10', 10'' und
die Verbindungselemente 11', 11'' auf beiden Seiten der Polschäfte 7 gleich
ausgebildet. In 3 sind jedoch zwei verschiedene Ausgestaltungen
dargestellt, um in einer einzigen FIG zwei Ausgestaltungen erläutern zu
können.
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Gemäß der Darstellung
auf der linken Seite von 3 sind die Halteelemente 10' mit den Polschäften 7 lösbar verbunden.
Mit den Verbindungselementen 11' hingegen sind sie unlösbar verbunden. Beispielsweise
kann das entsprechende Verbindungselement 11' mit den Halteelementen 10' einstückig verbunden
sein. Mit den Polschäften 7 kann
es über
angedeutete Gewindebolzen 14 verschraubt sein.
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In
der Darstellung auf der rechten Seite von 3 sind die
Halteelemente 10'' mit den Polschäften 7 unlösbar verbunden.
Insbesondere können
sie mit den Polschäften 7 verschweißt sein.
Dies ist durch entsprechende Schweißnähte 15 angedeutet. Mit
dem jeweiligen Verbindungselement 11'' hingegen
wirken die Halteelemente 10'' anderweitig
zusammen. Insbesondere können
die Halteelemente 10'' mit dem Verbindungselement 11'' lösbar verbunden sein.
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In
der Regel erfolgt auch bei der Ausgestaltung gemäß der rechten Seite von 3 die
Verbindung über
Gewindebolzen 16. Wenn das Verbindungselement 11'' axial fixiert ist, kann es hingegen ausreichen,
wenn das Verbindungselement 11'' nur kraftschlüssig mit
den Halteelementen 10'' verbunden ist,
beispielsweise das Verbindungselement 11'' die
Halteelemente 10'' radial außen übergreift
(siehe 7) und die Halteelemente 10'' radial am Verbindungselement 11'' anliegen (siehe ebenfalls 7).
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In
der Regel weist der Läufer 3 eine
Läuferwelle 17 auf.
Auf der Läuferwelle 17 sind
die Polschäfte 7 drehfest
angeordnet. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Verbindungselemente 11', 11'' von 5 liegen
die Verbindungselemente 11', 11'' radial an der Läuferwelle 17 an.
Dies ist beispielsweise aus 7 ersichtlich.
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Die
Halteelemente 10', 10'' (bzw. allgemeiner die Halteeinrichtung 10)
und die Verbindungselemente 11', 11'' bestehen
vorzugsweise aus unmagnetischen (diamagnetischen) Materialien. Beispiele geeigneter
Materialien wurden obenstehend bereits erwähnt.
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An
den Verbindungselementen 11', 11'' kann radial außen – soweit erforderlich – mindestens
eine Auswuchtmasse 18 befestigt sein. Auf diese Weise kann
der Läufer 3 wirksam
austariert werden.
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In
den 6 und 7 ist eine konkrete, bevorzugte
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
Gemäß den 6 und 7 weisen
die Verbindungselemente 11', 11'' ein in Radialrichtung gesehen
relativ dünnes
Zentralelement 12 auf, von dem pro Pol 6 zwei
Speichen 13 abgehen. Die Speichen 13 des jeweiligen
Pols 6 sind über
ein Querelement 19 miteinander verbunden. Das Querelement 19 ist
hierbei radial außen
angeordnet und erstreckt sich in Tangentialrichtung gesehen über die
jeweiligen Speichen 13 hinaus. Die jeweilige Einheit von
Speichen 13 und Querelement 19 weist somit das
Aussehen des griechischen Buchstaben Π auf.
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Gemäß 7 sind
die Halteelemente 10', 10'' mit den Polschäften 7 verschweißt. Mit
den Verbindungselementen 11', 11'' sind sie über die Gewindebolzen 16 verschraubt.
Zusätzlich übergreifen
die Verbindungselemente 11', 11'' die Halteelemente 10', 10'' radial außen.
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Die
vorliegende Erfindung weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Insbesondere
wird der magnetische Fluss in der elektrischen Maschine nur in äußerst geringem
Umfang gestört,
da die Halteelemente 10', 10'' sich nur im Stirnseitenbereich
der Polschäfte 7 befinden.
Weiterhin können
die Polschuhe 9 in Radialrichtung gesehen eine relativ
kleine Höhe aufweisen.
Die elektrische Maschine kann somit insgesamt bei gleicher Leistung
kompakter realisiert werden als im Stand der Tech nik. Auch die Halteelemente 10', 10'' können kleiner dimensioniert
werden, als dies im Stand der Technik möglich ist.
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Die
obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung
der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
soll hingegen ausschließlich
durch die beigefügten
Ansprüche bestimmt
sein.