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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit Klauenpolstator
gemäß dem Oberbegriff von
Patentanspruch 1. Eine solche Maschine ist beispielsweise in der
US 2002/0005670 A1 beschrieben.
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Bekannte
elektrische Maschinen mit Klauenpolstator umfassen ein erstes und
ein zweites Klauenpolblech, die jeweils ein Joch und Polklauen aufweisen,
wobei die Klauenpolbleche koaxial zueinander angeordnet sind und
sich so gegenüberliegen, daß die Polklauen
einander zugewandt sind und einen Raum zum Aufnehmen einer Spule
definieren. Eine zylindrische Spule ist koaxial zwischen den gegenüberliegenden
Klauenpolblechen angeordnet und wirkt mit den Polklauen zusammen.
Ein Rotor ist koaxial innerhalb der Polklauen angeordnet, so daß die Polklauen
zwischen der Spule und dem Rotor zu liegen kommen.
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Klauenpolmaschinen
eignen sich zum Aufbauen von einphasigen permanentmagnetischen Synchronmaschinen
und Schrittmotoren, die einfach und kostengünstig herstellbar sind. Die
Klauenpolbleche können
aus einem einfachen Blechmaterial hergestellt werden, wobei die
Polklauen durch Stanzen und Biegen aus dem Blechmaterial herausgeformt
werden. Eine vorgefertigte Spule kann einfach in den durch die Polklauen
definierten Raum eingelegt werden.
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Einphasige
Maschinen haben einen einfachen Aufbau und eine einfache Ansteuerung
und sind häufig
so ausgelegt, daß sie
nur mit einer Drehrichtung betrieben werden. Eingesetzt werden solche Maschinen
beispielsweise in Servoantrieben, Pumpen und Ventilatoren, in denen
keine großen
Drehmomente und Kräfte übertragen
werden müssen
und auch keine besonderen Anforderungen an eine genaue Drehzahlregelung
gestellt werden. Die relativ kostengünstigen Einstrang-Maschinen
benötigen keine
aufwendige Wickeltechnik und können
mit einer kostengünstigen,
zum Beispiel aus einer H-Brückenschaltung
bestehenden Kommutierungselektronik realisiert werden. Sie können darüber hinaus
sogar an Wechselstrom quellen ohne zusätzliche Kommutierung betrieben
werden. Eine einphasige Statorwicklung erzeugt anstelle eines Drehfeldes
ein pulsierendes Feld, so daß bei
bestimmten Rotorpositionen der Motor kein Drehmoment erzeugt. Wenn
die Maschinen einsträngig
aufgebaut sind, d. h. der Stator der Maschine ist mit nur einem
Wicklungsstrang ausgeführt,
ist es daher notwendig, besondere Vorkehrungen für den Anlauf der Maschine zu
treffen. In zweisträngigen
Maschinen sind die Klauenpole und Spulen derart angeordnet, dass
die Motoren einwandfrei starten können. Es ist auch bekannt bei
nur einphasigen Motoren eine Klaue zu entfernen oder wegzulassen,
um ein asymmetrisches Feld zu erzeugen und somit den Anlauf zu garantieren.
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Durch
das Weglassen einer Klaue verringert sich jedoch das Drehmoment
und somit der Wirkungsgrad deutlich, weil eine Klaue weniger zur Drehmomentbildung
zur Verfügung
steht. Bei einer niedrigen Gesamtzahl der Klauen (z. B. sechs) führt der
Wegfall einer Klaue zu einem verhältnismäßig großen Drehmomentverlust. Ein
weiterer Nachteil dieser Methode ist, daß die Unsymmetrie nur beim Anlaufen
benötigt
wird, der Wirkungsgrad aber dauerhaft verringert ist. Zusätzlich entstehen
zumindest bei hohen Drehzahlen durch die fehlende Klaue unangenehme
Geräusche
und Vibrationen während des
Betriebes, so daß diese
Anordnung insgesamt nur eingeschränkt anwendbar ist.
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DE 41 06 484 A1 beschreibt
einen Klauenpolmotor, dessen Polklauen relativ zu ihrer Basislinie in
sich verdreht sind, um den Drehmomentverlauf zu beeinflussen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit Klauenpolstator
anzugeben, die so ausgebildet ist, daß sie einphasig betrieben werden
kann und gleichwohl ein sicheres Anlaufen und einen stabilen Betrieb
in einer Drehrichtung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen
von Patentanspruch 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Maschine
umfaßt
ein erstes und ein zweites Klauenpolblech, die jeweils ein Joch
und Polklauen aufweisen. Die Polklauen sind mit dem Joch über eine
Basis verbunden, wobei die Klauenpolbleche axial zueinander so angeordnet sind,
daß die
Polklauen einen Polklauenkranz bilden, der die rotorseitige Begrenzung
eines Aufnahmeraums für
eine zylindrische Spule definiert. Der Mittelpunkt der Basislinie
wenigstens einer Polklaue liegt auf eine Kreislinie, deren Zentrum
mit dem Mittelpunkt der Rotorachse zusammenfällt. In einer ersten Ausführung der
Erfindung schließt
die Verbindungslinie der beiden äußeren Punkte
der Basislinie mit der Tangente an die Kreislinie, die durch den
Mittelpunkt geht, einen Winkel α ≠ 0 ein. Sämtliche
Polklauen eines Klauen polbleches oder beider Klauenpolbleche können schräg angeordnet
sein. Durch die schräge Anordnung
der Polklauen entstehen aufgrund der magnetischen Asymmetrie Reluktanzkräfte zwischen dem
Rotor und dem Stator, die ein Anlaufen der Klauenpolmaschine in
eine vorgegebene Drehrichtung und einen stabilen Lauf der Maschine
in dieser Drehrichtung gewährleisten.
Diese Schrägung
der Polklauen kann nur einseitig, das heißt ausgehend von nur einem
Klauenpolblech oder beidseitig vorgenommen werden.
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Das
Merkmal, daß der
Mittelpunkt der Basislinien wenigstens einer Polklaue auf einer
Kreislinie liegt, bedeutet nicht, daß die Basislinien der Polklauen
mit dieser Kreislinie vollständig
zusammenfallen, sondern es bedeutet, daß die Basislinien der Polklauen
ein und dieselbe Kreislinie schneiden, also entlang dieser Kreislinie
ringförmig
angeordnet sind, oder auf der Kreislinie liegen. Die Basislinien
der Polklauen können
schräg
zu dieser Kreislinie beziehungsweise schräg zu einer Tangente an die
Kreislinie angeordnet sein. Dabei ist es nicht notwendig, daß sämtliche
Polklauen denselben Schrägungswinkel
zu dieser Tangente aufweisen, insbesondere können einige Polklauen auch
gerade angeordnet sein, d. h. einen Winkel von null Grad relativ
zur Tangente aufweisen.
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Die
Basislinien der Polklauen können
gradlinig oder gekrümmt
sein. Wenn die Basislinien der Polklauen gekrümmt sind, so entspricht ihr
Krümmungsradius
vorzugsweise dem Radius der Kreislinie.
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In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung werden die Klauenpolbleche aus einem Blechmaterial
hergestellt und die Polklauen durch Stanzen und Biegen aus dem Blechmaterial
herausgeformt.
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Wie
oben erläutert,
wird die erfindungsgemäße Klauenpolmaschine
vorzugsweise als eine einphasige permanentmagnetische Synchronmaschine oder
als einphasiger Schrittmotor realisiert. Hierzu wird eine zylindrische
Spule in den durch die Polklauen definierten Raum eingelegt, so
daß sie
koaxial zwischen den Klauenpolblechen angeordnet ist und mit den
Polklauen zusammenwirkt. Ein zylindrischer Rotor wird koaxial innerhalb
der Polklauen angeordnet, so daß die
Polklauen zwischen der Spule und dem Rotor zu liegen kommen.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungen
mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
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In
den Figuren zeigen:
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1a und 1b schematische
perspektivische Explosionsdarstellungen einer Klauenpolmaschine
gemäß dem Stand
der Technik jeweils von den gegenüber liegenden Stirnseiten aus
gesehen;
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2 eine
schematische Explosionsdarstellung einer Klauenpolmaschine gemäß der Erfindung;
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3a und 3b eine
schematische Draufsicht sowie eine Perspektivdarstellung auf eine erste
Ausführung
eines Klauenpolblechs, das in der Klauenpolmaschine der 2 eingesetzt
werden kann;
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4a und 4b eine
schematische Draufsicht sowie eine Perspektivdarstellung auf eine zweite
Ausführung
des Klauenpolblechs, das in der Klauenpolmaschine der 2 eingesetzt
werden kann.
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5 eine
schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer Klauenpolmaschine
gemäß einer
weiteren Ausführung
der Erfindung;
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6a und 6b eine
schematische Draufsicht sowie eine perspektivische Darstellung einer
Ausführung
des Klauenpolblechs, das in der Klauenpolmaschine der 5 eingesetzt
werden kann.
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1a und 1b zeigen
in schematischer Expositionsdarstellung, jeweils von den gegenüber liegenden
Stirnseiten her, eine Klauenpolmaschine gemäß dem Stand der Technik. In
den schematischen Zeichnungen sind nur der Stator und der Rotor gezeigt,
wobei weitere Einzelheiten, wie Welle, elektrische Anschlüsse und
dergleichen weggelassen sind.
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Der
Stator 10 der Klauenpolmaschine des Standes der Technik
wird durch zwei gegenüber
liegende Klauenpolbleche 12, 14 gebildet, zwischen
die eine Spule 16 eingefügt ist. Jedes der Klauenpolbleche
umfaßt
ein Joch 18 bzw. 20 und mehrere Polklauen 22 bzw. 24,
wobei die Klauenpolbleche 18, 20 koaxial zueinander
angeordnet sind und sich so gegenüber liegen, daß die jeweiligen
Polklauen 22, 24 einander zugewandt sind und einen
Raum zum Aufnehmen der Spule 16 definieren. Das Klauenpolblech 12 weist
ferner eine Gehäusewand 26 auf,
die den Stator und den Rotor der Klauenpolmaschine umschließt.
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Der
Rotor 28 wird in der gezeigten Ausführung durch einen Ringmagneten
gebildet, der, abhängig
von der Anwendung, eine entsprechende Anzahl an Magnetpolpaaren
aufweist. Alternativ kann der Rotor auch aus mehreren Einzelmagneten
aufgebaut sein. Der Rotor ist koaxial innerhalb der Polklauen 22, 24 angeordnet,
wobei die Polklauen zwischen der Spule 16 und dem Rotor 28 zu
liegen kommen.
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In
der gezeigten Ausführung
werden die Klauenpolbleche 12, 14 aus einem Blechmaterial hergestellt,
wobei die Polklauen 22, 24 durch Stanzen und Biegen
aus dem Blechmaterial herausgeformt werden und dabei eine Klaue
weggelassen wird. Wie in den 1a und 1b sichtbar,
sind nur fünf
Klauen vorhanden, der sechste Platz bleibt leer. Weiterhin sind
die Klauenpole 22 derart ausgestanzt, dass die Enden eine
seitliche Aussparung aufweisen. Dadurch wird hier sichergestellt,
dass die Maschine aus dem Stillstand anlaufen kann. Die Polklauen 22, 24 liegen
auf einer Kreislinie, deren Zentrum mit der Achse der Klauenpolmaschine
zusammenfällt.
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Bei
der einsträngigen
Klauenpolmaschine des Standes der Technik besteht das Problem, daß bei bestimmten
Rotorlagen die Drehrichtung beim Anlauf undefiniert ist, so daß für den sicheren
Anlauf der Maschine besondere Vorkehrungen getroffen werden müssen. Ferner
werden solche einsträngigen Maschinen
häufig
in Anwendungen eingesetzt, in denen der Motor in nur eine Richtung
drehen darf, beispielsweise in Ventilatoren und Pumpen. Diese Motoren
benötigen
darüber
hinaus keine spezielle Ansteuerung, sondern können direkt an einer Wech selstromquelle
betrieben werden. Gleichwohl muß sichergestellt
sein, daß die
Maschine immer in die richtige Richtung dreht.
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Um
dies zu erreichen, sieht die Erfindung eine einsträngige Klauenpolmaschine
vor, wie sie beispielsweise in den 2 bis 4 dargestellt ist.
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Die
erfindungsgemäße Klauenpolmaschine umfaßt einen
Stator 30 und einen Rotor 32, die grundsätzlich ähnlich aufgebaut
sein können
wie der Stator und der Rotor des Standes der Technik, wobei die
Ausbildung der Polklauen sich vom Stand der Technik unterscheidet.
In der gezeigten Ausführung umfaßt der Stator
zwei Klauenpolbleche, von denen eines als eine Statorplatte 34 und
das andere als eine Statorkappe 36 ausgebildet ist. Die
Klauenpolbleche 34, 36 umfassen jeweils ein Joch 38, 40 sowie
mehrere Polklauen 42, 44. Die Statorkappe 36 umfaßt zusätzlich eine
Gehäusewand 46,
welche die Klauenpolmaschine umschließt und zusammen mit den Polklauen 42, 44 einen
Raum zur Aufnahme der Spule 48 eingrenzt.
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In
der gezeigten Ausführung
der Erfindung sind die Polklauen 42, 44 jeweils
aus dem Joch 38, 40 des zugehörigen Klauenpolblechs 34, 36 ausgestanzt
und an ihrer Basis 50, 52 umgebogen, so daß sie im
rechten Winkel von dem zugehörigen
Joch 48, 40 abstehen. Beispiele für die Ausbildung
der Polklauen 42, 44 gemäß der Erfindung sind mit Bezug auf
die 3a und 3b, 4a und 4b sowie 5 und 6 beschrieben.
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Die 3a und 3b zeigen
eine Statorplatte 34 mit Polklauen 42, die aus
der Statorplatte 34 ausgestanzt und an ihren Basen 50 umgebogen
sind. Wie am deutlichsten in 3a gezeigt,
sind die Basislinien 50' der
Polklauen 42 relativ zu der Tangente an einer Kreislinie 54,
welche durch den Mittelpunkt der Basislinien 50' der Polklauen
verläuft,
schräg
angeordnet. In der Ausführung
der 3a und 3b sind
die Basislinien 50' der
Polklauen 42 gekrümmt, wobei
sie im wesentlichen den gleichen Krümmungsradius aufweisen wie
die Kreislinie 54, sie liegen jedoch nicht genau auf dieser
Kreislinie. Die Verbindungslinie der beiden äußeren Punkte einer Basislinie 50' ist gegenüber der
Tangente an dieser Kreislinie um einen Winkel α verdreht, wobei 0 ≤ α ≤ 45°. Ein bevorzugter
Winkelbereich für α kann mit
etwa 5° bis
15° angegeben
werden.
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In
einer anderen Ausführung,
die in den 4a und 4b gezeigt
ist, sind die geschrägten Polklauen 44 in
der Statorkappe 36 ausgebildet. In dieser Ausführung weisen
die Polklauen 44 geradlinige Basen 52 und somit
geradlinige Basislinien 52' auf,
die relativ zu einer Tangente an die Kreislinie 56, welche
durch den Mittelpunkt der Basislinien 52' geht, schräg angeordnet sind. In der Ausführung der 4a und 4b beträgt der Winkel α der Basislinien 52' relativ zu
der Tangente an die Kreislinie 56 etwa 8°. Der bevorzugte
Winkelbereich ist ähnlich wie
bei der vorhergehenden Ausführung.
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Eine
weitere Ausführung
der erfindungsgemäßen Klauenpolmaschine
ist mit Bezug auf die 5, 6a und 6b beschrieben.
In der gezeigten Ausführung
umfaßt
die Klauenpolmaschine einen ringförmigen Rotormagneten 60 und
eine Statorspule 62, welche koaxial zu zwei Klauenpolblechen 64, 66 angeordnet
sind. Die Klauenpolbleche 64, 66 sind über ein
Joch 68 miteinander verbunden und weisen jeweils die gleiche
Anzahl von Polklauen 70, 72 auf. Die Polklauen 70, 72 sind
axial in dieselben Richtung orientiert, wobei die Statorspule 62 zwischen
den Klauenpolblechen 64 und 66 zu liegen kommt.
Die Polklauen 70, 72 sind zueinander versetzt
angeordnet und umgreifen die Statorspule 62 und den Rotormagneten 60.
Wie genauer mit Bezug auf die 6a und 6b beschrieben
ist, sind die Polklauen 70, 72 gegenüber der
Tangente an die Klauenpolbleche 64, 66 verdreht,
um die erfindungsgemäße Schrägung zu
erzielen.
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Die 6a und 6b zeigen
das Klauenpolblech 66 in Draufsicht sowie perspektivischer
Darstellung, wobei das Klauenpolblech 64 entsprechend ausgebildet
ist. Die Klauenpolbleche können
jeweils aus einem Blech ausgestanzt werden, wobei die Polklauen 70, 72 um
ungefähr
90° in axialer
Richtung umgebogen werden. Wie am besten in 6a zu
erkennen ist, werden die Polklauen 72 derart gebogen, daß die Basen 76 der
Polklauen 72 und somit ihre Basislinien 76' relativ zu
der Tangente an eine Kreislinie 74, welche durch den Mittelpunkt
der Basislinien 76' der
Polklauen verläuft,
um einen Winkel α schräg angeordnet
sind. Der Winkel α kann
dieselben Werte wie in den zuvor beschriebenen Ausführungen
annehmen.
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Beide
Ausführungen
haben gegenüber
dem in den 1a und 1b gezeigten
Stand der Technik den Vorteil, daß alle Klauen vorhanden sind
und zur Leitung des magnetischen Flusses beitragen können und
somit sowohl ein höheres
Drehmoment als auch ein höherer
Wirkungsgrad erreicht wird.
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Erfindungsgemäß können solche
schräg
angeordneten Polklauen in der Statorplatte 34 oder der Statorkappe 36 oder
in beiden Klauenpolblechen 34, 36 vorgesehen sein.
Je nach Design können
die Polklauen der Statorplatte und/oder der Statorkappe gekrümmte oder
geradlinige Basislinien aufweisen.
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Durch
die Schrägung
der Polklauen ist es möglich,
einen einsträngigen
Klauenpolmotor vorzusehen, der sicher in eine definierte Richtung
anläuft und
im Betrieb einen stabilen Lauf aufweist. Die Erfindung ermöglicht es,
insbesondere bei schräger Anordnung
sämtlicher
Polklauen, den Wirkungsgrad beim Anlauf und im stabilen Betrieb
des Motors zu erhöhen.
Die erfindungsgemäße Klauenpolmaschine ist
als einphasiger permanentmagnetischer Synchronmotor oder als Schrittmotor
betreibbar.
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In
der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den in den Figuren
offenbarten Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in den verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
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- 10
- Stator
- 12,
14
- Klauenpolbleche
- 16
- Spule
- 18,
20
- Joch
- 22,
24
- Polklauen
- 26
- Gehäusewand
- 28
- Rotor
- 30
- Stator
- 32
- Rotor
- 34
- Klauenpolblech,
Statorplatte
- 36
- Klauenpolblech,
Statorkappe
- 38,
40
- Joch
- 42,
44
- Polklauen
- 46
- Gehäusewand
- 48
- Spule
- 50,
52
- Basis
- 50', 52'
- Basislinie
- 54,
56
- Kreislinie
- 60
- Rotormagnet
- 62
- Statorspule
- 64,
66
- Klauenpolblech
- 68
- Joch
- 70,
72
- Polklauen
- 74
- Kreislinie
- 76
- Basis
- 76'
- Basislinie
- α
- Schrägungswinkel