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Die
vorliegende Erfindung betrifft Elektromotoren mit aus einzelnen
Statorsegmenten gebildeten konzentrierten Wicklungen.
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Elektrische
Einrichtungen, beispielsweise Motoren oder Generatoren, mit einem
Stator, der in einem Gehäuse
befestigt ist, sind wohlbekannt. Ein auf einer Welle angebrachter
Rotor ist innerhalb des Stators koaxial angeordnet und ist relativ
zu dem Stator um eine Längsachse
der Welle drehbar. Das Fließen
von Strom durch Wicklungen, welche mit Bezug auf den Stator angebracht
sind, erzeugt ein Magnetfeld mit der Neigung, den Rotor und die
Welle zu drehen. Konzentrierte Wicklungen können an einzelnen Statorsegmenten
ausgebildet werden, welche dann mit Bezug zueinander montiert werden,
um eine im Wesentlichen ringförmige
Statorbaugruppe zu bilden. Die Statorsegmente können Statorzähne, ein Rückeisen
(engl. back iron), und/oder Statorschuhe umfassen. A. G. Jack und
andere von der University of Newcastle on Tyne, U. K. haben einen
solchen Entwurf vorgeschlagen. Dieser Entwurf bildet einen Stator
unter Verwendung von Statorsegmenten, die Endwindungen der konzentrierten
Wicklungen aufweisen, welche entlang der Längsachse des Motors durch die
Statorschuhe und den Rotor überlagert sind.
Auf diese Weise weist der Motor eine dreidimensionale Natur insofern
auf, als das durch die konzentrierten Wicklungen hindurchgehende
Magnetflussfeld entlang der Längsachse
des Motors in den Statorsegmenten verteilt ist. Die Statorzähne, das Rückeisen
und die Statorschuhe werden typischerweise aus einem weichmagnetischen
Verbundmaterial gebildet.
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Es
wird eine Statorbaugruppe für
einen Elektromotor mit einer Längsachse
bereitgestellt. Die Statorbaugruppe umfasst mindestens ein Statorsegment mit
einem ersten Endelement, das einen Statorzahn und einen Statorschuh
und/oder ein Rückeisen
aufweist. Ein zweites Endelement ist mit Bezug auf das erste Endelement
angeordnet und weist einen Statorzahn und einen Statorschuh und/oder
ein Rückeisen
auf. Eine Wicklung umgibt im Wesentlichen den Statorzahn des ersten
Endelements und den Statorzahn des zweiten Endelements. Das erste
und zweite Endelement weisen eine im Wesentlichen rechtwinklig zu
der Längsachse
des Motors verlaufende Trennlinie auf. Das erste und zweite Endelement
sind vorzugsweise aus gepresstem pulverförmigem oder flockenförmigem Eisen
gebildet.
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Zwischen
dem ersten und zweiten Endelement kann ein Zwischenelement vorgesehen
sein. Das Zwischenelement kann aus Laminatstahl, gepresstem pulverförmigem Eisen
oder gepresstem flockenförmigem
Eisen gebildet sein. Die Wicklung ist vorzugsweise aus Kupferdraht
gebildet. Es wird auch ein Motor offenbart, der die erfindungsgemäße Statorbaugruppe
umfasst.
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Es
ist auch ein Verfahren zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Statorbaugruppe
vorgesehen. Das Verfahren umfasst ein Bilden einer Wicklung aus einem
Draht und ein Einfügen
eines Statorzahns eines ersten Endelements und eines Statorzahns
eines zweiten Endelements durch zumindest einen Teil der Wicklung,
so dass die Wicklung in einem Hohlraum enthalten ist. Der Hohlraum
ist zumindest teilweise durch den Statorzahn des ersten Endelements und
ein Rückeisen
und/oder einen Statorschuh des ersten Endelements definiert. Zusätzlich ist
der Hohlraum zumindest teilweise durch den Statorzahn des zweiten
Endelements und ein Rückeisen
und/oder einen Statorschuh des zweiten Endelements definiert. Das erste
und zweite Endelement weisen eine im Wesentlichen rechtwinklig zu
der Längsachse
des Motors verlaufende Trennlinie auf.
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Die
Wicklung kann durch Wickeln des Drahtes um eine Spule oder eine
Spindel gebildet werden. Alternativ kann die Wicklung durch Wickeln
des Drahts um ein Zwischenelement gebildet werden, welches erste
und zweite Endnippel aufweist, die an entgegengesetzten Enden des
Zwischenelements angeordnet sind. Anschließend werden die ersten und
zweiten Endnippel entfernt und die jeweiligen ersten und zweiten
Endelemente werden anstelle der ersten und zweiten Endnippel in
die Wicklung eingeführt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften
Ausführungsform unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In diesen ist:
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1 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Elektromotors mit einer
erfindungsgemäßen Statorbaugruppe;
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2 eine
Querschnittsansicht der in 1 schematisch
gezeigten Statorbaugruppe;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Statorsegments, das die Statorbaugruppe
von 2 bildet und ein erstes und zweites Endelement
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung aufweist;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Statorsegments mit den in 3 gezeigten
ersten und zweiten Endelemen ten, wobei ein Zwischenelement dazwischen
angeordnet ist;
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5 eine
perspektivische Explosionsansicht, die ein Verfahren zum Zusammenbau
des in 3 gezeigten Statorsegments darstellt; und
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6 eine
perspektivische Ansicht, die ein Verfahren zum Zusammenbau des in 4 gezeigten
Statorsegments darstellt.
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Auf
die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen gleiche Bezugszeichen die
gleichen oder ähnliche
Komponenten in den verschiedenen Figuren darstellen, ist in 1 eine
schematische Darstellung eines Elektromotors 10 gezeigt.
Zum Zwecke der Erläuterung
ist der Elektromotor 10 gemäß der bevorzugten Ausführungsform
gezeigt; es ist jedoch festzustellen, dass die vorliegende Erfindung
zur Verwendung mit anderen Elektromotorkonfigurationen und anderen
elektrischen Einrichtungen, wie z.B. einem Generator, geeignet ist.
Der Elektromotor 10 umfasst ein Gehäuse 12, eine Statorbaugruppe 14, eine
Welle 16 und einen Rotor 18. Die Statorbaugruppe 14 ist
im Wesentlichen ringförmig
und ist derart ausgestaltet, dass sie während eines Betriebs des Motors 10 relativ
zu dem Gehäuse 12 stationär bleibt. Der
Rotor 18 ist an der Welle 16 zur einheitlichen Drehung
damit befestigt und ist im Wesentlichen koaxial innerhalb der Statorbaugruppe 14 angeordnet. Der
Rotor 18 und die Welle 16 sind relativ zu dem
Gehäuse 12 und
der Statorbaugruppe 14 drehbar. Eine mit A bezeichnete
Längsachse
ist in 1 gezeigt und ist als die Mittellinie der Welle 16 und
damit des Motors 10 definiert.
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Auf 2 Bezug
nehmend ist eine Querschnittsansicht der Statorbaugruppe 14 gezeigt.
Die Statorbaugruppe 14 umfasst vorzugsweise einen Statorkern 20 mit
mehreren darin angeordneten Statorsegmenten 22. Jedes der
Statorsegmente 22 umfasst einen Statorzahn 24,
der sich von einem Rückeisen 26 im
Wesentlichen radial nach Innen erstreckt. An dem Ende des Statorzahns 24,
das dem Rückeisen 26 gegenüberliegt,
ist ein Statorschuh 28 angeordnet. Der Statorschuh 28 und
das Rückeisen 26 sind
auf dem Statorzahn 24 voneinander beabstandet, um einen
Hohlraum 30 zu definieren, der ausreichend ausgestaltet
ist, um die konzentrierten Wicklungen 32 aufzunehmen. Die
konzentrierten Wicklungen 32 umfassen einen Statordraht 34,
der um jeden der Statorzähne 24 gewunden
oder gewickelt ist, um die Hohlräume 30 zumindest
teilweise auszufüllen. Für Anwendungen,
bei denen der Elektromotor 10 mit einer Mittel- bis Hochspannung
arbeitet, kann ein Überzug
oder eine Schicht aus Isoliermaterial 36 zwischen den konzentrierten
Wicklungen 32 und dem Statorzahn 24, dem Rückeisen 26 und/oder
dem Statorschuh 28 angeordnet sein. Fachleute werden erkennen,
dass das Isoliermaterial 36 ein beliebiges Material sein
kann, das die erforderlichen isolierenden Eigenschaften besitzt,
beispielsweise Kunststoff, Lack, Epoxydharz etc. Der Statorschuh 28 und/oder das
Rückeisen 26 können mit
dem Statorzahn 24 einstückig
ausgebildet oder getrennt ausgebildet und daran angebracht sein.
Zusätzlich
kann das Rückeisen 26,
wie in 2 gezeigt ist, segmentiert sein oder als ein im
Wesentlichen zylindrisches Rohr einstückig ausgebildet sein.
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Die
Statorsegmente 22 sind in den Statorkern 20 eingebaut,
um die Statorbaugruppe 14 zu bilden. Wie in 2 gezeigt
ist, sind zwölf
Statorsegmente 22 in dem Statorkern 20 angeordnet,
um mit einem nicht gezeigten Rotor 18 mit acht, zehn oder vierzehn
Magnetpolen zusammenzuwirken. Fachleute werden erkennen, dass andere
Anzahlen von Statorsegmenten 22 verwendet werden können, wobei man
im Schutzumfang dessen bleibt, was beansprucht ist. Beispielsweise
kann eine Statorbaugruppe 14 mit fünfzehn oder dreißig Statorsegmenten 22 verwendet
werden, so dass die konzentrierten Wicklungen 32 in drei
Gruppen von fünf
bzw. drei Gruppen von zehn verbunden sein können. Die Verwendung von fünfzehn Statorsegmenten 22 mit
konzentrierten Wicklungen 32 mit einem Rotor 18,
der vierzehn Magnetpole aufweist, wird drei elektrische Phasen ermöglichen,
während
die zur Weiterleitung des Magnetflusses zwischen den Statorsegmenten 22 erforderliche
Menge an Rückeisen 26 verringert
wird. Ferner kann durch Verwenden von dreißig Statorsegmenten 22 in
Verbindung mit einem Rotor 18, der achtundzwanzig Magnetpole
aufweist, eine ähnliche Verringerung
der Menge an Rückeisen 26 bei
einer im Wesentlichen symmetrischen Magnetkraft geschaffen werden.
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Nun
auf 3 Bezug nehmend und weiterhin mit Bezug auf 1 und 2 ist
ein erfindungsgemäßes Statorsegment 22 gezeigt.
Das Statorsegment 22 ist aus einem ersten Endelement 38 und
einem zweiten Endelement 40 gebildet. Die ersten und zweiten
Endelemente 38 und 40 sind vorzugsweise aus pulverförmigem oder
flockenförmigem
Eisen allgemein in der gleichen Richtung wie die Längsachse A
des Elektromotors 10 gepresst, so dass das erste und zweite
Endelement 38 und 40 im Wesentlichen gleich sind.
Dieses Verfahren zur Ausbildung der ersten und zweiten Endelemente 38 und 40 ist
insofern vorteilhaft, als die ersten und zweiten Endelemente 38 und 40 mit
denselben Werkzeugen geformt werden können, was eine Kostenverringerung
ermöglichen
kann. Jedes der ersten und zweiten Endelemente 38 und 40 umfasst
den Statorzahn 24 und den Statorschuh 28 und/oder
das Rückeisen 26.
Der Statorschuh 28 und/oder das Rückeisen 26 erstrecken bzw.
erstreckt sich entlang der Längsachse
A des Elektromotors 18 um einen vorbestimmten Abstand über den
Statorzahn 24 hinaus, um einen ersten bzw. zweiten Endabschnitt 42 bzw. 44 des
mit Bezug auf 2 beschriebenen Hohlraums 30 zu
definieren. Der erste und zweite Endabschnitt 42 und 44 des Hohlraums 30 sind
ausreichend ausgestaltet, um jeweilige, in 5 gezeigte,
erste und zweite Endwindungen 46 und 48 der konzentrierten
Wicklungen 32 aufzunehmen. Es ist festzustellen, dass die
Kontaktlinie oder die Trennlinie 49 zwischen den ersten
und zweiten Endelementen 38 und 40 in einer im
Wesentlichen rechtwinkligen Weise zu der Längsachse A des Elektromotors 10 angeordnet
oder orientiert ist.
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Auf 4 Bezug
nehmend ist eine alternative Ausführungsform des in 3 gezeigten
Statorsegments 22 gezeigt, die allgemein mit 22A bezeichnet
ist. Das Statorsegment 22A weist mindestens ein im Wesentlichen
ringförmiges,
sich axial erstreckendes Zwischenelement 50 auf, von dem
ein Teil in 4 gezeigt ist und das zwischen
jedem der ersten und zweiten Endelemente 38 und 40 angeordnet
ist. Das Zwischenelement 50 weist einen Statorzahnabschnitt 52 auf,
der sich von einem Rückeisenabschnitt 54 im
Wesentlichen radial nach innen erstreckt. Zusätzlich ist ein Statorschuhabschnitt 56 von
dem Rückeisenabschnitt 54 beabstandet.
Es ist festzustellen, dass der Statorzahnabschnitt 52 im Wesentlichen
den gleichen oder einen ähnlichen Querschnitt
wie die Statorzähne 24 der
ersten und zweiten Endelemente 38 und 40 aufweist.
Es ist zusätzlich
festzustellen, dass der Rückeisenabschnitt 54 im
Wesentlichen den gleichen oder einen ähnlichen Querschnitt wie das
Rückeisen 26 der
ersten und zweiten Endelemente 38 und 40 aufweist.
Der Rückeisenabschnitt 54 des
Zwischenelements 50 ist vorzugsweise durchgehend im Gegensatz
zu segmentiert. Das heißt,
dass sich das Zwischenelement 50 an den ersten und zweiten
Endelementen 38 und 40 vorbei im Wesentlichen
in einer Umfangsrichtung erstrecken wird. Ferner weist der Statorschuhabschnitt 56 im
Wesentlichen den gleichen oder einen ähnlichen Querschnitt wie die
Statorschuhe 28 der ersten und zweiten Endelemente 38 und 40 auf.
Das Zwischenelement 50 ist, wie in 4 gezeigt
ist, vorzugsweise aus Stahllagen 58 gebildet. Fachleute werden
jedoch erkennen, dass das Zwischenelement 50 aus pulverförmigem oder
flockenförmigem
Eisen gepresst sein kann. Das Statorsegment 22A ermöglicht die
Kombination einer hohen Magnetflusspermeabilität, die durch die Verwendung
von Laminatstahl, welcher das Zwischenelement 50 bildet,
erreicht werden kann, mit den isolierenden Eigenschaften von pulverförmigem oder
flockenförmigem
Eisen, welches die ersten und zweiten Endelemente 38 und 40 bildet,
um einen Magnetfluss bei nur mäßigen Verlusten
in drei Dimensionen zu tragen.
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Das
Statorsegment 22 kann durch Wickeln des Drahts 34 um
den Statorzahn 24 des Statorsegments 22 gebildet
werden, um den Hohlraum 30 im Wesentlichen auszufüllen, wodurch
die konzentrierten Wicklungen 32 ausgebildet werden. Alternativ können die
konzentrierten Wicklungen 32 auf einer Spule oder einer
Spindel ausgebildet oder aufgewickelt werden. Anschließend werden
erste und zweite Endelemente 38A und 40A, von
denen jedes nur einen Statorzahn 24 und einen Statorschuh 28 aufweist,
in die ausgebildete Wicklung 32 eingeführt. Die Statorzähne 24 der
ersten und zweiten Endelemente 38A und 40A werden
dann von einer Öffnung 60,
die durch das Rückeisen 26 definiert
ist, teilweise aufgenommen, um das Statorsegment 22 zu
vervollständigen.
Wie in 6 gezeigt ist, kann das Statorsegment 22A durch
Anordnen erster und zweiter entfernbarer Endnippel 62 bzw. 64 an
entgegengesetzten Enden des Zwischenelements 50 und anschließendes Ausbilden
der Wicklung 32 um das Zwischenelement 50 und
die ersten und zweiten entfernbaren Endnippel 62 und 64 gebildet
werden. Anschließend werden
die ersten und zweiten entfernbaren Endnippel 62 und 64 entfernt
und die ersten und zweiten Endelemente 38A bzw. 40A werden
an ihrer Stelle eingeführt,
um das vervollständigte
Statorsegment 22A zu bilden. Durch Ausformen der konzentrierten Wicklungen 32 auf
diese Weise können
die konzentrierten Wicklungen 32 zwischen dem Statorschuh 28 und dem
Rückeisen 26 so
ausgeprägt
werden, dass der Raum zwischen dem Draht 34 verringert
wird, ohne die ersten und zweiten Endelemente 38A und 40A hohen
Belastungen auszusetzen.
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Zusammengefasst
wird eine Statorbaugruppe für
einen Elektromotor mit einer Längsachse
bereitgestellt. Die Statorbaugruppe umfasst mindestens ein Statorsegment
mit einem ersten Endelement, das einen Statorzahn und einen Statorschuh
und/oder ein Rückeisen
aufweist. Ein zweites Endelement ist mit Bezug auf das erste Endelement
angeordnet und weist einen Statorzahn und einen Statorschuh und/oder
ein Rückeisen
auf. Eine Wicklung umgibt im Wesentlichen den Statorzahn des ersten
Endelements und den Statorzahn des zweiten Endelements. Das erste
und zweite Endelement weisen eine Trennlinie auf, die im Wesentlichen
rechtwinklig zu der Längsachse
des Motors verläuft.
Es wird ein Motor offenbart, der die erfindungsgemäße Statorbaugruppe
umfasst. Zusätzlich
wird ein Verfahren zur Bildung der erfindungsgemäßen Statorbaugruppe beschrieben.