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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem
unabhängigen Anspruch. Derartige Maschinen werden in Form
von Motoren zum Beispiel für den Antrieb beweglicher Komponenten von
Bearbeitungsmaschinen verwendet und liefern hohe mechanische Drehmomente
auch im Überlastbetrieb.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
103 55 267 A1 zeigt eine im Vergleich mit der Erfindung
strukturell ähnlich aufgebaute elektrische Maschine und
stellt daher den nächstliegenden Stand der Technik dar. Bei
dieser Maschine verzichtet man, wie aus den in den
1 bis
3 gezeigten
Querschnitten ersichtlich ist, abschnittsweise auf Wicklungsträger
am Stator, so dass die Gehäusewandungen abschnittsweise
schmäler ausfallen und damit die Abmessungen des Maschinengehäuses
reduziert werden können. Ein wesentliches Merkmal bei dieser
Maschine besteht darin, dass der Luftspalt auch im trägermittelfreien
Bereich der Kontur der Statorbohrung exakt folgt (siehe kennzeichnendes
Merkmal des Anspruches 1). Dies hat zur Folge, dass der Luftspalt
zwischen Stator und Rotor sich in diesem Bereich gegenüber
den bewickelten Bereichen nicht ändert. Bei Überlast
sättigt das Eisen immer mehr, wodurch sich der magnetische
Widerstand erhöht. Aufgrund des erhöhten magnetischen
Widerstandes verlässt der magnetische Fluss das Eisen und
verläuft über den Luftspalt. Da der Luftspalt
sehr schmal ist resultieren hieraus sehr kurze Streupfade für
das Magnetfeldes. Dies führt zu einem massiven Leistungsabfall,
was dann das mechanische Drehmoment bei Überlastbetrieb
und damit die Momentanüberlastbarkeit der Maschine verringert.
Mit steigender Last schließen sich immer mehr Feldlinien über
die Streupfade, welche sich im Trägermittelfreien Bereich
aufgrund des geringen Luftspaltes ergeben, und die Leistungsfähigkeit
nimmt rapide ab, da diese Anteile des Magnetfeldes nicht mehr zur
Erzeugung von mechanischem Drehmoment genutzt werden können.
Je höher der Anteil des Flusses ist, der sich über
die Streupfade schließt, desto geringer ist die mechanische
Leistung, die der Motor abgeben kann.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung ausgehend vom nächstliegenden
Stand der Technik eine elektrische Maschine mit verbessertem Verhalten
bei Überlast zu realisieren.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine mit
einer ersten Komponente, welche ein Primärteil oder einen
Stator bildet, und mit einer zweiten Komponente, welche ein Sekundärteil
oder einen Rotor bildet, wobei von der ersten Komponente Trägermittel
zur Aufnahme von Erregerspulen umfasst sind, welche mittels Nuten
voneinander beabstandet sind, und wobei beide Komponenten mittels eines
Luftspaltes voneinander beabstandet und relativ zueinander beweglich
sind, wobei zumindest ein trägermittelfreier Abschnitt
an der ersten Komponente vorgesehen ist, dessen Breite über
eine Nutbreite hinaus geht und innerhalb dessen die Luftspaltbreite größer
ist als im Bereich der Trägermittel. Mit anderen Worten,
die Breite des Abschnittes entlang der zweiten Komponente ist so
gewählt, dass diese über die Breite einer Nut
hinaus geht, wobei innerhalb dieses Abschnittes die Breite des Luftspaltes
derart zunimmt, dass der magnetische Widerstand zwischen dem Abschnitt
der ersten Komponente und der zweiten Komponente gegenüber
dem magnetischen Widerstand zwischen dem trägermittelbehafteten
Bereich der ersten Komponente und der zweiten Komponente zunimmt.
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Aufgrund
der erhöhten Breite des Luftspaltes im trägermittelfreien
Abschnittsbereich erreicht man eine Verringerung des Streuflusses
im kurzfristigen Überlastbetrieb und damit eine Leistungssteigerung der
Maschine bei zunehmender Last. Der Grund hierfür besteht
darin, dass der Hauptfluss im Überlastbetrieb aufgrund
des verbreiterten Luftspaltes weniger dazu neigt über diesen
abzufließen. Dadurch können mehr Feldlinien als
Hauptfluss zur Erzeugung des Drehmomentes genutzt werden. Zusätzlich
wird im Bereich ohne Trägermittel eine Abflachung der Gehäuseaußenseite
erreicht, was den Einbau in beengte Maschinengehäuse erleichtert,
weil der Motor eine geringere Störkontur hat. Die Luftspaltbreite
zwischen erster und zweiter Komponente im erfindungsgemäßen
Abschnitt entspricht vorzugsweise der 2 bis 3-fachen Luftspaltbreite
im Bereich des Stators, welcher Trägerwicklungen umfasst.
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Vorzugsweise
umfasst die erste und bzw. oder die zweite Komponente mehrere Einzelteile, welche
aneinandergefügt die entsprechende Komponente bilden und somit
miteinander verbindbare Komponentensegmente darstellen. Derartige
segmentierte Komponenten erfordern aufgrund der geringen Abmessungen
ein kleineres Stanzwerkzeug bei der Herstellung und es entsteht
weniger Verschnitt. Der Stanzprozess kann speziell bei Motoren mit
großen Durchmessern deutlich kostengünstiger ausgeführt
werden. Außerdem vereinfacht sich die Lagerhaltung.
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Besonders
bevorzugt umfasst die zweite Komponente Permanentmagnete zur Erzeugung
eines magnetischen Feldes, welches mit dem Magnetfeld des Stators
interagiert und ein Drehmoment erzeugt. Durch die Verwendung von
Permanentmagneten erhält man eine erhöhte Drehmomentdichte. Selbstverständlich
könnte die Permanentmagnete auch durch andere dem Fachmann
bekannte Mittel ersetzt werden, die zur Erzeugung eines magnetischen
Feldes geeignet sind, beispielsweise Erregerspulen.
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Ganz
besonders bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen
Maschine entweder um einen Linearmotor, oder um einen Solenoidmotor, oder
um einen rotationssymmetrischen Motor, wobei bei diesen Motoren
vorzugsweise innerhalb des trägermittelfreien Abschnittes
andere Motorkomponenten im magnetisch aktiven Bauraum untergebracht werden.
Bei diesen Komponenten handelt es sich vorzugsweise um Lagesensoren
und/oder Durchführungen von Litzen und/oder Anschlusskabel und/oder
um den Kühlkreislauf. Außerdem eignen sich diese
Motoren für beengte Einbauräume (z. B. innerhalb
von Maschinen als Bausatzmotoren) aufgrund der reduzierten Störkonturen
besonders gut.
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Vorzugsweise
sind mehrere Abschnitte ohne Trägermittel vorgesehen, wodurch
sich die Gehäuseabmessungen und damit die Störkonturen
weiter verringern und beengte Bauräume besser gefüllt
werden können.
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Vorteilhafterweise
wird ein Servoantrieb oder eine Werkzeugmaschine oder ein Positionierantrieb mit
einer erfindungsgemäßen Maschine ausgestattet.
Bei diesen Vorrichtungen wird häufig Überlastbetrieb
gefordert, wobei gleichzeitig klein bauende Komponenten erforderlich
sind, um die Vorrichtungsabmessungen gering zu halten.
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Die
erfindungsgemäße Maschine kann auch als Generator
verwendet werden. In diesem Falle greifen alle Vorteile bezüglich
Magnetfeldführung und Gehäuseabmessungen, die
auch für den Motor erwähnt wurden.
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Bei
allen Ausführungsformen ist es möglich den erfindungsgemäßen
Effekt durch eine optimierte Rückenhöhe der ersten
Komponente positiv zu beeinflussen. Unter Rücken ist der
Teil der ersten Komponente zu verstehen, an dem die Trägermittel
angebracht sind. Die Materialstärke dieses Rückens
bestimmt zum Einen die Stabilität und zum anderen die magnetische
Leitfähigkeit. Im Rücken muss der magnetische
Fluss geführt werden. Je weniger Material der Rückenquerschnitt
aufweist, desto größer der magnetische Widerstand
und desto früher neigt die aus dem Stator hergestellte
Maschine zu Streufeldern. Je mehr Material der Rückenquerschnitt
aufweist, desto weniger Platz für die Wicklung ist vorhanden,
weil die Länge der Trägermittel abnimmt. Mit zunehmendem
Materialquerschnitt nimmt auch der magnetische Widerstand ab, was
die Kanalisierung des Hauptflusses erleichtert. Die Rückenhöhe
ist bei der erfindungsgemäßen Maschine derart
optimiert, dass bestmögliche Leistungsdichte und Stabilität
gegeben ist.
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Um
die Leistungsdichte weiter zu erhöhen, können
Kühlkanäle vorgesehen werden, so dass auftretende
Verluste in der Statorwicklung möglichst gut an das Kühlmedium übertragen
werden. Je besser die Verluste abgeführt werden, desto
höher die Leistungsdichte bei identischer Isolationsstoffklasse
der Wicklung. Die Isolationsstoffklasse beschreibt die zulässige
Dauertemperatur der Wicklungsisolation. Klasse B (130°C)
entspricht zum Beispiel dem Standard. Klasse F (155°C)
ist bei von Umrichtern gespeisten Motoren empfehlenswert. Klasse
H (180°C) ist nur in besonderen Fällen erforderlich.
Durch Verwendung von Kühlkanälen kann bei einem
Motor mit Isolationsklasse B dann eine höhere Leistung
von der elektrischen Maschine angefordert werden, als ohne Kühlung.
Der erfindungsgemäße Effekt wird dadurch zusätzlich
verstärkt.
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Weiteres
Optimierungspotential zur Leistungssteigerung besteht hinsichtlich
der Wahl geeigneter Magnetformen oder geeigneten Magnetmateriales
und/oder der Realisierung der Polbedeckung und/oder der Führung
der Flusspfade und/oder der Dimensionierung des Polversatzes. Die
Drehmomentwelligkeit oder die Rastkraft sowie die induzierte Spannung,
könnte je nach individueller Anforderung der zugrundeliegenden
Anwendung durch im Stand der Technik bekannte Mittel optimiert werden
(z. B. Polpaare, Polscherschiebung). Die Optimierung der Flusspfade
sollte insbesondere im S1- und S6-Betrieb erfolgen. Es sei bezüglich
dieser Betriebsarten auf die Norm VDE0530 verwiesen. S1-Betrieb
bedeutet Dauerbetrieb an der thermischen Grenze. S6-Betrieb bedeutet Überlastbetrieb
mit Ruhephasen. Ziel dieser Optimierung ist, dass sich im Betrieb ein
thermischer Mittelwert der Maschine ergibt, welcher unterhalb der
thermischen Grenze liegt.
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1 zeigt
den Querschnitt einer einteiligen erfindungsgemäßen
Maschine.
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2 zeigt
den Querschnitt einer zweiteiligen erfindungsgemäßen
Maschine.
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3 zeigt
den Querschnitt von 6 Segmenten mittels derer die erste Komponente
der Maschine kostengünstig herstellbar und platzsparend
lagerbar ist.
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1 zeigt
den Querschnitt einer einteiligen erfindungsgemäßen
rotatorischen Maschine, welche als Motor konfiguriert ist. Die Komponente 1 bildet den
Stator. Die Komponente 2 bildet den Rotor. Von der Komponente 1 sind
Trägermittel 3 zur Aufnahme von Erregerspulen
umfasst (nicht gezeigt), welche als Vorsprünge in den Innenraum
des Stators hineinragen. An der Oberfläche des Rotors 2 sind
Permanentmagnete 7 angeordnet. Die Trägermittel 3 sind mittels
Nuten 5 voneinander beabstandet. Beide Komponenten 1, 2 sind
mittels eines Luftspaltes 4 voneinander beabstandet und
relativ zueinander beweglich angeordnet. Es sind in diesem konkreten Beispiel
zwei Bereiche 6 am Stator 1 vorgesehen, welche
keine Trägermittel 3 umfassen und welche folglich
nach der Bewicklung auch keine Erregerspulen umfassen. Eine Lösung
mit nur einem Bereich 6 oder mehr als zwei Bereichen 6 ist
je nach Anwendungsfall denkbar. Die Breite der erfindungsgemäßen
trägermittelfreien Abschnitte 6 ist so dimensioniert,
dass diese über die übliche Breite der Nuten 5 zwischen
den Trägermitteln 3 hinaus geht. Die Luftspaltbreite
im Bereich des Abschnittes 6 ist damit größer
als zwischen den Stirnseiten der Trägermittel 3 und
der Oberfläche der Permanentmagnete 7, so dass
sich die Streufeldneigung des magnetischen Feldes im Falle einer
Erhöhung des magnetischen Widerstandes, im Stator reduziert.
Dies ist beispielsweise bei Überlast der Fall.
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Die
in 2 gezeigte Vorrichtung entspricht vom Prinzip
her der in 1 gezeigten Vorrichtung. Allerdings
ist die erste Komponente 1 aus zwei Einzelsegmenten gebildet,
welche aneinanderfügbar sind. Ebenso wäre es denkbar
die zweite Komponente 2 aus Einzelsegmenten zu bilden (nicht
gezeigt). Je nach Anwendungsfall und Bedarf ist es natürlich möglich
die Komponenten 1 und 2 weiter zu unterteilen,
beispielsweise in 3, 4 oder mehr Einzelsegmente.
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Die 3 macht
deutlich, dass bei mehrteiliger Ausführung, hier 6 Segmente,
des Stators, die Einzelteile vor der Montage leicht gestapelt und
gelagert werden können und mit der Anzahl der Segmente
die Raumausnutzung verbessert wird. Zudem wird beim Stanzprozess
der Segmente durch die Segmentierung deutlich weniger Verschnitt
erzeugt. Die Materialkosten werden durch die Segmentierung deutlich
gesenkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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