-
Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und insbesondere die
Ausgestaltung des hierbei verwendeten Stators und des hierbei verwendeten
Rotors.
-
Der übliche
Aufbau einer elektrischen Maschine (vorliegend einer Asynchronmaschine)
ist im Querschnitt in 1 gezeigt. Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter
Stator weist einen als Blechpaket ausgebildeten Grundkörper 12 auf,
der eine kreisförmige Aussparung hat. Üblicherweise ändert
sich der Querschnitt der Aussparung in Richtung einer senkrecht zu
dem Querschnitt stehenden Symmetrieachse nicht, der Grundkörper
weist somit eine zylindrische Ausnehmung auf. In dem Grundkörper 10 ist
ein Rotor 14 angeordnet. Dieser Rotor 14 weist
einen Grundkörper 16 auf, der eine kreisförmige
Außenform hat, was insbesondere durch einen ringförmigen Grundkörper
oder einen Grundkörper 16 mit kreisförmigem
Querschnitt bereitgestellt sein kann. Der Außendurchmesser
des Rotors 14 soll geringfügig kleiner als der
Durchmesser der Aussparung des Stators 10 sein, so dass
ein Luftspalt 18 bereitgestellt ist. Sowohl im Stator 10 als
auch im Rotor 14 sind als elektrische Leiterelemente z.
B. Kupferwicklungen verwendet. Beim Stator 10 sind hierzu
im Grundkörper 12 Nuten 20 vorgesehen,
in denen die Kupferwicklungen angeordnet sind. In 1 sind
die Kupferwicklungen mit den Bezugszahlen 22, 24 und 26 bezeichnet.
Die Kupferwicklungen 22, 24 und 26 bilden jeweils
eine miteinander gekoppelte Gruppe von Kupferwicklungen, die bei
einem Drehstrommotor typischerweise mit unterschiedlichen Phasen
des Stroms beaufschlagt werden. Im Grundkörper 16 des Rotors 14 befinden
sich Wicklungen 28 eingebettet.
-
In 1 sind
die bei der genannten Beaufschlagung der Wicklungen 22, 24 und 26 mit
Strom erzeugten Feldlinien veran schaulicht und mit 30 bezeichnet.
Die Feldlinien durchlaufen insbesondere nur die zwischen den Nuten 20 angeordneten
Zähne 32 des Stators und laufen im Rotor zwischen
den Wicklungen 28 durch. Je inhomogener die Feldlinien 30 verlaufen,
desto mehr Geräusche können beim Betrieb der elektrischen
Maschine entstehen.
-
Wie
anhand von 1 zu sehen, nehmen die Wicklungen 22, 24, 26 im
Stator 10 und die Wicklungen 28 im Rotor 14 in
radialer Richtung relativ viel Platz ein. Sie beeinflussen damit
unmittelbar die Baugröße der elektrischen Maschine,
und damit wird bei vorgegebener Drehzahl die Leistung begrenzt.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie eine elektrische
Maschine gebaut werden kann, die bei gleicher Drehzahl mit höheren
Leistungen betrieben werden kann.
-
Die
Aufgabe wird durch einen Stator mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
1, einen Rotor mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
4 und eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
7 gelöst.
-
Erfindungsgemäß ist
bei dem Stator zumindest ein Teil der elektrischen Leiterelemente,
die zum Erzeugen eines auf einen Rotor in der Aussparung einwirkenden
Magnetfelds dienen (wenn sie mit Strom beaufschlagt werden) als
Folienleiter bereitgestellt. Der oder die Folienleiter sind auf
der zu der Aussparung weisenden Oberfläche des Grundkörpers
angebracht.
-
Dadurch,
dass der Leiter in Form einer Folie bereitgestellt ist, lässt
sich die Innenoberfläche des Grundkörpers besonders
effektiv nutzen, denn es muss nicht mehr zwischen dem Bereich der
Nuten und den dazwischen befindlichen Zähnen unterschieden
werden. Der Folienleiter ist daher flacher ausbildbar als die Nuten
tief sind. Dadurch ist bei gleichen Außenkonturen des Stators
der Bau eines größeren Rotors möglich,
und somit kann eine höhere Leistung bei gleicher Drehzahl
erzielt werden.
-
Bevorzugt
sind sämtliche elektrischen Leiterelemente des Stators
Folienleiter, und die Innenoberfläche wird besonders effektiv
genutzt, wenn die Folienleiter über 90%, bevorzugt über
95%, der zu der Aussparung weisenden Innenoberfläche des
Grundkörpers bedecken.
-
Bereits
ein Folienleiter mit der Leitfähigkeit von Kupfer genügt.
Es stehen jedoch auch andere, noch bessere Materialien zur Verfügung:
Der Folienleiter kann insbesondere ein Kompositmaterial aus Kupfer
und Kohlenstoffnanoröhren umfassen. Kohlenstoffnanoröhren
sind gemäß Wikipedia, der freien Enzyklopädie
in der Fassung vom 19. Februar 2008 mikroskopisch kleine
röhrenförmige Gebilde (molekulare Nanoröhren)
aus Kohlenstoff, welche auch als CNT (carbon nanotubes) bezeichnet
werden.
-
Die
EP 1 275 118 B1 beschreibt
ein Kompositmaterial aus Kupfer und Nanoröhren, und die
Lehren aus diesem Dokument sind vorliegend anwendbar. Es ist dort
beschrieben, dass ein elektrischer Leiter eine leitende Matrix umfasst,
in der Nanostrukturen wie Nanoröhren eingepasst sind. Die
Matrix umfasst ein Polymer, Keramik, Metall, Nicht-Metall, Fluid,
kohlenstoffhaltiges Material wie Graphit, amorphen Kohlenstoff oder
Fullerene, etc. Die Nanoröhren umfassen eine Länge
von mindestens 1 μm.
-
Durch
Kompositmaterial aus Kupfer und Kohlenstoffnanoröhren wird
ein elektrischer Leiter bereitgestellt, der in einer schlechten
Ausführungsform zumindest so leitfähig ist wie
Kupfer, bei optimaler Gestaltung jedoch zumindest die doppelte,
wenn nicht sogar die dreifache Leitfähigkeit wie Kupfer
aufweist. Dadurch wird eine besonders dünne Folie verwendbar.
-
Der
erfindungsgemäße Rotor weist einen Grundkörper
mit ring- oder kreisförmigem Querschnitt auf und elektrische
Leiterelemente. Diese sind erfindungsgemäß zumindest
teilweise als Folienleiter bereitgestellt, die auf der Außenoberfläche des
Grundkörpers angebracht sind, und zwar auf der bei Einbau
des Rotors in eine elektrische Maschine zum Stator weisenden Außenoberfläche.
Diese ist üblicherweise eine zylindrische Außenoberfläche. Bevorzugt
wird die Außenoberfläche optimal dadurch genutzt,
dass sämtliche elektrischen Leiterelemente Folienleiter
sind, und dass diese über 90% und bevorzugt über
95% der zylindrischen Außenoberfläche des Grundkörpers
bedecken. Auch hier können die Folienleiter als Kompositmaterial
aus Kupfer und Kohlenstoffnanoröhren hergestellt sein.
-
Zur
Erfindung gehört auch eine elektrische Maschine, die einen
erfindungsgemäßen Stator umfasst oder alternativ
bzw. und zusätzlich einen erfindungsgemäßen
Rotor umfasst.
-
Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter
Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei
-
1 einen
Querschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß dem
Stand der Technik veranschaulicht;
-
2 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische
Maschine veranschaulicht; und
-
3 einen
Querschnitt durch einen bei der elektrischen Maschine aus 2 verwendeten
Folienleiter zeigt.
-
Bei
einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie sie im Querschnitt in 2 dargestellt
ist, ist die Erfindung beim Stator 10' verwirklicht. Hingegen
ist der Rotor 12 aufgebaut wie im Stand der Technik. Die Erfindung
kann auch am Rotor verwirklicht sein oder sowohl am Stator als auch
am Rotor. Wie oben beschrieben, sind im Stator 10 gemäß dem
Stand der Technik (vgl. 1) Nuten 20 bereitgestellt,
in die elektrische Leiter 22, 24 und 26 angebracht
sind. Bei dem erfindungsgemäßen Stator 10' sind
diese Nuten vollständig entfallen. Als elektrische Leiterelemente sind
anstelle der Wicklungen 22, 24 und 26 des
Standes der Technik Folienleiter 34, 36 und 38 bereitgestellt.
Diese Folienleiter sind an der Innenoberfläche des Grundkörper 12' des
Stators angebracht, die einen kreisförmigen Querschnitt
hat. Die Folienleiter 34, 36 und 38 sind
z. B. aufgeklebt. Sie sind aufgebaut, wie in 3 dargestellt:
Jeder der Folienleiter 34, 36 und 38 besteht
aus einem Träger 40, auf den eine elektrisch leitende
Schicht 42 aufgebracht ist, welche wiederum von einem Isolator 44 überdeckt ist.
Die elektrisch leitende Schicht 42 besteht aus einem Kompositmaterial
aus Kupfer und Kohlenstoffnanoröhren. Dieses Kompositmaterial
ist üblicherweise leitfähiger als Kupfer. Es kann
gegenwärtig bis zur dreifachen Leitfähigkeit von
Kupfer erzielt werden. Da die Folien 34 zudem den Umfang
des Innenkreises des Grundkörpers 12' des Stators 10' quasi
vollständig bedecken (lediglich gegeneinander elektrisch isoliert
sein müssen), braucht das elektrische Leiterelement nicht
mehr lediglich über die Hälfte des Kreisabschnitts
bereitgestellt sein, während die andere Hälfte
durch die Zähne 32 bereitgestellt ist. Somit wird
es möglich, die Folien 34, 36 und 38 mit
einer Dicke bereitzustellen, welche ca. ein Sechstel der Tiefe einer
der Nuten 20 aufweist.
-
Es
hat sich als machbar erwiesen, wenn lediglich 2,0 mm leitfähiges
Material bereitgestellt werden. Bevorzugt ist also die in 3 eingezeichnete Dicke
d1 der leitfähigen Schicht 42 zwischen
1,5 und 3 mm. Die Gesamtdicke d2 der Folienleiter 34, 36 und 38 beträgt
zwischen 2 und 10 mm.
-
Durch
die Verwendung der Folienleiter 34, 36 und 38 wird
es möglich, den Rotor 12 größer
zu gestalten als im Stand der Technik, wenn die Außenabmessungen
des Stators 10' gleich bleiben sollen. Damit wird eine
höhere Leistung bei gleicher Drehzahl erzielt. In 2 sind
auch die Feldlinien 46 eingezeichnet, die bei Beaufschlagung
der Folienleiter 34, 36 und 38 mit Strom
erzeugt werden. Diese Feldlinien sind, wie ein Vergleich mit den
Feldlinien 30 aus 1 zeigt, wesentlich
homogener als im Stand der Technik. Dadurch ist die Laufruhe des
Rotors erhöht, und es entstehen deutlich weniger Geräusche
beim Betrieb der elektrischen Maschine als sie beim Stand der Technik
entstehen.
-
Die
Erfindung kann sowohl wie hier am Ausführungsbeispiel gezeigt
bei einer Asynchronmaschine verwirklicht werden, als auch darüber
hinaus bei einer Synchron- oder Gleichstrommaschine.
-
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
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Wikipedia,
der freien Enzyklopädie in der Fassung vom 19. Februar
2008 [0010]