-
Hintergrund der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Maschinen und
im Besonderen eine Anordnung und ein Herstellungsverfahren für
eine konische Statoranordnung.
-
Elektrische
Motoren und Generatoren haben ein stationäres Element,
das Stator genannt wird, und bewegbare oder drehende Elemente, die
Rotor genannt werden. Die Wechselwirkung zwischen dem Stator und
dem Rotor wird durch die Wechselwirkung auf ein magnetisches Feld
verursacht, das entweder durch den Stator oder den Rotor erzeugt
wird. Solch ein magnetisches Feld wird üblicherweise durch elektrische
Ströme in einer Wicklung erzeugt oder induziert, die entweder
auf dem Stator oder dem Rotor oder beiden angeordnet ist. Die auf
den Rotor wirkenden Kräfte sind eine Funktion der Wechselwirkung der
stator- und der rotormagnetischen Felder und des Hebelarms des Rotors,
der durch den radialen Abstand des magnetischen Felds des Rotors
mit Bezug auf die Achse des Rotors berechnet wird. Solch eine Statorwicklung
umfasst üblicherweise eine Mehrzahl von Spulen, die um
eine Wicklungsunterstützung gewickelt sind. Die Wicklungsunterstützung
ist üblicherweise aus einem weichmagnetischem Material,
das herkömmlicherweise aus dünnen Lagen oder Schichten
von ausgewählten Stahlmaterialien hergestellt ist. Die
Schichten sind voneinander isoliert, um Wirbelströme zu
reduzieren.
-
Es
ist bekannt geworden, geschichtete Stahlmaterialien der Stator-
oder Rotorkerne durch ferromagnetische Pulverpartikel zu ersetzen.
Diese ferromagnetischen Pulverpartikel werden in einem pulvermetallurgischen
Arbeitsgang verdichtet, um die Wicklungsunterstützung zu
bilden. Die ferromagnetischen Pulverpartikel selbst sind elektrisch
voneinander isoliert, so dass das resultierende verdichtete Produkt
einen geringen Wirbelstromverlust in einer ähnlichen Weise
wie bei der Verwendung von geschichteten Stahlmaterialstapeln aufweist.
Diese Verwendung von verdichteten aus ferromagnetischen Pulverpartikeln
bestehenden Metallpartikeln für Kerne von elektrischen
Maschinen ist in den US-Patenten
US 6,956,307 B2 ,
US 6,300,702 B1 und
US 6,441,240 B1 beschrieben.
-
Motoranordnungen
gemäß Stand der Technik verwenden eine signifikante
Menge an Freiraum und können nach der Montage groß und
schwer sein, was das Transportieren des montierten elektrischen Motors
teuer macht. Motoren gemäß Stand der Technik benötigen
eine spezielle Handhabung in Folge der Größe und
des Gewichts, wenn sie installiert und gewartet werden. Darüber
hinaus sind Motoren gemäß Stand der Technik nicht
angeordnet, um modular zu sein und dazu geeignet zu sein, in einzeln transportierbare
Komponenten getrennt zu werden. Anordnungsänderungen erfordern
von den Motorherstellern oft, eine Anlage umzurüsten, um
eine andere Anordnung herzustellen. Das Umrüsten ist im
Allgemeinen sehr teuer und bedingt Ausfallzeiten bei der Produktion,
während die Werkzeuge modifiziert oder ausgetauscht werden.
-
Herkömmliche
Motoren gemäß Stand der Technik verwenden große
Mengen an Kupfer in den Wicklungen, um jeden Pol des Stators zu
bilden. Das erzeugte magnetische Feld steht im Bezug zu der Menge
und Anordnung des Kupfers und des Stroms in den Wicklungen. Die
Energiedichte kann durch die Erhöhung der effektiven Verwendung
von Kupfer und das Maximieren des inneren Oberflächenbereichs des
Stators erhöht werden. Das Erhöhen der Energiedichte
des Motors kann ebenso durch Bilden eines modular geformten Segments
aus den ferromagnetischen Partikeln erreicht werden, um den elektrischen Motor
an den verfügbaren Platz anzugleichen.
-
Symmetrisch
geformte zylindrische Motoren gemäß Stand der
Technik maximieren nicht den verfügbare Montageraum, der
an Installationsorten vorhanden ist. Es ist wünschenswert,
dass der Stator soviel des freien Raums ausfüllt, wie es
zweckmäßig ist, um die Leistung durch Optimieren
der Wechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld des Stators
und des Rotors zu verbessern. Dies produziert einen effizienteren
Motorgenerator. Es ist darüber hinaus wünschenswert,
den radialen Abstand zu maximieren, um die erhöhten radialen
Abmessungen einer konischen Anordnung zweckmäßigerweise zu
nutzen, um den Hebelarm zu vergrößern, um das verfügbare
Drehmoment an der Antriebswelle des Motors zu erhöhen.
Diese Terminologie wird als Energiedichte des Motors betrachtet.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Der
modulare konische Statorpol stellt eine verbesserte konische Statoranordnung
bei elektrischen Maschinen und im Besonderen eine verbesserte konische
Statoranordnung zur Verwendung in elektrischen Motoren und Generatoren
bereit. Die verbesserte konische Statorpolanordnung umfasst eine
Mehrzahl von Statorpolen. Der Statorpol hat ein schmales Ende und
ein breites Ende. Jede Statorkomponente ist an einer konischen Anordnung
einer vorbestimmten Länge bemessen. Benachbarte Statorkomponenten
sind zusammengebaut, um einen konischen Statorpol zu bilden, während
eine Mehrzahl von konischen Statorpolen umfänglich um eine Achse
angeordnet ist, um eine konisch geformte Statoranordnung zu bilden.
-
Jede
Statorpolkomponente umfasst eine Wicklung und einen Zahn, während
der Zahn ein rückwärtiges Eisen, einen Körper
und eine Fläche umfasst. Eine Wicklung ist erzeugt entweder
durch direktes Wickeln auf den Zahnkörper oder durch Vorwickeln
auf eine Haspel oder Spule mit einem offenen Kern und Einsetzen
des Zahns in die Haspel oder Spule oder durch Wickeln um einen Dorn,
um einen offenen Kern zu bilden, und Einsetzen der gewickelten Spule
oder Wicklung auf den Zahn in dem offenen Kern. Die konische Form
kann durch Formen der Fläche jeder Statorpolkomponente
in eine Trapezform mit einem konischen Querschnitt gebildet werden,
um die allgemeine innere und äußere sich verjüngende
Form des Stators zu bilden. Alternativ kann das rückwärtige
Eisen, durch die konische Form gebildet wird, trapezförmig
geformt werden. Das rückwärtige Eisen und die
Fläche können einen parallelogrammförmigen
Querschnitt haben, um die Fläche in einem Winkel zur Achse
anzuordnen, die den konisch geformten Rotorraum bildet. In jeder
Konfiguration ist der Rotorraum in einer konischen Form mit der
Fläche jeder Polkomponente mit einer konkaven radialen
Querschnittsform um die Achse des Stators gebildet, während
die axiale Abmessung in einer nicht parallelen Beziehung zu der
Achse angeordnet ist, was die konische Form des Rotorraums erzeugt.
-
Der
Zahn kann aus ferromagnetischen Pulverpartikeln gebildet sein. Diese
Partikel werden verarbeitet, um im Allgemeinen einzeln isoliert
zu sein. Die ferromagnetischen Pulverpartikel werden in die vorbestimmte
Form für die Zahnspitze und das rückwärtige
Eisen in einem Metallpulverarbeitsgang mittels Pressverdichten und
Hitzebehandeln druckgeformt. Der Zahnkörper kann fest verbunden
mit dem rückwärtigen Eisen gebildet werden, um
den Körper in den offenen Kern der Spule einzusetzen und
die Spule durch Befestigen der Fläche an dem Körper
zu sichern oder der Körper ist fest mit der Fläche
verbunden, während das rückwärtige Eisen
an dem Körper befestigt ist, um die Spule in Position zu
sichern. Der Zahnkörper kann senkrecht zur Statorachse
oder senkrecht zur Statorfläche angeordnet sein.
-
Die
Statorfläche kann als eine vollständig geformte
Fläche des Statorpols mit einer oder mehreren beabstandeten
Zahnkörpern gebildet sein, die sich davon weg erstrecken.
Beispielsweise weist eine Statorfläche drei Zahnkörper
auf, die sich radial von der Statorfläche weg erstrecken
und beabstandet voneinander gebildet sein können. Drei
Spulen, jede Spule hat einen offenen Kern, können auf der
Statorfläche mit einer Spule über jedem Zahnkörper
angeordnet sein. Ein rückwärtiges Eisen und eine
Fläche sind an jedem Zahnkörper befestigt, mit
der Spule zwischen dem rückwärtigen Eisen und
der Fläche, um die Spule auf dem Zahnkörper zu
halten. Wie hierin beschrieben, kann das rückwärtige
Eisen eine Dreisegmentform aufweisen oder es kann drei getrennte
rückwärtige Eisen umfassen, um die drei Spulen
auf den beabstandeten Zahnkörpern zu befestigen, die sich
von der Statorfläche weg erstrecken. Diese ganzheitliche
Statorfläche stellt eine zusätzliche Unterstützung
bereit, um die Spulen in beabstandeter Beziehung zu halten, und
minimiert magnetische Feldunterbrechungen, die durch getrennte Ränder
zwischen getrennten Statorflächen in einer gestapelten
Komponentenanordnung verursacht werden. Das rückwärtige
Eisen und die konische Fläche der Zahnspitze können
beide mit einem einzelnen Zahnkörper gebildet sein, der
eine einzige Wicklung auf dem Statorpol hält.
-
Die
konische Statoranordnung ist aus einer Mehrzahl von Statorpolmitteln
gebildet, von denen jedes ein Erzeugungsmittel umfasst, das mit
einer elektrischen Stromversorgung verbunden ist, ein Unterstützungsmittel,
das aus ferromagnetischen Metallpulverpartikeln gebildet ist und
eine Feldunterstützung definiert, und Ausrichtungsmittel,
die die Erzeugungsmittel in beabstandeter Beziehung zu der Achse
des Rotors halten. Die Feldpolmittel werden mit anderen Feldpolmitteln
angeordnet, um einen Multipolstator zu bilden. Die Trapezformen
und komplexen Winkel der Unterstützungsmitteln ordnen die
Erzeugungsmittel in beabstandeter Beziehung zu der Achse des Stators
an, was einen konischen Rotorraum und/oder eine konische äußere
Statorform bildet.
-
Es
ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass so eine verbesserte
sich verjüngende Statoranordnung eine Form umfasst zum
Optimieren der Energiedichte des Motors und zum Maximieren des verfügbaren
Drehmoments durch einen vergrößerten Hebelarm
an dem großen Ende der konischen Anordnung und zum Vergrößern
der aktiven Länge des Stators. Die konische Anordnung stellt
einen größeren Hebelarm an dem großen
Ende zum Übertragen der Reaktionskräfte der Wechselwirkung
des statormagnetischen Felds und des Rotormagnets bereit, um ein
erhöhtes Drehmoment im Vergleich zu einer zylindrischen
Anordnung bereitzustellen.
-
Das
Drehmoment wird durch den vergrößerten Hebelarm
des größeren radialen Abstandes der Rotorspulen
im Bezug auf die Achse des Rotors erhöht. Dieser vergrößerte
Abstand nutzt den Vorteil der konischen Form des Stators. Darüber
hinaus stellt die konische Form eine vergrößerte
aktive Länge auf dem Statorpol zum Erhöhen des
zum Rotor geleiteten Flusses bereit. Die modulare Form gestattet
dem Motor, sicher in den verfügbaren Raum basierend auf
der jeweiligen Anwendung zu passen.
-
Weiterhin
kann der Rotor axial in Bezug auf den Stator bewegt werden. Der
Rotor wird in eine Richtung von dem kleinen Ende der konischen Form in
Richtung des großen Endes der konischen Form bewegt, um
einheitlich den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator zu ändern,
um die störende elektromotorische Kraft (e. m. f.) zu senken
und den Rotorfluss abzuschwächen, was einen vergrößerten Geschwindigkeitsbereich
für eine Permanentmagnetmotoranordnung erlaubt. Diese Erhöhung
im Luftspalt reduziert die Verluste des Motors und die entsprechende
Flussdichte exponentiell.
-
Jede
Statorkomponente kann als Einzelkomponente zur Montage im Außendienst
durch ein Maschinenmontageteam transportiert werden. Die meisten
Motorausfälle kommen in den Lager oder Wicklungen vor.
Die modulare Anordnung erlaubt es, die Spule von der Statorkomponente
zu entfernen, eine neue Spule auf den Zahnkörper zu schieben
und den Motor neu zusammenzubauen. Darüber hinaus kann im
Fall eines Komponentenausfalls ein modularer Statorkomponententeil
der elektrischen Maschine zum Austausch transportiert werden, ohne
den gesamten Motor auszutauschen. Auf diese Weise ist jeder Pol
des konisch geformten Stators wartbar an dem Motorstandort.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt
eine perspektivische Ansicht des konische geformten Stators, der
den Rotor in Position zeigt.
-
2 zeigt
eine Explosionsansicht von 1, in der
zwei Pole getrennt von dem konisch geformten Stator dargestellt
sind, der elektrisch zum Motor/Generatorbetriebsmodus verbunden
ist.
-
3A zeigt
eine perspektivische Ansicht eines zusammengebauten Statorpols.
-
3B zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht des zusammengebauten Statorpols
aus 3A.
-
4A zeigt
eine perspektivische Ansicht eines zusammengebauten Statorpols einer
zweiten Ausführungsform.
-
4B zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht des zusammengebauten Statorpols
von 4A.
-
5 zeigt
eine perspektivische Schnittansicht von 1 entlang
4-4.
-
6 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Motorgehäuses.
-
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
-
Bezug
nehmend auf 1 umfasst der konisch geformte
Stator 10 eine Mehrzahl von Statorpolen 12, die
umfänglich um eine Statorachse 14 angeordnet sind.
Jeder Pol 12 umfasst einen modular ausgeformten Zahn 16.
Der Zahn 16 weist eine Statorfläche 18 und
einen Zahnkörper 120 (3B) auf.
Die Statorfläche 18 hat eine im Allgemeinen rechtwinklige
Form, die schräg in einem axialen Winkel verläuft, um
die konisch geformte innere Oberfläche 20 zu definieren,
die einen Rotorraum 22 definiert. Ein Rotor 24 ist
drehbar in dem Rotorraum montiert. Der Rotor 24 ist axial
entlang der Achse 14 des Stators ausgerichtet und wird
durch Lager oder ähnliches (nicht dargestellt) in Position
gehalten, um in dem Rotorraum zu drehen. Der Rotor umfasst einen
Kern 26 mit einer Mehrzahl von Magneten 28, die
entlang des äußeren Umfangs 30 angeordnet
sind. Die Magneten 28 sind voneinander durch Unterteilvorrichtungen 32 isoliert.
Jeder Magnet 28 definiert einen Pol auf dem Rotor 24.
Der äußere Umfang 30 ist genau angefertigt,
um einen vorbestimmten Luftspalt 34 zwischen dem Rotor 24 und
dem Stator 10 aufrecht zu erhalten.
-
Der
Stator 10 umgibt den Rotorraum mit einer Mehrzahl von beabstandeten
Statorflächenbereichen 18 jedes Pols 12.
Die Statorflächen 18 sind mit einer gebogenen
inneren Oberfläche 36, einer im Allgemeinen flachen äußeren
Oberfläche 38 und einem Paar von im Wesentlichen ähnlichen
axialen Enden 40 ausgebildet. Die gebogene innere Oberfläche 36 ist
axial konkav, wodurch sich ein Innenraum 20 mit einem kreisförmigen
Querschnitt bildet. Der Zahn 16 kann aus weichmagnetischem
Verbundwerkstoff (SMC) bestehen, der ferromagnetische Metallpulverpartikel
umfasst. Diese Partikel werden verarbeitet, um im Allgemeinen voneinander
isoliert zu sein. Die ferromagnetischen Metallpulverpartikel werden
in die vorbestimmte Form des Zahns 16 in einem Metallpulverarbeitsgang
durch Pressverdichten und Hitzebehandeln druckgeformt.
-
Weiterhin
Bezug nehmend auf 1 umfasst der Zahn 16 weiter
ein rückwärtiges Eisen 56 an der Außenseite
des Zahns 16. Das rückwärtige Eisen 56 ist
an dem Zahn 16 befestigt, um eine Spule 54 zu halten,
die auf dem Zahn zwischen der Zahnfläche 18 und
dem rückwärtigen Eisen 56 angeordnet
ist. Das rückwärtige Eisen 56 hat Ränder 68,
um sich an benachbarten Polen 12 abzustützen,
um die Spule 54 jedes Pols in beabstandeter Beziehung zu
jeder anderen Spule 54 auf den benachbarten Polen 12 zu halten.
-
Die
in 1 gezeigte sich verjüngende Anordnung
bringt ein Drehmoment auf den Rotor 24 als eine Funktion
der zwischen dem Statorpol 12 und dem Magnet 28 auf
dem Rotor 24 wechselwirkenden Kraft und dem Hebelarm auf,
der von dem Luftspalt 34 zu der Achse 14 gemessen
wird. Der Hebelarm ist benachbart zum großen Ende 104 größer
und kleiner am benachbarten kleinen Ende 102 der Statoranordnung 10.
Die Statorfläche 18 ist in einer nicht parallelen
umfänglichen Ausrichtung zur Statorachse 14 angeordnet,
um die sich verjüngende innere Oberfläche 20 des
sich verjüngenden Stators 10 zum drehbaren Aufnehmen
eines sich verjüngend geformten Rotors darin zu bilden.
-
Bezug
nehmend auf 2 sind die Pole 12 entfernbar
um die Achse 14 angeordnet, um einen Multipolstator 10 zu
bilden. Jeder Pol ist aus ferromagnetischen Metallpulverpartikeln
geformt, die in die vordefinierte Form gepresst wurden. Die Pole
sind einzelne felderzeugende Systeme, die die Spule 54 als
ein Erzeugungsmittel und die Zahnspitze 14 als ein magnetische
Feldtragemittel verwenden, um das erzeugte magnetische Feld durch
die Spule zu unterstützen und zu leiten, um mit den Magneten 28 des Rotors 24 wechselzuwirken.
Die axialen Enden 42, die benachbart zu den kleinen Enden 102 sind,
haben eine erste umfängliche Länge und das axiale Ende 44,
das benachbart zum großen Ende 104 ist, hat eine
zweite umfängliche Länge, während die
erste Länge kleiner als die zweite Länge in Folge
der konisch gebogenen Form des Zahns 16 ist. Die winklige Ausrichtung
der axialen Abmessung der Statorfläche 18 zu der
Achse des Stators kann die aktive Länge des gesamten Statorpols 12 um
bis zu 10% erhöhen.
-
Es
sollte verstanden werden, dass die Rotormagneten 28 Permanentmagneten
oder Elektromagneten sein können, die positioniert und
ausgerichtet sind, um einen magnetischen Pol auf dem Rotor 24 zu
bilden. Die Spule 54 ist mit einer elektrischen Vorrichtung 60 verbunden,
die eine Stromversorgung 66 sein kann, um einen Strom in
der Spule 54 zu erzeugen, um ein magnetisches Feld zum
Wechselwirken mit dem Magneten 28 des Rotors 24 zu
erzeugen. Die Spule 54 ist elektrisch durch Leiter 64 verbunden, die
Verbindungsmittel 62 zum elektrischen Verbinden mit der
Stromversorgung 66 aufweisen.
-
Der
dargestellte elektrische Motorstator 10 weist sechs von
zwölf Polen 12 auf, die mit benachbarten rückwärtigen
Eisen 56 von benachbarten Polen 12 aneinander
anliegen und benachbarte Statorflächen 18 von
benachbarten Statorpolen 12 voneinander beabstanden. Der
Statoranordnungsbereich 10 ist mit der Länge von
einer Statorkomponente 12 dargestellt. Allerdings kann,
wie oben diskutiert, ein modularer konischer Statorpol 12 eine
Mehrzahl von axial gestapelten Statorkomponenten aufweisen, um einen
Statorpol 12 mit einer Mehrzahl von Spulen 54 zu
bilden, die in beabstandeter Beziehung gehalten werden und axial
ausgerichtet sind.
-
Der
Motor 10 ist leicht konstruiert und gewartet, durch die
Verwendung von einzelnen Komponenten 12. Die Statorkomponenten 12 sind
umfänglich angeordnet, um den Rotorraum 12 zu
definieren. Dieser modulare Ansatz erlaubt es, eine individuelle Komponente 12 zu
ersetzen und in Position zu warten, ohne den elektrischen Motor
auszutauschen.
-
Bezug
nehmend auf die 3A und 3B ist
ein Statorpol 12 in einer zusammengesetzter Ansicht und
in einer Explosionsansicht dargestellt. Die konische Statoranordnung 10 hat
eine konische innere Oberfläche 20 und einen Rotor 24,
der als versetzter Umriss dargestellt ist. Der Rotor 24 ist
von der Statoranordnung 10 durch einen Luftspalt 34 beabstandet.
Jeder Statorpol ist radial gleich von der Achse 14 beabstandet,
um mit den Magneten 28 auf dem Rotor 24 zu interagieren.
Der konisch geformte Rotor 24 hat ein kleines Ende 122 und
ein großes Ende 124.
-
Die
Spule 54 umfasst eine Mehrzahl von Wicklungen eines leitfähigen
Materials, vorzugsweise Kupfer- oder Aluminiumdraht. Der Draht ist
entlang seiner Länge isoliert, um Kurzschlüsse
zwischen den Wicklungen zu vermeiden. Die Spule 54 kann
ringförmig oder rechteckig in ihrer Form sein, mit einem
offenen Kern 70 (3), und
sie ist durch den Zahn 16 in Position gehalten. Die Spule 54 kann direkt
auf den Zahnkörper 120 gewickelt werden oder sie
kann separat als eine Haspel oder Wicklung auf einem Dorn gebildet
werden. Ein durch die Spule 54 erzeugtes magnetisches Feld
wird durch den Zahn 16 an der Statorfläche 18 geformt
und in den Rotorraum 22 geleitet.
-
Weiterhin
Bezug nehmend auf die 3A und 3B kann
die Statorkomponente 12 aus ferromagnetischen Metallpulverpartikeln
bestehen, die verarbeitet werden, um im Allgemeinen einzeln isoliert
von den anderen Partikeln zu sein. Die Partikel werden in die gewünschte,
vordefinierte Form druckgeformt. Der Zahn 16 umfasst eine
Fläche 18, ein rückwärtiges
Eisen 56 und einen Zahnkörper 120. Der
Zahn 16 kann derart ausgeformt sein, dass der Zahnkörper 120 fest
mit dem rückwärtige Eisen 56 oder der
Zahnfläche 18 ausgeformt ist. Der Zahnkörper 120 agiert
als eine Wicklungsunterstützung für die Spule 54 sowie
als Flussleiter oder -führer, um ein magnetisches Feld
zu formen und zu unterstützen, das durch Strom in dem Draht 64 erzeugt
wird, der die Spule 54 mit Strom versorgt. In der Ausführungsform
der 3A, 3B, 4A und 4B ist
der Zahnkörper 120 fest mit dem rückwärtigen
Eisen 56, 156 an einem ersten Ende 126 des
Zahnkörpers 120 ausgeformt und die Zahnfläche
ist mit einem zweiten Ende 128 des Zahnkörpers 120 verbunden.
-
Die
Spule 54 ist zwischen dem ersten Ende 126 und
dem zweiten Ende 132 gelagert. Das zweite Ende 128 des
Zahnkörpers 120 erstreckt sich durch den offenen
Kern 70 und in eine Tasche 137 und ist dadurch
entfernbar an der Zahnfläche 18 unter Verwendung
von Klebemitteln oder Befestigern angeordnet. Die Zahnfläche 18 hat
eine Zahntasche 137, die darin gebildet ist, um das zweite
Ende 128 aufzunehmen.
-
Bezug
nehmend auf die 4A und 4B kann
die Zahntasche 137 eine Durchgangsöffnung in der
konkave Fläche 118 des Zahns 116 sein.
Der Zahn 116 umfasst ein rückwärtiges
Eisen 156, einen Zahnkörper 120 und eine
Zahnfläche 118 mit einer konkaven inneren Oberfläche.
Die Spule 154 ist um den Zahnkörper 120 angeordnet
und zwischen der Fläche 118 und dem rückwärtigen
Eisen 156 befestigt. Das zweite Ende 128 kann
eine konkave Oberfläche 136 aufweisen, die angepasst
ist, um sich mit der Zahnfläche 118 auszurichten,
um einen Bereich der konkaven inneren Oberfläche 20 des
Rotorraums 22 (1) zu bilden, wenn das zweite
Ende in der Tasche 137 angeordnet ist.
-
Bezug
nehmend auf 5 ist ein Querschnittbereich
der sich verjüngend geformten Statoranordnung 10 dargestellt,
die entlang eines Radius des Stators 10 geschnitten ist.
Der Querschnitt jedes Statorpols 12 hat eine Parallelogrammform,
deren Enden rechtwinklig zu der Achse 14 angeordnet sind
und deren Seiten (Fläche und rückwärtiges
Eisen) 18, 56 in einem spitzen Winkel zu der Achse
orientiert sind, um die konische Form zu bilden. Der parallelogrammförmige
Zahn 16 kann durch Formen der Fläche 18 in
eine ebene Konfiguration gebildet werden. Der Körper ist
radial ausgerichtet und das rückwärtige Eisen
ist mit abgewinkelten Enden ausgebildet, um im zusammengebauten
Zustand mit der Wicklungsunterstützung und der Fläche
eine Parallelogrammform zu erzeugen, die die Seiten von der Achse
weg geneigt hat, um die konische Form zu bilden. Alternativ kann
die Statoranordnung in konischer Form angeordnet werden, mit einem
sich radial erstreckenden Querschnitt, der entlang der Achse geneigt
ist, um die gesamte konische Form 98 des Rotorraums 22 zu
bilden. Das rückwärtige Eisen 56 kann
mit einer Trapezform (3A) geformt werden, wodurch
sich die konische Form 88 bildet. In jeder Konfiguration
ist der Rotorraum 22 in einer konischen Form 98 ausgebildet,
was die benachbarten Flächen 18 veranlasst, eine
konkave Oberfläche 20 um die Achse 14 des
Stators 10 zu bilden, während die axialen Abmessungen
in einer nicht parallelen Beziehung zu der Achse 14 angeordnet
sind, was den konisch geformten Rotorraum 22 erzeugt.
-
Bezug
nehmend auf 6 ist ein Gehäuse 100 gezeigt,
das ein kleines Ende 102 und ein großes Ende 104 hat,
um die konische Statoranordnung 10 (1) zu beinhalten.
Eine Ausrichtungsrippe 106 kann auf der inneren Oberfläche 108 des
Gehäuses 100 angeordnet sein, das radial einen
Ausrichtungskanal 74 auf bestimmten Statorpolen 12 (1)
ausrichtet. Die Ausrichtungsrippe 106 greift in den Ausrichtungskanal 74 (2)
auf den Statorpolkomponenten 12 ein, um die Statorkomponenten 12 radial ausgerichtet
zu halten (1).
-
Im
Betrieb ist die Statorkomponente 10 mit der Spule 12 angeordnet,
die auf den Zahn 16 zwischen dem rückwärtigen
Eisen 56 und der Zahnfläche 18 gehalten
ist. Der Zahnkörper 120 ist fest mit entweder
der Zahnfläche 18 oder dem rückwärtigen Eisen 56 ausgeformt.
Die nicht integral ausgeformten Teile sind mittels Klebemitteln,
Befestigern oder anderen Befestigungstechniken befestigt. Beispielsweise
ist, wenn der Zahnkörper 120 fest mit dem rückwärtigen
Eisen 56 ausgeformt ist, wie in 3 dargestellt,
die Fläche 18 mit dem zweiten Ende 132 des Körpers 120 beabstandet
von dem rückwärtigen Eisen 56 angeordnet.
Jede Spule 54 hat ein Verbindungsstück 64,
das sich von der Wicklung erstreckt, um die Spule 54 elektrisch
mit einer Stromquelle 66 zum Bereitstellen eines magnetischen
Felds an dem Statorpol 10 oder zu einer leistungsverbrauchenden Vorrichtung
zu verbinden, wenn das Segment als ein Generator angeschlossen ist.
Die axialen Ränder 68 der benachbarten Zahnflächen 18 können
aneinander anliegen, um eine glatte konkave innere Oberfläche 20 zu
bilden, oder sie können in beabstandeter Beziehung wie
in 1 dargestellt gehalten werden. Die axialen Enden
von benachbarten rückwärtigen Eisenkomponenten 56 können
aneinander anliegen, um die kontinuierliche äußere
konische Form 88 (1, 5)
der rückwärtigen Eisenstruktur 56 zu formen,
oder sie können in beabstandeter Beziehung durch die Ausrichtungsrippen 106 (6)
gehalten werden.
-
Der
Stator 10 ist unter Verwendung der folgenden Schritte angeordnet,
nicht notwendigerweise in der aufgeführten Reihenfolge:
Formen
eines Statorpols umfassend einen Zahn 16 mit einem Zahnkörper 120,
einem rückwärtigen Eisen 56 und einer
Zahnfläche 18 aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff
(SMC) mit ferromagnetische Metallpulverpartikel, während
das rückwärtige Eisen eine komplexe Trapezform
mit komplexen Winkeln zum Bilden eines konisch geformten Stators 10 aufweist,
wenn es zusammen mit anderen ähnlichen Zähnen 16 angeordnet
ist, während die Trapezform eine äußere
Oberfläche hat, die von einer Achse 14 des Stators 10 in
einem ersten radialen Abstand benachbart dem kleinen Ende 102 des
konisch geformten Stators 10 beabstandet ist und die in
einem zweiten radialen Abstand benachbart dem großen Ende 104 des
konisch geformten Stators 10 beabstandet ist, wobei der
zweite radiale Abstand größer ist als der erste
radiale Abstand;
Ausformen des Zahnkörpers integral
mit entweder dem rückwärtigen Eisen oder der Zahnfläche;
Wickeln
einer Spule auf einen Dorn und eine Haspel, während die
Spule mit einem vorbestimmten Draht mit einer Dicke gewickelt wird,
wobei der Draht für eine vorbestimmte Anzahl von Wicklungen
um den Dorn oder die Haspel gewickelt wird, um eine Mehrzahl von
Wicklungen und einen offenen Kern 70 in der Mitte zu bilden;
Positionieren
der Spule auf dem Zahn 16 mit dem Zahnkörper 120,
der sich durch den offenen Kern 70 erstreckt;
Befestigen
der Spule auf dem Zahnkörper 120 zwischen dem
rückwärtigen Eisen an einem ersten Ende des Zahnkörpers
und der Zahnfläche 18 an dem zweiten Ende des
Zahnkörpers;
Bilden einer Tasche 137 auf
der Zahnfläche 18, wenn der Zahnkörper
fest mit dem rückwärtigen Eisen ausgeformt ist,
wobei die Zahntasche 137 zum Aufnehmen des Zahnkörpers 120 dient
und die Zahnfläche angepasst ist, so montiert zu werden,
dass eine innere Oberfläche 20 der Fläche
in einem dritten radialen Abstand von der Achse 14 des Stators 10 benachbart zum
großen Ende 104 des Stators beabstandet ist und
in einem vierten radialen Abstand von der Achse des Stators 10 benachbart
dem kleinen Ende 102 des Stators beabstandet ist, wobei
der dritte Abstand größer ist als der vierte Abstand,
um den konisch geformten Rotorraum 22 zu bilden, sowie
Befestigen der Zahnfläche an dem Zahn durch Einsetzen des Zahnkörpers
in die Tasche 137, um die Spule 54 zwischen der
Zahnfläche 18 und dem rückwärtigen
Eisen 56 zu befestigen, während die Zahnfläche 18 an dem
Zahnkörper 120 durch Klebemittel oder Befestiger
befestigt ist;
Bilden einer Tasche in dem rückwärtigen
Eisen 56, wenn der Zahnkörper fest mit der Zahnfläche 18 ausgebildet
ist, während die Zahnfläche geeignet ist, um ein
erstes Ende des Zahnkörpers aufzunehmen, um das rückwärtige
Eisen zum Befestigen an dem Zahnkörper anzupassen, um die
Spule in Position zu halten, sowie Befestigen des rückwärtigen
Eisens an dem Zahn durch Einführen des ersten Endes des Zahnkörpers
in die Tasche auf dem rückwärtigen Eisen 56,
um die Spule 54 zwischen der Zahnfläche 18 und
dem rückwärtigen Eisen 56 zu befestigen,
wobei das rückwärtige Eisen an dem Zahnkörper 120 durch Klebemittel
oder Befestiger befestigt ist; und
Umfängliches Anordnen
einer Mehrzahl von Statorpolen 12 um eine Achse 14,
wobei die Statorpole durch Befestiger, ein Gehäuse 100 oder
andere bekannte Haltermittel in Position gehalten werden, während
die Statorpole 12 eine konisch geformte Statoranordnung 10 mit
einem konisch geformten Rotorraum 22 bilden.
-
Im
Betrieb kann der Rotor 24 axial bewegt werden, um den Luftspalt 34 zwischen
dem Rotor 24 und dem Stator 10 zu vergrößern
oder zu verkleinern. Die Bewegung des Rotors 24 axial im
Bezug auf den Stator 10 verändert den Luftspalt über
die gesamte Statoranordnung gleichmäßig. Der Rotor 24 wird
in einer Richtung von dem kleinen Ende 102 des konisch
geformten Stators 10 in Richtung des großen Endes 104 des
konisch geformten Stators 10 bewegt, um gleichmäßig
den Luftspalt 34 zwischen dem Rotor 24 und dem
Stator 10 zu vergrößern, um störenden
elektromotorische Kräfte (e. m. f.) zu erniedrigen, und
den Rotorfluss zu dämpfen, was einen vergrößerten
Geschwindigkeitsbereich für Permanentmagnetmotoren erlaubt.
-
Die
vorliegende Erfindung ist dargestellt und beschrieben worden unter
Bezugnahme auf die vorangegangenen beispielhaften Ausführungsformen. Es
muss allerdings verstanden werden, dass andere Formen, Details und
Ausführungsformen hergestellt werden können, ohne
sich von der Idee und dem Bereich der Erfindung zu entfernen, die
in den folgenden Ansprüchen definiert ist.
-
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
-
- - US 6956307
B2 [0003]
- - US 6300702 B1 [0003]
- - US 6441240 B1 [0003]