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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Maschinen und
im Besonderen auf Anordnung und Herstellungsverfahren für
elektrische Motoren, im Speziellen auf eine Statorpolanordnung.
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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, welches entweder durch den Stator oder den Rotor erzeugt
wird. Dieses magnetische Feld wird üblicherweise durch elektrische
Ströme in einer Wicklung entweder auf dem Stator oder dem
Rotor oder auf beiden erzeugt oder induziert. Diese Wicklung umfasst üblicherweise
eine Mehrzahl an Spulen, die um eine Wicklungsunterstützung
gewickelt sind. Die Wicklungsunterstützung umfasst üblicherweise
ein weichmagnetisches Material, das herkömmlicherweise
aus dünnen Lagen oder Schichten von ausgewählten
Stahlmaterialien hergestellt wird. Diese Schichten sind voneinander
isoliert, um Wirbelströme zu reduzieren. Die Rotationskräfte
auf den Rotor um die Achse des Rotors sind eine Funktion der Wechselwirkung
der stator- und rotormagnetischen Felder. Die Kräfte werden in
einem radialen Abstand von der Achse erzeugt, was ein Drehmoment
an dem Rotor resultierend aus der Kraft der Wechselwirkung und dem
Hebelarm des Rotors erzeugt. Der Hebelarm wird durch den radiale
Abstand des magnetischen Feldes des Rotors in Bezug auf die Achse
des Rotors berechnet.
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Ein
Anliegen in der Gestaltung solcher elektrischer Motoren ist das
Bedürfnis oder der Wunsch den freien Raum durch Verbessern
der Fülldichte der Segmente zu reduzieren. Es ist wünschenswert, dass
die Segmente so viel freien Raum füllen, wie es zweckmäßig
ist, um die Wechselwirkung zwischen den elektromagnetischen Feldern
zwischen dem Stator und dem Rotor zu verbessern, was einen effizienteren
Motorgenerator ergibt. Diese Terminologie wird als Energiedichtedichte
des Motors betrachtet.
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Es
ist bekannt geworden, geschichtete Stahlmaterialien des Stator-
oder Rotorkerns mit ferromagnetischen Pulverpartikeln zu ersetzen.
Diese ferromagnetischen Partikel 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
niedrigen Wirbelstromverlust in einer ähnlichen Weise wie
bei der Verwendung von einem Stapel aus Stahlmaterialschichten aufweist.
Diese Verwendung von verdichteten Metallpartikeln bestehend aus
ferromagnetischen Pulverpartikeln für Kerne elektrischer Maschinen
ist in den US-Patenten
US
6,956,307 B2 ,
US
6,300,702 B1 und
US
6,441,530 B1 beschrieben.
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Die
Motorausführungen gemäß Stand der Technik
verwenden eine erhebliche Menge an Freiraum und können
groß und schwer sein, wenn sie montiert sind, was den Transport
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
oder gewartet werden. Darüber hinaus sind Motoren gemäß Stand
der Technik nicht angeordnet, um modular zu sein und geeignet zu
sein, in separat transportierbare Komponenten getrennt zu werden. Anordnungsveränderungen
am Motor erfordern außerdem oft von den Motorherstellern
eine Anlage umzurüsten, um eine andere Anordnung herzustellen. Das
Umrüsten ist im Allgemeinen sehr teuer und bedingt Ausfallzeiten
in der Produktion während die Fertigungsmittel modifiziert
oder ersetzt werden.
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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 zur Menge und
Anordnung des Kupfers sowie zu dem Strom in den Wicklungen. Die
Energiedichte kann durch Erhöhen der effektiven Verwendung
des Kupfers und 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 Raum anzupassen.
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Motoren
gemäß Stand der Technik erfordern außerdem
den Rückbau und das vollständige Demontieren,
um den Stator zu warten oder zu reparieren. Es besteht ein Bedarf
für eine modulare Motoranordnung, die in Segmenten zu einem Installationsstandort
transportiert werden kann, worin jedes Segment optimiert werden
kann, um ein magnetisches Feld einer vorbestimmten Stärke
durch die Anordnung der Statorfläche zu erzeugen, um den
verfügbaren Einbauraum zu optimieren, sowie durch die optimale
Verbindung von Kupferwicklungen, um Strom durch das Statorsegment
zu leiten, um dieses magnetische Feld zu erzeugen. Darüber
hinaus besteht ein Bedarf für eine modulare Motoranordnung,
um alternative Ausführungsformen durch Stapeln einer vorbestimmten
Anzahl von Segmenten zu erlauben, um einen Stator einer vorbestimmten
Länge zu bilden, um für eine spezielle Anwendung
entworfene Leistungscharakteristiken ohne Umrüsten der
Motorherstellungsanlagen zu erzeugen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Statoranordnung für
eine elektrische Maschine und im Besonderen eine verbesserte Statoranordnung
zur Verwendung in elektrischen Motor- oder Generatoranwendungen
in Abhängigkeit von der Konfiguration bereit. Die verbesserte
Statoranordnung umfasst eine Mehrzahl von Komponenten, die getrennte
Statorpole bilden. Und sie umfasst eine Mehrzahl von zusammen angeordneten
Statorpolen, um eine vollständige Statoranordnung zu bilden.
Die Anzahl der Pole wird durch die gewünschte Motorcharakteristik
bestimmt. Jeder Pol weist eine vorbestimmte Anzahl an Komponenten
auf, die von einem ersten Ende des Stators zu dem zweiten Ende gestapelt
sind. Die Anzahl der Komponenten in jedem Pol wird aufgrund der
Charakteristik der gewünschten elektrischen Maschine berechnet.
Die Statoranordnung wird als im Allgemeinen zylindrische Struktur verstanden.
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Jede
Komponente der Statoranordnung in einem resultierenden elektrischen
Motor umfasst eine Wicklung für das Verbinden mit einer
elektrischen Quelle, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, und einen
Zahn zum Führen und Formen des elektrischen Felds für
die Wechselwirkung mit einem bewegbaren Rotoranteil. Der Zahn umfasst
ein rückwärtiges Eisen, einen Körper
und die Fläche. Die Wicklung wird entweder durch Wickeln
direkt auf den Zahnkörper oder durch Vorwickeln auf einer
Haspel bzw. Spule und Einsetzen des Zahns in die Haspel bzw. Spule
oder durch Wickeln um einen Dorn und Aufsetzen der gewickelten Spule
oder Wicklung auf den Zahn erzeugt.
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Jede
Statorkomponente kann in einzelne Komponenten für die Montage
im Außendienst durch ein Maschinenmontageteam transportiert
werden. Darüber hinaus kann im Falle eines Komponentenausfalls
ein modulares Teil der elektrischen Maschine für den Austausch
geliefert werden, ohne den gesamten Motor auszutauschen. Die meisten
Motorausfälle treten in den Lager oder den Wicklungen auf.
Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, das so eine verbesserte
Statoranordnung eine modulare Anordnung der Statorkomponenten zum
Austausch der Wicklung zur einfachen Wartung umfasst.
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Ein
Mittel zum Anordnen einer modularen Statoranordnung ist beschrieben
mit Mitteln zum Erzeugen eines magnetischen Felds, das auf Wicklungsunterstützungsmitteln
in Position gehalten wird. Positionierungsmittel halten die Mittel
zum Erzeugen des magnetischen Felds in beabstandeter Beziehung zu
benachbarten magnetischen Feldmitteln in derselben Statorpolanordnung
und in benachbarten Statorpolen. Ein Mittel für die Stromversorgung
der Feldmittel ist mittels Verbindungsmitteln mit den Feldmitteln verbunden.
Die Unterstützungsmittel werden in ausgerichteter Beziehung
mittels eines Ausrichtungsmittels auf der Außenseite der
Unterstützungsmittel gehalten. Eine Mittel zum Einschließen
wird als ein Sicherungsmittel verwendet, um die Mehrzahl an Feldmitteln
in beabstandeter Beziehung und die Mehrzahl von Statorpolen in ihrer
jeweiligen Winkelposition um die Achse des Stators herum zu halten.
Ein Mittel zum Hinzufügen einer zusätzlichen Statorkomponete zum
Statorpol oder Ersetzen einer ausgefallenen Statorkomponente oder
eines Komponententeils ist durch abnehmbares Anordnen der Komponenten
in einem Statorpol bereitgestellt, indem die Anordnung demontiert,
die Komponente ausgetauscht und die Anordnung wieder zusammengesetzt
werden kann.
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Ein
Verfahren zum Zusammenbauen eines modularen Stators umfasst: Bilden
einer Mehrzahl von Statorkomponenten, wovon jede Statorkomponente
einen aus ferromagnetischen Metallpulverpartikeln gebildeten Zahn
aufweist, der einzelne einzeln isolierte Partikel aufweist; Bilden
einer Spule umfassend eine vorbestimmte Anzahl an Drahtwicklungen um
einen Dorn, während die Spule eine mittige Öffnung
hat; Anordnen der Spule auf dem Zahn durch Erstrecken des Zahns
durch die mittige Öffnung; Befestigen der Spule zwischen
einer Statorfläche an dem Zahn und einem rückwärtigen
Eisen an dem Zahn; Stapeln einer ersten Mehrzahl von Statorkomponenten,
um einen ersten Statorpol zu bilden, während die Spulen
in beabstandeter Beziehung gehalten werden; Zusammenbauen eines
zweiten Statorpols durch Stapeln einer zweiten Mehrzahl von Statorkomponenten,
während die Spulen in beabstandeter Beziehung gehalten
werden; Zusammenbauen des ersten und des zweiten Statorpols jeweils
in einer entsprechenden Winkelposition um eine Statorachse, um einen
Multipolstator zu bilden, der die benachbarten Spulen des ersten
und zweiten Statorpols in beabstandeter Beziehung hält;
Befestigen der Statorpole in Position durch Umgeben des Stators
mit einem Gehäuse.
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Ein
Statorpolsystem umfassend eine modulare Anordnung von Statorkomponenten,
die in Gruppen gestapelt sind, die eine Mehrzahl von Statorpolen
bilden. Jeder Statorpol weist eine Mehrzahl von Statorkomponenten
auf, wovon jede ein unabhängiges felderzeugendes System
umfasst, das eine Spule und einen Zahn aufweist. Die Spule zum Erzeugen des
magnetischen Felds, wenn sie an eine elektrische Stromversorgung
angeschlossen wird, und den Zahn, um die Spule in einer vorbestimmten
Position mit Bezug auf eine Achse des Stators und in beabstandeter
Beziehung zu benachbarten Spulen zu halten. Der Zahn ist aus ferromagnetischen
Metallpulverpartikeln zum Unterstützen der Spule gebildet. Das
Statorpolsystem erlaubt den Austausch von einzelnen Statorkomponenten
oder einzelnen Spulen in den felderzeugenden Systemen entlang der
einzelnen Statorpole.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Paares von Statorkomponenten,
die mit einer Wicklung auf jeder Statorkomponente montiert sind.
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2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht eines einzelnen Zahns, die
die Komponenten einzeln darstellt.
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3 ist
ein modularer Abschnitt eines angeordneten Stators eines zwölfpoligen
elektrischen Motors.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
eine perspektivische Explosionsansicht der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einer Wicklung.
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6 ist
eine perspektivische teilweise Explosionsansicht eines Statorpolabschnitts,
der aus einem Stapel von Komponenten der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht.
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7 ist
eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 ist
eine perspektivische Ansicht eines Motorgehäuses.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Bezug
nehmend auf 1 weist die Statorkomponente 10 eine
Unteranordnung 11 auf, die eine Spule 12 und einen
Zahn 13 umfasst. Der Zahn 13 umfasst ein rückwärtiges
Eisen 14, einen Zahnkörper 16 (2)
und eine Zahnspitze 17. Die Zahnspitze 17 umfasst
eine Statorfläche 18 mit einer im Allgemeinen
rechteckigen Form, einer gebogenen inneren Oberfläche 22 nächst
zum Rotor, eine im Allgemeinen flache äußere Oberfläche 23 auf
dem Zahnkörper und ein Paar von im Wesentlichen ähnlichen
axialen Enden 24. Die gebogene innere Oberfläche 22 ist
konkav entlang der Achse des elektrischen Motors, um einen gleichmäßigen
Luftspalt zu einem drehenden Rotor (nicht gezeigt) bereitzustellen,
der um die Achse 25 (3) des Motors
rotiert. Der Luftspalt beabstandet die gebogene innere Oberfläche 22 vom Rotor,
um eine konstante Wechselwirkung des Rotors mit dem magnetischen
Feld des Statorpols 50 (3) bereitzustellen.
Die Zahnspitze 17 ist aus weichmagnetischen Verbundwerkstoffen
(SMC) gebildet, die ferromagnetische Metallpulverpartikel umfassen.
Diese Partikel werden verarbeitet, um im Allgemeinen gegenseitig
isoliert zu sein. Die ferromagnetischen Metallpulverpartikel werden
in die jeweilige gewünschte Form für die Zahnspitze 17 in
einem Metallpulverarbeitsgang mittels Pressformverdichten und Hitzebehandeln
druckgeformt.
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Weiterhin
Bezug nehmend auf 1 weist die Zahnspitze eine
im Allgemeinen ähnliche Querschnittsabmessung über
ihre axiale Länge auf. Die Spule 12 umfasst eine
Mehrzahl von Wicklungen eines leitfähigen Materials, vorzugsweise
Kupfer oder Aluminiumdraht 19. Der Draht 19 ist
entlang seiner Länge isoliert, um Kurzschlüsse
zwischen den Wicklungen zu verhindern.
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Bezug
nehmend auf 2 kann die Spule 12 eine
ringförmig oder rechteckig Form haben und sie wird in ihrer
Position auf dem Zahn 11 durch den Zahnkörper 16 gehalten,
der in den offenen Kern 36 der Spule 12 eingesetzt
ist und sich durch diesen erstreckt. Der Zahnkörper 16 erstreckt
sich von dem rückwärtigen Eisen 14 hin
zu der Statorfläche 18 mit der dazwischen gehaltenen
Spule. Die Spule 12 kann direkt auf den Zahn 11 gewickelt
werden oder sie kann separat auf einer Haspel oder Spule gebildet werden
oder sie kann um einen entfernbaren Dorn gewickelt werden. Die Spule 12 mit
dem offenen Kern 36 ist auf dem Zahn 11 als ein
separates Teil der Statorkomponente 10 angeordnet, indem
der Zahnkörper 16 durch die Spule 12 geschoben
wird. Die Spule 10 kann eine Anzahl von Wicklungen unter
Verwendung eines leitfähigen Drahts 19, beispielsweise
aus Kupfer oder Aluminium, mit einer für die vordefinierte Anwendung
ausgelegten jeweiligen Stromstärke aufweisen. Beispielsweise
kann eine Spule 12 fünfhundert (500) Windungen
(Wicklungen) eines Nummer 18 Kupferdrahts 19 aufweisen.
Die Spule 12 ist mit einer elektrischen Stromversorgung
unter Verwendung des Verbindungsstücks 26 verbunden,
um mit einem elektrischen Strom versorgt zu werden, um ein magnetisches
Feld in dem Stator zu erzeugen, wie es in der Elektromotortechnik
bekannt ist. Die Verbindungsstücke 26 können
parallel oder in Serie verbunden sein oder sie können einzeln
gesteuert sein. Einzeln gesteuerte Komponenten 10 können
einen Schalter zum Einschalten oder Ausschalten eines oder mehrerer
Segmente haben, um die Leistungscharakteristik des Motors zu ändern.
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Weiterhin
Bezug nehmend auf 2 umfasst das rückwärtige
Eisen 14 zwei spiegelbildliche Komponenten, die zum einfachen
Zusammenbauen auf dem Zahn 11 und Positionieren benachbart
zur Spule 12 geeignet sind. Das rückwärtige
Eisen 14 hat eine innere Oberfläche 27 und
eine äußere Oberfläche 29 und
ist in ein erstes Stück 38 und ein zweites Stück 40 getrennt,
um eine zweiteilige Anordnung auf dem Zahn 11 zu bilden.
Das rückwärtige Eisen 14 kann alternativ
eine einzige Komponente mit einer Zahntasche umfassen, die als ein
Durchgangsloch 37 oder Blindloch ausgebildet ist, um den
Zahn 11 abhängig von der jeweiligen Anwendung
zu befestigen. Das rückwärtige Eisen 14 besteht
aus ferromagnetischen Metallpulverpartikeln, die jeweils einzeln isoliert
sind und gebildet sind, um einen leitfähigen Fließkanal
zu erzeugen, um den durch das magnetische Feld der Spule 12 erzeugten
Fluss zu führen. Die Verwendung von isolierten ferromagnetischen Metallpulverpartikeln
stellt magnetische Feldunterstützung in einer konfigurierbaren
Weise zum Führen des magnetischen Feldes ohne Kurzschlüsse
zwischen einzelnen Metallpulverpartikeln bereit.
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Bezug
nehmend auf 2 ist die einzelne Statorkomponente 10 in
einer Explosionsansicht gezeigt, um den Zahnkörper 16 mit
einem ersten Ende 31, das an der äußeren
Oberfläche 23 der Zahnspitze 17 befestigt
ist, und mit einem zweiten Ende 32 darzustellen, das von
der Zahnspitze 17 beabstandet ist, um sich durch den offenen
Kern 36 der Spule 12 zu erstrecken und in das
rückwärtige Eisen 14 einzugreifen. Der
Zahnkörper 16 kann in seiner Länge oder
radialen Abmessung senkrecht zur Zahnspitze 17 variieren,
abhängig von der Größe der zu verwendenden
Spule 12. Diese konfigurierbare radiale Abmessung erlaubt
es, die Spule 12 basierend auf Anordnungsspezifikationen
für eine jeweilige Drahtgröße, die in
der Spule gewickelt ist, und für eine jeweilige Anzahl
von Wicklungen zu bilden, um eine vorbestimmte magnetische Kraft
basierend auf dem an der Spule 12 angelegten elektrischen
Strom zu bilden. Jede Wicklung in der modularen Anordnung weist stromführenden
Draht auf, der um den Zahn 11 gebildet ist, während
der Draht axial und tangential entlang der Statoranordnung 50 (3)
ausgerichtet ist. Diese modulare Anordnung gestattet es, mit dem Draht 19 die
Stärke des magnetischen Feldes durch die Gesamtmasse des
in der Statorpolanordnung 50 (3) befindlichen
Drahts im Gegensatz zu Stand der Technik Anordnungen zu optimieren,
in denen der Draht axial entlang des Statorpols gewickelt ist und
nur tangential an den Enden des Statorpols 52 (3)
eingreift.
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Weiterhin
Bezug nehmend auf 2 besteht das rückwärtige
Eisen 14 aus zwei spiegelbildliche Komponenten 38, 40.
Diese zwei Komponenten haben jeweils eine konkave äußere
Oberfläche 29, eine innere Oberfläche 27,
die angepasst ist, um sich an der Spule 12 abzustützen,
eine axiale Fläche 46 und eine Zahnspitzenfläche 48.
Aus der Zahnspitzenfläche 48 wurde Material entfernt,
um das Zahnloch 37 zu bilden, um mit dem Zahnkörper 16 in
Eingriff zu gelangen und dagegen zu drücken, um das rückwärtige Eisen
an dem Zahnkörper zu befestigen und die Spule 12 gegen
die Statorfläche zu halten. Die axiale Fläche 46 ist
angepasst, um gegen die rückwärtige Eisenkomponente
der benachbarten Statorkomponenten zu drücken und benachbarte
Statorkomponenten 10 mit einem vorbestimmten Abstand zu
beabstanden. Gestapelte Statorkomponenten 10 werden in
beabstandeter Beziehung gehalten, um die entsprechenden Spulen 12 in
Position entlang des Stapels und beabstandet mit einem vorbestimmten Abstand
von den Spulen 12 der benachbarten Komponenten 10 zu
positionieren, um die Statoranordnung 52 zu bilden. Die
Zahnspitzenfläche 48 ist angepasst, um umgebend
mit dem zweiten Ende 32 des Zahns in Eingriff zu gelangen.
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Weiterhin
Bezug nehmend auf 2 sind der Zahn 11 und
die Zahnspitze 17 aus ferromagnetischen Metallpulverpartikeln
gebildet, die verarbeitetet werden, um im Allgemeinen einzeln von
den anderen Partikeln isoliert zu sein. Die Partikel sind in eine
gewünschte, vorbestimmte Form druckgeformt. Wie gezeigt,
wurde aus der rückwärtige Eisenfläche 16 Material
entfernt, um die Zahntasche 37 an den zueinander passenden
Zahnspitzenflächen 48 zu bilden, um die Zahnspitze 11 zum
Halten der Spule 12 in Position und zum Leiten des magnetische
Felds zu umgeben und mit dieser in Eingriff zu gelangen. Auf diese
Weise agiert der Zahn 11 sowohl als eine Wicklungsunterstützung
als auch als Flussleiter oder Flussführer, um ein durch
einen Strom in der Spule 12 erzeugtes magnetisches Feld
zu formen und zu unterstützen.
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Bezug
nehmend auf 3 ist ein Teil einer zwölfpoligen
Statoranordnung 50 dargestellt, die eine Mehrzahl von gemeinsam
verbauten Statorkomponenten 10 aufweist. Ein Teil des elektrischen
Motorstators 50 ist mit drei Statorkomponenten 10 in
axialer Länge dargestellt. Jeder Statorpol 52 ist
radial gleich von der Achse 54 beabstandet, um mit den Spulen 12 wechselzuwirken
und ein magnetisches Feld entlang des Statorpols 52 zu
unterstützen. Jede Statorkomponente 10 ist axial
mit benachbarten Komponenten 10 verbunden und durch Befestiger, ein
Bindungsmittel wie beispielsweise Klebemittel (nicht dargestellt)
oder durch Platzieren in einem Gehäuse 380 (8)
in Position gehalten, um einen Statorpol 52 zu bilden.
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Weiterhin
Bezug nehmend auf 3 hat das rückwärtige
Eisen 14 ein Paar von gegenüberliegenden umfänglichen
Flächen 39, um gegen die umfänglichen
Flächen 39 der benachbarten Statorkomponenten 10 in
benachbarten Statorpolen 52 zu drücken. Die umfänglichen
Endflächen 39 stützen sich an Statorkomponenten
in benachbarten Statorpolen 52 ab, um die Spule 12 in
beabstandeter Beziehung zu den Spulen 12 in den benachbarten
Statorkomponenten 10 in benachbarten Statorpolen 52 zu
halten. Die axiale Fläche 46 stützt sich
an benachbarten Statorkomponenten in dem Statorpol 52 Stapel
ab, um die Spule 12 in beabstandeter Beziehung zu den in den
Statorpolen 52 gestapelten Spulen 12 zu halten.
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Wie
unter Bezug auf die 1 und 2 diskutiert
besteht jede Statorkomponente 10 aus einer Unteranordnung
mit einer Wicklung 12 auf einem Zahn 13. Der resultierende
elektrische Motor oder Generator ist durch die Anzahl der einen
Motorstatorpol 52 bildenden zusammengebaute axial gestapelten
Komponenten 10 skalierbar. Der Motorstator 52 ist
einfach konstruiert und gewartet aufgrund der Verwendung von einzelnen
Komponenten 10. Die Statorkomponenten 10 sind
axial zusammengebaut, um die einzelnen Pole zu definieren. Dieser
modulare Ansatz erlaubt es, eine individuelle Komponente in mehreren
verschiedenen Konfigurationen zu verwenden, um die Leistungscharakteristik
des elektrischen Motors zu variieren. Die Drähte 19 jeder
Spule 12 sind mit der Stromversorgung 55 verbunden.
Die Stromversorgung 55 leitet Strom in die Drähte 19,
die ein magnetisches Feld in der Spule 12 bilden, das durch
den Zahn 13 unterstützt und geleitet wird.
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Bezug
nehmend auf 4 ist eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als eine modulare Statorkomponente 110 gezeigt,
die einen Zahn 113 mit einem rückwärtigen
Eisen 114, einem Zahnkörper 116 und einer
Zahnspitze 117 umfasst. Das rückwärtige
Eisen 114 hat ein erstes Teil 134 und ein zweites
Teil 135, das an dem Zahnkörper 116 an
dem zweiten Ende 132 angeordnet ist. Das rückwärtige
Eisen 114 ist mittels Klebemitteln (nicht dargestellt)
befestigt oder kann in Position in einem Motorgehäuse (nicht
dargestellt) befestigt werden.
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Weiterhin
Bezug nehmend auf 4 weist die Statorpolkomponente 110 ein
Ausrichtungswerkzeug 151 auf, das als ein Rippenkanal 153 dargestellt ist.
Der Rippenkanal 153 ist durch Entfernen von Material von
der äußeren Fläche 129 des rückwärtigen Eisens
und dem zweiten Ende 132 des Zahnkörpers 116 gebildet.
Der Rippenkanal 153 bildet einen kontinuierlichen Kanal 153 zwischen
gegenüberliegenden axialen Flächen 146 des
rückwärtigen Eisens 114. Der Rippenkanal 153 nimmt
eine Rippe in dem Gehäuse (8) auf,
um den Zahn 113 an dem rückwärtigen Eisen 116 auszurichten.
Das zweite Ende 132 des Zahnkörpers 116 kann
in einer runden oder unrunden Form ausgebildet sein, um die ähnlich
geformten Zahnlöcher 137 in dem rückwärtigen
Eisen 114 zu befestigen und auszurichten. Die Zahnspitze 117 hat
außerdem konkave Rotorflächen 129 und
im Allgemeinen eine flache äußere Oberfläche 127 auf dem
Zahnkörper 116.
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Bezug
nehmend auf 5 ist eine auseinandergezogene
Statorpolkomponente 110 mit dem Zahnkörper 116 dargestellt,
der an der Zahnspitze 117 befestigt ist, vorzugsweise durch
Bilden der zwei Teile als eine einzige geformte Komponente, die
wie oben beschrieben aus dem SMC hergestellt ist. Der Zahnbereich
des Rippenkanals 153a ist in dem zweiten Ende 132 des
Zahnkörpers 116 gebildet. Die Spule 112 passt
um den Zahnkörper 116 und ist unterstützt
durch den Zahnkörper 116 und wird durch das rückwärtige
Eisen 114 in Position gehalten, das spiegelbildliche Bereiche 134, 135 aufweist,
die in den Zahnkörper 116 an der Öffnung 137 eingreifen. Der
rückwärtige Eisenbereich des Rippenkanals 153b ist
in jedem der rückwärtigen Eisenstücke 134, 135 axial
ausgerichtet gebildet, um mit dem Zahnanbereich ausgerichtet zu
werden und einen kontinuierlichen Rippenkanal 153 zu bilden,
der axial entlang des Statorpolstapels der Komponenten 12 läuft,
die den Statorpol 152 in 3 und 6 bilden.
Es sollte verstanden werden, dass die Spule 112 mit einem offenen
Kern 157 gebildet werden sollte, der bemessen ist, um den
Zahnkörper 116 fest aufzunehmen.
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Bezug
nehmend auf 6 ist ein Stapel von Statorkomponenten 110 gemeinsam
verbaut, um einen Bereich des Statorpols 152 zu bilden.
Jede Komponente 110 hat eine auf dem Zahnkörper
zwischen der Zahnspitze 117 und dem rückwärtigen
Eisen 114 liegende unterstützte separate Spule 112.
Der Rippenkanal 153 auf jeder Komponente 110 ist
axial ausgerichtet mit Rippenkanälen 153 auf benachbarten
Komponenten 110, um eine einzige Rippenrille 155 zu
bilden, die axial entlang des Statorpols 152 angeordnet
ist. Die axialen Enden 124 von benachbarten Zahnspitzen 117 grenzen
aneinander an, um eine laufruhige konkave Rotorfläche 122 zum
Leiten des Flusses von der Spule 112 zu bilden, um mit
dem Rotor (nicht dargestellt) in Eingriff zu gelangen und mit diesem wechselzuwirken.
Die axialen Enden 146 der benachbarten rückwärtigen
Eisenkomponenten 114 grenzen aneinander an, um die kontinuierliche rückwärtige
Eisenstruktur 158 und die kontinuierlichen Polrippenrille 155 entlang
der äußeren Oberfläche 159 der
Statorpolanordnung 152 zu bilden.
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Weiterhin
Bezug nehmend auf 6 weist jede rückwärtige
Eisenkomponente 138, 140 eine Zahnfläche 141 auf,
die entlang der Zahnspitzenfläche 148 an der Zahntasche 137 zum
umgebenden Eingreifen des zweiten Endes 132 des Zahnkörpers 116 gebildet
ist. Die Zahnfläche 141 wird durch das Entfernen
von Material von den Segmenten 138, 140 gebildet,
um eine vorbestimmte Form zum Aufnehmen des zweiten Endes 132 zu
bilden.
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Bezug
nehmend auf 7 zeigt eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Statorkomponente 210, die
eine Zahnspitze 217, einen Zahnkörper 216 und
ein einteiliges rückwärtiges Eisen 214 aufweist.
Der Zahnkörper hat ein erstes Ende 231 auf der
Zahnspitze 216 und ein zweites Ende 232, das von
dem ersten Ende 231 beabstandet ist. Das rückwärtige
Eisen 214 umfasst einen rückwärtigen
Eisenrippenkanal 253 auf der äußeren Oberfläche 229 zum
Eingreifen einer Rippe 357 auf dem Gehäuse oder
auf der Motorstruktur (8). Die innere Oberfläche 228 des
rückwärtigen Eisens 214 hat eine Zahnrippe 257.
Ein Zahnrippenkanal 253a ist auf dem zweiten Ende 232 ausgebildet,
um verbindend in die Zahnrippe 257 einzugreifen, um den Zahnkörper 216 an
dem rückwärtigen Eisen 214 auszurichten.
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Bezug
nehmend auf 8 umfasst ein Motorgehäuse 380 eine äußere
Oberfläche 382, eine innere Oberfläche 384 und
gegenüberliegende axiale Enden 390. Eine Mehrzahl
von Ausrichtungsrippen 357 sind an den Polpositionen um
die innere Oberfläche 382 angeordnet. Jeder Statorpol 152 (6) weist
einen Rippenkanal 153 auf, der an der äußeren Oberfläche 159 angeordnet
ist, um in eine entsprechende Ausrichtungsrippe 357 einzugreifen,
um die Statorpolsegmente auszurichten und zu befestigen, die in
gestapelter Position axial ausgerichtet sind, um einen Statorpol 152 (6)
zu bilden. Wie oben beschrieben kann weiterhin Klebstoff verwendet
werden, um die gestapelten Statorkomponenten 10 in Position
während der Montage zu halten.
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Im
Betrieb ist die Statorkomponente 10 mit der auf dem Zahnkörper 16 zwischen
dem rückwärtigen Eisen 16 und der Zahnspitze 17 gehaltenen
Spule 12 angeordnet. Jede Spule hat ein Verbindungsstück 26,
das sich von der Wicklung 19 erstreckt, um eine Stromquelle
zum Bereitstellen eines magnetischen Feldes mit dem Segment 10 zu
verbinden. Ein Motor mit einer vorentwickelten Leistungscharakteristik
ist mit einer bestimmten Anzahl an Polen 52 angeordnet.
Das geforderte Drehmoment wird berechnet und eine vorbestimmte Anzahl
von Statorkomponenten 10 wird in jedem Statorpol 52 gestapelt,
der benachbarte rückwärtige Eisen 16 aufweist,
die gegeneinander gelagert sind, um die Spulen 12 zu beabstanden.
Das Gehäuse 380 ist mit einer vorbestimmten Anzahl
von Ausrichtungsrippen 357 gebildet, um mit der vorbestimmte
Anzahl von Statorpolen 52 in Eingriff zu gelangen.
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Die
Statorpole 52 sind an einer Endunterstützung 392 in
der entsprechenden radialen Position angeordnet. Die Verbindungsstücke 26 werden
zusammen mit einer Motorführung (nicht dargestellt) oder mit
einzelnen Steuervorrichtungen (nicht dargestellt) verbunden. Die
Motorführung (nicht dargestellt) ist mit den Verbindungsstücken 26 verbunden
und wird abseits gehalten, wenn die Statoranordnung 50 axial in
das Gehäuse 380 mit den Rippen 357 eingeschoben
wird, die in jeden entsprechenden Ausrichtungskanal 153 eingreifen.
Ein Rotor (nicht dargestellt) wird in die Rotoröffnung
eingesetzt, die durch benachbarte Zahnspitzen 17 gebildet
wird, der eine Antriebswelle (nicht dargestellt) aufweist, die sich
vom ersten axialen Ende 390 zum zweiten axialen Ende 392 erstreckt.
Die Motorführung (nicht dargestellt) ist an einer Stromquelle
(nicht dargestellt) befestigt. Ein Strom von der Spannungsquelle
wird an der Motorführung angelegt und dadurch zu jeder
Spule 12 geleitet, um ein magnetisches Feld in jedem Statorpolsegment 10 zu
erzeugen.
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Der
modulare Stator wird durch Zusammenbauen einer Mehrzahl von Statorpolen
gebildet, während jeder Statorpol durch ein Herstellungsverfahren eines
einzelnen Pols zur Verwendung in einem elektrischen Motorstator
gebildet wird, das die folgenden Schritte nicht notwendigerweise
in der aufgeführten Reihenfolge umfasst:
Bilden eines
ersten und zweiten Zahns aus einem weichmagnetischem Verbundwerkstoff,
während jeder Zahn eine Wicklungsunterstützung
und eine Statorfläche auf der Wicklungsunterstützung
umfasst;
Bilden eines ersten und zweiten rückwärtigen
Eisens, während jedes rückwärtige Eisen
eine axiale Fläche umfasst, die geeignet ist, um an benachbarte
Zähne oder an ein Motorgehäuse anzukoppeln;
Bilden
einer ersten und zweiten Spule, während jede Spule einen
offenen Kern hat;
Einführen der Wicklungsunterstützung
an dem ersten Zahn in den offenen Kern der ersten Spule;
Einführen
der Wicklungsunterstützung an dem zweiten Zahn in den offenen
Kern der zweiten Spule;
Befestigen des ersten rückwärtigen
Eisens auf der Wicklungsunterstützung des ersten Zahns,
um die erste Spule zwischen dem ersten rückwärtigen
Eisen und der Statorfläche auf dem ersten Zahn zu befestigen,
um eine erste Statorpolkomponente zu bilden;
Befestigen des
zweiten rückwärtigen Eisens an der Wicklungsunterstützung
des zweiten Zahns, um die zweite Spule zwischen dem zweiten rückwärtigen
Eisens und der Statorfläche auf dem zweiten Zahn zu befestigen,
um eine zweite Statorpolkomponente zu bilden;
Zusammenbauen
eines modularen Statorpols durch Stapeln der ersten Statorpolkomponente
auf die zweiten Statorpolkomponente mit der axialen Fläche des
ersten rückwärtigen Eisens auf der axialen Fläche
des zweiten rückwärtigen Eisens;
Anordnen
des modularen Statorpols in einem Gehäuse, um die Statorpolkomponenten
in Position entlang des Statorpols zu halten;
Eingreifen eines
Ausrichtungswerkzeugs an jedem Statorpol mit einer Ausrichtungsrippe
an dem Gehäuse, um die Statorpolkomponenten in Position
in dem Gehäuse zu halten;
Verbinden jeder Spule mit
einer elektrischen Vorrichtung;
Bestimmen, ob jede Spule in
Feldbetriebsart oder Erzeugungsbetriebsart ist; und
Austauschen
von einzelnen Spulen in dem Statorpol, wenn die ausgetauschte Spule
ausfällt.
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Die
vorliegende Erfindung wurde dargestellt und beschrieben unter Bezugnahme
auf die vorangegangenen beispielhaften Ausführungsformen.
Es versteht sich allerdings, dass andere Formen, Details und Ausführungsformen
hergestellt werden können, ohne sich von der Idee und dem
Bereich der Erfindung zu entfernen, der in den folgenden Ansprüchen definiert
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6956307
B2 [0004]
- - US 6300702 B1 [0004]
- - US 6441530 B1 [0004]