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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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Ein Stator für eine elektrische Induktionsmaschine ist in WO 99/ 54 985 A1 beschrieben und umfasst mindestens zwei Statorabschnitte an zwei verschiedenen axialen Positionen, wobei jeder Abschnitt eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander getrennten, sich radial erstreckenden Zähnen aufweist und jeder Zahn weist eine einzige Wicklung auf. Die Statorabschnitte sind gegeneinander phasenverschoben, um die Wirkung anderer Oberwellen als der Arbeitsoberwellen zu reduzieren. In einem Stator mit zwei getrennten Statorabschnitten sind diese um 180° elektrisch +/- einem Winkel, der mit dem Schräglauf zusammenhängt, physikalisch phasenverschoben, und dann werden ihre elektrischen Versorgungen ebenfalls um 180° elektrisch verschoben.
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US 6 472 792 B1 betrifft einen Statorkern für eine elektrische Maschine, der ein ringförmiges Joch und eine Vielzahl von Zähnen umfasst, die in Umfangsrichtung an dem ringförmigen Joch beabstandet sind und sich radial davon erstrecken, wobei die Zwischenräume zwischen den Zähnen in Umfangsrichtung beabstandete Wicklungsschlitze definieren. Die Zähne sind als separate Bauteile aus einem weichmagnetischen Pulvermaterial ausgebildet. Jeder Zahn hat nicht abnehmende Querschnittsabmessungen in einer Richtung zu einer distalen Spitze entlang einer Länge eines Zahns, die einem Wickelschlitz entspricht, und hat die gleichen oder kleinere Querschnittsabmessungen entlang eines proximalen Endes des Zahns. Dadurch kann der Zahn mit einem Kernrückenabschnitt des ringförmigen Jochs zusammengebaut werden und kann vor dem Zusammenbau mit dem Joch eine Spule aufnehmen.
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Ein weiterer Stator einer dynamoelektrischen Maschine ist in
US 4 392 072 A beschrieben. Der Stator ist gebildet aus einem amorphen Metalljoch oder einem hinteren Eisenabschnitt, der entweder aus einer spiralförmig gewickelten Spule aus amorphem Metallband oder einer kantengewickelten Wendel aus einem solchen Band besteht, in der die jeweiligen Windungen zusammengestapelt sind, um einen Zylinder zu bilden, in Kombination mit mehreren getrennt ausgebildeten amorphen Metallzähnen, die in beabstandeten Intervallen auf der Innenfläche des Jochs angebracht sind, um mehrere beabstandete Wicklungsaufnahmeschlitze zu definieren, die sich jeweils axial zwischen Paaren der Zähne erstrecken. Die Zähne sind jeweils in Betriebsposition auf dem Joch gesichert, indem sie sowohl direkt mit diesem verbunden sind als auch durch die Stützbeziehung zwischen den Zähnen und den anliegenden Schlitzbuchsen, den Erregungswicklungen und einer ausgehärteten Isolierbeschichtung, die auf den Stator aufgebracht wird, nachdem die Erregungswicklung in den Statorwicklungsnuten positioniert wurde.
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Schließlich beschreibt
US 6 583 530 B2 eine zusammengesetzte Statorstruktur, die für den Motor oder Generator verwendet wird, um einen hohen Wirkungsgrad, ein geringes Rastmoment und niedrige Kosten bereitzustellen. Die Statorstruktur besteht aus Siliziumstahlplatten, die durch Pressen und Stapeln gebildet werden. Die Statorstruktur besteht aus getrennten Statorzähnen, Statorringen, Wicklung und Wickelnut. Der Zahn hat ein Zahnende, das in die Einbettungsnut des Statorrings eingreift, um einen Stator für einen Motor oder Generator mit hohem Wirkungsgrad, niedrigem Rastmoment und niedrigen Kosten zusammenzubauen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren eines einzelnen Pols zur Verwendung in einem elektrischen Motorstator gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie einen modularen Statorpol umfassend eine Mehrzahl von Spulen, die entlang einer Achse beabstandet sind, gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 und 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 Lagern oder den Wicklungen auf. Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass 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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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Paares von Statorkomponenten, die mit einer Wicklung auf jeder Statorkomponente montiert sind.
- 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einzelnen Zahns, die die Komponenten einzeln darstellt.
- 3 ist ein modularer Abschnitt eines angeordneten Stators eines zwölfpoligen elektrischen Motors.
- 4 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Wicklung.
- 6 ist eine perspektivische teilweise Explosionsansicht eines Statorpolabschnitts, der aus einem Stapel von Komponenten der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht.
- 7 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 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 Zahnbereich 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 ist 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 vorbestimmten 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 weichmagnetischen 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.
