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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Eisenkern für eine elektrische
Maschine, der aus mehreren Blechen gestapelt ist und der Mittel
zur Reduzierung des Rastmoments aufweist, mit wenigstens zwei Polen,
wobei jeder Pol einen Polschuh aufweist, der aus Teil-Polschuhen
der einzelnen Bleche gebildet ist.
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Solche
Eisenkerne werden beispielsweise als Statorkern eines permanentmagnetisch
erregten Gleichstrommotors verwendet. Die Polschuhe eines solchen
Statorkerns sind in der Regel in axialer Richtung gerade und regelmäßig über
den Umfang verteilt. Die Magnete des Rotors sind ebenfalls in axialer Richtung
gerade und regelmäßig über den Umfang verteilt.
Daher gibt es Rotorpositionen, in denen die Anziehungskraft zwischen
Polschuhen und Rotormagneten lokale Maxima aufweist, die das sogenannte Rastmoment
bilden. Der Rotor eines unbestromten Motors wird durch das Rastmoment
in eine dieser Rotorpositionen bewegt und dort gehalten. Um den Motor
zu starten, muss zuerst dieses Rastmoment überwunden werden.
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Im
Stand der Technik wurden daher vielfältige Versuche unternommen
das Rastmoment zu reduzieren.
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Es
ist beispielsweise bekannt, durch Erhöhen der Polanzahl
sowohl von Rotor als auch Stator das Rastmoment zu reduzieren. Diese
Lösung ist jedoch insbesondere bei kleinen Motoren schwer
anwendbar. Zudem ist ein Motor mit vielen Polen auch teuerer und
benötigt eine aufwändigere Ansteuerung.
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Ein
weiteres Mittel zur Reduzierung des Rastmoments eines solchen Motors
ist beispielsweise aus der
DE 11 2007 000 201 T5 bekannt. Darin wird
vorgeschlagen, die Polschuhe gegenüber der Rotationsachse
schräg auszurichten. Dadurch gibt es in Verbindung mit
den axial geraden Rotor-Magneten keine so stark ausgeprägten
lokalen Anziehungs-Maxima, die für das Rastmoment verantwortlich
sind.
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Der
gezeigte Statorkern ist zur Verminderung der Wirbelstromverluste
aus einzelnen Blechen gestapelt.
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Um
den gezeigten schrägen Polschuh zu erhalten, sind die Polschuhe
der einzelnen Bleche zunehmend in Umfangsrichtung gegenüber
dem Polsteg versetzt. Die unterschiedlichen Bleche werden nun so
gestapelt, dass insgesamt eine schräge Kontur des Polschuhs
entsteht und auch der Polsteg in axialer Richtung schräg
verläuft.
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Dafür
wird jedoch für jedes Blech des Statorstapels eine unterschiedliche
Stanzform oder eine variable Stanzform benötigt, wodurch
die Herstellung sehr teuer und aufwändig ist.
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Nachteilig
kommt hinzu, dass die Starorwicklungen durch den schrägen
Spalt, der mitunter sehr eng ist, nur mit Nadelwicklern wickelbar
sind. Die Herstellung des Stators wird dadurch aufwändiger, da
im Vergleich zu Flyer-Wicklern auch der Statorkern bewegt werden
muss.
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Damit
weniger Stanzformen notwendig sind, ist beispielsweise aus der gleichen
Schrift bekannt, mehrere gleiche Bleche zu einem Teilstapel zu verbinden
und mehrere Teilstapel zu einem Statorpaket zu verbinden, wobei
die einzelnen Bleche jedes Teilstapels gleich sind, aber jeder Teilstapel
in Umfangsrichtung versetzte Polschuhe aufweist.
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Auch
hier sind jedoch für die Bleche jedes Teilstapels verschiedene
Stanzwerkzeuge notwendig. Auch die Wickelproblematik bleibt bestehen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher einen Eisenkern der eingangs genannten
Art zu schaffen, der ein reduziertes Rastmoment aufweist und kostengünstig
herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass alle Bleche gleich sind, dass die Teil-Polschuhe des einen
Blechs wenigstens zwei unterschiedliche Formen aufweisen, und dass
die Bleche jeweils um ein ganzzahliges Vielfaches des Polabstandes
gegeneinander verdreht gestapelt sind.
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Die
Pole des Eisenkerns setzen sich daher in axialer Richtung aus einer
Abfolge unterschiedlich geformter Teil-Polschuhe zusammen. Darüber
hinaus unterscheiden sich die einzelnen Polschuhe des Eisenkerns
von Pol zu Pol. Insgesamt entsteht somit ein Polschuh, mit ungleichen
Polen. Dadurch können sich keine so ausgeprägten
Anziehungskraft-Maxima bilden, wodurch der Eisenkern ein geringeres
Rastmoment aufweist.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass der Eisenkern
aus gleichen Blechen gestapelt ist. Dadurch wird nur eine Stanzform
für die Bleche benötigt. Dies erleichtert die
Herstellung wesentlich und senkt die Kosten.
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Die
Polschuhe sind dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass zwischen
den Polschuhen Spalte gebildet sind, die das bewickeln mittels Flyer-Wicklern
oder anderen Wickeltechniken ermöglichen.
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Die
Polstege der einzelnen Pole zur Aufnahme der Wicklungen sind dabei
jeweils identisch und liegen in dem gestapelten Eisenkern deckungsgleich übereinander,
so dass sich in axialer Richtung gerade Zähne ergeben.
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Die
Polschuhe sind in der Regel so ausgebildet, dass ein möglichst
geringer Luftspalt zwischen einem Rotor und den Polschuhen entsteht.
Bei einem Innenläufer sind die Polschuhe daher konkav ausgebildet,
bei einem Außenläufer konvex. Dabei bedeutet „konkav” und „konvex”,
dass die dem Rotor oder Stator zugewandte Seite des Polschuhs konkav
beziehungsweise konvex ausgebildet ist. Die übrige Form
des Polschuhs ist dadurch nicht festgelegt.
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Um
eine erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen, sind
die Formen der Teil-Polschuhe nun nahezu beliebig wählbar.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn wenigstens ein Teil-Polschuh
konvex und wenigstens ein Teil-Polschuh konkav ausgebildet ist. Dadurch
wird eine Variation des Luftspalts erreicht, wodurch das Rastmoment
reduziert wird. Gleichzeitig bleibt der effektive Luftspalt insgesamt
gering genug um einen ausreichenden Wirkungsgrad zu ermöglichen.
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Dabei
ist es auch möglich, dass jeweils wenigstens zwei der Teil-Polschuhe
einen unterschiedlichen Krümmungsradius aufweisen.
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Alternativ
oder zusätzlich kann wenigstens ein Teil-Polschuh gerade
ausgebildet sein. Gerade bedeutet dabei, dass die dem Rotor oder
Stator zugewandte Fläche des Teil-Polschuhs keine Krümmung
aufweist.
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Insgesamt
ist es vorteilhaft, wenn die Teil-Polschuhe jeweils im Wesentlichen
die gleiche Breite aufweisen. Die Polschuhe erhalten dadurch einen
im Wesentlichen geraden Umriss und einen gleichmäßigen
Spalt zwischen den einzelnen Polen. Die so gebildeten Polschuhe
sind äußerlich gerade und lassen sich daher so
wie gerade Polschuhe bewickeln. Durch die unterschiedlichen Luftspalte
der konvexen, konkaven und/oder geraden Teil-Polschuhe entstehen
jedoch magnetisch ungerade Polschuhe, wodurch das Rastmoment wirkungsvoll
reduziert wird. Die Erfindung vereint somit geometrische und magnetische
Vorteile. Die Polstege und Spalte sind so geformt, dass sie leicht
zu bewickeln sind, dabei sind die magnetischen Pole ungerade und
reduzieren das Rastmoment.
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In
einer weiteren Ausführung der Erfindung wird das Rastmoment
nicht durch eine Variation des Luftspalts erreicht, sondern durch
eine Variation der Spalte zwischen den Polen. Zweckmäßig
ist es dabei, wenn die Teil-Polschuhe wenigstens drei unterschiedliche
Schenkellängen aufweisen. Dabei ist es auch möglich,
dass wenigstens ein Teil-Polschuh asymmetrisch ausgebildet ist.
Das heißt, dass die beiden Schenkel des Teil-Polschuhs
unterschiedlich breit sind. Vorteilhaft ist hierbei, wenn die Teil-Polschuhe
eine gleiche Summe ihrer Schenkellängen aufweisen.
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Zweckmäßigerweise
sind wenigstens zwei Teil-Polschuhe spiegelbildlich asymmetrisch
ausgebildet, wobei die Schenkellängen jeweils vertauscht sind.
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Insbesondere
ist es bei allen Ausführungen der Erfindung auch möglich,
dass alle Teil-Polschuhe unterschiedlich geformt sind.
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Die
Erfindung ist ohne weiteres auch bei einem Eisenkern für
einen Rotor anwendbar, wobei der Rotorkern entweder zur Aufnahme
von Permanentmagneten oder von Rotorwicklungen ausgebildet sein
kann.
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Es
zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Statorkerns nach einer ersten Ausführung
der Erfindung,
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2 ein
Blech des Statorkerns der 1,
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3 eine
Ausschnittsvergrößerung eines Statorpols des Statorkerns
der 1,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Statorkerns nach einer zweiten Ausführung
der Erfindung,
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5 ein
Blech des Statorkerns der 4,
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6 eine
Ausschnittsvergrößerung eines Statorpols des Statorkerns
der 4,
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Die 1 zeigt
einen im Ganzen mit 1 bezeichneten Statorkern für
einen Innenläufer mit neun Polen 3. Der Statorkern 1 hat
ein zylinderförmiges Joch 2 als Rückschluss
für die Magnetfeldlinien.
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Die
einzelnen Pole 3 haben jeweils einen radialen Polsteg 4,
der zum Aufnehmen wenigstens einer Statorwicklung (nicht gezeigt)
geeignet ist. An jedem Zahn 4 ist ein Polschuh 5 angeordnet,
der einem in den Statorkern 1 eingesetzten Rotor (nicht
gezeigt) gegenüberliegt und die Magnetfeldlinien des Rotormagneten
sammelt.
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Der
Statorkern 1 ist aus mehreren Blechen 6 gestapelt.
Ein solches Blech 6 ist in 2 gezeigt. Die
Polschuhe 5 sind dabei aus Teil-Polschuhen 7 der
einzelnen Bleche 6 gebildet. Zur Reduzierung des Rastmoments
des Statorkerns 1 weisen die Teil-Polschuhe 7 des
Blechs 6 vier unterschiedliche Formen auf, die sich durch
die Ausgestaltung der dem Rotor gegenüberliegenden Seite
unterscheiden. Im Beispiel sind von den neun Teil-Polschuhen 7 drei konvex 7a,
zwei gerade 7b, zwei schwach konkav 7c und zwei
stärker konkav 7d ausgebildet. Das heißt
es gibt konkave Teil-Polschuhe 7c, 7d mit zwei
unterschiedlichen Krümmungsradien.
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Die
einzelnen Teil-Polschuhe 7 haben in Umfangsrichtung jedoch
im Wesentlichen die gleiche Breite. Daher sind auch die Spalte 8 zwischen
den Teil-Polschuhen 7 im Wesentlichen identisch.
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Im
Vergleich zum Stand der Technik ist der Statorkern 1 jedoch
ausschließlich aus gleichen Blechen 6 gestapelt.
Das heißt alle Bleche 6 sind gemäß der 2 ausgebildet.
Daher ist nur eine einzige Stanzform notwendig, weshalb die Herstellung
der Bleche kostengünstiger und einfacher erfolgen kann.
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Entscheidend
ist, dass die einzelnen Bleche 6 um ein ganzzahliges Vielfaches
des Polabstandes gegeneinander verdreht sind. Im Beispiel sind die Bleche 6 jeweils
um einen Polabstand verdreht.
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Durch
die im Wesentlichen gleiche Breite der Teil-Polschuhe 7 sind
auch die einzelnen Polschuhe 5 und die Spalte 8 zwischen
den Polschuhen 5 im Wesentlichen gerade und gleich breit.
Die Polschuhe 5 des Eisenkerns 1 haben daher jeweils
einen im Wesentlichen geraden Umriss, wobei der Umriss der dem Rotor
zugewandten Seite der Polschuhe 5 in radialer Richtung
gemeint ist. Der Umriss eines Polschuhs entspricht damit dem Umriss
eines herkömmlichen geraden Polschuhs. Die erfindungsgemäßen Polschuhe 5 lassen
sich dementsprechend auch wie herkömmliche gerade Polschuhe
bewickeln. Somit erfordert die Herstellung eines Stators mit einem
erfindungsgemäßen Eisenkern praktisch keine Änderung
an eventuell bestehenden Fertigungsprozessen.
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Jeder
Pol 3 des Statorpakets 1 weist in axialer Richtung
eine unterschiedliche Abfolge von konkaven 7c, 7d,
konvexen 7a und geraden 7b Teil-Polschuhen 7 auf,
wie es in 3 im Detail zu erkennen ist.
Dadurch variiert der Luftspalt zwischen Polschuh 5 und
Rotor zum einen über die Länge des Eisenkerns 1 und
zum anderen von Pol 3 zu Pol 3. Dadurch können
sich keine so stark ausgeprägten Anziehungskraft-Maxima
ausbilden, wodurch das Rastmoment reduziert wird.
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Entscheidend
ist dabei, dass die einzelnen Pole 3 möglichst
unterschiedlich und/oder unregelmäßig ausgebildet
sind. Dies kann durch die Anzahl und Anordnung der verschieden geformten
Teil-Polschuhe 7 und durch Wahl des Verdrehwinkels optimiert
werden.
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Dabei
kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn jeder Teil-Polschuh 7 eine
andere Form aufweist.
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Die
Polstege 4 des Eisenkerns 1 werden beim Stapeln
durch die Teil-Polstege 4a des Blechs 6 gebildet.
Die Teil-Polstege sind an jedem Pol 3 identisch, so dass
beim Stapeln der Bleche 6 die Teil-Polstege 4a deckungsgleich übereinander
liegen und insgesamt gerade Zähne 4 entstehen.
Die geraden Polstege 4 lassen sich einfacher bewickeln
und weisen einen besseren Wirkungsgrad auf.
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In 4 ist
ein Statorkern 1 gemäß einer weiteren
Ausführung der Erfindung gezeigt. Dieser Statorkern 1 unterscheidet
sich von dem Statorkern 1 der 1 nur durch
die Formen der Teil-Polschuhe 9. Auch dieser Statorkern 1 ist
aus mehreren gleichen Blechen 6 geformt, wie es in 5 abgebildet
ist. Bei diesem Blech 6 sind alle Teil-Polschuhe 9 konkav ausgebildet.
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Die
Teil-Polschuhe 9 weisen Schenkel 10a, 10b auf.
Die Schenkel der einzelnen Teil-Polschuhe 9a bis 9i haben
unterschiedliche Längen. Dabei sind im Beispiel einige
der Teil-Polschuhe 9 asymmetrisch ausgebildet, das heißt
ein Schenkel 10a des Teil-Polschuhs 9 ist kürzer
als der andere Schenkel 10b, wobei an verschiedenen Teil-Polschuhen 9 die
Schenkellängen zusätzlich vertauscht sein können.
Vorteilhaft ist hierbei, wenn die Teil-Polschuhe 9a–9i eine gleiche
Summe ihrer Schenkellängen aufweisen. Durch das verdrehte
Stapeln mehrerer solcher Bleche 6 entstehen Polschuhe 5,
die einen in axialer Richtung unregelmäßigen Umriss
haben, wie in 6 im Detail erkennbar. Es ergibt
sich eine Variation des Spaltes 8 zwischen den Polen 3 bei
axial verlaufendem Polsteg 4. Entscheidend ist auch hier
die von Pol 3 zu Pol 3 abweichende Abfolge verschieden geformter
Teil-Polschuhe 9 in axialer Richtung.
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Zwischen
den Polschuhen 5 bleiben Spalte 8, durch die das
Bewickeln der Stator-Zähne 4 möglich
ist.
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Neben
den gezeigten Ausführungsbeispielen sind auch andere Polschuhformen
und -abfolgen denkbar, weshalb die Anmeldung keineswegs auf diese
Beispiele beschränkt ist. Es ist beispielsweise auch möglich
die Polschuh-Formen der beiden Ausführungsbeispiele zu
mischen, so dass etwa unsymmetrische konkave Polschuhe und symmetrische konvexe
Polschuhe an einem Blech kombiniert sind. Wichtig für die
Erfindung dabei ist, dass alle Bleche gleich sind und durch verdrehtes
Stapeln unregelmäßige Pole entstehen, die einfach
bewickelbar sind.
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Allgemein
sind die Anzahl der Pole und die Anzahl an unterschiedlich geformten
Polschuhen des Blechs 6 an jede Anwendung anpassbar.
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Ebenso
ist die Erfindung direkt auf einen Eisenkern für einen
Rotor anwendbar.
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- 1
- Statorkern
- 2
- Joch
- 3
- Pol
- 4
- Polsteg
- 4a
- Teil-Polsteg
- 5
- Polschuh
- 6
- Blech
- 7
- Teil-Polschuh
Ausführung 1
- 7a
- Teil-Polschuh
konvex
- 7b
- Teil-Polschuh
gerade
- 7c
- Teil-Polschuh
schwach konkav
- 7d
- Teil-Polschuh
stärker konkav
- 8
- Spalt
- 9
- Teil-Polschuh
Ausführung 2
- 9a–9i
- Teil-Polschuhe
- 10a,
b
- Schenkel
Polschuh
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 112007000201
T5 [0005]