DE102009038718A1

DE102009038718A1 - Anordnung zur optimalen Nutzung des Stromleiters bei Scheibenläufermotoren

Info

Publication number: DE102009038718A1
Application number: DE200910038718
Authority: DE
Inventors: Steffen Nothelle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2009-08-25
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Aufgabe war es, mit geringen Energieverlusten rotatorische mechanische Bewegung aus galvanischen Stromquellen zu erzeugen. Physikalische Grundlage ist Lorentzkrafterzeugung. Erfindungsgemäß befindet sich zwischen zwei Rückflussplatten (3, 4) mit Magnetkränzen (5, 6) wechselnder Polarität eine mehrschichtige Ringscheibe (11, 12, 14). Die Magnetkränze (5, 6) sind so gerichtet, dass sich gleichnamige Pole gegenüberstehen. Die mehrschichtige Ringscheibe (11, 12, 14) hat mehrere Rotorwicklungen (13), die weitestgehend in radialer Richtung verlaufen und dicht nebeneinander angeordnet sind. Zwei gleiche äußere Ringscheiben (11, 12) aus magnetisch leitendem Material und eine innere Ringscheibe (14) aus magnetisch isolierendem Material bilden den Aufbau der mehrschichtigen Ringscheibe. Die äußeren Ringscheiben (11, 12) weisen keine Unterbrechungen in radialer Richtung auf und sind jeweils an der Innen-, Außenkante abgeschrägt. Der Abschrägungswinkel (α) zur äußeren Ringfläche ist so bestimmt, dass bei einer Spulenwindung die größte Lorentzkraft bei minimalster Windungslänge entsteht. Zur Kraftübertragung auf die Motorachse (1) weist die innere Ringscheibe (14) am Außendurchmesser Nuten und am Innendurchmesser ein Ringwellenprofil auf. Die Weiterleitung der Kraft von der mehrschichtigen Ringscheibe auf die Motorachse (1) erfolgt mit Hilfe von Stabilisierungselement (16) und Kunstharzfüllung (17). Der Einstellung des linken Wirkluftspaltes dienen Justierzwischenlagen ...

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie durch Erzeugung von Lorentzkraft nach dem Zusammenhang F → = l(I → × B →).
Die Anordnung bietet eine optimale Nutzung des beteiligten Stromes I → bei gleichzeitig hoher Magnetflußdichte B → im Luftspalt durch einen sehr großen Anteil von beteiligten Leiterlängen l an der gesamten Leiterlänge der Anordnung.
Die Erfindung ist insbesondere überall dort vorteilhaft einsetzbar, wo mit geringen Energieverlusten rotatorische mechanische Bewegungen aus Stromquellen, wie zum Beispiel galvanischen Elementen, erzeugt werden sollen.
Derartige Anwendungen sind autonome Fortbewegungsmittel für den Transport. Aber auch in Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräten und sonstigen Manipulationshilfen ist eine vorteilhafter Einsatz gegeben.
Wandler für die Umsetzung von elektrischer Energie in mechanische Energie sind hinreichend bekannt. Besonders interessant für Antriebe von Fortbewegungsmitteln sind permanent erregte Motoren. Sie bieten beim Einsatz von keramischen Permanentmagneten kleine Masse, geringen Materialaufwand und hohe Leistungsübertragung.
Rotatorische Antriebe dieser Art werden oft im stromführenden Teil eisenfrei gestaltet. Beispiele dafür sind Scheibenläufermotoren der Firma Baumüller/Nürnberg, DE 19852650 A1 , DE 3446671 A1 und DE 3876642 T2 .
Benötigte gute elektrische Leiter, wie zum Beispiel Kupfer, sind sehr weich. Deshalb sind diese mit elektrisch isolierenden Materialien zu paaren um Stabilität und Drehmomentüber-tragung zu gewährleisten. Oft werden die Rotoren aus Basismaterial von Leiterkarten geferigt. Damit ist man gezwungen mit großen Luftspalten zu arbeiten. Dieser Umstand verringert die Magnetflußdichte im Luftspalt und damit auch die Lorentzkraft.
Auch gibt es rotatorische Antrtiebe dieser Art bei denen der stromführende Teil mit magnetisch gut leitendem Material gepaart wird. Die Firma Baumüller/Nürnberg stellt einen derartigen Scheibenläufermotor her. Der Rotor besteht aus einer aufgewickelten Eisenbandscheibe, welche zur radialen Richtung schräge Nuten aufweist. In die Nuten sind Kupferleiter eingelassen. Durch die in radialer Richtung schrägen Nuten soll das Rastmoment durch die unterbrochenen Oberfläche verringert werden. Nachteil ist, dass der Strom zur Nutzrichtung der erzeugten Kraft nicht senkrecht verläuft. Es steht nur eine geringere Komponente der Lorentzkraft zur Verfügung.
Bei den vorgenannten Antriebsarten sind die Polflächen der Magneten im Wechsel Norpol-Südpol nebeneinander angeordnet. Um gleichgerichtete Lorentzkräfte zu erhalten, werden die Stromleiter so geformt, dass dem Nordpol und dem Südpol die entsprechende Stromflussrichtung zugeordnet ist. Das erfolgt durch Schleifen- oder Wellenformgebung. Dieser Umstand bringt mit sich, dass überbrückende Leiteranteile entstehen, die wertvollen Strom führen, jedoch nicht an der Lorentzkrafterzeugung beteiligt sind.
In GB 717830 und DE 2650510 B2 werden Luftspulen über den Rand einer Eisenscheibe gebogen und beidseitig mit der Scheibe fest verbunden. Die Eisenscheibe dient dabei als Rückflussplatte und Momentübertrager. Jeder Seite der Eisenplatte steht ein Permanentmagnetkranz mit wechselnder Polarität gegenüber. Die Permanentmagnetkränze sind so gerichtet, dass sich gleichartige Pole gegenüber stehen.
Die Luftspulen haben Leiterzuganteile, die auf der Vorder- und Rückseite der Eisenplatte gleichzeitig Lorentzkraft erzeugen. Dadurch ist die Nutzung der Leiterzüge sehr effizient. Nachteil dieser Anordnung ist, dass die Luftspulen auf der Kreisflächen der Eisenscheibe nur nebeneinander angeordnet werden können. Ansonsten entstehen Spulenwülste und Spulenüberschneidungen. Der wirksame Luftspalt kann dann nicht optimal eingehalten werden.
Scheibenläufermotoren werden auch als Außenläufermotoren aufgebaut (z. B. Lindner, J.: „Ein elektronisch kommutierter Scheibenläufermotor mit Cobalt-Samarium.Magneten", Feinwerktechnik & Messtechnik 88 (1980) 4, S. 167 ... 172).
Die drahtführende Baugruppe, welche meistens der Rotor ist, steht in diesem Fall fest und die felderzeugende Baugruppe, welche meistens der Stator ist, dreht sich.
Da bei diesem Aufbau eine elektromechanische Kommutierung sehr aufwendig ist, wird hier die elektronische Kommutierung bevorzugt. Die elektronischen Schalter dieser Kommutierungsart besitzen p-n-Übergänge, welche die Betriebsspannung absenken. Außerdem wird eine zusätzliche Ansteuerleistung benötigt, die mit der Motorleistung auch ansteigt. Im Niedrigspannungsbereich wird der Wirkungsgrad sehr gemindert.
Bei Wandlern, welche elektrische Energie in mechanische Energie umsetzen, kommt es im mobilen Anwendungsfällen darauf an, alle beteiligten Energiequellen maximal zu nutzen. Bei permanent erregten Wandlern sollten die zusätzliche magnetische Energie nicht vermeidbare Verluste, wie zum Beispiel Hystereseverluste, Wirbelstromverluste und Reibungsverluste, kompensieren.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, die genannten Forderungen möglichst streng einzuhalten.
Nachstehend soll die Erfindung anhand eines in drei Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden.
1 stellt den Schnitt eines permanent erregten Scheibenläufermotors dar. Die Anordnung der stromeinspeisenden Kohlebürsten ist nicht dargestellt. Aufbau und Funktionsweise sind allgemein bekannt.
Der Stator besteht aus der linken Rückflussplatte 3 mit daran befestigtem linken Magnetkranz 5, aus rechter Rückflussplatte 4 mit daran befestigtem rechten Magnetkranz 6 und Lager 2. Die Rückflussplatten haben gute magnetische Eigenschaften. Gleiche Magnetpole der Magnetkränze stehen sich gegenüber, wobei die einzelnen Magneten erschütterungsfest auf den Rückflussplatten befestigt sind. Bewährt hat sich die Fixierung durch Kleben. Als Magneten werden zum Beispiel NdFeB-Magneten verwendet. Um einen hohen Überdeckungsgrad zu erreichen wird die Form Kreisringsektor bevorzugt. Der gewählte wirksame Luftspalt bestimmt die Magnetdicke.
Mit Hilfe der Abstandshalter 7 wird der Abstand zwischen den Rückflussplatten fixiert.
Das Lager 2 ist mit der linken Rückflussplatte 3 fest verschraubt.
Lager 2 führt die Motorachse 1 axial und radial spielarm. Motorachse 1 ist fest mit der Rotorbaugruppe verbunden. Die Rotorbaugruppe besteht aus linker Rückflussplatte am Rotor 11, Zwischenplatte 14, rechter Rückflussplatte am Rotor 12, den Rotorwicklungen 13, Stabilisierungseinlage 16, Kunstharzfüllung 17 und Kommutator 15.
Die Kraft- bzw. Momenterzeugung erfolgt durch das Zusammenwirken von linker Rückflussplatte am Rotor 11, Zwischenplatte 14, rechter Rückflussplatte am Rotor 12 und den Rotorwicklungen 13.
Die Rückflussplatten am Rotor 11 und 12 sind so gestaltet, dass Wirbelstrombildung minimiert wird. Das kann zum Beispiel ein aus Trafoblech bestehendes und aufgewickeltes Band sein. Das Band ist dabei mit einer elektrischen Isolation beschichtet.
Um den stromführenden Draht maximal zu nutzen sind die Rückflussplatten am Rotor 11 und 12 am Innenkreis und Außenkreis jeweils im Betrag des Optimierungswinkels α abgeschrägt.
3 zeigt dazu eine Vergrößerung dieser Bereiche. Optimierungswinkel α ergibt sich dabei als Optimum aus minimalster Drahtwindungslänge und maximalster Lorenzkrafterzeugung.
Zwischen den Rückflussplatten am Rotor 11 und 12 ist die Zwischenplatte 14 angeordnet. Sie erfüllt die Aufgaben – magnetische Entkopplung der linken und rechten Magnetkreise – Übertagung der Tangentialkraft auf die Motorachse. Als weitere Koppelglieder werden hierbei Stabilisierungseinlage 16 und Kunstharzfüllung 17 genutzt.
Wie 4 zeigt, ist Zwischenplatte 14 außen mit Wicklungsnuten zur Erfassung der Tangentialkraft und innen mit einem profilierten Durchlass zur Weiterleitung der Tangentialkraft versehen.
Das Profil des Durchlasses ist eine Ringwelle. Amplitute und Wellenlänge werden so gewählt, dass die mittlere Wicklungslänge des Drahtes unter Berücksichtigung der zu übertragenden Kraft minimal ist.
Die Rotorwicklungen 13 verlaufen über die linke und rechte Rückflussplatte am Rotor 11 und 12 mit eingeschlossener Zwischenplatte 14.
2 zeigt die Anordnung der Wicklungen.
Ein Abweichung vom idealen radialen Verlauf lässt sich wegen den außen liegenden Wickelnuten nicht realisieren. Da jedoch eine realisierbare Winkelabweichung von 6° lediglich einen Kraftverlust von 0,5% hervorruft, ist die gewählte Wickelanordnung vertretbar.
In 2 ist auch die Ausführung der Stabilisierungseinlage sichtbar.
Die Enden der Rotorwicklungen 13 sind nach den bekannten Verschaltungsregeln mit den entsprechenden Stegen des Kommutators 15 verbunden.
Zwischen linker Rückflussplatte 3 und Lager 2 sind feste Justierzwischnelagen 9 angeordnet. Damit wird der optimale Luftspalt zwischen linkem Magnetkranz 5 und linker Rückflussplatte am Rotor 3 eingestellt und mit Schraubelementen 10 fixiert. Damit werden Schwankungen des Magnetmaterials ausgeglichen.
Mit Hilfe flexiblen Justierzwischenlagen 9 und Schraubelementen 10 wird der Abstand von linker und rechter Rückflussplatte 3 und 4 so justiert. dass die vom Rotor ausgehende Axialkraft kompensiert ist. Ursache einer Axialakraft ist eine ungleiche magnetische Anziehung von linkem Magnetkranz 5 zu linker Rückflussplatte am Rotor 11 und rechtem Magnetkranz 6 zu rechter Rückflussplatte am Rotor 12.
Bezugszeichenliste

1: Motorachse
2: Lager
3: linke Rückflussplatte
4: rechte Rückflussplatte
5: linker Magnetkranz
6: rechter Magnetkranz
7: Abstandshalter
8: flexible Justierzwischenlage
9: feste Justierzwischenlage
10: Schraubelemente
11: linke Rückflussplatte am Rotor
12: rechte Rückflussplatte am Rotor
13: Rotorwicklungen
14: Zwischenplatte
15: Kommutator
16: Stabilisierungseinlage
17: Kunstharzfüllung
α: Optimierungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19852650 A1 [0006]
DE 3446671 A1 [0006]
DE 3876642 T2 [0006]
GB 717830 [0010]
DE 2650510 B2 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Lindner, J.: „Ein elektronisch kommutierter Scheibenläufermotor mit Cobalt-Samarium.Magneten”, Feinwerktechnik & Messtechnik 88 (1980) 4, S. 167 ... 172 [0012]

Claims

Anordnung zur optimalen Nutzung des Stromleiters bei Scheibenläufermotoren, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen zwei Rückflussplatten (3, 4) mit Magnetkränzen (5, 6) wechselnder Polarität eine mehrschichtige Ringscheibe (11, 12, 14) befindet, über deren äußere Ringflächen radial gerichtete mehrere Rotorwicklungen (13) dicht nebeneinander angeordnet sind. Dabei stehen sich gleichnamige Pole der Magnetkränze gegenüber.
Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (2) für die Motorachse (1) mit einer Rückflußplatte (3) fest verbunden ist. Zwischen dem Befestigungsflansch des Lagers (2) und der Rückflußplatte (3) sind feste Justierzwischenlagen (9) zur Einstellung eines Luftspaltes angeordnet. Zwischen den Rückflussplatten (3, 4) sind Abstandshalter (7) angeordnet. Sie sind mit flexiblen Justierzwischenlagen (8) zur Kompensation der Axialkraft auf die Motorachse gepaart.
Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtige Ringscheibe aus zwei gleichen, in radialer Richtung keine Unterbrechungen aufweisende, äußeren Ringscheiben (11, 12) aus magnetisch leitendem Material und einer inneren Ringscheibe (14) aus magnetisch isolierendem Material besteht.
Anordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Ringscheibe (14) einen größeren Außendurchmesser hat als die äußeren Ringscheiben (11, 12). Der überstehende Ringanteil hat Rastnuten, in welche die Drahtwicklungen eingelassen sind. Die materialbefüllten überstehenden Ringanteile dienen der Kraftübertragung auf die Antriebswelle.
Anordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Ringscheibe (14) einen kleineren Innendurchmesser aufweist als die äußeren Ringscheiben (11, 12). Der überstehende Ringanteil hat eine wellenförmige Kontour. Über diese Kontour werden die Drahtspulen (13) ohne Lücke gewickelt. Die wellenförmige Kontour sichert eine formschlüssige Kraftübertragung auf die Motorwelle. Anzahl der Wellen und Amplitude dieser Kontour ergeben sich als Optimum aus zu übertragenden Kraft und minimaler Leiterlänge der Spulen.
Anordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere, aus magnetisch isolierendem Material bestehende, Scheibe (16) die Kraftübertragung von den Ringscheiben auf die Antriebswelle ausführt. Die Scheibe zur Kraftübertragung (16) hat ein Außenprofil, welches dem Innenprofil der bewickelten Ringscheiben entspricht. Zur Aufnahme von axialen Kräften weist die Scheibe (16) im Kontaktbereich mit den Ringscheiben hochgezogene Wangen auf. Die Stabilisierung der Lage von Ringscheiben und Scheibe der Kraftübertragung (16) erfüllt ein stabiler Kleber (17) im Kontaktbereich.
Anordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe zur Kraftübertragung (16) auch aus Kunstharzguß mit eingeschlossenen Füllstoffen und nicht magnetischen Stabilisierungselementen (16) bestehen kann.
Anordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Ringscheiben (11, 12) wirbelstromminimierend gestaltet sind und an den nach außen und nach innen weisenden Kanten Schrägen aufweisen. Die Schrägen sind in die Bewicklung mit einbezogen. Der Abschrägungswinkel (α) zur äußeren Ringfläche ist so bestimmt, dass bei einer Spulenwindung die größte Lorentzkraft bei minimalster Windungslänge entsteht.