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Die vorliegende Erfindung betrifft einen vielpoligen Stator für elektrodynamische Maschinen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung motorisch und generatorisch betreibbare Maschinen und Direktantriebe, die mit dem beschriebenen Stator ausgerüstet sind.
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Es ist aus vielen Patentanmeldungen (z. B.
DE 196 52 795 ,
DE 196 09 340 ) bekannt, das sich die Fertigung von elekrodynamischen Maschinen vereinfachen lässt, wenn der Kupferdraht nicht in die Nuten eines Blechpaketes, sondern auf Spulenkörpern gewickelt wird, welche nach dem Bewickeln auf Statorzähne aufgesteckt werden.
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Die Patentschrift
DE 100 46 030 C2 gibt ein Beispiel für einen derartigen Spulenkörper und wie dieser mit einem Statorzahn verbunden ist.
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Eine andere Alternative zur Vereinfachung der Herstellung ist das direkte Bewickeln von Statorzähnen aus weichmagnetischem Material, die zusammengesetzt werden. Beispiele hierfür sind z. B. aus der
DE 196 43 561 oder
EP 0 969 581 bekannt sind.
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Nachteilig bei diesen Vorschlägen ist, dass der Stator aus vielen Einzelteilen zusammengesetzt ist. Diese müssen sehr präzise gefertigt sein, damit der Magnetfluss nicht gestört wird und die mechanische Stabilität gewährleistet ist.
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Ein weiteres Beispiel für einen Stator mit innenlaufendem Rotor gibt die
WO 2007/100255 . Darin ist ein einteiliger Stator beschrieben, bei dem die Zähne alternierend einen rechteckigen und einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Nachteilig hierbei ist, dass die Magnetisierbarkeit in den trapezförmigen Zähnen nicht optimal genutzt wird.
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Eine Möglichkeit, den Magnetfluss optimal zu führen, ist die Nutzung von U-förmigen Blechpaketen. Dies ist insbesondere beschrieben in der
WO 1996/009683 für Reluktanzmaschinen und in der
US 6,188,159 B1 auch für permanentmagneterregte Synchronmaschinen. In der letzteren Schrift sind mehrere Varianten beschrieben, welche die Orientierung der U-förmigen Blechpakete betrifft. Bei den Ausführungsformen mit radialer Schenkelorientierung kann die Ausrichtung des Verbindungsstegs zwischen den Schenkeln innerhalb der Rotationsebene liegen, unter einem Winkel dazu geneigt oder axial ausgerichtet sein. Bei den ersten beiden Varianten überlappen sich die Schenkel benachbarter Blechpakete. In allen Varianten können vorgefertigte Spulen auf die Schenkel aufgeschoben oder die Verbindungsstege vor dem Zusammenbau mit einer Wicklung versehen werden.
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Sowohl die Variante mit axialer Ausrichtung der Verbindungsstege sowie auch die Variante mit axialer Ausrichtung der Schenkel weist als Besonderheit U-förmige Blechpakete mit parallelen Schenkeln auf. Bei der axialen Ausrichtung der Stege muss der Rotor aus zwei Reihen ringförmig angeordneter Permanentmagnete mit radialem Magnetfeld bestehen. Bei der axialen Ausrichtung der Schenkel besteht der Rotor aus ein oder zwei Reihen ringförmig angeordneten Permanentmagneten mit axialem Magnetfeld und beidseitig angeordneten Statorblechen.
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Eine entsprechender Reluktanzantrieb ist auch in der
US 5,365,137 beschrieben. Hier sind ebenfalls U-förmige nicht überlappende mit Wicklungen versehene Blechpakete vorhanden, deren induzierter Magnetfluss sich über mehrere Rotorringe schließt.
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U-förmige Blechpakete mit parallelen Schenkeln haben den Vorteil, dass sie vormontierte Spulen eingeschoben werden können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile von U-förmigen Blechpaketen mit parallelen Schenkeln bei der Führung des Magnetflusses und bei der Fertigung auch für elektrodynamische Maschinen mit nur einem Rotor- und Statorring nutzbar zu machen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 10.
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In elektrodynamische Maschinen ist der Magnetfluss ist optimal geführt, wenn er die Länge der Flusslinien innerhalb der Spulen im Verhältnis zur gesamten Länge maximal wird. Das kann erreicht werden, wenn die Spulen auf den auf den Schenkeln der U-förmigen Kernbleche angeordnet sind und der Fluss über die kurzen Stege zu den direkt benachbarten Spulen geführt wird. Dazu können die Kernbleche so übereinander geschichtet werden, dass abwechselnd rechte und linke Schenkel direkt benachbarter Bleche übereinander liegen. Somit kann der Fluss auf kurzem Weg auch zwischen in einer Ebene liegenden Magnetpolen geschlossen werden.
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Bei der beschriebenen Anordnung ist es möglich, vorgefertigte Einzelspulen ohne Kerne auf einer Trägerplatte anzuordnen. Die U-förmigen Blechpakete können nach der Montage aller Spulen überlappend um einen Winkel gegeneinander verdreht in die Spulen hineingeschoben werden. Dazu ist es erforderlich, dass die Querschnitts Fläche des Spulenkörpers in der Rotationsebene etwas größer ist als der Querschnitt der einzelnen Schenkel. Dies führt zu einer geringfügigen Erhöhung des Wicklungswiderstandes die minimiert werden kann, wenn der Querschnitt des Wickelkörpers genau an die Form der sich überlappenden Bleche angepasst ist.
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Um die Wärmeableitung und die mechanische Stabilität zu verbessern, können die Spulen mit der Trägerplatte verklebt und mit Epoxydharz vergossen werden. Zusätzlich kann oberhalb der Statorpole eine weitere Trägerplatte angeordnet sein, die Bohrungen aufweist, in welchen die Spulenkörper zusätzlich gehalten werden.
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Der Stator kann ohne wesentlichen Mehraufwand mit großen Radien und einer hohen Anzahl an Statorpolen gefertigt werden. Mit einem entsprechend hochpoligen Rotor erreicht man hohes Drehmoment und hohe Leistung bei kleinen Drehzahlen und geringem Gewicht. Derartige ringförmige Statoren und Rotoren können in elektrische Maschinen eingebaut oder als Konstruktionselemente bei der Direktwandlung zwischen elektrischer und Rotationsenergie eingesetzt werden. Mögliche Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt.
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Die 1 zeigt einen Teil des Stators für einen außen laufenden Rotor in einer axialen Sicht. Auf einer Trägerplatte 11 sind in einer kreisförmigen Anordnung Spulenkörper 12 befestigt, die jeweils mit einer Wicklung aus Kupferlackdraht 13 bewickelt sind. Die Trägerplatte weist Bohrungen auf, so dass sie mit einem Motorgehäuse verschraubt werden kann. In den Innenraum der Spulenkörper sind in radialer Richtung von innen U-förmige Bleche 14 mit parallelen Schenkeln eingeschoben, so dass sich innerhalb jeder Spule die Schenkel benachbarter U-Bleche 14a, 14b überlappen. Der horizontale Querschnitt des Spuleninnenraums und der Wicklung ist trapezförmig an die sich überlappenden Bleche angepasst.
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2 zeigt den gleichen Teil des Stators in einer 3D-Ansicht. Darin sind ebenfalls die mit Draht 13 bewickelten Spulenkörper 12 auf der Trägerplatte 11 zu erkennen. Weiter ist zu erkennen, wie der Spuleninnenraum mit den übereinander gestapelten Blechen 14a, 14b ausgefüllt ist. Durch das Übereinanderschichten der Bleche entstehen Hohlräume, die mit Gießharz ausgefüllt werden können, wenn der gesamte Stator vergossen wird.
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Um die Fertigung zu vereinfachen, ist es möglich, einzelne Bleche, die in Regel nur eine Dicke von wenigen zehntel Millimetern aufweisen, zu U-förmigen Blechpaketen 14 mit einer Dicke von einem oder einigen Millimetern zusammenzufassen. Diese lassen sich, wie in 3 dargestellt, in einer kreisförmigen Anordnung vor dem Einschieben in die Statorspulen stapeln. Dies ist für einen Stator mit außen laufendem Rotor möglich, wenn die Anzahl der Statorpole hoch ist und die Schenkel der U-förmigen Bleche eine bestimmte Länge nicht übersteigen. Für einen Stator mit innen laufendem Rotor ist das vorherige Stapeln in jedem Fall möglich.
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Ein Beispiel hierfür zeigt die 4. Diese Ausführungsform unterscheidet sich gegenüber dem oben gezeigten Stator dadurch, dass der Abstand der Schenkel der U-förmigen Bleche 24 und der Winkel größer ist, um den benachbarte Bleche gegeneinander verdreht sind. Ein größerer Winkel hat zur Folge, dass das Verhältnis der Volumina von magnetisch leitendem Material und Hohlräumen ungünstiger wird. Deshalb kann es sinnvoll sein, den Kreuzungspunkt der sich überlappenden Schenkel KP in die Schenkelmitte zu verlagern. Damit ist der horizontale Querschnitt der Spulen 22 und der Wicklungen 23 nicht einfach trapezförmig, sondern aus zwei nach sich nach außen weitenden Trapezen zusammen gesetzt.
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5 zeigt den gleichen Teil des Stators in einer 3D-Ansicht mit den auf der Trägerplatte 21 montierten Spulenkörpern 22 die Wicklungen 23 tragen. Ein weiterer Unterschied zu dem Beispiel in den .–3. ist die Tatsache, dass zwischen den Spulen Leerräume entstehen, wenn die Anzahl der Wicklungslagen über die Spulenlänge homogen ist. Falls eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raums nötig ist, können zusätzliche Windungen auf dem nach außen weisenden Spulenende aufgebracht werden.
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Eine mögliche Anwendung des Stators in einem Reluktanzantrieb mit innenlaufendem Rotor ist in 6 in einer axialen Sicht dargestellt. Der magnetische Teil des Rotors 26 besteht aus einem Ring aus weichmagnetischem Material mit nach außen zum Stator weisenden Zähnen, Deren Breite und Abstand entspricht der Schenkelbreite und dem Schenkelabstand der U-förmigen Blechen, wie in der Abbildung anhand von 24a zu erkennen ist. Durch die Überlappung der Schenkel benachbarter Blechpakete ergibt sich im Stator ein engerer Polabstand als im Rotor. Im dargestellten Beispiel stehen acht Statorpolen mit den darauf befindlichen Spulen 23a bis 23h sieben Rotorpole gegenüber. Entsprechend gibt es acht U-förmige Blechpakete 24a bis 24h, in welchen abhängig von der Rotorposition, ein Magnetfluss induziert werden kann. Im Bild wird ein Drehmoment in Pfeilrichtung 27 wird erzeugt, wenn die Spulen auf den Schenkeln der Bleche 24b und 24c mit Strom beaufschlagt werden. Der induzierte Magnetfluss ist anhand der Pfeile 28 dargestellt.
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Die Verdrahtung der Spulen untereinander kann auf der Trägerplatte ausgeführt sein. Ein Beispiel ist in 7 dargestellt. Hier besteht jede Statorspule aus einer zweifachen Wicklung, von denen jeweils die erste Wicklung jeder Spule mit der zweiten Wicklung der in Drehrichtung benachbarten Spule in Reihe geschaltet ist. Damit ist gewährleistet, das beim Einschalten einer Phase, in beiden Schenkeln eines U-förmigen Statorkerns den gleichen Magnetfluss induziert wird. Die Spulen auf den Polen, welche die gleiche relative Position zu den Rotorzähnen haben, z. B. 23a, 23a', 23a'', ... sind parallel geschaltet. Mit der Hilfe von acht einpoligen Schaltelementen und zugehörigen Freilaufdioden kann durch den beschriebenen Stator ein Drehfeld für den Rotor erzeugt werden.
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8 zeigt die Verwendung des Stators in einer permanent erregten Synchronmaschine mit außen laufendem Rotor. In der Zeichnung sind als magnetisch wirksamen Teile die Permanentmagnete mit zum Stator weisendem Nordpol 15a, die Permanentmagnete mit zum Stator weisendem Südpol 15b und Ring 16, der den Magnetfluss im Rotor schließt, dargestellt. Die Breite der Magnete ist so gewählt, dass sie etwa der Breite der sich überlappenden Schenkel der U-förmigen Bleche 14 entspricht. Der Abstand der Magnete ist etwas geringer als der Abstand der Schenkel, so dass der von jedem Magneten erzeugte Fluss nahezu vollständig über die gegenüberliegenden U-förmigen Blechpakete und die direkt benachbarten Magnete geschlossen wird.
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Durch den geringen Phasenversatz haben in dieser Ausführungsform neun Spulen 13a–13j unterschiedliche Winkelstellungen relativ zum Rotor. Die Spulen mit dem gleichen Buchstaben (z. B. 13a, 13a', 13a'' ...) haben die gleichen Phasenwinkel und können parallel geschaltet werden. Da eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung von neun Phasen sehr aufwendig ist, können jeweils drei benachbarte Spulen in Reihe geschaltet werden, wie in 9 dargestellt ist. Damit erhält man eine dreiphasige Synchronmaschine bei welcher der Amplitudenverlust durch die Reihenschaltung nur wenige Prozent beträgt.
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Der Zusammenbau von Maschinen mit Permanentmagneten wird in der Regel dadurch erschwert, dass starke Anziehungskräfte zwischen Rotor und Stator auftreten. Um dies zu erleichtern ist es denkbar, zunächst den Rotor mit dem Stator zusammenzuführen, bei dem die Spulen ohne Kernbleche auf der Trägerplatte montiert sind. Diese können anschließend von innen die U-förmigen Blechpakete in die Spulen eingeschoben werden. Dabei entstehen lediglich radiale Kräfte.
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Wenn man dafür sorgt, dass auch im Betrieb der Synchronmaschine die U-förmigen Blechpakete innerhalb der Spulen beweglich bleiben, kann man die Stärke des Magnetflusses abhängig von der Drehzahl verändern. In der 10 ist eine Variante des Stators für eine Synchronmaschine mit Feldschwächung dargestellt. Dabei ist der Steg der U-förmigen Bleche 34 mittig zwischen den Schenkeln mit einer Bohrung versehen, durch die jeweils ein Stift 38 aus nichtmagnetischem Material geführt ist. Ober- und unterhalb der Bleche sind ringförmige Platten 37 angeordnet, welche Schlitze 39 aufweisen. Deren Abstand und Breite entspricht den Bohrungen der in die Spulen eingeführten Blechpakete. Jeder Schlitz ist um den gleichen kleinen Winkel gegen die tangentiale Richtung gedreht, so dass ein gleichzeitiges Verdrehen der oberen und unteren Platte 37 alle in die Schlitze hereinragenden Stifte und mit ihnen die U-förmigen Kernbleche radial bewegt. Damit ergibt sich die Möglichkeit den Magnetfluss bei hohen Drehzahlen zu schwachen und damit den Drehzahlbereich der Maschine zu erweitern.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Trägerplatte Stator Außenläufer
- 12
- Spulenkörper Außenläufer
- 13
- Wicklung Außenläufer
- 14
- U-förmiges Blechpaket Außenläufer
- 15a
- Permanentmagnet mit Nordpol zum Stator
- 15b
- Permanentmagnet mit Südpol zum Stator
- 16
- Magnetischer Rückschlussring des Rotors einer Synchronmaschine
- 21
- Trägerplatte des Stators für Innenläufer
- 22
- Spulenkörper für Innenläufer
- 23
- Wicklung für Innenläufer
- 24
- U-förmiges Blechpaket für Innenläufer
- 26
- Magnetischer Teil des Rotors einer Reluktanzmaschine
- 27
- Drehrichtung
- 28
- Magnetfluss
- 34
- U-förmiges Blechpaket mit Bohrung
- 37
- Stift
- 38
- Verstellring
- 39
- Schlitz im Verstellring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19652795 [0002]
- DE 19609340 [0002]
- DE 10046030 C2 [0003]
- DE 19643561 [0004]
- EP 0969581 [0004]
- WO 2007/100255 [0006]
- WO 1996/009683 [0007]
- US 6188159 B1 [0007]
- US 5365137 [0009]
