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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren ist ein drehbarer Rotor mit einem konstanten Magnetfeld vorgesehen, sowie ein Stator, mit dem ein rotierendes Magnetfeld erzeugt werden kann. Das rotierende Magnetfeld erzeugt ein Drehmoment, das nicht konstant ist. Vielmehr ergeben sich Schwankungen im Drehmoment, die von dem Aufbau des Rotors und des Stators und von deren Lage zueinander abhängen. Im Stand der Technik ist es bekannt, abhängig von gewünschten Motorparametern, wie Leistung des Motors, Rastmomente, Redundanz der Motorwicklungen etc., verschiedene Kombination von Stator-Nutzahl und Rotor-Polzahl zu wählen.
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Die Statorpole sind jeweils mit einer Wicklung bewickelt, wobei sich je nach der Struktur von Rotor und Stator ein Wickelschema für die Bewicklung des Stators ergibt, bei dem für jede Phase je eine Nut oder sogar mehrere Nuten Wicklungen derselben Phase aufnehmen. Eine elektrische Verschaltung der Wicklungen jeder Phase in Reihe ermöglicht hohe induzierte Spannungen, ergibt jedoch andererseits eine hohe Wicklungslänge, was zu höheren Verlusten führt. Hieraus resultieren eine geringe Effektivität oder erhöhte hohe Kosten für die Herstellung des Motors infolge der Verwendung von dickeren Kupferdrähten.
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Da die Grenze zur Reduzierung des ohmschen Widerstandes durch den von einer Wickelmaschine maximal zu bewickelnden Drahtdurchmesser abhängig ist, ist es daher oftmals notwendig, die Wicklungen einer jeden Phase elektrisch parallel zu verschalten. Dadurch wird insbesondere das automatische Wickeln aufgrund der Möglichkeit der Verwendung von Wickeldrähten mit geringeren Drahtdurchmessern erst ermöglicht.
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Bei einer Parallelschaltung von Wicklungen ist es wichtig, dass die Vektoren der elektromotorischen Kraft übereinstimmen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dies beim herkömmlichen Motordesign gemäß 1 nicht der Fall ist, so dass sich zwischen den Wicklungen benachbarter Pole Phasenverschiebungen des Wicklungsstromes ergeben, die zu unerwünschten Ausgleichsströmen führen und den Wirkungsgrad herabsetzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen bürstenlosen Gleichstrommotor dahingehend zu verbessern, dass eine Parallelschaltung der Phasenwicklungen einer regulär verteilten Wicklung ermöglicht wird. Insbesondere kommt diese Erfindung zum Tragen für einen 14-poligen und 12-nutigen Elektromotor, bei welchem eine 4-fache Parallelschaltung der Phasenwicklungen sämtlicher zu ein und derselben Phase gehörenden Statorpol-Wicklungen vorgenommen wird.
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Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Gleichstrommotor gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Motor gemäß der Erfindung hat einen Rotor und einen Stator, der eine Vielzahl von durch Nuten getrennte Statorpole umfasst, wobei jedem Statorpol jeweils ein Polschuh und jeweils eine Statorwicklung einer Phase zugeordnet ist, wobei jeweils zwei benachbarte Statorpole ein Paar bilden, welchem dieselbe Phase zugeordnet ist. Die Breite der Nuten zwischen den Polschuhen eines Paares ist erfindungsgemäß kleiner, als die Breite der Nuten zwischen benachbarten Paaren.
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Durch den verringerten Abstand der Polschuhe jedes Paares im Vergleich zu den Polschuhen der anderen angrenzenden Statorpole ergibt sich bei jedem Paar erfindungsgemäß ein übereinstimmender Vektor der elektromotorischen Kraft, so dass eine Parallelschaltung der beiden Wicklungen ohne zirkulierendem Strom möglich wird. Somit ist ein neues Wickelschemata für die Statorwicklungen der 14Pol-12Nut-Kombination anwendbar, wie es weiter unten beschrieben ist.
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Vorzugsweise wird der verringerte Abstand der Polschuhe dadurch erreicht, dass die Polschuhe der Statorpole eines Paars eine unterschiedliche Form aufweisen. Insbesondere sind die Polschuhe jedes Paares relativ zur Mittelachse der Nuten versetzt angeordnet.
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Die Nuten sind in einem Winkel von γ = 360°/NS verteilt über den Stator angeordnet sind, wobei NS der Anzahl der Nuten des Stators entspricht.
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Dabei weisen die äußere Seiten der Polschuhe eines Paars einen Versatz von β zwischen 0,4 γ und 0,5 γ in Bezug auf die Mittelachse der nächstliegenden Nut auf.
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Die Polschuhe sind für NS = 12 also beispielsweise um ca. 12°–15° gegenüber ihrer ursprünglichen Position versetzt angeordnet.
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An ihren einander abgewandten Seiten weisen die Polschuhe eines Paares eine Höhe a auf, die erfindungsgemäß größer gewählt werden sollte als das Fünffache der Spaltbreite des Luftspalts zwischen Stator und Rotor und gleichzeitig größer gewählt werden sollte als 3/4 der Nutbreite bsh zwischen den Polschuhen eines Paares.
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Dagegen weisen die Polschuhe eines Paares an ihren einander zugewandten Seiten eine Höhe b auf, die größer gewählt werden sollte als die Höhe a, damit der magnetische Widerstand in den Statorpolen möglichst klein bleibt.
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In vorteilhafter Weise sind die Polschuhe eines Paars bezüglich der Mittelachse der zugehörigen Nut spiegelbildlich ausgebildet.
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In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Motor 14 Pole und 12 Nuten. Eine andere Anzahl von Polen und Nutzen ist jedoch ebenfalls möglich. Die Anzahl der Nuten wird erfindungsgemäß gewählt zu NS = 6 n, wobei n = 1, 2, 3, 4 ... eine natürliche Zahl ist.
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Die Anzahl der Pole des Rotors wird erfindungsgemäß gewählt zu 2 p = 6 n +– 2.
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Der Motor ist vorzugsweise ein dreiphasiger Motor, wobei jeder Phase mindestens zwei Paare von Statorpolen zugeordnet sind. Jeder Statorpol ist mit einer Wicklung bewickelt, wobei alle Wicklungen der einer Phase zugeordneten Statorpole parallel geschaltet sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Querschnitt durch einen bürstenlosen Elektromotor gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen bürstenlosen Elektromotor.
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3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch die Statorpole des Motors aus 2
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4 zeigt einen Querschnitt gemäß 3 mit eingetragenen Bezeichnungen.
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5 zeigt ein bevorzugtes Wickelschema des Motors aus 2.
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6 zeigt ein anderes bevorzugtes Wickelschema des Motors aus 2
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7 zeigt den simulierten Verlauf der Magnetfeldlinien zwischen zwei Polen
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8 zeigt eine bevorzugte Nutisolation.
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
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1 zeigt einen Motor nach dem Stand der Technik mit zwölf (12) Nuten und vierzehn (14) Rotorpolen im Querschnitt. Die Anzahl der Statorpolnuten, d. h. der Zwischenräume zwischen zwei benachbarten Statorpolen, entspricht der Anzahl der Statorpole. Der Motor besteht aus einem Stator 110, in dessen Mitte ein Rotor 112 konzentrisch angeordnet ist und der sich um eine Drehachse 118 dreht. Der Rotor 112 weist einen Rotorkern 115 und 14 um den Umfang verteilt angeordnete Rotormagnete 116 auf. Diese Rotormagnete können als ein mehrfach magnetisierter einteiliger Ringmagnet ausgebildet sein. Der Rotorkern 115 besteht dabei bevorzugt aus ferromagnetischem Material und dient als innerer Rückschluss für die Rotormagnete 116.
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Der Rotor 112 ist von dem Stator 110 durch einen Luftspalt 114 getrennt. Der Stator 110 umfasst 12 gleichmäßig um den Umfang des Rotors angeordnete Statorpole 120–131, wobei an einem dem Rotor 112 zugewandten Ende der Statorpole 120–131 Polschuhe 120a–131a angeordnet sind. Zwischen zwei benachbarten Statorpolen ist jeweils eine Nut gebildet. An ihren radial äußeren Enden sind die Statorpole 120–131 mit einem Rückschlussring (Statorjoch) 144 des Stators 110 verbunden. Die Statorpole 120–131 tragen jeweils Statorwicklungen 132–143.
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In der 1 ist ein dreiphasiger Elektromotor dargestellt. Dabei entsprechen die Wicklungen 132, 133, 138 und 139 einer ersten Phase des Motors, die Wicklungen 134, 135, 140 und 141 entsprechen einer zweiten Phase, und die Wicklungen 136, 137, 142 und 143 entsprechen einer dritten Phase. Die Wicklungs- bzw. Bestromungsrichtung ist durch Symbole gekennzeichnet. Ein Kreis mit einem Punkt bezeichnet eine aus der Zeichnungsebene heraustretende Stromrichtung, während ein Kreis mit einem Kreuz eine in die Zeichnungsebene hineinführende Stromrichtung kennzeichnet.
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Die Wicklungen 132–143 der drei Phasen werden vorzugsweise in Dreiecks- oder Sternschaltung verschaltet, wie in den 5 bzw. 6 dargestellt ist. In der 1 sind beispielsweise zwei der drei Phasen bestromt.
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Ausgehend vom Stand der Technik gemäß 1 werden bei der Erfindung jeweils zwei benachbarte Statorpole zu einem Paar zusammengefasst. Jedes Paar wird der gleichen Phase zugeordnet und gegensinnig bewickelt. Die Wicklungen der jeweiligen Phase sind dabei parallel geschaltet.
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Die 2 zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Motors, der dieselbe Polzahl und Nutzahl wie der Motor aus 1 aufweist. Korrespondierende Teile des in 2 dargestellten Motors sind mit denselben Bezugszeichen wie in der Darstellung gemäß 1 bezeichnet, wobei bei den Bezugszeichen in 2 jeweils die führende Hunderterstelle („1”) gestrichen wurde. Beispielsweise entspricht der Stator 10 des erfindungsgemäßen Motors dem Stator 110 des in 1 dargestellten Motors. Es gilt also die allgemeine Beschreibung des Motors aus 1 auch für 2.
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Der Motor in 2 umfasst einen Stator 10 mit einer Anzahl von Statorpolen 20–31, die jeweils verteilt um den Umfang des Stators angeordnet sind. Immer zwei Statorpole 20–31 sind jeweils zu einem Paar 46–51 zusammengefasst, beispielsweise bilden die beiden Statorpole 20, 21 ein erstes Paar 46. Im Unterschied zum Motor gemäß 1 weisen beim erfindungsgemäßen Motor nach 2 die Polschuhe der Statorpole 20–31 eine andere Form auf. Bei jedem Paar 46–51 sind die Polschuhe der zugehörigen Statorpole 20–31 näher zusammengerückt, also enger aneinander positioniert, so dass die. Breite der Nuten zwischen den Polschuhen jedes Paares kleiner ist, als die Breite der Nuten zwischen den Polschuhen der Statorpole benachbarter Paare. Mit anderen Worten ist beispielsweise die Nut 52 des Paares 46 in ihrer Breite kleiner als die benachbarten Nuten 63 bzw. 58, wobei die Nut 53 des nächstfolgenden Paares 47 ebenfalls eine kleinere Breite hat wie die benachbarten Nuten 58 bzw. 59. Bevorzugt sind die Statorpole eines Paares dabei spiegelsymmetrisch zur Mittelachse 17 ausgestaltet.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Motors im Bereich der Polschuhe 20a, 21a, der Statorpole 20 bzw. 21, die dem Paar 46 zugeordnet sind.
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Wie aus den 2 und 3 ersichtlich ist, ist jeder Statorpol 20–31 mit einer Statorwicklung 32–43 bewickelt, wobei die Statorpole jeweils eines Paares 46–51 derselben Phase zugeordnet und gegensinnig bewickelt sind. Die Wicklungen einer Phase sind dabei parallel geschaltet, d. h. die Wicklungen 32 und 33 des Paares 46 sind gegensinnig bewickelt und parallel geschaltet.
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4 zeigt einen Schnitt ähnlich wie 3 des Motors aus 2, wobei hier die erfindungswesentlichen Abmessungen und Größen dargestellt sind. Die Statorpole 20–31 bzw. die Nuten 52–63 zwischen den Statorpolen sind in einem Winkel von γ = 360°/NS verteilt über dem Stator angeordnet. Im vorliegenden Fall besitzt der Motor 12 Nuten 52–63, d. h. NS = 12, wobei γ = 360°/12 = 30° ist. Die Polschuhe 20a, 21a der Statorpole jedes Paares sind erfindungsgemäß gegenüber der Mittelachse der benachbarten Nuten um einen Winkel β versetzt angeordnet. Das heißt, dass beispielsweise die Polschuhe 20a und 21a der Statorpole 21, 22 gegenüber der Mittelachse der benachbarten Nuten 63, 58 um einen Winkel β verschoben sind. Dieser Versatz β der Polschuhe 20a, 21a bewirkt, dass die Breite bsh der Nut 52 wesentlich kleiner ist als die Breite der benachbarten Nuten 63 und 58. Erfindungsgemäß liegt der Winkelversatz β zwischen 0,4 γ und 0,5 γ. Im vorliegenden Fall mit NS = 12 und γ = 30° beträgt der Versatz β ca. 12° bis 15°. Durch den Versatz β der Polschuhe 20a und 21a der Statorpole 20, 21 des Paars 46 vergrößert sich die Breite der an das Paar 46 angrenzenden Nuten 63, 68 entsprechend. Gleichmaßen gilt dies für jedes der Paare 46–51 und die Nuten 58–63, welche die Paare 46–51 voneinander trennen.
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Um den magnetischen Widerstand innerhalb der Polschuhe 20a–31a gering zu halten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Polschuhe eines Paares, beispielsweise die Polschuhe 20a und 21a des Paars 46, an ihren einander abgewandten Seiten eine bestimmte Höhe a aufweisen, die eine Mindestgröße nicht unterschreiten sollte. Die Höhe a sollte erfindungsgemäß größer gleich dem 5-fachen der Spaltbreite des Arbeitsluftspaltes 14 sein und ebenfalls größer gleich 0,75 × bsh, wobei bsh die Nutbreite zwischen den Polschuhen eines Paares bezeichne.
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Für die einander zugewandten Seiten der Polschuhe jedes Paares, beispielsweise der Polschuhe 20a, 21a des Paares 46, gilt, dass deren Höhe b größer gewählt werden sollte als die Höhe a, um den magnetischen Widerstand innerhalb der Statorpole zu minimieren.
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Durch die Formgebung der Polschuhe 20a, 21a, wird der magnetische Fluss entsprechend geführt, damit beide in den Wicklungen 32 und 33 der Statorpole 20, 21 erzeugten elektromotorischen Kräfte zueinander in Phase sind und Streuverluste verringert werden. Wichtig ist, dass sich im Grunde die Nutbreite bsh innerhalb der Paare im Vergleich zum Motor aus 1 nicht wesentlich geändert hat, sondern die Winkelausdehnung der Polschuhe, d. h. die von den Polschuhen überstrichenen Flächen des Rotormagneten sind kleiner geworden und enger zusammen gerückt, so dass zwischen den einzelnen Paaren 46 größere Nutbreiten verbleiben.
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5 zeigt ein bevorzugtes Wickelschema für den Motor aus 2. Es wird hierbei eine Dreieckschaltung verwendet. Wichtig ist, dass alle Wicklungen, die einer Phase u, v, w zugeordnet sind, parallel geschaltet sind. Der Motor umfasst 12 Wicklungen 32 bis 43, so dass in jeder Phase u, v, w vier Wicklungen zugeordnet sind. Beispielsweise sind der Phase u die Wicklungen 32, 33, 38 und 29 zugeordnet. Die jeweils benachbarten Wicklungen, die ein Paar bilden, beispielsweise die Wicklungen 32 und 33 sowie 38 und 29, sind mit derselben Phase gegensinnig bewickelt und parallel geschaltet.
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Es gilt hier das Wicklungsschema UuwWVvuUWwvV.
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Die Anzahl der Buchstaben im Wicklungsschema entspricht der Anzahl der zu bewickelten Statorpole. Die Buchstaben U bzw. u entsprechen der ersten Phase, die Buchstaben V bzw. v entsprechen der zweiten Phase und die Buchstaben W bzw. w entsprechen der dritten Phase.
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Großbuchstaben bedeuten: Wickeln im Uhrzeigersinn, Kleinbuchstaben bedeuten:
Wickeln entgegen dem Uhrzeigersinn.
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6 zeigt ein alternatives Wickelschema, bei dem eine Sternschaltung angewendet wird.
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Das Wickelschema hat wiederum die Wickelfolge UuwWVvuUWwvV.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Statorpole bzw. der Polschuhe wird es möglich, die entsprechenden Wicklungsschemata aus den 5 und 6 anzuwenden und insbesondere benachbarte Statorpole mit derselben Phase zu bewickeln und parallel zu verschalten, ohne dass sich eine Phasenverschiebung der Ströme benachbarter parallel geschalteter Wicklungen einstellt. Durch die Formgebung der Polschuhe bleiben die Wicklungsströme, also auch die elektromotorischen Kräfte, in Phase, so dass dieser Motor mit geringen Verlusten betrieben werden kann. Insbesondere wird somit ein höherer Wirkungsgrad erreicht.
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7 zeigt einen Schnitt durch den Motor im Bereich der Polschuhe 20a, 21a, wobei die zu erwarteten Magnetfeldlinien dargestellt sind. Man erkennt den homogenen magnetischen Fluss vom Statorpol 20 über den Rotormagneten 16 sowie den Rotorkern 15 zum Statorpol 21.
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Die 8 zeigt einen Statorpol 21 mit entsprechend angepasster elektrisch isolierender Nutisolation 19. Durch die Formgestaltung der an dem Statorpol anliegenden Nutisolation verbleibt die Wicklung während des Wickelvorganges innerhalb der Statornut und wird insbesondere an der ausgesparten Seite des Statorpoles durch die Nutisolation gehalten.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 110
- Stator
- 12, 112
- Rotor
- 14, 114
- Luftspalt
- 15, 115
- Rotorkern
- 16, 116
- Rotormagnete
- 17, 117
- Mittelachse
- 18, 118
- Drehachse
- 19
- Nutisolation
- 20–31, 120–131
- Statorpole
- 20a–31a, 120a–131a
- Polschuhe
- 32–43, 132–143
- Statorwicklungen
- 44, 144
- Rückschlussring
- 46–51
- Paare
- 52–57
- Nut innerhalb Paar
- 58–63
- Nut außerhalb Paar Winkelabstand zwischen den Nuten
- bsh
- Nutbreite
- δ
- Breite Luftspalt
- a
- Polschuh (Höhe außen)
- b
- Polschuh (Höhe innen)
- β
- Versatz des Polschuhs
- u
- erste Phase
- v
- zweite Phase
- w
- dritte Phase
