DE102011018539A1 - Electrical machine assembly structure, has rotor arranged outside of annular stator, and structure similar to wheel mount or output flange for enabling decoupling with respect to transverse force between rotor system and flange - Google Patents

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Abstract

The structure has flat or spatially structured plates (i, j) made of metal or an electrically conductive material. The plates carry a rotor (h) that is arranged outside of an annular stator (a) and screwed, glued or connected between the plates. The rotor is supported by bearings (k, l) on a holding structure. A structure similar to a wheel mount (m) or an output flange is attached and supported on a free side of a rotor system and on a side opposite to the wheel mount or output flange. The structure enables decoupling with respect to transverse force between the rotor system and a flange.

Description

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Maschinen bestehen aus einem Stator, der mit elektrischen Wicklungen versehen ist und einem Rotor. Wird der Rotor außerhalb des Statorsystems angeordnet und im Verhältnis zur Breite des Stators groß dimensioniert, was vorteilhaft ist, wenn große Drehmomente erforderlich sind, gerät der elektromagnetisch wirksame Teil des Stators gewöhnlich zu einem mehr oder weniger schmalen Ring aus magnetisierbarem Material, z. B. in Form geschichteter und entsprechend genuteter Bleche. Um die auf den Stator wirkenden Kräfte auf eine Haltekonstruktion, etwa in Form einer feststehenden Welle, abzustützen, wird der ringförmige Stator gewöhnlich auf einen Metallkern, meist aus nicht magnetischem Material, aufgebracht, der die Verbindung zur Haltekonstruktion darstellt. Dieser Metallkern besitzt gewöhnlich zur Verringerung des Gewichtes Aussparungen oder eine rotationssymmetrische Profilierung. Sollen derartige Maschinen beispielsweise zum Antrieb von Rädern verwendet werden, so wird der Rotor gewöhnlich mit hohen Kräften belastet, die zwischen Rad und Maschine entstehen. Demgemäß wir der Rotor meist ebenfalls sehr massiv aufgebaut.Electrical machines consist of a stator, which is provided with electrical windings and a rotor. If the rotor is arranged outside the stator system and dimensioned large in relation to the width of the stator, which is advantageous when large torques are required, the electromagnetically active part of the stator usually becomes a more or less narrow ring of magnetizable material, eg. B. in the form of layered and correspondingly grooved sheets. In order to support the forces acting on the stator on a support structure, such as in the form of a fixed shaft, the annular stator is usually applied to a metal core, usually of non-magnetic material, which forms the connection to the support structure. This metal core usually has to reduce the weight recesses or rotationally symmetric profiling. If such machines are to be used, for example, to drive wheels, the rotor is usually loaded with high forces that arise between the wheel and the machine. Accordingly, we usually also very solid rotor.

Der Vorteil der beschriebenen herkömmlichen mechanischen Anordnung liegt in der Möglichkeit, das magnetisierbare Statormaterial unmittelbar und durch entsprechende Prozeßschritte wie aufpassen, vergießen etc. mit guter Wärmeübertragung auf einen Metallkern aufzubringen, der auch die Haltekonstruktion beinhalten kann. Dieser Metallkern kann in alle Richtungen wirkende Kräfte aufnehmen bzw. übertragen. Der Vorteil einer massiven Rotorkonstruktion bietet die Möglichkeit, über einen integrierten oder direkt angearbeiteten Flansch unmittelbar Räder aufnehmen zu können und deren Querkräfte zu beherrschen.The advantage of the described conventional mechanical arrangement is the ability to apply the magnetizable stator material directly and by appropriate process steps such as watch out, shedding, etc. with good heat transfer to a metal core, which may also include the support structure. This metal core can absorb or transmit forces acting in all directions. The advantage of a solid rotor design offers the possibility of being able to directly receive wheels via an integrated or directly machined flange and to control their transverse forces.

Kritik am Stand der TechnikCriticism of the state of the art

Ein Nachteil der beschriebenen herkömmlichen mechanischen Anordnung liegt im relativ hohen Gewicht sowohl der als Metallkern ausgeführten Statorhalterung als auch der Rotorkonstruktion, das sich verringern lässt, wenn die Kräfte nach Größe und Richtung berücksichtigt und zur Stabilisierung der Konstruktion mit einbezogen werden, die auf den Metallkern, auf den der ringförmige Stator aufgebracht ist bzw. auf die Haltekonstruktion wirken. Ebenso nachteilig wirkt sich eine massive Rotorkonstruktion, meist in Form einer Stahlglocke, auf das Gewicht aus. Ein weiterer Nachteil ist die erforderliche Anfertigung größerer Dreh- oder Gussteile, die keine Multifunktionalität besitzen.A disadvantage of the described conventional mechanical arrangement resides in the relatively high weight of both the metal core stator support and the rotor construction, which can be reduced if the forces are taken into account in size and direction and are included to stabilize the structure resting on the metal core. on which the annular stator is applied or act on the support structure. Likewise disadvantageous affects a massive rotor construction, usually in the form of a steel bell, on the weight. Another disadvantage is the required production of larger turning or castings that have no multi-functionality.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der erfindungsgemäße Aufbau bezieht die zwischen Stator und Rotor wirkenden axialen magnetischen Kräfte zur Stabilisierung des Systems ein, die besonders bei Maschinen mit Dauermagneten zur Erregung sehr hoch sind und zu einer axialen Zentrierung zwischen Stator und Rotor führen. Dadurch kann der übliche Metallkern entfallen und durch zwei einfache und leichte Scheiben ersetzt werden, die den ringförmigen Stator tragen. Diese Scheiben sind in der Lage, die radialen Kräfte, die sich aus dem Drehmoment der Maschine ergeben, einfach auf die Haltekonstruktion zu übertragen. Werden die Scheiben entsprechend ausgebildet, können sie zusätzliche Funktionen übernehmen, etwa dem ringförmigen Stator, der meist aus übereinander geschichteten Blechen besteht, mechanischen Halt geben und/oder den Statorring gegenüber der Wicklung isolieren, sofern sie aus nicht leitendem Material bestehen und in den Bereich der Nutung des Stators am äußeren Durchmesser riechen. Diese Scheiben können, als Leiterplatten ausgeführt, auch die Verdrahtung der Wicklungen übernehmen und/oder elektronische Komponenten für die Steuerung der Maschine tragen. Ferner können die Scheiben, entsprechend ausgeführt, auch Kühlkanäle abdichten. Diese axiale Zentrierung zwischen Rotor und Stator ermöglicht ebenso eine deutliche Verringerung des Rotorgewichts, sofern der Rotor beidseitig und analog zum Stator durch mindestens zwei Scheiben gehalten und abgestützt wird. Durch die Ausführung der Radaufnahme oder eines Ausgangsflansches der Maschine mit einer Lagerung, die keine oder nur geringe Querkräfte auf das Rotorsystem selbst überträgt, wird dieses entlastet.The structure according to the invention involves the axial magnetic forces acting between the stator and the rotor to stabilize the system, which are very high for excitation in machines with permanent magnets and lead to an axial centering between stator and rotor. As a result, the usual metal core can be omitted and replaced by two simple and lightweight discs that carry the annular stator. These discs are capable of easily transferring the radial forces resulting from the torque of the machine to the support structure. If the discs are formed accordingly, they can take on additional functions, such as the annular stator, which consists mostly of stacked sheets, give mechanical support and / or isolate the stator against the winding, if they consist of non-conductive material and in the field of Smooth groove of the stator at the outer diameter. These slices, designed as printed circuit boards, can also take over the wiring of the windings and / or carry electronic components for the control of the machine. Furthermore, the discs, as stated, can also seal cooling channels. This axial centering between rotor and stator also allows a significant reduction in the rotor weight, provided that the rotor is held on both sides and analogous to the stator by at least two discs and supported. By carrying out the wheel mount or an output flange of the machine with a bearing that transmits little or no lateral forces on the rotor system itself, this is relieved.

Beschreibungdescription

Erfindungsgemäß wird, wie in dargestellt, der ringförmige Stator a von den beiden Scheiben b und c gehalten, die je nach Ausführung der Haltekonstruktion identisch oder weitgehend identisch sein können. Diese Scheiben wiederum sind mit der Haltekonstruktion verbunden, im dargestellten Fall in Form der Welle d, die auch die Lagerung des Rotors aufnimmt. Der Kraftschluss zwischen den Scheiben und der Welle oder einer sonstigen Haltekonstruktion wird beispielhaft über eine Verschraubung mittels der Schrauben e hergestellt, kann jedoch auch durch eine Schweißverbindung, durch Kleben oder eine sonstige geeignete Fügetechnik erfolgen. Der ringförmige Stator sitzt also zwischen den beiden Scheiben und kann im einfachsten Fall durch eine Verschraubung zwischen den beiden Scheiben gehalten und zentriert werden. In der Praxis wird meistens aus Gründen einer besseren Stabilität und Kühlung des Stators, wie in der Abbildung gezeigt, jedoch eher ein Metallring f, ggf. mit eingearbeiteten Kanälen g für eine ergänzende Luft- oder Flüssigkeitskühlung, zum Einsatz kommen, auf den der ringförmige Stator aus magnetisiserbarem Material aufgebracht wird. Der Kraftschluss zwischen diesem Metallring f und den Scheiben kann analog der Verbindung zwischen den Scheiben und der Welle durch Verschraubung oder unterschiedliche Techniken verbunden werden. In der Abbildung sind für diese Verbindung keine Schrauben dargestellt; hier kann z. B. eine Verklebung angewendet werden.According to the invention, as in represented, the annular stator a of the two discs b and c held, which may be identical or substantially identical depending on the design of the support structure. These discs in turn are connected to the support structure, in the case shown in the form of the shaft d, which also receives the bearing of the rotor. The adhesion between the discs and the shaft or other support structure is exemplified by a screw by means of screws e, but can also be done by a welded joint, by gluing or other suitable joining technique. The annular stator thus sits between the two discs and can be held and centered in the simplest case by a screw connection between the two discs. In practice, however, usually for reasons of better stability and cooling of the stator, as shown in the figure, but rather a metal ring f, possibly with incorporated channels g for additional air or liquid cooling, are used, on which the annular stator made of magnetisable material. The frictional connection between this metal ring f and the discs can be connected analogously to the connection between the discs and the shaft by screwing or different techniques. In the figure no screws are shown for this connection; here can z. B. a bond can be applied.

Der Rotor h der Maschine wird, in gleicher Weise wie der Stator, zwischen zwei Scheiben i und j gehalten, die im Wesentlichen für die radialen Kräfte ausgelegt werden, also in Axialrichtung relativ nachgiebig sein können. Da sich der Rotor drehen soll, werden die mit ihm verbundenen Scheiben abweichend zum Statorsystem über die beiden Lager k und l abgestützt, die auch die eigentliche Lagerung der Maschine darstellen.The rotor h of the machine is, in the same way as the stator, held between two disks i and j, which are designed essentially for the radial forces, that can be relatively yielding in the axial direction. Since the rotor is to rotate, the disks associated with it are supported differently from the stator system via the two bearings k and l, which also represent the actual mounting of the machine.

Die Kraftabgabe der Maschine, also die Übertragung des Drehmoments vom Rotor auf eine Radaufnahme m oder einen Ausgangsflansch, erfolgt durch einen Kraftschluss zwischen der Scheibe i und dem eigentlichen Flansch mittels starrer oder elastischer Koppelung oder Verschraubung. Zur Beherrschung von Querkräften, die vornehmlich Radkräfte sein werden, erhält die Radaufnahme oder der Ausgangsflansch eine mindestens zweifache stabile Lagerung. Eines der Lager kann, wie in gezeigt, mit dem Lager k zusammenfallen, auf dem sich die Scheibe i abstützt. Das ergänzende Lager n stabilisiert die Radaufnahme oder den Ausgangsflansch derart, dass auftretende Radkräfte unabhängig von deren Richtung hinreichend abgestützt werden.The power output of the machine, so the transmission of torque from the rotor to a wheel m or an output flange, is effected by a frictional connection between the disc i and the actual flange by means of rigid or elastic coupling or screwing. To control lateral forces, which will be primarily wheel forces, receives the wheel or the output flange at least two times stable storage. One of the bearings can, as in shown coincide with the bearing k, on which the disc i is supported. The supplementary bearing n stabilizes the wheel receptacle or the output flange such that occurring wheel forces are adequately supported independently of their direction.

Claims (5)

Anspruch I (Hauptanspruch) Aufbauprinzip für den feststehenden Teil elektrischer Maschinen mit außenliegendem Rotor, der die zwischen Stator und Rotor wirkenden Magnetkräfte nutzt, die zu einer axialen Zentrierung führen, gekennzeichnet durch mindestens zwei Scheiben in flacher oder räumlich strukturierter Ausführung aus Metall, elektrisch nicht leitendem Material oder mit elektrisch isolierender Beschichtung oder als scheibenförmige Leiterplatten, die den ringförmigen Stator tragen, in dem sie mindestens an den in Axialrichtung äußeren Enden des ringförmigen Stators und/oder einem den Stator tragenden Metallring ansetzen und die bevorzugt radiale Kräfte, die auf die Maschine oder in ihr wirken, auf die Haltekonstruktion der Maschine übertragen, die vorzugsweise als feststehende Welle ausgeführt wird. Zwischen den beiden Scheiben kann im einfachsten Fall der ringförmige Stator direkt verschraubt, verklebt oder durch sonstige Fügetechnik montiert werden; ebenso ist ein Aufbau vorgesehen, der sich z. B. zum Zweck der Kühlung, eines schmalen Ringes bedient, auf dem der ringförmige Stator aus magnetisierbarem Material sitzt. Sinnvoll ergänzbar um ein vergleichbares Aufbauprinzip für den außenliegenden Rotor, das ebenfalls die zwischen Stator und Rotor wirkenden Magnetkräfte zu einer axialen Zentrierung nutzt, gekennzeichnet wiederum durch mindestens zwei Scheiben in flacher oder räumlich strukturierter Ausführung aus Metall oder elektrisch nicht leitendem Material die den außenliegenden Rotor tragen und mit diesem direkt verschraubt, verklebt oder durch sonstige Fügetechnik verbunden sind und die sich über mindestens zwei Lager auf der Haltekonstruktion abstützen. Ergänzbar um eine vom Rotorsystem bezüglich wirkender Querkräfte weitgehend entkoppelten Ausführung der Radaufnahme oder eines Ausgangsflansches, vorzugsweise durch eine Lagerung der Radaufnahme oder eines Ausgangsflansches mittels mindestens zweier Lager, die auf der Haltekonstruktion sitzen, und von denen eines der Lager mit der Lagerung der räumlich nächsten Scheibe des Rotorsystems zusammenfallen kann. Sinnvoll ergänzbar um einen weiteren Flansch, etwa zu Aufnahme einer Bremse, gekennzeichnet durch eine der Radaufnahme oder des Ausgangsflansches vergleichbaren Konstruktion, die auf der freien Seite des Rotorsystems, also der der Radaufnahme oder des Ausgangsflansches gegenüberliegenden Seite, in gleicher Weise angebracht und gelagert wird und die auch eine Entkoppelung bezüglich wirkender Querkräfte zwischen Rotorsystem und diesem weiteren Flansch ermöglicht. 2. bis 5 UnteransprücheClaim I (main claim) Construction principle for the fixed part of electrical machines with external rotor, which uses the magnetic forces acting between the stator and rotor, which lead to an axial centering, characterized by at least two slices in a flat or spatially structured version of metal, electrically non-conductive material or electrically insulating Coating or as disc-shaped circuit boards, which carry the annular stator, in which they attach at least to the axially outer ends of the annular stator and / or a stator bearing metal ring and the preferably radial forces acting on or in the machine on transferred the support structure of the machine, which is preferably carried out as a fixed shaft. In the simplest case, the annular stator can be directly screwed, glued or mounted by other joining techniques between the two discs; as well as a structure is provided, the z. B. for the purpose of cooling, a narrow ring served, on which sits the annular stator made of magnetizable material. Usefully supplemented by a comparable construction principle for the outer rotor, which also uses the magnetic forces acting between the stator and rotor for axial centering, characterized in turn by at least two slices in a flat or spatially structured design of metal or electrically non-conductive material carrying the outer rotor and are screwed directly to it, glued or connected by other joining technology and are supported on at least two bearings on the support structure. Complementable by a largely decoupled from the rotor system with respect to acting transverse forces execution of the wheel or an output flange, preferably by a bearing of the wheel or an outlet flange by means of at least two bearings sitting on the support structure, and of which one of the bearings with the storage of the spatially next disc of the rotor system can coincide. Usefully supplemented by a further flange, such as to receive a brake, characterized by a construction of the wheel or the output flange comparable construction, on the free side of the rotor system, that of the wheel or the output flange opposite side, mounted and stored in the same way and which also allows decoupling with respect to acting transverse forces between the rotor system and this further flange. 2. to 5 dependent claims Aufbauprinzip für elektrische Maschinen mit außenliegendem Rotor nach Anspruch I, wobei sowohl die Scheiben, die den Stator tragen als auch die Scheiben, die den Rotor tragen, durch geometrische Aussparungen in Bezug auf Gewicht und zu übertragende Kräfte optimiert sind und/oder im Bereich des äußeren Durchmessers oder in weniger belasteten Bereichen eine geringere Materialstärke besitzen.Design principle for external rotor electrical machines according to claim I, wherein both the disks carrying the stator and the disks supporting the rotor are optimized by geometrical recesses with respect to weight and forces to be transmitted and / or in the region of the outside Diameter or less stressed areas have a lower material thickness. Aufbauprinzip für elektrische Maschinen mit außenliegendem Rotor nach Anspruch I, wobei die Scheiben, die den Stator tragen, aus elektrisch nicht leitendem Material oder elektrisch isolierend beschichtet sind und am äußeren Durchmesser eine Stukturierung besitzen, die mit der Geometrie, insbesondere der Nutung des ringförmigen Stators korrespondiert, ihr also im Bereich des äußeren Durchmessers in etwa entspricht oder ihr folgt und dadurch eine vorteilhafte Isolierung der Wicklungen gegen die Stirnflächen der Nutungen des ringförmigen Stators darstelltConstruction principle for electrical machines with external rotor according to claim I, wherein the discs which carry the stator are made of electrically non-conductive material or electrically insulating coated and have on the outer diameter a structuring, which corresponds to the geometry, in particular the groove of the annular stator , They therefore approximately in the range of the outer diameter corresponds to or follows it and thereby represents an advantageous insulation of the windings against the end faces of the grooves of the annular stator Aufbauprinzip für elektrische Maschinen mit außenliegendem Rotor nach Anspruch I, wobei der ringförmige Stator nicht direkt mit den ihn tragenden Scheiben verschraubt, verklebt oder durch sonstige Fügetechnik verbunden wird, sondern gem. Detail mittels beigefügtem ringförmigem, am inneren Druchmesser des ringförmigen Stators orientierten Distanzringes o, woraus sich eine um die Stärke des Distanzringes nach außen, in der Abbildung nach links, verlegte Position der Scheibe b in axialer Richtung ergibt, die so außerhalb des für die Wicklung p nötigen Raumes liegt. Ein weiterer Distanzring kann auch auf der anderen, in der Abbildung rechten Seite des Stators angebracht werden, damit auch hier die Position der Scheibe außerhalb des für die Wicklung nötigen Raumes liegt. Mindestens einer der Distanzringe ist auch als Bestandteil eines schmalen Metallringes f möglich, auf dem der ringförmige Stator aus magnetisierbarem Material sitzen kann. Diese Anordnung ist sinnvoll, wenn die Scheiben als Leiterplatten ausgebildet werden sollen, um damit eine Verdrahtung q der Wicklungen zu ermöglichen und/oder elektronische Komponenten aufzunehmen sind.Construction principle for electrical machines with external rotor according to claim I, wherein the annular stator is not screwed directly to the discs carrying it, glued or by others Joining technology is connected, but gem. detail by means of the attached ring-shaped spacer ring o, oriented on the inner diameter of the annular stator, from which a position of the disk b in the axial direction is shifted by the thickness of the spacer ring to the outside, in the figure to the left, which is necessary outside the winding p Room is located. Another spacer ring can also be mounted on the other, in the figure right side of the stator, so that here too the position of the disc is outside the space required for the winding. At least one of the spacer rings is also possible as part of a narrow metal ring f, on which the annular stator of magnetizable material can sit. This arrangement is useful when the discs are to be formed as printed circuit boards, so as to allow wiring q of the windings and / or electronic components to be accommodated. Aufbauprinzip für elektrische Maschinen mit außenliegendem Rotor nach Anspruch I, wobei die zum Zweck der Kühlung in den schmalen Ring, auf dem der ringförmige Stator aufgebracht sein kann, ggf. eingearbeiteten Kanäle für eine Luft- oder Flüssigkeitskühlung, vorteilhaft im Bereich der Berührungsfläche mit den Scheiben mittels Dichtmittel oder einem beigefügten Dichtmaterial, z. B. in Form flächiger Dichtelemente oder Dichtschnüre auf einfache Weise abgedichtet werden können. Die Beschichtung mit Dichtmittel kann auf den Scheiben oder dem schmalen Ring im erforderlichen Bereich erfolgen.Design principle for electric machines with external rotor according to claim I, wherein the purpose of the cooling in the narrow ring on which the annular stator may be applied, optionally incorporated channels for air or liquid cooling, advantageously in the region of the contact surface with the discs by means of sealant or an attached sealing material, eg. B. in the form of flat sealing elements or sealing cords can be sealed in a simple manner. The coating with sealant can be done on the discs or the narrow ring in the required range.
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