DE102011018539B4 - Design principle for electrical machines with an external rotor - Google Patents
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Abstract
Elektrische Maschine mit innenliegendem Stator (a) und außenliegendem Rotor (h), der die zwischen Stator (a) und Rotor (h) wirkenden Magnetkräfte nutzt, die zu einer axialen Zentrierung führen, gekennzeichnet durchmindestens zwei Scheiben (b, c)in flacher oder räumlich strukturierter Ausführungaus Metall, elektrisch nicht leitendem Material oder mit elektrisch isolierender Beschichtung oderals scheibenförmige Leiterplatten,die den ringförmigen Stator (a) tragen, in dem sie mindestens an den in Axialrichtung äußeren Enden des ringförmigen Stators (a) und/oder einem den Stator (a) tragenden Metallring (f) ansetzen unddie radiale Kräfte, die auf die Maschine oder in ihr wirken, auf die Haltekonstruktion (d) der Maschine übertragen,die als feststehende Welle (d) ausgeführt wird.Es ist ein Aufbau vorgesehen, der sich zum Zweck der Kühlung, eines schmalen Ringes (f) bedient, auf dem der ringförmige Stator (a) aus magnetisierbarem Material sitzt und der mit den Scheiben (b, c) verbunden ist,wobei der schmale Ring (f) eingearbeitete Kanäle (g) für eine ergänzende Luft- oder Flüssigkeitskühlung aufweist.Electrical machine with an internal stator (a) and an external rotor (h), which uses the magnetic forces acting between the stator (a) and rotor (h) which lead to axial centering, characterized by at least two disks (b, c) in flat or spatially structured design made of metal, electrically non-conductive material or with an electrically insulating coating or as disc-shaped printed circuit boards, which carry the ring-shaped stator (a), in which they are attached at least to the axially outer ends of the ring-shaped stator (a) and/or a stator ( a) attach the supporting metal ring (f) and transmit the radial forces acting on or in the machine to the supporting structure (d) of the machine, which is designed as a fixed shaft (d). Purpose of cooling, a narrow ring (f) served, on which the ring-shaped stator (a) made of magnetizable material sits and which is connected to the disks (b, c),w wherein the narrow ring (f) has incorporated channels (g) for additional air or liquid cooling.
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 with electrical windings and a rotor. If the rotor is placed outside the stator system and is dimensioned large in relation to the width of the stator, which is advantageous when large torques are required, the electromagnetically effective part of the stator usually becomes a more or less narrow ring of magnetizable material, e.g. in the form of layers and correspondingly grooved metal sheets. In order to support the forces acting on the stator on a support structure, such as a stationary shaft, the ring-shaped stator is usually mounted on a metal core, usually made of non-magnetic material, which is the connection to the support structure. This metal core usually has recesses or a rotationally symmetrical profile to reduce the weight. 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, the rotor is usually also built very solidly.
Der Vorteil der beschriebenen herkömmlichen mechanischen Anordnung liegt in der Möglichkeit, das magnetisierbare Statormaterial unmittelbar und durch entsprechende Prozeßschritte wie aufpressen, 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 lies in the possibility of applying the magnetizable stator material directly and through appropriate process steps such as pressing, casting, etc. with good heat transfer to a metal core, which can also contain the holding structure. This metal core can absorb or transmit forces acting in all directions. The advantage of a solid rotor construction offers the possibility of being able to accommodate wheels directly via an integrated or directly attached flange and to control their transverse forces.
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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 conventional mechanical arrangement described is the relatively high weight of both the stator support, which is designed as a metal core, and the rotor construction, which can be reduced if the magnitude and direction of the forces are taken into account and included to stabilize the construction, which are applied to the metal core, on which the annular stator is applied or act on the support structure. A massive rotor construction, usually in the form of a steel bell, has an equally disadvantageous effect on the weight. Another disadvantage is the need to produce larger turned or cast parts that do not have multifunctionality.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Der erfindungsgemäße Aufbau bezieht die zwischen innenliegendem Stator und außenliegendem 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 incorporates the axial magnetic forces acting between the inner stator and the outer rotor to stabilize the system, which are very high particularly in machines with permanent magnets for excitation and lead to axial centering between the stator and rotor. This eliminates the usual metal core and replaces it with two simple and light discs that support the annular stator. These discs are able to easily transfer the radial forces resulting from the machine torque to the support structure. If the discs are designed accordingly, they can take on additional functions, such as providing mechanical support for the ring-shaped stator, which usually consists of stacked sheets of metal, and/or insulating the stator ring from the winding, provided they are made of non-conductive material and in the area of the Smell the stator grooves on the outer diameter. Designed as printed circuit boards, these disks can also be used for wiring the windings and/or carry electronic components for controlling the machine. Furthermore, the discs, designed accordingly, can also seal cooling ducts. This axial centering between rotor and stator also enables a significant reduction in rotor weight, provided that the rotor is held and supported on both sides and analogously to the stator by at least two discs. By designing the wheel mount or an output flange of the machine with a bearing that transfers little or no lateral forces to the rotor system itself, this is relieved.
Beschreibungdescription
Erfindungsgemäß wird, wie in
Der außenliegende Rotor h der elektrischen Maschine wird, in gleicher Weise wie der innenliegende 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 außenliegende Rotor drehen soll, werden die mit ihm verbundenen Scheiben abweichend zum Statorsystem über die beiden Lager k und I abgestützt, die auch die eigentliche Lagerung der elektrischen Maschine darstellen.The outer rotor h of the electrical machine is held between two disks i and j in the same way as the inner stator, which are essentially designed for the radial forces, ie can be relatively flexible in the axial direction. Since the rotor on the outside is supposed to turn, the discs connected to it are supported by the two bearings k and I, which also represent the actual bearing of the electrical machine, in contrast to the stator system.
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
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