DE102011054973A1

DE102011054973A1 - Electric machine

Info

Publication number: DE102011054973A1
Application number: DE201110054973
Authority: DE
Inventors: Dr. Schmidt Michael
Original assignee: BITS ZWICKAU BUEROMAT IT SYSTEME GmbH; Bits Zwickau Bueromat It-Systeme GmbH
Current assignee: BITS ZWICKAU BUEROMAT IT SYSTEME GmbH; Bits Zwickau Bueromat It-Systeme GmbH
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2012-05-10
Also published as: DE202010008965U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektroarbeitsmaschine mit wenigstens zwei Statoren und wenigstens einem Läufer, wobei der Läufer magnetisch aktive in einer Bewegungsebene des Läufers befindliche Läuferkernelemente aufweist, und wobei die Statoren jeweils Statorzähne aufweisen, die in einem ersten Stator und in einem zweiten Stator einander gegenüberstehen und zur Wechselwirkung mit jeweils wenigstens einem zwischen zwei gegenüberstehenden Statorzähnen befindlichen magnetisch aktiven Läuferkernelement vorgesehen sind, und jeweils wenigstens eine Statorwicklung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in den Statorzähnen aufweisen. Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Elektroarbeitsmaschine mit reduzierter Masse, mit erhöhter Leistungsdichte, mit erhöhtem Wirkungsgrad und mit geringen Herstellungskosten vorzuschlagen. Die Aufgabe wird durch eine Elektroarbeitsmaschine der genannten Gattung gelöst, bei welcher jeder Stator voneinander in einer Bewegungsrichtung des Läufers räumlich getrennte, im Statorquerschnitt „U”-förmige Statorelemente aufweist, die aus Statorjochelementen und Statorzähnen bestehen, wobei jeweils zwei Statorzähne durch ein Statorjochelement unter Ausbildung des „U” verbunden sind, wobei die aufrechten Balken des „U” durch jeweils einen Statorzahn und der Grundbalken desent ausgebildet werden und wobei die aufrechten Balken der des „U's” zweiten Stators den aufrechten Balken des „U's” des ersten Stators einander kopfüber gegenüberstehen; und der Stator aus wenigstens zwei Statorschichten zusammengesetzt ist, wobei in wenigstens einer ersten dieser Statorschichten die Statorjochelemente und in wenigstens einer zweiten dieser Statorschichten die Statorzähne vorgesehen sind und wobei die Statorwicklung zwischen den Statorzähnen und in der gleichen Lage wie die zweite Statorschicht vorgesehen ist.The present invention relates to an electrical work machine with at least two stators and at least one rotor, the rotor having magnetically active rotor core elements located in a plane of movement of the rotor, and the stators each having stator teeth which are opposed to one another in a first stator and in a second stator, and are provided for interaction with in each case at least one magnetically active rotor core element located between two opposing stator teeth, and each have at least one stator winding for generating a magnetic field in the stator teeth. It is the object of the invention to propose an electrical machine with reduced mass, with increased power density, with increased efficiency and with low manufacturing costs. The object is achieved by an electrical work machine of the type mentioned, in which each stator has spatially separate stator elements which are spatially separate in the direction of movement of the rotor and which are “U” -shaped in the stator cross section and consist of stator yoke elements and stator teeth, two stator teeth each being formed by a stator yoke element of the "U" are connected, wherein the upright bars of the "U" are each formed by a stator tooth and the base bar, and the upright bars of the "U's" second stator face upright against the upright bars of the "U's" of the first stator ; and the stator is composed of at least two stator layers, the stator yoke elements being provided in at least a first of these stator layers and the stator teeth in at least a second of these stator layers, and the stator winding being provided between the stator teeth and in the same position as the second stator layer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektroarbeitsmaschine mit wenigstens zwei Statoren und wenigstens einem Läufer, wobei der Läufer magnetisch aktive in einer Bewegungsebene des Läufers befindliche Läuferkernelemente aufweist, und wobei die Statoren jeweils Statorzähne aufweisen, die in einem ersten Stator und in einem zweiten Stator einander gegenüberstehen und zur Wechselwirkung mit jeweils wenigstens einem zwischen zwei gegenüberstehenden Statorzähnen befindlichen magnetisch aktiven Läuferkernelement vorgesehen sind, und jeweils wenigstens eine Statorwicklung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in den Statorzähnen aufweisen.The present invention relates to an electric working machine having at least two stators and at least one rotor, the rotor having magnetically active rotor core elements located in a plane of movement of the rotor, and wherein the stators each have stator teeth facing each other in a first stator and in a second stator are provided for interaction with at least one magnetically active rotor core element located between two opposing stator teeth, and each having at least one stator winding for generating a magnetic field in the stator teeth.

Elektroarbeitsmaschinen dieser Gattung können Motoren oder Generatoren mit linearer oder rotatorischer Arbeitsweise sein. Rotationsmotoren dieser Gattung sind beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2009 021 540 beschrieben. Die in dieser Druckschrift vorgestellten Elektromotoren erzeugen bereits bei relativ geringer Motorenmasse relativ große Leistungen. Sie verfügen daher über bereits relativ große Leistungsdichten. Für anspruchsvolle Anwendungen, wie beispielsweise Direktantriebe innerhalb von Fahrzeugrädern, wäre jedoch eine noch weitere Reduzierung der Motormasse bzw. eine noch weitere Erhöhung der Leistungsdichte der Maschinen vorteilhaft. Der in der Druckschrift DE 10 2009 021 540 vorgeschlagene Motor ist mit sehr geringen Spaltmaßen zwischen Rotor und Stator konzipiert. Daher muss der Rotor präzise relativ zum Stator in seiner Position justiert werden. Die präzise Montage dieses Motors ist jedoch aufwändig und mit hohen Kosten verbunden. Eine weitere, vorzugsweise zu verbessernde Kenngröße dieses Motors ist sein Wirkungsgrad.Electric working machines of this type can be motors or generators with linear or rotary operation. Rotary motors of this type are for example in the document DE 10 2009 021 540 described. The presented in this document electric motors produce relatively high power even at relatively low engine mass. They therefore already have relatively high power densities. For demanding applications, such as direct drives within vehicle wheels, however, would be a further reduction in the engine mass or even further increase the power density of the machine advantageous. The in the publication DE 10 2009 021 540 proposed engine is designed with very small gap between rotor and stator. Therefore, the rotor must be precisely adjusted relative to the stator in position. However, the precise assembly of this engine is complex and associated with high costs. Another, preferably to be improved characteristic of this engine is its efficiency.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektroarbeitsmaschine mit reduzierter Masse, mit erhöhter Leistungsdichte, mit erhöhtem Wirkungsgrad und mit geringen Herstellungskosten vorzuschlagen.It is the object of the present invention to propose an electric work machine with reduced mass, with increased power density, with increased efficiency and with low production costs.

Die Aufgabe wird durch eine Elektroarbeitsmaschine der genannten Gattung gelöst, bei welcher jeder Stator voneinander in einer Bewegungsrichtung des Läufers räumlich getrennte, im Statorquerschnitt „U”-förmige Statorelemente aufweist, die aus Statorjochelementen und Statorzähnen bestehen, wobei jeweils zwei Statorzähne durch ein Statorjochelement unter Ausbildung des „U” verbunden sind, wobei die aufrechten Balken des „U” durch jeweils einen Statorzahn und der Grundbalken des „U” durch jeweils ein Statorjochelement ausgebildet werden und wobei die aufrechten Balken der des „U's” zweiten Stators den aufrechten Balken des „U's” des ersten Stators einander kopfüber gegenüberstehen; und der Stator aus wenigstens zwei Statorschichten zusammengesetzt ist, wobei in wenigstens einer ersten dieser Statorschichten die Statorjochelemente und in wenigstens einer zweiten dieser Statorschichten die Statorzähne vorgesehen sind und wobei die Statorwicklung zwischen den Statorzähnen und in der gleichen Lage wie die zweite Statorschicht vorgesehen ist.The object is achieved by an electrical work machine of the type mentioned, in which each stator spatially separated from each other in a direction of movement of the rotor "U" -shaped Statorelemente in Statorquerschnitt, which consist of Statorjochelementen and stator teeth, wherein two stator teeth by a Statorjochelement under training of the "U" are connected, wherein the upright bars of the "U" are each formed by a stator tooth and the base bar of the "U" by a Statorjochelement and wherein the upright bars of the "U's" second stator the upright bar of the "U's "Of the first stator facing each other upside down; and the stator is composed of at least two stator layers, wherein in at least a first of these stator layers the stator yoke elements and in at least a second of these stator layers the stator teeth are provided and wherein the stator winding is provided between the stator teeth and in the same position as the second stator layer.

Das Gesamtgewicht von Elektroarbeitsmaschinen, zu denen zum Beispiel Elektromotoren und Elektrogeneratoren gehören, wird zum großen Teil durch die zur Herstellung verwendete Menge von Metallen bestimmt, wobei die Metalle unter anderem zur Ausbildung von Wicklungskernen und von Wicklungen eingesetzt werden. Wicklungskerne sind gute Leiter für magnetische Flüsse, und sie ermöglichen somit die Übertragung großer Leistungen mit Hilfe von Magnetfeldern. In Elektroarbeitsmaschinen erfüllen die Wicklungskerne jedoch neben den magnetischen Funktionen in der Regel auch mechanische Funktionen. Dadurch weisen die Wicklungskerne mitunter größere Volumen und größere Massen auf, als es für die magnetische Funktion eigentlich erforderlich ist.The total weight of electric working machines, which include, for example, electric motors and electric generators, is largely determined by the amount of metals used in the manufacture, the metals being used inter alia to form winding cores and windings. Winding cores are good conductors for magnetic fluxes, and thus allow the transmission of large powers by means of magnetic fields. In electrical work machines, however, the winding cores usually also fulfill mechanical functions in addition to the magnetic functions. As a result, the winding cores sometimes larger volumes and larger masses, as it is actually required for the magnetic function.

In der erfindungsgemäßen, modular aufgebauten Elektroarbeitsmaschine sind Volumen und Masse des Statorkerns hingegen auf das magnetisch erforderliche Maß minimiert. Erfindungsgemäß ist der Stator kein zusammenhängender Block, sondern er besteht aus räumlich getrennten Statorelementen. Die Statorelemente weisen einen Linearaufbau mit einem „U”-förmigen Profil auf, wobei die aufrechten Balken des „U” Statorzähne sind und der Grundbalken des „U” jeweils durch einen Statorjochelement ausgebildet wird. In der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine sind nicht nur die Statorzähne räumlich voneinander getrennt, sondern auch die Statorjochelemente. Durch den Wegfall von Statorkernmaterial zwischen benachbarten Statorjochelementen wird eine Gewichtsreduzierung im Vergleich zu herkömmlichen Statorkernen erreicht. Somit ergibt sich in der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine durch deren Schichtaufbau bzw. modulare Gestaltung eine große Vielfalt von einsetzbaren Materialien, die geeignet miteinander kombinierbar sind. Auf diese Weise kann insbesondere preisintensives und/oder schweres Material eingespart werden. Darüber hinaus können aufgrund des vorgeschlagenen Statoraufbaus in der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine magnetische Verluste verringert werden. Da die Statoren der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine aus Einzelelementen zusammengesetzt sind, sind die Statoren wesentlich einfacher als im Stand der Technik, in welcher ein schwerer Block gefräst werden musste, herstellbar. Darüber hinaus sind die Einzelelemente der Statoren substituierbar. Durch den Schichtaufbau weisen die in der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine verwendeten Statoren Einzelelemente in vertikaler Richtung und durch die getrennten Statorelemente auch Einzelelemente in der Bewegungsrichtung des Läufers auf.In contrast, in the modular electric working machine according to the invention, the volume and mass of the stator core are minimized to the degree required magnetically. According to the invention, the stator is not a contiguous block, but consists of spatially separated stator elements. The stator elements have a linear structure with a "U" -shaped profile, wherein the upright bars of the "U" are stator teeth and the bottom bar of the "U" is formed by a stator yoke element, respectively. In the electric working machine according to the invention not only the stator teeth are spatially separated from each other, but also the Statorjochelemente. By eliminating stator core material between adjacent stator yoke elements, weight reduction is achieved as compared to conventional stator cores. Thus, in the electric work machine according to the invention by the layer structure or modular design results in a large variety of usable materials that can be suitably combined with each other. In this way, in particular cost-intensive and / or heavy material can be saved. In addition, magnetic losses can be reduced due to the proposed stator structure in the electric work machine according to the invention. Since the stators of the electrical work machine according to the invention are composed of individual elements, the stators are much easier than in the prior art, in which a heavy block had to be milled, produced. In addition, the individual elements of the stators are substitutable. Due to the layer structure, the stators used in the electric work machine according to the invention have individual elements in the vertical direction and by the separate Stator elements and individual elements in the direction of movement of the rotor.

Die Flächennormale des „U”-förmigen Querschnitts der Statorelemente ist in der Bewegungsrichtung des Läufers ausgerichtet. Bei richtiger Stellung des Läufers entstehen magnetische Flussschleifen, die aus einem „U”-förmigen Statorelement des ersten Stators, einem hierzu kopfstehenden Statorelement des zweiten Stators und aus zwei Läuferkernelementen, die sich zwischen den aufrechten Balken der „U”-förmigen Statorelemente befinden, bestehen. Die Ausbildung dieser magnetischen Schleifen dient der Energieübertragung zwischen Statoren und Rotor mittels magnetischer Kräfte. Beispielsweise werden bei einem Reluktanzmotor die weichmagnetischen Läuferkernelemente zwischen die aufrechten Balken der gegenüberstehenden „U”'s gezogen, oder bei einem Synchronmotor werden permanentmagnetische Läuferkernelemente von gegenüberstehenden „U”'s weggeschoben. Dabei wird in den Statoren elektrische Energie in magnetische Energie umgewandelt, und zwischen Statoren und Rotor wird magnetische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt.The surface normal of the "U" -shaped cross-section of the stator elements is aligned in the direction of movement of the rotor. When the rotor is in the correct position, magnetic flux loops are formed which consist of a "U" -shaped stator element of the first stator, a stator element of the second stator upside-down, and two rotor core elements located between the upright bars of the "U" -shaped stator elements , The formation of these magnetic loops serves to transfer energy between stators and rotor by means of magnetic forces. For example, in a reluctance motor, the soft magnetic rotor core elements are drawn between the upstanding beams of the opposing "U's", or in a synchronous motor, permanent magnetic rotor core elements are displaced away from opposing "U"'s. In the process, electrical energy is converted into magnetic energy in the stators, and magnetic energy is converted into kinetic energy between the stators and the rotor.

Die Energieübertragung zwischen Stator und Rotor wird dabei wesentlich von der Breite der Luftspalte zwischen Rotorkernelementen und Statorelementen bestimmt. Zur Realisierung von großen magnetischen Flüssen werden geringe Spaltbreiten im Submillimeterbereich von üblicherweise < 200 μm bis vorzugsweise < 100 μm zwischen Statorelementen und Rotorkernelementen benötigt. Die Spaltbreiten sollen zudem bei einer Bewegung des Läufers zu allen Läuferkernelementen konstant bleiben, um eine gleichmäßige Kraftübertragung auf den Läufer zu erreichen und um Schwingungen, die zu weiteren Spaltbreitenvariationen führen würden, zu vermeiden. Schwingungen sind nicht nur elektrisch sondern auch akustisch ungünstig, da sie zur Entstehung unerwünschter Geräusche führen. Die Realisierung von geringen und konstanten Spaltmaßen ist eine technologische Herausforderung bei der Herstellung von Elektroarbeitsmaschinen.The energy transfer between stator and rotor is essentially determined by the width of the air gaps between rotor core elements and stator elements. For the realization of large magnetic fluxes, small gap widths in the sub-millimeter range of typically <200 μm to preferably <100 μm between stator elements and rotor core elements are required. The gap widths should also remain constant with a movement of the rotor to all rotor core elements in order to achieve a uniform force transmission to the rotor and to avoid vibrations that would lead to further gap width variations. Vibrations are not only electrically but also acoustically unfavorable, since they lead to the generation of unwanted noise. The realization of small and constant gaps is a technological challenge in the production of electrical work machines.

Erfindungsgemäß werden die Statoren mit der nötigen Präzision günstig durch eine schichtweise Herstellung realisiert. Durch die schichtweise Herstellung der Statoren kann eine komplexe räumliche Struktur innerhalb der Statoren ausgebildet werden. Dabei kann der Einsatz von massereichem Statorkernmaterial minimiert werden. In der ersten Statorschicht sind die Statorjochelemente vorgesehen. Je nach gewünschtem Aufbau der Statoren wird wenigstens eine zweite Statorschicht, in der die Statorzähne und die Statorwicklung vorgesehen sind, verwendet. Die Statorschichten können separat hergestellt werden und anschließend zueinander justiert montiert werden. Es ist daher auch möglich, die Statorschichten in einer zeitlichen Abfolge im Verbund herzustellen.According to the stators are realized with the necessary precision favorable by a layered production. By layering the stators, a complex spatial structure can be formed within the stators. The use of massive stator core material can be minimized. The stator yoke elements are provided in the first stator layer. Depending on the desired structure of the stators, at least one second stator layer, in which the stator teeth and the stator winding are provided, is used. The stator layers can be manufactured separately and then mounted adjusted to each other. It is therefore also possible to produce the stator layers in a time sequence in the composite.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine sind in wenigstens der ersten Statorschicht die Statorjochelemente vorgesehen, in wenigstens einer dritten, zwischen der ersten und der zweiten Statorschicht befindlichen Statorschicht mit von Permanentmagneten umgebene weichmagnetische Zähne als erste Teile der Statorzähne vorgesehen und in der zweiten Statorschicht sind zweite Teile der Statorzähne und die Statorwicklung vorgesehen. In dieser Ausbildung der Erfindung wird wenigstens ein Stator, ausgehend von einem 2-Schichtaufbau mit zwei Schichten um eine dritte Statorschicht erweitert. Die dritte Statorschicht befindet sich zwischen der ersten und der zweiten Statorschicht. Die dritte Statorschicht enthält Permanentmagneten und Abschnitte der Statorzähne. Die Abschnitte der Statorzähne in der dritten Statorschicht sind dafür vorgesehen, dass sie mit den Statorjochelementen in der ersten Statorschicht und den Abschnitten der Statorzähne in der zweiten Statorschicht gemeinsam „U”-förmige Statorelemente ausbilden. Die Permanentmagnete sind in Nachbarschaft zu den Teilen der Statorzähne in der dritten Statorschicht angeordnet und vorzugsweise in die dritte Statorschicht eingebettet. Die Permanentmagneten bewirken eine Vormagnetisierung des Statorkerns und einen Remanenzmagnetfluss in dem Statokern und in der Folge auch in den Rotorkernelementen. Die Vormagnetisierung von Rotorkernelementen kann beispielsweise in einem Reluktanzmotor dafür verwendet werden, neben anziehenden Kräften auf den Rotor auch abstoßende Kräfte auszuüben.In an advantageous development of the electric working machine according to the invention, the stator yoke elements are provided in at least the first stator layer located between the first and second stator layer with soft magnetic teeth surrounded by permanent magnets as first parts of the stator teeth and second in the second stator layer Parts of the stator teeth and the stator winding provided. In this embodiment of the invention, at least one stator, starting from a two-layer structure with two layers, is expanded by a third stator layer. The third stator layer is located between the first and second stator layers. The third stator layer includes permanent magnets and portions of the stator teeth. The portions of the stator teeth in the third stator layer are provided to form common "U" shaped stator elements with the stator yoke elements in the first stator layer and the portions of the stator teeth in the second stator layer. The permanent magnets are disposed adjacent to the parts of the stator teeth in the third stator layer and preferably embedded in the third stator layer. The permanent magnets cause biasing of the stator core and remanent magnetic flux in the stator core and subsequently also in the rotor core elements. The biasing of rotor core elements can be used, for example, in a reluctance motor to exert, in addition to attractive forces on the rotor and repulsive forces.

In einer weiteren günstigen Ausbildung der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine sind wenigstens zwei der Statorschichten getrennt voneinander hergestellte Schichten, die zur Ausbildung der Statoren zueinander justiert und in dieser Position fixiert sind. Durch die getrennte Herstellung der Schichten bestehen große Freiheiten beim Herstellungsverfahren der einzelnen Schichten. Das Herstellungsverfahren kann deshalb optimal auf die Erfordernisse, beispielsweise auf die im späteren Betrieb auftretenden Kräfte in der jeweiligen Schicht, hin optimiert werden. Durch die getrennte Herstellung der Schichten können gewünschte Eigenschaften, wie beispielsweise eine gute Auswuchtung bezüglich einer Rotationsachse oder eine Planarität der Oberfläche, durch entsprechende Nacharbeiten sichergestellt werden. Da die Statoren aus einer Kombination von mehreren Schichten ausgebildet werden, werden die Schichten entsprechend zueinander justiert und in dieser Position fixiert. Die Fixierung ist erforderlich, um eine Verschiebung oder eine Bewegung der Schichten zueinander im Betrieb der Elektroarbeitsmaschine zu vermeiden und um die nötige Präzision und mechanische Festigkeit des gesamten Stators sicherzustellen.In a further favorable embodiment of the electric working machine according to the invention, at least two of the stator layers are layers produced separately from one another, which are adjusted to one another for the purpose of forming the stators and are fixed in this position. Due to the separate production of the layers, there is great freedom in the production process of the individual layers. The manufacturing process can therefore be optimally optimized to the requirements, for example, on the forces occurring in the respective layer during later operation. By separately producing the layers, desired properties, such as a good balance with respect to a rotation axis or a planarity of the surface, can be ensured by appropriate reworking. Since the stators are formed from a combination of several layers, the layers are adjusted according to each other and fixed in this position. The fixation is required to avoid a shift or movement of the layers to each other in the operation of the electrical work machine and the necessary To ensure precision and mechanical strength of the entire stator.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine sind die Statorschichten mit maximaler Überdeckung von Statorjochelementen und Statorzähnen unter Ausbildung einer maximalen Induktivität zueinander justiert und in dieser Position fixiert. Bei den Statorelementen wird das eingesetzte Material dann optimal ausgenutzt, wenn Statorjochelemente und Statorzähne zueinander mit einer maximalen Überdeckung ausgerichtet sind. Durch die maximale Überdeckung der Komponenten der Statorelemente wird eine Minimierung des magnetischen Widerstandes des Statorelementes und eine maximale Kraftübertragung zu dem Rotor erreicht.In a preferred embodiment of the electric work machine according to the invention, the stator layers are aligned with maximum coverage of Statorjochelementen and stator teeth to form a maximum inductance to each other and fixed in this position. In the stator elements, the material used is optimally utilized when Statorjochelemente and stator teeth are aligned with each other with a maximum coverage. Due to the maximum coverage of the components of the stator, a minimization of the magnetic resistance of the stator and a maximum power transmission is achieved to the rotor.

In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine sind die Statorschichten mit einer kleineren als der maximalen Überdeckung von Statorjochelementen und Statorzähnen zueinander justiert und in dieser Position fixiert. In dieser Variante ist der magnetische Widerstand der Kernelemente erhöht, und die Kraftübertragung auf den Rotor ist verschlechtert. Wenn die Elektroarbeitsmaschine beispielsweise ein Rotationsmotor ist, dann weist dieser Motor ein verschlechtertes Drehmoment im Vergleich zu einem Motor auf, bei dem eine maximale Überdeckung von Statorjochelementen und Statorzähnen vorhanden ist. Dem Nachteil des geringeren Drehmomentes steht jedoch der Vorteil einer langsameren Drehmomentabnahme bei hohen Drehzahlen gegenüber, was diese Ausbildung eines Motors unter Umständen attraktiv macht. Wenn die einzelnen Statorschichten Normbauteile sind, können zudem unter Verwendung der Normbauteile verschiedene Motoren mit unterschiedlichen Kennlinien durch die unterschiedliche Montage der Statorschichten realisiert werden.In an alternative embodiment of the electric work machine according to the invention, the stator layers are aligned with a smaller than the maximum coverage of Statorjochelementen and stator teeth to each other and fixed in this position. In this variant, the magnetic resistance of the core elements is increased, and the power transmission to the rotor is deteriorated. For example, if the electric work machine is a rotary motor, then this motor has a degraded torque compared to a motor that has maximum overlap of stator yoke elements and stator teeth. The disadvantage of the lower torque, however, is the advantage of a slower torque decrease compared to high speeds, which makes this design of an engine attractive under certain circumstances. If the individual stator layers are standard components, it is also possible, using the standard components, to realize different motors with different characteristic curves by the different mounting of the stator layers.

In einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine sind die Statorschichten zueinander verstellbar gelagert, und die Überdeckung von Statorjochelementen und Statorzähnen ist im Betrieb der Elektroarbeitsmaschine verstellbar. In dieser Ausbildung ist die Elektroarbeitsmaschine einerseits aufwändiger aufgebaut, dem größeren Aufwand stehen jedoch vorteilhafte Kenngrößen der Elektroarbeitsmaschine gegenüber. Durch eine Relativverschiebung der Statorjochelemente zu den Statorzähnen kann die Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik der Elektroarbeitsmaschine verändert werden.In another development of the electric working machine according to the invention, the stator layers are mounted to be adjustable relative to one another, and the overlap of stator yoke elements and stator teeth is adjustable during operation of the electrical work machine. In this embodiment, the electrical work machine is on the one hand complex constructed, but the larger effort are advantageous characteristics of the electrical work machine opposite. By a relative displacement of the Statorjochelemente to the stator teeth, the torque-speed characteristics of the electrical work machine can be changed.

In einer besonders günstigen Ausbildung der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine ist die Statorwicklung zwischen den Statorzähnen eingegossen, einlaminiert oder auf andere geeignete Weise eingebettet. Ein fertiggestellter Stator soll auch bei großen wirkenden Kräften und großen wirkenden Drehmomenten mechanisch stabil sein, und er soll sich im Betrieb der Elektroarbeitsmaschine möglichst wenig deformieren. Zur Erreichung einer großen mechanischen Stabilität ist es günstig, einzelne Komponenten formschlüssig miteinander zu verbinden und mechanische Schwachpunkte, wie sie beispielsweise an Hohlräumen vorhanden sein könnten, zu vermeiden. Zur Herstellung eines solchen Verbundes, beispielsweise zwischen Statorwicklung und Statorzähnen, hat sich ein Eingießen, Einlaminieren oder Einbetten der Statorwicklung als vorteilhaft erwiesen.In a particularly favorable embodiment of the electric working machine according to the invention, the stator winding is cast in between the stator teeth, laminated or embedded in another suitable manner. A finished stator should be mechanically stable even with large acting forces and large acting torques, and it should deform as little as possible during operation of the electrical work machine. In order to achieve a high mechanical stability, it is advantageous to connect individual components with one another in a form-fitting manner and to avoid mechanical weak points, such as might be present on cavities. To produce such a composite, for example between the stator winding and stator teeth, pouring, lamination or embedding of the stator winding has proved to be advantageous.

Es ist besonders von Vorteil, die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine so auszubilden, dass die Statorelemente und die Statorwicklung in zueinander ausgerichteter Form unter Ausbildung der Statoren durch wenigstens ein Trägermaterial vergossen oder in wenigstens ein Trägermaterial einlaminiert oder eingebettet sind. Ein belastbarer Materialverbund ist nicht nur zwischen Statorkomponenten innerhalb einer Statorschicht erforderlich, sondern auch zwischen zwei Statorschichten bzw. zwischen Komponenten, die in verschiedenen Statorschichten angeordnet sind. Durch Vergießen, Einlaminieren oder Einbetten eines Trägermaterials werden mechanisch belastbare Bereiche innerhalb des Stators hergestellt.It is particularly advantageous to design the electric working machine according to the invention such that the stator elements and the stator winding are cast in mutually aligned form with formation of the stators by at least one carrier material or are laminated or embedded in at least one carrier material. A resilient material composite is required not only between stator components within a stator layer, but also between two stator layers or between components which are arranged in different stator layers. By casting, laminating or embedding a carrier material mechanically loadable areas are produced within the stator.

In einer ebenfalls bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine ist zwischen den Statorelementen wenigstens ein Füllbereich aus Kohlenstofffaserkunststoff, Glasfaserkunststoff und/oder einer Keramik vorgesehen. Hierdurch weist diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine einen vorteilhaften Hybridaufbau auf. Mit Faserkunststoffverbundmaterialen und mit Keramiken sind hohe mechanische Belastbarkeiten bei geringer Materialdichte und folglich geringem Komponentengewicht erreichbar. In einem Stator treten an verschiedenen 3-D-Positionen unterschiedliche mechanische thermische oder auch elektrische Belastungen auf. Zur Ausbildung von Füllbereichen werden entsprechend Materialien ausgewählt, die den Anforderungskatalog für den konkreten Füllbereich möglichst optimal erfüllen.In a likewise preferred variant of the electric working machine according to the invention, at least one filling region of carbon fiber plastic, glass fiber plastic and / or a ceramic is provided between the stator elements. As a result, this embodiment of the electric work machine according to the invention has an advantageous hybrid construction. With fiber-reinforced plastic composite materials and with ceramics high mechanical loads with low material density and consequently low component weight can be achieved. In a stator different mechanical thermal or electrical loads occur at different 3-D positions. In order to form filling areas, materials are selected which optimally fulfill the catalog of requirements for the specific filling area.

In einem weiteren Gestaltungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine weist die Statorwicklung ein aus wenigstens einem Bandleiter und/oder Hohlleiter ausgebildetes Leiterpaket auf. Das Gewicht und die Effizienz eines Stators werden maßgeblich von der Statorwicklung bestimmt. Mit der hohen Leistungsdichte der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine ist eine hohe elektrische Leistung verbunden, die in der Statorwicklung wirksam wird. Entsprechend große Ströme werden in der Statorwicklung durch den Ohmschen Widerstand in Wärme umgesetzt. Um Ohmsche Verluste an der Statorwicklung klein zu halten, werden große Wicklungsquerschnitte benötigt. Andererseits sind große Wicklungsquerschnitte mit großem Materialeinsatz und entsprechend großer Masse verbunden, insbesondere wenn die Elektroarbeitsmaschine mit hohen Frequenzen oder mit steilen Signalflanken betrieben wird. Innerhalb der Wicklung tragen hauptsächlich die Oberflächen der Wicklungsleiter zur Leistung bei. Zur Erreichung einer großen Leistungsdichte und geringen Verlusten bei hohen Frequenzen ist es daher vorteilhaft, zur Ausbildung der Statorwicklung Leiter mit einer möglichst großen Oberfläche einzusetzen. Mit Bandleitern oder Hohleitern ist eine gewünschte große Oberfläche in den Wicklungen erreichbar. Zur Ausbildung mehrerer Windungen und/oder zur Ausbildung parallel geschalteter Leiter mit einer großen Oberfläche werden in der vorliegenden Erfindung mehrere Bandleiter oder Hohlleiter zu Leiterpaketen verschaltet.In a further design example of the electric work machine according to the invention, the stator winding has a conductor package formed from at least one strip conductor and / or waveguide. The weight and efficiency of a stator are largely determined by the stator winding. With the high power density of the electric work machine according to the invention, a high electrical power is connected, which is effective in the stator winding. Correspondingly large currents are converted into heat in the stator winding by the ohmic resistance. To keep Ohmic losses on the stator winding small, large Winding cross sections needed. On the other hand, large winding cross sections are associated with a large amount of material and a correspondingly large mass, in particular when the electrical work machine is operated at high frequencies or with steep signal edges. Within the winding, mainly the surfaces of the winding conductors contribute to the performance. To achieve a high power density and low losses at high frequencies, it is therefore advantageous to use conductors with the largest possible surface area for the formation of the stator winding. With strip conductors or waveguides, a desired large surface in the windings can be achieved. In order to form a plurality of turns and / or to form parallel-connected conductors with a large surface area, in the present invention several strip conductors or waveguides are interconnected to form conductor packages.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn in der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine wenigstens eine Breite eines Bandleiters und/oder Hohlleiters parallel zu der aufrechten Ausrichtung der aufrechten Balken des „U” der Statorelemente ausgerichtet ist. In der Statorwicklung entsteht Wärme, und die Wärme soll möglichst an die Umgebung der Statorwicklung abgegeben werden, um lokale Überhitzungen oder thermische Belastungen zu vermeiden. In dem Grenzbereich zwischen Statorwicklung und Statorkern wird ein gleichmäßiger Wärmeübertrag dann erreicht, wenn die Oberfläche der Statorwicklung parallel zum Statorkern angeordnet ist.Furthermore, it is advantageous if, in the electric working machine according to the invention, at least one width of a strip conductor and / or waveguide is aligned parallel to the upright alignment of the upright bars of the "U" of the stator elements. Heat is generated in the stator winding and the heat should be dissipated to the surroundings of the stator winding as much as possible in order to avoid local overheating or thermal stress. In the boundary region between the stator winding and stator core, a uniform heat transfer is achieved when the surface of the stator winding is arranged parallel to the stator core.

In einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine ist der wenigstens eine Bandleiter und/oder Hohlleiter aus Blech ausgebildet. Blech weist eine große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen auf, und Blech kann im Gegensatz zu den bisher verwendeten rohrförmigen Leitern relativ leicht zu gewünschten Formen verarbeitet werden. Somit kann Blech zu Bandleitern und/oder Hohlleitern mit vorteilhaften Eigenschaften für die Elektroarbeitsmaschine verarbeitet werden. Das heißt, die aus Blech hergestellte Statorwicklung weist eine hohe elektrische Effizienz und eine hohe Leistungsdichte auf.In a preferred variant of the electrical work machine according to the invention, the at least one strip conductor and / or waveguide is formed from sheet metal. Sheet metal has a large surface area in relation to volume, and sheet metal, unlike the previously used tubular conductors, can be relatively easily processed into desired shapes. Thus, sheet metal can be processed into strip conductors and / or waveguides with advantageous properties for the electrical work machine. That is, the stator winding made of sheet metal has a high electrical efficiency and a high power density.

In einer günstigen Ausbildung der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine weist das Leiterpaket „U”-förmig gefaltete und/oder „L”-förmig gebogene Bandleiter auf. Eine Umformung von Bandleitern in „L” oder „U”-förmige Profile ist technologisch einfach realisierbar. Innerhalb des Leiterpakets wird in der Regel für jeden Leiter, beispielsweise für jede Windung, ein gleicher Leiterquerschnitt benötigt. Die Außenleiter des Leiterpaketes können beispielsweise „L”-förmige Bandleiter sein, während der benötigte Querschnitt der inneren Leiter des Leiterpaketes unter beengten Platzverhältnissen durch „U”-förmig gefaltete Leiter erreichbar wird.In a favorable embodiment of the electric work machine according to the invention, the conductor package has "U" -shaped and / or "L" -shaped curved strip conductors. A transformation of strip conductors into "L" or "U" -shaped profiles is technologically easy to implement. Within the conductor package, an identical conductor cross-section is usually required for each conductor, for example for each winding. The outer conductors of the conductor package can be, for example, "L" -shaped band conductors, while the required cross-section of the inner conductors of the conductor package can be achieved under confined space conditions by "U" -shaped conductors.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine ist das Leiterpaket in einem elektrisch isolierenden, flüssigkeitsdichten Kanal vorgesehen, welcher von einer Flüssigkeit durchströmbar ist. Bei großen elektrischen Leistungen treten in der Praxis trotz hoher Wirkungsgrade auch nicht vernachlässigbare elektrische Verlustleistungen und entsprechende Wärmemengen auf. Diese Wärmemengen können effektiv durch Flüssigkeitskühlung abgeführt werden. Voraussetzung für den Einsatz einer Kühlflüssigkeit ist das Vorhandensein eines geeigneten flüssigkeitsdichten Kanals. Bei einer ausreichend niedrigen elektrischen Leitfähigkeit und einer chemischen Passivität der Kühlflüssigkeit kann ein direkter Kontakt zwischen Kühlflüssigkeit und metallischer Oberfläche der Leiter erlaubt werden.According to an advantageous development of the electrical work machine according to the invention, the conductor package is provided in an electrically insulating, liquid-tight channel, which can be traversed by a liquid. In the case of large electrical powers, in spite of high efficiencies, negligible electrical power losses and corresponding amounts of heat occur in practice. These amounts of heat can be dissipated effectively by liquid cooling. The prerequisite for the use of a coolant is the presence of a suitable liquid-tight channel. With a sufficiently low electrical conductivity and a chemical passivity of the cooling liquid, a direct contact between the cooling liquid and the metallic surface of the conductors can be allowed.

In einer optionalen Variante der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine weist der wenigstens eine Bandleiter und/oder Hohlleiter eine elektrische Oberflächenisolation auf. Die elektrische Oberflächenisolation kann beispielsweise zur Erhöhung der Sicherheit oder zur Reduzierung der Anforderungen an das Isolationsvermögen der Kühlflüssigkeit eingesetzt werden.In an optional variant of the electrical work machine according to the invention, the at least one strip conductor and / or waveguide has an electrical surface insulation. The electrical surface insulation can be used for example to increase the safety or to reduce the requirements for the insulating capacity of the cooling liquid.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine ist die elektrische Oberflächenisolation aus Kunststoff, Keramik oder einer Eloxierung ausgebildet. Die elektrische Oberflächenisolation kann in Form einer Beschichtung, beispielsweise aus Kunststoff, womit ein organisches Isoliermaterial gemeint ist, oder einer Keramik, womit alle anorganischen Isolatoren gemeint sind, ausgebildet sein. Wenn als Leiter Aluminium eingesetzt wird, kann auch durch die Oberflächenbehandlung in Form einer Eloxierung eine elektrische Oberflächenisolation ausgebildet werden.According to a further advantageous embodiment of the electrical work machine according to the invention, the electrical surface insulation of plastic, ceramic or anodization is formed. The electrical surface insulation may be in the form of a coating, for example of plastic, which means an organic insulating material, or a ceramic, by which all inorganic insulators are meant. If aluminum is used as the conductor, an electrical surface insulation can also be formed by the surface treatment in the form of an anodization.

In einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine ist diese eine Transversalflussmaschine, bei der zwischen Stator und Läufer ein zur Bewegungsebene des Läufers transversaler Magnetfluss vorgesehen ist. Der schichtenweise Aufbau der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine ist ideal zur Realisierung von Transversalflussmaschinen geeignet, da in diesen Kräfte zwischen Ebenen übertragen werden. Durch den ebenenweisen Aufbau der Elektroarbeitsmaschine wird ein besonders kompakter und effizienter Aufbau erreicht. Unter Verwendung der Merkmale der Erfindung könnten jedoch auch andere Elektroarbeitsmaschinen, beispielsweise mit radialem Magnetfluss, realisiert werden.In a preferred embodiment of the electric work machine according to the invention, this is a transversal flux machine, in which between the stator and rotor a transverse to the movement plane of the rotor magnetic flux is provided. The stratified structure of the electric work machine according to the invention is ideally suited for the realization of transverse flux machines, since these forces are transmitted between planes. Due to the planar structure of the electrical work machine, a particularly compact and efficient construction is achieved. However, using the features of the invention, other electrical work machines, such as radial magnetic flux, could be realized.

Es hat sich als besonders günstig erwiesen, in der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine für die Ausbildung der Läuferkernelemente Permanentmagnete einzusetzen. Wenn als Läuferkernelemente Permanentmagnete verwendet werden, kann die Elektroarbeitsmaschine als effizienter Synchronmotor und/oder als Generator betrieben werden. In anderen Ausbildungen können als Läuferkernelemente jedoch auch weichmagnetische Elemente verwendet werden, und die Elektroarbeitsmaschine wird in diesem Fall als Reluktanzmotor betrieben. Die Vorteile des Reluktanzmotors liegen in seinem einfachen Aufbau und aus der sich daraus ergebenden hohen Robustheit und Zuverlässigkeit.It has proved to be particularly favorable in the inventive electric working machine for the formation of the rotor core elements Use permanent magnets. If permanent magnets are used as the rotor core elements, the electric working machine can be operated as an efficient synchronous motor and / or as a generator. In other embodiments, however, as rotor core elements also soft magnetic elements can be used, and the electric working machine is operated in this case as a reluctance motor. The advantages of the reluctance motor are its simple construction and the resulting high robustness and reliability.

Günstige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile sollen im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert werden, wobeiFavorable embodiments of the present invention, their structure, function and advantages will be explained in more detail below with reference to figures, wherein

1 schematisch den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine in Form eines Reluktanzmotors durch seine Rotationsachse zeigt; 1 schematically shows the cross section of an electric work machine according to the invention in the form of a reluctance motor through its axis of rotation;

2 schematisch eine Draufsicht auf einen Stator des Reluktanzmotors aus 1 zeigt; 2 schematically a plan view of a stator of the reluctance motor 1 shows;

3 schematisch den Querschnitt eines aus Bandleitern ausgebildeten Stators einer erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine zeigt; und 3 schematically shows the cross section of a trained from strip conductors stator of an electrical work machine according to the invention; and

4 schematisch den Querschnitt eines Leiterpaketes in einem „U”-förmigen Statorelement einer erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine zeigt. 4 schematically shows the cross section of a conductor package in a "U" -shaped stator element of an electrical work machine according to the invention.

1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Rotationsachse einer erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1. Die Elektroarbeitsmaschine 1 ist in diesem Fall ein Reluktanzmotor. Dieser Motor weist einen Stator 2, einen Rotor bzw. Läufer 3 und einen weiteren Stator 2' auf. Der Läufer 3 wird von den Statoren 2, 2' mithilfe der weichmagnetischen Läuferkernelemente 4 angetrieben. Die Statoren 2 und 2' weisen Statorwicklungen 7 auf, welche von Statorelementen 8 eingeschlossen sind. Die „U”-förmigen Statorelemente 8 bestehen aus Statorjochelementen 5 und Statorzähnen 6. Sie sind auch in 4 im Querschnitt und in 2 in einer Draufsicht dargestellt. 1 schematically shows a cross section through the axis of rotation of an electrical work machine according to the invention 1 , The electrical work machine 1 is in this case a reluctance motor. This engine has a stator 2 , a rotor or rotor 3 and another stator 2 ' on. The runner 3 is from the stators 2 . 2 ' using the soft magnetic rotor core elements 4 driven. The stators 2 and 2 ' have stator windings 7 on which of stator elements 8th are included. The "U" shaped stator elements 8th consist of stator yoke elements 5 and stator teeth 6 , They are also in 4 in cross section and in 2 shown in a plan view.

Bei einem Stromfluss durch die Leiterschleifen der Statorwicklungen 7 wird in den Statorelementen 8 ein Magnetfluss erzeugt, wobei die Läuferkernelemente 4 durch die Reluktanzkraft zwischen gegenüberliegende Statorelemente 8 gezogen werden.At a current flow through the conductor loops of the stator windings 7 becomes in the stator elements 8th generates a magnetic flux, wherein the rotor core elements 4 by the reluctance force between opposing stator elements 8th to be pulled.

Die Statorelemente 8 haben in den Statoren 2 und 2' den gleichen Aufbau, sie sind nur zu Anschauungszwecken im Stator 2' komplett und im Stator 2 in ihren Komponenten dargestellt. Zwei einander gegenüberliegende Statorelemente 8 und zwei zwischen die Statorelemente 8 gezogene Läuferkernelemente 4 bilden jeweils einen magnetischen Kreis, in dem der Magnetfluss dann maximal wird, wenn sich die Läuferkernelemente 4 zwischen den einander gegenüberstehenden Statorelementen 8 befinden.The stator elements 8th have in the stators 2 and 2 ' the same structure, they are only for illustrative purposes in the stator 2 ' complete and in the stator 2 shown in their components. Two opposing stator elements 8th and two between the stator elements 8th drawn rotor core elements 4 each form a magnetic circuit in which the magnetic flux then becomes maximum when the rotor core elements 4 between the opposing stator elements 8th are located.

Eine Bewegung des Läufers 3 wird dadurch ermöglicht, dass die periodischen Abstände von Paaren von Läuferkernelementen 4 anders gewählt werden als die periodischen Abstände von Statorelementen 8. Beispielsweise sind auf einem Halbkreis n Paare von Läuferkernelementen 4 und m Paare von Statorelementen 8 vorgesehen.A movement of the runner 3 is made possible by the fact that the periodic distances of pairs of rotor core elements 4 be chosen differently than the periodic distances of stator elements 8th , For example, n pairs of rotor core elements are on a semicircle 4 and m pairs of stator elements 8th intended.

Die Statorelemente 8 sind in Füllbereiche 18 eingebettet, die die Lage der Statorelemente 8 fixieren. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Füllbereiche 18 aus einem Kohlenstofffaserkunststoffverbund ausgebildet, da dieses Material besonders leichtgewichtig und mechanisch belastbar ist. In anderen Ausbildungen können jedoch auch andere Materialien, wie beispielsweise Glasfaserkunststoffverbundwerkstoffe oder Keramikwerkstoffe, als Füllmaterial eingesetzt werden. Es ist auch eine Kombination mehrerer Füllmaterialien möglich. Die Füllbereiche 18 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel Teil des Motorgehäuses 19 und Aufnahme für Lager 20 und 21. In anderen erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschinen können die Statoren 2, 2' auch in einem Maschinengehäuse vorgesehen sein, und sie sind selbst nicht Teil des Gehäuses.The stator elements 8th are in filling areas 18 embedded the location of the stator elements 8th fix. In the illustrated embodiment, the filling areas 18 formed from a carbon fiber plastic composite, since this material is particularly lightweight and mechanically strong. In other embodiments, however, other materials, such as fiberglass plastic composites or ceramics, can be used as filler. It is also possible to combine several fillers. The filling areas 18 are part of the motor housing in the illustrated embodiment 19 and pickup for bearings 20 and 21 , In other electrical work machines according to the invention, the stators 2 . 2 ' also be provided in a machine housing, and they themselves are not part of the housing.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Statoren 2 und 2' jeweils aus den zwei Statorschichten A und B. Bei der Herstellung der Schicht A werden die Statorjochelemente 5 in Füllbereiche 18 aus Kohlenstofffaserkunststoffverbunden eingebettet. In die zweite Statorschicht B werden die Statorzähne 6 und die Statorwicklung 7 zwischen den Statorzähnen 6 eingebettet. Durch die lagenweise Herstellung in diesem Ausführungsbeispiel sind die Kohlenstofffasern in den Füllbereichen 18 optimal zur Aufnahme auftretender Kräfte ausgerichtet, und jede Lage kann separat überarbeitet und ausgewuchtet werden. Dadurch können die Statoren 2, 2' mit hoher Qualität zu akzeptablen Kosten hergestellt werden.In the illustrated embodiment, the stators exist 2 and 2 ' each of the two stator layers A and B. In the production of the layer A, the Statorjochelemente 5 in filling areas 18 embedded in carbon fiber plastic composites. In the second stator B, the stator teeth 6 and the stator winding 7 between the stator teeth 6 embedded. Due to the layer-wise production in this embodiment, the carbon fibers in the filling areas 18 optimally aligned for absorbing forces, and each layer can be reworked and balanced separately. This allows the stators 2 . 2 ' be manufactured with high quality at acceptable cost.

2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Stator 2 des Reluktanzmotors aus 1. In dieser Draufsichtsdarstellung sind die räumlich getrennten Statorelemente 8 gut zu erkennen. Dabei sind nicht nur die Statorzähne 6, sondern auch die Statorjochelemente 5 räumlich voneinander getrennt. Die separaten Statorjochelemente 5, die von Füllmaterialien mit geringer Dichte umgeben sind, tragen zu einem geringen Gewicht des Stators 2 bei. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine einzige Statorwicklung 7 vorgesehen, die zur Magnetisierung aller Statorelemente 8 dieses Stators 2 vorgesehen ist. In anderen, nicht dargestellten Ausbildungen der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine können auch mehrere Statorwicklungen 7 für jeweils ein Statorsegment eingesetzt werden, wobei die Statorwicklungen 7 dann in der Regel phasenverschoben betrieben werden. 2 schematically shows a plan view of the stator 2 of the reluctance motor 1 , In this plan view, the spatially separated stator elements 8th clearly visible. Not only are the stator teeth 6 , but also the Statorjochelemente 5 spatially separated. The separate Statorjochelemente 5 , which are surrounded by low density filling materials, contribute to a low weight of the stator 2 at. In the illustrated embodiment, a single stator winding 7 provided for the magnetization of all stator elements 8th this stator 2 is provided. In other, not shown training the Electric working machine according to the invention can also be several stator windings 7 be used for each one stator, wherein the stator windings 7 then usually operated out of phase.

Die Statorwicklung 7 ist in der gezeigten Ausführungsform ein Leiterpaket, das aus mehreren Einzelleitern besteht. Die Einzelleiter werden in dem dargestellten Ausführungsbeispiel extern elektrisch in Reihe geschaltet, sodass mehrere Windungen ausgebildet werden. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung können auch einzelne Leiter parallel geschaltet werden, sodass größere Ströme möglich werden, wobei die Induktivität des Stators 2 durch die entsprechend kleinere Windungszahl geringer ist. Durch eine externe Verschaltung der Leiter in der Statorwicklung 7 kann der Stator 2 für verschiedene Drehzahl- und Drehmomentbereiche konfiguriert werden. Für ein großes Drehmoment bei geringerer Drehzahl wird eine größere Anzahl von Windungen konfiguriert, und für höhere Drehzahlen bei geringerer Induktivität werden weniger Windungen vorgesehen.The stator winding 7 is in the embodiment shown, a conductor package consisting of several individual conductors. The individual conductors are connected in the illustrated embodiment externally electrically in series, so that a plurality of turns are formed. In other embodiments of the invention, individual conductors can be connected in parallel, so that larger currents are possible, wherein the inductance of the stator 2 is smaller by the corresponding smaller number of turns. By an external connection of the conductors in the stator winding 7 can the stator 2 be configured for different speed and torque ranges. For high torque at lower speed, a larger number of turns are configured, and for higher speeds at lower inductance fewer turns are provided.

3 zeigt schematisch den Querschnitt eines weitergebildeten Stators 2'' einer erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine, wie beispielsweise eines Reluktanzmotors. Der Stator 2'' weist drei Statorschichten A, B und C auf. Der Stator 2'' ist eine Weiterbildung des bereits unter 1 beschriebenen Stators 2, wobei zwischen den bereits beschriebenen ersten und zweiten Statorschichten A und B eine weitere, dritte Statorschicht C vorgesehen ist. Die dritte Statorschicht C weist weichmagnetische Zähne 12 auf, die einen ersten Teil der Statorzähne 6 bilden, wobei die zweite Statorschicht B zweite Teile 13 der Statorzähne 6 enthält. In der dritten Statorschicht C sind in Nachbarschaft zu den weichmagnetischen Zähnen 12 Permanentmagnete 10 und 11 angeordnet, wobei die Permanentmagnete 10 und 11 eine Vormagnetisierung der Statorelemente 8 im stromlosen Zustand des Stators 2'' bewirken. Die Permanentmagnete 10, 11 sind derart orientiert, dass sich in den Statorelementen 8 ein zu den Enden der „U”'s reichender magnetischer Fluss 14 ausbildet. Der magnetische Fluss 14 bewirkt eine Vormagnetisierung der Statorelemente 8 und benachbarter Läuferkernelemente 4. Durch die Vormagnetisierung weichmagnetischer Läuferkernelemente 4 können mit dem Stator 2'' nach einer elektromagnetischen Umpolung des magnetischen Flusses 14 in dem Statorelement 8 abstoßende Kräfte auf die Läuferkernelemente 4 ausgeübt werden. Auf diese Weise kann eine erhöhte Leistungsdichte des Reluktanzmotors erreicht werden. 3 schematically shows the cross section of a further developed stator 2 '' an electrical work machine according to the invention, such as a reluctance motor. The stator 2 '' has three stator layers A, B and C. The stator 2 '' is a further education of the already under 1 described stator 2 , wherein between the already described first and second stator layers A and B, a further, third stator C is provided. The third stator layer C has soft magnetic teeth 12 on, the first part of the stator teeth 6 form, wherein the second stator layer B second parts 13 the stator teeth 6 contains. In the third stator layer C are adjacent to the soft magnetic teeth 12 permanent magnets 10 and 11 arranged, wherein the permanent magnets 10 and 11 a bias of the stator elements 8th in the de-energized state of the stator 2 '' cause. The permanent magnets 10 . 11 are oriented such that in the stator elements 8th a magnetic flux reaching to the ends of the "U"'s 14 formed. The magnetic flux 14 causes a bias of the stator elements 8th and adjacent rotor core elements 4 , By the premagnetization of soft magnetic rotor core elements 4 can with the stator 2 '' after an electromagnetic reversal of the magnetic flux 14 in the stator element 8th repulsive forces on the rotor core elements 4 be exercised. In this way, an increased power density of the reluctance motor can be achieved.

4 zeigt schematisch den Querschnitt eines Leiterpaktes in einem „U”-förmigen Statorelement 8 einer erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine. In dem dargestellten Leiterpaket 16 kommen Bandleiter 15 zum Einsatz, die „L”-förmig gebogen bzw. „U”-förmig gefaltet sind. Die Bandleiter 15 haben den Vorteil, dass sie eine große Oberfläche in Relation zu ihrem Volumen besitzen, wodurch niedrige Hochfrequenzwiderstände erreicht werden. Niedrige Hochfrequenzwiderstände sind zur Vermeidung von Verlusten nicht nur bei Hochfrequenzströmen nötig, sondern auch bei gepulsten Strömen mit niedriger Frequenz und steilen Pulsflanken. 4 schematically shows the cross section of a conductor pact in a "U" -shaped stator element 8th an electrical work machine according to the invention. In the illustrated conductor package 16 Bandleiter 15 are used, which are bent "L" -shaped or folded "U" -shaped. The band leaders 15 have the advantage that they have a large surface area in relation to their volume, whereby low high-frequency resistances are achieved. Low RF resistances are needed not only for high frequency currents to avoid losses, but also for pulsed low frequency currents and steep pulse edges.

In dem Leiterpaket 16 werden für jeden Leiter in der Regel gleiche Widerstände benötigt. Für gleiche Widerstände werden gleiche Leiterquerschnitte eingesetzt, wobei die gleichen Querschnitte hier durch „L”-förmiges Biegen der äußeren Leiter und „U”-förmiges Falten der inneren Leiter erreicht werden.In the leader package 16 For each conductor usually equal resistances are needed. For same resistors same conductor cross-sections are used, the same cross sections are achieved here by "L" -shaped bending of the outer conductor and "U" -shaped folding of the inner conductor.

In dem Leiterpaket 16 wird eine große elektrische Leistung umgesetzt. Da derzeit noch keine verlustfreien elektrischen Leiter technisch verfügbar sind, entsteht in dem Leiterpaket 16 zwangsläufig eine Verlustleistung, die zur Erwärmung des Leiterpaketes 16 führt. Die durch Verlustleistung entstehende Wärme muss abgeführt werden. Eine günstige Methode zur Abführung von Verlustleistung ist die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel verwendete Flüssigkeitskühlung der Statorwicklung 7. In der dargestellten Ausführungsform werden keine geschlossenen Hohlleiter verwendet, die durch Kühlflüssigkeit durchströmt werden können, sondern es kommen flächige Bandleiter 15 zum Einsatz. Die Möglichkeit der Flüssigkeitskühlung wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die Verwendung eines flüssigkeitsdichten Kanals 17 ermöglicht. Die Wärme aus dem Leiterpaket 16 wird aber nur teilweise über die Kühlflüssigkeit in den flüssigkeitsdichten Kanal 17 abgeführt. Ein Teil der Wärme wird auch an die Statorelemente 8 und andere Teile des Stators übertragen.In the leader package 16 a large electric power is converted. Since currently no lossless electrical conductors are technically available, arises in the conductor package 16 inevitably a power loss, which is used to heat the conductor package 16 leads. The heat generated by power loss must be dissipated. A favorable method for removing power loss is the liquid cooling of the stator winding used in the embodiment shown 7 , In the illustrated embodiment, no closed waveguides are used, which can be flowed through by cooling liquid, but there are flat band conductors 15 for use. The possibility of liquid cooling in this embodiment by the use of a liquid-tight channel 17 allows. The heat from the conductor package 16 but is only partially on the cooling liquid in the liquid-tight channel 17 dissipated. Part of the heat is also applied to the stator elements 8th and transfer other parts of the stator.

Um eine gleichmäßige Wärmeübertragung an die Statorelemente 8 zu ermöglichen und um lokale Hitzestaus zu vermeiden, ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Breite b der Bandleiter 15 parallel zu den aufrechten Balken des „U”'s des Statorelementes 8 ausgerichtet.For a uniform heat transfer to the stator elements 8th to allow and to avoid local heat build-up, in the embodiment shown, the width b of the band conductor 15 parallel to the upright bars of the "U"'s of the stator element 8th aligned.

In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Leiter des Leiterpaketes 16 aus Kupferblech hergestellt und die Oberfläche der Kupferbleche ist keramisch beschichtet. Die keramische Beschichtung bewirkt eine elektrische Oberflächenisolation der Kupferbleche, wodurch die Anforderungen an das Isoliervermögen der Kühlflüssigkeit reduziert werden. Somit kann als Kühlflüssigkeit gewöhnliches Leitungswasser verwendet werden. Die Beschichtung stellt auch einen Schutz der Oberfläche gegen chemische Korrosion und gegen Elektromigration dar. In anderen Ausführungsbeispielen können auch andere Leitermaterialien, wie beispielsweise Aluminium, andere oder keine Beschichtungen und/oder andere Leiterquerschnitte eingesetzt werden.In the in 4 embodiment shown are the conductors of the conductor package 16 made of copper sheet and the surface of the copper sheets is ceramic coated. The ceramic coating effects an electrical surface insulation of the copper sheets, which reduces the requirements for the insulating capacity of the cooling liquid. Thus, ordinary tap water can be used as the cooling liquid. The coating also provides protection of the surface against chemical corrosion and against electromigration. In other embodiments It is also possible to use other conductor materials, for example aluminum, other coatings or no coatings and / or other conductor cross sections.

Obwohl die oben beschriebene Ausführungsform die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine 1 anhand eines Reluktanzmotors mit einem Rotor beschreibt, kann die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine 1 auch einen Läufer 3 aufweisen, welcher eine geradlinige Bewegung ausführt. Die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine 1 kann sowohl für den motorischen als auch für den generatorischen Betrieb eingesetzt werden. Ferner ist es möglich, die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine 1 nur als Segment oder Zelle für einen motorischen oder generatorischen Betrieb einzusetzen. Zudem ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1 nicht auf die beispielhaft dargestellten Zeichnungen mit zwei bzw. drei Statorschichten begrenzt. So können auch mehr als drei Statorschichten zum Einsatz kommen. Ferner können auch Stapelanordnungen aus Statoren und Läufern zu erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschinen 1 zusammengesetzt werden. Durch die erfindungsgemäße Modularisierung und die darüber hinaus mögliche Skalierungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1 ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten. So ist die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine 1 insbesondere für hochpolige, schnell geschaltete Maschinen sowohl bei Motor- als auch bei Generatorbetrieb einsetzbar.Although the above-described embodiment is the electric working machine of the present invention 1 describes using a reluctance motor with a rotor, the electric working machine according to the invention 1 also a runner 3 which performs a rectilinear motion. The electric working machine according to the invention 1 can be used for both motorized and regenerative operation. Furthermore, it is possible to use the electrical work machine according to the invention 1 to be used only as a segment or cell for a motor or generator operation. In addition, the structure of the electrical work machine according to the invention 1 not limited to the exemplified drawings with two or three stator layers. Thus, more than three stator layers can be used. Furthermore, stacking arrangements of stators and rotors can also be used for electric working machines according to the invention 1 be assembled. Due to the modularization according to the invention and the further possible scalability of the inventive electrical work machine 1 arise diverse applications. Such is the electrical work machine according to the invention 1 especially for high-pole, high-speed machines used both in motor and generator operation.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009021540 [0002, 0002]

Claims

Electrical work machine ( 1 ) with at least two stators ( 2 . 2 ' . 2 '' ) and at least one runner ( 3 ), the runner ( 3 ) magnetically active, in a movement plane of the runner ( 3 ) rotor core elements ( 4 ), and wherein the stators ( 2 . 2 ' . 2 '' ) each stator teeth ( 6 ), which in a first stator ( 2 ) and in a second stator ( 2 ' ) face each other and for interaction with at least one between two opposing stator teeth ( 6 ) located magnetically active rotor core element ( 4 ) are provided, and in each case at least one stator winding ( 7 ) for generating a magnetic field in the stator teeth ( 6 ), characterized in that each stator ( 2 . 2 ' . 2 '' ) of each other in a direction of movement of the runner ( 3 ) spatially separated, in the stator cross section "U" shaped stator elements ( 8th ) consisting of Statorjochelementen ( 5 ) and stator teeth ( 6 ), wherein in each case two stator teeth ( 6 ) by a Statorjochelement ( 5 ) are connected to form the "U", wherein the upright bars of the "U" by a respective stator tooth ( 6 ) and the basic bar of the "U" by one Statorjochelement ( 5 ) and wherein the upright bars of the "U"'s of the second stator ( 2 ' ) the upright bar of the "U" of the first stator ( 2 ) face each other upside down; and the stator ( 2 . 2 ' . 2 '' ) is composed of at least two stator layers (A, B, C), wherein in at least a first of these stator layers (A) the stator yoke elements ( 5 ) and in at least a second of these stator layers (B) the stator teeth ( 6 ) are provided and wherein the stator winding ( 7 ) between the stator teeth ( 6 ) and in the same position as the second stator layer (B).

Electrical work machine according to claim 1, characterized in that in at least the first stator layer (A) the stator yoke elements ( 5 ) are provided; in at least a third, between the first and the second stator layer (A, B) located stator (C) with permanent magnets ( 10 . 11 ) surrounded soft magnetic teeth ( 12 ) as first parts of the stator teeth ( 6 ) are provided; and in the second stator layer (B) second parts ( 13 ) of the stator teeth ( 6 ) and the stator winding ( 7 ) are provided.

Electrical work machine according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least two of the stator layers (A, B, C) are separately produced layers which are used to form the stators ( 2 . 2 ' . 2 '' ) are adjusted to each other and fixed in this position.

Electrical work machine according to claim 3, characterized in that the stator layers (A, B, C) with maximum coverage of Statorjochelementen ( 5 ) and stator teeth ( 6 ) adjusted to form a maximum inductance to each other and fixed in this position.

Electrical work machine according to claim 3, characterized in that the stator layers (A, B, C) with a smaller than the maximum coverage of Statorjochelementen ( 5 ) and stator teeth ( 6 ) are adjusted to each other and fixed in this position.

Electrical work machine according to claim 1 or 2, characterized in that the stator layers (A, B, C) are mutually adjustable and the overlap of Statorjochelementen ( 5 ) and stator teeth ( 6 ) during operation of the electrical work machine ( 1 ) is adjustable.

Electrical work machine according to at least one of the preceding claims, characterized in that the stator winding ( 7 ) between the stator teeth ( 6 ) is poured, laminated or embedded.

Electrical work machine according to at least one of the preceding claims, characterized in that the stator elements ( 8th ) and the stator winding ( 7 ) in aligned form to form the stators ( 2 . 2 ' . 2 '' ) are cast by at least one carrier material or laminated or embedded in at least one carrier material.

Electrical work machine according to at least one of the preceding claims, characterized in that between the stator elements ( 8th ) at least one filling area ( 18 ) is provided from carbon fiber plastic, fiberglass and / or a ceramic.

Electrical work machine according to at least one of the preceding claims, characterized in that the stator winding ( 7 ) one of at least one band conductor ( 15 ) and / or waveguide formed conductor package ( 16 ) having.

Electrical work machine according to claim 10, characterized in that at least one width (b) of a strip conductor ( 15 ) and / or waveguide parallel to the upright orientation of the upright beams of the "U" of the stator elements ( 8th ) is aligned.

Electrical work machine according to claim 10 or 11, characterized in that the at least one strip conductor ( 15 ) and / or waveguide is formed of sheet metal.

Electrical work machine according to at least one of claims 10 to 12, characterized in that the conductor package ( 16 ) "U" -shaped and / or "L" -shaped band conductors ( 15 ) having.

Electrical work machine according to at least one of claims 10 to 13, characterized in that the conductor package ( 16 ) in an electrically insulating, liquid-tight channel ( 17 ) is provided, which can be flowed through by a liquid.

Electrical work machine according to at least one of claims 10 to 14, characterized in that the at least one strip conductor ( 15 ) and / or waveguide has an electrical surface insulation.

Electrical work machine according to claim 15, characterized in that the electrical surface insulation of plastic, ceramic or anodization is formed.

Electrical work machine according to at least one of the preceding claims, characterized in that the electrical work machine ( 1 ) is a transversal flux machine in which between stator ( 2 . 2 ' . 2 '' ) and runners ( 3 ) to the movement plane of the runner ( 3 ) Transverse magnetic flux is provided.

Electrical work machine according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one rotor core element ( 4 ) is a permanent magnet.