DE102011105833A1

DE102011105833A1 - Gleichstrommaschine

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Publication number: DE102011105833A1
Application number: DE102011105833A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2011-12-29
Also published as: DE102010025273A1

Abstract

Es wird eine Gleichstrommaschine vorgeschlagen mit einer Rotationsachse (7) der Gleichstrommaschine, mit einem Statur (1, 18), mit einem um die Rotationsachse (7) drehbaren Rotor (2, 23), mit einem zylindrischen, koaxial zur Rotationsachse (7) angeordneten, aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Wicklungsträger (3, 27) mit mindestens einer Wicklung (4, 28), welche im wesentlichen in Längsrichtung der Rotationsachse (7) an der Außenseite und der Innenseite des Wicklungsträgers (3, 27) verläuft, mit mindestens einem koaxial zu dem Wicklungsträger (3, 27) angeordneten, ferromagnetischen Hohlzylinder (13, 14, 19, 20), wobei der Statur (1) den Wicklungsträger (3) und der Rotor (2) den Hohlzylinder (13, 14) aufweist, oder wobei der Rotor (2) den Wicklungsträger (27) und der Statur (18) den Hohlzylinder (19, 20) aufweist, mit einem Erreger (6, 17, 21) an dem Statur (1, 18) und/oder an dem Rotor (2, 23).

Description

Die Erfindung geht aus von einer Gleichstrommaschine, welche als Elektromotor oder als Generator betrieben werden kann.
Bekannte Gleichstrommaschinen sind üblicherweise mit Schleifkontakten und Polwendern oder Kommutatoren ausgestattet. Bürstenlose Gleichstrommaschinen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine elektronische Kommutierung aufweisen. Gleichstrommaschinen mit elektronischem Umrichter werden im englischen Sprachgebrauch als brushless direct current, abgekürzt BLDC, Maschinen bezeichnet. Derartige bürstenlose Gleichstrommaschinen haben gegenüber den mit Schleifkontakten und Polwendern ausgestatteten Maschinen den Vorteil einer geringeren Verschleißanfälligkeit. Sie weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Position des Rotors im Stator erfasst und die Stromrichtung im stromdurchflossenen Leiter des Rotors entsprechend an die erfasste Position angepasst werden muss. Dies sorgt für einen hohen Aufwand im Aufbau und in der Beschaltung der Gleichstrommaschine.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichstrommaschine zur Verfügung zu stellen, die ohne Kommutierung und ohne Gleichrichter betrieben werden kann, so dass im Falle der Anwendung als Elektromotor konstant ein Drehmoment auf den Rotor wirkt und bei der Anwendung als Generator ohne Kommutierung und ohne Gleichrichter ein Gleichstrom erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Gleichstrommaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese weist einen zylindrischen, koaxial zur Rotationsachse der Gleichstrommaschine angeordneten, aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Wicklungsträger mit mindestens einer Wicklung auf, welche im wesentlichen in Längsrichtung der Rotationsachse an der Außenseite und der Innenseite des Wicklungsträgers verläuft. Der Wicklungsträger kann entweder am Stator oder am Rotor angeordnet sein. Ferner weist die Gleichstrommaschine mindestens einen koaxial zur Rotationsachse und koaxial zum Wicklungsträger angeordneten, ferromagnetischen Hohlzylinder auf. Dabei sind Hohlzylinder und Wicklungsträger relativ zueinander drehbar. Ist der Wicklungsträger Bestandteil des Stators, so befindet sich der Hohlzylinder am Rotor. Ist der Wicklungsträger Bestandteil des Rotors, so befindet sich der Hohlzylinder am Stator. Dabei kann der Wicklungsträger innerhalb oder außerhalb des Hohlzylinders angeordnet und damit als Innenläufer oder als Außenläufer ausgebildet sein. Sind zwei Hohlzylinder vorgesehen, so befindet sich der Wicklungsträger bevorzugt im Zwischenraum zwischen den beiden Hohlzylindern.
Die Wicklung verläuft sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite des zylindrischen Wicklungsträgers. Da die Stirnseiten des Wicklungsträgers wesentlich kleiner sind als die Ausdehnung des Wicklungsträgers in axialer Richtung, sind die radialen Abschnitte der Wicklung an den Stirnseiten des Wicklungsträgers vernachlässigbar klein gegenüber den axial verlaufenden Abschnitten der Wicklung.
An dem Stator oder an dem Rotor ist ferner der Erreger angeordnet. Bei dem Erreger kann es sich um einen oder mehrere Permanentmagneten oder um einen Elektromagneten handeln. Befindet sich der Wicklungsträger am Stator, so kann der Erreger an dem Rotor angeordnet sein. Ebenso können Wicklungsträger und Erreger am Stator angeordnet sein. Entsprechendes gilt, wenn der Wicklungsträger am Rotor angeordnet ist.
Der Wicklungsträger und der oder die Hohlzylinder bestehen aus einem ferromagnetischen Material.
Das Magnetfeld des Erregers führt zu einem magnetischen Fluss, der sich ausgehend von dem Erreger als geschlossener Kreis durch den Hohlzylinder, den Wicklungträger und zurück zum Erreger erstreckt. Dabei ist der Hohlzylinder bevorzugt entweder an den Erreger gekoppelt oder in geringem Abstand zum Erreger angeordnet, so dass der magnetische Widerstand zwischen dem Erreger und dem Hohlzylinder klein ist. An der anderen Stirnseite des Hohlzylinders ist der Abstand zu dem Wicklungsträger beispielsweise in axialer Richtung größer als in radialer Richtung. Ferner kann der anderen Stirnseite gegenüberliegend ein nicht ferromagnetisches Bauteil angeordnet sein, welches einen großen magnetischen Widerstand aufweist. Damit ist der magnetische Widerstand zwischen Hohlzylinder und dem Wicklungsträger in radialer Richtung kleiner als in axialer Richtung. Dies führt dazu, dass der magnetische Fluss ausgehend von dem Hohlzylinder in radialer Richtung in den Wicklungsträger eindringt. Der Strom fließt in der Wicklung in axialer Richtung. Daraus resultiert eine Lorentzkraft in tangentialer Richtung auf die Wicklung. Ist die Wicklung Bestandteil des Rotors so wird unmittelbar ein Drehmoment auf den Rotor. Ist die Wicklung Bestandteil des Stator, so wirkt die Lorentzkraft zwar auf den Stator, jedoch wird diese aufgrund des Prinzips von Kraft und Gegenkraft auf den Rotor übertragen.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass der Hohlzylinder an beiden Stirnseiten an jeweils einen Erreger direkt oder über einen kleinen Luftspalt magnetisch gekoppelt ist. Dabei sind beide Stirnseiten an den gleichen Pol eines Erregers gekoppelt. Der magnetische Fluß kann damit den Hohlzylinder nicht in einer axialen Richtung vollständig durchdringen. Dies führt dazu, dass der magnetische Fluss ausgehend von dem Hohlzylinder in radialer Richtung in den Wicklungsträger eindringt. Die aus dem Magnetfeld und dem elektrischen Strom im Wicklungsträger resultierende Lorentzkraft wirkt in tangentialer Richtung.
Damit wirkt auf den Rotor eine aus dem Magnetfeld des Erregers und aus dem stromdurchflossenen Leiter der Wicklung resultierende magnetische Kraft und ein Drehmoment. Die Kraft setzt in tangentialer Richtung an dem Rotor an. Ist der Wicklungsträger an dem Rotor angeordnet, so setzt die Kraft an dem Wicklungsträger an. Ist der Wicklungsträger an dem Statur angeordnet, so setzt die Kraft an dem Hohlzylinder an. Da die Kraft und das Drehmoment kontinuierlich wirken und der Rotor sich ständig entsprechend der Kraft und dem Drehmoment ausrichtet, wird die Drehbewegung kontinuierlich aufrecht erhalten. Hierzu bedarf es keiner Kommutierung und keiner Gleichrichtung des in der Wicklung fließenden Stroms.
Bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine als Generator wird bei einem auf den Rotor einwirkenden Drehmoment aufgrund des magnetisierten Rotors in der Wicklung ein Strom induziert. Die Gleichstrommaschine ermöglicht ohne schaltungstechnische Veränderungen einen Betrieb als Gleichstromgenerator.
Damit zeichnet sich die erfindungsgemäße Gleichstrommaschine durch einen einfachen Aufbau und eine geringe Verschleißanfälligkeit aus. Im Unterschied zu bekannten Gleichstrommaschinen weist sie keinen Kommutator und keinen Polwender auf. Sie kann daher als alternatorlose Gleichstrommaschine bezeichnet werden. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine besteht darin, dass Probleme im Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit, Funkenbildung eines Kommutators und Ummagnetisierungsverluste nicht auftreten.
Ist der Wicklungsträger mit mehreren Wicklungen ausgestattet, so können diese je nach Bedarf über eine Reihen- oder Parallelschaltung an eine Spannungsquelle angeschlossen werden. Je nach Beschaltung der Wicklungen können unterschiedliche elektrische Widerstände erzeugt werden. Auf diese Weise kann das auf den Rotor wirkende Drehmoment variiert werden.
Der Wicklungsträger kann aus einem Stück bestehen oder mehrere Segmente aufweisen. Ist der Wicklungsträger aus mehreren Segmenten zusammengesetzt, so kann jedes Segment mit einer Wicklung ausgestattet sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, einen einstückigen Wicklungsträger mit mehreren Wicklungen oder einen Wicklungsträger aus mehreren Segmenten mit einer Wicklung auszustatten.
In bevorzugter Weise sind der Wicklungsträger einerseits und der Hohlzylinder andererseits im wesentlichen gleich lang. Das Verhältnis von axialer Länge zu Durchmesser des Hohlzylinders kann je nach Anwendung gewählt werden. Es sind längliche Ausführungen möglich, bei denen die axiale Länge größer ist als der Durchmesser des Hohlzylinders. Es sind auch flache Ausführungen möglich, bei denen der Durchmesser des Hohlzylinders großer ist als die axiale Länge. Entsprechendes gilt für den Wicklungsträger.
Aufgrund der zylindrischen Form des Wicklungsträgers und des Hohlzylinders steht im Bereich der Rotationsachse Platz für den Erreger oder sonstige Bauteile, wie beispielsweise einen Spaltsteller, ein Getriebe oder eine drehbare Lagerung des Rotors zur Verfügung. Ein Spaltsteller ermöglicht durch eine axiale Verschiebung des Rotors gegenüber dem Stator bei Verwendung von Permanentmagneten als Erreger aufgrund einer Änderung des magnetischen Widerstands eine Feldregelung.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Hohlzylinder an einer Stirnseite magnetisch an den Erreger gekoppelt oder durch einen Luftspalt von dem Erreger getrennt, so dass der magnetische Widerstand klein ist. Ferner ist an der anderen Stirnseite des Hohlzylinders der magnetische Widerstand zwischen dem Hohlzylinder und einem der Stirnseite des Hohlzylinders in axialer Richtung benachbarten Teil des Stators oder des Rotors größer ist als der magnetische Widerstand zwischen dem Hohlzylinder und dem Wicklungsträger in radialer Richtung. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass der Luftspalt zwischen der betreffenden Stirnseite des Hohlzylinders und einem in axialer Richtung benachbarten Bauteil größer ist als der Luftspalt zwischen dem Hohlzylinder und dem Wicklungsträger einschließlich Wicklung in radialer Richtung. Alternativ oder kumulativ dazu kann in axialer Richtung benachbart zum Hohlzylinder ein Bauteil angeordnet sein, dessen magnetischer Widerstand wesentlich größer ist als der magnetische Widerstand zwischen dem Hohlzylinder und dem Wicklungsträger in radialer Richtung. Dadurch wird der magnetische Fluss veranlasst, ausgehend von dem Hohlzylinder in radialer Richtung in den Wicklungsträger einzudringen anstatt den Hohlzylinder vollständig in axialer Richtung zu durchdringen. Der radiale magnetische Fluss sorgt zusammen mit dem stromdurchflossenen Leiter der Wicklung aufgrund der Lorentzkraft für eine Kraft auf den Wicklungsträger in tangentialer Richtung. Diese wiederum sorgt für ein auf den Rotor wirkendes Drehmoment. Zur Erzielung eines großen magnetischen Widerstands an einer der beiden Stirnseiten des Hohlzylinders kann dieser Seite benachbart ein nicht ferromagnetisches Bauteil angeordnet sein. Dieses Bauteil kann Bestandteil des Rotors oder des Stators sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Hohlzylinder an beiden Stirnseiten magnetisch an jeweils einen Erreger gekoppelt oder durch einen Luftspalt von einem Erreger getrennt. Dabei sind beide Stirnseiten an den gleichen Pol eines magnetischen Erregers gekoppelt. Da die beiden Pole sich abstoßen, kann der von einem der Erreger ausgehende magnetische Fluss nicht den Hohlzylinder in axialer Richtung vollständig durchdringen. Der magnetische Fluss ändert daher seine Richtung und dringt in radialer Richtung in den Wicklungsträger ein. Dies wiederum hat bei der in axialer Richtung von einem Strom durchflossenen Leiter der Wicklung eine Lorentzkraft in tangentialer Richtung zur Folge.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verläuft die Rotationsachse durch den Erreger. Dabei ist der Erreger koaxial zur Rotationsachse angeordnet. Damit kann der Erreger im Zentrum der Gleichstrommaschine angeordnet werden. Da sowohl der Hohlzylinder als auch der Wicklungsträger als hohle Bauteile ausgebildet sind, steht nahe der Rotationsachse Platz für den Erreger zur Verfügung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind als Erreger mehrere ringförmige Magnete vorgesehen, die koaxial zu der Rotationsachse angeordnet sind. Diese können am Statur oder am Rotor angeordnet sein.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Wicklungsträger an dem Statur angeordnet. Da die Wicklung nicht bewegt wird, sind keine Schleifkontakte zum Anschließen der Wicklung an einen Stromkreis notwendig.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wicklungsträger an dem Rotor angeordnet. In diesem Fall ist eine Stromführung über Schleifringe erforderlich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen der Hohlzylinder und/oder der Wicklungsträger aus einem weichmagnetischen Material. Es lässt sich somit in dem Magnetfeld magnetisch polarisieren.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Wicklungsträger mehrere Segmente auf. Dabei weisen bevorzugt alle Segmente die gleiche axiale Länge auf. Jedes Segment bildet bevorzugt einen Teil eines Zylindermantels.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Wicklungsträger mehrere in axialer Richtung verlaufende, längliche Schlitze auf. In radialer Richtung sind die Schlitze durchgängig. Die Schlitze sind damit parallel zu der Rotationsachse der Gleichstrommaschine. Durch die Schlitze wird der zirkulare Magnetfluss unterdrückt, der durch den Strom in der Wicklung des Wicklungsträgers verursacht wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Wicklungsträger an mindestens einer Stirnseite mehrere in axialer Richtung abstehende Vorsprünge auf. Ferner weist der Wicklungsträger eine Wicklungsträgerplatte mit Ausnehmungen auf, in denen die Vorsprünge angeordnet sind. Die Vorsprünge stehen in axialer Richtung über die Wicklung hinaus, so dass die Verbindung zwischen der Wicklungsträgerplatte und dem übrigen Wicklungsträger die Wicklung nicht beeinträchtigt. Die Vorsprünge können beispielsweise die Form von Zapfen oder Stiften aufweisen. Die Wicklungsträgerplatte weist Ausnehmungen auf, die in ihrer Größe und ihrer Form an die Vorsprünge angepasst sind. In diese Ausnehmungen werden die Vorsprünge eingeführt. Weist der Wicklungsträger mehrere Segmente auf, so ist bevorzugt jedes Segment mit mindestens zwei Vorsprüngen ausgestattet. Durch die Anordnung der Vorsprünge in Ausnehmungen der Wicklungsträgerplatte werden die Segmente zusammen gehalten.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Vorsprünge aus einem weichmagnetischen Material, welches gegenüber den Umkehrpunkten der Wicklung durch die hohe relative Permeabilität einen magnetischen Kurzschluss zwischen der Wicklungsträgerplatte und dem übrigen Wicklungsträger bildet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wicklungsträgerplatte mit elektrischen Anschlüssen zur Versorgung der Wicklung ausgestattet. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit der Leiterenden der Wicklung elektrisch isoliert durch die Wicklungsträgerplatte hindurch zu führen und die Beschaltung der Wicklung auf der der Wicklung abgewandten Seite der Wicklungsträgerplatte vorzusehen. Diese Beschaltung kann auch auf einer zusätzlichen Platte, beispielsweise einer Grundplatte vorgesehen sein. Sind mehrere Wicklungen an dem Wicklungsträger angeordnet, so weist die Wicklungsträgerplatte oder die Grundplatte eine entsprechende Verschaltungsebene auf.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Wicklungsträger an seiner zweiten Stirnseite ebenfalls mehrere in axialer Richtung abstehende Vorsprünge auf, die in einem weichmagnetischen oder ferromagnetischen oder nicht ferromagnetischen Stabilisierungsteil angeordnet sind. Das Stabilisierungsteil kann beispielsweise die Form eines Ringes, eines Hohlzylinders oder einer Platte aufweisen. Es dient der mechanischen Stabilisierung des Wicklungsträgers. Ferner kann es die Führung oder die drehbare Lagerung des Rotors unterstützen. Sollte der magnetische Fluss auch oder ausschließlich über dieses Stabilisierungsteil an der Wicklung vorbeigeführt werden, so ist das Stabilisierungsteil gleichfalls mit den notwendigen magnetischen Kurzschlusselementen zu versehen. Besteht das Stabilisierungsteil aus einem weichmagnetischen Material, so bildet es gegenüber den Umkehrpunkten der Wicklung durch die hohe relative Permeabilität einen magnetischen Kurzschluss zwischen der Stabilisierungsteil und dem übrigen Wicklungsträger.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Gleichstrommaschine mit zwei koaxial zueinander angeordneten Hohlzylindern ausgestattet, welche starr miteinander verbunden sind. Diese beiden Hohlzylinder können an einer Stirnseite über eine Platte starr miteinander verbunden sein, die gleichzeitig bei beiden Hohlzylindern den Zylinderboden bildet. Vorteilhafterweise ist der Wicklungsträger in dem Zwischenraum zwischen den beiden Hohlzylindern angeordnet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen der Hohlzylinder und der Wicklungsträger die gleiche magnetische Leitfähigkeit auf. Ferner weisen nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Wicklungsträger und der Hohlzylinder die gleiche Wandstärke auf. Sind mehrere Hohlzylinder vorgesehen, so entspricht bevorzugt die Summe der Wandstärken aller Hohlzylinder der Wandstärke des Wicklungsträgers. Diese Dimensionierung sorgt für eine gleiche magnetische Feldstärke in den Hohlzylindern und in dem Wicklungsträger. Der magnetische Widerstand ist in axialer Richtung als Summe über einen Teil des Rotors, den Luftspalt und einen Teil des Stators gleich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotor mit mindestens einem Kugellager und/oder mehreren Kugeln drehbar an dem Stator gelagert. Aufgrund der geringen Reibung einer Kugellagerung wird der Verschleiß reduziert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotor mit einem Laufrad zur Kühlung der Wicklung ausgestattet. Eine Drehbewegung des Rotors führt damit automatisch zu einer Rotation des Laufrades.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine dargestellt. Es zeigen:
1 erstes Ausführungsbeispiel einer Gleichstrommaschine im Längsschnitt,
2 Gleichstrommaschine gemäß 1 im Querschnitt,
3 Wicklungsträger der Gleichstrommaschine gemäß 1,
4 zweites Ausführungsbeispiel einer Gleichstrommaschine im Längsschnitt,
5 drittes Ausführungsbeispiel einer Gleichstrommaschine im Längsschnitt,
6 viertes Ausführungsbeispiel einer Gleichstrommaschine im Längsschnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den 1 bis 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gleichstrommaschine mit einem Stator 1 und einem Rotor 2 dargestellt. Es handelt sich um eine bürstenlose Gleichstrommaschine. Der Stator 1 weist einen Wicklungsträger 3 auf, welcher mit Wicklungen 4 ausgestattet ist. Ferner ist der Stator 1 mit einem Permanentmagneten als Erreger 6 ausgestattet. Der Wicklungsträger 3 und der Erreger 6 sind längliche zylindrische Bauteile. Der Wicklungsträger 3 ist als Hohlzylinder ausgebildet. Wicklungsträger 3 und Erreger 6 sind koaxial bezüglich der Rotationsachse 7 der Gleichstrommaschine angeordnet. Der Wicklungsträger 3 weist eine Wicklungsträgerplatte 8 auf, an der der Erreger 6 befestigt ist. Die Wicklungsträgerplatte 8 ist wiederum an einer Grundplatte 32 angeordnet, welche mit Anschlüssen 9 für die Wicklungen 4 ausgestattet ist. Zur Befestigung an der Wicklungsträgerplatte 8 weist der Wicklungsträger 3 an der Stirnseite in axialer Richtung über die Stirnseite und über die Wicklungen 4 überstehende Vorsprünge 10 auf. Die Vorsprünge 10 haben die Form von Stiften oder Zapfen mit rechteckigem Querschnitt. Sie werden in hierfür vorgesehenen Ausnehmungen der Wicklungsträgerplatte 8 aufgenommen. An der der Wicklungsträgerplatte 8 abgewandten Stirnseite des Wicklungsträgers 3 ist ein Stabilisierungsteil 11 angeordnet, welches die Form eines Rings aufweist. Zur Verbindung mit dem Stabilisierungsteil 11 ist der Wicklungsträger 3 an dieser Stirnseite ebenfalls mit Vorsprüngen 12 ausgestattet. Das Stabilisierungsteil 11 weist Vertiefungen auf, in die die Vorsprünge 12 aufgenommen werden.
Der Rotor 2 ist mit einem ersten Hohlzylinder 13 und einem zweiten Hohlzylinder 14 ausgestattet. Sie weisen beide die Form eines länglichen Hohlzylinders auf und sind koaxial zu der Rotationsachse 7 und koaxial zu dem Wicklungsträger 3 angeordnet. Der Durchmesser der zweiten Hohlzylinders 14 ist größer als der Radius der ersten Hohlzylinders 13. Beide sind über eine Platte 15 starr miteinander verbunden. An der Platte 15 ist die Antriebswelle 16 koaxial zu der Rotationsachse 7 angeordnet. An dem Erreger 6 sind zur drehbaren Lagerung und zur Zentrierung des ersten Hohlzylinders 13 des Rotors 2 Kugeln 31 angeordnet.
Der Erreger 6 ist innerhalb des ersten Hohlzylinders 13 angeordnet. Der Wicklungsträger 3 befindet sich zwischen dem ersten Hohlzylinder 13 und dem zweiten Hohlzylinder 14. Die Differenz aus Innendurchmesser des zweiten Hohlzylinders 14 und Außendurchmesser des ersten Hohlzylinders 13 ist größer als die Summer aus der Wandstärke des Wicklungsträgers 3 und der Wicklung 4, so dass sich Wicklungsträger 3 und Hohlzylinder 13, 14 bei der Rotation nicht gegenseitig behindern.
Der Wicklungsträger 3 weist vier Segmente 3a, 3b, 3c, 3d auf. Dies ist in 2 und 3 dargestellt. Je zwei Segmente berühren sich im Bereich der Vorsprünge 10 und 12. Durch das Befestigen der Vorsprünge 10 und 12 in dem Stabilisierungsteil 11 und der Wicklungsträgerplatte 8, welche in 2 und 3 nicht dargestellt ist, werden die Segmente gehalten und zu dem Wicklungsträger 3 zusammengefügt. Zwischen je zwei Segmenten verläuft ein Schlitz 33 in axialer Richtung. Der Schlitz 33 erstreckt sich in axialer Richtung und ist in einem Abschnitt verbreitert.
Die beiden Hohlzylinder 13 und 14 des Rotors 2 erzeugen durch den Erreger 6 jeweils entgegen gerichtete, im Bezug auf die Rotationsachse 7 radiale Magnetfelder, deren Feldlinien von innen und von außen senkrecht auf das den Wicklungsträger 3 treffen. Dies ist in 1 schematisch anhand der Feldlinien 34 dargestellt. Der magnetische Fluss bildet ausgehend von dem Erreger 6 einen Kreis durch die beiden Hohlzylinder 13, 14 und den Wicklungsträger 3. Der Verlauf des magnetischen Flusses 34 ist in 1 exemplarisch durch gestrichelte Linien dargestellt. Ferner ist die Stromrichtung 35 in der Wicklung 4 durch Pfeile angedeutet. Zwischen dem Erreger 6 und der Platte 15 besteht ein kleiner Luftspalt, so dass der magnetische Widerstand zwischen dem Erreger und der Platte 15 gering ist. Die Platte 15 und die beiden Hohlzylinder 13, 14 sind ferromagnetisch. An der der Platte 15 abgewandten Stirnseite des Hohlzylinders 13 ist ein nicht ferromagnetisches Bauteil 36 angeordnet, so dass der magnetische Widerstand an diesem Ende groß ist. Dagegen ist der magnetische Widerstand beim Übergang von dem Hohlzylinder 13 in radialer Richtung auf den Wicklungsträger 3 klein. Der magnetische Fluß folgt daher dem in 1 skizzierten Verlauf. Entsprechendes gilt für den zweiten Hohlzylinder 14. Aufgrund des radialen Verlaufes des magnetischen Flusses im Wicklungsträger und der Stromrichtung in der Wicklung 4 wirkt auf den Wicklungsträger eine Lorentzkraft. Aufgrund der gemeinsamen Umkehr von Stromrichtung und Feldrichtung von der Innenseite zur Außenseite des Wicklungsträgers 3 ist die Kraft an der Innenseite und an der Außenseite tangential und gleich gerichtet. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator und dem Grundsatz actio gleich reactio führen die Kräfte zu einem Drehmoment auf die beiden Hohlzylinder 13 und 14 des Rotors 2. In 2 ist die auf den zweiten Hohlzylinder 14 des Rotor 2 wirkende tangentiale Kraft 41 exemplarisch durch einen Pfeil dargestellt.
In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Gleichstrommaschine dargestellt, welche ebenfalls bürstenlos ist. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass es als Erreger einen Elektromagneten 17 anstelle eines Permanentmagneten aufweist. Darüber hinaus ist die Gleichstrommaschine im wesentlichen gleich aufgebaut wie die in den 1 bis 3 dargestellte Gleichstrommaschine.
In 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Gleichstrommaschine dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Rotor mit dem Wicklungsträger und der Stator mit den Hohlzylinders ausgestattet. Der Stator 18 ist mit einem ersten Hohlzylinder 19 und einem zweiten Hohlzylinder 20 ausgestattet, wobei mehrere Erreger 21 als ringförmige Permanentmagnete zwischen dem ersten und zweiten Hohlzylinder 19, 20 an der Platte 22 sowie an den der Platte 22 abgewandten Enden des ersten und zweiten Hohlzylinders 19, 20 angeordnet sind. Die Platte 22 befindet sich dabei an einer der beiden Stirnseiten der beiden Hohlzylinder 19, 20. Die Gleichstrommaschine weist einen Rotor 23 mit einem Wicklungsträger 27 und einem zylindrischen Rotorteil 24 auf. Das Rotorteil 24 ist mit einem Getriebe 25 ausgestattet, das über einen Spaltsteller 26 drehzahlabhängig automatisch den Abstand zwischen der Platte 22 und der Stirnseite des Rotorteils 24 und damit die Stärke des Erregerfeldes im Bereich des Roturteils 24 steuert. Der Wicklungsträger 27 ist mit einer Wicklung 28 ausgestattet. Ferner ist der Wicklungsträger 27 an einer Stirnseite mit einer Wicklungsträgerplatte 37 und an der anderen Stirnseite mit einem Stabilisierungsteil 38 ausgestattet. Der Wicklungsträger 27 gleicht dem in 3 dargestellten Wicklungsträger des ersten Ausführungsbeispiels. Er ist ebenso mit Vorsprüngen ausgestattet, welche in der Wicklungsträgerplatte 37 und dem Stabilisierungsteil 38 angeordnet sind. Die Enden der Wicklung 28 sind durch die Wicklungsträgerplatte 37 isoliert hindurchgeführt und auf der der Wicklung 28 abgewandten Seite der Wicklungsträgerplatte 37 an Schleifkontakte in Form von Schleifringen 29, 30 angeschlossen. Aufgrund dieses Schleifkontaktes handelt es sich bei diesem Ausführungsbeispiel nicht um eine bürstenlose Gleichstrommaschine.
In 5 sind die Pole der Erreger 21 mit S und N markiert. Dabei sind alle Erreger 21 derart an dem Stator angeordnet, dass die N-Pole dem Wicklungsträger 27 zugewandt sind. Der von den an der Platte 22 angeordneten Erregern 21 ausgehende magnetische Fluss verläuft zunächst durch die Platte 22 und das der Platte zugewandte Ende der Hohlzylinder 19, 20. Da an der der Platte 22 abgewandten Stirnseite der Hohlzylinder 19, 20 ebenfalls ein Erreger angeordnet ist, dessen N-Pol der Platte 22 zugewandt ist, verläuft der magnetische Fluss nicht von einer Stirnseite der Hohlzylinder 19, 20 zur anderen. Vielmehr dringt der magnetische Fluss in radialer Richtung in die Wicklung 28 und den Wicklungsträger 27 ein, wo er zusammen mit dem elektrischen Strom in der Wicklung für eine Lorentzkraft in tangentialer Richtung sorgt. Der in radialer Richtung in den Wicklungsträger eindringende Fluss 39 und die Stromrichtung 40 in der Wicklung 28 sind in 5 mit Pfeilen markiert.
In 6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer bürstenlosen Gleichstrommaschine dargestellt. Sie unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Rotor mit lediglich einem Hohlzylinder 13 ausgestattet ist. Auf einen zweiten Hohlzylinder wurde bei diesem Ausführungsbeispiel verzichtet.
Sämtliche Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Rotor
3: Wicklungsträger
3a: Segment des Wicklungsträger
3b: Segment des Wicklungsträger
3c: Segment des Wicklungsträger
3d: Segment des Wicklungsträger
4: Wicklung
5
6: Erreger
7: Rotationsachse
8: Wicklungsträgerplatte
9: Anschluss
10: Vorsprung
11: Stabilisierungsteil
12: Vorsprung
13: erster Hohlzylinder
14: zweiter Hohlzylinder
15: Platte
16: Antriebswelle
17: Elektromagnet
18: Stator
19: erster Hohlzylinder
20: zweiter Hohlzylinder
21: Erreger
22: Platte
23: Rotor
24: Rotorteil
25: Getriebe
26: Spaltsteller
27: Wicklungsträger
28: Wicklung
29: Schleifring
30: Schleifring
31: Kugel
32: Grundplatte
33: Schlitz zwischen den Segmenten des Wicklungsträgers
34: magnetischer Fluss
35: Stromrichtung
36: Bauteil mit hohen magnetischem Widerstand
37: Wicklungsträgerplatte
38: Stabilisierungsteil
39: magnetischer Fluss
40: Stromrichtung
41: tangentiale Kraft

Claims

Gleichstrommaschine mit einer Rotationsachse (7) der Gleichstrommaschine, mit einem Stator (1, 18), mit einem um die Rotationsachse (7) drehbaren Rotor (2, 23) mit einem zylindrischen, koaxial zur Rotationsachse (7) angeordneten, aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Wicklungsträger (3, 27) mit mindestens einer Wicklung (4, 28), welche im wesentlichen in Längsrichtung der Rotationsachse (7) an der Außenseite und der Innenseite des Wicklungsträgers (3, 27) verläuft, mit mindestens einem koaxial zu dem Wicklungsträger (3, 27) angeordneten, ferromagnetischen Hohlzylinder (13, 14, 19, 20) wobei der Stator (1) den Wicklungsträger (3) und der Rotor (2) den Hohlzylinder (13, 14) aufweist, oder wobei der Rotor (2) den Wicklungsträger (27) und der Stator (18) den Hohlzylinder (19, 20) aufweist, mit einem Erreger (6, 17, 21) an dem Stator (1, 18) und/oder an dem Rotor (2, 23).
Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (13, 14, 19, 20) an einer Stirnseite magnetisch an den Erreger (6, 17, 21) gekoppelt ist oder durch einen Luftspalt von dem Erreger (6, 17, 21) getrennt ist, und dass an der anderen Stirnseite des Hohlzylinders (13, 14, 19, 20) der magnetische Widerstand zwischen dem Hohlzylinder (13, 14, 19, 20) und einem der Stirnseite des Hohlzylinders (13, 14, 19, 20) in axialer Richtung benachbarten Teil des Stators (1) oder des Rotors (2) größer ist als der magnetische Widerstand zwischen dem Hohlzylinder (13, 14, 19, 20) und dem Wicklungsträger (3, 27) in radialer Richtung.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsträger an mindestens einer seiner Stirnseiten mit einer Wicklungsträgerplatte (8, 37) ausgestattet ist, und dass der magnetische Widerstand zwischen einer der beiden Stirnseiten des Hohlzylinders (13, 14, 19, 20) und dem Wicklungsträgerplatte (8, 37) in axialer Richtung größer ist als der magnetische Widerstand zwischen dem Hohlzylinder (13, 14, 19, 20) und dem Wicklungsträger (3, 27) in radialer Richtung.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (13, 14, 19, 20) an einer Stirnseite magnetisch an den Erreger (6, 17, 21) gekoppelt ist oder durch einen Luftspalt von dem Erreger (6, 17, 21) getrennt ist, und dass die andere Stirnseite des Hohlzylinders (13, 14, 19, 20) direkt oder über einen kleinen Luftspalt magnetisch an einen weiteren Erreger (21) gekoppelt ist.
Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (7) durch den Erreger (6, 17) verläuft und der Erreger (6, 17) koaxial zur Rotationsachse (7) angeordnet ist.
Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit mehreren ringförmigen Magneten als Erreger (21) ausgestattet ist, und dass die Magnete koaxial zu der Rotationsachse (7) angeordnet sind.
Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsträger (3) mehrere Segmente (3a, 3b, 3c, 3d) aufweist.
Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsträger (3) längliche Schlitze (33) aufweist, welche in axialer Richtung verlaufen und in radialer Richtung durchgängig sind.
Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsträger (3, 27) an mindestens einer Stirnseite mehrere in axialer Richtung abstehende Vorsprünge (10, 12) aufweist, und dass der Wicklungsträger (3, 27) eine Wicklungsträgerplatte (8, 37) aufweist, in denen die Vorsprünge (10, 12) angeordnet sind.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (10, 12) aus einem weichmagnetischen Material bestehen, welches gegenüber den Umkehrpunkten der Wicklung (4) durch die hohe relative Permeabilität einen magnetischen Kurzschluss zwischen der Wicklungsträgerplatte (8, 37) und dem übrigen Wicklungsträger (3, 27) bildet.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsträgerplatte (8, 37) mit elektrischen Anschlüssen (9) zur Versorgung der Wicklung (4, 28) ausgestattet ist.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des elektrischen Leiters der Wicklung (4, 28) elektrisch isoliert durch die Wicklungsträgerplatte (8, 37) hindurchgeführt und auf der der Wicklung (4, 28) abgewandten Seite der Wicklungsträgerplatte (8, 37) verschaltet sind.
Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsträger (3, 27) an seiner zweiten Stirnseite ebenfalls mehrere in axialer Richtung abstehende Vorsprünge (12) aufweist, die in einem weichmagnetischen oder nicht ferromagnetischen Stabilisierungsteil (11, 38) angeordnet sind.
Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit zwei koaxial zueinander angeordneten Hohlzylindern (13, 14, 19, 20) ausgestattet ist, und dass die beiden Hohlzylinder (13, 14, 19, 20) starr miteinander verbunden sind.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hohlzylinder (13, 14, 19, 20) an mindestens einer ihrer Stirnseiten über eine Platte (15, 22) miteinander verbunden sind.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wicklungsträger (3, 27) in dem Zwischenraum zwischen den beiden Hohlzylindern (13, 14, 19, 20) befindet.
Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (13, 14, 19, 20) und der Wicklungsträger (3, 27) die gleiche magnetische Leitfähigkeit aufweisen.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Wicklungsträgers (3, 27) gleich groß ist wie die Summe der Wandstärken der Hohlzylinder (13, 14, 19, 20).
Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2, 23) über mehrere Kugeln (31) oder mindestens ein Kugellager drehbar an dem Stator (1, 18) gelagert ist.