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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf eine bürstenlose elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die
DE 10 2011 109 760 A1 offenbart einen bürstenlosen Motor, der als Innenläufer ausgeführt ist und einen Stator mit innenliegendem Rotor aufweist. Der Stator besteht aus einem Statorring mit radial nach innen einragenden Trägerzähnen, die jeweils zur Aufnahme einer bestrombaren Wicklung dienen. In den Rotor sind Permanentmagnete eingebracht, deren Magnetfeld mit dem elektromagnetischen Feld interagiert, welches von den Wicklungen erzeugt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen eine bürstenlose elektrische Maschine mit hoher Drehmomentdichte auszubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Erfindungsgemäß weist die bürstenlose elektrische Maschine einen Stator mit Trägerzähnen auf, welche mit bestrombaren Wicklungen versehen sind, sowie einen im Stator drehbar gelagerten Rotor. Desweiteren sind Permanentmagnete vorgesehen, die im Stator aufgenommen sind. Die Permanentmagnete befinden sich mit radialem Abstand zu dem Luftspalt zwischen dem umgreifenden Stator und dem innenliegenden Rotor der elektrischen Maschine. Die Permanentmagnete sind in Umfangsrichtung so groß ausgeführt, das sie sich über zumindest einen Trägerzahn hinweg erstrecken. Im Rotor sind benachbart zum Stator Rotorsegmente aufgenommen, die aus einem magnetisch leitfähigen Material bestehen. Die Permanentmagnete sind beispielsweise schalenförmig ausgebildet und erstrecken sich über ein definiertes Kreissegment in Umfangsrichtung.
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Diese Ausführung hat zum einen den Vorteil, dass auf eine Kommutierungseinrichtung zur Stromübertragung auf den Rotor verzichtet werden kann. Auch ist es nicht erforderlich, das der Rotor Träger von Permanentmagneten ist. Vielmehr genügt es, über den Umfang verteilt am Rotor mehrere Rotorsegmente vorzusehen, die aus einem weichmagnetischen Material bestehen und somit in der Lage sind, Magnetfluss zu leiten. Es handelt sich somit bei dem Rotor um ein passives, einfach aufgebautes Bauteil ohne bestrombare Spulen und vorteilhafterweise auch ohne Permanentmagnete mit einem entsprechend reduzierten Gewicht bzw. Trägheitsmoment.
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Vorteilhaft ist es desweiteren, das die Permanentmagnete im Stator verhältnismäßig weit radial außen liegen und zumindest einen Trägerzahn in Umfangsrichtung übergreifen. Die Permanentmagnete sind schalenförmig ausgebildet und weisen vorteilhafterweise eine Magnetisierung in Radialrichtung auf, so dass sich die Nord-Süd-Ausrichtung in Radialrichtung erstreckt. Die von den Permanentmagneten ausgehenden magnetischen Feldlinien erstrecken sich durch den Trägerzahn, welche von dem Permanentmagnet überspannt wird, sowie durch die in Umfangsrichtung angrenzende Wicklung, welche um einen benachbarten Trägerzahn gewickelt ist. Die Trägerzähne bestehen aus einem magnetisch leitfähigen Material und sind beispielsweise aus einem Lamellenpaket aus Blech aufgebaut.
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In dieser Ausführung wirken die Trägerzähne magnetisch leitend und sind in der Lage, die magnetischen Feldlinien, welche von den Permanentmagneten ausgehen, in einer gerichteten, gewünschten Weise zu führen. Die Permanentmagnete besitzen in Umfangsrichtung eine verhältnismäßig große Erstreckung, wodurch ein verhältnismäßig großer magnetischer Fluss trotz einer geringen magnetischen Remanenz möglich ist. Dies ermöglicht die Verwendung von einfacheren, kostengünstigeren magnetischen Materialien für die Permanentmagnete, ohne dass Einbußen im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine zu befürchten sind. Es ergibt sich somit bei einem einfachen konstruktiven Aufbau eine hohe Drehmomentdichte bzw. eine hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine.
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Vorteilhafterweise übergreifen die schalenförmigen Permanentmagnete in Umfangsrichtung auch die dem Trägerzahn unmittelbar benachbarten Spulenaufnahmeräume links und rechts des Trägerzahns im Stator zumindest teilweise. Der Permanentmagnet erstreckt sich somit über ein verhältnismäßig großes Winkelsegment.
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Es genügt, das nur an jedem zweiten Trägerzahn ein radial außenliegender, schalenförmiger Permanentmagnet angeordnet ist. Bevorzugt weisen diese Trägerzähne keine Wicklung auf, sondern dienen nur zum Leiten des Magnetflusses. Dagegen sind die benachbarten Trägerzähne mit Wicklungen versehen, so dass bezogen auf die Gesamtanzahl der Trägerzähne nur jeder zweite mit einer Wicklung versehen ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung grenzt der Permanentmagnet unmittelbar an den Fuß eines Trägerzahns an. Der Fuß kann in Umfangsrichtung verbreitert ausgeführt sein und sich in Umfangsrichtung zumindest annähernd über das gleiche Winkelsegment wie der Permanentmagnet erstrecken.
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Die Permanentmagnete bestehen beispielsweise aus einem gesinterten Ferrit.
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Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung, der sich ebenfalls auf eine bürstenlose, elektrische Maschine mit einem Stator und einem innenliegenden Rotor bezieht, wobei der Stator Trägerzähne zur Aufnahme bestrombarer Wicklungen aufweist, sind Permanentmagnete im Stator vorgesehen, die zumindest einen Teil eines Trägerzahns bilden. Diese Ausführung hat den Vorteil, das kein zusätzlicher Bauraum im Stator zur Aufnahme der Permanentmagnete erforderlich ist und außerdem auch die Befestigung der Permanentmagnete vereinfacht ist. Desweiteren ist vorteilhaft, das sich die Permanentmagnete radial verhältnismäßig nah bis zum Luftspalt zwischen Stator und Rotor erstrecken, gegebenenfalls grenzen die Permanentmagnete unmittelbar an den Luftspalt an. Aufgrund der verhältnismäßig großen radialen Erstreckung der Permanentmagnete können Magnetmaterialien mit geringer Koerzitivfeldstärke verwendet werden.
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Auch bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführung kann der Rotor einfach aufgebaut sein und ist ohne Kommutierungseinrichtung und damit bürstenlos ausgeführt. Auch ist es nicht erforderlich, Permanentmagnete am Rotor vorzusehen. Es sind lediglich Rotorsegmente aus einem weichmagnetischen Material zum Leiten des Magnetflusses erforderlich. Die Rotorsegmente können in jedem Fall als Lamellenpaket aufgebaut sein, das beispielsweise aus Blech gefertigt ist.
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Es genügt grundsätzlich, das nur jeder zweite Trägerzahn vollständig oder teilweise als Permanentmagnet ausgebildet ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist jeder zweite Trägerzahn als Permanentmagnet ausgebildet und sind die zwischenliegenden Trägerzähne mit einer bestrombaren Wicklung versehen. Die Permanentmagnet-Trägerzähne können ebenfalls mit einer Wicklung versehen sein, die die Funktion hat, die Trägerzähne zu magnetisieren. Die Permanentmagnet-Trägerzähne bestehen beispielsweise aus einem Aluminium-Nickel-Kobalt-Material (Alnico), welches ein verhältnismäßig große Radialerstreckung aufweist, was im Hinblick auf eine unerwünschte Entmagnetisierung vorteilhaft ist. Die Magnetisierung kann nach dem Zusammenbau über die Wicklung erfolgen, die um den betreffenden Trägerzahn gelegt ist.
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Die Permanentmagnet-Trägerzähne können sich entweder unmittelbar bis zum Luftspalt zwischen Stator und Rotor erstrecken oder, gemäß einer alternativen Ausführung, bis zu einem Polschuh, der aus einem magnetisch leitfähigen Material gefertigt ist und an den Luftspalt angrenzt.
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Die Rotorsegmente im Rotor erstrecken sich vorteilhafterweise bei beiden erfindungsgemäßen Ausführungen in Umfangsrichtung über zumindest annähernd zwei Trägerzähne. Die Rotorsegmente überbrücken somit den zwischen benachbarten Trägerzähnen liegenden Wicklungsaufnahmeraum und sind in der Lage, den magnetischen Fluss von einem Trägerzahn zum benachbarten Trägerzahn zu leiten.
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Die Permanentmagnete weisen bevorzugt eine Nord-Süd-Magnetisierung auf, die sich in Radialrichtung erstreckt. Dies gilt sowohl für die schalenförmigen Permanentmagnete als auch für die Permanentmagnet-Trägerzähne.
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Bei einem sich drehenden Rotor werden die Wicklungen phasenverschoben über den alternierenden, positiven bzw. negativen Magnetfluss der Permanentmagnete verkettet. Es gibt drei Phasen bzw. Verkettungen, die um 120° zueinander verschoben sind, wodurch ein konventionelles, dreiphasiges Verkettungsschema wie bei dreiphasigen permanenterregten Synchronmotoren erreicht wird. Bei jeder Geschwindigkeit induziert die alternierende Magnetflussverkettung in jeder Phase eine elektromotorische Kraft (EMF). Die drei EMF-Wellenformen sind ebenfalls zueinander um 120° phasenverschoben, so dass bei einer an die Phasen angepassten Bestromung mit dreiphasigem Wechselstrom ein gleichgerichtetes Drehmoment in der elektrischen Maschine erzeugt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um eine Topologie mit drei Phasen, zwölf Zähnen und acht Rotorsegmenten. Es sind aber auch hiervon abweichende Konfigurationen mit unterschiedlicher Zahnanzahl und Rotorsegmentanzahl möglich, zum Beispiel bei einer Ausführung mit zwölf Zähnen eine Rotorsegmentanzahl von vier, fünf, sieben, acht, zehn oder elf oder ein Vielfaches dieser Kombinationen, zum Beispiel 24 Zähne und zehn Rotorsegmente.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine bürstenlose elektrische Maschine, die als Innenläufer ausgeführt ist, mit einem radial außenliegenden Stator, der radial nach innen einragende Trägerzähne aufweist, sowie einen innenliegenden Rotor, wobei in den Stator Permanentmagnete eingebracht sind,
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2 die elektrische Maschine gemäß 1, mit dem Rotor in einer weitergedrehten Winkellage,
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3 die elektrische Maschine mit eingetragenem Magnetfluss der Permanentmagnete bei unbestromter Wicklung,
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4 eine 3 entsprechende Darstellung, jedoch zusätzlich mit dem Magnetfluss bei erregter Wicklung,
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5 eine den 3 bis 4 entsprechende Darstellung, jedoch mit dem durch Überlagerung entstehenden Gesamtmagnetfluss,
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6 bis 8 den 3 bis 5 entsprechende Darstellungen, jedoch mit veränderter Relativwinkellage zwischen Stator und Rotor,
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9 eine bürstenlose elektrische Maschine in einer Ausführungsvariante, bei der Trägerzähne als Permanentmagnete ausgeführt sind, mit Polschuhen, die unmittelbar an den Spalt zwischen Stator und Rotor angrenzen,
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10 in einer weiteren Ausführungsvariante eine bürstenlose elektrische Maschine ähnlich wie 9, mit Permanentmagnet-Trägerzähnen, die sich bis zum Luftspalt erstrecken.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer bürstenlosen, elektrischen Maschine 1 dargestellt, die als Innenläufer ausgeführt ist und einen außenliegenden Stator 2 sowie einen innenliegenden Rotor 3 aufweist. Der Rotor besteht aus einer Rotorwelle 4, auf die ein Trägerteil 6 aufgesetzt ist, welches Träger von Rotorsegmenten 5 ist. Es sind insgesamt acht Rotorsegmente 5 vorgesehen, die mit R1 bis R8 durchnummeriert sind und unmittelbar an einen Luftspalt 7 zwischen Stator 2 und Rotor 3 angrenzen. Die Rotorsegmente 5 (R1 bis R8) bestehen aus einem weichmagnetischen Material, das in der Lage ist, einen Magnetfluss zu leiten. Das Trägerteil 6 besteht dagegen vorteilhafterweise aus einem nichtmagnetischen bzw. magnetisch isolierendem Material.
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Der Stator weist über den Umfang verteilt eine Reihe von Trägerzähnen 8 auf, die sich jeweils bis zum Luftspalt 7 zwischen Stator und Rotor erstrecken. Jeder zweite Trägerzahn ist Träger einer Wicklung 9, wohingegen die übrigen Trägerzähne frei von Wicklungen sind. Die Trägerzähne 8 sind so zueinander auf Abstand angeordnet, das zwischenliegende Spulenaufnahmeräume 10 gebildet sind.
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Desweiteren ist der Stator 2 Träger von schalenförmigen Permanentmagneten 11, die aus einem gesintertem Ferrit-Material bestehen können. Jeder Permanentmagnet 11 ist radial verhältnismäßig weit außenliegend im Stator 2 angeordnet, jedoch noch mit radialem Abstand zur Außenseite des Stators. Die Permanentmagnete 11 sind jeweils einem Trägerzahn 8 zugeordnet, der seinerseits keine Wicklung trägt. Die betreffenden Trägerzähne 8 weisen eine verbreiterte, radial außen liegende Trägerzahnbasis 12 auf, die sich in Umfangsrichtung zumindest annähernd über das gleiche Winkelsegment Θ (1) erstreckt wie der Permanentmagnet 11. Die Permanentmagnete 11 grenzen unmittelbar an die Trägerzahnbasis 12 an.
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In Umfangrichtung erstreckt sich jeder Permanentmagnet 11 bzw. die Trägerzahnbasis 12 bis über die unmittelbar angrenzenden Spulenaufnahmeräume 10. Die Trägerzähne 8 bestehen vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material und sind somit in der Lage, den magnetischen Fluss der Permanentmagnete 11 zu leiten. Sowohl die Trägerzähne 8 als auch die Rotorsegmente 5 im Rotor können aus einem Blech-Lamellenpaket aufgebaut sein.
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Die Permanentmagnete 11 weisen eine radiale Nord-Süd-Magnetisierung auf, welche in Umfangsrichtung sich bei aufeinanderfolgenden Permanentmagneten abwechselt. Dementsprechend sind die Trägerzähne 8, welche den Permanentmagneten 11 zugeordnet sind, in Umfangsrichtung fortlaufend mit N1, S1, N2, S2, N3 und S3 bezeichnet. Die jeweils zwischenliegenden Trägerzähne 8, die Träger einer Wicklung 9 sind, tragen die Bezeichnungen A1, B1, C1, A2, B2 und C2 entsprechend einem Phasenstrom A, B, C.
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Die Rotorsegmente 5 erstrecken sich jeweils in Umfangsrichtung zumindest annähernd über zwei benachbarte Trägerzähne 8. Dies ermöglicht es, dass die Rotorsegmente den magnetischen Fluss von einem Trägerzahn 8 zum darauffolgenden Trägerzahn leiten.
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In 1 ist der magnetische Fluss anhand der Rotorsegmente R1 und R5 mit gestrichelter Linie dargestellt. Beim Rotorsegment R1 verläuft der magnetische Fluss ausgehend vom Permanentmagneten 11, der unmittelbar an der Basis 12 des Trägerzahns mit der Bezeichnung N1 liegt, durch den Trägerzahn N1 zum Rotorsegment R1 und weiter durch den benachbarten Trägerzahn A1 zur radialen Außenseite des Permanentmagneten 11. Hierbei erfolgt eine Verkettung des Magnetflusses, welcher vom Permanentmagneten 11 ausgeht, in der Wicklung 9; dies wird vorliegend als positive Magnetflussverkettung bezeichnet.
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Das diametral gegenüberliegende Rotorsegment R5 befindet sich an einem Permanentmagneten 11 mit umgekehrter Polarisierung, so dass der Magnetfluss von der radial außenliegenden Seite der schalenförmigen Permanentmagneten 11 durch den Trägerzahn A2 zum Rotorsegment R5 und zurück durch den Trägerzahn S2 zu dem Permanentmagneten 11 geführt ist. In entsprechender Weise wie bei dem Rotorsegment R1 wird auch beim Rotorsegment R5 eine Verkettung des Magnetflusses, welcher vom unmittelbar benachbarten Permanentmagneten 11 ausgeht, in der zugehörigen Wicklung am Trägerzahn A2 erreicht. Da die Wicklung am Trägerzahn A2 eine entgegengesetzte Polarität wie die Wicklung am Trägerzahn A1 aufweist, wird trotz des radial nach innen gerichteten Magnetflusses vom Permanentmagneten 11 ebenfalls eine positive Magnetflussverkettung erzielt. Die Wicklungen an den Trägerzähnen A1 und A2 sind entweder in Reihe oder parallel geschaltet, um jeweils eine positive Magnetflussverkettung in der ersten Phase zu erhalten.
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In 2 ist der Rotor 3 in einer um 30° im Uhrzeigersinn winkelverdrehten Lage dargestellt, bei der das Rotorsegment R1 die Trägerzähne A1 und S1 verbindet. Entsprechend ist das Rotorsegment R5 weitergewandert von seiner ursprünglichen Position zwischen den Trägerzähnen S2 und A2 (1) zu den Trägerzähnen A2 und N3 (2). In dieser Rotorposition verkettet der Magnetfluss des Permanentmagneten am Trägerzahn S1 die Wicklung am Trägerzahn A1; im Bereich der Wicklung am Trägerzahn A1 ist der Magnetfluss radial nach innen gerichtet (negative Magnetflussverkettung). In entsprechender Weise verkettet der Magnetfluss des Permanentmagneten am Trägerzahn N3 die Wicklung am Trägerzahn A2; im Bereich der Wicklung am Trägerzahn A2 ist der Magnetfluss radial nach außen gerichtet. Aufgrund der entgegengesetzten Polarität der Wicklung am Trägerzahn A2 im vergleich zur Wicklung am Trägerzahn A1 handelt es sich ebenfalls um eine negative Magnetflussverkettung. Die Wicklungen an den Trägerzähnen A1 und A2 produzieren somit jeweils eine negative Magnetflussverkettung in der ersten Phase.
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Insgesamt sind über den Umfang verteilt sechs Permanentmagnete 11 und 12 Trägerzähne 8 vorgesehen. Der Rotor 3 weist dagegen gleichmäßig über den Umfang verteilt acht Rotorsegmente 5 auf.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 sind die Permanentmagnete 11 in Stator 2 mit Hilfe nicht-magnetischer Keile aufgenommen.
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In den folgenden 3 bis 8 wird die Funktionsweise der elektrischen Maschine 1 durch das Zusammenwirken der Permanentmagnete 11 mit den erregten Wicklungen 9 erläutert, wobei die 3 bis 5 den Stator 2 und den Rotor 3 in einer ersten Relativlage zueinander zeigen, in der die Rotorsegmente 5 in der Weise angeordnet sind, dass ein Trägerzahn 8, welcher Träger einer Wicklung 9 ist, mittig zwischen zwei benachbarten Rotorsegmenten 5 (im Ausführungsbeispiel: die mit R1 und R2 bezeichneten Rotorsegmente) angeordnet ist. In den 6 bis 8 ist dagegen der Rotor gegenüber dem Stator in einer verdrehten Position gezeigt, in welcher der Trägerzahn 8 mit der Spule 9 mittig zu einem Rotorsegment 5 (im Ausführungsbeispiel: Rotorsegmente R2) ausgerichtet ist.
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In 3 ist der Magnetfluss 15, welcher von den schalenförmigen Permanentmagneten 11 erzeugt wird, dargestellt; die Wicklung 9 ist noch nicht erregt. Der Magnetfluss 15 benachbarter Permanentmagnete 11 verläuft auf Grund der entgegengerichteten Polarität dieser Permanentmagnete in dem Trägerzahn 8, um den die Wicklung 9 gelegt ist, in entgegengesetzte Richtungen. Dargestellt ist der Magnetfluss 15 von den beiden benachbarten Permanentmagneten 11 durch den zwischenliegenden Trägerzahn 8 mit der Wicklung 9 sowie die beiden Rotorsegmente 5, welche mit R1 und R2 gekennzeichnet sind. Der Magnetfluss 15 erzeugt in den Rotorsegmenten R1 und R2 wie dargestellt eine Magnetisierung in Umfangsrichtung mit Südpol S und Nordpol N, wobei im Gegenuhrzeigersinn die Südpole S vor den Nordpolen N liegen. Im zwischenliegenden Trägerzahn 8 findet auf Grund der entgegengesetzt gerichteten Magnetflüsse 15 ein Kompensations- bzw. Auslöschungseffekt statt.
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In 4 ist zusätzlich die Wicklung 9 erregt, die Erregung erfolgt über einen positiven Erregerstrom +Imax. Hierbei entsteht der Wicklungs-Magnetfluss 16, der im Bereich des die Wicklung 9 tragenden Trägerzahnes 8 radial von außen nach innen gerichtet ist. Ein erstes Teilfeld des Wicklungs-Magnetflusses 16 verläuft in dem oberen, benachbarten Trägerzahn 8 entgegengesetzt zu dem Permanent-Magnetfluss 15, wodurch ein Auslöschungseffekt stattfindet. Dieser Auslöschungs- bzw. Kompensationseffekt tritt auch in dem oberen Rotorsegment R1 auf.
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Im zweiten Teilfeld, welches von dem Wicklungs-Magnetfluss 16 erzeugt wird, findet im zweiten Rotorsegment R2 sowie dem unteren Trägerzahn 8 auf Grund einer gleichen Flussrichtung eine Flussverstärkung statt. Diese Flussverstärkung führt, gemäß 5, zu dem dargestellten Gesamtmagnetfluss 17 durch das Rotorsegment R2 und die beiden Trägerzähne 8, welche von dem Rotorsegment R2 verbunden werden und von denen ein Trägerzahn 8 die Wicklung 9 trägt. Im Luftspalt zwischen dem Rotorsegment R2 und dem umgreifenden Stator 2 entsteht eine Anziehungskraft F in Umfangsrichtung, die das Rotorsegment R2 in Richtung des die erregte Spule 9 tragenden Trägerzahns zieht. Die Kraft F führt zu einem Moment um die Rotorachse, so dass der Rotor sich in Pfeilrichtung 18 im Gegenuhrzeigersinn dreht.
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Die 6 bis 8 zeigen eine weitergedrehte Lage zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 der elektrischen Maschine 1, in der das Rotorsegment R2 genau vor dem Trägerzahn 8 mit der Wicklung 9 steht.
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6 zeigt den von den Permanentmagneten 11 ausgehenden Magnetfluss ohne Erregung der Wicklung 9. Im Rotorsegment R2 wird von dem durch die beiden angrenzenden Permanentmagnete 11 vereinigten Magnetfluss 15 eine Süd-Nord-Polarisierung in Umfangsrichtung erzeugt. Durch den Trägerzahn 8 mit der Wicklung 9 verläuft dagegen kein Magnetfluss.
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In 7 ist zusätzlich die Wicklung 9 bestromt, die Bestromung erfolgt jedoch gegenüber den 4 bzw. 5 mit einer entgegengesetzten Stromrichtung mit negativem Strom –Imax. Der durch die erregte Wicklung 9 erzeugte Magnetfluss 16 weist zwei Teilfelder auf, die sich in dem die Wicklung 9 tragenden Trägerzahn 8 vereinen und radial von innen nach außen gerichtet sind. In den angrenzenden Trägerzähnen 8, welche jeweils ohne Wicklung versehen sind, verläuft der Wicklungs-Magnetfluss 16 gleichgerichtet zum Permanent-Magnetfluss 15 (im Trägerzahn 8 oberhalb des die Wicklung 9 tragenden Trägerzahns) bzw. entgegengesetzt gerichtet (im Trägerzahn unterhalb des die Wicklung 9 aufweisenden Trägerzahns). Soweit die Magnetflüsse 15 und 16 von Permanentmagnet 11 bzw. erregter Wicklung 9 gleichgerichtet sind, findet eine Verstärkung statt, die zu dem in 8 dargestellten Gesamtmagnetfluss führt. Bei entgegengesetzter Richtung findet dagegen ein Kompensations- bzw. Auslöschungseffekt statt.
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Der Gesamtmagnetfluss 17 führt, wie 8 zu entnehmen ist, im Luftspalt zwischen dem Rotorsegment R2 und dem Stator 2 zu der Anziehungskraft F, die im Gegenuhrzeigersinn in Umfangsrichtung weist und mit der das Rotorsegment R2 in Richtung des Trägerzahns 8 gezogen wird, der im Gegenuhrzeigersinn auf den Trägerzahn mit der Wicklung 9 folgt. Die Kraft F ist kleiner als bei positiver Bestromung der Wicklung 9 gemäß den 4 bzw. 5.
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Die Erregung in den Wicklungen 9 erfolgt mit dreiphasigem Wechselstrom mit Wellenformen, die beispielsweise sinusförmig, trapezförmig oder rechteckförmig sein können. Bei sinusförmiger Erregung nimmt der Strom abwechselnd das vorbeschriebene positive und negative Maximum Imax ein. In denjenigen Rotorpositionen, in denen diese maximalen Stromamplituden auftreten (4, 5 bzw. 7, 8), wird ein entsprechend hohes, antreibendes Drehmoment erzeugt.
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Die in den 3 bis 5 einerseits und den 6 bis 8 andererseits dargestellten Magnetflüsse treten auf Grund der symmetrischen Anordnung in identischer Weise um 180° versetzt ebenfalls auf. Während eines vollständigen Umlaufes des Rotors erfolgt dies für die drei Stromphasen insgesamt 24 Mal und unter Einbeziehung der winkelverschobenen Lage gemäß den 6 bis 8 insgesamt 48 Mal pro Rotordrehung. Ein antreibendes Moment wird auch in den Zwischenlagen des Rotors zwischen den in den 3 bis 5 einerseits und den in den 6 bis 8 andererseits dargestellten Positionen produziert.
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In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer bürstenlosen, elektrischen Maschine mit einem Stator 2 und einem innenliegenden Rotor 3 dargestellt, der wie beim ersten Ausführungsbeispiel über den Umfang verteilt insgesamt acht Rotorsegmente 5 aus magnetisch leitfähigem Material aufweist, die an einem Trägerteil 6 aus magnetisch isolierendem Material gehalten sind. Das Trägerteil 6 ist fest mit der Rotorwelle 4 verbunden. Die Rotorsegmente 5 grenzen unmittelbar an die Luftspalte 7 zwischen Stator und Rotor an.
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Der Stator 2 ist mit insgesamt zwölf Trägerzähnen 8 versehen, die radial nach innen ragen, wobei jeder zweite Trägerzahn Träger einer bestrombaren Wicklung 9 ist, die sich in die angrenzenden Spulenaufnahmeräume 10 zu beiden Seiten des Trägerzahns hineinerstreckt.
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Jeder zweite Trägerzahn, welcher nicht mit der Wicklung 9 versehen ist, ist als Permanentmagnet 11 ausgebildet mit einer Nord-Süd-Magnetisierung in Radialrichtung. Die Permanentmagnet-Trägerzähne sind mit N1, S1, N2, S2, N3 und S3 bezeichnet. Die zwischenliegenden Trägerzähne, die Träger der Wicklungen 9 sind, weisen die Bezeichnungen A1, B1, C1, A2, B2 und C2 auf.
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Die Permanentmagnet-Trägerzähne besitzen an der radial innenliegenden Seite jeweils einen Polschuh 13, der unmittelbar an den Luftspalt 7 angrenzt. Der Polschuh 13 besteht aus einem magnetisch leitfähigen Material.
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Die Permanentmagnet-Trägerzähne bestehen beispielsweise aus einem Aluminium-Nickel-Kobalt-Material (Alnico) und weisen in Radialrichtung eine verhältnismäßig große Erstreckung auf. Die Magnetisierung der Permanentmagnet-Trägerzähne kann mit Hilfe einer Magnetisierungswicklung 14 nach dem Einbau in die elektrische Maschine erfolgen.
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Die bürstenlose, elektrische Maschine gemäß 10 stellt eine Ausführungsvariante zu 9 dar, wobei gemäß 10 keine Polschuhe an den Permanentmagnet-Trägerzähnen N1, S1, N2, S2, N3 und S3 vorgesehen sind.
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Stattdessen erstrecken sich die Permanentmagnet-Trägerzähne unmittelbar bis zum Luftspalt 7 zwischen Stator 2 und Rotor 3.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011109760 A1 [0002]
