DE102014001023A1

DE102014001023A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102014001023A1
Application number: DE102014001023.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gründl; Bernhard Hoffmann
Original assignee: eMoSys GmbH
Current assignee: eMoSys GmbH
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Eine elektrische Maschine weist einen eisenhaltigen, zumindest annähernd kreiszylindrischen Läufer und einen zumindest annähernd kreiszylindrischen eisenhaltigen Ständer auf. Der Läufer und der Ständer haben jeweils zwei voneinander beabstandete Stirnseiten. Der Ständer weist an wenigstens einer seiner Stirnseiten eine Vielzahl in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise regelmäßig angeordneter Ständerpole auf, die einem Luftspalt zugewandt sind. Der Läufer weist an wenigstens einer seiner Stirnseiten eine Vielzahl in Umfangsrichtung regelmäßig angeordneter Läuferpole auf, die einerseits dem Luftspalt zugewandt sind und andererseits mit einem eisenhaltigen Läuferrückschluss gekoppelt sind. Der Ständer weist wenigstens eine Ständerspule auf, die dazu eingerichtet ist, in zumindest einem Teil der Ständerpole ein magnetisches Feld zu induzieren. Anordnungen mit diesem Aufbau liefern sehr gute Verhältnisse von Kraft zu Gewicht und Kraft zu elektrischen und mechanischen Verlusten bei effizienter Bauraumnutzung.

Description

Einleitung
Nachstehend wird eine elektrische Maschine beschrieben, die zum Beispiel für einen Einsatz in einem Landfahrzeug, als Antrieb in einem Roboterarm oder zur Positionierung z. B. von Werkstücken, Werkzeugen, Maschinenteilen, Förderkörben und dergleichen mehr geeignet und vorgesehen ist. Dabei kann es sich auch um eine elektrische Maschine handeln, die ausschließlich, oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine oder als Hilfsaggregat in dem Fahrzeug (Automobil oder Fahrrad) geeignet und vorgesehen sind.
Hintergrund
Elektrische Maschinen werden in einer Vielzahl von Industrie- und Mobilitätsanwendungen eingesetzt. Bei den meisten dieser Anwendungen ist eine möglichst hohe Effizienz und lange Lebensdauer der Maschine gefordert, ohne dass sich dadurch die Wartungsanforderungen oder das Ausfallrisiko erhöhen. Ein weiteres Bedürfnis besteht nach kleinen, leichten elektrischen Maschinen, die mit niedrigen bis mittleren Drehzahlen oder hohem Drehmoment betrieben werden können, so dass in vielen Fällen auf mechanische Kraftübertragungskomponenten wie Getriebe verzichtet werden kann. Damit kann die elektrische Maschine einfach in die angetriebene Ausrüstung integriert werden. Eine weitere Forderung besteht nach einer guten Eignung zum Betrieb der elektrischen Maschine mit einem Frequenzumrichter.
Neodym-Permanentmagnetwerkstoffe (NdFeB) und die daraus resultierende neue Permanentmagnet-Maschinentechnologie werden zunehmend für Servomotoren genutzt. Permanentmagnet-Maschinen setzen sich derzeit in vielen industriellen Spezialanwendungen wie getriebelosen, langsam laufenden Drehmomentmaschinen zunehmend durch. Allerdings sind die für die Permanentmagnete benötigten Seltenerde-Werkstoffe relativ teuer und sind möglicherweise nur eingeschränkt verfügbar.
Aus der US 2008/0258572 A1 ist eine Reluktanz-Drehmaschine bekannt.
Zugrundeliegendes Problem
Die zu lösende Aufgabe ist eine elektrische Maschine mit kostengünstigem Aufbau, einfacher Herstellung und effizientem, sicherem Betrieb.
Kurzfassung der hier vorgestellten Lösung
Eine elektrische Maschine weist einen ferro- oder ferrimagnetischen, zumindest annähernd kreiszylindrischen Läufer und einen zumindest annähernd kreiszylindrischen eisenhaltigen Ständer auf. Der Läufer und der Ständer haben jeweils zwei voneinander beabstandete Stirnseiten. Der Ständer weist an wenigstens einer seiner Stirnseiten eine Vielzahl in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise regelmäßig angeordneter Ständerpole auf, die einem Luftspalt zugewandt sind. Der Läufer weist an wenigstens einer seiner Stirnseiten eine Vielzahl in Umfangsrichtung regelmäßig angeordneter Läuferpole auf, die einerseits dem Luftspalt zugewandt sind und andererseits mit einem eisenhaltigen Läuferrückschluss gekoppelt sind. Der Ständer weist wenigstens eine Ständerspule auf, die dazu eingerichtet ist, in zumindest einem Teil der Ständerpole ein magnetisches Feld zu induzieren. Anordnungen mit diesem Aufbau liefern sehr gute Verhältnisse von Kraft zu Gewicht und Kraft zu (elektrischen und mechanischen) Verlusten bei effizienter Bauraumnutzung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen, Varianten und Eigenschaften
Die als Reluktanzmaschine ausgebildete elektrische Maschine hat einen einfachen Läuferaufbau aus ferro- bzw ferrimagnetischem Material ohne Leiter (Kurzschlusskäfig, Felderregerwicklung oder dergl.) oder Permanentmagnete. Auch der Ständer ist aus weichmagnetischem Eisen gebildet und hat eine oder mehrere entsprechende Ständerspulen. Eine Reluktanzmaschine erzeugt in ihrem Läufer funktionsbedingt – ähnlich den Läuferverlusten einer permanenterregten Maschine – nur eine sehr geringe Verlustwärme. Im Ständer auftretende Verlustwärme kann ebenfalls relativ einfach auch außen abgeführt werden.
Die Ständerspule des Ständers kann auf unterschiedliche Ebenen oder Scheiben verteilt sein. (Eine „Scheibe” hat dabei einen Ständerpolträger mit den Ständerpolen und einer oder mehreren Ständerspulen sowie einen oder zwei Läufer an einer oder beiden Stirnseiten des Ständers.)
Bei einer elektrischen Maschinen der hier vorgestellten Art, die nach dem Prinzip der magnetischen Reluktanz arbeitet, hat der Läufer in einer Richtung einen möglichst geringen magnetischen Widerstand und in einer anderen Richtung eine hohe magnetische Reluktanz. Das Drehmoment im Motorbetrieb entsteht dadurch, dass der Läufer bestrebt ist, die magnetisch leitfähige Richtung am Ständerfeld auszurichten. Die Höhe des erzeugten Drehmoments ist direkt proportional zum Verhältnis der Induktivitäten der beiden magnetischen Richtungen des Läufers. Ein Nachteil von Reluktanzmaschinen, dass sie im direkten Netzanschluss nicht selbständig anlaufen, ist durch Frequenzumrichter einfach zu überwinden. Ein weiterer Nachteil von Reluktanzmaschinen ist der höhere Strombedarf für das gleiche Drehmoment im Vergleich zu permanentmagnetisch erregten Maschinen, da der Rotor durch den Stator magnetisiert werden muss. Allerdings wird der vom Netz aus betrachtete Leistungsfaktor durch den Stromrichter bestimmt und liegt selbst bei Reluktanzmaschinen nahe bei eins. Reluktanzmaschinen der hier vorgestellten Art haben eine sehr einfach herzustellende Läuferstruktur ohne Magnete und Kurzschlusskäfig, so dass sie sehr robust sind. Zudem entfällt bei Reluktanzmaschinen der hier vorgestellten Art das Risiko eines permanenten Leistungsverlusts durch Entmagnetisierung bei einem Ausfall oder Überhitzung. Reluktanzmaschinen der hier vorgestellten Art sind eigensicher im Betrieb, da durch die fehlenden Permanentmagnete keine elektromotorische Gegenspannung induziert wird. Ein Überspannungsschutz des Umrichters ist daher nicht erforderlich.
Aus der weitgehenden Beseitigung der Läuferverluste und der Läuferstruktur ergeben sich eine Reihe von Vorteilen für diese elektrischen Maschinen und die sie enthaltende Ausrüstung. Eine Maschine mit dieser Technologie kann eine geringe Betriebstemperatur haben. Diese niedrige Betriebstemperatur verlängert die Lebensdauer der Maschinenisolierung und die Lebensdauer bzw. die Schmierintervalle der Lager. Besonders Maschinenlager erfordern eine regelmäßige Wartung. Die geringere Lagertemperatur macht sich unmittelbar durch längere Schmierintervalle, einen geringeren Wartungsaufwand und eine höhere Zuverlässigkeit bemerkbar. Selbst ein Lagertausch ist aufgrund der nicht vorhandenen magnetischen Kräfte, wie sie bei Permanentmagnetmaschinen auftreten sehr einfach. Da Verluste am Läufer im Vergleich zu Ständerverlusten schwer zu kühlen sind, ist die thermische Unempfindlichkeit des Läufers wegen des Fehlens von Permanentmagneten von großem Vorteil. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Wärmeabgabe an benachbarte Teile, besonders in geschlossenen Gehäusen. Da weniger Wärme durch die Maschinenwelle abgeleitet wird, sinkt die Lagertemperatur besonders auf der Antriebsseite. Schließlich haben die Läufer aufgrund des Fehlens von Kurzschlusskäfig und Permanentmagneten eine geringere Trägheit.
Darüber hinaus erlaubt – im Gegensatz zu üblichen Anordnungen, bei denen der Luftspalt an der (Innen- bzw. Außen-)mantelfläche zwischen Läufer und Ständer ausgebildet ist, die stirnseitige Ausbildung des Luftspaltes zwischen Läufer und Ständer eine erheblich effizientere Bauraumnutzung. Das Maß der Kraftbildung in der elektrischen Maschine hängt zum einen von der Fläche des Luftspaltes ab. Die Stirnfläche A_S des Ständers/Läufers hängt quadratisch vom Radius r ab (A_S = pi·r²), während die Mantelfläche A_M des Ständers/Läufers lediglich linear vom Radius und der Zylinderlänge Z_L (A_M = Z_L·2·r·pi) abhängt. Damit und wegen der geringen Bauhöhe in axialer Richtung wird der Bauraum der Maschine deutlich besser ausgenutzt, was den Einfluss der radialen Dimension auf die Drehmomentbildung überwiegt. Daher kann die Fläche des Luftspalts bei stirnseitiger Anordnung relativ größer sein als bei der sonst üblichen Anordnung des Luftspalts am Umfang. Im Übrigen ist bei stirnseitiger Anordnung des Luftspalts dessen Abmessung nennenswert weniger temperaturabhängig, da der Radius des Läufer und des Ständer üblicherweise größer ist als deren axiale Länge. Im Zusammenspiel mit einer ohnehin geringeren Wärmeabgabe als bei anderen Maschinentypen hat dies zur Konsequenz, dass der Luftspalt eine wesentlich geringere Querabmessungen (Abstand zwischen den magnetischen Feldlinienaus/eintrittsflächen des Läufers und des Ständers) haben kann, was wiederum die Kraftbildung der elektrischen Maschine verbessert.
Der Läufer kann für Maschinen mit niedriger Drehzahl aus Massiveisen gebildet sein, und für Maschinen mit höherer Drehzahl aus laminierten Blechen aus weichmagnetischem Stahl oder aus Pulvereisen gebildet sein, die an der Läuferwelle befestigt sind.
Bei Reluktanzmaschinen der hier vorgestellten Art hat der Ständer eine Mehrzahl von dem Läufer zugewandten Zähnen, die mit einzeln (oder gruppenweise) erregbaren Spulen umwickelt sind. Im motorischen Betrieb werden die einzelnen Wicklungen des Ständers unabhängig voneinander mit Strom erregt. Grundsätzlich kann jeder der Ständerzähne einen ihm annähernd gegenüberliegenden Läuferzahn immer nur bis in die ausgerichtete Position hineinziehen. In dieser ausgerichteten Position fluchtet der Läuferzahn vollständig mit dem Ständerzahn. Durch entsprechend zeitlich gesteuertes Bereitstellen der Stromimpulse wird damit eine umlaufende, im Mittel gerichtete Kraft erzeugt.
In einem motorischen Betrieb wird beim Passieren der ausgerichteten Position der vorher eingeschaltete Stromimpuls ausgeschaltet, während in einem generatorischen Betrieb in der bis dahin stromlosen Spule eine Spannung induziert wird. Bei Reluktanzmaschinen der vorgestellten Art werden dabei die Ständerzähne, aber auch die Läuferzähne ständig mit der Polwechselfrequenz ummagnetisiert. Das Material wird dabei nur in einer Richtung magnetisiert, so dass im Gegensatz zu anderen Maschinentypen nur ein Teil der Hystereseschleife betrieblich durchlaufen wird. Dies hat deutlich geringere Ummagnetisierungsverluste zur Folge. Zudem besteht die Möglichkeit, die Magnetisierung nicht bis auf Null abzubauen, was die Hystereseverluste weiter mindert. Das ist möglich, da eine Restmagnetisierung wegen der quadratischen Abhängigkeit bei der Drehmomentbildung nur geringen Einfluss auf das Betriebsverhalten hat. Bei hohen Drehzahlen treten hohe Ummagnetisierungsverluste im Läufer auf. Diese Ummagnetisierungsverluste setzen sich im Wesentlichen aus einem Wirbelstromanteil und einem Hystereseanteil zusammen. Während zumindest ein Teil der Wirbelstromverluste durch einen Stapel-Aufbau aus hinreichend dünnen Blechen zu begrenzen ist, sind die Hystereseverluste nur durch Verwendung von sog. Elektroblechen aus speziellen Legierungen und besonderem kristallinen Aufbau auf einen einigermaßen niedrigen Wert zu begrenzen. Dabei ist auch eine geringere spezifische Leitfähigkeit durch Legierung des weichmagnetischen Materials mit Silizium wünschenswert.
Reluktanzmaschinen der hier vorgestellten Art können eine Ständerpolteilung haben, die kleiner ist als die Läuferpolteilung. Die Ständerwicklung ist nicht aus Einzelwicklungen aufgebaut, die jeweils einem Ständerpol zugeordnet sind, sondern kann als Drehfeldwicklung ausgeführt. Hierzu werden entsprechend der Anzahl der Phasen (zum Beispiel drei) gegeneinander um 360°/2* Anzahl der Phasen (bei drei Phasen also 60°), räumlich am Umfang verschoben Wicklungen in den Nuten zwischen den Ständerpolen untergebracht. Die Wicklungsweite der Wicklungen entspricht dabei etwa der Polteilung des Läufers. Werden diese Ständerwicklungen mit näherungsweise sinusförmigen Strömen gespeist, die ihrerseits zeitlich entsprechend der Anzahl der Phasen (bei drei Phasen also 120°) verschoben sind (Drehstromsystem), erzeugt der Ständer ein magnetisches Drehfeld. Dieses Drehfeld hat einen annähernd sinusförmigen Verlauf der Intensität der Ständererregung. Diese Intensität dreht sich gegenüber dem Ständer, wobei aber das Feld seine Form weitgehend beibehält.
Derartige Drehfeldsysteme können auch mit anderen Phasenzahlen wie 2, 4, 5, 6 und mehr realisiert werden. Ein 6-phasiges System besteht aus 6 Ständerwicklungen, die mit 6 um jeweils 60° gegeneinander zeitlich versetzten Strömen gespeist werden. Bei größerer Phasenzahl wird die oben beschriebene verbleibende Feldmodulation noch weiter verringert.
Weiterhin können Wicklungssysteme und deren Stromeinspeisung zur Erzeugung von nicht sinusförmigen Feldern realisiert werden, die dennoch mit unveränderter Form umlaufen.
Die Ständerpole können auf einer oder auf beiden Seiten eines Ständerpolträgers in jeweils wenigstens zwei zueinander konzentrischen Ringen angeordnet sein. Zwischen jeweils zwei benachbarten Ringen einer Seite des Ständerpolträgers kann zumindest ein Teil wenigstens einer der Ständerspulen aufgenommen sein.
Bei dem Läufer und dem Ständer haben in einer Variante radial weiter innen liegende Läuferpole bzw. Ständerpole zumindest annähernd den gleichen zum jeweiligen Luftspalt hin orientierten Flächeninhalt aufweisen. Außerdem sind Varianten mit einem strukturierten und einem unstrukturierten Luftspalt möglich. Eine weitere Variante hat lediglich einen Ring aus Polen und einen nicht mit Polen strukturiertem ringförmigen Rückschluss mit einem radialen Luftspalt.
Die Ständerspulen überragen in einer Variante der elektrischen Maschine die Ständerpole in Richtung des Luftspaltes nicht. Es ist aber auch möglich, die Spule in den gegenüberliegenden Spalt des Läufers zumindest teilweise eintauchen zu lassen, so dass dieser durch die Ständerspulen (im motorischen Betrieb) unmittelbar mit magnetisiert wird. Dies schafft mehr Platz für die Ständerspulen. Der Verlauf des Magnetfeldes ist hiervon nicht beeinflusst.
Die Ständerspulen mit gleicher Phase als können Teilkreisspulen lediglich einem Teil der Ständerpole auf der jeweiligen Seite des Ständerpolträgers zugeordnet sein, oder als Ringspulen auf einer oder beiden Seiten des Ständerpolträgers der Gesamtheit der Ständerpole auf der jeweiligen Seite zugeordnet sein.
Die elektrische Maschine der hier vorgestellten Art kann als Phasen-Anzahl 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr haben.
Die Ständerpole auf einer Seite des Ständerpolträgers können eine gleiche oder größere oder kleinere Polteilung haben als die ihnen zugewandten Läuferpole, je nachdem, ob die Mehrphasigkeit der elektrischen Maschine in einer oder mehreren Scheiben erzeugt wird. Bei gleicher Polteilung kann die Anzahl der Ständerpole geringer sein als die Anzahl der ihnen zugewandten Läuferpole.
Bei dem Ständer in der Ausführung mit Ständerpolen an seinen beiden Stirnseiten kann Anordnung so getroffen sein, dass die Ständerpole auf einer Seite des Ständerpolträgers relativ zu den Ständerpolen auf der anderen Seite des Ständerpolträgers keinen Versatz in Umfangsrichtung aufweisen.
Bei dem Läufer in der Ausführung mit Läuferpolen an seinen beiden Stirnseiten kann Anordnung so getroffen sein, dass die Läuferpole an einer der Stirnseiten relativ zu den Läuferpolen auf der anderen Seite des Läuferpolträgers in Umfangsrichtung um 1/m·B versetzt angeordnet sind, wobei m die Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine und B die Breite des Läuferpols in Umfangsrichtung ist.
Bei dem Läufer und dem Ständer können radial weiter innen liegende Läuferpole bzw. Ständerpole Stirnflächen haben, die zumindest annähernd den gleichen zum jeweiligen Luftspalt hin orientierten Flächeninhalt aufweisen. Auch eine Ausführung mit einem nicht strukturierten Luftspalt bei den radial weiter innen liegenden Polen ist möglich. Diese Variante bietet weiteren Auslegungspielraum, insbesondere zur Optimierung der Spulen und Wirkflächen.
Jeder Luftspalt zwischen dem Läufer und dem Ständer kann im Mittel im Betrieb eine Querabmessung von annähernd 400–100 μm, vorzugsweise etwa 200 μm haben, und jeder Läufer und Ständer kann eine Planlauftoleranz von annähernd 40–10 μm, vorzugsweise etwa 20 μm aufweisen.
In jedem Luftspalt kann vorzugsweise in langsam laufenden Varianten eine eisenhaltige oder eine dünne nichtmagnetische Scheibe aufgenommen sein, die vorzugsweise eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweist. Die eisenhaltige Variante erlaubt, zur Drehmomenterhöhung den Luftspalt weiter zu reduzieren.
Für jede Phase kann auf beiden Seiten des jeweiligen Ständerpolträgers zwischen zwei zueinander konzentrischen Ringen aus Ständerpolen jeweils eine kreisringzylindrische Ständerspule aufgenommen sein. Auf jeder Seite des jeweiligen Ständerpolträgers kann zwischen jeweils zwei benachbarten Ringen einer Seite des Ständerpolträgers zumindest ein Teil wenigstens einer der Ständerspulen aufgenommen sein.
Die Querschnitte der Ständerpole und/oder der Läuferpole können zum Luftspalt hin kontinuierlich oder gestuft verringert sein.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen dieser elektrischen Maschine werden anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt einen Ständer einer als Reluktanzmaschine gestaltete elektrische Maschine in einer schematischen Draufsicht.
1a zeigt den Ständer aus 1 in einer schematischen Seitenansicht.
2 zeigt einen Läufer einer als Reluktanzmaschine gestaltete elektrische Maschine in einer schematischen Draufsicht.
2a zeigt den Läufer aus 2 in einer schematischen Seitenansicht.
3 zeigt eine zweite Variante einer als Reluktanzmaschine gestaltete elektrische Maschine in einer schematischen seitlichen Schnittansicht.
4 zeigt eine dritte Variante einer als Reluktanzmaschine gestaltete elektrische Maschine in einer schematischen Draufsicht, wobei der Läufer zur besseren Anschaulichkeit des Phasenversatzes radial außerhalb des Ständers dargestellt ist.
5 zeigt Variante der Gestaltung der Läuferpole der Reluktanzmaschine in einer perspektivischen seitlichen Teilansicht.
Detailbeschreibung mehrerer Varianten der elektrischen Maschine
In den Fig. ist eine elektrische Maschine gezeigt, die in einem geschlossenen Gehäuse 10 angeordnet ist. In dem Gehäuse 10 ist die elektrische Maschine 12 in Gestalt einer Reluktanzmaschine mit einem annähernd kreiszylindrischen Läufer 14 und einem annähernd kreiszylindrischen Ständer 16 aufgenommen. Die Details der Reluktanzmaschine sind weiter unten erläutert. Der Ständer 16 ist von dem Läufer 14 durch einen Luftspalt 18 getrennt und hat eine Vielzahl von Ständerspulen 20. Der Läufer 14 und der Ständer 16 sind hier aus gepresstem Pulvereisen oder aus massivem Eisen gebildet; sie können (für höhere Drehzahlanforderungen) auch aus einem Stapel dünner Eisenblechlagen gebildet sein. Der Läufer 14 und der Ständer 16 haben jeweils zwei voneinander beabstandete Stirnseiten 14a, 14b; 16a, 16b. Der Ständer trägt an einer seiner Stirnseiten 16a, 16b eine Vielzahl in Umfangsrichtung regelmäßig angeordneter Ständerpole 16c, die dem Luftspalt 18 zugewandt sind. Auch der Läufer 14 hat an einer seiner Stirnseiten 16a, 16b eine Vielzahl in Umfangsrichtung regelmäßig angeordneter Läuferpole 14c, die einerseits dem Luftspalt 18 zugewandt sind und andererseits mit einem eisenhaltigen Läuferrückschluss 14d gekoppelt sind. der Ständer 16 hat mehrere Ständerspulen 20, U, U*, V, V*, W, W*, die dazu eingerichtet sind, in den jeweiligen Ständerpolen 16c ein magnetisches Feld zu induzieren.
Bei einer Drehbewegung des Läufers 14 ändert sich die Selbstinduktivität einer Ständerspule 20 periodisch zwischen einem kleinsten Wert und einem größten Wert. Das Drehmoment am Läufer ist dem Quadrat des Stromes durch die Ständerspulen 20 proportional, d. h. die Richtung des Drehmomentes ist unabhängig von der Richtung des Stromes in den Ständerspulen 20. Das Vorzeichen des Drehmomentes ist abhängig vom Vorzeichen der Induktivitätsänderung bei Rotation des Läufers 14. Bei steigender Induktivität wird ein positives Drehmoment (Motorbetrieb), bei fallender Induktivität ein negatives Drehmoment (Generatorbetrieb) erzeugt. Eine große Änderung der Induktivität als Funktion der Läuferstellung bewirkt ein großes Drehmoment. Bei einer Drehbewegung des Läufers 14 wird eine Welle 14' in Rotation versetzt.
Bei geringer Drehzahl spielen die Eisenverluste der elektrischen Maschine 12 nur eine geringe Rolle. Dies kann zu einer Erhöhung der Effektivströme in den Polwicklungen genutzt werden und führt damit zu einem hohen zulässigen Dauer-Drehmoment im unteren Drehzahlbereich. Weiterhin entstehen im Betrieb bei kleinen Drehzahlen nur geringe Eisenverluste im Läufer – die Läufererwärmung bleibt gering.
Die elektrische Maschine 12 ist als eine Reluktanzmaschine ausgestaltet, deren Läufer 14 und Ständer 16 mit Nuten 17 versehen sind. Diese elektrische Maschine hat einen sehr einfach aufgebauten, robust zu realisierenden Läufer haben, der geringe magnetische Verluste hervorruft. Der Ständer 16 und der Läufer 14 sind an ihren jeweiligen einander zugewandten Stirnflächen 16a, 14a stark genutet. Dazu haben der Ständer 16 und der Läufer 14 in der in 1 veranschaulichten Variante jeweils eine gleiche Anzahl von Ständerpolen 16c bzw. Läuferpolen 14c. Im veranschaulichten Beispiel der Reluktanzmaschine sind dies sechs Ständerpole 16c und zwei Läuferpole 14c. Für jeweils zwei einander diametral gegenüber liegende Ständerpole sind zugehörende Ständerspulen 20, U, U*, V, V*, W, W* vorgesehen. Die Spulen 20 befinden sich ausschließlich am Ständer 16 und haben im veranschaulichten Drei-Phasensystem die gezeigte Windungsform. Dabei ist für die Ständerspule W* auch noch eine gestrichelt eingezeichnete Variante der Windungsform veranschaulicht.
Ersichtlich sind bei den Reluktanzmaschinen der hier gezeigten Art die Ständerpole 16c auf einer oder beiden Seiten eines Ständerpolträgers 16d in jeweils zwei (oder mehr) zueinander konzentrischen Ringen 16e', 16e'' angeordnet. In den Varianten der 2 und 3 ist zwischen jeweils zwei benachbarten Ringen 16e', 16e'' einer Seite des Ständerpolträgers 16d jeweils einer der Ständerspulen 20 aufgenommen. Ersichtlich überragen dabei die Ständerspulen 20 die Ständerpole 16c in Richtung des jeweiligen Luftspaltes 18 nicht. Vielmehr sind sie vollständig in den durch benachbarte Ständerpole 16c gebildeten Nuten aufgenommen.
Die Variante der 3 hat ersichtlich drei Ständer mit Ständerpolen auf beiden Seiten des jeweiligen Ständerpolträgers, wobei zwischen den drei Ständern jeweils ein Läufer mit Läuferpolen auf beiden Seiten angeordnet ist. An äußeren beiden Enden der Gesamtanordnung aus 3 ist jeweils eine Läuferscheibe angeordnet, die nur an ihrer innenliegenden Stirnfläche mit Läuferpolen ausgestattet ist.
Bei der Variante der 1, 1a, 2, 2a sind die Ständerspulen gleicher Phase U, U*, V, V*, W, W* als Teilkreisspulen auf einer Seite des Ständerpolträgers 16d den jeweiligen Ständerpolen 16c zugeordnet. Bei der Variante der 3 sind die Ständerspulen 20 U, U*, V, V*, W, W* als Ringspulen auf beiden Seiten des Ständerpolträgers 16d den jeweiligen Ständerpolen 16c zugeordnet. Dabei sind die beiden einem Ständerpolträgers 16d zugeordneten Ringspulen einer unterschiedlichen Phase zugeordnet.
Die elektrische Maschine hat bei den hier gezeigten Varianten drei Phasen. Es können jedoch auch als Phasen-Anzahl 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr vorgesehen sein.
Zur Montage der Komponenten der elektrischen Maschine ist zwischen den Ständer je eine (nicht dargestellte) Distanzbuchse mit einem Spannsatz angebracht. Diese nehmen das Drehmoment über Löcher in den Distanzbuchsen mit (nicht dargestellten) Pass-Stiften auf und übertragen es auf die Welle 14'. Damit werden die Ständer nicht mechanisch vorbelastet und eine Verformung wird vermieden. Für die Ständerwicklungen sind (nicht dargestellte) Anschlussleitungen über die Löcher in den Distanzbuchsen mit dem Spannsatz nach außen geführt, wobei jedes zweite Loch für die Passstifte vorgesehen ist. Die beiden Spulen jeder Phase sind in Serie geschaltet, wodurch sechs Spulenanschlüsse entstehen. Die Durchführung der Anschlussleitungen durch das Lager (nicht dargestellt) erfolgt durch 12 entsprechende Nuten in der Welle. Auch hier ist jede zweite Nut für die (nicht dargestellten) Anschlussleitungen vorgesehen. Die restlichen Nuten dienen der Drehmomentübertragung auf eine Drehmomentstütze. In die Drehmomentstütze kann auch eine geordnete Kabelführung und ein Kabelanschluss integriert sein.
Zum Aufbau wird der Ständer 16 mit losen Läuferscheiben 14 auf der zentralen Welle 14' unter Beilage von Distanzblechen montiert, so dass die Querabmessung des Luftspalts 18 festgelegt ist. Anschließend wird das Gehäuse 10 aufgeschoben, (nicht dargestellte) Lager eingesetzt und das Gehäuse 10 punktuell mit dem Ständer verschweißt. Die axiale Toleranz wird ausgemessen über Distanzscheiben im Lagersitz eingestellt.
Eine weitere Variante ist in 4 gezeigt. Hier ist zum besseren Verständnis der Läufer 14 radial außerhalb des Ständers 16 dargestellt. Damit ist der Phasenversatz der Ständerzähne besser zu erkennen. Bei einer nach diesem Prinzip realisierten Maschine wären Läufer 14 und Ständer 16 einander stirnseitig zugewandt (wie bei den 1, 2 und 3). Ersichtlich sind auch hier die Ständerpole in drei Phasen XYZ aufgeteilt, die jeweils eine eigene (hier nicht weiter veranschaulichte) Phasenwicklung haben, von denen zu jedem Zeitpunkt jeweils eine bestromt ist.
Bei einem rechtsdrehenden Läufer wären (i) die Ständerpole 16c der Phase X mit den Läuferpolen 14c ausgerichtet und damit kraftfrei, (ii) die Ständerpole 16c der Phase Y mit den Läuferpolen 14c in einer auflaufenden Zugphase, in der die zugehörige Ständerspule bestromt ist und (iii) die Ständerpole 16c der Phase Z mit den Läuferpolen 14c die in einer ablaufenden Phase, in der die zugehörige Ständerspule stromlos ist.
Die Ständerspulen sind hier ebenfalls zwischen dem inneren und dem äußeren Polring angeordnet. Die Rückführung der Ständerspulen kann in dieser Variante in einer benachbarten Ebene der Ständerträger (wie oben beschrieben) untergebracht sein.
Der Phasenversatz wird bei dieser Variante dadurch realisiert, dass an dem Läufer 14 für jede Phase zehn Läuferpole 14c (insgesamt 31) vorgesehen sind, die entlang des gesamten Umfangs des Läufers (auf seiner Stirnseite) gleich verteilt und gleich breit sind. Beim Ständer 16 sind (auf seiner Stirnseite) entlang des Umfangs 30 Ständerpole 16c angeordnet. Diese Ständerpole 16c sind alle gleich breit. Jeweils im Bereich einer der drei Phasen XYZ sind die Ständerpole 16c gleich verteilt. Wie in 4 veranschaulicht, fluchten in einer Stellung zehn Läuferpole 14c mit den zehn Ständerpolen 16c einer Phase (in 4 diejenigen der Phase X). Da entlang des Umfangs des Ständers 16 ein Ständerpol 16c weniger vorgesehen ist, können die zehn Ständerpole 16c der Phase Y und die zehn Ständerpole 16c der Phase Z jeweils um ein Drittel bzw. zwei Drittel einer Breite eines Ständerpoles 16c in Umfangsrichtung des Ständers 16 versetzt angeordnet sein. Aus dieser Anordnung resultiert bei umlaufender Bestromung der Ständerwicklungen der einzelnen Phasen eine Drehbewegung des Läufers 14. Es versteht sich, dass auch andere Ständer-/Läuferpolzahlen möglich sind.
Ersichtlich haben bei dieser Variante die Ständerpole 16c auf einer Seite des Ständerpolträgers 16d eine gleiche Polteilung haben als die ihnen zugewandten Läuferpole 14c. Dabei ist die Anzahl der Ständerpole 16c um Eins geringer ist als die Anzahl der ihnen zugewandten Läuferpole 14c.
Auch bei dieser Variante kann der Ständer 16 an seinen beiden Stirnseiten 16a, 16b mit Ständerpolen 16c ausgestattet sein. In diesem Fall weisen die Ständerpole 16c auf einer Seite des Ständerpolträgers 16d relativ zu den Ständerpolen 16c auf der anderen Seite des Ständerpolträgers 16d keinen Versatz in Umfangsrichtung auf; d. h. sie fluchten zueinander in axialer Richtung des Ständers.
Bei dem Läufer 14, der an seinen beiden Stirnseiten 14a, 14b mit Läuferpolen 14c ausgestattet ist, sind die Läuferpole 14c an einer der Stirnseiten 14a, 14b relativ zu den Läuferpolen 14c auf der anderen Seite des Läuferpolträgers 14d in Umfangsrichtung um 1/m·B versetzt angeordnet. Dabei ist m die Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine und B die Breite des Läuferpols 14c in Umfangsrichtung U des Läufers.
Auch wenn dies in den Fig. der besseren Übersicht wegen nicht durchgehend so gehalten ist, gibt es Varianten der hier vorgestellten Maschine, bei denen an dem Läufer 14 und dem Ständer 16 radial weiter innen liegende Läuferpole 14c bzw. Ständerpole 16c zumindest annähernd den gleichen zum jeweiligen gemeinsamen Luftspalt 18 hin orientierten Flächeninhalt aufweisen.
Jeder Luftspalt 18 zwischen dem Läufer 14 und dem Ständer 16 hat bei den gezeigten Varianten im Mittel im Betrieb eine Querabmessung von annähernd 200 um. Dazu hat jeder Läufer 14 und Ständer 16 eine Planlauftoleranz von annähernd etwa 20 um.
Zur weiteren Verringerung der Querabmessung des Luftspalts ist in einer weiteren, nicht im Detail veranschaulichten Variante der elektrischen Maschine in jedem Luftspalt 18 zwischen Läufer und Ständer eine eisenhaltige Scheibe 22 aufgenommen ist, die auch noch eine reibungsvermindernde Beschichtung (Polytertrafluourethylen, Siliziumcarbid, oder dergl.) aufweisen kann.
Die Ständerwicklungen für jede Phase auf beiden Seiten des jeweiligen Ständerpolträgers 16d können zum Beispiel in der Variante der 3 zwischen den zwei zueinander konzentrischen Ringen 16e', 16e'' aus Ständerpolen 16c als jeweils kreisringzylindrische Ständerspule 20 ausgestaltet sein.
Außerdem kann zum Beispiel in den Varianten der 1, 2 und 4 auf jeder Seite des jeweiligen Ständerpolträgers 16d zwischen jeweils zwei benachbarten Ringen 16e', 16e'' einer Seite des Ständerpolträgers 16d zumindest ein Teil wenigstens einer der Ständerspulen aufgenommen sein.
Zur besseren Ausnutzung/Konzentrierung des magnetischen Flusses sind in einer weiteren Variante der Querschnitte der Ständerpole 16c und/oder der Läuferpole 14c zum Luftspalt 18 hin verringert. Dies kann dadurch geschehen, dass der Querschnitt der Ständerpole 16c und/oder der Läuferpole 14c zum Luftspalt 18 hin kontinuierlich oder gestuft verringert ist. Dabei ist in der in 5 gezeigten, gestuften Variante in Umfangsrichtung des Läufers 14 jeder einzelne Läuferpol 14c an seinen radial orientierten Seiten auf einer oder beiden Seiten etwa 2% bis etwa 8% seiner Breite in Umfangsrichtung U des Läufers 14 verringert. Diese Stufe hat eine Höhe des etwa 2- bis 20-fachen der Querabmessung des Luftspaltes 18. Entsprechend können die Ständerpole auf der anderen Seite des Luftspalts 18 gestaltet sein.
Die vorstehend beschriebenen Varianten elektrischen Maschinen sowie deren Funktions- und Betriebsaspekte dienen lediglich dem besseren Verständnis ihrer Struktur, Funktionsweise und Eigenschaften; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind teilweise schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Fig. oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen den beschriebenen Vorrichtungen zuzuordnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle offenbarten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0258572 A1 [0004]

Claims

Elektrische Maschine (12), gekennzeichnet durch • einen ferro- bzw ferrimagnetischen zumindest annähernd kreiszylindrischen Läufer (14) und einen zumindest annähernd kreiszylindrischen eisenhaltigen Ständer (16) aufweist, wobei der Läufer (14) und der Ständer (16) jeweils zwei voneinander beabstandete Stirnseiten (14a, 14b; 16a, 16b) haben, wobei • der Ständer (16) an wenigstens einer seiner Stirnseiten (16a, 16b) eine Vielzahl in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise regelmäßig angeordneter Ständerpole (16c) aufweist, die einem Luftspalt (18) zugewandt sind, • der Läufer (14) an wenigstens einer seiner Stirnseiten (16a, 16b) eine Vielzahl in Umfangsrichtung regelmäßig angeordneter Läuferpole (14c) aufweist, die einerseits dem Luftspalt (18) zugewandt sind und andererseits mit einem eisenhaltigen Läuferrückschluss (14d) gekoppelt sind, • der Ständer (16) wenigstens eine Ständerspule (20, U, U*, V, V*, W, W*) aufweist, die dazu eingerichtet ist, in zumindest einem Teil der Ständerpole (16c) ein magnetisches Feld zu induzieren.
Elektrische Maschine (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass • die Ständerpole (16c) auf einer oder beiden Seiten eines Ständerpolträgers (16d) in jeweils wenigstens zwei zueinander konzentrischen Ringen (16e', 16e'') angeordnet sind, oder auf einer oder beiden Seiten eines Ständerpolträgers (16d) ist ein Ring aus Ständerpolen (16c) und ein nicht mit einzelnen Polen strukturierter ringförmiger Rückschluss mit einem radialen Luftspalt angeordnet, und • zwischen jeweils zwei benachbarten Ringen (16e', 16e'') einer Seite des Ständerpolträgers (16d) zumindest ein Teil wenigstens einer der Ständerspulen (20, U, U*, V, V*, W, W*) aufgenommen ist.
Elektrische Maschine (12) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass • die Ständerspulen (20, U, U*, V, V*, W, W*) die Ständerpole (16c) in Richtung des Luftspaltes (18) nicht überragen oder überragen.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die Ständerspulen gleicher Phase (20, U, U*, V, V*, W, W*) als Teilkreisspulen oder als Ringspulen auf einer oder beiden Seiten des Ständerpolträgers (16d) den jeweiligen Ständerpolen (16c) zugeordnet sind.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorherigen Ansprüche die als Phasen-Anzahl 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr hat.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die Ständerpole (16c) auf einer Seite des Ständerpolträgers (16d) eine gleiche, ungleiche, oder größere Polteilung haben als die ihnen zugewandten Läuferpole (14c), und bei gleicher Polteilung die Anzahl der Ständerpole (16c) geringer ist als die Anzahl der ihnen zugewandten Läuferpole (14c).
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • bei dem Ständer (16) in der Ausführung mit Ständerpolen (16c) an seinen beiden Stirnseiten (16a, 16b) die Ständerpole (16c) auf einer Seite des Ständerpolträgers (16d) relativ zu den Ständerpolen (16c) auf der anderen Seite des Ständerpolträgers (16d) keinen Versatz in Umfangsrichtung aufweisen.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • bei dem Läufer (14) in der Ausführung mit Läuferpolen (14c) an seinen beiden Stirnseiten (14a, 14b) die Läuferpole (14c) an einer der Stirnseiten (14a, 14b) relativ zu den Läuferpolen (14c) auf der anderen Seite des Läuferpolträgers (14d) in Umfangsrichtung um 1/m·B versetzt angeordnet sind, wobei m die Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine und B die Breite des Läuferpols (14c) in Umfangsrichtung ist.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • bei dem Läufer (14) und dem Ständer (16) radial weiter innen liegende Läuferpole (14c) bzw. Ständerpole (16c) zumindest annähernd den gleichen zum jeweiligen Luftspalt (18) hin orientierten Flächeninhalt aufweisen.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • jeder Luftspalt (18) zwischen dem Läufer (14) und dem Ständer (16) im Mittel im Betrieb eine Querabmessung von annähernd 400–100 μm, vorzugsweise etwa 200 μm hat, und • jeder Läufer (14) und Ständer (16) eine Planlauftoleranz von annähernd 40–10 μm, vorzugsweise etwa 20 μm aufweist.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • in jedem Luftspalt (18) eine eisenhaltige bzw. unmagnetische dünne Scheibe (22) aufgenommen ist, die vorzugsweise eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweist.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • für jede Phase auf beiden Seiten des jeweiligen Ständerpolträgers (16d) zwischen zwei zueinander konzentrischen Ringen (16e', 16e'') aus Ständerpolen (16c) jeweils eine kreisringzylindrische Ständerspule (20, U, U*, V, V*, W, W*) aufgenommen ist, • auf jeder Seite des jeweiligen Ständerpolträgers (16d) der zwischen jeweils zwei benachbarten Ringen (16e', 16e'') einer Seite des Ständerpolträgers (16d) zumindest ein Teil wenigstens einer der Ständerspulen (20, U, U*, V, V*, W, W*) aufgenommen ist.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die Querschnitte der Ständerpole (16c) und/oder der Läuferpole (14c) zum Luftspalt hin kontinuierlich oder gestuft verringert sind.