DE102015102349A1

DE102015102349A1 - Stator mit toroidaler Statorwicklung

Info

Publication number: DE102015102349A1
Application number: DE102015102349.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Würfel; Ullrich Kreiensen; Giovanni Biancuzzi
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2016-08-25

Abstract

Die Erfindung stellt einen Stator zur Verwendung in einem einphasigen oder mehrphasigen Elektromotor (1) bereit. Der Stator weist einen ringförmigen Statorkern, der aus mehreren Kreissegmenten zusammengesetzt ist, und eine toroidale Statorwicklung (8) auf. Erfindungsgemäß ist an mindestens einer Umfangsfläche der Kreissegmente mindestens ein Leitblech (5a, 5b, 5c) zur Verschaltung der Statorwicklung (8) angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator für einen Elektromotor mit einer toroidalen Statorwicklung, die mehrere Phasenwicklungen umfassen kann. Der Stator ist aus mehreren Kreissegmenten zusammengesetzt, wobei die Phasenwicklungen jeweils in mehrere Wicklungsabschnitte aufgeteilt sein können und über auf den Kreissegmenten angeordnete Leitbleche miteinander elektrisch verbunden werden.
Hintergrund und Stand der Technik
Bei Elektromotoren kommen je nach Nenndrehzahl, erforderlichen Drehmoment und vorhandenem Bauraum verschiedene Designs zum Einsatz. Insbesondere bei schnelldrehenden Motoren kann es von Vorteil sein, toroidale Statorwicklungen zu verwenden, so dass der Stator eine oder mehrere Ringkernspulen umfasst. Dadurch kann erreicht werden, dass eine hohe Nenndrehzahl von einigen 10.000 Umdrehungen pro Minute (rpm) bis über eine Million rpm bei einem relativ großen Drehmoment möglich sind, wobei relativ wenig Wickeldraht für die Statorwicklung verwendet wird. Prinzipiell wird zum Erreichen einer hohen Drehzahl und eines großen Drehmoments ein eher dicker Wickeldraht benötigt. Wird der Wickeldraht dann entlang von Statornuten geführt, kann ein großer Wickelkopf entstehen, der viel Bauraum und viel Material, beispielsweise Kupfer, für den Wickeldraht benötigt. Daher sind solche Elektromotoren häufig relativ groß und teuer in der Herstellung. Ein weiteres Problem bei hohen Drehzahlen ist es, die Wellendynamik unter Kontrolle zu haben. Daher ist es notwendig, die elektrischen Maschinen möglichst kurz zu bauen, was durch einen Stator mit Toroidwicklung ermöglicht wird.
Bei toroidal gewickelten Statoren leistet der außenliegende Wickeldraht zwar keinen Beitrag zur Erzeugung eines Drehmoments, um den Rotor anzutreiben. Jedoch ist es häufig der Fall, dass bei solchen Statoren weniger Material für den Wickeldraht verbraucht wird, als für die Drahtführung zum Führen des Wickeldrahts zwischen verschiedenen Statornuten bei herkömmlichen Elektromotoren benötigt wird. Allerdings ergibt sich das Problem, dass aufgrund der Ringkern-Geometrie das Bewickeln des Stators recht aufwendig ist. Es stellt sich hierbei die Aufgabe, beim Umwickeln des Ringkerns den Wickeldraht automatisiert durch dessen zentrale Öffnung zu führen.
Desweiteren führen die großen Ströme, die zum Erreichen eines großen Drehmoments nötig sind, häufig zu einer magnetischen Sättigung des Statorkerns, beziehungsweise der Polschuhe. In solchen Fällen arbeitet der Elektromotor ineffizient. Ein weiteres Problem herkömmlicher Statoren ist die relativ hohe Wärmebelastung, die aufgrund der großen Ströme durch die Statorwicklung und aufgrund der im Stator hervorgerufenen Wirbelströme entsteht. Diese Schwierigkeiten führen neben der unerwünschten Wärmebelastung zu einem ineffizienten Betrieb sowie zu einem reduzierten maximalen Drehmoment des Elektromotors.
Um zur Verschaltung der Statorwicklung möglichst wenig Wickeldraht zu benötigen, beziehungsweise um den Stator relativ einfach bewickeln zu können, sind im Stand der Technik auch Verschaltungselemente für Statorwicklungen bekannt, die beispielsweise in Form von Stromschienen am Stator angeordnet sind. Diese im Stand der Technik bekannten Verschaltungselemente sind dabei derart am Stator angeordnet, dass sie außerhalb der Statorwicklungen liegen. Der Wickeldraht der Statorwicklung wird dort also nicht um die Verschaltungselemente gewickelt. Beispielsweise sind in der DE 10318816 B4 Verschaltungselemente offenbart, die in axialer Richtung oberhalb der Statorwicklung liegen. Somit benötigt diese Lösung relativ viel Bauraum. Ebenso nimmt ein zusätzlich benötigter Isolierkörper 100 weiteren Bauraum ein. Desweiteren sind zur elektrischen Kontaktierung der Verschaltungselemente relativ lange Kontaktpins, beziehungsweise Drähte, erforderlich. In der DE 10130117 A1 sind ebenfalls solche Verschaltungsstrukturen offenbart, die dort als Stromschienen 92, 94, 96 bezeichnet sind. Diese Stromschienen 92, 94, 96 sind ebenfalls oberhalb der Statorwicklung angebracht und in einem Trägerbauteil 66 gehalten. Somit wird auch in der dort offenbarten Erfindung relativ viel Bauraum zum Bereitstellen der Verschaltungselemente benötigt.
Statoren mit Toroidwicklung sind beispielsweise aus der Publikation von C. Zwyssig, J. W. Kolar, W. Thaler und M. Vohrer „Design of a 100 W, 500000 rpm Permanent-Magnet Generator for Mesoscale Gas Turbines", IEEE Industry Application Conference, 40th IAS Annual Meeting, Conference Record 2.–6. Oct 2005, Vol. 1, pages 253–260 (ISBN 0-7803-9208-6) bekannt.
Es stellt sich für die Erfindung daher die Aufgabe, einen toroidalen Stator bereitzustellen, der möglichst einfach bewickelt und somit kostengünstig hergestellt werden kann. Desweiteren soll der erfindungsgemäße Stator möglichst wenig Bauraum benötigen. Dadurch kann insbesondere auch ein Elektromotor mit hoher Nenndrehzahl bei geringem Platzbedarf bereitgestellt werden. Solch ein Elektromotor soll außerdem möglichst effizient arbeiten und ein möglichst großes Drehmoment ermöglichen.
Die Erfindung stellt nun einen Stator bereit, der in einem einphasigen oder mehrphasigen Elektromotor verwendet werden kann. Der erfindungsgemäße Stator weist einen ringförmigen Statorkern auf, der aus mehreren Kreissegmenten zusammengesetzt ist und mit einer toroidalen Statorwicklung bewickelt ist. Erfindungsgemäß ist an mindestens einer Umfangsfläche der Kreissegmente mindestens ein Leitblech zur elektrischen Verschaltung der Statorwicklung angeordnet. Das mindestens eine Leitblech kann beispielsweise aus Kupfer, Zink, Aluminium oder Messing bestehen. Jedoch sind auch Leitbleche aus anderen elektrisch leitenden Materialien, insbesondere aus anderen Legierungen, möglich.
Die Statorwicklung kann dadurch aus mehreren getrennten Wicklungsabschnitten zusammengesetzt sein. Die Wicklungsabschnitte können dabei mittels des mindestens einen an den Umfangsflächen der Kreissegmente vorgesehenen Leitblechs elektrisch verbunden werden. Beim Wickeln des Wickeldrahts muss der Draht folglich nicht durch die zentrale Öffnung des Ringkerns geführt werden, wodurch der Wickelprozess deutlich einfacher und kostengünstiger zu realisieren ist. Vorzugsweise liegt die Umfangsfläche jeweils auf einer Stirnseite der Kreissegmente.
Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise auf einen Stator, dessen Statorwicklung mindestens zwei Phasenwicklungen umfasst.
Vorzugsweise ist die Statorwicklung derart aus mehreren Wicklungsabschnitten zusammengesetzt, dass mindestens eine Phasenwicklung auf mehrere Wickungsabschnitte aufgeteilt ist, wobei die Wicklungsabschnitte auf verschiedenen Kreissegmenten des Statorkörpers angeordnet sind. Die Wicklungsabschnitte auf den verschiedenen Kreissegmenten können dabei mit jeweils einem oder mehreren Leitblechen elektrisch leitend verbunden sein. Wird beim mechanischen Verbinden der Kreissegmente nun auch eine elektrische Verbindung von Leitblechen verschiedener Kreissegmenten hergestellt, können dadurch die jeweiligen Wicklungsabschnitte einer zu einer Motorphase gehörenden Phasenwicklung verbunden werden.
Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die Anzahl der Kreissegmente der Anzahl der Phasenwicklungen entspricht. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der Stator für einen dreiphasigen Elektromotor verwendet wird und aus drei Kreissegmenten zusammengesetzt ist.
Ebenso ist es bevorzugt, dass jede Phasenwicklung mindestens zwei parallelgeschaltete Phasenteilwicklungen umfasst, wobei mindestens zwei Phasenteilwicklungen einer Phasenwicklung auf verschiedenen Kreissegmenten angeordnet sind. Beispielsweise kann die Statorwicklung eines dreiphasigen Motors derart ausgestaltet sein, dass jede der drei Phasenwicklungen aus zwei parallelgeschalteten Phasenteilwicklungen zusammengesetzt ist, wobei die Phasenteilwicklungen jeweils auf verschiedenen Kreissegmenten angeordnet sind. Dadurch kann die Statorwicklung äquivalent zu einer Diametralwicklung ausgestaltet werden, so dass im Vergleich zu einer asymmetrisch verschalteten Statorwicklung nur sehr kleine Radialkräfte entstehen. Somit ist es mit solch einer Verschaltung der Phasenwicklungen möglich, einen Elektromotor mit besonders großer Laufruhe bereitzustellen. Außerdem verringert sich dadurch sowohl die Geräuschentwicklung als auch der Motorverschleiß. Zusätzlich wird mit solch einer Wicklung die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert, da die elektromagnetische Abstrahlung aufgrund der symmetrischen Wicklungsanordnung reduziert wird.
In alternativen, bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stators ist es vorgesehen, dass jede Phasenwicklung mindestens zwei seriell verbundene Phasenteilwicklungen umfasst, wobei mindestens zwei Phasenteilwicklungen einer Phasenwicklung auf verschiedenen Kreissegmenten angeordnet sind.
Unabhängig von der Verschaltung der Phasenteilwicklungen können in manchen Ausgestaltungen der Erfindung die Phasenwicklungen aus dem Stator herausgeführt und beispielsweise zu einer Dreieckschaltung oder einer Sternschaltung miteinander verbunden sein.
Desweiteren ist es in manchen Ausgestaltungen der Erfindung besonders bevorzugt, dass jeder Wicklungsabschnitt mit mindestens einem Leitblech elektrisch verbunden ist, wobei das Leitblech mit mindestens einem Leitblech eines benachbarten Kreissegmentes elektrisch leitend verbunden ist, so dass die Wicklungsabschnitte durch die Leitbleche elektrisch verbunden werden.
In manchen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Leitblech eines Kreissegments mit Leitblechen der übrigen Kreissegmente derart elektrisch verbunden ist, dass diese Leitbleche zusammen eine umlaufenden Leiterbahn bilden. Mit Hilfe solch einer umlaufenden Leiterbahn kann insbesondere auch ein Mittenabgriff der Phasenwicklungen bereitgestellt werden. Da die Leitbleche sehr flach gehalten werden können, sind daher zum Verbinden des Wickeldrahts mit den Leitblechen keine abstehenden Kontaktpins oder zusätzliche Drahtführungen an den Stirnseiten oder am Außenumfang des Stators nötig, wodurch ein kompakter Stator realisiert werden kann.
Vorzugsweise sind auf jedem Kreissegment an einer Stirnseite zwei konzentrisch angeordnete und voneinander elektrisch getrennte Leitbleche vorhanden. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die beiden Leitbleche eines Kreissegments auf in Umfangsrichtung entgegengesetzten Seiten des Kreissegments mit jeweils einem Leitblech eines benachbarten Kreissegments elektrisch verbindbar sind.
Ebenso ist es besonders bevorzugt, dass die an einer Stirnseite angeordneten Leitbleche zueinander radial beabstandet angeordnet sind.
Desweiteren ist es besonders bevorzugt, dass die an einer Stirnseite eines Kreissegments angeordneten Leitbleche zwei Leitbleche aufweisen, die auf in Umfangsrichtung entgegengesetzten Seiten des Kreissegments mit jeweils einem Leitblech eines benachbarten Kreissegments elektrisch verbindbar sind.
Beispielsweise kann der Stator derart ausgestaltet sein, dass ein in radialer Richtung innenliegendes Leitblech eines Kreissegments mit einem in radialer Richtung außenliegen Leitblech eines benachbarten Kreissegments elektrisch verbindbar ist.
In manchen Ausgestaltungen der Erfindung ist es außerdem bevorzugt, dass auf beiden Stirnseiten des Statorkörpers Leitbleche angeordnet sind. Beispielsweise können auf der einen Stirnseite die Leitbleche zum Kontaktieren und Verbinden der Phasenwicklungen und auf der anderen Stirnseite die Leitbleche zum Bereitstellen eines Mittenabgriffs ausgebildet sein. Der Stator kann beispielsweise drei Kreissegmente und drei Phasenwicklungen aufweisen, wobei jede Phasenwicklung mit einem auf der einen Stirnseite befindlichen Leitblech verbunden ist und wobei diese Leitbleche eine umlaufende Leiterbahn bilden. Die andere Stirnseite kann dann jeweils zwei radial beabstandete Leitbleche aufweisen, die in Umfangsrichtung auf gegenüberliegenden Enden des Kreissegments mit einem entsprechenden Leitblech der benachbarten Kreissegmente elektrisch verbunden sind. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn jeweils ein innenliegendes Leitblech mit einem außenliegenden Leitblech eines benachbarten Kreissegments elektrisch verbunden wird.
Zur elektrischen Kontaktierung der Statorwicklung weist vorzugsweise wenigstens ein Leitblech jedes Kreissegments einen Mittenabgriff auf. Der Mittenabgriff kann beispielsweise jeweils als radial abstehender Fortsatz eines betreffenden Leitblechs ausgebildet sein. Der Mittenabgriff kann dabei nicht nur zur elektrischen Kontaktierung, sondern auch zur mechanischen Befestigung des Wickeldrahts dienen. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der Wickeldraht an den Mittenabgriffen mittels Schweißen oder Löten befestigt wird. Es können jedoch auch andere Befestigungsarten oder Kombinationen verschiedener Befestigungsarten verwendet werden. Beispielsweise kann der Stator so ausgebildet sein, dass der Wickeldraht an gabelförmigen Fortsätzen festgeklemmt und zusätzlich mittels einer Schweißverbindung fixiert wird.
In einigen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung weist wenigstens ein Leitblech jedes Kreissegments eine Kontaktfläche für die Statorwicklung auf, wobei auf der Kontaktfläche ein Ende eines Wicklungsabschnitts befestigt wird. Die Kontaktfläche kann somit zur elektrischen Kontaktierung und/oder zur mechanischen Befestigung des Wicklungsabschnitts verwendet werden. Der Wicklungsdraht kann beispielweise über eine materialschlüssige Verbindung wie Löten oder Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, Laserschweißen oder Widerstandsschweißen, an den Kontaktflächen der Leitbleche befestigt werden. Alternativ oder zusätzlich ist eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung denkbar. Es könnte unter anderem vorgesehen sein, dass der Wickeldraht mittels Ösen, Haken oder anderen Klemmvorrichtungen an den Kontaktflächen festgeklemmt wird. Insbesondere kann solch eine Klemmvorrichtung auch einteilig mit den Leitblechen ausgebildet sein.
Sind auf einer Stirnseite eines Kreissegment zwei oder mehr radial beabstandet angeordnete Leitbleche vorhanden, kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Befestigungsfläche des in radialer Richtung innenliegenden Leitblechs an einem Ende des Kreissegments und der Befestigungsfortsatz des in radialer Richtung außenliegenden Leitblechs am anderen Ende des Kreissegments angeordnet ist.
Die Leitbleche müssen vom elektrisch leitenden Statorkern elektrisch isoliert sein. Dies kann zum Einen dadurch erreicht werden, dass der Statorkern mit einer isolierenden Beschichtung, beispielsweise einem Lack oder einem Harz versehen ist. Da solch eine Beschichtung jedoch üblicherweise sehr dünn ist, ist in einigen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung zwischen dem Statorkern und den Leitblechen eine elektrische Isolation angeordnet. Die elektrische Isolation kann beispielsweise als ein aus Kunststoff bestehendes Spritzgussteil ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Spritzgussteil auch aus zwei Hälften bestehen, wobei eine Hälfte die obere Stirnseite und die andere Hälfte die untere Stirnseite des Statorkerns überdeckt. Die beiden Hälften können dabei an den Seiten des Statorkerns überlappen, so dass dieser vollständig isoliert ist. Um die Isolation besser gegen ein Verrutschen zu sichern, kann der Statorkern Einbuchtungen, beziehungsweise Einkerbungen, aufweisen, in welche die Isolation eingreift. Zum Beispiel können in axialer Richtung des Statorkerns verlaufende Einbuchtungen ein Verrutschen in Umfangsrichtung des Statorkörpers unterbinden.
Vorzugsweise wird die Statorwicklung nicht nur um den Statorkern, sondern auch um die elektrische Isolation und die Leitbleche gewickelt. Damit der Wickeldraht der Statorwicklung die Leitbleche nur an den dafür vorhergesehenen Stellen elektrisch kontaktieren kann, muss dafür gesorgt werden, dass die Statorwicklung von den Leitblechen elektrisch isoliert angeordnet ist. Dieses Ziel kann auf mehreren Wegen erreicht werden. Allgemein kann es vorgesehen sein, dass die Wicklung mit Abstand zu den Leitblechen angeordnet ist, so dass eine elektrische Kontaktierung vermieden wird. Beispielsweise können die Leitbleche in Vertiefungen innerhalb der elektrischen Isolation liegen, so dass beim Umwickeln der Isolation kein Kontakt zwischen den Leitblechen und dem Wickeldraht entstehen kann. Alternativ oder zusätzlich können die Leitbleche umspritzt werden, so dass eine zusätzliche Isolierschicht zwischen den Leitblechen und dem Wickeldraht entsteht. Der gleiche Effekt kann auch dadurch erzielt werden, dass zwischen Leitblechen und Wickeldraht eine isolierende Folie angeordnet wird. Die isolierende Folie kann beispielsweise eine Kunststofffolie sein, etwa eine Kaptonfolie. Eine weitere Option im Sinne der Erfindung ist es, die Leitbleche mit einem isolierenden Deckel zu überdecken. Der Deckel kann dann beispielsweise an der Isolation des Statorkerns befestigt werden. Die elektrische Isolation der Leitbleche von dem Wickeldraht kann selbstverständlich auch mittels einer Kombination der erwähnten Möglichkeiten realisiert werden. Zusammenfassend ist also in einigen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung zwischen den Leitblechen und der Statorwicklung eine zusätzliche elektrische Isolation angeordnet.
Je nach Ausgestaltung der Erfindung, beziehungsweise je nach Herstellungsprozess des erfindungsgemäßen Stators, kann es vorteilhaft sein, die Leitbleche an den Stirnseiten des Statorkörpers zu befestigen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Leitbleche fest auf der elektrischen Isolation des Statorkörpers angebracht werden. Somit können diese beispielsweise ortsfest gehalten werden, während eine Isolationsschicht aufgespritzt wird. Die Befestigung kann beispielsweise durch Verkleben, Heißverstemmen, Ultraschall- oder Laserschweißen, ein Clip-System, Verschrauben, Vernieten oder auf beliebige andere Art und Weise erfolgen. Zur Realisierung eines Clip-Systems kann die Isolation des Statorkörpers beispielsweise Vertiefungen mit einem Hinterschnitt aufweisen. Die Leitbleche können dann in die Vertiefungen eingepresst werden, wobei sie in diesem Zustand durch den Hinterschnitt festgehalten werden.
Zum Ansteuern der Phasenwicklungen müssen diese mit einer Motorsteuerung verbunden werden. Zu diesem Zweck kann es vorgesehen sein, dass entsprechende Anschlüsse mit den Leitblechen des erfindungsgemäßen Stators verbunden sind und aus dem Stator herausgeführt werden. Vorzugsweise weist dazu mindestens ein Leitblech ein Kontaktterminal auf, über das die Statorwicklung mit einer Motorsteuerung elektrisch leitend verbunden werden kann. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Kontaktterminal in Umfangsrichtung an einem Ende des Leitblechs angeordnet ist. Bei einem dreiphasigen Motor können beispielsweise an drei Leitblechen jeweils ein Kontaktterminal ausgebildet sein.
In manchen besonders bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist das mindestens eine Kontaktterminal einteilig mit dem Leitblech ausgebildet. Beispielsweise können ein oder mehrere Leitbleche an mindestens einem Ende umgebogen sein. Diese umgebogenen Enden können dann aus dem Stator herausgeführt und mit einer Motorsteuerung, beispielsweise einer Brückenschaltung, verbunden werden. Insbesondere können die Kontaktterminals auch so beschaffen sein, dass diese nach einem Umgießen oder Umspritzen des Stators über die Vergussmasse, beziehungsweise das Spritzgussmaterial, überstehen.
Zum Verbinden der Kreissegmente untereinander sind vor allem formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindungen vorteilhaft. Solchen Verbindungen können einen festen Halt der Kreissegmente gewährleisten und gleichzeitig eine schnelle Montage ermöglichen. Zusätzlich oder alternativ sind aber auch materialschlüssige Verbindungsarten möglich. Es ist bevorzugt, dass die Kreissegmente in Umfangsrichtung jeweils an ihrem einen Ende einen Verbindungsvorsprung aufweisen und an ihrem anderen Ende jeweils eine Aussparung aufweisen. Beim Zusammenfügen der Kreissegmente kann dann jeweils ein Verbindungsvorsprung mit einer Aussparung eines benachbarten Kreissegments in Eingriff gebracht werden. Der Verbindungsvorsprung und die Aussparung können beispielsweise einen Schnappverschluss aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass der Verbindungsvorsprung durch das Anbringen des Verriegelungselements eine Kraft auf das benachbarte Kreissegment ausübt, so dass eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt wird. Beispielsweise kann der Verbindungsvorsprung derart mit dem Verrieglungselement zusammenwirken, dass das Verriegelungselement eine Oberfläche des Verbindungsvorsprungs gegen eine Oberfläche der Aussparung des benachbarten Kreissegments drückt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Verbindungsvorsprung jeweils eine in axialer Richtung des Stators verlaufende Bohrung aufweist und dass die Aussparung ebenfalls eine entsprechende Bohrung aufweist, so dass die Verbindung zweier benachbarter Kreissegmente mittels eines in die Bohrungen eingeführten Verriegelungselements verriegelt werden kann. Das Verriegelungselement kann etwa ein einfacher Stab oder eine Schraube sein.
Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Stator in einem Elektromotor verwendet, insbesondere in einem bürstenlosen Gleichstrommotor. Ein Elektromotor mit erfindungsgemäßem Stator kann beispielsweise mit Phasenströmen bis zu 1000 A, insbesondere im Bereich von 100 A bis 500 A, betrieben werden. Der Statorkern kann dann beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 2 cm bis 30 cm aufweisen und mit 4 bis 30 Windungen pro Phase umwickelt werden. Dabei kann der Wickeldraht als Litze aus mehreren Einzeldrähten ausgeführt sein, wobei eine Litze typischerweise aus etwa 8 bis 1000 Einzeldrähten besteht und einen Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 6 mm aufweist. Ein Einzeldraht weist dann üblicherweise einen Durchmesser von 0,1 mm bis 0,5 mm auf. Mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Stator kann insbesondere auch ein Elektromotor bereitgestellt werden, der mit einer hohen Nenndrehzahl, die beispielsweise im Bereich von 3·10⁴ rpm bis zu 1·10⁶ rpm liegt, betrieben wird. Insbesondere im Falle eines Elektromotors, dessen Motorphasen jeweils durch zwei oder mehr parallelgeschalteten Phasenwicklungen des Stators gegeben sind, kann ein besonders ruhig laufender Elektromotor bereitgestellt werden. In solchen Motoren ist es besonders bevorzugt, wenn der Rotormagnet ein Polpaar aufweist.
Ein Elektromotor mit erfindungsgemäßen Stator kann unter anderem als Industriemotor, beispielsweise in Webmaschinen, verwendet werden. Ebenso kann die Anwendung einen Elektromotor eines Turboladers in einem Automobil betreffen. Bei einem Turbolader wird durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eine Turbine angetrieben, die zusammen mit einem Verdichterrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist. Somit versetzt das rotierende Turbinenrad auch das Verdichterrad in Rotation, womit die Luft im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors verdichtet werden kann. Dadurch kann der Verbrennungsmotor eine höhere Leistung erreichen. Da dieses Konzept jedoch nur bei genügend großem Abgasstrom funktioniert, tritt bei kleinen Drehzahlen des Verbrennungsmotors, also bei geringem Abgasstrom, ein sogenanntes Turboloch auf. Um dieses Turboloch zu schließen, kann der Elektromotor das Verdichterrad antreiben, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors niedrig ist.
Die Erfindung stellt somit einen Stator bereit, der zur Verwendung in einem Elektromotor mit hoher Drehzahl verwendet werden kann. Durch den erfindungsgemäßen Stator kann dabei ein sehr ruhiger Lauf des Elektromotors ermöglicht werden. Desweiteren benötigt der Stator aufgrund der toroidalen Wicklung relativ wenig Wickeldraht. Der Stator auch bei einer Aufteilung des zu einer Motorphase gehörenden Wickeldrahts auf mehrere getrennte Wicklungsabschnitte, die um verschiedene Kreissegmente des Statorkerns gewickelt sind, relativ einfach bewickelt werden. Dies wird insbesondere durch die durch die Leitbleche bereitgestellte Verschaltungsstruktur ermöglicht, mittels derer die Wicklungsabschnitte elektrisch verbunden und kontaktiert werden können. Aufgrund der unabhängig voneinander zu bewickelnden Kreissegmente kann der Wickeldraht auch mittels eines normalen Rundwicklers, oder einer ähnlichen Wickelmaschine, auf den Stator aufgebracht werden. Dadurch kann der Stator besonders kostengünstig hergestellt werden kann.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die Merkmale und zahlreichen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich am besten anhand einer detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren erläutern, in denen:
1 einen Schnitt durch einen Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen Stator zeigt;
2 eine teilweise explodierte, perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stators zeigt;
3 eine Draufsicht auf die untere Stirnseite eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stators zeigt;
4 eine Draufsicht auf die untere Stirnseite eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stators in unbewickeltem Zustand zeigt;
5 eine Draufsicht auf die obere Stirnseite eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stators in unbewickeltem Zustand zeigt;
6 eine schematische Darstellung der elektrischen Verschaltung der Phasenwicklungen zeigt;
7 eine Draufsicht auf eine Stirnseite des Statorkerns für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stators zeigt;
8 eine Detailansicht des Ausschnitts X aus der 7 zeigt;
9 eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrischen Verschaltung und Ansteuerung der Motorphasen bei einem Elektromotor mit erfindungsgemäßem Stator zeigt.
Die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sollen die Erfindung nicht beschränken. Der Schutzumfang ergibt sich aus den nachfolgenden Ansprüchen.
1 zeigt einen beispielhaften Elektromotor 1 mit erfindungsgemäßem Stator 2. Der Stator 2 ist als Ringkernstator mit toroidaler Wicklung ausgeführt, wobei dessen Statorkern 2a aus mehreren Kreissegmenten 4 besteht. Jedes Kreissegment 4 hat an seiner oberen Stirnseite 4a ein Leitblech 5a und an seiner unteren Stirnseite 4b zwei Leitbleche 5b, 5c. Die Leitbleche 5a, 5b, 5c bestehen beispielsweise aus Kupfer, Zink, Aluminium, Messing oder einem anderen elektrisch gut leitenden Material. Der Kern jedes Kreissegments 4 des Statorkerns 2a besteht aus einem Statorblechpaket 6, das aus einzelnen gestanzten Statorblechen zusammengesetzt ist. Um diese Statorblechpakete 6 herum ist eine elektrische Isolation 7 angebracht, beispielsweise ein Spritzgussteil aus Kunststoff Die Isolation 7 weist Ausnehmungen auf, in denen die Leitbleche 5a, 5b, 5c angeordnet sind. Um die Isolation 7 der einzelnen Kreissegmente 4 ist der Wickeldraht der Statorwicklung 8 gewickelt. Die zusammengesetzten und bewickelten Kreissegmente 4 sind im Beispiel zusätzlich mit einer isolierenden Vergussmasse 9 umgossen, so dass der dadurch gebildete Stator 2 sicher elektrisch isoliert und vor mechanischen Krafteinwirkungen geschützt ist. Es kann in diesem Zusammenhang auch vorteilhaft sein, wenn die Vergussmasse 9 thermisch gut leitend ist, so dass im Stator 2 entstehende Wärme möglichst effizient abgeleitet werden kann. Üblicherweise sind der Wickeldraht der Statorwicklung 8 und die Statorblechpakete 6 jeweils von einer dünnen isolierenden Schicht umgeben, so dass eine zusätzliche Isolation 7 nicht unbedingt erforderlich ist.
In einer zentralen Ausnehmung des Stators 2 ist ein Rotormagnet 3 angeordnet, der mit einer konzentrisch angeordneten Welle 10 verbunden ist. Die Welle 10 ist durch zwei in axialer Richtung beabstandete Kugellager 11a, 11b drehgelagert, so dass an dem herausgeführten Abtrieb 12 ein Drehmoment bereitgestellt werden kann. Der in 1 gezeigte Elektromotor 1 ist für hohe Drehzahlen im Bereich von 40.000 rpm bis 140.000 rpm ausgelegt, so dass ein ruhiger Lauf des Elektromotors 1 wichtig ist. Beispielsweise kann es zum Erhöhen der Laufruhe vorgesehen sein, dass am Rotormagneten 3 Wuchtelemente vorgesehen sind. Desweiteren weist der Elektromotor 1 als O-Ringe ausgestaltete Dämpfungselemente 16 auf, so dass unter anderem die in den Lagern 11a und 11b übertragenen Schwingungen gedämpft werden. Das Gehäuse des Elektromotors 1 umfasst ein Gehäuseteil 18, in dem die Kugellager 11a, 11b angeordnet sind, sowie einen weiteren Gehäuseteil 19, in dem der Stator und der Rotormagnet angeordnet sind. Dabei werden die Kugellager 11a, 11b zusätzlich durch einen Abdeckring 20 gehalten, während das Gehäuseteil 19 mittels eines Deckels 21 verschlossen wird.
Die folgenden 2 bis 8 zeigen verschiedene Ansichten eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stators 2 mit einem aus drei Kreissegmenten 4 bestehenden Statorkern 2a. Die Statorwicklung ist dementsprechend in drei Wicklungsabschnitte A, B, C unterteilt, wobei die beiden Enden jedes Wicklungsabschnitts A, B, C jeweils auf den Leitblechen 5b, 5c der unteren Stirnseite 4b eines Kreissegments 4 befestigt und elektrisch mit diesen verbunden sind. Auf der oberen Stirnseite 4a eines Kreissegments 4 ist jeder Wicklungsabschnitt A, B, C jeweils mit dem Mittenabgriff 30 des entsprechenden Leitblechs 5c elektrisch verbunden und an diesem befestigt. Der in den 2 bis 8 dargestellte Stator 2 kann beispielsweise in dem in 1 gezeigten Elektromotor 1 verwendet werden. Der Übersicht wegen ist in diesen Figuren die Vergussmasse 8 nicht dargestellt.
In 2 ist nun eine teilweise explodierte, perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stators 2 gezeigt. Im Beispiel der 2 ist auch die Aufteilung des Statorkerns 2a auf drei Kreissegmente 4 gut zu erkennen. Die Kreissegmente 4 sind jeweils von einer Isolation 7 umgeben, die auf der oberen Stirnseite 4a eine Ausnehmung zum Anordnen der Leitblech 5a aufweist. Die Leitbleche 5a auf dieser oberen Stirnseite 4a haben an ihrem äußeren Umfang einen V-förmigen Vorsprung, der jeweils einen elektrischen Kontakt mit dem Wickeldraht herstellt und einen Mittenabgriff 30 des Wicklungsabschnitts A, B, C des betreffenden Kreissegments 4 bereitstellt. Dazu wird der Wickeldraht des jeweiligen Wicklungsabschnitts A, B, C zwischen den beiden Schenkeln des V-förmigen Vorsprungs (Mittenabgriff 30) durchgeführt. Der Wickeldraht kann nun jeweils mittels einer Klemmverbindung und/oder einer Schweiß- oder Lötverbindung an dem Mittenabgriff 30 der Leitbleche 5a befestigt werden.
Die Kreissegmente 4 weisen an ihren zueinander zugewandten Seitenflächen jeweils am einen Ende einen Befestigungsvorsprung 22 und am anderen Ende eine entsprechende Ausnehmung 23 auf. Der Befestigungsvorsprung 22 hat im Beispiel eine in axialer Richtung des Stators 2 verlaufende Bohrung 24. Desweiteren ist der Befestigungsvorsprung 22 durch einen Schlitz 32 (siehe 8) in eine radial innenliegende und eine radial außenliegende Hälfte geteilt. Der Befestigungsvorsprung 22 wird nun in die Ausnehmung 23 eines benachbarten Kreissegments 4 eingebracht, wodurch die beiden Kreissegmente 4 verbunden werden. Zur Verriegelung kann ein Stift oder ein anderes Verriegelungselement 28 über eine weitere Bohrung 26, die von der oberen Stirnseite 4a zur Ausnehmung 23 verläuft, in die Bohrung 24 des Befestigungsvorsprung 22 eingeführt werden. Dabei werden die beiden Hälften der Befestigungsvorsprung 22 auseinander gedrückt, wodurch eine feste kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Kreissegmenten 4 entsteht. Das Verriegelungselement 28 ragt dabei leicht über die Bohrung 26 hinaus, so dass eine Entriegelung der Verbindung ausgeschlossen ist. Somit kann eine stabile Verbindung der Kreissegmente 4 untereinander geschaffen werden, die nur sehr geringe Toleranzen mit sich bringt.
3 zeigt eine Draufsicht auf die untere Stirnseite 4b der Kreissegmente 4. Dort sind jeweils 2 konzentrisch und radial beabstandet angeordnete Leitbleche 5b, 5c angeordnet. Die Leitbleche 5b, 5c sind wiederum in Vertiefungen der Isolation 7 der Kreissegmente 4 befestigt, so dass ein Abstand zwischen den Leitblechen 5b, 5c und dem Wickeldraht verbleibt. Beispielsweise liegt der Abstand zwischen den Leitblechen 5a, 5b, 5c und dem Wickeldraht im Bereich von 0,2 mm bis 1 mm, so dass der Zwischenraum jeweils mit einer zusätzlichen, in 1 dargestellten, elektrischen Isolation 17a, 17b, 17c gefüllt werden kann. Es kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass die Leitbleche 5a, 5b, 5c mit einer isolierenden Folie, einem Kunststoffdeckel oder einer Spritzgussmasse bedeckt werden, bevor die Kreissegmente 4 mit dem Wickeldraht umwickelt werden. Als isolierende Folie kann beispielsweise eine Kaptonfolie verwendet werden.
Die Enden des Wickeldrahts jedes Wicklungsabschnitts A, B, C werden jeweils an einem Ende eines innenliegenden Leitblechs 5b und einem Ende eines außenliegenden Leitblechs 5c befestigt und elektrisch kontaktiert, wobei die Leitbleche 5b, 5c auf der unteren Stirnseite 4a eines Kreissegments 4 angeordnet sind. Dazu weisen die Leitbleche 5b, 5c an jeweils einem Ende eine Befestigungsfläche 36 auf, an welcher der Wickeldraht beispielsweise angeschweißt oder angelötet werden kann. Dadurch ist auch ein sicherer elektrischer Kontakt gewährleistet. An dem Ende der außenliegenden Leitbleche 5c, an dem keine Befestigungsfläche 36 vorhanden ist, ist jeweils ein Kontaktterminal 38 ausgestaltet, das in axialer Richtung absteht. Werden die Leitbleche 5a, 5b, 5c nun mit einer Vergussmasse 9 umgossen, stehen die Kontaktterminals 38 über die Vergussmasse über, so dass die Statorwicklung von außen elektrisch kontaktierbar bleibt. Im Beispiel sind die Kontaktterminals 38 einteilig mit den Leitblechen 5c ausgebildet. Die Leitbleche 5c können dazu an dem entsprechenden Ende um 90° umgebogen werden. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die Kontaktterminals 38 über eine materialschlüssige Verbindung, wie Löten oder Schweißen, mit den Leitblechen 5c verbunden werden. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass die Kontaktterminals 38 über eine Schraub- oder Steckverbindung mit den Leitblechen 5c verbunden werden. Umfasst der erfindungsgemäße Stator 2 mehr Kreissegmente 4 als Motorphasen, kann es auch vorgesehen sein, dass nicht alle Leitbleche 5c ein Kontaktterminal 38 aufweisen. Umgekehrt kamt es in manchen Fällen auch vorteilhaft sein, wenn ein Leitblech 5a, 5b, 5c mehrere Kontaktterminals 38 aufweist. Es kann auch vorgesehen sein, dass mindestens ein Leitblech 5a auf der oberen Stirnseite 4a des Stators 2 ein Kontaktterminal aufweist, so dass das elektrische Potential des Mittenabgriffs 30 nach außen geführt werden kann.
In den 4 und 5 ist eine Draufsicht auf die untere Stirnseite 4b und die obere Stirnseite 4a der zusammengefügten und unbewickelten Kreissegmente 4 gezeigt. Die Leitbleche 5a, 5b und 5c sind in dieser Darstellung wieder ohne eine gegenüber dem Wickeldraht elektrisch isolierende Abdeckung gezeigt. In 4 ist gut zu erkennen, dass jeweils ein radial innen liegendes Leitblech 5b mit einem radial außen liegenden Leitblech 5c verbunden ist. Dazu sind die Leitbleche 5b, 5c jeweils an einem Ende umgebogen, so dass sich dort Kontaktflächen 39, 40 bilden (siehe auch 3). Dabei liegen sich beim Verbinden der Kreissegmente 4 immer eine Kontaktfläche 39 und eine Kontaktfläche 40 gegenüber, wobei eine Kontaktfläche 39 zu einem innenliegenden Leitblech 5b und eine Kontaktfläche 40 zu einem außenliegenden Leitblech 5c gehört. Beim Verbinden der Kreissegmente 4 werden die Kontaktflächen 39 und 40 dann aneinander gepresst und zusätzlich miteinander verschweißt oder gelötet. Dadurch kann eine sichere elektrische Verbindung bereitgestellt werden. Am anderen Ende der Leitbleche 5b, 5c befindet sich jeweils ein Kontaktterminal 38. Somit umfasst der Stator mit seinen drei Kreissegmenten 4 drei Kontaktterminals 38, über die alle drei Phasenwicklungen des 3-phasigen Elektromotors 1 angesteuert werden können.
Insbesondere in 5 sind auch die Verbindung der Kreissegmente 4 untereinander mittels des als Stab ausgebildeten Verriegelungselements 28 und der Bohrung 26 zu erkennen. Ebenso sind die oberen Leitbleche 5a mit V-förmigen Fortsätzen als Mittenabgriffe 30 für den Wickeldraht zu sehen. Die Leitbleche 5a bilden eine umlaufende Leiterbahn. Elektrisch verbunden werden die einzelnen Leitbleche 5a wiederum über durch umgebogenen Ränder der Leitbleche 5a bereitgestellten Kontaktflächen 41, 42 (siehe auch 2). Beim Verbinden der Kreissegmente 4 wird jeweils eine Kontaktstelle 41 an eine Kontaktstelle 42 gepresst, so dass mittels einer Löt- oder Schweißverbindung ein sicherer elektrischer Kontakt zwischen den Leitblechen 5a hergestellt werden kann. Damit die Bohrung 26 zugänglich bleibt, ist an den Kontaktstellen 42 eine Aussparung vorhanden.
Die elektrische Verbindung der Leitbleche 5a, 5b, 5c unterschiedlicher Kreissegmente kann alternativ auch auf andere Art und Weise umgesetzt sein. Beispielsweise könnten an der Isolation 7 entsprechende Kopplungsstücke befestigt sein.
In der 6 ist schematisch dargestellt, wie die Leitbleche 5a, 5b und 5c des zuvor gezeigten Ausführungsbeispiels des Stators 2 elektrisch miteinander verbunden sind. Dazu sind schematisch die miteinander elektrisch verbundenen Leitbleche 5a und 5b benachbarter Kreissegmente 4 als durchgehende Linie dargestellt. Dabei entspricht der Wechsel von einem größerem zu einem kleineren Radius der Verbindungsstelle eines Leitbleches 5b mit einem Leitblech 5a eines benachbarten Kreissegments 4. An den Kontaktflächen 36 ist der Wicklungsabschnitt A, B, C eines Kreissegments 4 jeweils mit den Leitblechen 5b, 5c verbunden. Ebenso ist die Verbindung der Wicklungsabschnitte A, B, C mit jeweils einem Mittenabgriff 30 der Leitbleche 5c gezeigt. Da die Leitbleche 5c zu einem gemeinsamen Mittenabgriff CT verbunden sind, ist jede durch ein Spulensymbol dargestellte Phasenteilwicklung U1, U2; V1, V2, W1, W2 auch mit dem gemeinsamen Mittenabgriff CT verbunden.
Die mechanische Verbindung der Kreissegmente 4 ist in den 7 und 8 nochmals im Detail dargestellt. 7 zeigt die zusammengesetzten Kreissegmente 4, wobei nur der Statorkern ohne Leitbleche 5a, 5b, 5c, Isolation 7 und Statorwicklung 8 zu sehen sind. Der Ausschnitt X aus 7 ist nochmals in 8 vergrößert dargestellt. In der Bohrung 24 des Befestigungsvorsprungs 22 ist das Verriegelungselement 28 eingebracht. Die durch den Schlitz 32 geteilten Hälften des Befestigungsvorsprungs 22 werden durch das Verriegelungselement 28 auseinander und gegen die Oberfläche der Ausnehmung 23 gedrückt, wodurch eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt wird. In dieser vergrößerten Darstellung ist auch eine Ausbuchtung 34 an jeder Hälfte des Befestigungsvorsprungs 22 zusehen, die in eine entsprechende Einbuchtung an der Oberfläche der Ausnehmung 23 greift. Dadurch wird zusätzliche eine formschlüssige Verbindung zwischen jeweils zwei Kreissegmenten 4 erreicht.
Das in den 1 bis 8 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stators ist zur Verwendung in einem 3-phasigen, bürstenlosen Elektromotor geeignet. In der 9 ist eine beispielhafte Ansteuerung mittels einer H6-Brückenschaltung 50 mit einer möglichen Verschaltung der Phasenwicklungen der Statorwicklung 8 gezeigt. Die Statorwicklung besteht aus drei Wicklungsabschnitten A, B, C, wobei um jedes der Kreissegmente 4 ein Wicklungsabschnitt A, B, C gewickelt ist. Die Wicklungsabschnitte A, B, C sind derart elektrisch kontaktiert, dass drei Phasenwicklungen U, V, W geschaltet werden können, wobei jede Phasenwicklung U, V, W aus zwei parallel geschalteten Phasenteilwicklungen U1, U2; V1, V2; W1, W2 zusammengesetzt ist. Über den Mittenabgriff 30 wird jeder Wicklungsabschnitt A, B, C des Stators in zwei Phasenteilwicklungen U1, U2; V1, V2; W1, W2 unterschiedlicher Phasenwicklungen U, V, W geteilt. Die Phasenwicklung U ist aus den parallel geschalteten Phasenteilwicklungen U1, U2, die Phase V aus den Phasenteilwicklungen V1, V2 und die Phase W aus den Phasenteilwicklungen W1, W2 zusammengesetzt, wobei sich die zu einer Motorphase gehörenden Phasenteilwicklungen U1, U2; V1, V2; W1, W2 auf unterschiedlichen Kreissegmenten 4, also auf unterschiedlichen Wicklungsabschnitten A, B, C, befinden. Folglich sind die parallel geschalteten Phasenwicklungen U1, U2; V1, V2; W1, W2 jeweils durch einen halben Wicklungsabschnitt A, B, C gegeben, wobei die Wicklungsabschnitte A, B, C auf verschiedenen Kreissegmenten 4 angeordnet sind. Beispielsweise ist die Phasenwicklung U durch eine Parallelschaltung der Phasenteilwicklungen U1 und U2 realisiert. Die Phasenwicklung U1 ist durch den vom Mittenabgriff 30 bis zur Kontaktfläche 36 reichenden Wickeldraht des Wicklungsabschnitts A gegeben. Die Phasenwicklung U2 ist durch den von dem Kontaktterminal 38 bis zum Mittenabgriff 30 reichenden Wickeldraht des Wicklungsabschnitts C gegeben. Im Beispiel sind die Phasenteilwicklungen U1, U2; V1, V2; W1, W2 genaugenommen jeweils antiparallel zu einer Phasenwicklung U, V, W verschaltet.
Über die Kontaktterminals 38 können die Phasenwicklungen U, V, W mit der Motorsteuerung, insbesondere mit einer H6-Brückenschaltung 50, verbunden werden. Die Phasenwicklungen U, V, W können dann durch Öffnen und Schließen von Brückenschaltern 52 bestromt werden. Üblicherweise sind die Brückenschalter 52 durch Halbleiterschalter gegeben. Insbesondere können die Brückenschalter 52 mittels MOSFETs oder andere Transistoren realisiert sein. Die Motorsteuerung kann einen Mikrocontroller umfassen, der zum Schalten der Feldeffekttransistoren beispielsweise mit deren Gateanschlüssen verbunden ist. Ein gemeinsamer Mittenabgriff CT der Phasenwicklungen U, V, W ist über die durch die als radial abstehenden Fortsätze der Leitbleche 5a ausgebildeten Mittenabgriffe 30 der Wicklungsabschnitte A, B, C bereitgestellt. Bei Bedarf kann es vorgesehen sein, dass der gemeinsame Mittenabgriff CT aus dem Elektromotor herausgeführt wird und mit der Motorsteuerung verbunden wird, so dass die dort anliegende Spannung überwacht werden kann. Im Beispiel der 8 ist der gemeinsamer Mittenabgriff CT nicht herausgeführt. Er hat dabei ein freies (englisch: floating) elektrisches Potential, das im Wesentlichen durch den aus den Phasenwicklungen U, V, W gebildeten Spannungsteiler bestimmt ist. Neben der an den Phasenwicklungen angelegten Spannung nimmt dabei auch die dort induzierte gegen-elektromotorische Kraft Einfluss auf die am gemeinsamen Mittenabgriff CT anliegende Spannung.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Stator
2a: Statorkern
3: Rotormagnet
4: Kreissegment
4a: obere Stirnseite der Kreissegmente 4
4b: untere Stirnseite der Kreissegmente 4
5a, 5b, 5c: Leitbleche
6: Statorblechpaket
7: Isolation
8: Statorwicklung
9: Vergussmasse
10: Welle
11a, 11b: Kugellager
12: Abtrieb
16: Dämpfungselement
17a, 17b, 17c: Isolation
18, 19: Gehäuseteil
20: Abdeckring
21: Deckel
22: Befestigungsvorsprung
23: Ausnehmung
24: Bohrung
26: Bohrung
28: Verriegelungselement
30: Mittenabgriffe der Leitbleche
32: Schlitz
34: Ausbuchtung
36: Kontaktfläche
38: Kontaktterminal
39, 40, 41, 42: Kontaktfläche
44: Ausbuchtungen der Kreissegmente
50: H6-Brückenschaltung
52: Brückenschalter
A, B, C: Wicklungsabschnitte
U, V, W: Phasenwicklungen
U1, U2, V1,
V2, W1, W2: Phasenteilwicklungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10318816 B4 [0005]
DE 10130117 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. Zwyssig, J. W. Kolar, W. Thaler und M. Vohrer „Design of a 100 W, 500000 rpm Permanent-Magnet Generator for Mesoscale Gas Turbines”, IEEE Industry Application Conference, 40th IAS Annual Meeting, Conference Record 2.–6. Oct 2005, Vol. 1, pages 253–260 (ISBN 0-7803-9208-6) [0006]

Claims

Stator zur Verwendung in einem einphasigen oder mehrphasigen Elektromotor (1) mit einem ringförmigen Statorkörper (2) und einer toroidalen Statorwicklung (8), wobei der Statorkörper (2) aus mehreren Kreissegmenten (4) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils an mindestens einer Umfangsfläche der Kreissegmente (4) mindestens ein Leitblech (5a, 5b, 5c) zur elektrischen Verschaltung der Statorwicklung (8) angeordnet ist.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsfläche jeweils auf einer Stirnseite (4a, 4b) der Kreissegmente liegt.
Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (8) mindestens zwei Phasenwicklungen (U, V, W) umfasst.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Phasenwicklung (U, V, W) auf mehrere Wicklungsabschnitte (A, B, C) verteilt angeordnet ist, wobei diese Wicklungsabschnitte (A, B, C) auf verschiedenen Kreissegmenten (4) des Statorkörpers (2) angeordnet sind.
Stator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsabschnitte (A, B, C) mit mindestens einem auf dem zugehörigen Kreissegment (4) angeordneten Leitblech (5a, 5b, 5c) elektrisch leitend verbunden sind.
Stator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wicklungsabschnitte (A, B, C) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, indem ein Leitblech (5a, 5b, 5c) eines Kreissegments (4) mit mindestens einem Leitblech (5a, 5b, 5c) eines benachbarten Kreissegmentes (4) elektrisch leitend verbunden ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Phasenwicklung (U, V, W) mindestens zwei parallelgeschaltete Phasenteilwicklungen (U1, U2; V1, V2; W1, W2) umfasst, wobei mindestens zwei Phasenteilwicklungen (U1, U2; V1, V2; W1, W2) einer Phasenwicklung (U, V, W) auf verschiedenen Kreissegmenten (4) angeordnet sind.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Phasenwicklung (U, V, W) mindestens zwei seriell verbundene Phasenteilwicklungen (U1, U2; V1, V2; W1, W2) umfasst, wobei mindestens zwei Phasenteilwicklungen (U1, U2; V1, V2; W1, W2) einer Phasenwicklung (U, V, W) auf verschiedenen Kreissegmenten (4) angeordnet sind.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitblech (5a, 5b, 5c) eines Kreissegments (4) mit Leitblechen (5a, 5b, 5c) der übrigen Kreissegmente (4) derart elektrisch verbunden ist, dass diese Leitbleche (5a, 5b, 5c) eine umlaufende Leiterbahn bereitstellen.
Stator nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kreissegmente (4) der Anzahl der Phasenwicklungen (U, V, W) entspricht.
Stator nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem Kreissegment (4) an wenigstens einer Stirnseite (4a, 4b) mindestens zwei konzentrisch angeordnete und voneinander elektrisch getrennte Leitbleche (5b, 5c) vorhanden sind.
Stator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die an einer Stirnseite (4a, 4b) angeordneten Leitbleche (5a, 5b, 5c) zueinander radial beabstandet angeordnet sind.
Stator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die an einer Stirnseite (4a, 4b) eines Kreissegments (4) angeordneten Leitbleche (5b, 5c) zwei Leitbleche (5b, 5c) umfassen, die auf in Umfangsrichtung entgegengesetzten Seiten des Kreissegments (4) mit jeweils einem Leitblech (5b, 5c) eines benachbarten Kreissegments elektrisch verbindbar sind.
Stator nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die an einer Stirnseite (4a, 4b) eines Kreissegments (4) angeordneten Leitbleche (5b, 5c) derart ausgestaltet sind, dass jeweils ein in radialer Richtung innenliegendes Leitblech (5b) eines Kreissegments (4) mit einem in radialer Richtung außenliegen Leitblech (5c) eines benachbarten Kreissegments (4) elektrisch leitend verbindbar ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Stirnseiten (4a, 4b) der Kreissegmente (4) jeweils mindestens ein Leitblech (5a, 5b, 5c) angeordnet ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Leitblech (5a, 5b, 5c) jedes Kreissegments (4) einen Mittenabgriff (30) des auf diesem Kreissegment (4) angeordneten Wicklungsabschnitts (A, B, C) bereitstellt.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Leitblech (5a, 5b, 5c) jedes Kreissegments (4) eine Kontaktfläche (36) für die Statorwicklung aufweist, wobei auf der Befestigungsfläche (36) ein Ende eines Wicklungsabschnitts (A, B, C) befestigt und elektrisch leitend mit dem Leitblech (5a, 5b, 5c) verbunden ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Statorkern und den Leitblechen (5a, 5b, 5c) eine elektrische Isolation (7) angeordnet ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (8) um den Statorkern, die elektrische Isolation (7) und die Leitbleche (5a, 5b, 5c) gewickelt ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Leitblechen (5a, 5b, 5c) und der Statorwicklung (8) eine zusätzliche elektrische Isolation (17a, 17b, 17c) angeordnet ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Leitblech (5, 5b, 5c) in Umfangsrichtung an mindestens einem Ende ein Kontaktterminal (38) aufweist, über das die Statorwicklung (8) mit einer Motorsteuerrung elektrisch leitend verbunden werden kann.
Stator nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktterminal (38) einteilig mit dem Leitblech (5a, 5b, 5c) ausgebildet ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreissegmente (3) in Umfangsrichtung jeweils an ihrem einen Ende einen Verbindungsvorsprung (22) aufweisen und an ihrem anderen Ende jeweils eine Aussparung (23) aufweisen, wobei beim Zusammenfügen der Kreissegmente (4) jeweils ein Verbindungsvorsprung (22) mit einer Aussparung (23) eines benachbarten Kreissegments (3) in Eingriff steht.
Stator nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsvorsprung (22) jeweils eine in axialer Richtung des Stators verlaufende Bohrung (24) aufweist und dass die Aussparung (23) eine entsprechende Bohrung (26) aufweist, so dass die Verbindung zweier benachbarter Kreissegmente (3) mittels eines in die Bohrungen 24, 26 eingeführten Verriegelungselements (28) verriegelt werden kann.
Elektromotor mit einem Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 24.
Elektromotor nach Anspruch 25, wobei der Elektromotor einen Rotormagneten (3) mit einem einzigen Polpaar aufweist.
Elektromotor nach Anspruch 25 oder 26, wobei der Elektromotor ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.