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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator.
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Der in dieser Anmeldung verwendete Begriff „elektrische Maschine“ umfasst einerseits Elektromotoren als auch elektrische Generatoren. Elektromotoren dienen zum Umwandeln von elektrischer Energie in kinetische Energie, ein Generator wird zum Umwandeln von Bewegungsenergie in elektrische Energie eingesetzt.
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Rotor und Stator einer elektrischen Maschine sind durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Um die Effizienz der elektrischen Maschine zu vergrößern ist es zweckmäßig, den Luftspalt möglichst weit zu verringern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine anzugeben, die einen möglichst geringen Luftspalt aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Rotor und der Stator ein hydrodynamisches Gleitlager bilden.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Spalt zwischen Rotor und Stator verringert werden kann, indem Rotor und Stator ein hydrodynamisches Gleitlager und somit eine Lagerung bilden. Bei einem hydrodynamischen Gleitlager liegt verlustarme Flüssigkeitsreibung vor, wodurch die Reibung signifikant reduziert und somit der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessert werden kann. Bei einem hydrodynamischen Gleitlager berühren Rotor und Stator einander nicht direkt, vielmehr sind sie durch einen Ölfilm voneinander getrennt. Ein derartiges hydrodynamisches Gleitlager weist den Vorteil auf, dass es für einen verschleißarmen oder nahezu verschleißfreien Dauerbetrieb geeignet ist. Zudem ist ein hydrodynamisches Gleitlager für hohe Lagerkräfte und Drehzahlen geeignet, für die beispielsweise Wälzlager nicht mehr einsetzbar sind. Auch für elektrische Maschinen mit sehr großem Lagerdurchmesser, beispielsweise in einer Größenordnung von mehreren Metern, ist ein hydrodynamisches Gleitlager geeignet. Durch das Schmiermittel des hydrodynamischen Gleitlagers wird ein ruhiger Lauf der elektrischen Maschine sichergestellt, da der Schmierfilm dämpfend wirkt.
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Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet für die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist der Groß- und Schwermaschinenbau, beispielsweise bei einer Turbine-Generator-Baueinheit, da die dort eingesetzten Wellen häufig mehrere Monate nicht angehalten werden.
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Darüber hinaus eignet sich die erfindungsgemäße elektrische Maschine auch für Kleinantriebe und Mikroantriebe. Ein Beispiel dafür ist ein Spindelantrieb für eine Festplatte.
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Vorzugsweise ist entweder der Rotor als Welle und der Stator als Buchse oder der Rotor als Buchse und der Stator als Welle ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann sowohl als Außenläufer als auch als Innenläufer ausgebildet sein.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wird es bevorzugt, dass ein Freiraum oder Spalt zwischen der Welle und der Buchse wenigstens teilweise mit einem als Gas oder Flüssigkeit ausgebildeten Fluid wie ein Schmiermittel oder ein Schmieröl befüllt ist. Alternativ kann auch Luft, Druckluft, Wasser oder ein Kohlenwasserstoffgemisch wie Benzin oder Diesel als Fluid eingesetzt werden.
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Die Flächen des hydrodynamischen Gleitlagers bilden einen Keil, in den das Schmiermittel hinein transportiert wird, wodurch eine Druckerhöhung erzeugt wird.
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Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sieht vor, dass der Stator eine oder mehrere radiale Ausnehmungen zum Zuführen des Schmiermittels aufweist. Die Ausnehmungen können mit einem Vorratsbehälter des Schmiermittels verbunden sein, alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einer Pumpe gekoppelt sein, um das Schmiermittel mit einem erhöhten Druck zuzuführen. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die Pumpe Bestandteil der elektrischen Maschine ist. Durch die Ausnehmungen, von denen beispielsweise zwei oder vier vorgesehen sein können, wird permanent Schmiermittel an die Kontaktflächen zwischen Rotor und Stator gefördert, so dass keine direkte Berührung der Kontaktflächen vorliegt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann es vorgesehen sein, dass der Stator mehrere über den Umfang verteilte Spulen und der Rotor mehrere über den Umfang verteilte Magnete aufweist. Bei dieser Konfiguration liegt eine permanentmagnetische elektrische Maschine vor, die wahlweise als Motor oder als Generator betrieben werden kann.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine als Reluktanzmotor oder als Reluktanzgenerator ausgebildet sein und einen Rotor mit mehreren Polen aufweisen, die Polen des Stators gegenüberliegen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer geschnittenen Ansicht;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer geschnittenen Ansicht;
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer geschnittenen Ansicht;
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4 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
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5 eine geschnittene Ansicht der in 4 gezeigten elektrischen Maschine; und
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer geschnittenen Ansicht.
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1 ist eine geschnittene Ansicht und zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 1, die als Elektromotor ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen als Welle ausgebildeten Rotor 2 und einen als Buchse ausgebildeten Stator 3. Der Stator 3 umgibt den Rotor 2, es handelt sich somit um einen Innenläufer. Der als Welle ausgebildete Rotor 2 und der als Buchse ausgebildete Stator 3 bilden ein hydrodynamisches Gleitlager.
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In 1 erkennt man, dass zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 ein ringförmiger Spalt 4 ausgebildet ist, der in der Zeichnung vergrößert dargestellt ist. Der Durchmesserunterschied zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel tatsächlich 3‰. Der ringförmige Spalt 4 ist mit einem als Schmieröl ausgebildeten Fluid befüllt, das über radiale Ausnehmungen 5 des Stators 3 zugeführt wird. Insgesamt weist die elektrische Maschine 1 vier derartige Ausnehmungen 5 auf, die über den Umfang des Stators 3 verteilt angeordnet sind. Mittels einer Pumpe wird das Schmieröl mit einem erhöhten Druck zugeführt.
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Der Stator 3 umfasst eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Spulen 6. Es handelt sich dabei um elektrische Wicklungen, die während des Betriebs von mehreren zeitlich veränderlichen Strömen durchflossen werden.
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Der Rotor 2 weist eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten 7 auf. Wenn die Spulen 6 während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 von einem Strom durchflossen werden, entsteht ein magnetischer Kreis, der eine Drehung des Rotors 2 bewirkt. Die elektrische Maschine 1 wird dann als permanentmagnetischer Elektromotor betrieben. Umgekehrt kann die elektrische Maschine 1 auch als Generator betrieben werden. Wenn der Rotor 2 in Drehung versetzt wird, wird in den Spulen 6 ein elektrischer Strom induziert.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 8, die als Reluktanzmaschine ausgebildet ist. In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die elektrische Maschine 8 den Stator 3 mit Spulen 6 und Ausnehmungen 5 zur Versorgung des Spalts 4 mit dem Schmiermittel.
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Ein Rotor 9, der in einer zylindrischen Hülle aufgenommen ist, weist mehrere sich radial erstreckende Schenkel 10 auf, die Polen des Stators 3, das heißt den Spulen 6, gegenüberliegen. Die Schenkel 10 weisen unterschiedliche Längen im magnetflussleitenden Pfad auf, wodurch der magnetische Widerstand veränderlich ist und die Drehung des Rotors 9 bewirkt wird. Rotor 9 und Stator 3 bilden ein hydrodynamisches Gleitlager. Die elektrische Maschine 8 ist in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel als Innenläufer ausgebildet.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 11, mit einem äußeren Rotor 12, der mit Permanentmagneten 13 versehen ist und der einen inneren Stator 14 umgibt. Die elektrische Maschine 11 ist somit als Außenläufer konfiguriert. Zwischen dem Rotor 12 und dem Stator 14 ist ein ringförmiger Spalt 15 ausgebildet, der mit einem Schmieröl befüllt ist. Um die Versorgung des Spalts 15 mit Schmieröl sicherzustellen, weist der Stator 14 mehrere radiale Ausnehmungen 16 auf, durch die das Schmieröl von einem Vorratsbehälter zugeführt und in den Spalt 15 gebracht wird. Wenn der Stator 14 – wie in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel – hohl ausgebildet ist, kann dieser Hohlraum als Vorratsbehälter für das Schmieröl dienen.
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Der Stator 14 weist mehrere in Umfangsrichtung angeordnete und voneinander beabstandete Spulen 17 auf. Wenn die Spulen 17 von einem Strom durchflossen werden, wird der Rotor 12 in Drehung versetzt. Der Rotor 12 und der Stator 14 bilden ein hydrodynamisches Gleitlager.
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4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 18. Es handelt sich dabei um einen radial aufgebauten Elektromotor mit innenliegendem Rotor. Der Rotor 19 ist als Zylinder ausgebildet, an beiden Axialseiten ist jeweils eine schematisch dargestellte axiale Lagerung 20, 21 vorgesehen. In Umfangsrichtung ist dem Rotor 19 eine radiale Lagerung 22 zugeordnet. Der Rotor 19 ist in einem zylinderförmigen, hohl ausgebildeten Stator 23 aufgenommen. An einer Axialseite des Stators 23, der den Rotor 19 wie ein Gehäuse umgibt, ist eine Leitung 24 für ein Schmieröl angeschlossen. Über die Leitung 24, die an eine Pumpe angeschlossen ist, wird Schmieröl zwischen gegenüberliegende Axialflächen des Rotors 19 und des Stators 23 eingebracht, das von dort über den zwischen dem Rotor 19 und dem Stator 23 gebildeten Ringspalt 25 bis zur entgegengesetzten Axialseite 26 des Stators 23 gelangt, an der sich eine Öffnung 27 für eine Welle 28 befindet. Das Schmieröl kann durch die Öffnung 27 austreten und z. B. in einem Behälter gesammelt werden, von wo es wieder einem Schmierölkreislauf zugeführt werden kann.
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5 ist eine geschnittene Ansicht und zeigt schematisch die in 4 gezeigte elektrische Maschine 18. Im Bereich des Ringspalts 25, der zwischen dem Stator 23 und dem Rotor 19 gebildet ist, entsteht Wärme, die durch das die elektrische Maschine 18 durchströmende Schmieröl 29 abgeführt werden kann. Im Vergleich zu einer herkömmlichen elektrischen Maschine, die nicht von einem Schmieröl durchströmt wird, weist die elektrische Maschine 18 eine verbesserte Wärmeübertragung vom Rotor 19 auf den Stator 23 auf.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 30 in einer geschnittenen Ansicht. Die elektrische Maschine 30 ist als Asynchronmaschine ausgebildet und als Innenläufer konfiguriert. Die als Drehstrom-Asynchronmaschine ausgebildete elektrische Maschine 30 kann entweder als Motor betrieben werden, in dieser Betriebsart läuft der Rotor dem Statordrehfeld nach. Alternativ kann die elektrische Maschine 30 als Generator betrieben werden, in dieser Betriebsart läuft der Rotor dem Statordrehfeld vor.
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Ein Stator 31 umfasst eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Spulen 32 sowie insgesamt vier radiale Ausnehmungen 5 zum Zuführen eines Fluids. Der Stator 31 umgibt einen zylinderförmigen Rotor 33 mit Permanentmagneten 34. Wenn die elektrische Maschine 30 als Motor betrieben wird, werden benachbarte Spulen 32 des Stators von Strömen durchflossen, die eine Phasenverschiebung aufweisen.
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In Übereinstimmung mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen bilden der Rotor 33 und der Stator 31 ein hydrodynamisches Gleitlager, der zwischen Rotor 33 und Stator 31 gebildete geringe Spalt ist mit einem Fluid, in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Schmieröl, befüllt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Spalt
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Spule
- 7
- Permanentmagnet
- 8
- elektrische Maschine
- 9
- Rotor
- 10
- Schenkel
- 11
- elektrische Maschine
- 12
- Rotor
- 13
- Permanentmagnet
- 14
- Stator
- 15
- Spalt
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Spule
- 18
- elektrische Maschine
- 19
- Rotor
- 20
- axiale Lagerung
- 21
- axiale Lagerung
- 22
- radiale Lagerung
- 23
- Stator
- 24
- Leitung
- 25
- Ringspalt
- 26
- Axialseite
- 27
- Öffnung
- 28
- Welle
- 29
- Schmieröl
- 30
- elektrische Maschine
- 31
- Stator
- 32
- Spule
- 33
- Rotor
- 34
- Permanentmagnet
