DE102016003044A1

DE102016003044A1 - Stator für eine Klauenpolmaschine

Info

Publication number: DE102016003044A1
Application number: DE102016003044.5A
Authority: DE
Inventors: Patrick Jacobs; Frank Jeske
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-09-14
Also published as: DE202016008768U1

Abstract

Ein Stator für eine Klauenpolmaschine hat zwei Polplatten (5, 5'), die sich in Richtung einer Wicklungsachse (3) voneinander beabstandet beiderseits einer Wicklung (2) erstrecken, und einen zu der Wicklungsachse (3) konzentrischen Kranz von ersten und zweiten Polklauen (7, 7'), die in Umfangsrichtung alternierend angeordnet sind. Die ersten Polklauen (7) sind mit der ersten Polplatte (5) und die zweiten Polklauen (7') mit der zweiten Polplatte (5) verbunden. Wenigstens die erste Polplatte (5) umfasst zwei aufeinanderliegende ferromagnetische Schichten (9, 10), und die ersten Polklauen (7) sind in sich einteilig und mit der ersten Schicht (10) der ersten Polplatte (5) einteilig ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine Klauenpolmaschine.
Ein solcher Stator umfasst herkömmlicherweise eine Wicklung und zwei Polplatten, die in Richtung einer Wicklungsachse voneinander beabstandet beiderseits der Wicklung angeordnet sind, so dass, wenn die Wicklung Strom führt, eine der Polplatten einem Nordpol und die andere dem Südpol eines von der Wicklung erzeugten Magnetfeldes gegenüberliegt, und einen zu der Wicklungsachse konzentrischen Kranz von ersten und zweiten Polklauen, die in Umfangsrichtung alternierend angeordnet sind, wobei die ersten Polklauen mit der ersten und die zweiten Polklauen mit der zweiten Polplatte verbunden sind, um Nord- und Südpole eines Magnetfelds zu bilden, das entlang des Kranzes viele Male die Richtung wechselt.
In DE 10 2010 019 502 A1 wird vorgeschlagen, den Wirkungsgrad eines Klauenpolstators zu verbessern, indem die Polplatten und die von ihnen ausgehenden Polklauen jeweils aus zwei sich flächig berührenden Blechen durch Ausstanzen und Biegen gebildet sind. Die sich aus der Verdopplung der Bleche ergebende Querschnittvergrößerung der Polklauen ermöglicht es diesen, einen größeren magnetischen Fluss aufzunehmen. Die Wirksamkeit dieses Ansatzes ist jedoch dadurch begrenzt, dass die als Elektroblech bezeichneten, für den Einsatz in elektrischen Maschinen optimierten Blechqualitäten nicht durch Biegen bearbeitet werden können. Für die vorgeschlagene Verformung geeignete Tiefziehbleche weisen hingegen höhere Verluste auf, was den erreichbaren Wirkungsgrad wieder reduziert.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Stator für eine Klauenpolmaschine zu schaffen, mit dem hohe magnetische Flussdichten und folglich eine hohe Leistungsdichte erreichbar ist und der dennoch kostengünstig gefertigt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Stator für eine Klauenpolmaschine mit zwei Polplatten, die sich in Richtung einer Wicklungsachse voneinander beabstandet beiderseits einer Wicklung erstrecken und einem zu der Wicklungsachse konzentrischen Kranz von ersten und zweiten Polklauen, die in Umfangsrichtung alternierend angeordnet sind, wobei die ersten Polklauen mit der ersten und die zweiten Polklauen mit der zweiten Polplatte verbunden sind, und wenigstens die erste Polplatte zwei aufeinanderliegende ferromagnetische Schichten umfasst, die ersten Polklauen in sich einteilig und mit der ersten Schicht der ersten Polplatte einteilig ausgebildet sind. Es genügt daher, einen einzigen Blechzuschnitt zu biegen, um die erste Schicht und die Polklauen zu formen; da die zweite Schicht nicht Teil der Polklauen ist, braucht sie nicht gebogen zu werden und kann daher aus einem gegen Biegen empfindlichen Material bestehen.
Natürlich kann die zweite Polplatte in analoger Weise zweilagig aufgebaut sein, auch wenn darauf immer eigens hingewiesen wird.
Die zweite Schicht der ersten Polplatte sollte vorzugsweise eben sein, damit sie durch Stanzen von Flachmaterial erhalten werden kann.
Typischerweise wird für die erste Schicht ein Tiefziehstahl und für die zweite Schicht ein Elektroblech verwendet werden.
Wenn die erste Schicht und die ersten Polklauen eine gleiche Wandstärke haben, können beide aus demselben Flachmaterialzuschnitt allein durch Biegen, ohne weitere Umformschritte, erzeugt werden.
An wenigstens einer der Polplatten kann ein zu dem Kranz konzentrischer Stutzen geformt sein. Ein solcher Stutzen kann sich bis zu der anderen Polplatte oder einem an dieser geformten zweiten Stutzen erstrecken, um die Polplatten magnetisch zu verbinden.
An der der ersten Polplatte sollte der Stutzen einteilig mit der ersten Schicht, insbesondere durch Biegen oder Prägen, geformt sein.
Eine magnetische Verbindung zwischen den Polplatten kann auch durch einen Bolzen aus weichmagnetischem Material gebildet sein, der in Löchern der beiden Polplatten aufgenommen, vorzugsweise geklemmt, ist.
Der Stutzen kann ein solches Loch umgeben; so kann ein großflächiger Kontakt zwischen der Polplatte und dem Bolzen hergestellt werden, über den einerseits ein starker magnetischer Fluss zwischen Bolzen und Polplatte übergehen kann, der andererseits aber auch durch Klemmung eine mechanische Verbindung zwischen Polplatte und Bolzen herstellen kann.
Die erste Schicht der ersten Polplatte kann an einer von der Wicklung abgewandten Seite der zweiten Schicht oder zwischen der zweiten Schicht und der Wicklung angeordnet sein. In ersterem Falle genügt es, die erste Schicht an der zweiten Polplatte zu befestigen, um auch die zweite Schicht im Stator sicher zu fixieren, im letzteren sind die Fertigungstoleranzen für die zweite Schicht größer.
Durch eine periodische Umkehr der Stromrichtung in der Wicklung können die Klauen zum Schwingen und damit zur Geräuschemission angeregt werden. Um die Schwingneigung der Polklauen zu minimieren, kann beim erfindungsgemäßen Stator die Ausdehnung der Klauen in Richtung der Achse kleiner als die Ausdehnung in Umfangsrichtung gewählt werden.
Auch eine Wölbung der Polklauen um die Achse trägt zur Verringerung der Schwingneigung bei. Wenn jede Polplatte nur zwei Polklauen trägt, können sich diese über einen großen Winkel von knapp unter 90° um die Achse erstrecken; daher ist die Schwingneigung hier geringer als bei einem Stator mit einer größeren Zahl von Polklauen.
Um das von dem Stator erzeugte Magnetfeld auf die Zwischenräume zwischen den Polklauen zu konzentrieren bzw. Felder zwischen den Spitzen der Polklauen und der zu diesen Spitzen benachbarten gegenüberliegenden Polplatte zu minimieren, kann jede Polplatte zwischen den von ihr ausgehenden Klauen ausgeschnitten sein.
Zu demselben Zweck ist es vorteilhaft, wenn die ersten Polklauen mit der zweiten Polplatte und/oder die zweiten Polklauen mit der ersten Polplatte in axialer Richtung überlappen.
Der Stator wird vorzugsweise in einer Klauenpolmaschine mit Außenrotor eingesetzt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Stator in auseinandergezogener Darstellung;
2 einen Schnitt durch den Stator aus 1;
3 einen Polkörper für einen sechspoligen Stator;
4 einen Schnitt durch einen Stator mit dem Polkörper aus 3;
5 einen Polkörper für einen zehnpoligen Stator; und
6 einen Lüfter mit einem Stator gemäß der Erfindung.
1 zeigt Komponenten eines Stators 1 für einen Außenläufermotor. Eine Wicklung 2 ist mit einem Wechselstrom beaufschlagbar, um ein Magnetfeld in Richtung einer Wicklungsachse 3 zu erzeugen. Polkörper 4, 4' sind vorgesehen, um an den beiden Stirnflächen der Wicklung 2 platziert zu werden.
Jeder Polkörper 4, 4' umfasst eine Polplatte 5, 5', die im fertig montierten Zustand an einer Stirnfläche 6, 6' der Wicklung 2 flach anliegt, und Polklauen 7, 7', die sich von den Rändern der Polplatten 5, 5' aus auf eine Umfangsfläche 8 der Wicklung 2 erstrecken, wobei jeweils eine Polklaue 7 des Polkörpers 4 zwischen zwei Polklauen 7' des Polkörpers 4' eingreift.
Die Polplatten 5, 5' umfassen jeweils zwei Schichten aus unterschiedlichen weichmagnetischen Werkstoffen. Im hier betrachteten Fall ist die jeweils von der Wicklung 2 entfernt liegende Schicht ein ebenes Stanzteil 9 aus Elektroblech, während die der Wicklung 2 zugewandte Schicht eine Grundplatte 15 eines aus Tiefziehstahl durch Stanzen und Biegen erhaltenen Formteils 10 bildet. Dank der Schicht aus Elektroblech können die Polplatten 5, 5' einen deutlich höheren magnetischen Fluss aufnehmen als Polplatten gleicher Abmessungen aus Tiefziehstahl.
Die Polklauen 7, 7' sind einteiliger Bestandteil des Formteils 10 und an den Rändern von dessen Grundplatte 15 abgewinkelt. Die Polklauen 7, 7' sind konzentrisch zur Wicklungsachse 3 gekrümmt. Jede Polklaue 7, 7' überdeckt etwas weniger als ein Viertel der Umfangsfläche 8 der Wicklung 1.
Wie in 1 durch einen gestrichelten Umriss angedeutet, kann das Stanzteil 9 kreisscheibenförmig mit einer zentralen Öffnung 11 sein. Im hier betrachteten Fall ist das Stanzteil 9 durch zwei einander gegenüberliegende Ausschnitte 12 auf zwei Arme 13 reduziert, die sich von der Öffnung 11 aus in entgegengesetzte Richtungen erstrecken und untereinander durch die Öffnung 11 umgebende schmale Stege 14 verbunden sind.
Die Grundplatte 15 des Formteils 10 ist im Wesentlichen deckungsgleich mit dem zugehörigen Stanzteil 9.
Das Stanzteil 9 und die Grundplatte 15 haben die gleiche Wandstärke von vorzugsweise 0,5 mm.
Rings um eine zentrale Öffnung 16 des Formteils 10 ist ein Stutzen 17 geformt. In der hier Ausgestaltung der l sind die Durchmesser der Stutzen 17, 17' an den zwei Polkörpern 4, 4' leicht unterschiedlich, so dass, wie in 2 gezeigt, die Stutzen 17, 17' ineinander einsteckbar sind und zusammen eine weichmagnetische Schicht entlang des Innenumfangs der Wicklung 2 bilden, deren Wandstärke derjenigen der Polplatten 5, 5' entspricht. Die beiden Stutzen 17, 17' haben zwar eine niedrigere Sättigungsflussdichte als das Elektroblech des Stanzteils 9, da aber gleichzeitig die Querschnittsfläche der beiden Stutzen 17, 17' größer ist als die der beiden Arme jeder Polplatte 5, 5', sind die Stutzen 17, 17' in der Lage, den magnetischen Fluss im Wesentlichen vollständig von einer Polplatte 5, 5' zur anderen zu leiten.
Die axiale Ausdehnung 1 der Polklauen 7, 7' ist etwas größer als die der Wicklung 2, so dass die Polklauen 7 des Polkörpers 4 mit der Polplatte 5' des anderen Polkörpers 4' axial überlappen.
3 zeigt ein Stanzteil 9 und ein Formteil 10, die zusammen einen Polkörper 4 mit drei Armen bilden. Der Stutzen 17, der auch hier die zentrale Öffnung 16 des Formteils 10 umgibt, ist in Richtung der Wicklungsachse 3 nur halb so lang wie die Polklauen 7. Daher können gemäß dieser Ausgestaltung zwei identische Polkörper 4 an der Wicklung 2 so angeordnet werden, dass, wie in 4 gezeigt, ihre Polplatten 5 an den Stirnflächen 6, 6' der Wicklung 2 anliegen, ihre Polklauen 7 sich entlang der Umfangsfläche 8 der Wicklung 2 abwechseln und die Enden der Stutzen 17 einander im Innern der Wicklung 2 berühren.
In diesem Fall reicht der Querschnitt der Stutzen 17 allein nicht aus, um den gesamten Magnetfluss aus den Polplatten 5 aufzunehmen, wenn diese nahe der Sättigung betrieben werden. Zusätzliche hoch permeable Querschnittsfläche wird daher hier durch einen weichmagnetischen Bolzen 18 bereitgestellt, der in die zentrale Öffnung 16 der Formteile 10 auf beiden Seiten der Wicklung 2 eingeschoben wird.
Der Bolzen 18 kann zusätzlich auch noch dazu dienen, die Formteile 7 mechanisch miteinander zu verbinden. Wie in 3 zu erkennen, können die Stutzen 17 mit in Richtung der Wicklungsachse 3 langgestreckten Schlitzen 19 versehen sein, die ihnen eine geringe Nachgiebigkeit in radialer Richtung verleihen. Außerdem, und wie in 4 gezeigt, ist die zentrale Öffnung 16 leicht kegelförmig, so dass der Bolzen 18 beim Einschieben in die Öffnung 16 die von der Grundplatte 12 abgewandten Ränder der Stutzen 17 leicht auseinanderspreizt und im fertig zusammengebauten Zustand die Formteile 7 und der Bolzen 18 reibschlüssig zusammengehalten sind.
Alternativ oder unterstützend kann eine Backlackschicht, die am fertigen Stator den Zusammenhalt von Stanzteilen 6 und Formteilen 7 gewährleistet, auch in die Öffnung 16 hineinreichen und Stutzen 17 und Bolzen 18 großflächig aneinander verkleben.
5 zeigt in einer zu 3 analogen Ansicht einen Polkörper 4 mit fünf Polklauen 7. Die Breite b der Polklauen 7 in Umfangsrichtung ist zwar kleiner als bei den vorhergehenden Ausgestaltungen mit kleinerer Polzahl, aber immer noch größer als die Länge l der Polklauen 7 in Richtung der Wicklungsachse 3, so dass die Polklauen 7 durch Richtungswechsel des Magnetfelds nur schwerlich zu Resonanzschwingungen im hörbaren Frequenzbereich anregbar sind.
Da die hohe Zahl der Polklauen 7 ein hohes Drehmoment liefert, kann ein Motor mit einem Polkörper 4 gemäß 5, um eine vorgegebene Leistung zu erreichen, bei niedriger Drehzahl betrieben werden, was ebenfalls zur Verminderung der Geräuschemission beiträgt.
6 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Lüfter, dessen elektronisch kommutierter Außenläufermotor den Stator 1 in einer seiner oben beschriebenen Ausgestaltungen verwendet. Im Innern des hier hohlen Bolzens 18 ist eine Welle 20 drehbar gelagert, die einen becherförmigen Rotor 21 trägt. An der Innenseite einer umlaufenden Wand 22 des Rotors sind Permanentmagnete 23 montiert, die mit den Polklauen 14 zusammenwirken, um den Rotor 21 anzutreiben. An eine Außenseite des Rotors 21 sind Luftschaufeln 24 angeformt.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Wicklung
3: Wicklungsachse
4: Polkörper
4': Polkörper
5: Polplatte
5': Polplatte
6: Stirnfläche
6': Stirnfläche
7: Polklaue
7': Polklaue
8: Umfangsfläche
9: Stanzteil
10: Formteil
11: Öffnung
12: Ausschnitt
13: Arm
14: Steg
15: Grundplatte
16: Öffnung
17: Stutzen
18: Bolzen
19: Schlitz
20: Welle
21: Rotor
22: Wand
23: Permanentmagnet
24: Luftschaufel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010019502 A1 [0003]

Claims

Stator für eine Klauenpolmaschine mit zwei Polplatten (5, 5'), die sich in Richtung einer Wicklungsachse (3) voneinander beabstandet beiderseits einer Wicklung (2) erstrecken und einem zu der Wicklungsachse (3) konzentrischen Kranz von ersten und zweiten Polklauen (7, 7'), die in Umfangsrichtung alternierend angeordnet sind, wobei die ersten Polklauen (7) mit der ersten Polplatte (5) und die zweiten Polklauen (7') mit der zweiten Polplatte (5) verbunden sind, wobei wenigstens die erste Polplatte (5) zwei aufeinanderliegende ferromagnetische Schichten (9, 10) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Polklauen (7) in sich einteilig und mit der ersten Schicht (10) der ersten Polplatte (5) einteilig ausgebildet sind.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) der ersten Polplatte (5) eben ist.
Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (10) der ersten Polplatte (5) ein Tiefziehstahl und die zweite Schicht (9) ein Elektroblech ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (10) und die ersten Polklauen (7) eine gleiche Wandstärke haben.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Polplatten (5, 5') einen zu dem Kranz von Polklauen (7, 7') konzentrischen Stutzen (17, 17') trägt.
Stator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stutzen (17) der ersten Polplatte (5) mit der ersten Schicht (10) einteilig geformt ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bolzen (18) aus weichmagnetischem Material in Öffnungen (11, 16) der beiden Polplatten (5, 5') aufgenommen ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (10) der ersten Polplatte (5) zwischen der Wicklung (2) und der zweiten Schicht (9) angeordnet ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (1) der Polklauen (7) in Richtung der Achse (3) kleiner als ihre Ausdehnung (b) in Umfangsrichtung ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Polplatte (5, 5') zwischen den von ihr ausgehenden Polklauen (7, 7') ausgeschnitten ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Polklauen (7) mit der zweiten Polplatte (5') und/oder die zweiten Polklauen (7') mit der ersten Polplatte (5) axial überlappen.
Klauenpolmaschine mit einem Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Rotor (21), der den Stator (1) umgibt.