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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator, der eine Mehrzahl von ringförmig angeordneten Statorspulen aufweist, wobei die Statorspulen über eine zugeordnete Leiterplatte ansteuerbar sind und mittels elektrisch leitfähiger Elemente zur Schaffung einer anwendungsspezifischen Statorverschaltung miteinander verschaltet sind.
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Aus dem Stand der Technik sind Elektromotoren, wie z.B. permanent erregte Synchronmotoren bekannt, bei denen mehrere Einzelspulen pro Phase vorgesehen sind. Derartige Elektromotoren können beispielsweise im Stern oder Dreieck verschaltet sein, wobei im Fall von mehreren Einzelspulen pro Phase die Spulen in Reihe und/oder parallel verschaltet sein können. Zur Verschaltung der Einzelspulen wird gebräuchlicherweise ein Stanzgitter verwendet, das eine gewünschte elektrische Verschaltung der einzelnen Spulen bewirkt, wobei für unterschiedliche Verschaltungen jeweils ein spezielles Stanzgitter erforderlich ist. Die Anbindung zu einer zur Ansteuerung der Einzelspulen erforderlichen Leistungselektronik, insbesondere eines s.g. "B6-Inverters", wird hierbei im Allgemeinen mit drei Phasenanschlüssen realisiert, die durch die Verschaltung der Spulen entstehen. Im Fall von Einzugswicklungen kann alternativ auch eine Handverschaltung der Spulen erfolgen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator, der eine Mehrzahl von ringförmig angeordneten Statorspulen aufweist, wobei die Statorspulen über eine zugeordnete Leiterplatte ansteuerbar sind und mittels elektrisch leitfähiger Elemente zur Schaffung einer anwendungsspezifischen Statorverschaltung miteinander verschaltet sind. Die elektrisch leitfähigen Elemente sind auf der Leiterplatte befestigt, die dazu ausgebildet ist, durch eine selektive Befestigung der elektrisch leitfähigen Elemente eine variable Verschaltung der Statorspulen zu ermöglichen.
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Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung eines neuen Elektromotors mit einem segmentierten Stator, bei dem eine einfache Anpassung der Verschaltung der Statorspulen an unterschiedliche Erfordernisse gegeben ist. Des Weiteren ist ein räumlich kompakter, störsicherer Aufbau der mittels der elektrisch leitfähigen Elemente realisierten Verschaltung gegeben.
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Bevorzugt sind mittels einer Leistungselektronik mindestens drei Phasen zur drehstrommäßigen Ansteuerung der Statorverschaltung erzeugbar, wobei die Leistungselektronik auf der Leiterplatte angeordnet ist.
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Hierdurch ist eine flexible Ansteuerung des Elektromotors gegeben, die unter anderem einen Langsamanlauf sowie eine stufenlose Drehzahleinstellung erlaubt.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die elektrisch leitfähigen Elemente elektrische Lötbrücken auf.
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Hierdurch ist eine technisch wenig aufwändige Gestaltung der Statorverschaltung gegeben.
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Bevorzugt weisen die elektrisch leitfähigen Elemente elektronische Schalter auf.
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Hierdurch kann die Statorverschaltung im Betrieb des Elektromotors zur Realisierung einer Motorkennfeldumschaltung dynamisch verändert werden. Zu diesem Zweck werden die elektronischen Schalter bevorzugt mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung auf geeignete Art und Weise angesteuert, die ein Teil der Leistungselektronik sein kann. Somit lässt sich zum Beispiel eine flexible Motorkennfeldumschaltung für ein s.g. "elektronisches" Getriebe zur Drehmomentanpassung realisieren.
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Bevorzugt ist mindestens ein Teilwindungskurzschluss in mindestens einer Statorspule detektierbar und mittels des mindestens einen elektronischen Schalters isolierbar.
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Hierdurch kann die Betriebssicherheit des Elektromotors erhöht und dessen Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist jede Phase mittels der elektrisch leitfähigen Elemente jeweils mit mindestens zwei parallel geschalteten Statorspulen verbunden.
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Hierdurch ist unter anderem eine Anpassung des Motors an eine vorgegebene Betriebsspannung möglich.
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Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform ist jede der mindestens drei Phasen mittels der elektrisch leitfähigen Elemente jeweils mit zwei in Reihe geschalteten Statorspulen verbunden.
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Aufgrund dessen ist gleichfalls eine Spannungsanpassung realisierbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die mindestens drei Phasen mittels der elektrisch leitfähigen Elemente nach Art einer Dreieckschaltung verschaltet.
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Hierdurch ist eine geringere Anzahl von elektrisch leitfähigen Elementen vorzusehen, was eine Verminderung des Fertigungsaufwands gestattet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die mindestens drei Phasen mittels der elektrisch leitfähigen Elemente nach Art einer Sternschaltung verschaltet.
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Hierdurch lässt sich ein Sternpunkt bzw. ein Nullpunkt oder Erdungspunkt im Sinne der Drehstromtechnik schaffen.
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Bevorzugt ist ein Potential eines Sternpunkts mittels einer elektronischen Messeinrichtung, insbesondere eines Analog-Digital-Konverters, erfassbar.
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Hierdurch ist im Fall eines mit s.g. "Oberflächenmagneten" ausgerüsteten Elektromotors eine Lageerkennung des Rotors möglich, die von der Leistungselektronik zur optimalen Ansteuerung der Statorspulen genutzt werden kann. Die Erfassung der Rotorlage setzt eine Mindestdrehzahl desselben voraus.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf einen beispielhaften Elektromotor mit einem Stator und einem Gehäuse,
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2 eine schematische Darstellung einer Leiterplatte des Elektromotors von 1 mit einer ersten Ausführungsform einer Statorverschaltung,
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3 ein beispielhaftes Schaltbild der Statorverschaltung von 2,
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4 eine schematische Darstellung der Leiterplatte des Elektromotors von 1 mit einer zweiten Ausführungsform einer Statorverschaltung, und
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5 ein beispielhaftes Schaltbild der Statorverschaltung von 4.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt illustrativ einen hier lediglich beispielhaft als s.g. Innenläufermotor ausgebildeten Elektromotor 100, der einen auf einer Motorwelle 120 angeordneten Innenrotor 110 und einen Außenstator 160 aufweist, die lediglich exemplarisch in einem topfförmigen Gehäuse 150 montiert sind. Der bevorzugt segmentierte Außenstator 160 weist hier lediglich beispielhaft zwölf ringförmig angeordnete Statorsegmente 200 bis 222 auf. Diese zwölf Statorsegmente 200 bis 222 sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie ringförmig zusammenfügbar sind, wobei jeweils in Umfangsrichtung des Außenstators 160 bzw. des Gehäuses 150 benachbarte Statorsegmente bevorzugt formschlüssig miteinander verbunden bzw. aneinander befestigt sind, was z.B. mittels einer geeigneten Nut-Steg-Verbindung 195 realisiert sein kann. Insbesondere sind die zwölf Statorsegmente 200 bis 222 bevorzugt zumindest im Wesentlichen baugleich ausgebildet.
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Der Außenstator 160 ist bevorzugt axial unbeweglich und verdrehgesichert im Gehäuse 150 befestigt und der Innenrotor 110 ist drehbeweglich im Gehäuse 150 gelagert. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Außenstatoren und Innenrotoren beschränkt ist, sondern analog auch bei Außenrotoren und z.B. auf Lagerrohren zu befestigenden Innenstatoren Anwendung finden kann. Aus diesem Grund wird der Außenstator 160 nachfolgend auch als der "Stator 160" und der Innenstator 110 auch als der "Rotor 110" bezeichnet. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung auch nicht auf segmentierte Statoren beschränkt, sondern kann analog auch bei Statoren mit einem einstückigen Statorkern Anwendung finden. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung von zwölf Statorsegmenten 200 bis 222 lediglich beispielhaften Charakter hat und ebenfalls nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist, die bei einer beliebigen Anzahl von derartigen Statorsegmenten Anwendung finden kann.
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Jedes Statorsegment 200 bis 222 weist bevorzugt einen radial einwärts gerichteten Statorsegmentkern 230 bis 252 auf, der z.B. aus einem weichmagnetischen Material gefertigt sein kann. Zu diesem Zwecke können die Statorsegmentkerne 230 bis 252 eine Mehrzahl übereinander gestapelter Blechlamellen aufweisen, die bevorzugt dauerhaft aneinander befestigt sind, z.B. miteinander verschweißt sind, und von gestanzten Elektroblechen gebildet werden.
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Jeder Statorsegmentkern 230 bis 252 ist bevorzugt mit mindestens einem und vorzugsweise zwei Isolierkörpern versehen, von denen der besseren zeichnerischen Übersicht halber lediglich ein Isolierkörper 130 des Statorsegmentkerns 246 repräsentativ für die übrigen bezeichnet ist, und an denen bevorzugt jeweils eine, dem jeweiligen Statorsegment 200 bis 222 zugeordnete, einzelne Statorspule E1-12 angeordnet ist. Die zwölf Statorspulen E1-12 können z.B. durch Flyerwickeln oder Spulenwickeln auf die Statorsegmente 200 bis 222 aufgewickelt werden und sind vorzugsweise gegenüber den Statorsegmenten 200 bis 222 durch die Isolierkörper elektrisch isoliert, die bevorzugt mit einem Kunststoffmaterial gebildet sind. Alternativ können die Isolierkörper mit einem beliebigen anderen, elektrisch isolierenden Material gebildet sein.
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Die insgesamt zwölf Statorspulen E1-12 bilden in ihrer Gesamtheit eine Statorwicklung 180 des Elektromotors 100 aus. Die einzelnen Statorspulen E1,2, E3,4, E5,6, E7,8, E9,10, E11,12 sind bevorzugt jeweils paarweise derart gewickelt, dass sie jeweils eine Doppelstatorspule D1-6 ausbilden. Der Wickelsinn von umfangsseitig im Uhrzeigersinn jeweils unmittelbar benachbarten Statorspulen E1,2, E3,4, E5,6, E7,8, E9,10 sowie E11,12 ist hierbei vorzugsweise jeweils entgegengesetzt gewählt, so dass sich die Richtung des magnetischen Flusses in den Statorsegmentkernen 230 bis 252 in Umfangsrichtung jeweils umkehrt. Somit umfasst jede der sechs Doppelstatorspulen D1-6 zwei der einzelnen Statorspulen E1,2, E3,4, E5,6, E7,8, E9,10 und E11,12. Jede der sechs Doppelstatorspulen D1-6 verfügt demzufolge über ein erstes und ein zweites Spulenende, von denen der besseren zeichnerischen Übersicht halber lediglich ein erstes und ein zweites Spulenende 266, 268 der zugeordneten Doppelstatorspule D1 bzw. der Statorspulen E1,2 repräsentativ für alle übrigen mit einer Bezugsziffer versehen sind.
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Bevorzugt weist mindestens einer der Isolierkörper 130 zumindest ein dem Gehäuse 150 zugewandtes Positionierglied 132 auf. Dieses kragt beispielhaft von dem mindestens einen Statorsegmentkern 246 zumindest bereichsweise in radialer Richtung des Gehäuses 150 aus und schafft vorzugsweise eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Stator 160 und dem Gehäuse 150. Im Kontext der vorliegenden Erfindung definiert der Begriff "auskragen" ein radiales Überstehen des Positionierglieds 132 in Richtung des Gehäuses 150 über einen von den Statorsegmentkernen 230 bis 250 gebildeten Außenumfang des Stators 160.
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2 zeigt eine dem Elektromotor 100 von 1 zugeordnete Leiterplatte 270 bzw. PCB ("Printed Circuit Board"). Diese hat beispielhaft zwölf Anschlüsse A1-12, die bevorzugt ringförmig und umfangsseitig gleichmäßig zueinander beabstandet angeordnet sind.
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Die Doppelstatorspule D1 umfasst illustrativ die Statorspulen E1,2, die Doppelstatorspule D2 die Statorspulen E3,4, die Doppelstatorspule D3 die Statorspulen E5,6, die Doppelstatorspule D4 die Statorspulen E7,8, die Doppelstatorspule D5 die Statorspulen E9,10 und die Doppelstatorspule D6 die Statorspulen E11,12. Die Doppelstatorspule D1 ist beispielhaft mit den Anschlüssen A1,2 der Leiterplatte 270 elektrisch leitend verbunden. Die elektrisch leitende Verbindung kann zum Beispiel durch Löten, Schrauben oder steckbare Kontakte erfolgen. Entsprechend ist die Doppelstatorspule D2 mit den Anschlüssen A3,4, die Doppelstatorspule D3 mit den Anschlüssen A5,6, die Doppelstatorspule D4 mit den Anschlüssen A7,8, die Doppelstatorspule D5 mit den Anschlüssen A9,10 und die Doppelstatorspule D6 mit den Anschlüssen A11,12 verbunden.
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Bevorzugt sind die Anschlüsse A1-12 sowie drei Phasen u, v, w zur Schaffung einer Statorverschaltung 280 des Elektromotors 100 von 1 mittels einer Vielzahl von elektrischen Elementen M1-9, die hier lediglich exemplarisch als mit der Leiterplatte 270 fest verlötete elektrische Lötbrücken L1-9 bzw. Drahtbrücken ausgeführt sind, elektrisch leitend miteinander verbunden. Die drei Phasen u, v, w werden zum Betrieb des Elektromotors 100 vorzugsweise von einer Leistungselektronik 140, wie z.B. einer B6-Brücke oder dergleichen, mit einem dreiphasigen Drehstrom geeigneter Spannungshöhe, Stromstärke und/oder Frequenz beaufschlagt.
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Zur Realisierung der Statorverschaltung 280 ist der Anschluss A1 mittels einer Lötbrücke L1 mit dem Anschluss A12 verbunden. Entsprechend sind die Anschlüsse A4 und A5 durch die Lötbrücke L2 und die Anschlüsse A8,9 mit der Lötbrücke L3 miteinander elektrisch leitend verbunden. Ferner ist die Phase u über die beiden Lötbrücken L4,5 mit den Anschlüssen A2,7 und somit mit den Doppelstatorspulen D1,4 elektrisch leitend verbunden. Die Phase v ist entsprechend über die beiden Lötbrücken L6,7 mit den Anschlüssen A3,10 und den Doppelstatorspulen D2,5 elektrisch leitend verbunden und die Phase w ist entsprechend mittels der Lötbrücken L8,9 elektrisch leitend mit den Anschlüssen A6,11 und mit den Doppelstatorspulen D3,6 verbunden. Die elektrische Lötbrücken L1-9 aufweisenden elektrischen Elemente M1-9 sind hinsichtlich ihrer elektrischen Funktion hier lediglich beispielhaft exemplarisch identisch, können ggfls. aber eine unterschiedliche Geometrie aufweisen. Die Statorverschaltung 280 ist im Ergebnis nach Art einer drehstrommäßigen Sternschaltung ausgeführt, wobei jeder Phase u, v, w jeweils zwei parallel geschaltete Doppelstatorspulen D1,4, D2,5, D3,6 bzw. die einzelnen Statorspulen E1,2,7,8, E3,4,9,10, E5,6,11,12 zugeordnet sind (vgl. hierzu insb. 3).
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Bevorzugt und vorteilhafterweise kann die Statorverschaltung 280 des Elektromotors 100 allein durch ein Versetzen bzw. Umstecken der Lötbrücken L1-9 einfach und flexibel an unterschiedliche Betriebserfordernisse des Elektromotors 100, wie zum Beispiel eine unterschiedlich hohe Spannung des von der Leistungselektronik 140 erzeugten Drehstroms, angepasst werden, ohne dass eine Änderung an der Leiterplatte 270 vonnöten ist. Auf diese Art und Weise kann der Elektromotor 100 kostenneutral zur Anwendung in akkugespeisten Handwerkzeugmaschinen mit Akkupacks mit z.B. 18 Volt oder 36 Volt angepasst werden.
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3 zeigt ein beispielhaftes Schaltbild der Statorverschaltung 280 von 2, aus dem ersichtlich ist, dass diese Statorverschaltung 280 als drehstrommäßige Sternschaltung mit einem Sternpunkt S ausgeführt ist, wobei den Phasen u, v, w jeweils zwei parallel geschaltete Doppelstatorspulen D1,4, D2,5, D3,6 zugewiesen sind. Ein elektrisches Potential P zwischen dem Sternpunkt S und Erde bzw. "Null" N kann zum Beispiel mittels einer Messeinrichtung 142, wie beispielsweise einem Analog-Digital-Konverter 144 erfasst werden. Infolgedessen ist im Fall eines mit s.g. "Oberflächenmagneten" ausgerüsteten, bevorzugten Elektromotors 100 auf einfache Art und Weise eine Lageerkennung des Rotors mittels der s.g. "Dritten Harmonischen" ohne die Notwendigkeit weiterer Sensorik möglich. Die hinreichend präzise Erfassung der Rotorlage setzt jedoch eine Mindestdrehzahl des Rotors des Elektromotors voraus.
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Ferner kann mindestens eines der elektrischen Elemente M1-9 – wie hier am Beispiel der elektrischen Lötbrücke L9 gezeigt – einen elektronischen Schalter 170 aufweisen. Der mindestens eine elektronische Schalter 170 kann z.B. mit IGBT's oder Power-MOSFET's realisiert sein. Hierdurch wird beispielsweise ein selektives Abschalten mindestens einer Doppelstatorspule D1-6 bzw. mindestens einer der Statorspulen des Elektromotors 100 in einem Fehlerfall, wie zum Beispiel einem Teilwindungskurzschluss, einer lokalen Wicklungsüberhitzung etc., ermöglicht. Durch geeignetes Aktiveren oder Deaktivieren der zumindest teilweise elektronische Schalter aufweisenden Doppelstatorspulen D1-6 bzw. der Statorspulen mittels einer nicht dargestellten Steuerelektronik kann die Funktionalität eines vollelektronischen und demzufolge verschleißfreien Getriebes mittels einer Motorkennfeldumschaltung realisiert werden.
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4 zeigt eine beispielhafte Statorverschaltung 300 des Elektromotors 100 von 1, die bevorzugt durch einfaches Umsetzen, Umlöten oder Umstecken der die elektrischen Lötbrücken L1-9 von 2 aufweisenden elektrischen Elemente M1-9 von 2 auf der ansonsten im Vergleich zu 2 unveränderten Leiterplatte 270 erreicht wird.
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Die Doppelstatorspulen D1-6 von 2 bzw. die diese ausbildenden einzelnen Statorspulen E1-12 von 2 sind entsprechend zur Statorverschaltung 280 von 2 bevorzugt jeweils elektrisch leitend mit den Anschlüssen A1-12 der Leiterplatte 270 von 2 verbunden. Um eine Verschaltung der Doppelstatorspulen D1-6 im Dreieck zu erreichen, so dass jeder Phase u, v, w jeweils zwei in Reihe geschalte Doppelstatorspulen D1,4, D2,5, D3,6 bzw. Statorspulen E1,2,7,8, E3,4,9,10, E5,6,11,12 zugeordnet ist, ist illustrativ der Anschluss A1 über die Lötbrücke L1 mit dem Anschluss A7 verbunden, der Anschluss A2 ist mittels der Lötbrücke L2 mit der Phase u verbunden und der Anschluss A3 ist über die Lötbrücke L3 mit dem Anschluss A8 der Leiterplatte 270 verbunden. Entsprechend ist der Anschluss A3 mittels der Lötbrücke L4 an die Phase v angeschlossen, der Anschluss A4 ist über die Lötbrücke L5 mit dem Anschluss A10 gekoppelt und die Anschlüsse A6,9 sind mittels der Lötbrücke L6 miteinander verbunden. Der Anschluss A5 ist mittels der Lötbrücke L7 mit dem Anschluss A11 der Leiterplatte 270 verbunden, der Anschluss A6 ist mittels der Lötbrücke L8 an die Phase w angeschlossen und die Anschlüsse A2,12 sind mittels der Lötbrücke L9 miteinander verbunden.
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Die drei Phasen u, v, w sind wiederum an die Leistungselektronik 140 von 2 angeschlossen und werden von dieser zum Betrieb des Elektromotors 100 mit dreiphasigem Drehstrom geeigneter Spannungshöhe, Stromstärke und/oder Frequenz versorgt.
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5 zeigt ein beispielhaftes Schaltbild der Statorverschaltung 300 von 4, aus dem ersichtlich ist, dass die Statorverschaltung 300 als drehstrommäßige Dreieckschaltung ohne Sternpunkt ausgeführt ist, wobei die Phasen u, v, w jeweils zwei in Reihe geschaltete Doppelstatorspulen D1,4, D2,5, D3,6 aufweisen. Mindestens eine Lötbrücke kann wiederum, wie beispielhaft mit einem elektronischen Schalter 172 in der Lötbrücke L7 angedeutet, einen elektronischen Schalter aufweisen, um zusätzliche Funktionalitäten, wie z.B. ein elektronisches Getriebe, zu realisieren.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, mit Hilfe der elektronischen Schalter zwischen den Statorverschaltungen 280 von 2 und 300 von 4 umzuschalten, so dass Veränderungen der Lötbrücken entbehrlich sind. Eine Rotorlageerkennung ist aufgrund des bei der Dreieckschaltung fehlenden Sternpunkts nicht realisierbar.
