DE102018128726A1

DE102018128726A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102018128726A1
Application number: DE102018128726.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bayer; Rolf Hoffmann
Original assignee: Wittenstein SE
Current assignee: Wittenstein SE
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Elektrische Maschine (100), insbesondere lineare oder rotierende elektrische Maschine, umfassend einen Rotor (102) und einen Stator (104) mit einem Statorrücken (106) und einer Ringspule (108), welche eine Mehrzahl den Statorrücken (106) umgreifender Windungen umfasst. Der Stator (104) weist zumindest in einem Bereich, der dafür vorgesehen ist, einen Luftspalt mit dem Rotor (102) der elektrischen Maschine (100) zu bilden, einen Nutabschnitt (112) auf, in welchem zumindest ein Abschnitt einer Windung der Ringspule (108) aufgenommen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator.
Stand der Technik
Bei elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Elektromotoren, befinden sich die elektrischen Leiter der Magnetspulen in der Regel in Nuten, wobei der Strom in einer Nut hin- und in einer anderen Nut zurückfließt. Daher muss jeder Hinleiter, der sich in einer ersten Nut befindet, an einem Ende mit einem Rückleiter in einer anderen Nut verbunden werden. Diese andere Nut liegt in einer gewissen Entfernung in Umfangsrichtung von der ersten Nut.
Aufgrund dieser Notwendigkeit sind bei heutigen Elektromotoren (in axialer Richtung gesehen) vor und hinter dem Blechpaket Verbindungen in Umfangsrichtung nötig. Diese Verbindungen nennt man Wickelköpfe.
Außerdem ist der Wickelkopf oft wärmer als die Wicklung in der Nut. Durch Temperaturgrenzen der Isolation des Leiters kann der Dauerstrom und damit auch das Dauerdrehmoment des Motors begrenzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte elektrische Maschine anzugeben, beispielsweise eine besonders effiziente elektrische Maschine bereitzustellen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen Rotor und einen Stator mit einem Statorrücken und einer Ringspule, welche eine Mehrzahl den Statorrücken umgreifender Windungen umfasst, wobei der Stator zumindest in einem Bereich, der dafür vorgesehen ist, einen Luftspalt mit dem Rotor der elektrischen Maschine zu bilden, einen Nutabschnitt aufweist, in welchem zumindest ein Abschnitt einer Windung der Ringspule aufgenommen ist.
Die elektrische Maschine kann beispielsweise als ein Elektromotor oder als ein elektrischer Generator ausgebildet sein. Die elektrische Maschine kann insbesondere als ein rotierender Elektromotor, als ein Linearmotor, als ein Drehgenerator oder als ein Lineargenerator ausgebildet sein. Als ein Rotor kann im Zusammenhang der vorliegenden Offenbarung ein Teil der elektrischen Maschine verstanden werden, der eine Bewegung ausführt und mit dem Stator magnetisch wechselwirkt.
Als Statorrücken kann im Zusammenhang der vorliegenden Offenbarung ein Teil des Stators verstanden werden, der vom Rotor aus gesehen hinter einer Nut liegt, welche den Nutabschnitt umfasst. Insbesondere wenn die elektrische Maschine als ein rotierender Elektromotor oder als ein Drehgenerator ausgebildet ist, kann als Statorrücken ein Teil des Stators verstanden werden, in dem ein magnetischer Fluss in einer Umfangsrichtung des Stators geführt wird. Unter einem Luftspalt kann im Zusammenhang der vorliegenden Offenbarung insbesondere ein Arbeitsluftspalt verstanden werden.
Bei typischen Ausführungsformen können in dem Nutabschnitt oder einer den Nutabschnitt umfassenden ersten Nut zumindest 3 Windungen angeordnet sein. Beispielsweise können in dem Nutabschnitt oder der ersten Nut zumindest 5, zumindest 10, zumindest 20 oder zumindest 50 Windungen angeordnet sein. Es ist auch denkbar, dass in dem Nutabschnitt oder der ersten Nut 100 Windungen oder mehr angeordnet sind. Die Windungen der Ringspule sind insbesondere so angeordnet, dass eine Richtung eines Stromflusses durch die Windungen mit einer Bewegungsrichtung des Rotors einen Winkel von mindestens 70° und höchstens 110° oder einen Winkel von mindestens 80° und höchstens 100° oder zumindest im Wesentlichen 90°, beispielsweise zwischen 89° und 91°, einschließt.
Bei typischen Ausführungsformen ist an dem Stator eine Statorhalterung ausgebildet, insbesondere zur Befestigung des Stators an einem Motorgehäuse. Die Statorhalterung kann als ein an einem Statorzahn oder dem Statorrücken ausgebildeter Vorsprung ausgebildet sein. Die Statorhalterung ist typischerweise an mindestens einer Stelle durch eine Nut des Stators unterbrochen. Die Statorhalterung ist insbesondere frei von Windungen der Ringspule.
Bei typischen Ausführungsformen kann der Stator aus keilförmigen Segmenten mit mindestens einer Nut und vorzugweise mindestens einem Statorzahn ausgebildet sein. Die Segmente können einstückig ausgebildet sein. An den Segmenten kann mindestens ein Teil der Statorhalterung ausgebildet sein.
Typischerweise umfassen oder bestehen der Statorrücken oder die Statorzähne aus einem weichmagnetischen, insbesondere verpresstem oder gesintertem, Pulvermaterial. Durch eine Verwendung von weichmagnetischem Pulvermaterial können durch Wirbelströme verursachte Verluste gering gehalten werden. Bei typischen Ausführungsformen besteht die Statorhalterung aus einem weichmagnetischen Pulvermaterial. Zumindest ein Element aus Statorrücken, Statorzähne und Statorhalterung ist bei typischen Ausführungsformen ungeblecht. Grundsätzlich kann die Statorhalterung aus einem anderen Material bestehen als der Stator.
Typischerweise umgreift der Rotor den Stator von zumindest drei oder von zumindest vier Seiten. Bei typischen Ausführungsformen umgreift der Rotor den Stator von drei Seiten vollständig und von einer vierten Seite zumindest teilweise. Bei Ausführungsformen kann von jeder der Seiten, von denen der Stator zumindest teilweise vom Rotor umgriffen wird, im Betrieb ein Magnetfeld des Rotors zu einer Kraft- oder insbesondere Drehmomentbildung beitragen. Typische Ausführungsformen sind angeordnet, so dass alle Seiten des Stators als aktive Flächen zur Kraft- oder insbesondere Drehmomentbildung nutzbar sind oder im Betrieb genutzt werden. Insbesondere kann nahezu die gesamte Oberfläche des Stators zu einer Kraft- oder insbesondere einer Drehmomentbildung herangezogen werden. Eine Kraft- oder insbesondere eine Drehmomentdichte der elektrischen Maschine kann mit solchen Maßnahmen erhöht werden.
Bei weiteren Ausführungsformen trägt von jeder der Seiten, von denen der Stator vom Rotor zumindest teilweise umgriffen wird, ein Magnetfeld des Rotors zu einer Erzeugung von elektrischem Spannung bei. Insbesondere kann nahezu die gesamte Oberfläche des Stators zu einer Wandlung zwischen mechanischer und elektrischer Energie herangezogen werden. Eine Effizienz der Stromerzeugung der elektrischen Maschine kann erhöht werden.
Insbesondere bei Ausführungsformen als rotierende elektrische Maschine, beispielsweise als rotierender Elektromotor oder als Drehgenerator, kann der Stator bezüglich einer Blickrichtung parallel zu einer Drehachse der elektrischen Maschine beispielsweise vorne, hinten und innen vollständig vom Rotor umgeben sein. Der Stator kann bezogen auf die Blickrichtung zusätzlich auch teilweise von außen vom Rotor umgeben sein
Bei typischen Ausführungsformen als lineare elektrische Maschine, beispielsweise als Linearmotor oder als Lineargenerator, kann der Stator bezüglich einer Blickrichtung senkrecht zu einer Bewegungsrichtung der elektrischen Maschine beispielsweise vorne, hinten und zumindest von einer ersten Seite vollständig vom Rotor umgeben sein. Der Stator kann bezogen auf die Blickrichtung zusätzlich auch teilweise von einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite vom Rotor umgeben sein.
Bei typischen Ausführungsformen weist der Rotor zumindest im Wesentlichen den Querschnitt eines geschlitzten Rohres auf. Der Querschnitt des Rotors kann insbesondere zumindest im Wesentlichen viereckig sein. Der Rotor kann abgerundete oder scharfe Ecken oder Kanten aufweisen. Bei typischen Ausführungsformen ist eine Innenfläche des Rotors geformt wie eine Innenfläche eines Hohltorus. Der Rotor kann eine Krümmung um eine Drehachse der elektrischen Maschine aufweisen.
Typischerweise ist der Rotor so ausgebildet, dass er den Stator von zumindest drei oder von zumindest vier oder allen vier Seiten mit jeweils zumindest einem Magneten umgibt. Bei Ausführungsformen kann der Rotor so ausgebildet sein, dass er den Stator von allen Seiten mit zumindest einem Magneten umgibt. Die Magneten des Rotors können Permanentmagneten sein. Bei anderen Ausführungsformen können die Magneten des Rotors Elektromagneten sein. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschine, als elektrisch erregte Synchronmaschine, als Reluktanzmaschine oder als Asynchronmaschine ausgebildet sein.
Typischerweise ist jeder der Magnete des Rotors so orientiert, dass einer der Pole des Magneten dem Stator zugewandt und der andere Pol des Magneten vom Stator abgewandt ist. Die einen Abschnitt des Stators senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Rotors umgebenden Magnete können so orientiert sein, dass dem Stator jeweils ein übereinstimmender Pol zugewandt ist.
Bei typischen Ausführungsformen weisen die Magnete des Rotors in der Bewegungsrichtung, insbesondere einer Umfangsrichtung des Rotors, eine abwechselnde Polorientierung auf. Die Anzahl der in Umfangsrichtung am Rotor angeordneten Pole weicht insbesondere von der Anzahl der in Umfangsrichtung am Stator angeordneten Nuten ab. Beispielsweise können einem Pol des Rotors mehrere Nuten des Stators zugeordnet sein.
Typischerweise weist der Rotor einen in Umlaufrichtung ausgerichteten Schlitz zur Durchführung einer Statorhalterung des Stators zum Halten des Stators auf. Insbesondere bei Ausführungsformen als rotierende elektrische Maschine ist der Schlitz beispielsweise in Richtung der Rotationsachse betrachtet an der Außenfläche des Rotors ausgebildet. Der Schlitz kann jedoch auch in Richtung der Rotationsachse betrachtet an der inneren, an der vorderen oder an der hinteren Fläche des Rotors ausgebildet sein. Bei anderen Ausführungsformen ist der Schlitz an einer Eckkante des Rotors ausgebildet.
Bei typischen Ausführungsformen sind im Bereich des Schlitzes Stromleitungen sowie Zu- und Ableitungen für ein Kühlmedium für den Stator angeordnet. Das Kühlmedium kann beispielsweise Wasser oder ein Gemisch von Wasser und Korrosionsschutzmitteln, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch sein. Typischerweise weist der Rotor zumindest im Wesentlichen den Querschnitt eines geschlitzten Rohres auf.
Typischerweise weist der Stator eine um den Statorrücken konzentrisch umlaufende erste Nut auf, welche den Nutabschnitt umfasst. Die erste Nut ist zur Aufnahme zumindest einer der Windungen der Ringspule vorgesehen. Bei typischen Ausführungsformen liegen die in der ersten Nut aufgenommenen Windungen vollständig in der Nut. Bei typischen Ausführungsformen erstrecken sich die Windungen radial bis zu den Statorzähnen. Insbesondere ragen keine der Windungen in einen Luftspalt der elektrischen Maschine hinein.
Typischerweise ist die erste Nut in einer Ebene senkrecht zu einer Mittelachse des Statorrückens ausgerichtet. Bei typischen Ausführungsformen ist die Mittelachse gekrümmt. Insbesondere wenn die elektrische Maschine als lineare Maschine ausgebildet ist, kann die Nut in einer Ebene senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung des Stators angeordnet sein. Typischerweise läuft bei Ausführungsformen die Windung um zumindest 330° in der ersten Nut um den Statorrücken um. Allgemein können sämtliche zu einer Aufnahme von Windungen einer Ringspule vorgesehene Nuten des Stators jeweils in einer Ebene ausgerichtet sein, die gegen eine Mittelachse des Statorrückens um einen Winkel geneigt ist, der größer als 70° oder kleiner als 110° ist oder der größer als 80° oder kleiner als 100° ist, insbesondere zumindest im Wesentlichen 90° beträgt, beispielsweise zwischen 89° und 91°. Die Mittelachse des Statorrückens kann insbesondere parallel zu einer Bewegungsrichtung des Rotors sein.
Typischerweise kann der Stator neben der ersten Nut, welche hierin teilweise auch vereinfachend als „die Nut“ bezeichnet wird, zumindest eine weitere konzentrische Nut aufweisen, in welcher zumindest eine weitere Windung der Ringspule aufgenommen ist. Insbesondere können sämtliche Windungen der Ringspule der elektrischen Maschine in Nuten angeordnet sein, welche den Statorrücken konzentrisch umlaufen. Der Stator kann zumindest im Wesentlichen frei von Ringspulenwindungen sein, welche sich nicht in einer den Statorrücken konzentrisch umlaufenden Nut befinden. Insbesondere kann der Stator frei von jeglichen mit Windungen einer Ringspule versehenen Vorsprüngen oder Zähnen sein. Insbesondere liegen auf den Statorzähnen keine Ringspulen vor.
Die zumindest eine weitere Windung kann mit der zumindest einen Windung, welche auch als „die zumindest eine erste Windung“ bezeichnet werden kann, in der ersten Nut mittels eines elektrischen Leiters, welcher in einem Längsschlitz aufgenommen ist, verbunden sein. Ausführungsformen stellen eine elektrische Maschine bereit, welche Wickelkopf-frei ist.
Eine mit Wickelköpfen assoziierte Verlustbildung kann mit Ausführungsformen vermieden werden. Ausführungsformen stellen typischerweise eine elektrische Maschine mit einem hohen Wirkungsgrad bereit. Zu einer Vermeidung von mit Wickelköpfen assoziierter Verlustbildung ist man mit Ausführungsformen nicht auf eine konzentrierte Wicklung und eine damit verbundene hohe Polpaarzahl angewiesen. Es kann eine elektrische Maschine bereitgestellt werden, deren Frequenz- oder Drehzahlbereich nicht durch eine hohe Polpaarzahl insbesondere in Richtung hoher Drehzahlen begrenzt ist. Im Vergleich zu einer bekannten elektrischen Maschine mit Zahnspulenwicklung kann ein Auftreten von Oberwellenfeldern im Rotor vermieden oder verringert werden. Da bei bisherigen elektrischen Maschinen mit reduzierten Wickelköpfen nur konzentrierte Wicklungen möglich waren, die hohe Polpaarzahlen und bei hohen Drehzahlen dann hohe Frequenzen mit sich brachten. Mit typischen Ausführungsformen kann eine verteilte Wicklung realisiert werden und dadurch kleine Polpaarzahlen und niedrigere Frequenzen.
Typischerweise ist die Ringspule nur um den Statorrücken gewickelt. Es kann ein einfach herzustellender Stator bereitgestellt werden. Bei typischen Ausführungsformen kann der Stator eine verteilte Wicklung aufweisen. Durch eine verteilte Wicklung kann trotz hoher Kraft- oder insbesondere Drehmomentdichte ein weitgehend sinusförmiger Verlauf einer induzierten Spannung ermöglicht werden. Es kann eine hohe Drehmomentqualität bereitgestellt werden. In weiteren Ausführungsformen kann der Stator eine konzentrierte Wicklung aufweisen.
Der Längsschlitz kann im Stator ausgebildet sein. Bei typischen Ausführungsformen ist der Längsschlitz in den Statorzähnen ausgebildet. Insbesondere bei Ausführungsformen als rotierende elektrische Maschine kann der Längsschlitz den Stator vollständig umlaufen, beispielsweise parallel zu einer Mittelachse des Stators. Der Längsschlitz kann direkt an einen Bereich eines Statorzahns angrenzen, welcher die Statorhalterung aufweist. Eine vorteilhafte elektrische Anbindung der Ringspule kann ermöglicht werden. Eine Gleichmäßigkeit der Wicklungen der Ringspule kann sichergestellt werden. Der Längsschlitz kann zumindest im Wesentlichen in einer Bewegungsrichtung des Rotors ausgerichtet sein. Bei typischen Ausführungsformen weist die zumindest eine weitere Windung einen bezüglich der zumindest einen Windung entgegengesetzten Wicklungssinn auf.
Bei typischen Ausführungsformen sind in dem Längsschlitz weniger als 10 elektrische Leiter zur Verbindung von Windungen angeordnet. Eine von einem elektrischen Strom zurückgelegte Weglänge, die nicht zu einer Kraft- oder Drehmomentbildung oder einer Erzeugung von elektrischem Strom beiträgt, kann gering gehalten werden. Es kann eine elektrische Maschine mit einem hohen Wirkungsgrad bereitgestellt werden.
Typischerweise können in dem Längsschlitz zumindest oder genau 3 Leiter angeordnet sein. Es können in dem Längsschlitz auch beispielsweise 6 oder allgemein ein ganzzahliges Vielfaches von 3 Leitern angeordnet sein. Typischerweise sind in dem Längsschlitz weniger elektrische Leiter angeordnet, als in dem Nutabschnitt oder in der ersten Nut Windungen angeordnet sind. Typischerweise können in dem Nutabschnitt oder in der Nut zumindest 10, zumindest 20 oder zumindest 50 Windungen angeordnet sein.
Typischerweise weist der Stator, insbesondere der Statorrücken, zumindest einen Kanal für ein Kühlmedium auf. Es kann eine Kühlung der Ringspule und der elektrischen Leiter realisiert werden. Bei Ausführungsformen kann eine Statorhalterung zum Halten des Stators zumindest einen Kanal für ein Kühlmedium aufweisen.
Typischerweise ist der Statorrücken oder der Stator ringförmig oder torusförmig ausgebildet. Bei Ausführungsbeispielen weist der Statorrücken die Form eines Rings auf, wobei eine Symmetrieachse des Ringes insbesondere mit einer Drehachse des Rotors übereinstimmt.
Typischerweise ist der Rotor mehrteilig ausgeführt. Es kann eine Montage der elektrischen Maschine ermöglicht werden, insbesondere auch wenn der Rotor den Stator in einer montierten Form von drei oder von vier Seiten umschließt.
Beispielsweise kann der Rotor zweiteilig oder dreiteilig ausgeführt sein. Bei weiteren Ausführungsformen ist der Rotor einteilig ausgeführt.
Typischerweise werden bei einer mehrphasigen elektrischen Maschine, wie insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, pro Phase mindestens zwei Ringspulen verwendet.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand folgender Figuren erläutert, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt einer elektrischen Maschine gemäß typischen Ausführungsformen;
2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teils eines Stators einer elektrischen Maschine in einer isometrischen Ansicht;
3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teil eines Stators in einer Draufsicht;
4 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teil eines weiteren Stators in einer Draufsicht;
5 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teil eines Rotors in einer isometrischen Ansicht; und
6 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teil eines Stators in einer Draufsicht.

Beschreibung der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden typische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wobei für gleiche oder ähnliche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden und nicht mit jeder Figur nochmals erläutert werden. Die Erfindung ist nicht auf die nachfolgend beschriebenen typischen Ausführungsbeispiele beschränkt.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt einer elektrischen Maschine 100, die als ein rotierender Elektromotor ausgebildet ist, insbesondere als permanenterregte Synchronmaschine.
Typische Merkmale der rotierenden elektrischen Maschine der 1 können auch bei als lineare elektrische Maschine ausgebildeten Ausführungsformen analog verwendet werden.
Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor 102 und einen Stator 104. Der Stator 104 umfasst einen Statorrücken 106, Statorzähne 109 und eine Ringspule 108. Der Statorrücken 106 hat die Form eines Rings. Die Ringform des Statorrückens 106 ist in dieser Querschnittsdarstellung nicht zu sehen. Der Rotor 102 ist um eine Drehachse 122 der elektrischen Maschine 100 drehbar gelagert.
Der Statorrücken 106 oder die Statorzähne 109 bestehen aus einem ferromagnetischen Material. Der Statorrücken oder die Statorzähne bestehen beispielsweise aus einem weichmagnetischen, insbesondere verpressten Pulvermaterial.
Der Stator 104 weist eine um den Statorrücken 106 konzentrisch umlaufende erste Nut 110 auf, in welcher zwei Windungen der Ringspule 108 aufgenommen sind. In dem dargestellten Querschnitt ist eine der zwei Windungen zu sehen. Die erste Nut 110 ist in einer Ebene senkrecht zu einer nicht dargestellten Mittelachse des Statorrückens 106 ausgerichtet. Die Mittelachse weist eine Krümmung auf und verläuft parallel zu einer Umfangsrichtung des Statorrückens 106.
Die erste Nut 110 umfasst einen Nutabschnitt 112, in welchem ein Abschnitt der dargestellten Windung der Ringspule 108 aufgenommen ist. Der Nutabschnitt 112 befindet sich in einem Bereich, in welchem der Statorzahn 106 mit dem Rotor 102 einen Luftspalt bildet. Die dargestellte Windung umläuft den Statorrücken 106 in der ersten Nut 110 um mehr als 300°.
Der Rotor 102 umgreift den Stator 104 von vier Seiten. Der Rotor umgibt den Stator 104 von drei Seiten mit jeweils einem Magneten 114. Der Rotor umgibt den Stator 104 von einer vierten Seite mit zwei Magneten 114. Der Rotor 102 kann zweiteilig ausgeführt sein. Eine Montage der elektrischen Maschine 100 kann ermöglicht werden, beispielsweise bei Ausführungsformen, bei denen der Rotor 102 den Stator 104 in einer montierten Form von drei oder von vier Seiten umschließt. Für eine Montage der elektrischen Maschine 100 können die beiden Teile des Rotors 102 zusammengefügt werden und den Stator 104 einschließen.
Der Rotor 102 weist einen in Umlaufrichtung ausgerichteten Schlitz 116 zur Durchführung einer Statorhalterung 118 zum Halten des Stators 104 auf.
In typischen Schlitzen des Rotors von Ausführungsformen können zusätzlich zu der Statorhalterung Strom- und Kühlwasserzuführungen angeordnet sein. Die Zuführungen können bei Ausführungsformen integral innerhalb oder mit der Statorhalterung ausgebildet sein.
Der Rotor 102 weist den Querschnitt eines geschlitzten rechteckigen Rohres auf. Durch den rechteckigen Querschnitt wird ermöglicht, dass für die Magneten 114 des Rotors plane Permanentmagneten verwendet werden können.
Bei typischen Ausführungsformen können die Ecken des Rotors abgerundet sein.
Der Stator 104 weist einen Längsschlitz 120 auf. Der Längsschlitz 120 verbindet die Nut 110 mit einer weiteren, in dem Querschnitt der 1 nicht sichtbaren, Nut des Statorrückens. Der Längsschlitz 120 ist in einer Bewegungsrichtung des Rotors 102 ausgerichtet.
Der Statorrücken 106 weist einen Kanal 107 für ein Kühlmedium auf.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teil des Stators 104 aus 1 in einer isometrischen Ansicht. Der Stator 104 weist zusätzlich zu der ersten Nut 110 eine weitere konzentrische Nut 202 auf. Ein Mittelpunkt der weiteren konzentrischen Nut 202 ist gegenüber einem Mittelpunkt der ersten Nut 110 in einer Richtung parallel zu einer Mittelachse des Statorrückens 106 versetzt angeordnet. Der Längsschlitz 120 des Stators 104 verbindet die erste Nut 110 mit der weiteren konzentrischen Nut 202.
Die erste Nut 110 umfasst zwei Windungen der Ringspule 108. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in dieser Figur nur eine Windung dargestellt. Die in der ersten Nut 110 aufgenommen Windungen der Ringspule 108 sind mit einem elektrischen Leiter 204 verbunden. Der elektrische Leiter 204 führt durch den Längsschlitz 120. Die Statorhalterung 118 weist einen Kanal 107 für ein Kühlmedium auf.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teil eines Stators in einer Draufsicht. Die Darstellung bezieht sich beispielhaft auf eine konzentrierte Wicklung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird nur eine Phase von typischerweise drei Phasen dargestellt. In der ersten Nut 110 des Stators 104 sind zwei Windungen der Ringspule 108 aufgenommen. In der weiteren konzentrischen Nut 202 sind zwei weitere Windungen der Ringspule 108 aufgenommen. Die zwei weiteren Windungen der Ringspule 108 weisen einen umgekehrten Wicklungssinn auf. Die zwei weiteren Windungen sind mit den in der ersten Nut 110 aufgenommenen Windungen mittels des elektrischen Leiters 204 verbunden. Der elektrische Leiter 204 ist in dem Längsschlitz 120 aufgenommen.
In dem vorliegenden Beispiel ist die Anzahl von in der ersten Nut 110 angeordneten Windungen um einen Faktor von 2 höher als die Anzahl an in dem Längsschlitz 120 angeordneten elektrischen Leitern 204.
Bei typischen Ausführungsformen ist die Anzahl von in der ersten Nut angeordneten Windungen um mindestens einen Faktor von 2 größer als die Anzahl der in dem Längsschlitz angeordneten elektrischen Leiter, insbesondere mindestens 3 größer oder insbesondere 5 Mal größer oder mindestens 10 Mal größer. Es kann ein Elektromotor bereitgestellt werden, bei dem ein großer Anteil der Weglänge stromführenden Materials zu einer Kraft- und insbesondere Drehmomentbildung beiträgt.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teil eines weiteren Stators 104 in einer Draufsicht. Die Darstellung bezieht sich beispielhaft auf eine verteilte Wicklung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird nur eine Phase von typischerweise drei Phasen dargestellt. Der dargestellte Stator 104 unterscheidet sich nur in der Wicklung von dem Stator aus 3. In der ersten Nut 110 sind zwei Windungen der Ringspule 108 aufgenommen. In einer weiteren konzentrischen Nut 202 sind ebenfalls zwei Windungen der Ringspule 108 aufgenommen.
Die in der ersten Nut 110 aufgenommenen Windungen der Ringspule 108 sind über einen elektrischen Leiter 204 mit einer weiteren konzentrischen Nut 202 verbunden. Zwischen der ersten Nut 110 und der weiteren konzentrischen Nut 202 wird der Statorrücken 106 von zusätzlichen Nuten umlaufen. Der elektrische Leiter 204 führt über den Längsschlitz 120 durch diese zusätzlichen Nuten hindurch. Der elektrische Leiter 204 verläuft parallel zu einer Umfangsrichtung des Statorrückens 106.
Die in der 4 dargestellten Windungen gehören alle zu einer Phase. Nicht dargestellte Windungen von weiteren Phasen können beispielsweise in den zusätzlichen Nuten zwischen der ersten Nut 110 und der weiteren konzentrischen Nut 202 aufgenommen sein.
Der Wicklungssinn der in der weiteren konzentrischen Nut 202 aufgenommenen Wicklungen ist dem Wicklungssinn der in der ersten Nut 110 angeordneten Wicklungen entgegengesetzt. In Ausführungsformen ist die elektrische Maschine dreiphasig ausgeführt und weist daher zusätzlich zu den in 3 und in 4 dargestellten Windungen noch Windungen von zwei weiteren Phasen auf.
5 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teil eines Rotors in einer isometrischen Ansicht. Der Rotor 102 ist dafür vorgesehen, einen Stator von vier Seiten zumindest teilweise zu umschließen. Der Stator ist in dieser Figur nicht dargestellt.
Die Magnete 114 des Rotors sind so orientiert, dass jeweils einer der Pole des Magneten 114 dem Stator zugewandt und der andere Pol des Magneten 114 vom Stator abgewandt ist. Grundsätzlich sind in den Figuren nicht alle Magnete mit einem Bezugszeichen versehen, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen. Die einen Abschnitt des Stators senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Rotors 102 umgebenden Magnete 114 sind jeweils so orientiert, dass dem Stator jeweils ein übereinstimmender Pol zugewandt ist.
Die Magnete 114 weisen in der Bewegungsrichtung, insbesondere einer Umfangsrichtung des Rotors, eine abwechselnde Polorientierung auf. Es sind einem ersten Abschnitt des Stators von den senkrecht zu der Bewegungsrichtung befindlichen Magneten nur Nordpole zugewandt. Einem benachbarten, in der Bewegungsrichtung versetzt angeordneten Abschnitt des Stators sind analog nur Südpole zugewandt.
6 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teil eines Stators in einer Draufsicht. Die Darstellung bezieht sich auf eine Blickrichtung parallel zu einer Drehachse 122 eines den Stator 104 umgreifenden Rotors. Der Rotor ist in dieser Figur nicht dargestellt.
Der Stator 104 ist aus keilförmigen Segmenten mit mindestens einer Nut 110 und mindestens einem Statorzahn 109 ausgebildet. Die Segmente können einstückig ausgebildet sein. Die einzelnen Segmente können aus weichmagnetischem Pulvermaterial, insbesondere aus Soft Magnetic Composites, beispielsweise über ein Pressverfahren oder additiv hergestellt sein.
Die Breite der Nut 110 kann in einer Richtung senkrecht zur Drehachse 122 gesehen einen konstanten Wert aufweisen sein. Insbesondere kann der Abstand zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 109 einen konstanten Wert aufweisen. Die Statorzähne 109 sind keilförmig. Es kann ein ringförmiger Stator realisiert werden, der insbesondere Nuten mit einer konstanten Breite aufweist.
An den Segmenten ist mindestens ein Teil einer Statorhalterung 118 zum Halten des Stators 104 ausgebildet. Die dargestellten Windungen der Ringspule 108 beziehen sich beispielhaft auf eine verteilte Wicklung.
Bezugszeichenliste

100: Elektrische Maschine
102: Rotor
104: Stator
106: Statorrücken
107: Kanal für ein Kühlmedium
108: Ringspule
109: Statorzahn
110: Erste Nut
112: Nutabschnitt
114: Magnet
116: Schlitz
118: Statorhalterung
120: Längsschlitz
122: Drehachse
202: Weitere konzentrische Nut
204: Elektrischer Leiter

Claims

Elektrische Maschine (100), insbesondere lineare oder rotierende elektrische Maschine, umfassend einen Rotor (102) und einen Stator (104) mit einem Statorrücken (106) und einer Ringspule (108), welche eine Mehrzahl den Statorrücken (106) umgreifender Windungen umfasst, wobei der Stator (104) zumindest in einem Bereich, der dafür vorgesehen ist, einen Luftspalt mit dem Rotor (102) der elektrischen Maschine (100) zu bilden, einen Nutabschnitt (112) aufweist, in welchem zumindest ein Abschnitt einer Windung der Ringspule (108) aufgenommen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Statorrücken (106) und/oder Statorzähne (109) des Stators (104) aus einem weichmagnetischen Pulvermaterial bestehen.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rotor (102) den Stator (104) von zumindest drei oder von zumindest vier Seiten umgreift.
Elektrische Maschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (102) ausgebildet ist, so dass er den Stator (104) von zumindest drei Seiten mit jeweils zumindest einem Magneten (114) umgibt.
Elektrische Maschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (102) zumindest im Wesentlichen den Querschnitt eines geschlitzten Rohres aufweist.
Elektrische Maschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (102) einen in Umlaufrichtung ausgerichteten Schlitz (116) zur Durchführung einer Statorhalterung (118) zum Halten des Stators (104) aufweist.
Elektrische Maschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (104) eine um den Statorrücken (106) konzentrisch umlaufende erste Nut (110) umfassend den Nutabschnitt (112) aufweist zur Aufnahme zumindest einer der Windungen der Ringspule (108).
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 7, wobei die erste Nut (110) in einer Ebene senkrecht zu einer Mittelachse des Statorrückens (106) ausgerichtet ist.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Windung um zumindest 330° in der ersten Nut (110) um den Statorrücken (106) umläuft.
Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Stator (104) neben der ersten Nut (110) zumindest eine weitere konzentrische Nut (202) aufweist, in welcher zumindest eine weitere Windung der Ringspule (108) aufgenommen ist, wobei die zumindest eine weitere Windung mit der zumindest einen Windung in der ersten Nut (110) mittels eines elektrischen Leiters (204), welcher in einem Längsschlitz (120) aufgenommen ist, verbunden ist, wobei der Längsschlitz (120) im Stator (104) ausgebildet ist und zumindest im Wesentlichen in einer Bewegungsrichtung des Rotors (102) ausgerichtet ist.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 10, wobei in dem Längsschlitz (120) weniger elektrische Leiter (204) als in dem Nutabschnitt (112) und/oder in der ersten Nut (110) Windungen angeordnet sind.
Elektrische Maschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Nutabschnitt (112) und/oder in der Nut (110) zumindest 10 Windungen angeordnet sind.
Elektrische Maschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (104) zumindest einen Kanal (107) für ein Kühlmedium aufweist.
Elektrische Maschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Statorrücken (106) ringförmig oder torusförmig ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (102) mehrteilig ausgeführt ist.