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Die Erfindung betrifft einen Klauenpolstator (1), mit Klauenpolblechen (2), welche mehrere Klauenpole (3) aufweisen, einem Rückschlussring (4), einer Isolierung (5) und einer Statorwicklung (6), wobei die Klauenpolbleche (2) und der Rückschlussring (4) aus weichmagnetischem Material bestehen.
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Ein Klauenpolstator bildet zusammen mit einem Permanentmagnetrotor einen Klauenpolmotor. Klauenpolmotoren sind bauartbedingt in der Regel als Zweiphasenmotoren ausgebildet, wobei eine oder mehrere zylindrische Statorspulen abwechselnd ein und ausgeschaltet oder regelmäßig umgepolt werden. Der Permanentmagnetrotor folgt dem hierbei entstehenden Wechselfeld. Wechselfelder verursachen in Klauenpolstatoren durch die elektromagnetische Induktion Wirbelströme im Stator, insbesondere in einem Rückschlussring. Als Rückschlussring dient aus wirtschaftlichen und herstellungsbedingt meist ein kurzes Weicheisenrohr oder ein zu einem Ring gebogener Weicheisenblechstreifen. Bei Elektromotoren mit ausgeprägten Statorpolen und mehrphasigem Aufbau ist der Stator meist als Blechstapel aus identischen gegeneinander elektrisch isolierten Blechen zusammengesetzt, wobei die einzelnen Bleche sowohl Polbereiche als auch einen Rückschlussringbereich aufweisen. Durch die Isolation zwischen den Blechen wird hierbei der Entstehung von Wirbelströmen entgegengewirkt. Bei Klauenpolstatoren dient oft nur ein einziges Blech als Rückschlussring, welches zudem eine größere Blechdicke aufweist als übliche Einzelbleche eines Blechpakets. Deshalb entstehen bei Klauenpolstatoren verhältnismäßig hohe Wirbelstromverluste, die in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben werden müssen.
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Die
DE 699 27 564 T2 offenbart einen Klauenpol-Dynamo für ein Fahrrad mit einem Klauenpolstator mit Klauenpolblechen, welche mehrere Klauenpole aufweisen, einem Rückschlussring, einer Isolierung und einer Statorwicklung, wobei die Klauenpolbleche und der Rückschlussring aus weichmagnetischem Material, das auf einem Eisen basiert bzw. siliziumhaltige Stahlbleche besteht, wobei sich die Materialzusammensetzung der Klauenpolbleche von der Materialzusammensetzung des Rückschlussrings derart unterscheidet, dass die elektrische Leitfähigkeit des Rückschlussrings deutlich reduziert ist.
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Aus der
US 2015/0048708A1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine bekannt, umfassend Klauenpolbleche, welche mehrere Klauenpole aufweisen, einem Rückschlussring, einer Isolierung und einer Statorwicklung, wobei die Klauenpolbleche und der Rückschlussring aus weichmagnetischem Material, das auf einem Eisen basiert bzw. siliziumhaltige Stahlbleche besteht, wobei sich die Materialzusammensetzung der Klauenpolbleche von der Materialzusammensetzung des Rückschlussrings derart unterscheidet, dass die elektrische Leitfähigkeit des Rückschlussrings deutlich reduziert ist.
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Das Lehrbuch IVERS-TIFFÉE, Ellen ; von MÜNCH, Waldemar: Werkstoffe der Elektrotechnik. 10., überarbeitete und erweiterte Auflage. Wiesbaden : Teubner Verlag, 2007 - ISBN 978-3-8351-0052-7 gibt in dem Abschnitt von Seite 197 bis 199 werkstoffspezifische Werte der magnetischen Permeabilität von Elektroblechen mit unterschiedlichem Siliziumgehalt an.
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Aus der
DE 10 2010 019 502 A1 ist eine Pumpe mit einem Klauenpolstator mit Klauenpolblechen, welche mehrere Klauenpole aufweisen, einem Rückschlussring, einem Kunststoffformkörper und einer Wicklung bekannt, wobei die Klauenpolbleche und der Rückschlussring aus weichmagnetischem Material besteht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher bei einem Klauenpolstator für eine Reduzierung der entstehenden Wirbelströme zu sorgen, ohne einen größeren Herstellungsaufwand hierfür in Kauf nehmen zu müssen
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Klauenpolstators aus Anspruch 1 und der Kreiselpumpe aus Anspruch 5 gelöst. Da die Wirbelströme bei einem Klauenpolstator hauptsächlich im Rückschlussring entstehen, wird vorgeschlagen, dass sich die Materialzusammensetzung der Klauenpolbleche (2) von der Materialzusammensetzung des Rückschlussrings (4) derart unterscheidet, dass die elektrische Leitfähigkeit des Rückschlussrings (4) deutlich reduziert ist. Bauartbedingt müssen die Klauenpolbleche und der Rückschlussring (4) ohnehin aus zwei getrennten Bauteilen zusammengesetzt werden, um den Klauenpolstator (1) mit einer Wicklung (6) zu versehen. Deshalb bedeutet es keinen wesentlichen Mehraufwand für diese unterschiedlichen Bauteile unterschiedliche Materialien einzusetzen. Durch die reduzierte elektrische Leitfähigkeit des Rückschlussrings wird auch der Entstehung von Wirbelströmen entgegengengewirkt. Dadurch entstehen weniger Wirbelströme und dadurch weniger Eisenverluste. Im Allgemeinen besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand und den Wirbelströmen, die entstehen können. Höhere Frequenzen wirken sich sogar quadratisch auf die Intensität der Wirbelströme aus. Eine alternative Möglichkeit, die elektrische Leitfähigkeit eines Rückschlussrings zu verringern, besteht darin dieses aus einem SMC-Material (soft magnetic composite) herzustellen. Hierfür ist eine Mindestdicke der Rückschlusswandung einzuhalten. Daher wird diese Lösung für größere Motortypen oder bei ausreichend verfügbarem Bauraum eingesetzt. Der Rückschlussring von Klauenpolstatoren kann bekanntermaßen auch aus zumindest zwei Einzelblechen zusammengesetzt sein, um die Bleche einfacher umformen zu können und um die Entstehung von Wirbelströmen zu verringern. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, dass der Rückschlussring (4) aus zwei Einzelringen (14, 15) besteht. Dabei kann entweder nur ein Einzelblech oder vorzugsweise beide Einzelbleche aus einer Materialzusammensetzung mit höherem Siliziumanteil bestehen.
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In Weiterbildung dieses Merkmals wird angestrebt, dass die magnetische Leitfähigkeit des Rückschlussrings (4) gegenüber der magnetischen Leitfähigkeit der Klauenpolbleche (2) nicht oder nur geringfügig geringer ist. Nur auf diese Weise ist ein Vorteil gegenüber herkömmlichen Klauenpolstatoren erreichbar.
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Es ist bekannt, dass ein höherer Siliziumanteil als Legierungsbestandteil eine geringere elektrische Leitfähigkeit des Materials zur Folge hat, daher wird vorgeschlagen, dass der Siliziumanteil an der Materialzusammensetzung des Rückschlussrings (4) gegenüber dem Siliziumanteil der Klauenpolbleche (2) deutlich erhöht ist. Gewöhnliche Rückschlussbleche weisen einen Siliziumanteil von beispielsweise 1 bis 2% auf. Für den Rückschlussring wird ein Siliziumanteil von 3% und mehr vorgeschlagen. Klauenpolbleche werden häufig durch Tiefziehen und anschließendes Stanzen der tiefgezogenen Bleche hergestellt. Da Silizium eine höhere Sprödigkeit des Materials verursacht, ist es für die Verwendung bei den Klauenpolblechen daher ungeeignet. Generell vergrößert ein höherer Siliziumanteil die relative Permeabilität, die Sättigungsflussdichte wird dagegen reduziert. Bei den üblichen Anwendungen sind die Materialquerschnitte jedoch ausreichend groß um diesen Effekt zu kompensieren.
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Die Feldliniendichte des Magnetfelds nimmt innerhalb eines Klauenpols zum Ende des Klauenpols hin ab, weil in jedem Abschnitt des Klauenpols Feldlinien durch einen Luftspalt in den Permanentmagnetrotor abgeleitet werden. Es ist deshalb nicht notwendig, dass der Querschnitt der Klauenpole über ihre gesamte Länge gleich bleibt. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, dass jedes Klauenpolblech (2) aus zwei Einzelblechen (12, 13) zusammengesetzt ist, wobei die Klauenpole (3) jedes Einzelblechs (12, 13) mit einem Klauenpol (3) eines zweiten Einzelblechs korrespondiert. Zudem sollen die Klauenpolbleche unterschiedliche Gestalt haben, wobei die Klauenpole in einem der Klauenpolbleche generell kürzer ausgebildet sind als die Klauenpole des zweiten Klauenpolblechs.
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Es ist bekannt, dass bei einfachen Kreiselpumpen Klauenpolstatoren eingesetzt (1) werden. Diese Klauenpolstatoren weisen Klauenpolbleche (2) mit mehreren Klauenpolen (3) auf. Weiter haben sie einen Rückschlussring (4), eine Isolierung (5) und eine Statorwicklung (6), wobei die Klauenpolbleche (2) und der Rückschlussring (4) aus weichmagnetischem Material bestehen. Um den Wirkungsgrad der Kreiselpumpen, insbesondere dessen Antriebs zu erhöhen wird vorgeschlagen, dass sich die Materialzusammensetzung der Klauenpolbleche (2) von der Materialzusammensetzung des Rückschlussrings (4) derart unterscheidet, dass die elektrische Leitfähigkeit des Rückschlussrings (4) deutlich reduziert ist.
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Die Merkmale, die für die Weiterbildung des Klauenpolstators aufgeführt wurden, können auch für den Kreiselpumpenmotor mit Klauenpolstator übernommen werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1a einen Klauenpolstator vor einem endmontierten Zustand,
- 1b den Klauenpolstator aus 1a in einem montierten Zustand,
- 2 eine Kreiselpumpe mit einem Einzelklauenpolstator,
- 3 ein Doppelklauenpolblech,
- 4 zwei ineinandergreifende Doppelklauenpolbleche,
- 5 einen Doppelrückschlussring,
- 6 einen bewickelten Doppelklauenpolstator ohne Rückschlussring und,
- 7 eine Kreiselpumpe mit einem Doppelklauenpolstator.
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Hinweis: Bezugszeichen mit Index und entsprechende Bezugszeichen ohne Index bezeichnen namensgleiche Einzelheiten in den Zeichnungen und der Zeichnungsbeschreibung. Es handelt sich dabei um die Verwendung in einer anderen Ausführungsform, dem Stand der Technik und/oder die Einzelheit ist eine Variante. Die Ansprüche, die Beschreibungseinleitung, die Bezugszeichenliste und die Zusammenfassung enthalten der Einfachheit halber nur Bezugszeichen ohne Index.
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1a und 1b zeigen einen Klauenpolstator 1, mit Klauenpolblechen 2, Klauenpolen 3, einem Rückschlussring 4, einem Isolierstoffkörper 5 und Schneidklemmkontakten 7. Die Schneidklemmkontakte 7 sind in Aufnahmeschächten 8 des Isolierstoffkörpers eingesteckt und mit einem Wicklungsdraht (nicht dargestellt) elektrisch verbunden. Die Aufnahmeschächte 8 erstrecken sich in achsparalleler Richtung. Der Rückschlussring 4 ist durch Umformen von Haltezungen 9 und Haltebrücken 10 formschlüssig mit den Klauenpolblechen 2 und dem Isolierstoffkörper 5 verbunden. Der Isolierstoffkörper 5 ist durch Umspritzen der Klauenpolbleche 2 hergestellt und mit den Klauenpolblechen 2 gefügt. Der Rückschlussring 4 weist einen deutlich höheren Siliziumgehalt auf als die Klauenpolbleche 2, daher ist die elektrisch Leitfähigkeit des Rückschlussrings 4 gegenüber den Klauenpolblechen 2 deutlich reduziert. Dadurch entstehen weniger starke Wirbelströme und entsprechend weniger Eisenverluste, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Klauenpolmotors erhöht wird.
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1a zeigt den Klauenpolstator 1 vor einem endmontierten Zustand, in welchem der Rückschlussring 4 noch nicht mit den Klauenpolblechen 2 verbunden ist.
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1b zeigt den Klauenpolstator 1 in einem endmontierten Zustand. Eine Freisparung 11 (1a) erlaubt eine Durchmesserreduzierung des Rückschlussrings 4 welche durch nach innen Biegen der Haltebrücken 10 erfolgt. In axialer Richtung ist der Rückschlussring sowohl durch nach innen gebogene Haltezungen 9 als auch durch die nach innen gebogenen Haltebrücken 10 formschlüssig gehalten.
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2 zeigt eine Kreiselpumpe 20 mit einem Klauenpolstator 1, der als Einzelklauenpolstator ausgebildet ist. Der Klauenpolstator 1a ist auf einem Spalttopf 22 aus einem Kunststoffmaterial montiert. Der Spalttopf 22 ist Teil eines Gehäuses 23. Ein Pumpenraum 24 der Kreiselpumpe 20 wird durch den Spalttopf 22 und einem Pumpenkopf 25 begrenzt. Im Pumpenraum 24 ist ein Permanentmagnetrotor 26 drehbar aufgenommen. Der Permanentmagnetrotor 26 weist einen Permanentmagnetring 27, eine Hohlwelle 30, ein Lager 31 und ein Pumpenlaufrad 28 auf. Der Permanentmagnetrotor 26 ist auf einer Achse 32 gelagert, welche einerseits im Spalttopf 22 und andererseits im Pumpenkopf 25 befestigt ist. Der Klauenpolstator weist Klauenpolbleche 2, eine Wicklung 6, einen Isolierstoffkörper 5, einen Rückschlussring 4 und Schneidklemm-Kontakte 7 auf. Die Schneidklemm-Kontakte 7 sind in eine Leiterplatte 19 eingepresst. Der Rückschlussring 4 besteht aus einem weichmagnetischen Material mit einem deutlich höheren Siliziumanteil als die Klauenpolbleche 2. Der Klauenpolstator 1 und die Leiterplatte 19 sind in einem Trockenraum 33 angeordnet, welcher durch den Spalttopf 22 und einem Motorgehäuse 29 geschlossen ist.
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3 zeigt ein Doppelklauenpolblech 2a, bestehend aus zwei Einzelblechen, nämlich einem inneren Einzelblech 12a und einem äußeren Einzelblech 13a. Das innere Einzelblech 12a hat längere Klauenpole 3a. Das äußere Einzelblech 13a hat kürzere Klauenpole.
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4 zeigt zwei Doppelklauenpolbleche 2a vor einem Umspritzverfahren, bei welchem die Klauenpolbleche zueinander und zu einem Isolierstoffkörper fixiert werden. Es sind jeweils innere Einzelbleche 12a und äußere Einzelbleche 13a dargestellt.
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5 zeigt einen Doppelrückschlussring, welcher aus einem inneren Einzelring 14b und einem äußeren Einzelring 15b besteht. Die beiden Einzelringe 14b, 15b sind einerseits durch eine Vernippelung 16b und andererseits durch eine Schweißnaht 17b miteinander verbunden. Die Schweißnaht wird dabei erst nach der Montage auf den Klauenpolstator 1b (6) hergestellt (im Gegensatz zur Darstellung in 5). Das Material des Rückschlussrings 4b weist einen deutlich höheren Siliziumanteil auf als die Klauenpolbleche 2b des Stators 1b.
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6 zeigt einen Klauenpolstator 1b ohne Rückschlussring (siehe 5). Dadurch ist eine Wicklung 6b zu erkennen, die auf einen Isolierstoffkörper 5b gewickelt ist und an Schneidklemm-Kontakten 7b elektrisch kontaktiert ist. Im Isolierstoffkörper 5b sind Klauenpolbleche 2b eingebettet, welche Pole 3b aufweisen. Der Isolierstoffkörper 5b weist Aufnahmeschächte 8b für die Schneidklemm-Kontakte 7 auf. Weiter sind stiftartige Aufnahmen 18 für eine Leiterplatte 19 (siehe 7) und ein Steckkontakt 21b dargestellt.
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7 zeigt eine Kreiselpumpe 20a mit einem Klauenpolstator 1c, der als Doppelklauenpolstator ausgebildet ist. Der Klauenpolstator 1c ist auf einem Spalttopf 22c aus einem Kunststoffmaterial montiert. Der Spalttopf 22c ist Teil eines Gehäuses 23c. Ein Pumpenraum 24c der Kreiselpumpe 20c wird durch den Spalttopf 22c und einem Pumpenkopf 25c begrenzt. Im Pumpenraum 24c ist ein Permanentmagnetrotor 26c drehbar aufgenommen. Der Permanentmagnetrotor 26c weist einen Permanentmagnetring 27c, eine Hohlwelle 30c, ein Lager 31c und ein Pumpenlaufrad 28c auf. Der Permanentmagnetrotor 26a ist auf einer Achse 32c gelagert, welche einerseits im Spalttopf 22c und andererseits im Pumpenkopf 25c befestigt ist. Der Klauenpolstator 1c weist Klauenpolbleche 2c, eine Wicklung 6c, einen Isolierstoffkörper 5c und einen Rückschlussring 4c auf. Der Rückschlussring 4c ist einteilig ausgeführt und besteht aus einem weichmagnetischen Material mit einem deutlich höheren Siliziumanteil als die Klauenpolbleche 2c. Der Klauenpolstator 1c und die Leiterplatte 19c sind in einem Trockenraum 33c angeordnet, welcher durch den Spalttopf 22c und einem Motorgehäuse 29c geschlossen ist. Ein Anschlusskontakt 34c ist in die Leiterplatte 19c eingepresst und führ zu einem Steckerschacht (nicht dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Klauenpolstator
- 2
- Klauenpolblech
- 3
- Klauenpol
- 4
- Rückschlussring
- 5
- Isolierstoffkörper
- 6
- Wicklung
- 7
- Schneidklemm-Kontakt
- 8
- Aufnahmeschacht
- 9
- Haltezunge
- 10
- Haltebrücke
- 11
- Freisparung
- 12
- inneres Einzelblech
- 13
- äußeres Einzelblech
- 14
- innerer Einzelring
- 15
- äußerer Einzelring
- 17
- Schweißnaht
- 18
- stiftartige Aufnahmen
- 19
- Leiterplatte
- 20
- Kreiselpumpe
- 21
- Steckkontakt
- 22
- Spalttopf
- 23
- Gehäuse
- 24
- Pumpenraum
- 25
- Pumpenkopf
- 26
- Permanentmagnetrotor
- 27
- Permanentmagnetring
- 28
- Pumpenlaufrad
- 29
- Motorgehäuse
- 30
- Hohlwelle
- 31
- Lager
- 32
- Achse
- 33
- Trockenraum
- 34
- Anschlusskontakt
