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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Elektronisch kommutierte Elektromotoren sind in vielfältigen Bauformen bekannt und werden beispielsweise in Form von Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken verwendet. Diese Motoren sind langlebig und verschleißarm, da sie elektronisch kommutiert werden, wobei die einzelnen Phasen der Statorwicklungen in Abhängigkeit von der Rotorposition bestromt werden. Die mehreren, beispielsweise drei Phasen der Statorwicklungen erzeugen bei entsprechender Bestromung ein magnetisches Feld, das auf einen magnetbestückten Rotor wirkt, der dadurch in Rotation versetzt wird. Jede Phase weist mindestens einen Strang auf, der mehrere Wicklungen umfasst, die auf entsprechenden Statorzähnen des Stators angeordnet sind.
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Bei einem Stator mit beispielsweise sechs Nuten und derselben Anzahl von Statorzähnen und drei Phasen werden die Wicklungen eines Stranges jeweils auf jedem dritten Statorzahn des Stators angeordnet. Die jeweiligen Wicklungen eines Stranges bestehen aus einem Wicklungsdraht, der an den Stirnseiten des Stators von Wicklung zu Wicklung geführt wird und dabei teilweise quer über den Stator geführt werden muss. Bei konventionellen Wicklungsanordnungen werden die Wicklungsdrähte teilweise über die obere und die untere Stirnseite des Stators geführt, was die Wicklungshöhe und die Höhe des gesamten Stators vergrößert.
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Ferner ist es bekannt, das am Stator entsprechende Mittel zur Führung der Wicklungsdrähte vorgesehen sind, die Teil eines separaten Spulenträgers oder des Statorkerns sind, wie es in der
DE 10 2006 037 758 A1 offenbart ist. Ein derartiger Statorkern bzw. Spulenträger erhöht die Kosten und Bauhöhe des Stators. Ferner ist ein erhöhter Wickelaufwand erforderlich.
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Ein bürstenloser, dreiphasiger Elektromotor mit sechs Nuten und zwei Magnetpolen ist offenbart im Buch „Brushless Permanent Magnet Motor Design“ des Autors Duane Hanselmann, erschienen im Jahr 2006 im Verlag Magna Physics Publishing in der 2. Auflage auf den Seiten 5 bis 9. Die Statorwicklungen jeder Phase liegen sich dabei stets gegenüber und sind gegensinnig bewickelt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Stator für eine elektrische Maschine anzugeben, der ein platzsparendes und kostengünstiges Wicklungsschema umfasst.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und andere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Stator für eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine umfasst einen Statorkern mit sechs Nuten und sechs Statorzähnen, wobei der Stator drei jeweils einer Phase zugeordnete Stränge aufweist, wobei jedem Strang mindestens zwei Wicklungen zugeordnet sind, die auf mindestens zwei jeweils einer Phase zugeordneten Statorzähnen angeordnet sind, wobei die Wicklungen jedes Strangs einen gemeinsamen Wicklungsdraht umfassen.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Wicklungsdraht des ersten Strangs mindestens einmal (eine Windung) um jeden Statorzahn geführt ist, und dass der Wicklungsdraht des zweiten Strangs mindestens einmal (eine Windung) um jeden Statorzahn geführt ist, und dass der Wicklungsdraht des dritten Strangs mindestens einmal (eine Windung) um vier aufeinanderfolgende Statorzähne geführt ist.
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Durch die Führung der Wicklungsdrähte jeweils entlang und um aufeinanderfolgende Statorzähne des Stators werden Überquerungen des Mittenbereichs des Stators vermieden. Außerdem wird zur Führung der Wicklungsdrähte kein separater Spulenträger benötigt. Insgesamt wird somit eine minimale Wicklungshöhe bzw. Bauhöhe des Stators erreicht, was den benötigten Bauraum minimiert und die Gefahr von Kurzschlüssen und Spannungsüberschlägen verringert. Zudem sind keine Zusatzkosten für den Spulenträger notwendig.
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Der Wicklungsdraht von zumindest zwei Strängen wird insbesondere zur Überbrückung der Strecke von einer Wicklung bis zur nächsten Wicklung des Stranges mit jeweils einer Windung um die Statorzähne der anderen Phasen geführt.
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Die Wicklungen der einzelnen Stränge sind vorzugsweise so gewickelt, dass die Enden der Wicklungsdrähte der einzelnen Stränge an vier aufeinanderfolgenden benachbarten Nuten austreten. Dies erleichtert den elektrischen Anschluss der Wicklungen. Jeder Strang umfasst zwei Enden, wobei jeweils ein Ende der Wicklungsdrähte jedes Stranges an derselben Nut austritt und vorzugweise einen gemeinsamen zentralen elektrischen Anschluss bildet.
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Erfindungsgemäß sind die Wicklungen jedes Stranges durchgehend gewickelt und umfassen vorzugsweise einen durchgehenden Wicklungsdraht. Alle Wicklungen des Stators sind gleichsinnig gewickelt.
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Vorzugsweise können die Stränge des Stators in einer Sternschaltung geschaltet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Stator sechs Nuten mit drei Strängen die den 3 Phasen zugeordnet werden, wobei jede Phase oder jeder Strang aus 2 Spulen besteht (6 Zähne / 3 Phasen = 2 Spulen pro Phase). Gemäß dieser Ausgestaltung sind die Wicklungen des ersten Stranges, des zweiten Stranges und des dritten Stranges jeweils abwechselnd auf jedem dritten Zahn des Stators angeordnet.
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Der erfindungsgemäße Stator wird in einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, vorzugsweise einem Spindelmotor, eingesetzt, wobei der Stator mit einem Rotor gepaart ist, der relativ zum Stator drehbar gelagert ist. Der Rotor umfasst einen Rotormagneten mit vorzugweise vier Magnetpolen. Die Wicklungen der Stränge werden in einer vorgegebenen Abfolge bestromt und versetzen den Rotor in Drehung.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt ein Wickelschema für einen Stator gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
- 2 zeigt eine Aufsicht auf den Stator mit sechs Nuten, wie er in einem Spindelmotor mit einem vierpoligen Rotormagneten eingesetzt werden kann.
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1 zeigt ein Wickelschema eines Stators 10 gemäß der Erfindung zum Betrieb eines entsprechenden elektronisch kommutierten Spindelmotors in Sternschaltung. Der Stator 10 weist sechs Nuten 1 bis 6 und somit sechs Statorzähne P1 bis P6 auf. Ferner sind die Oberseite 10a und die Unterseite 10b des Stators 10 angedeutet. Die jeweiligen den drei Phasen zugeordneten Stränge sind mit U, V und W bezeichnet. Das Wickelschema wird anhand einer möglichen Wickelreihenfolge erklärt. Die Pfeile im Wickelschema zeigen die Wickelrichtung der Wicklungsdrähte 12, 14, 16 um die Statorzähne P1 bis P6 an.
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Die Statorzähne P1 bis P6 und die dazwischen liegenden Nuten 1 bis 6 des Stators sind nebeneinander aufgereiht dargestellt. Die einzelnen Wicklungsdrähte 12, 14, 16 der einzelnen Stränge U, V, W sind durch eine entsprechende durchgezogene oder strichlierte oder strichpunktierte Linie dargestellt. Die einzelnen Wicklungsdrähte 12, 14, 16 bestehen vorzugsweise aus einem Drahtstück. In diesem Ausführungsbeispiel ist als Schaltsequenz, d. h. die Reihenfolge der Bestromung der einzelnen von links nach rechts verlaufenden Phasen U, V, W, für die Wicklungsdrähte eine umgekehrte Sequenz W-V-U gewählt, die in der Zeichnung von rechts nach links verläuft. Dies erleichtert die Motorsteuerung und verbessert die Symmetrie der Wicklung.
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Die Wickelrichtung 18 erfolgt im Uhrzeigersinn. Ausgehend vom Anschluss (Start) des Stranges U, der in der Nut 4 von unten in den Stator 10 eingeführt wird, wird auf den Statorzahn P4 zunächst die erste Wicklung U1 des Stranges U mit einer vorgegebenen Anzahl von Windungen gewickelt. Der Wicklungsdraht 12 tritt an der Oberseite 10a des Stators aus der Nut 4 aus und wird entlang der Oberseite 10a des Stators 10 bis zur übernächsten Nut 6 geführt. Der Wicklungsdraht 12 wird durch die Nut 6 im Uhrzeigersinn um den Statorzahn P5 herum geführt und durch die Nut 5 wieder auf die Oberseite 10a des Stators 10 geführt. Dann wird der Wicklungsdraht 12 an der Oberseite 10a des Stators bis zur Nut 1 geführt und durch die Nut 1 auf die Unterseite 10b des Stators geführt, um den Statorzahn P6 herum und durch die Nut 6 wieder auf die Oberseite 10a des Stators geführt.
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Danach wird der Wicklungsdraht 12 entlang der Oberseite 10a des Stators bis zum Statorzahn P1 geführt, der mit einer zweiten Wicklung U2 bestehend aus einer vorgegebenen Anzahl von Windungen bewickelt wird. Nachfolgend wird der Wicklungsdraht 12 jeweils an der Oberseite 10a des Stators nacheinander zu den Statorzähnen P2 und P3 geführt und um die Statorzähne P2 und P3 herumgeführt, so dass sie jeweils mit einer Windung des Wicklungsdrahts 12 bewickelt sind. Schließlich wird der Wicklungsdraht 12 weiter entlang des Statorzahns P4 auf der Oberseite 10a des Stators 10 geführt und durch die Nut 5 an der Unterseite 10b des Stators an einem gemeinsamen Mittenanschluss COM herausgeführt (End). Der Mittenabschluss COM ist in der Nut 6 zwischen den Statorzähnen P4 und P5 angeordnet.
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Der zur Phase V zugehörige Wicklungsdraht 14 wird von der Unterseite 10b des Stators durch die Nut 3 auf die Oberseite 10a des Stators geführt und dort entlang der Statorzähne P3 und P4 bis zur Nut 5. Nachfolgend wird der Wicklungsdraht 14 durch die Nut 5 hindurch auf die Unterseite 10b geführt und um den Statorzahn P4 herum wieder auf die Oberseite 10a und weiter zum Statorzahn P5 geführt. Auf den Statorzahn P5 wird die erste Wicklung V1 des Stranges V mit einer vorgegebenen Anzahl von Windungen gewickelt. Danach tritt der Wicklungsdraht 14 an der Oberseite 10a des Stators aus der Nut 5 aus und wird entlang der Oberseite 10a des Stators bis zur Nut 1 geführt. Nachfolgend wird der Wicklungsdraht 14 durch die Nut 1 hindurch auf die Unterseite 10b des Stators geführt und um den Statorzahn P6 herum und durch die Nut 6 wieder auf die Oberseite 10a des Stators geführt.
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Danach wird der Wicklungsdraht 14 entlang der Oberseite 10a des Stators bis zur Nut 2 und durch die Nut 2 auf die Unterseite 10b des Stators geführt, um den Statorzahn P1 herum und durch die Nut 1 wieder auf der Oberseite 10a des Stators herausgeführt. Dann wird der Wicklungsdraht 14 weiter entlang der Oberseite 10a des Stators bis zum Statorzahn P2 geführt, der mit einer zweiten Wicklung V2 des Stranges V, bestehend aus einer vorgegebenen Anzahl von Windungen, bewickelt wird. Nachfolgend wird der Wicklungsdraht 14 an der Oberseite 10a des Stators zum Statorzahn P3 geführt, der mit einer Windung bewickelt wird. Schließlich wird der Wicklungsdraht 14 weiter entlang des Statorzahns P4 auf der Oberseite 10a des Stators 10 weitergeführt und durch die Nut 5 an der Unterseite 10b des Stators an dem gemeinsamen Mittenanschluss COM herausgeführt.
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Die dritte Phase W ist anders gewickelt als die beiden Phasen U und V. Der zur Phase W zugehörige Wicklungsdraht 16 wird von der Unterseite 10b des Stators durch die Nut 2 eingeführt und auf der Oberseite 10a entlang des Statorzahns P2 zum Statorzahn P3 geführt. Auf dem Statorzahn P3 wird zunächst die erste Wicklung W2 des Stranges W mit einer vorgegebenen Anzahl von Windungen gewickelt. Danach tritt der Wicklungsdraht 16 an der Oberseite 10a des Stators aus der Nut 3 aus und wird entlang der Oberseite 10a des Stators bis zur Nut 5 geführt. Der Wicklungsdraht 16 wird durch die Nut 5 auf die Unterseite 10b des Stators geführt und um den Statorzahn P4 herum durch die Nut 4 wieder auf die Oberseite 10a des Stators geführt.
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Danach wird der Wicklungsdraht 16 entlang der Oberseite 10a des Stators bis zur Nut 6 und durch die Nut 6 auf die Unterseite 10b des Stators geführt, um den Statorzahn P5 herum und durch die Nut 5 wieder auf die Oberseite 10a des Stators geführt. Nachfolgend wird der Wicklungsdraht 16 entlang der der Oberseite 10a des Stators bis zum Statorzahn P6 geführt, der mit einer zweiten Wicklung W1 der Phase W bestehend aus einer vorgegebenen Anzahl von Windungen bewickelt wird. Schließlich wird der Wicklungsdraht 16 an der Oberseite 10a des Stators zurück zum Statorzahn P5 geführt und durch die Nut 5 an der Unterseite 10b des Stators 10 an dem gemeinsamen Mittenanschluss COM herausgeführt.
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2 zeigt eine Aufsicht auf die Oberseite 10a eines Stators 10 mit sechs Nuten, wie er für die Erfindung verwendet werden kann. Der Stator 10 umfasst einen ringförmigen Statorkern, an dem sechs radial nach außen abstehende Statorzähne P1 bis P6 verteilt über den Umfang angeordnet sind. Der Stator 10 ist beispielsweise dreisträngig ausgebildet und umfasst pro Strang U, V, W jeweils zwei Wicklungen U1, U2 und V1, V2 und W1, W2, die jeweils abwechselnd auf den Statorzähnen P1 bis P6 angeordnet sind. Es wird für die Wicklungen jedes Stranges U, V, Wein durchgehender Wicklungsdraht 12, 14, 16 verwendet.
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In 2 ist beispielhaft lediglich die Führung des Wicklungsdrahts 12 des Stranges U dargestellt. Die Wickelrichtung um die Statorzähne P1 bis P6 erfolgt im Uhrzeigersinn, die Führung des Wicklungsdrahts entlang des Umfangs des Stators 10 gegen den Urzeigersinn. Ausgehend vom Anschluss U des Stranges U, der in der Nut 4 von unten in den Stator 10 eingeführt wird, wird auf den Statorzahn P4 zunächst die erste Wicklung U1 des Stranges U mit einer vorgegebenen Anzahl von Windungen gewickelt.
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Danach tritt der Wicklungsdraht 12 an der Oberseite 10a des Stators aus der Nut 4 aus und wird entlang der Oberseite 10a des Stators bis zur Nut 6 geführt. Der Wicklungsdraht 12 wird durch die Nut 6 auf die Unterseite 10b des Stators geführt und eine Windung um den Statorzahn P5 herum und durch die Nut 5 wieder auf die Oberseite 10a des Stators geführt, wo er durch die Nut 1 wiederum auf die Unterseite 10b des Stators, um den Statorzahn P6 herum und durch die Nut 6 wieder auf der Oberseite 10a des Stators geführt wird.
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Dann wird der Wicklungsdraht 12 entlang der Oberseite 10a des Stators bis zum Statorzahn P1 geführt, der mit einer zweiten Wicklung U2, bestehend aus einer vorgegebenen Anzahl von Windungen, bewickelt wird. Danach wird der Wicklungsdraht 12 an der Oberseite 10a des Stators zum Statorzahn P2 geführt, der mit einer Windung bewickelt und dann an der Oberseite 10a weiter zum Statorzahn P3 geführt, der ebenfalls mit einer Windung bewickelt wird. Schließlich wird Wicklungsdraht 12 weiter auf der Oberseite 10a des Stators 10 entlang des Statorzahns P4 geführt und durch die Nut 5 an der Unterseite 10b des Stators an einem gemeinsamen Mittenanschluss COM herausgeführt.
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Der Stator 10 kann Teil eines Spindelmotors sein, der als Außenläufer ausgebildet ist. Hierbei ist der Stator 10 getrennt durch einen Luftspalt 22 von einem Rotor 20 umgeben, der einen Rotormagneten 24 umfasst. Der Rotormagnet 24 weist vorzugsweise vier Magnetpole auf, so dass es sich um einen Elektromotor mit vier Polen und sechs Nuten handelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1-6
- Nuten
- 10
- Stator
- 10a
- Oberseite (Stator)
- 10b
- Unterseite (Stator)
- 12
- Wicklungsdraht U
- 14
- Wicklungsdraht V
- 16
- Wicklungsdraht W
- 18
- Wickelrichtung
- 20
- Rotor
- 22
- Luftspalt
- 24
- Rotormagnet
- P1-P9
- Statorzähne
- U1, U2
- Wicklungen (Strang U)
- V1, V2
- Wicklungen (Strang V)
- W1, W2
- Wicklungen (Strang W)
- COM
- gemeinsamer Anschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006037758 A1 [0004]
