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Geänderte Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer Statoranordnung und einer Rotoranordnung, wobei die Statoranordnung und/oder die Rotoranordnung zumindest eine Spule aufweist.
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Die
CA 2 790 300 C offenbart einen Elektromotor mit einem Stator, der mehrere Statorelemente umfasst, die jeweils eine Spule und einen Kern aufweisen. Eine Rotorscheibe weist Rotorpole auf, die Stahl aufweisen können.
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Die
CN 2 02 475 212 U offenbart einen Elektromotor, bei dem eine Rotorscheibe Permanentmagnete aufweist.
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Aus der
US 2019 / 0 199 186 A1 ist ein Elektromotor bekannt, bei dem statorseitig Permanentmagnete vorgesehen sind.
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Die
CN 1 09 660 097 B ist ein Elektromotor mit koaxialen jeweils scheibenförmigem Rotor und Stator bekannt, wobei sowohl Rotor als auch Stator Permanentmagnete aufweisen.
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Bei herkömmlichen Elektromotoren wird ein von elektrischen Spulen erzeugter magnetischer Fluss innerhalb des Motors über Eisenkerne, die aus Eisenblechen bestehen, gelenkt. Um ein Drehmoment auf die Drehachse bzw. Motorachse zu erreichen, werden in einem Rotor oder Stator aus massiven Eisenmaterialien gegensätzliche magnetische Pole erzeugt, die sich in Bezug zur Rotationsachse gegenüberliegen. Die Umpolung der darin eingeflochtenen Wicklungen wird durch einen Kommutator mechanisch oder elektronisch bewerkstelligt. Die Anordnung der Wicklungen erfolgt meist als dreiphasiges System, wobei der magnetische Hauptfluss von Polschuh zu Polschuh über das halbe Statorgehäuse aus Motoreisen verläuft und danach diagonal durch den ebenfalls aus Motoreisen bestehenden Rotor zurück zum Ausgangspol geführt wird.
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Hierbei entstehen Verluste durch Wirbelströme und den magnetischen Widerstand des Motoreisens, dem durch die Verwendung einer großen Zahl von Weicheisenblechen begegnet wird, die wiederum viel Masse und Gewicht erzeugen und die Herstellung verteuern. Auch das Einbringen der elektrischen Kupferwicklungen in die kompakte Struktur von Rotor und Stator ist technisch aufwendig und erschwert die Kühlung, da die Leiterbündel zum großen Teil vom Motoreisen umgeben sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Elektromotor bereitzustellen, der ein deutlich geringeres Gewicht aufweist und eine verbesserte Leistung, Laufruhe und Kühlbarkeit aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Spulen mit eigenem bzw. separatem Kern können zur elektrischen Erregung und Erzeugung eines Magnetfelds eingesetzt werden. Sie können ohne Verbindung durch magnetisierbares Eisen, beispielsweise in der Statoranordnung, angeordnet werden. Es können mehrere Spulenpaare vorgesehen sein, wobei jeweils die ersten Spulen und die zweiten Spulen eines Spulenpaars in Reihe oder parallelgeschaltet werden können. Dadurch, dass separate Spulenwicklungen vorgesehen sind, kann Motoreisen stark reduziert werden. Insbesondere kann eine beliebige Anzahl von Einzelspulen mit separaten Kernen und Wicklungen eingesetzt werden, zwischen denen keine Eisenverbindung besteht. Der magnetische Fluss verläuft in jeder Spule separat im Spulenkern. Auch die Spulenwicklung, die aus Kupfer ausgebildet sein kann, ist auf die jeweilige Spule begrenzt, was zu einem geringen ohmschen Widerstand führt. Dadurch kann beispielsweise Erwärmung verringert werden.
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Die einzelnen Spulen können leicht gewickelt werden. Das Kernmaterial kann minimiert werden, was eine Kostenersparnis bei der Herstellung des Motors mit sich bringt.
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Die Kühlung aller Motorkomponenten kann optimal erfolgen, da keine Wicklungsstränge zwischen innenliegenden Polschuhen vorhanden sind, sondern die einzelnen Spulen offenliegende Wicklungen aufweisen. Dadurch sind auch geringe Windungszahlen bei hohen Strömen an der jeweiligen Spule möglich, was zu einer Gewichts- und Kostenersparnis führt. Weiterhin wird eine hohe Leistung bei geringem Gewicht ermöglicht.
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Durch die Verwendung von Einzelspulen können vielfältige Anordnungen zur Erzeugung eines Drehmoments bzw. einer magnetischen Schub- oder Zugkraft realisiert werden. Dabei ist es unerheblich, ob die Statorspulen über den gesamten Umfang eines kreisförmig gestalteten Motors verteilt sind oder nur partiell. Auch lineare Anordnungen sind möglich, da nur die Anzahl der Stator-/Rotorpaare bzw. die daraus gebildeten Stator-/Rotorringe über die ausgeübte Kraft auf den jeweils beweglichen Teil der Motorkonstruktion entscheidet.
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Es kann ein Gehäuse vorgesehen sein, in oder an dem eine Drehachse der Rotoranordnung drehbar gelagert sein kann. Die Statoren können jeweils sowohl untereinander als auch mit Deckel und Boden, in denen sich die Lager für die Drehachse befinden, verbunden sein, sodass auf ein ummantelndes Gehäuse gänzlich verzichtet werden kann, was eine besonders effektive Kühlbarkeit der Statorspulen bewirkt. Wird ein Gehäusemantel verwendet, kann dieser beispielsweise aus einem Drahtgeflecht oder Lochblech aus Aluminium bestehen. Es versteht sich, dass der Elektromotor auch als Linearmotor ausgebildet sein kann. In diesem Fall ist keine Drehachse vorgesehen. Ein Gehäuse kann dennoch vorhanden sein.
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Das Gehäuse und/oder die Rotoranordnung kann ein nicht magnetisch leitendes Material aufweisen. Solche Materialien können ein geringes Gewicht aufweisen, sodass das Gesamtgewicht des Elektromotors reduziert werden kann.
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Das nicht magnetisch leitende Material kann beispielsweise Kunststoff, ein Faserverbundwerkstoff oder Aluminium sein. Besonders bei großen Motordurchmessern bewirkt dies eine sehr starke Gewichtsreduzierung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ankern und Statoren mit entsprechenden Anker- und Statorblechen und eingeflochten Kupferwicklungen können somit sowohl ein Statorgehäuse als auch ein Rotorkern aus einem leichten Verbundmaterial, wie beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein. Die Spulen und Permanentmagnete können damit verbunden, beispielsweise verklebt sein.
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Jeder Spule ist ein Paar von Permanentmagneten zugeordnet, die durch ein magnetisch leitendes Material verbunden sein können. Wenn eine Spule Teil einer Rotoranordnung ist, sind die zugeordneten Permanentmagnete an der Statoranordnung vorgesehen, bzw. umgekehrt. Die Permanentmagnete sind vorzugsweise den Spulen gegenüberliegend angeordnet. Je nach Polung der Spule kann es somit zu Anziehungs- und Abstoßungskräften kommen, wodurch eine Relativbewegung von Rotoranordnung zu Statoranordnung ermöglicht wird. Die Anordnung der Permanentmagnete kann zur Steigerung der magnetischen Kraft auf die jeweiligen Statorspulen auch in sogenannten Halbach-Arrays erfolgen. Um den magnetischen Fluss zwischen den einer Spule zugeordneten Permanentmagneten zu verstärken, können die Magnete auf der spulenabgewandten Seite mit einem magnetisch leitenden Material verbunden werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Permanentmagnete nicht äquidistant angeordnet sind. Beispielsweise kann ein Magnet zu einem ersten benachbarten Magnet eine geringere Distanz aufweisen als zu einem zweiten benachbarten Magnet. Durch diese leicht asymmetrische Anordnung von Permanentmagneten, zum Beispiel an der Rotoranordnung, können sich deren magnetische Kräfte gegenüber den Statorspulen ausgleichen. Das Rastmoment der Rotoranordnung kann dadurch minimiert werden.
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Die Spulen der Statoranordnung und/oder die Spulen der Rotoranordnung können parallel zur Drehachse ausgerichtet sein, wobei die Kerne der Spulen U-förmig oder halbringförmig ausgebildet sind. Wenn beispielsweise Spulen an der Statoranordnung vorgesehen sind, können die Stirnseiten der Kerne in Richtung Rotoranordnung weisen.
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Alternativ können die Spulen der Rotoranordnung und/oder die Spulen der Statoranordnung in Umfangsrichtung ausgerichtet sein, wobei die Kerne der Spulen eine der Umfangsrichtung entsprechende Krümmung aufweisen. Dabei können die Spulen so bestromt werden, dass Nordpole und Südpole benachbarter Spulen jeweils aneinandergrenzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Elektromotors können die Spulen linear und parallel zueinander angeordnet sein. Permanentmagnete können oberhalb oder unterhalb so gegenüberliegend angeordnet sein, dass eine lineare Schub- oder Zugkraft zwischen den in Beziehung stehenden Polpaaren ausgeübt wird.
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Die Motorkraft kann erhöht werden, wenn mehrere Ringe von Spulenpaaren vorgesehen sind.
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Da die Motorkraft neben der Stromstärke und Spannung auch durch die Anzahl der Spulenpaare bzw. der daraus gebildeten Ringe bestimmt wird, kann die Motorleistung konstruktiv beliebig angepasst werden, wobei durch die gleichzeitige Kraftwirkung aller Spulen der Statoranordnung und/oder der Rotoranordnung im Gegensatz zu den bekannten dreiphasigen BLC-Motoren und anderen Motoren mit Drehfeld ein wesentlich größeres Drehmoment bei großer Laufruhe und Anlaufsicherheit entsteht. Durch Reihenschaltung der Spulenpaare und/oder der Ringe können Konstruktionen mit hoher Spannung und kleinem Strom bei hohem Innenwiderstand des Elektromotors erreicht werden. Bei Parallelschaltung derselben sind hohe Ströme bei einer niedrigen Spannung und kleinem Innenwiderstand realisierbar.
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Es kann eine elektronische Schaltung zur Ansteuerung der Spulen vorgesehen sein. Dabei kann die elektronische Schaltung zumindest einen Sensor aufweisen, der eingerichtet ist, eine mit der Drehung der Rotoranordnung in Beziehung stehende Größe zu erfassen. Beispielsweise kann der Sensor als Hall-Sensor ausgebildet sein. Die elektronische Schaltung kann eine Halbbrücke oder eine Vollbrücke aus schaltenden Elementen, beispielsweise Transistoren, aufweisen, die durch den Sensor angesteuert sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Spulen kann die Rotationskraft durch Anziehung bzw. Abstoßung jeweils benachbarter Spulen entlang des Umfangs der Rotoranordnung erzeugt werden. Dadurch kann ein gleichmäßiges, starkes Drehmoment mit geringen Schwankungen erzeugt werden, da bei allen erfindungsgemäßen Motorvarianten stets alle Spulenpaare entlang des Umfangs gleichzeitig an der Krafterzeugung beteiligt sind, wobei immer zwei benachbarte Spulen durch Schub- bzw. Zugkräfte aufeinander einwirken. Der einfache Wechsel zwischen Zug- und Schubkraft wird durch Umpolen der Spulenwicklung im richtigen Moment erreicht. Dies kann beispielsweise durch eine oben erwähnte Halbbrückenschaltung erreicht werden, die durch den Sensor gesteuert wird. Die Spulen können dabei direkt mittels der elektronischen Schaltung bestromt werden, da die Spulen nur einen Polungswechsel jeweils im richtigen Drehwinkel benötigen, wobei die Drehzahl des Motors in direktem Verhältnis zur Frequenz der Umpolung der Spulenpaare steht.
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Durch die Verwendung eines Sensors und die Ansteuerung von schaltenden Elementen durch den Sensor kann ein Umschalten zwischen zwei Statorstromkreisen beim Innenläufer bzw. zwei Rotorstromkreisen beim Außenläufer einfach durchgeführt werden. Wenn beispielsweise eine Halbbrückenschaltung verwendet wird, können zunächst die ersten Spulen von Spulenpaaren im Einsatz sein, während die jeweils anderen Spulen eines Spulenpaars stromlos sind. Danach wechselt die Bestromung und die zweiten Spulen der Spulenpaare sind aktiv und die ersten Spulen des Spulenpaars werden abgeschaltet. Hierbei wirkt sich vorteilhaft aus, dass bei der Abschaltung der entsprechenden Spulen im Ausschaltmoment durch die entstehende Gegenspannung an der Spule auch eine Umkehr der magnetischen Polung stattfindet, was ein zusätzliches Drehmoment auf den Rotor bewirkt.
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Wird dagegen eine Vollbrückenschaltung verwendet, sind alle Spulen eines Spulenpaars gleichzeitig im Einsatz und wechseln ihre Polung im Gegentakt in der vom Sensor vorgegebenen Frequenz. Anziehung und Abstoßung ergänzen sich, wodurch sich Drehmoment und Drehzahl entsprechend steigern. Auch die Ummagnetisierung der Spulen beschleunigt sich dadurch erheblich. Bei dieser Ausführung des Motors sind Drehzahl und Drehmoment direkt von der elektronisch erzeugten Wechselfrequenz, deren Stromstärke und Spannung sowie der vorhandenen Zahl von Spulenpaaren abhängig. Dies gilt auch für den direkten Betrieb mit einem durch einen Sensor synchronisierten Wechselstrom aus einer Wechselstromquelle, beispielsweise mithilfe einer entsprechenden Triac-Schaltung.
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Eine Umkehr der Laufrichtung kann beispielsweise durch Vertauschen der Sensorausgänge erfolgen. Alternativ können zwei Sensoren eingesetzt werden, die am jeweils richtigen Ort in Bezug zu den zugehörigen Rotormagneten platziert sind.
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Ein weiterer Vorteil des Motors besteht darin, dass sowohl Anlaufstrom als auch Blockierstrom nicht über den Wert des maximalen Betriebsstroms ansteigen und der Motor sein Drehmoment unabhängig von der Drehzahl entwickelt.
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An der Rotoranordnung angeordnete Spulen können durch Hochfrequenzspulenpaare angesteuert werden, wobei ein Hochfrequenzspulenpaar eine statorseitige Spule und eine rotorseitige Spule aufweist. Durch diese Spulenpaare können die Spulen am Rotor berührungslos mit Strom versorgt werden. Die Hochfrequenzspulenpaare werden so angeordnet, dass sie als berührungsloser mechanischer Kommutator wirken. Der übertragende Hochfrequenzwechselstrom, beispielsweise 20 kHz, kann auf der Sekundärseite auf eine Anzahl unabhängiger Stromkreise übertragen und jeweils gleichgerichtet und geglättet werden. Zu diesem Zweck können Gleichrichter und Glättungskondensatoren vorgesehen sein. Durch entsprechende Zuordnung der Spulenanschlüsse der an der Rotoranordnung vorgesehenen Spulen zu den Ausgängen der Gleichrichter kann eine Kommutierung erreicht werden, die magnetische Polwechsel der Kerne der Spulen der Rotoranordnung in der Frequenz bewirkt, in der sich die Hochfrequenzprimärspulen und die jeweils aktiven Sekundärspulen begegnen.
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Wenn ein Hall-Sensor verwendet wird, kann durch die Position des Hall-Sensors die Laufrichtung des Motors bestimmt werden. Alternativ kann eine Schalteinrichtung vorgesehen sein, mit der beispielsweise zwischen den Ausgängen zweier Hallsensoren umgeschaltet werden kann, um die Laufrichtung des Motors umzukehren.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, die Drehzahl des Elektromotors über eine PWM-Steuerung der schaltenden Elemente der Halbbrücke oder Vollbrücke zu regeln. Alternativ kann die Spannung über die Drehzahl geregelt werden. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die einzelnen Merkmale können jeweils für sich oder in beliebiger Kombination bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines Elektromotors mit axial ausgerichteten Spulen;
- 2 eine zweite Ausführungsform eines Elektromotors mit umfangsmäßig ausgerichteten Spulen;
- 3 eine Ausführungsform eines Elektromotors mit rotorseitig angeordneten Spulen;
- 4 einen Linearmotor;
- 5 eine Schaltung zur Ansteuerung der Spulen.
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Die 1 zeigt einen Elektromotor 1 mit einer Statoranordnung 2 und einer Rotoranordnung 3. Die Statoranordnung 2 ist von einem Motorgehäuse 4 umgeben. Das Motorgehäuse 4 ist aus einem nicht magnetisierbaren Material ausgebildet. Die Statoranordnung 2 weist mehrere Spulenpaare 5 mit einer ersten Spule 6 und einer zweiten Spule 7 auf. Die Spulen 6, 7 weisen jeweils eine eigene Spulenwicklung 8, 9 und einen eigenen Kern 10, 11 auf. Die Kerne 10, 11 sind im Wesentlichen U-förmig oder halbkreisförmig ausgebildet. Ihre Stirnflächen zeigen zur Rotoranordnung 3. Die Rotoranordnung 3 weist Permanentmagnete 12, 13 auf, die jeweils die Pole N und S aufweisen. Dabei ist festzustellen, dass die oben angeordneten Permanentmagnete 12 in anderer Orientierung angeordnet sind als die unteren Permanentmagnete 13. Obere und untere Permanentmagnete 12, 13 können mit einem magnetisch leitenden Material 16 zur Verstärkung des magnetischen Flusses verbunden sein. Die Permanentmagnete 12, 13 sind entlang des Umfangs der Rotoranordnung 3 angeordnet. Die Rotoranordnung 3 ist um eine Drehachse 14 drehbar. Die Drehachse 14 kann als Antriebswelle ausgebildet sein und im Motorgehäuse 4, insbesondere einem Gehäuseboden 17 und einem Gehäusedeckel 18 des Motorgehäuses 4 drehbar gelagert sein, wobei Gehäusedeckel 17 und Gehäuseboden 18 neben der Aufnahme der Lager für die Drehachse 14 auch zur mechanischen Verbindung der einzelnen Statoren, beispielsweise durch Verkleben, dienen können. Die gezeigte Anordnung kann einen ersten Ring 15 darstellen. In Richtung der Drehachse 14 können mehrere Ringe 15 vorgesehen sein, um die Leistung des Elektromotors 1 zu erhöhen.
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Die Spulen 6, 7 können in Reihenschaltung oder Parallelschaltung mit den Anschlüssen 48, 49 wie in 5 gezeigt angesteuert werden. Werden die Anschlüsse 48, 49 zusätzlich mit einem Gleichrichter verbunden, kann der Motor nun als Generator mit gutem Wirkungsgrad Strom, beispielsweise für die Rekuperation, liefern.
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Die Spulen 6, 7 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zur Drehachse 14 ausgerichtet.
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Im Gegensatz dazu sind in der 2 die Spulen 6, 7, die jeweils ein Spulenpaar 5 bilden, umfangsmäßig angeordnet. Sie sind ebenfalls Bestandteil einer Statoranordnung 2 und radial von der Rotoranordnung 3 beabstandet. Die Rotoranordnung 3 weist wiederum umfangsmäßig verteilte Permanentmagnete 12 auf. Die Spulen 6, 7 weisen wiederum jeweils eine Wicklung 8, 9 und einen eigenen Kern 10, 11 auf. Die Spulen 6, 7 werden so bestromt, dass sich gleiche magnetische Pole an den Kernen 10, 11 gegenüberliegen, was durch die Buchstaben S und N angedeutet ist.
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Aus den Darstellungen der 1 und 2 wird deutlich, dass die Spulen 6, 7 im Wesentlichen frei liegen, wodurch sie besonders gut gekühlt werden können. Dies gilt besonders dann, wenn die Spulen der einzelnen Ringe jeweils mit dem zugehörigen Deckel und Boden mechanisch verbunden sind. Außerdem sind keine Eisen oder Bleche vorgesehen.
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Die 3 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung, wobei in diesem Fall die Rotoranordnung 3 Spulenpaare 5 mit Spulen 6, 7 aufweist. Zur Ansteuerung der an der Rotoranordnung 3 angeordneten Spulen 6, 7 sind Hochfrequenzspulenpaare 20 vorgesehen, mit einer statorseitigen Spule 21 und einer rotorseitigen Spule 22. Die Kerne 23, 24 der Spulen 21, 22 sind radial beabstandet.
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Die Spulen 22 sind mit mindestens zwei Gleichrichtern 25 verbunden. Es sind Glättungskondensatoren 26 vorgesehen und der jeweils erzeugte Gleichstrom wird auf mindestens zwei getrennte Stromkreise geleitet, die mit den zugehörigen Spulenpaaren 5 verbunden sind.
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Die Statoranordnung 2 weist in diesem Fall Permanentmagnete 12 auf, die am Motorgehäuse 4 angeordnet sind, insbesondere befestigt sind. Beispielsweise können die Permanentmagnete 12 an dem Motorgehäuse 4 verklebt sein. Die Permanentmagnete können bei dieser Ausführungsform auch durch geeignete Magnetspulen zur Erzeugung der Nord- und Südpole am nichtbeweglichen Motorteil ersetzt werden.
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Bei der Variante der 4 ist ein Spulenpaar 5 gezeigt, welches zwei Einzelspulen 6, 7 jeweils mit Wicklung 8, 9 und Kern 10,11 aufweist. Gegenüberliegend sind zwei Reihen von Permanentmagneten 12,13 vorgesehen. Relativ dazu lassen sich die Spulen 6, 7, die an dem Element 30 angeordnet sind, bewegen. Die direkt translatorische Bewegung des Elements 30 kann durch den permanenten Wechsel der Polung benachbarten Spulen 6, 7 erzeugt werden. Dabei herrscht kontinuierlicher Wechsel von Anziehung und Abstoßung, da zum Beispiel alle Spulen 6 im Gegentakt zu den Spulen 7 betrieben werden. Auch bei dieser Ausführung der Erfindung sind im Gegensatz zum existierenden Dreiphasenbetrieb von Linearsystemen stets alle Einzelspulen 6, 7 an der Krafterzeugung gleichzeitig beteiligt, was eine deutliche Steigerung der Antriebskraft gegenüber herkömmlichen Konstruktionen mit sich bringt. Wird Element 30 mechanisch abgebremst oder beschleunigt, entsteht in den Spulen 6,7 ein induktiver Wechselstrom, der gleichgerichtet werden kann und zur Energierückgewinnung geeignet ist.
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Die 5 zeigt beispielhaft eine Schaltung zur Ansteuerung der Spulen 6, 7. Gezeigt ist eine Vollbrückenschaltung 40, die vier schaltende Elemente 41 bis 44 aufweist. Die Steueranschlüsse der schaltenden Elemente 41 bis 44 sind jeweils über einen Transistor 45, 46 mit dem Sensor 47 verbunden. Der Sensor 47 kann als Hall-Sensor ausgebildet sein und eine mit der Drehung der Rotoranordnung in Verbindung stehende Größe erfassen. Insbesondere kann der Hall-Sensor das Magnetfeld von Dauermagneten der Rotoranordnung erfassen und dadurch im richtigen Moment die Transistoren 45, 46 und in der Folge die schaltenden Elemente 41 bis44 ansteuern, sodass an den Anschlüssen 48, 49 ein Wechselstrom mit der richtigen Frequenz erzeugt wird und die Spulen 6, 7 entsprechend zum richtigen Zeitpunkt angesteuert werden.
