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Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine mit mindestens einem Rotor und mindestens einem axial von dem Rotor beabstandeten Stator und einem im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse, in dem der mindestens eine Rotor und der mindestens eine Stator angeordnet sind. Die Erfindung kann sowohl bei motorisch als auch generatorisch betriebenen Axialflussmaschinen zum Einsatz kommen.
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Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft gegenüber Radialflussmaschinen, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist vielfach bei elektrischen Antriebsystemen für Elektrofahrzeuge der Fall. Aber auch in Industrieanwendungen können Axialflussmaschinen gegenüber Radialflussmaschinen vorteilhaft sein. Als Beispiel seien hier Anwendungen in der Robotik genannt, bei denen Robotergelenke durch einen Elektromotor angesteuert werden.
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Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweise hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.
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In der Regel umfasst eine Axialflussmaschine mindestens einen Stator, der Wicklungen zur Erzeugung des axial ausgerichteten magnetischen Feldes aufweist. Mindestens ein Rotor ist beispielsweise mit Permanentmagneten bestückt, deren magnetisches Feld in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der Statorwicklung über einen Luftspalt ein Antriebsmoment erzeugt.
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Ein Gehäuse einer Axialflussmaschine hat in der Regel die Aufgabe, die aktiven Teile der Maschine vor Schmutz und Feuchtigkeit zu schützen, da diese Kurz-bzw. Fehlerströme zwischen spannungsführenden Elementen verursachen können. Im Allgemeinen werden stromführende Maschinenelemente durch Lacke, keramische Beschichtungen oder Isolationsschläuche oder -hüllen vor solchen Fehlerströmen oder Spannungsüberschlägen geschützt. Je nach Spannungshöhe und Zugänglichkeit des Gehäuses ist hierbei nicht nur eine Funktionsisolation sicherzustellen, sondern auch ein Berührschutz zu gewährleisten, d. h. eine Basisisolation des Gehäuses vor stromführenden Komponenten sicherzustellen. Unter einer Basisisolation ist im Einklang mit der Norm DIN EN 60664-1 im Rahmen dieser Schrift eine Isolierung zum grundlegenden Schutz von unter gefährlichen Spannungen stehenden Teilen zu verstehen. Die Basisisolation ist somit maßgeblich für den direkten Berührschutz und unterscheidet sich von einer Funktionsisolation. Die Funktionsisolation stellt lediglich eine Isolierung zwischen leitenden Teilen sicher, die nur für die bestimmungsgemäße Funktion des Betriebsmittels notwendig sind.
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Bei einem Gehäuse für eine Axialflussmaschine mit einer Nennspannung von 48 V oder höher muss eine Basisisolation gewährleistet sein, sofern das Gehäuse für einen Menschen zugänglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache und kostengünstige Art und Weise ein Gehäuse einer Axialflussmaschine gegenüber stromführenden Komponenten der Axialflussmaschine zu isolieren.
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Diese Aufgabe wird durch eine Axialflussmaschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine weist zumindest einen ersten Stator auf, der über einen axial ausgerichteten Luftspalt von mindestens einem Rotor beabstandet ist. Rotor und Stator sind in einem im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse angeordnet, das die Komponenten vor Schmutz und Feuchtigkeit schützt und gegenüber den stromführenden Komponenten der Axialflussmaschine elektrisch isoliert ist. Erfindungsgemäß ist diese Isolation durch ein Isolierpapier realisiert, dass zu einer geschlossenen Schlaufe geformt ist und derart in das zylinderförmige Gehäuse der Axialflussmaschine eingelegt ist, dass es sich an dessen innere Mantelfläche anschmiegt. Dieses Anschmiegen erfolgt insbesondere spaltfrei. Ein Verkleben des Isolierpapiers mit der inneren Mantelfläche des zylinderförmigen Gehäuses ist damit nicht notwendig, vorteilhafterweise auch nicht vorgesehen.
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Das Isolierpapier kann derart bemessen sein, dass es nicht nur eine Funktionsisolation sondern auch eine Basisisolation des zylinderförmigen Gehäuses gegenüber den spannungsführenden Teilen der Axialflussmaschine ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Verwendung eines zu einer Schlaufe geformten, an der Innenfläche des Gehäuses anliegenden Isolierpapieres stellt eine besonders einfache und kostengünstige Lösung dar, wenn es darum geht, Spannungsüberschläge auf das Gehäuse zu vermeiden.
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Das Isolationspapier kann in Form eines Streifens ausgebildet sein, dessen Länge größer als der Innenumfang der inneren Mantelfläche ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass in Umfangsrichtung des zylinderförmigen Gehäuses keine Stelle frei von Isolierpapier verbleibt.
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Eine besonders montagefreundliche Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, dass in einem ersten Endabschnitt des Streifens eine erste Formgebung und in einem zweiten Endabschnitt des Streifens eine zweite Formgebung angeordnet ist, wobei die erste und zweite Formgebung formschlüssig miteinander zur Bildung der geschlossenen Schlaufe verbunden sind. Auf diese Art und Weise kann eine geschlossene Schlaufe bei der Montage aus einem Streifen Isolierpapier gebildet werden, ohne dass weitere Hilfsmittel wie beispielsweise ein Klebstoff heranzuziehen sind.
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Die formschlüssige Verbindung kann ein Spiel aufweisen, wodurch die Umfangslänge der Schlaufe in Umfangsrichtung variable ist. Hierdurch kann die geschlossene Schlaufe in einem gewissen Toleranzbereich stets spaltfrei an die innere Mantelfläche des Gehäuses angeschmiegt werden. Dieses Anschmiegen wird darüber hinaus dadurch unterstützt, dass der Streifen eine Eigenspannung aufweist, durch die er unter zumindest teilweiser Ausnutzung des Spiels gegen die Innenwand des Gehäuses gedrückt wird.
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Die erste und zweite Formgebung können unterschiedlich gestaltet sein. Beispielsweise sind diese als achsparallele Schlitze ausgebildet sind, die kammartig ineinandergreifen. Unter achsparallel ist in diesem Zusammenhang eine Richtung zu verstehen, die durch eine parallel zur Rotationsachse des Rotors der Axialflussmaschine definierten Gerade gekennzeichnet ist. Alternativ kann die erste Formgebung als Lasche und die zweite Formgebung als Schlitz ausgebildet sein, in die die Lasche eingreift. In beiden Fällen sowie auch in weiteren denkbaren Alternativen kann die formschlüssige Verbindung lösbar gestaltet sein.
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Axialflussmaschinen können mehr als einen Stator und/oder Rotor umfassen. Bekannt sind Anordnungen, bei denen ein Stator zwei Rotoren antreibt, von denen jeder auf einer Seite des Stators über einen Luftspalt beabstandet angeordnet ist. Ebenfalls bekannt sind Anordnungen, bei denen zwei Statoren einen Rotor antreiben, der mittig zwischen den beiden Statoren angeordnet ist. Bei derartigen Maschinen ist der Rotor im Idealfall frei von axialen Kräften, da die magnetischen Anziehungskräfte in axialer Richtung zwischen den Permanentmagneten des Rotors und den Phasenspulen der beiden Statorscheiben betragsmäßig gleich aber entgegengerichtet sind.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Axialflussmaschine einen zweiten im Gehäuse angeordneten Stator aufweist, wobei der Rotor zwischen dem ersten und dem zweiten Stator angeordnet ist. Die Axialflussmaschine umfasst in dieser Ausführungsform ferner mindestens einen Kontaktstift, der eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Stator herstellt. In der Regel sind mindestens drei Kontaktstifte bei einer dreiphasigen Axialflussmaschine vorgesehen, wobei jeder der drei Kontaktstifte jeweils eine Phase auf dem ersten Stator mit der gleichen Phase auf dem zweiten Stator elektrisch verbindet. Bei einer Polpaarzahl größer 1 muss ein der Polpaarzahl entsprechendes Vielfaches von 3 an Kontaktstiften vorgesehen werden.
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Die gleichen Phasen auf dem ersten und zweiten Stator können jeweils parallel oder in Reihe geschaltet sein. Bei den Kontaktstiften handelt es sich um stromführende Teile, die zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen oder Kriechströmen von anderen Teilen der Axialflussmaschine, insbesondere dem Gehäuse, elektrisch isoliert werden müssen. Häufig befinden sich diese Kontaktstifte radial benachbart zum Gehäuse. Durch die Erfindung ist es nun möglich, auf aufwändige und teure Keramik- oder Lackbeschichtungen dieser Stifte zu verzichten, da eine Isolation, insbesondere eine Basisisolation, des Gehäuses in ausreichendem Maße durch die geschlossene Schlaufe aus Isolierpapier gewährleistet ist. Hierdurch können Kosten gespart und Fertigungsaufwand minimiert werden.
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Insbesondere dann, wenn eine besonders leichte und kompakte Bauweise angestrebt wird, kann der erste und/oder der zweite Stator eine Leiterplatte und auf der Leiterplatte angeordnete Phasenspulen aufweisen. Die Leiterplatten können als Multilayerplatinen ausgebildet sein. Die Phasenspulen erstrecken sich hierbei über mehrere Layer der Multilayerplatine. Besagte Kontaktstifte können eine elektrische Verbindung zwischen einer Multilayerplatine des ersten Stators und einer Multilayerplatine des zweiten Stators realisieren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Funktional gleich wirkende Elemente sind in den Figuren in der Regel mit gleichen Bezugszeichen versehen, auch dann, wenn sie sich in ihrer konkreten Ausführung unterscheiden.
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Es zeigen:
- 1: eine Axialflussmaschine gemäß dem Stand der Technik in Schnittdarstellung,
- 2: eine Aufsicht auf die Axialflussmaschine nach 1,
- 3: eine erste Ansicht einer geschlossenen Schlaufe aus einem Isolierpapier,
- 4: eine zweite Ansicht der geschlossenen Schlaufe aus dem Isolierpapier gemäß 3,
- 5: eine erste Ansicht eines Isolierpapiers mit Schlitzen zur Bildung eines Formschlusses,
- 6: eine zweite Ansicht des Isolierpapiers nach 5,
- 7: eine erste Ansicht eines Isolierpapiers mit einer Lasche und einem Schlitz zur Bildung eines Formschlusses,
- 8: eine zweite Ansicht des Isolierpapieres nach 7,
- 9: eine vergrößerte Darstellung eines ersten Endabschnittes des Isolierpapiers nach 5 und 6,
- 10: eine vergrößerte Darstellung eines zweiten Endabschnittes des Isolierpapieres nach 5 und 6,
- 11: eine vergrößerte Darstellung eines ersten Endabschnittes des Isolierpapiers nach 7 und 8,
- 12: eine vergrößerte Darstellung eines zweiten Endabschnittes des Isolierpapieres nach 7 und 8,
- 13: eine Schnittdarstellung einer Axialflussmaschine gemäß einer Ausführung der Erfindung,
- 14: ein vergrößerter Ausschnitt aus der Schnittdarstellung nach 13,
- 15: eine Aufsicht auf die Axialflussmaschine nach 13 und 14,
- 16: eine Axialflussmaschine mit einer geschlossenen Schlaufe aus einem Isolierpapier gemäß Darstellung in 5 und 6 und
- 17: eine Axialflussmaschine mit einer geschlossenen Schlaufe aus einem Isolierpapier gemäß Darstellung in 7 und 8.
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Die 1 und 2 zeigen eine Axialflussmaschine gemäß dem Stand der Technik. Es handelt sich um eine Axialflussmaschine in sogenannter I-Anordung. Die Axialflussmaschine umfasst einen erster und einen zweiten Stator 1,2. In axialer Richtung der Maschine betrachtet ist zwischen dem ersten Stator 1 und dem zweiten Stator 2 ein Rotor 3 angeordnet. Der Rotor 3 ist über jeweils einen Luftspalt vom ersten Stator 1 und vom zweiten Stator 2 beabstandet.
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Erster und zweiter Stator 1,2 umfassen jeweils eine Leiterplatte. Auf diesen Leiterplatten, die als Multilayerplatinen ausgebildet sind, sind in üblicher Herstellungstechnik für Platinen Leiterbahnen implementiert, die Phasenspulen 9 der Statoren 1,2 darstellen. Der Rotor 3 ist mit Permanentmagneten 10 bestückt, die in tangentialer Richtung magnetisiert sind. In tangentialer Richtung benachbart zu jedem Permanentmagneten 10 befindet sich beidseitig jeweils ein Flussleitstück 11 aus hochpermeablem Material. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein SMC-Material (Soft Magnetic Compound). Über die Flussleitstücke 11 wird das von den Permanentmagneten 10 erzeugte magnetische Feld von der Tangentialrichtung in eine axiale Richtung umgelenkt, sodass es im Luftspalt mit einem von den Phasenspulen 9 erzeugten Magnetfeld in Wechselwirkung tritt und so ein Antriebsmoment erzeugt.
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In 2 sind Kontaktstifte 8 erkennbar, die die Phasenspulen des ersten Stators 1 mit den Phasenspulen des zweiten Stators 2 elektrisch verbinden. Diese Kontaktstifte 8 befinden sich in unmittelbarer Nähe zu einem im wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse 4 der Axialflussmaschine. Um Spannungsüberschläge zwischen den Kontaktstiften 8 und dem Gehäuse 4 zu vermeiden, sind diese Kontaktstifte 8 an ihrem Außenumfang mit einer keramischen Beschichtung versehen. Nur so kann der notwendige Isolationsabstand zwischen den spannungsführenden Kontaktstiften 8 zum Gehäuse 4 sichergestellt werden und damit ein Berührschutz gewährleistet werden. Die Beschichtung dieser Kontaktstifte 8 erfordert einen aufwändigen und kostenintensiven Prozessschritt bei der Herstellung der Axialflussmaschine.
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In den 3 und 4 ist eine geschlossene Schlaufe aus einem Isolierpapier 5 dargestellt, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine deutlich montagefreundlichere, günstigere und einfachere Möglichkeit bietet, besagte Spannungsüberschläge zwischen den Kontaktstiften 8 und dem Gehäuse 4 zu vermeiden. Hierbei kann das die dargestellte Schlaufe bildende Isolierpapier 5 gemäß einer in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsform des Isolierpapiers 5 gestaltet sein oder alternativ gemäß einer in den 7 und 8 dargestellten Ausführungsform des Isolierpapiers 5. In beiden Fällen entsteht die geschlossene Schlaufe aus dem Isolierpapier 5 dadurch, dass eine erste Formgebung 6 mit einer zweiten Formgebung 7 formschlüssig miteinander verbunden werden. Besagte Formgebungen 6,7 befinden sich jeweils in einem Endbereich des Isolierpapiers 5 (siehe 5-12). In den 5 und 6 ist eine erste Ausführungsform dieser Formgebungen 6,7 dargestellt. Beide Formgebungen 6,7 haben die Gestalt eines quer zur Ausdehnungsrichtung des Isolierpapiers 5 orientierten Schlitzes. Beide Formgebungen 6,7 sind bezüglich der Breitenausdehnung des Isolierpapiers 5 dezentral angeordnet und haben ein offenes Ende an einem Randbereich des Isolierpapiers 5. Das offene Ende des Schlitzes, der die erste Formgebung 6 darstellt, liegt dem offenen Ende des Schlitzes gegenüber, der die zweite Formgebung 7 darstellt. Auf diese Art und Weise kann die Schlaufe dadurch gebildet werden, dass die beiden Schlitze ineinander kammartig verhakt werden.
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In den 9 und 10 ist zu erkennen, dass der Schlitz der ersten Formgebung 6 eine deutlich geringere Ausdehnung in Längsrichtung des Isolierpapiers 5 aufweist als der Schlitz der zweiten Formgebung 7. Die größere Ausdehnung des Schlitzes der zweiten Formgebung 7 hat zur Folge, dass die formschlüssige Verbindung ein gewisses Spiel für die Ausdehnung der Schlaufe ermöglicht. Wird nun die Schlaufe in das Gehäuse 4 der Axialflussmaschine eingelegt (siehe hierzu Darstellung in 16), schmiegt sich das Isolierpapier 5 durch eine Eigenspannung, die die geschlossene Schlaufe aufweist und auf entsprechende Materialeigenschaften des Isolationspapier 5 zurückzuführen sind, an eine innere Mantelfläche des Gehäuses 4 an, sodass das Isolierpapier 5 spaltfrei an dieser Innenwandung anliegt. Die Schlaufe kann hierbei das durch die größere Ausdehnung des Schlitzes der Formgebung 6 bereitgestellte Spiel ausnutzen. Das Isolierpapier 5 liegt sicher an der Innenwandung an. Ein Verkleben des Isolierpapiers 5 mit der Innenwandung des Gehäuses 4 ist nicht erforderlich.
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Eine Alternative zu der Ausgestaltung der Formgebungen 6,7 in Form von gegenläufig orientierten Schlitzen ist in den 7 und 8 sowie in vergrößerte Darstellung der Endbereiche in den 11 und 12 gezeigt. Hierbei ist die erste Formgebung 6 in Form einer Lasche ausgebildet. Die zweite Formgebung 7 hat die Gestalt eines Schlitzes, der im Wesentlichen zentriert zur Breitenausdehnung des Isolierpapiers 5 angeordnet ist und quer zu Längsrichtung der Ausdehnung des Isolierpapiers 5 verläuft. 17 zeigt das so gestaltete Isolierpapier 5 eingelegt in ein Gehäuse 4 der Axialflussmaschine. Auch hier ermöglichen die Formgebungen 6, 7 eine formschlüssige und spielbehaftete Verbindung der Enden des Isolierpapiers 5 zu einer geschlossenen Schlaufe. Auch hier führt eine Eigenspannung dieser geschlossenen Schlaufe, die auf Materialeigenschaften des Isolierpapiers 5 zurückzuführen ist, im Zusammenhang mit dem durch die Formgebungen 6,7 bereitgestellten Spiel in Umfangsrichtung der Schlaufe dazu, dass das Isolierpapier 5 sich spaltfrei an die Innenwand des zylinderförmigen Gehäuses 6 anschmiegen kann und auf eine stoffschlüssige zusätzliche Verbindung des Isolierpapiers 5 mit der Innenwand verzichtet werden kann.
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Die 13-15 veranschaulichen, wie die aus dem Isolierpapier 5 gebildete geschlossene Schlaufe die Kontaktstifte 8 wirksam von der Innenwand des Gehäuses 4 isoliert. Spannungsüberschläge zwischen den Kontaktstiften 8 und dem Gehäuse 4 werden vermieden, ohne dass eine zusätzliche aufwändige Isolation der Kontaktstifte 8 notwendig wäre. Eine Basisisolation des Gehäuses 4 kann auf einfache Art und Weise dadurch gewährleistet werden, dass das Isolierpapier 5 in Abhängigkeit der Betriebsspannung der Axialflussmaschine eine ausreichende Spannungsfestigkeit aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Stator
- 2
- zweiter Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Gehäuse
- 5
- Isolierpapier
- 6
- erste Formgebung
- 7
- zweite Formgebung
- 8
- Kontaktstift
- 9
- Phasenspule
- 10
- Permanentmagnete
- 11
- Flussleitstücke
