DE10240704A1

DE10240704A1 - Hochpolige Wechselstrommaschinen

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Publication number: DE10240704A1
Application number: DE2002140704
Authority: DE
Original assignee: TIRRON ELEKTRONIK GmbH; TIRRON-ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: TIRRON ELEKTRONIK GmbH; TIRRON-ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: DE10240704B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Wechselstrommaschinen, welche über Frequenzumrichter mit höheren Frequenzen als bisher und mit viel höheren Polzahlen den erforderlichen Drehmoment- und Drehzahlbereich zum Teil auch von Getriebemotoren abdecken. Für eine hohe Polzahl (9) wird pro Phase (L) nur eine einfache Wicklung (7) benötigt, wobei mehrere Phasen (L) nebeneinander angeordnet werden können. Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste sind, unter anderem durch Ferritkernmaterial, (4), (5) sehr klein gehalten. Die Anordnung erlaubt einen leiter- und dauermagnetlosen Rotor (3) und ist als Synchron-, Asynchron- oder Schrittmotor oder Generator mit höherer Leistung pro Gewichtseinheit als bekannte Maschinen geeignet. Nach dem gleichen Prinzip sind auch hochpolige Linearmaschinen dargestellt. Die Kraftwirkung verläuft generell parallel zur Stromrichtung in der Wicklung.

Description

Die mechanischen Antriebe mit Wechselstrommaschinen für Geräte und Maschinen erfolgt zunehmend über elektronische Systeme, mit Frequenzumrichter, welche vom Netz gespeist werden. Ebenso werden vermehrt Frequenzumrichter für Asynchronmotoren eingesetzt, um drehzahlregelbare Gleichstrommotoren und ungeregelte Antriebslösungen zu ersetzen.
Von der Entwicklungsgeschichte her betrachtet wurden elektronische Frequenzumrichter erst mit der Einführung von Leistungshalbleitern für hohe Spannungen möglich, und, für die seit langem bestehenden Drehstrommotoren, welche für 50Hz oder 60Hz dimensioniert wurden, entwickelt. Der Frequenzbereich der Frequenzumrichter umfasst dabei nur 0 bis ca. 120Hz entsprechend Stillstand bis ca. doppelte Nenndrehzahl eines Drehstrommotors. Die elektronischen Bauteile und die Leistungshalbleiter der Endstufen sind frequenzmäßig unterfordert; FET und IGBT Leistungshalbleiter können bei Frequenzen über 50kHz die notwendigen Spannungen und Ströme schalten, und sogar nach dem Puls- weiten- Modulationsverfahren (PWM) den Motorwechselstrom steuern und regeln.
Durch die grundsätzliche Beziehung der Drehfelddrehzahl n und der Polpaarzahl p zur Frequenz: (ausgenommen Schrittmotoren)
n = 60 × f / p n = Drehfelddrehzahl in Umdr. / Min.
f = Frequenz in Hz
p = Polpaarzahl einer Phase der Maschine ergeben sich bei höheren Frequenzen und den niedrigen Polzahlen von Motoren nach dem heutigen Stand zu hohe, in der Praxis wenig benötigte hohe Drehzahlen. Hochpolige Maschinen für niedrige Drehzahlen bei höheren Umrichterfrequenzen sind wegen des hohen Fertigungsaufwand selten.
Anders bei Schrittmotoren:
Schrittmotoren drehen pro Flankenstromänderung nur um einen Schritt weiter. Bei 500 Vollschritten pro Umdrehung am Beispiel eines 5-phasen- Schrittmotors wäre bei 1000 U / Min. eine Umrichterfrequenz von 833,3 Hz notwendig. Der tatsächlich nur 2-polige 5-Phasenschrittmotor hat dabei eine Drehfelddrehzahl von 50'000 Umdr. / Min. Die Untersetzung von 50'000 auf 1000 Umdr. / Min. wird durch die Polzahnung von Stator und Rotor (50 Zähne) gemacht, indem der Rotor bei einer Drehfeldumdrehung nur um einen Rotorzahn weiterdreht. Das Drehmoment wird jedoch durch die Untersetzung von 50 / 1 nicht erhöht, wie beispielsweise bei einem Getriebe, im Gegenteil, das Drehmoment ist eher kleiner als bei „echten" zweipoligen Motoren gleicher Größe. Durch hohe Ummagnetisierungsverluste und Wirbelstromverluste nimmt das Drehmoment bei zunehmender Drehzahl schon ab ca. 1000 Umdr. / Min. stark ab.
Statoren und Statorwicklungen von Schrittmotoren und Synchronmaschinen sind ähnlich aufgebaut, wie bei Asynchronmaschinen. Die runden, gestanzten Statorbleche mit den Nuten werden zum Statoreisenpaket aufeinandergeschichtet und dann bewickelt. Die Spulen müssen weitgehend in Handarbeit in die Statornuten eingelegt oder eingezogen werden und die Spulenenden mit den anderen Wicklungen und Polen der gleichen Phase verschaltet werden. Je höher die Nutenzahl, die Polpaarzahl oder die Statorlänge, desto aufwändiger und schwieriger ist die Herstellung. Grundsätzlich ist die wirksame Drahtrichtung und Stromrichtung im Eisenpaket zur Erzeugung der Durchflutung achsial. In den Wickelköpfen, welche für die Magnetisierung nutzlos sind, ergeben sich zusätzliche Kupferverluste, insbesondere bei zweipoligen Maschinen mit großem Wickelschritt. Die teuren Stanzwerkzeuge für die Statorbleche ergeben keine Flexibilität (außer der Dahlanderschaltung) für die Polzahl, und sind nur für einen Rotordurchmesser geeignet.
Rotoren:
Bezüglich der magnetischen Energiedichte von Elektro- und den verschiedenen Permanentmagneten haben sich im laufe der Zeit Veränderungen ergeben. So sind selten Erd- Magnete (Neodym) und Hartferrite bei gleicher Haftkraft viel leichter, als Elektromagnete mit vergleichbarer Haftkraft. Antriebe mit Schrittmotoren oder Servomotoren nach dem Stand der Technik haben meistens einen außen liegenden Stator mit der Wicklung, wobei die Statorbleche einen Teil des Gehäuses bilden und einen, mit permanent Magneten und magnetleitfähigen Eisenteilen bestückten Rotor. Durch diese ungünstige Anordnung bedingt ist der Rotordurchmesser, bei welchem durch die magnetischen Tangentialkräfte das Drehmoment erzeugt wird, verhältnismäßig klein zum Motoraußendurchmesser. Ein höheres Drehmoment würde erreicht, wenn der Rotordurchmesser möglichst groß im Vergleich zum Außendurchmesser wäre, was zudem eine größere Polfläche ergäbe.
Aus den genannten Gründen bestehen die Aufgaben darin, elektrische Maschinen zu entwickeln, welche folgende Verbesserungen aufweisen:

– eine hohe Leistung pro Gewichtseinheit.
– eine hohe Polpaarzahl, zum Beispiel ab 8 Polpaare (16 Pole)
– ein geringer Verdrahtungsaufwand trotz hoher Polpaarzahl
– eine automatisierte Wickeltechnik möglich ist
– eine hohe Luftspaltinduktion
– einen hohen Wirkungsgrad, wenig Stromwärme- wenig Eisenverluste
– ein großer Rotordurchmesser im Verhältnis zum Außendurchmesser
– ein kleines Rotormassenträgheitsmoment

Lösungen:
1. Hochpolige Wechselstrommaschinen mit Ferritkern:
1 zeigt den Aufbau einer 52-poligen 3-phasigen Maschine als Synchronmotor oder Synchrongenerator. Der magnetische Fluss durch den Luftspalt (10) verläuft achsial. Der Stator (2) besteht aus zwei Ferrit Schalenkernhalflen (5) pro Phase welche an den äußeren Lultspalten (10) je 26 radiale Nuten und damit je 26 Polpaare (9) aufweist. Im Luftspalt (10) dieser 26 Stator Polpaare (9) befindet sich die doppelte Anzahl, also 52 Einzelmagnete (11) mit abwechselnder Nord- Süd- Polarisierung, welche die Tangentialkraft über den Magnethaltering (14), die Rotorhülsen (13) und die Rotorscheibe (12) auf die Welle (8) übertragen. Dabei werden die Kräfte beider Magnetpolseiten (11) weit von der Rotorachse entfernt und ohne weitere rotierende Magneteisenwerkstoffe auf die Welle (8) übertragen.
Die Statorspulen (7) der einzelnen Phasen sind auf runde Spulenkörper (6) gewickelte Kupferlackdrähte. Diese können automatisch gewickelt und vorgefertigt, und bei der Montage der Maschine eingesetzt werden. Der Spulenstrom fließt in der gleichen Richtung wie die Tangentialkräfte am Rotor (3) wirken. Es wird also nicht die Kraftwirkung auf einen Strom durchflossenen Leiter im Magnetfeld genutzt wie es in den Lehrbüchern steht, wobei die Kraftwirkung, die Stromrichtung und das Magnetfeld rechtwinklig zueinander stehen, sondern es wird die Kraftwirkung zwischen den Ferritpolen (9) und den Dauermagnetpolen (11) genutzt, welche unabhängig von der Stromrichtung in den Statorspulen (7) ist. Die Spule erzeugt bei einer Stromrichtung in allen rechten Ferritkernpolen (9) Südpole und in allen linken Ferritkernpolen (9) Nordpole. Fließt der Strom in der Spule in der anderen Richtung, werden Süd- und Nordpole vertauscht. Mit der doppelten Anzahl Dauermagnetpole wird durch die Anziehung ungleichnamiger Pole und Abstoßung gleichnamiger Pole eine resultierende Tangentialkraft in einer Richtung erreicht.
1.1 zeigt die Funktionsweise für das Zustandekommen der resultierenden Tangentialkraft der 3 Phasen.
Die sinusförmigen Spulenströme der drei Phasen L1, L2, und L3 sind zeitlich um 120 Grad phasenverschoben. Die 15 Bildausschnitte zeigen die Rotorlage aller 3 Phasen willkürlich bei 0°, 90°, 150°, 240° und 330°. Rechts neben den Bildausschnitten ist der momentan fließende Spulenstrom als Vektor gezeichnet, welcher nach der rechten Handregel die dargestellten Nord- und Südpolpaare verursacht. Der Rotor mit den 52 Neodym Magneten pro Phase ist mechanisch starr miteinander und der Rotorachse verbunden, jedoch Ausschnittweise übereinander dargestellt. Es ist ersichtlich, dass außer beim Stromnulldurchgang immer eine gleichgerichtete Tangentialkraft auf den Rotor wirkt, weil sich ungleichnamige Pole anziehen und gleichnamige Pole abstoßen. Im unteren Diagramm sind die Tangentialkräfte der einzelnen Phasen und die Summe daraus dargestellt. Die Beeinflussung der Dauermagnete, welche durch die Anziehungskräfte der Nord- und Südpole auf ferromagnetisches Material ebenfalls tangentiale Kräfte verursachen, sind in dem Kräftediagramm nicht berücksichtigt. Diese Kräfte wirken jedoch gleichstark beschleunigend wie verzögernd, so dass sie im Mittel unbedeutend sind. Im stromlosen Zustand hat der Rotor dadurch ein Haltemoment.
Vorteile der hochpoligen Wechselstrommaschine mit Ferritkern:

– Hohe Leistung pro Gewichtseinheit, kaum Wirbelstromverluste wenig Stromwärmeverluste (115,4 U/Min. bei 50 Hz, 2600Hz bei 6000 U/Min.) Sehr hoher Drehzahlbereich ohne Drehmomentabfall.
– Drei einfache Spulen mit großem Wickelraum, dadurch ist eine sehr hohe Durchflutung und eine hohe Luftspaltinduktion möglich. Wicklung unabhängig von der Polzahl.
– Verhältnis von Außendurchmesser zu Rotordurchmesser: 1.34, kleines Rotormassenträgheitsmoment. Kein Achsialspiel.
– Hohe Raumausnutzung weil keine Wickelköpfe vorhanden sind und bessere Ausnutzung der Wicklung. (Der mittlere Umfang, ist im Vergleich zu Maschinen nach dem Stand der Technik, kleiner als die doppelte „Eisenweglänge" aller 3 Phasen) – Kleinste Winkelschritte bei sinusförmigem Wicklungsstrom möglich.
– Ein-, zwei- und mehrphasige Maschinen durch nebeneinander angeordnete Phasen machbar.

2. Hochpolige Wechselstrommaschinen mit Ferritkern, Radialfluss und leiterlosem Rotor.
2 zeigt eine 55-polige 3-phasige Wechselstrommaschine mit achsialen Nuten auf dem Ferritkern (4), wobei größere (längere und schmalere) Polflächen erreicht werden. Der Stator (2) kann sehr flexibel dem Rotormagnetfeld angepasst werden, braucht aber außer den Statormagneten (12) trapezförmige Weicheisenpole (11), um den magnetischen Fluss (13) vom linken Rotor Ferritpol (9), radial über den Luftspalt (10) auf den ersten Weicheisenpol (11), über den Dauermagneten (12) zum zweiten Weicheisenpol (11) und von dort wieder über den Luftspalt (10) zum rechten Rotor Ferritpol (9) zu leiten. Durch den phasenweisen Aufbau kann auch diese Maschine ein- oder mehrphasig aufgebaut werden. Die Polzahl am Umfang kann variabel gestaltet werden und sogar noch weiter erhöht werden, indem schmale Dauermagnete (12) und schmale, trapezförmige Weicheisenpole (11), welche die Länge aller Statorphasen einschließen, verwendet werden. Bei einer Nutzung eines großen Drehzahlbereiches zum Beispiel vom kleinsten Schrittwinkel bis zu 10 000 Umdr./ Min sollten die Spulen der einzelnen Phasen in zwei oder mehrere Wicklungen (7) aufgeteilt werden, um die Spannungsfestigkeit der Leistungsansteuerung nicht zu überfordern. Die EMK (Elektro-Motorische Kraft) oder die induzierte Spannung an den Wicklungen (7) ergibt sich aus der Windungszahl N mal die magnetische Flussänderung dΦ pro Zeiteinheit dt oder
u = – N × dΦ/dt. und da die Flussänderung proportional zur Drehzahl oder Frequenz ist, ergibt sich Beispielsweise bei einer Wicklung pro Phase: 1V bei 1 Umdr./Min. und 10 000V bei 10 000 Umdr./ Min. Und bei zwei Wicklungen: erste Wicklung 2V bei 1 Umdr./ Min. und 200V bei 100 Umdr./ Min. zweite Wicklung 2V bei 100 Umdr./ Min. und 200V bei 10 000 Umdr./ Min. wobei die erste Wicklung und die Schaltelemente bei der hohen Drehzahl für über 20kV zu dimensionieren sind.
Im Gegensatz zu Maschinen nach dem Stand der Technik bei welchen für ein Magnetpolpaar mindestens eine oder mehrere Wicklungen benötigt werden, ist in den hochpoligen Wechselstrommaschinen nach dieser Patentanmeldung für eine beliebige Polpaarzahl nur eine Wicklung notwendig. Die Durchflutung Θ von dieser Wicklung N × i führt zu einem magnetischen Gesamtfluss Φ, welcher erst dann verzweigt und zu einer beliebigen Anzahl Polpaare geleitet wird. Die Durchflutung jedes einzelnen Polpaares entspricht dabei wieder der Durchflutung der Wicklung N × i, was durch eine Wicklung pro Pol aus Platzgründen gar nicht möglich wäre.
Ein weiterer Vorteil dieser Wicklungsart (7) ist, dass diese nicht mitdrehen muss und deshalb außen an den Stator Weicheisenpolen (11) befestigt werden kann. Die stehenden Stator Wicklungen (7) erzeugen in den drehenden Ferritpolen (9) dieselbe Durchflutung, gleichgültig ob die Wicklung (7) steht oder mitdreht. Die Spulenkörper (6) der 3 Phasen werden mit Kunststoffhalterungen an den äußeren Weicheisenpolen (11) ein-gerastet und die 2 Spulenenden nach außen geführt. Eine Stromzuführung über Schleifringe entfallt. Aus diesem Grunde der Begriff „Leiterloser Rotor", wobei der Rotor (3) ebenfalls keine Dauermagnete enthält.
Weitere Vorteile sind:

– Nur Radiallagerung, keine besondere Achsiallagerung notwendig.
– Einfach, und kann auch als Außenläufermaschine, mit Ferritkernen, Spulenkörper und Wicklungen als Stator und den Dauermagneten und Weicheisenpolen als Rotor konstruiert werden.
– Höherer magnetischer Leitwert im Luftspalt wegen der größeren Fläche und damit höhere Luftspaltinduktionen.
– Höherer magnetischer Leitwert im Stator durch die langen, über alle Phasen verlaufenden Weicheisenpole. (die relative Permeabilität der Dauermagnete ist nur ca. 1 – 1,5 was den magnetischen Fluss stark behindert.) Bei einer 3-phasigen Maschine wird der magnetische Leitwert dadurch fasst 3 mal höher.
– Erhöhung der Luftspaltinduktion durch die trapezförmigen Weicheisenpole zwischen den rechteckförmigen Magneten, durch Querschnittverkleinerung der Dauermagnetoberfläche zur Polfläche am Luftspalt.
– Geringerer Streufluss rotorseitig. Da die Tangentialkräfle quadratisch mit der Luftspaltinduktion zunehmen, ergibt sich eine wesentliche Erhöhung des Drehmomentes.
– Das Verhältnis von Außendurchmesser zum Rotordurchmesser ist mit 1,2 noch besser. Der etwas größere Rotordurchmesser als bei 1 ergibt auch zusätzliche Pole am größeren Umfang.
– Als Magnete können Rechteckmagnete aus verschiedenen Materialien oder auch Kunststoff gebundene Hartferritmagnete eingesetzt werden.

3. Hochpolige Wechselstrommaschinen als Asynchronmaschinen mit Ferritkern.
3 zeigt eine 60-polige 3-phasige Asynchronmaschine mit einem Außenläufer (3) als Kurzschlussanker. Die Spulenkörper (6) mit den Wicklungen (7) sind auf die Ferritkerne (4) aufgeschoben und Teil des Stators (2).
Die Kurzschlussringe (12) umschließen die Weicheisenpole (11) und reagieren auf einen zunehmenden magnetischen Fluss am Luftspalt mit einem entgegengesetzten Fluss oder gleichnamigen Polen, und bei einem abnehmenden Fluss mit einem gleichgerichteten Fluss, was ungleichnamige Pole bedeutet. (Gesetz von Lenz) Als 8- Form „Kurzschlussachter" (12) welche jeweils 2 benachbarte Weicheisenpole (11) umschließen, wird durch den Strom im Kurzschlussachter (12) am benachbarten Weicheisenpol (11) eine ungleichnamige Polarisierung erreich, welche die Tangentialkraft auf den Rotor (3) fördert.
4. Hochpolige Wechselstrommaschinen als Kleinmotoren, Tachogeneratoren oder Encoder.
4 zeigt drei verschiedene Arten 2-phasiger Kleinmotoren oder Tachogeneratoren mit hoher Auflösung. Die ersten zwei sind 36-polig wobei der leiterlose Rotor (2) aus je zwei gezahnten Ferrithälften (4), oder aus einem Ferritteil (4), mit Zahnungen auf beiden Seiten besteht. Die Zähne (7) der rechten Seite zeigen jeweils auf einen Nordpolbügel (9) und die Zähne (7) der linken Seite auf einen Südpolbügel (7). Die Weicheisen Polbügel (9) liegen an den Polen der seitlich angeordneten Neodym Magneten (11) an, so dass am Umfang immer abwechselnd Nord- und Südpole entstehen. Beim Drehen des Rotors (2) fließt deshalb der magnetische Fluss immer abwechselnd über die gezahnten Ferritkerne und erzeugt in der Wicklung (6) eine Wechselspannung. Der aus zwei Halbschalen (im Falle eines Ferritteiles pro Phase) gefertigte Spulenkörper (5) ist nach dem Bewickeln auch Halterung für die Polbügel (9). Nach Aufschieben des Gehäuseaußenrohres (14) und Montage der Lagerdeckel (12) sind die Teile zentriert. Die oberste Wechselstrommaschine hat zwei Magnete pro Phase mit kürzeren Eisenweglängen (9), während der mittlere Motor für beide Phasen eine gemeinsame Statorerregung mit zwei Magneten (11) aufweist.
5. Hochpolige Wechselstrommaschinen als kleine Synchronmaschinen mit elektrischer Erregung.
5: Der untere Kleinmotor mit 18 Polen und 2 Phasen hat für die abwechselnde Erregung am Umfang zwei gezahnte Weicheisenteile (11) mit gleichen Spulenkörpern (15) und Wicklungen (18), welche jedoch mit Gleichstrom durchflossen, die Erregung erzeugen. Der magnetische Fluss ist oben links und in der unteren, abgerollten Ansicht auf die Magnetpole, dargestellt. Am linken Ferritkern (4) der ersten Phase wird momentan das höchste Drehmoment erzeugt weil die Ferritpole (7) zwischen den Nord- und Südweicheisenpolen (9) des Stators (10) liegen, während der rechte Ferritkern (4) momentan keinen Drehmoment erzeugt.
Vorteile der kleinen Wechselstrommaschinen gegenüber Gleichstrommotoren oder Tachogeneratoren:

– Kollektorlos und leiterloser Rotor, sehr einfache und leicht automatisierbare Herstellung.
– Nach oben offene Drehzahl (Begrenzung nur durch die Lagerung und mechanischen Zentrifugalkräfte am Ferritkern) Bei beispielsweise 40 000 Umdr./ Min. beträgt die Frequenz nur 12kHz, in Schaltnetzteilen wird dieses Ferritkernmaterial ohne wesentliche Verluste bis weit über 100kHz eingesetzt.
– Einfachste stehende Wicklungen auf runden Spulenkörpern ohne mechanische Beanspruchung der Drähte und ohne Wickelkopf für sehr zuverlässigen Betrieb und lange Lebensdauer.
– Der unterste Kleinmotor kann als „Reihenschluss- oder Nebenschluss- Motor" geschaltet werden, wobei im stromlosen Zustand außer der Lagerreibung und dem Luftwiderstand keine Haltemomente oder Bremsmomente wirken.

6. Hochpolige Wechselstrommaschinen als Blechkern Synchronmaschine.
6 zeigt das Beispiel einer 104-poligen 2-phasigen Maschine wobei der Stator (2) aus zwei spiegelbildlich angeordneten Lagerschalen (3) mit den achsial angeordneten U I Kernblechen (5) und dem Spulenkörper (8) mit der Wicklung (9) aufgebaut ist. Durch eine leichte Biegung der kürzeren Schenkel sind die Pole (7) gegenüber den äusseren I Blechpolen (7) tangential um eine halbe Polteilung versetzt. Die Halterung der U I Bleche (5) erfolgt durch zwei halbschalige Spulenkörper (8) aus Kunststoff Anschließend wird die runde Wicklung (9) automatisch gewickelt und nach dem Ausbringen der äußeren I Blechpole (7) und dem Außengehäuse (15 ist die Lagerschale (3) einer Seite fertig.
Der Rotor (10) besteht aus der Welle (6) mit einem scheibenförmigen Träger (11) für die Dauermagnete (13) und den trapezförmigen Weicheisenteilen (12). Trotz der möglichst weit außenliegenden Polflächen (7) ist durch die Kraftwirkung auf den Rotor (10) und durch die Nutzung der oberen und unteren Polflächen (7) der Rotorpole, welche bei Aufldappung einem viel breiteren Rotor (10) entspricht, ein sehr hohes Drehmoment bei einem relativ niedrigen Trägheitsmoment möglich. Die Dauermagnete (13) und die trapezförmigen Weicheisenteile (12) werden für beide Phasen genutzt.
Links ist der Längsschnitt der Maschine dargestellt mit dem mittleren magnetischen Flussverlauf. Der Eisenquerschnitt könnte im Bereich der Wechselmagnetisierung gleich sein, geeignete Kernbleche sind aber noch nicht auf dem Markt. An den trapezförmigen Eisenteilen (12) des Rotors (10) findet keine Ummagnetisierung statt, so dass diese nicht lamelliert sein müssen. Der runde Ausschnitt zeigt den weiteren Verlauf des magnetischen Flusses wobei die linke Seite die maximale Tangentialkraft der ersten Phase darstellt, während die rechte Seite den Stromnulldurchgang ohne Tangentialkraft darstellt. Rechts unten ist ein Ausschnitt von den Polen (7)(12) im abgerollten Zustand gezeichnet. Daraus können die Kräftewirkungen auf den Rotor (10) abgeleitet werden.
Die Vorteile dieser Maschinenbauart sind:

– Der magnetische Kreis ist durch zum Beispiel 0,35mm starke und hoch magnetisierbare kornorientierte Eisenlegierungen viel höher (bis über 2 Tesla) magnetisierbar als Ferritkernmaterial. Die Ummagnetisierungsverluste sind viel geringer als bei vergleichbaren Schritt- oder Servomotoren mit komplizierten Eisenwegen für den magnetischen Fluss.
– Bei 50 Hz beträgt die Drehzahl nur 57,7 Umdr./ Min. und bei 3000 Umdr./ Min. beträgt die Frequenz 2,6kHz, so dass auch viele Anwendungen mit Asynchronmotoren und Getriebe, sowie Schrittmotoren mit und ohne Getriebe, und spielfrei und preisgünstiger ersetzt werden können.
– Die geringen Kupferverluste und Eisenverluste ergeben einen hohen Wirkungsgrad, so dass die Maschine im 4-quadranten Betrieb als Motor und Generator insbesondere als KFZ Antrieb zum Beispiel mit Brennstoffzellen und der Zwischenspeicherung von Bremsenergie in einer Schwungscheibe eingesetzt werden kann.
– Die Polzahl der Maschine ist in weiten Grenzen variabel und kann an besondere Anwendungen angepasst werden.
– Gleichmäßige Erwärmung der Wicklung (9) und gute Kühlmöglichkeiten der Wicklung (9), welche automatisch und auch als Flachbandwicklung mit verschiedenen Materialien zum Beispiel Aluminium gewickelt werden kann. Der Leiterfüllfaktor der Wicklung (9) ist sehr hoch.

7. Hochpolige Wechselstrommaschinen als Blechkern Synchronmaschinen mit elektrischer Erregung:
7 zeigt eine elektrisch erregte 144-polige 3-phasige Synchronmaschine in Fußausführung. Die drei Phasen sind nebeneinander angeordnet. Der leiterlose Rotor (3) besteht aus den achsial angeordneten und geteilten Blechpaketen (8), um bei der Montage den vorgefertigten Spulenkörper (9) mit der Hauptwicklung (10) einzusetzen. Die einzelnen Bleche sind zu Blechpaketen zusammen geklebt oder genietet und leiten den, durch die Hauptwicklung (10) erzeugten magnetischen Fluss sternförmig radial zu den Polen (7). Die Halterung der Blechpakete (8) auf den geteilten Alurohren (5) erfolgt durch die einlagige Haltewicklung (24) unter der Hauptwicklung (10) und durch die Schwalbenschwanzringe (6) außen und zwischen den Phasen.
Für die Erregung sind zwei Spulenkörper (14) mit gleichen, in Reihe oder parallel geschalteten Wicklungen (15) notwendig, damit ein symmetrischer magnetischer Leitwert entsteht und somit auch der Fluss und die induzierte Spannung symmetrisch ist. Durch die Verbreiterung der Pole (7)(12) zum Luftspalt (11) hin wird der hohe magnetische Widerstand des Luftspaltes (11) verkleinert, was zu einem größeren magnetischen Fluss führt. Die Pole (12) der Erregerseite können aus dicken gestanzten Blechen mit guten magnetischen Eigenschaften sein. Vom linken Luftspalt aus leiten die Pole (12) den magnetischen Fluss schließlich über das äußere Eisenrohr (13) achsial weiter über den mittleren Pol (12) zum rechten Luftspalt (11), wie in der Zeichnung dargestellt. Bewegt sich der Rotor (3) um eine Polteilung oder um 1/144 Umdrehungen weiter, fließt der magnetische Fluss im Rotorkern (8) entgegengesetzt. In der Mitte der Zeichnung sind alle Pole (7)(12) von oben gesehen dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Rotorpole (7) der drei Phasen tangential um 1/3 Polteilung versetzt montiert sind damit ein gleichmäßiges Drehmoment entsteht, oder im Generatorbetrieb eine 3-phasige, um 120° versetzte Wechselspannung.
Vorteile gegenüber Synchronmaschinen mit elektrischer Erregung nach dem Stand der Technik:

– Kollektor- und schleifringlos und auch keine mitdrehende Gleichrichter, keine Erregermaschine notwendig.
– Leiterloser Rotor. Nur mindestens 3 einfache Wicklungen pro Phase notwendig. Keine Wickelköpfe.
– Mit verschiedenen Polzahlen ausführbar. Bei 50Hz und 144-poliger Maschine ist die Drehzahl nur 41,7 Umdr./ Min.
– Als Motor oder Generator für langsam laufende Antriebe oder Maschinen ohne Getriebe auch im 4- Quadrantenbetrieb anwendbar
– Enorme Leistung pro Gewichtseinheit bei Anwendungen über Frequenzumrichter mit höheren Frequenzen. (fast 8-fache Leistung bei 400Hz und 333 Umdr./ Min. als bei 50Hz.) Bei 1500 Umdr./ Min. 1800Hz
– Sehr wenig Streufluss rotorseitig. An der Stelle des größten Sreuflusses der Statorseite können zur Erhöhung des Erregerflusses Dauermagnete eingesetzt werden. (höhere Remanenz für Generatoren im Inselbetrieb.)

8. Hochpolige Wechselstrommaschinen als einfache Asynchron- Außenläufermaschinen.
Die in 8 dargestellte 72-polige 3-phasige Asynchronmaschine hat als Rotor (2) einen Auenläufer (18) mit achsial angeordneten Weicheisenblechen (7), welche durch Aluminiumdruckguss (3) umspritzt, die Kurzschlusswicklung und gleichzeitig das Rotorgehäuse bilden. Die Polzahl (7) ist größer als die doppelte Polzahl des Stators (12), damit weniger Torsionsschwingungen entstehen. Die Weicheisenbleche (7) können ebenfalls mit Kurzschlussringen (6) oder Kurzschlussachter (6) wie in Abschnitt 3 beschrieben, ausgeführt werden. Die Anschlussdrähte werden durch das Rohr (2) nach außen geführt und der Spulenkörper (9) mit den Wicklungen (10) ist an den Weicheisenblechen (8) befestigt.
Rotor und Stator lassen sich aber auch vertauschen, wenn ein etwas Kleinerer Spulenkörper (9) mit der Wicklung (10) außen befestigt wird, (wie in 2 oder 7 dargestellt) und die Anschlüsse auch nach außen geführt werden.
9. Hochpolige Wechselstrommaschinen als Rotor mit elektrischer Erregung.
9 zeigt einen leiterlosen Rotor (2) für Anwendungen in Schrittmotoren nach dem Stand der Technik. Bisher werden die Rotoren mit Hilfe von Dauermagneten erregt, welche zwischen zwei zahnradförmigen Polrädern auf der Welle angeordnet sind. Damit über die Welle kein Streufluss von Polrad zu Polrad fließt, ist die Welle aus einem paramagnetischen Material hergestellt. Für längere Motoren wird dieselbe Anordnung auch mehrmals nebeneinander hergestellt.
Wie in den vorhergehenden Maschinen beschrieben besteht die Möglichkeit die Erregung durch eine stehende, am Stator (9) befestigte Spulenkörper (4) mit einer Wicklung (5) zu erzeugen. Die mit Gleichstrom durchflossene Wicklung (5) erzeugt nun genauso wie ein Dauermagnet verschiedene achsial versetzte Nord- und Südpole (3) an den drehenden Rotorteilen.
Die Vorteile sind:

– Die Welle (6) wird aus ferromegnetischem Material für den leiterlosen und dauermagnetlosen Rotor mitbenutzt. Kleiner mittlerer Windungsumfang, und dadurch niederohmig, hohe Durchflutung, und wenig Kupferverluste.
– Der magnetische Widerstand im Rotorkreis ist niedriger, so dass auch der statorseitige Fluss und damit die Luftspaltinduktion höher wird. (Wegen der niedrigen Permeabilitäten von Dauermagnet Werkstoffen.)
– Lastabhängige Erregung möglich, für hohe Beschleunigungen oder Verzögerungen kann der Erregernennstrom kurzzeitig stark überschritten werden.
– Kein Bremsmoment bei ausgeschalteter Erregung
– Nachteil ist eine anspruchsvolle Konstruktion für die Montage und Demontage von Rotor und Stator.

10. Hochpolige Wechselstrommaschinen mit gewickeltem Weicheisendraht als Magnetkreis.
10 stellt eine 60-polige mit Weicheisendraht (6) und einem speziellen Spulenkörper (5) hergestellte Maschine dar, bei welcher ebenfalls mehrere Phasen nebeneinander aufgebaut werden können. Der Spulenkörper (5) besteht aus 30 zusammenhängenden Einzelspulenkörpern, welche der Polpaarzahl der Maschine entspricht. Zur Bewicklung des Spulenkörpers (5), wird dieser auf einen Wickeldorn (9) aufgeschoben, welcher etwa eine Länge entsprechend des Rotorumfanges hat. Die 30 nebeneinanderliegenden Einzelspulenkörper können dann in einem Durchgang ohne eine Drahtunterbrechung mit einem Eisenlackdraht (6) bewickelt und geklebt werden. Das Abschneiden der oberen Spulenköpfe (8) an der eingezeichneten Schnittlinie kann in dieser gestreckten Form mit Wickeldorn (9) mit einem scheibenförmigen Werkzeug erfolgen, oder erst später, in der, um die Welle (10) angeordneten Form mit einem Laserschneidvorgang. Die abgeschnittenen Spulenköpfe (8) können mit einer höheren Polzahl und mit Kurzschlussringen oder durch Umspritzen mit Aluminium als Asynchronmaschinen verwendet werden. Ganz ohne Drahtabfall (6) wäre die Bewicklung von zwei, symmetrisch zur Schnittstelle angeordneten Spulenkörpern (5), wobei nach dem Schneiden die Eisendrahtpakete für 2 Phasen entstehen würden. Nach Entfernen des Wickeldornes (9) lassen sich die 30 Polpaare durch Biegen, in eine runde, sternförmige Form bringen, auf eine Welle (10) aufschieben und Anfang mit Ende des Spulenkörpers (5) durch eine Klammer verbinden. Der zylinderförmige Raum, welcher bei abgeschnittenen Spulenköpfen entsteht ist nun der Spulenkörper des Statorpaketes für die Hauptwicklung (11) einer Phase, zum Baispiel für eine Synchron oder Asynchron Außenläufermaschine (4). Die sternförmig auf der Welle angeordneten Pole (7) können aber auch als leiterloser Rotor (2) einer Asynchron oder Synchronmaschine verwendet werden. Für eine höhere Stabilität bei hohen Drehzahlen durch die Zentrifugalkräfte ist am Grund des zylindrischen Raumes eine einlagige Wicklung (16) aus nicht leitendem Material vorgesehen. Für die Hauptwicklung (11) wird ein weiterer Spulenkörper (12), welcher zum Rotor (2) ein Luftspalt (17) aufweist, und in der achsialen Ebene geteilt ist und später am äußeren Stator (3) befestigt wird, verwendet. Die Befestigung für die Bewicklung erfolgt durch Keile, welche den geteilten Spulenkörper (12) am Rotor (2) festhält, und welche nach der Bewicklung wieder entfernt werden. Die weiteren Erklärungen des äußeren Verlaufes des magnetischen Kreises und das Zustandekommen des Drehmomentes für Asynchron- und Synchronmaschinen mit Dauermagneten und elektrischer Erregung sind weiter vorne beschrieben.
Der Weicheisendraht (6) als magnetleitfähiges, kornorientiertes Material hat den Vorteil gegenüber geblechten Maschinen nach dem Stand der Technik, dass bei der Herstellung durch das Ziehen des Drahtes die magnetische Vorzugsrichtung immer in Längsrichtung des Drahtes verläuft (Vermutung) und damit den bestmöglichen magnetischen Leitwert ergibt. Der Eisenquerschnitt ist über den ganzen Feldlinienweg konstant. Der Eisenfüllfaktor ist wegen der Drahtisolation und der runden Drahtform schlechter als bei geblechten Maschinen, aber dadurch auch leichter bezogen auf denselben magnetischen Fluss. Der schlechtere Füllfaktor vermindert aber auch besser eine Querdurchflutung am Pol, was zu einer einseitigen Sättigung und damit zu einer geringeren Luftspaltinduktion führt. Die Drahtstärke und die Dicke der Lackisolation beeinflussen die Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste und können entsprechend den gewünschten Maschineneigenschaften festgelegt werden.
11. Hochpolige Wechselstrommaschinen als Linearmaschinen mit Schnittbandkernen oder E-Biechkernen.
11 zeigt eine hochpolige, 1- bis n- phasige Linearmaschine (2) mit rundem rohrförmigem Linearteil (10). Das paramagnetische Rohr (17) wird mit scheibenförmigen, achsial magnetisierten Dauermagneten (14) und zylindrischen Weicheisenteilen (15) bestückt, so dass diese abwechselnd Nord- und Südpole aufweisen. Der Statormagnetkern besteht aus Schnittbandkernen (8) oder aus E- Blechen (8), wie sie aus dem Transformatorenbau bekannt sind. Durch eine weitere Bearbeitung werden quer zu den Bändern der Schnittbandkerne (8) am späteren mittleren Polschenkel im Abstand von einer Polteilung Nuten eingefräst, so dass zwischen den Nuten die Statorpole (7) entstehen. Auf der radial gegenüberliegenden Seite der Statorpole (7) liegen die Nuten. Bei den E- Blechen (8) werden die versetzten Pole durch leichtes biegen der mittleren Schenkel (9), welche durch den Spulenkörper (5) gehalten werden, erreicht. Durch eine Längsbohrung in der Mitte der 4 Schnittbandkernhälften (8) oder der mittleren E- Schenkel (9) entsteht das Loch für eine dünne Gleitiagerbüchse (11) als Führung für das Linearteil (10).
Die Statordurchflutung einer Phase wird von einem speziellen Spulenkörper (5) mit einer Aussparung für das Linearteil (10) und mindestens einer Wicklung (6) erzeugt. Der Stator (3) einer Phase (4) kann mit Schnittbandkernen (8) oder E- Blechpaketen (8) zu einer beliebigen Länge zusammengebaut werden, wobei der wirksame Strom in der Wicklung (6) wiederum parallel zu der Kraftwirkung auf das Linearteil (10) wirkt. Mehrere Phasen können ebenfalls an die erste Phase (4) angereiht werden. Die Kraft auf das Linearteil (10) ist proportional zur Länge des Statorpaketes aller Phasen.
Die obere Zeichnung links stellt den Stator (3) mit den Schnittbandkernen (8) und das Linearteil (10) in achsialer Richtung dar. Daneben ist der Seitenriss mit einem Stator- und Spulenende dargestellt, und weiter rechts ein Ausschnitt aus Stator (3) und Linearteil (10). Unten links ein Grundriss mit einem Übergang von einer Phase (20) zur anderen mit dem gemeinsamen Befestigungsträger (19). Unten in der Mitte der Seitenriss und unten rechts die Ansicht der Ausführung mit E- Blechen (8).
Weitere Eigenschaften dieses Linearantriebes:

– Der Antrieb erfolgt auch auf ein drehendes Linearteil.
– Sehr hohe Luftspaltinduktion durch Konzentration des Eisenquerschnittes vom Schnittbandkern auf die Statorpole. Ebenso im Linearteil durch die Konzentration der Oberfläche der Neodym Dauermagnetpole auf die Mantelfläche der Weicheisenscheiben. (13)
– Hohe Ausnutzung der Poloberfläche am Umfang des Linearteiles.
– Leider mit magnetisch unwirksamen Wickelkopf , welcher jedoch bei längeren Statorpaketen immer unbedeutender wird.

12. Hochpolige Wechseistrommaschinen als 2-phasige Linearmaschinen.
12 stellt eine preiswerte 2-phasige Linearmaschine (2) mit einer, der benötigten Kraft angepassten variablen Polzahl (13) dar. Der Blechkern des Stators (3) besteht aus E- I- Blechen, welche aus dem Transformatorenbau bekannt sind. Die äußeren Schenkel (8) sind etwas gekürzt und um eine Polteilung gebogen. Damit bildet das I – Blech einen Pol (7) und der Mittlere Schenkel (13) des E- Bleches den zweiten Pol (7). Diese beiden Pole (7) bilden einen Teil der ersten Phase (6) und umschließen etwa die Hälfte des Linearteiles (4). Der anderen Hälfte liegen die Pole (7) der zweiten Phase (6) gegenüber, welche im Aufbau gleich wie die erste Phase (6) ist jedoch in achsialer Richtung um eine halbe Polteilung (9) versetzt. Der Spulenkörper (10) aus Kunststoff enthält eine oder mehrere Wicklungen (12) und dient als Abstandhalter (11) für die richtige Position der E- I- Bleche (7).
Die Linearmaschine (2) kann in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel:

– Als Ersatz für Hubmagnete, welche am Anfang nur geringe Kräfte erzeugen und deshalb nur für geringe Hübe geeignet sind.
– Als Ventilantriebe mit größeren Hüben anstelle elektro- pneumatischen Antrieben, welche eine Pressluftanlage erfordern.
– Als Direktantrieb für Kolbenpumpen aller Art.
– Als Lenkhilfe und Bremskraftverstärker in Kraftfahrzeugen usw.

Oben links ist der Seitenriss einer 6-poligen Linearmaschine (2) dargestellt. In der oberen Hälfte die erste Phase (6) und im unteren Teil die, um eine halbe Polteilung (9) versetzte, zweite Phase (6). Links am Linearteil (4) das gebogene Endteil aus Weicheisen (17), welches an einem Weicheisen Metallanschlag(18) haften bleibt.
Rechts ist der Stator (3) von der Achse des Linearteiles (4) aus gesehen.
Unten sind 2 Bilder mit Sicht auf den abgerollten Umfang des Linearteiles mit den Statorpolen und den Polen (7) des Linearteiles (4). Der momentane Spulenstrom beider Phasen, welche um 90° zueinander versetzt sind, ist willkürlich , einmal bei 126° und rechts bei 180° dargestellt. Die durch die Spulenströme verursachten Durchflutungen ergeben nach der rechten Handregel die eingezeichneten Nord- und Südpole an den Statorpolen. Daraus ist ersichtlich, dass sich durch Anziehung ungleichnamiger Pole und Abstoßung gleichnamiger Pole auf das Linearteil in allen Phasenlagen eine Kraft nach rechts ausgeübt wird, wobei sich das Linearteil während einer Periode des Spulenstromes um eine Polteilung (9) bewegt.
Weitere Eigenschaften von hochpoligen zweiphasigen Linearmaschinen:

– Für Positionieraufgaben sind Haltepunkte mit hoher Auflösung und spielfrei realisierbar.
– Hohe Haltekraft in der Positionsendlage durch eine Magnethalterung am Ende des Linearteiles, zum Beispiel für den stromlosen Zustand der Maschine, oder zur Synchronisierung der Position für einen elektronischen Positionszähler.
– Hohe Beschleunigungs- und Verzögerungskraft durch kurzzeitiges Überschreiten des Spulenstromes.
– Hoher Dynamikbereich, für Positionieraufgaben bis zu hohen Geschwindigkeiten einsetzbar. Zum Beispiel bei 50Hz 300mm/s, bei 1kHz 6m/s und bei 4,63kHz 100km/h.

13. Hochpolige Wechselstrommaschinen als 3-phasige Linearmaschine, 13.
Die Maschine ist ähnlich aufgebaut wie die 2-phasige Linearmaschine nach Abschnitt 12, am Umfang steht jedoch nur ein drittel pro Phase zur Verfügung. Dadurch ergeben sich weniger Längskraftwelligkeiten für noch feinere Positionieraufgaben. 13 stellt eine 3-phasige 8-polige Linearmaschine dar.

Fig.1
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Stator
3: Rotor
4: Ferritkern
5: Ferritkernschalen
6: Spulenkörper
7: Wicklungen
8: Rotorwelle
9: Ferritpole
10: Luftspalt
11: Dauermagnete
12: Rotorscheibe
13: Rotorhülse
14: Dauermagnethaltering
15: Magnetkreis
16: Gehäusedeckel vorne
17: Gehäusedeckel hinten
18: Gehäuseaußenrohr
19: Achsiale Lagerung
20: Radiale Lagerung
21: Keilnute
22: Befestigungsgewinde
23: Federscheibe
24: Mutter
25: Verdrahtungsloch
Fig. 2
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Stator
3: Rotor
4: Ferritkern
5: Ferritkernschalen
6: Spulenkörper
7: Wicklungen
8: Rotorwelle
9: Ferritpole
10: Luftspalt
11: Weicheisenpole
12: Dauermagnete
13: Magnetkreis
14: Gehäusedeckel vorne
15: Gehäusedeckel hinten
16: Gehäuseaußenrohr
17: Radiale Lagerung
18: Keilnute
19: Lagerdeckel
Fig. 3
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Stator
3: Kurzschlussaußenläufer Rotor
4: Ferritkern
5: Ferritkernschalen
6: Spulenkörper
7: Wicklungen
8: Schraube
9: Ferritpole
10: Luftspalt
11: Weicheisenpole
12: Kurzschlussringe Kurzschlussachter
13: Magnetkreis
14: Lagerschale
15: Distanzring
16: Gehäuseaußenrohr
17: Radiale Lagerung
18: Scheibe
19: Lagerdeckel
20: Montageflansch
21: Mutter
22: Befestigungsgewinde
23: Verdrahtungsloch
24: Anschlussleitungen
25: Phasen
Fig. 4
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Rotor
3: Welle
4: Ferritkernhälfte
5: Spulenkörper
6: Wicklungen
7: Ferritpolen
8: Luftspalt
9: Weicheisenpolbügel
10: Stator
11: Dauermagnete
12: Lagerdeckel
13: Lager
14: Gehäuseaußenrohr
Fig. 5
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Rotor
3: Welle
4: Ferritkernhälfte
5: Spulenkörper
6: Wicklungen
7: Ferritpole
8: Luftspalt
9: Weicheisenstäbe
10: Stator
11: Weicheisenzylinder
12: Lagerdeckel
13: Lager
14: Gehäuseaußenrohr
15: Geteilter Spulenkörper
16: Zahnung
17: Wicklungen
18: Gleichstromwicklungen
19: Magnetischer Fluss
Fig. 6
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Stator
3: Lagerdeckel
4: Lager
5: Eisenblechpakete
6: Welle
7: Blechpole
8: Spulenkörper
9: Wicklungen
10: Rotor
11: Scheibenförmige Halterung
12: Weicheisenleitblech
13: Dauermagnete
14: Luftspalt
15: Rohrförmiges Gehäuseteil
16: Halteband
17: Abstandshaltering
18: Keilnute
19: Ankerschrauben
Fig. 7
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Stator
3: Rotor
4: Welle
5: Abstandsringe
6: Halteringe
7: Rotorpole
8: Weicheisenbleche
9: Spulenkörper
10: Wicklungen
11: Luftspalt
12: Statorpole
13: Außengehäuse
14: Statorspulenkörper
15: Gleichstromwicklung
16: Dauermagnete
17: Lagerschalen
18: Lagerdeckel
19: Lüfterflügel
20: Luftumleit und Schutzblech
21: Kühlrippengehäuse
22: Lager
23: Montageboden
24: Einlagige Haltewicklung
25: Keilnute
26: Magnetischer Fluss
Fig. 8
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Stator
3: Rotor
4: Asynchrone Außenläufermaschine
5: Außenliegender Stator
6: Kurzschlusswicklungen
7: Rotor Weicheisenpole
8: Weicheisenbleche
9: Spulenkörper
10: Wicklungen
11: Luftspalt
12: Statorpole
13: Montageflansch
14: Mutter
15: Rohr
16: Ring
17: Lager
18: Lagerdeckel
Fig. 9
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Gleichpolrotor
3: Pole
4: Spulenkörper
5: Wicklungen
6: Welle
7: Weicheisenring
8: Luftspalt
9: Stator
Fig. 10
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Rotor
3: Stator
4: Außenläufermaschine
5: Spulenkörper
6: Weicheisendraht
7: Magnetpole
8: Wickelköpfe
9: Wickeldorn
10: Welle
11: Wicklung
12: Geteilter Spulenkörper
13: Außenliegender Stator
14: Wicklung auf geteiltem Spulenkörper
15: Rotoreisenpaket
16: Einlagige Wicklung
17: Luftspalt
18: Rotor der Außenläufermaschine
Fig. 11
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Linearmaschine
3: Stator
4: Erste Phase
5: Spulenkörper
6: Wicklungen
7: Pole
8: Schnittbandkerne
9: Mittlerer Schenkel
10: Linearteil
11: Gleitlagerbüchse
12: Luftspalt
13: Pole des Linearteiles
14: Dauermagnete
15: Weicheisenscheiben
16: Längsstab
17: Außenrohr
18: Endteil
19: Befestigungsträger
20: Weitere Phasen
Fig. 12
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Linearmaschine
3: Stator
4: Linearteil
5: Statorhälfte
6: Phasen
7: Pole
8: E-Schenkel
9: Polteilung
10: Spulenkörper
11: Halterungen
12: Wicklung
13: Mittlere Schenkel
14: Bohrung
15: Gleitlagerbüchse
16: Pole des Linearteils
17: Zylindrisches Weicheisenteil
18: Festes Weicheisenteil
19: Befestigungsträger
20: Dauermagnete
Fig. 13
1: Hochpolige Wechselstrommaschinen
2: Drei phasige Linearmaschine
3: Statorpakete
4: Linearteil
5: Weicheisenbleche
6: Phasen
7: Pole
8: Mittlere E- Schenkel
9: I- oder V- Blechpole
10: Äußere E- Schenkel
11: Spulenkörper
12: Wicklung
13: Halteplatten
14: Abstandhalter
15: Befestigungsschrauben
16: Gehäuse

Claims

Hochpolige Wechselstrommaschinen (1), mit einem Stator (2) und einem, mit Dauermagneten (11) bestückten Rotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass pro eine Phase ein Ferritkern (4) aus zwei Ferritkernschalen (5) besteht, welcher einen zentralen Spulenkörper (6) mit einer oder mehreren Wicklungen (7) enthält, wobei die Achse des Spulenkörpers (6) mit der Wellenachse einer Rotorwelle (8) des Rotors (3) zusammenfällt, wobei durch den elektrischen Wechselstrom in der oder den Wicklungen (7), welcher parallel zu den, auf den Rotor (3) wirkenden Tangentialkräften fließt, eine magnetische Durchflutung und somit ein magnetischer Wechselfluss entsteht, welcher von den Fenitkernschalen (5) radial nach außen und wieder achsial, auf eine beliebig hohe Anzahl (n) durch Ausschleifen gebildete Ferritpole (9) außerhalb des Spulenkörpers (6) verzweigt und von dort achsial über einen Luftspalt (10) zu einer doppelt hohen Anzahl (2n) Dauermagneten (11) des Rotors (3) geleitet wird, welcher die Rotorwelle (8), eine Rotorscheibe (12), eine Rotorhülse (13) und einen Dauermagnethaltering (14) für die Dauermagnete (11) enthält und jeweils abwechselnde Nord- Südpolarisierung in achsialer Richtung aufweisen, wobei der magnetische Wechselfluss, nach einem weiteren Luftspalt (10), zum gegenüberliegenden Ferritpol (9) und wieder radial nach innen, einen geschlossenen Magnetkreis (15) bildet, wobei auf die beiden Nord- und Südpole der Dauermagnete (11) des Rotors (3) durch Anziehung ungleichnamiger Pole, und Abstoßung gleichnamiger Pole eine tangentiale Kraft auf beiden Seiten der Dauermagnete (11) und von jedem Pol des Ferritkerns (4) gleichzeitig in einer Richtung auf den Rotor (3) ausgeübt wird, wobei dieselbe Anordnung für mehrere (x) Phasen und mit einer gemeinsamen Rotorwelle (8) achsial nebeneinander aufgebaut, und mit der Phasenlage des Stromes zusammen eine bestimmte Drehrichtung ergibt indem die Ferritpole (9) der einzelnen Phasen gegenüber den Dauremmagnet (11) Polen tangential um eine Polteilung dividiert durch die Anzahl (x) Phasen so verschoben sind, dass jederzeit ein Maximum an tangentialer Kraft entsteht, mit einem Gehäusedeckel (16) vorne und hinten (17), einem Gehäuseaußenrohr (18) und einer achsialen (19) und radialen (20) Lagerung des Rotors (3).
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Fenitkernschalen (5) mit der Rotorwelle (8) verbunden sind und einen Leiter losen Rotor (3) bilden, wobei der magnetische Wechselfluss durch einen stehenden, am einem Stator (2) befestigten Spulenkörper (6) mit den Wicklungen (7) im drehenden Kern des Ferritkerns (4) erzeugt wird, wobei der magnetische Fluss vom rechten Ferritkern (4) radial auf beliebig viele (n) Ferritpole (9) verzweigt, und weiter radial über einen Luftspalt (10) zu einer doppelten Anzahl (2n) Weicheisenpole (11) des Stators (2), von dort tangential zum Nordpol eines oder mehrerer Dauermagneten (12), über die Dauermagnete (12) zum Südpol und zum benachbarten Weicheisenpol (11), und radial über den Luftspalt (10) wieder zu den linken Ferritpole (9) geleitet wird, einen geschlossenen Magnetkreis (13) bildet, wobei die Weicheisenpollänge der Weicheisenpole (11) über die gesamte Ferritkernlänge aller Phasen ragt und die magnetische Flussdichte der Weicheisenpole (11) im Luftspalt (10) durch deren Berührungsfläche mit den Dauermagneten (12) im Verhältnis zur Weicheisenpolfläche der Weicheisenpole (11) erhöht werden kann, wobei zusätzlich eine größere, magnetisch wirksame Luftspaltfläche erreicht wird und keine besondere achsiale Lagerung (19) mehr notwendig ist.
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein außenliegender Rotor (3) als Kurzschlussaußenläufer oder als Kombination mit Dauermagneten (12) und Kurzschlussaußenläufer (Reluktanz) ausgeführt ist, wobei die achsial angeordneten Weicheisenpole (11) aus mehreren Blechen bestehen welche wiederum die gesamte Ferritkernlänge aller Phasen einschließen und im Bereich der Halterungen des Spulenkörpers (6) mit einer Kurzschlusswicklung oder mit mehreren Kurzschlussringen oder Kurzschlussachter (12) versehen sind oder mit Aluminium umspritzt oder ausgegossen wird und gleichzeitig eine Halterung für den Spulenkörper (6) aufweist, wobei ein vertauschen von Stator (2) und Rotor (3) möglich ist mit einem Gehäuseaußenrohr (16) Lagerschalen (14) und eine radiale Lagerung (17), wobei die Ferritpole (9) der rechten Ferritkernschale (5) im Falle einer reinen Asynchronmaschine mit den Ferritpolen (9) der linken Ferritkernschale (5) achsial übereinstimmen.
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass als Kleinmotoren oder Tachogeneratoren ein Leiter loser Rotor (2) mit einer Welle (3) und pro Phase, mit zwei Ferritkernhälften (4), oder aus einem Ferritkernteil, welche eine Aussparung für einen Spulenkörper (5) oder für einen achsial geteilten Spulenkörper mit Wicklungen (6) haben und mit einer beliebigen Anzahl (n) zahnradförmigen Ferritpolen (7) am äußeren Umfang ausgestattet ist, welche jeweils auf der radial gegenüberliegenden Seite des Luftspaltes (8) auf die abwechselnden Nord und Südpole von einer doppelten Anzahl (2n) Weicheisenpolbügel (9) zeigen, wobei die zu einem Stator (10) gehörenden achsial am Umfang angeordneten Weicheisenpolbügel (9) abwechselnd einmal an den Nordpolen und an den Südpolen von zwei, seitlich angeordneten Dauermagneten (11) anliegen und durch die Halterungen am Spulenkörper (5) einen tangentialen Abstand zu den benachbarten Polbügel (9) einhält, wobei mehrere Phasen der beschriebenen Anordnung achsial nebeneinander angeordnet werden können oder die Bügellänge der Polbügel (9) über mehrere Phasen von nur zwei Dauermagneten (11) die magnetische Erregung erzeugen, mit zwei Lagerdeckeln (12) mit den Lagern (13) und einem Gehäuseaußenrohr (14).
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die abwechselnden Nord- Süd- Polbügel durch achsial angeordnete Weicheisenstäbe (9) am äußeren Umfang und welche durch eine elektrische Durchflutung, von einer mit Gleichstrom durchflossenen Wicklung (18) auf einem geteilten Spulenkörper (15) magnetisiert werden, wobei ein Weicheisenzylinder (11) mit einer Bohrung, für eine Welle (3) oder eine Gleitlagerbüchse, und einer zylindrischen Aussparung, für den geteilten Spulenkörper (15) mit Halterungen für die Weicheisenstäbe (9) und welcher auf der, dem Rotor (2) zugewandten Seite eine Zahnung (16) aufweist, den magnetischen Fluss zu den Weicheisenstäben (9) führt, wobei auf der achsial Gegenüberliegenden Seite des Rotors (2) mit einer oder zwei Phasen dieselbe Anordnung spiegelbildlich einen symmetrischen magnetischen Fluss im Rotor (2) ergibt wobei bei gleicher Stromrichtung in den Gleichstromwicklungen (18) durch die Weicheisenstäbe (9) achsial die Pole Nord mit Nord und Süd mit Süd verbunden sind, ein Synchronlauf des Rotors (2) möglich ist, bei kurzgeschlossenen Gleichstromwicklungen (18) ein Asynchronlauf und bei offenen Gleichstromwicklungen (18) kein Dreh- oder Bremsmoment entsteht.
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein Stator (2) aus zwei gleichen, spiegelbildlich angeordneten Lagerdeckeln (3) mit Lagern (4) und Eisenblechpaketen (5), welche aus dem Transformatorenbau ähnlichen Blechen bestehen, eine Zweiphasige Maschine bildet, wobei aus U- I- förmigen, in der achsialen Ebene einer Welle (6) angeordneten Einzelblechen zu Blechpolen (7) zusammengefügt sind, wobei eine beliebige Anzahl (n) sternförmiger Blechpole (7) entstehen, mit einem Spulenkörper (8) pro Lagerdeckel (3), welcher mit einer oder mehreren konzentrischen Wicklungen (9) bewickelt ist und Halterungen für die Blechpole (7) besitzt, wobei ein Rotor (10) mit der Welle (6) und einer auf der Welle (6) befestigten, scheibenförmigen Halterung (11) für die, am äußeren Durchmesser angeordneten, doppelten Anzahl (2n) Weicheisenleitblechen (12) und Dauermagneten (13) bestückt und befestigt ist, welche über einen äußeren und einen inneren Luftspalt (14) getrennt, zwischen den I-Blechpolen (7) und den kürzeren Schenkeln der U-Blechpolen (7) symmetrische, für beide Phasen oder Lagerdeckel (3) wirksamen Erregerpole bilden, wobei der in den Wicklungen (9) fließende Wechselstrom einen magnetischen Fluss verursacht, welcher vom kürzeren Schenkel des U- Blechpoles (7) radial über den Luftspalt (14) in das für beide Phasen gemeinsame Weicheisenleitblech (12), tangential zum Nordpol eines runden oder rechteckförmigen Dauermagneten (13), durch diesen hindurch zum Südpol des Dauermagneten (13), auf das benachbarte Weicheisenleitblech (12), radial über den äußeren Luftspalt (14) auf den I- Blechpol (7) und über das U-förmigen Eisenblechpaket (5) wieder zurück fließt und einen geschlossenen Magnetkreis bildet, wobei die rechte Statorhälfte (2) gegenüber der linken Statorhälfte (2) tangential um eine halbe Rotorpolteilung verdreht, durch ein rohrförmiges Gehäuseteil (15) gehalten wird.
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass eine, vorwiegend mit drei nebeneinander angeordneten Phasen, eine Kollektor- und Schleifringlose Synchronmaschine mit einem Stator (2), mit durch Gleichstrom erregten Statorpolen (12) gebildet ist, wobei ein Leiterloser Rotor (3) aus einer Welle (4), Abstands (5)- und Halteringe (6) für eine hohe Anzahl (n) Rotorpole (7), welche aus mehreren, dünnen gestanzten L- oder U-förmigen in der achsialen Ebene angeordneten und zu sternförmigen Rotorpolen (7) zusammengefasste Weicheisenblechen (8) bestehen, wobei auf einem Spulenkörper (9), welcher am Stator (2) befestigt ist eine oder mehrere konzentrische Wicklungen (10) enthält welche mit elektrisch gut leitendem Lackdraht oder Lackband bewickelt sind, und durch einen, in tangentialer Richtung fließenden Wechselstrom durchflossen, an den Rotorpolen (7) einen magnetischen Wechselfuß erzeugt, welcher innerhalb des Spulenkörpers (9) entsteht und dann radial auf die Rotorpole (7), über einen linken Luftspalt (11) zu einer doppelt hohen Anzahl (2n) Statorpole (12), zu einem aus Weicheisen bestehenden zylindrischen Außengehäuse (13), von dort über den Mittleren Statorpol (12) zum rechten Luftspalt (11) über diesen und radial wieder zurück zum achsialen Teil innerhalb des Spulenkörpers (9) fließt, wobei die Erregung im Stator durch die abwechselnd nord- und südpolarisierten Statorpole (12), welche durch die, von zwei über den ganzen Umfang auf Statorspulenkörper (14) gewickelten Gleichstromwicklungen (15) den magnetischen Erregerfluss dazu erzeugen welcher mit zusätzlichen Dauermagneten (16) erhöht werden kann, erreicht wird, wobei durch drei Schenkel auf das zylindrische Außengehäuse (13) symmetrische magnetische Wechselflüsse und Spannungen entstehen, wobei durch kurzschließen der Gleichstromwicklungen (15) auch ein asynchroner Betrieb zum Beschleunigen oder Verzögern und bei Umschaltung auf Gleichstromerregung ein Übergang in den Synchronbetrieb möglich ist, mit Lagerschalen (17), Lagern (22), Lagerdeckeln (18) rechts und links der Maschine sowie je nach Anwendungsfall einer äußeren Kühlung mit einem Lüfterflügel (19) an der Welle (4), Luftumleit- und Schutzblech (20) und einem Kühlrippengehäuse (21).
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 3 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein außenliegender Rotor (3) einer Außenläufermaschine (4) mit einer höheren Anzahl Weicheisenpolen (7) mit einer oder mehreren Kurzschlussringen oder Kurzschlussachter oder mit Aluminiumdruckguss ausgefüllter, kurzgeschlossener Raum um die Weicheisenpole (7) eine Asynchronmaschine darstellt und dass der stehende Teil oder Stator (2) mit dem drehenden Teil oder Rotor (3) vertauscht werden kann, und dass die Schnittstelle oder Luftspalt (11) zwischen Stator und Rotor an der Innenseite oder Außenseite des Spulenkörpers (9) der Wicklungen (10) erfolgen kann.
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 5 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere für Schrittmotoren und Servomotoren nach dem Stand der Technik ein elektromagnetisch erregter Gleichpolrotor (2) mit zwei Zahnradförmigen Polen (3) beidseitig eines Spulenkörpers (4) angeordnet sind, wobei eine Welle (6) oder zusätzlich ein Weicheisenring (7) den, von einem Gleichstrom durchflossenen Draht einer Wicklung (5) verursachten magnetischen Fluss in achsialer Richtung und radial zu den Zahnradförmigen Polen (3) und über einen Luftspalt (8) zu einem Stator (9) leitet, wobei der Spulenkörper (4) mit den Wicklungen (5) am Stator (9) befestigt ist und die Stromzuführung vom Stator (9) her erfolgt wobei für längere Maschinen dieselbe Anordnung mehrmals nebeneinander angeordnet werden kann.
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet dass ein innenliegender, leiterloser Rotor (2) oder ein innenliegender Stator (3) einer Außenläufermaschine (4) pro Phase aus einem oder zwei Spulenkörpern (5) für die, mit Lackisoliertem Weicheisendraht gewickelten Magnetpole (7) besteht, wobei zwei, symmetrisch zur späteren Schnittstelle angeordnete Spulenkörper (5) nach dem Wickel- und Klebevorgang, die oberen Wickelköpfe (8) abgeschnitten werden, oder Abfall los zwei Eisenpakete (15) entstehen, wobei nach entfernen eines Wickeldornes (9) der Spulenkörper (5) mit den Magnetpolen (7) um eine Welle (10) biegen und befestigen lässt wobei die oberen Weicheisendraht Wickelköpfe (8) auch erst dann mittels Laserstrahl rund abgeschnittenen werden wobei nun derselbe Spulenkörper (5) mindestens eine Wicklung (11) pro Phase einer Außenläufermaschine (4) aufnehmen kann, oder den Platz für einen zweiten, geteilten Spulenkörper (12) freigibt, welcher an einem außenliegenden Stator befestigt ist und mindestens eine Wicklung (14) für die Erzeugung der Durchflutung enthält wobei das geklebte Rotoreisenpaket (15) zusätzlich durch eine einlagige Wicklung aus nichtleitendem Material zusammengehalten wird mit, einem außerhalb eines Luftspaltes angeordneten Stators (13), oder Rotors (18) der Außenläufermaschine (4), als Synchronmaschine mit Dauermagneten nach Patentanspruch 1,2,4 und 6 oder mit Erregerwicklung nach Patentanspruch 5 und 7, oder als Asynchronmaschine nach Patentanspruch 3 und 8 ausgeführt werden kann.
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass durch Aufspaltung von Stator und Rotor eine Linearmaschine (2) entsteht, wobei ein Stator (3) einer Phase (4) ein Spulenkörper (5) mit einer oder mehreren Wicklungen (6) enthält und Halterungen für eine bestimmte Anzahl (n) radial angeordneter Pole (7), welche aus mehreren, aus dem Transformatorenbau bekannten und weiter bearbeiteten E- Blechen (8), E- Ferritkernen, 2U- förmigen Schnittbandkernen (8), oder auf einen Spulenkörper aufgewickelten Weicheisendraht bestehen, wobei der mittlere Schenkel (9) den halben Umfang eines Linearteiles (10) umschließt, und die andere Hälfte des Umfanges von symmetrisch, achsial um eine halbe Polteilung versetzte Pole (7) den Magnetkreis schließen, wobei der wirksame Wicklungswechselstrom, welcher achsial und parallel zur Kraftwirkung auf das Linearteil (10) und beidseitig der mittleren Schenkel (9) in umgekehrter Richtung fließt, eine magnetische Wechseldurchflutung und Fluss erzeugen, welcher über eine Gleitlagerbüchse (11) und einen Luftspalt (12) auf das beliebig langen Linearteil (10) mit einer doppelten Anzahl (2n) Pole (13) (15) pro Statorlänge und abwechselnden Nord- Südpolen (13) (15) eine Kraft in achsialer Richtung ausübt, wobei das Linearteil (10) aus zylindrischen Dauermagneten (14) und zylindrischen Weicheisenscheiben (13) (15) mit oder ohne Loch für einen Längsstab (16) aus paramagnetischem Material und in ein dünnwandiges Außenrohr (17) aus paramagnetischem Material eingeführt wird und aus zwei Endteilen (18) besteht, wobei immer zwei gleichnamige Pole gegenüberliegender Dauermagnete (14) eine Weicheisenscheibe (13) (15) berühren, wobei durch Aneinanderreihung mehrerer solcher Anordnungen oder Phasen (4) auf einem Befestigungsträger (19) eine mehrphasige Linearmaschine (2) entsteht, wobei die Pole (7) der verschiedenen, weiteren Phasen (20) um eine Polteilung dividiert durch die Anzahl Phasen (20) versetzt angeordnet sind.
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass eine zwei phasige Linearmaschine (2) mit einem Stator (3) aus zwei gleichen, spiegelbildlich, und in achsialer Richtung um eine halbe Polteilung (9) eines Linearteils (4) verschobenen Statorhälfte (5) für jede der zwei Phasen (6), wobei die radial angeordneten Pole (7) aus mehreren E- I- Blechen mit verkürzten äußeren E- Schenkeln (8), wobei diese gegenüber dem mittleren Schenkel (13) achsial um eine halbe Polteilung (9) versetzt oder gebogen sind, mit einem Spulenkörper (10) welcher Halterungen (11) für die E- und I- Bleche enthält, mit mindestens einer Wicklung (12) pro Phase (6) welche die mittleren Schenkel (13) der E- Bleche umfasst, mit einer Bohrung in achsialer Richtung in der Mitte der beiden Statorhälften (5) für eine Gleitlagerbüchse (15) und das Linearteil (4), welches pro Längeneinheit die doppelte Anzahl Pole (16) mit abwechselnden Nord- Südpolen als der Stator (3) aufweist, wobei an den Enden ein zylindrisches Weicheisenteil (17) als Wegbegrenzung und Endhalter für das Linearteil (4) an einem feststehenden Weicheisenteil (18) angeordnet ist, welches im stromlosen Zustand eine feste magnetische Haltekraft in der Endlage gewährleistet.
Hochpolige Wechselstrommaschinen (1) nach Patentanspruch 11 und 12 dadurch gekennzeichnet, dass eine drei phasige Linearmaschine (2) mit einem Stator aus drei, am Umfang eines Linearteiles (4) angeordneten Statorpaketen (3) für jede Phase (6), wobei eine beliebige Anzahl Pole (7) aus mehreren E- I- oder E- V-förmigen Weicheisenblechen (5) besteht, welche radial angeordnet sind wobei der mittlere E- Schenkel (8) des E- Blechpoles (7) ein Drittel des Linearteiles (4) umschließt und die I- oder V- Blechpole (9) durch die leicht gebogenen äußeren E- Schenkel (10) der E- Bleche achsial versetzt dasselbe Drittel des Linearteiles (4) umschließen, mit je einem Spulenkörper (11) pro Phase (6) mit mindestens einer Wicklung (12), welche die Durchflutung aller Pole (7) einer Phase (6) verursacht, wobei der Spulenkörper (11) ebenfalls die Halterungen für die Pole (7) enthält wobei die Statorpakete (3) mit zwei Halteplatten (13), Abstandshalter (14) und Befestigungsschrauben (15) miteinander und mit einem Gehäuse (16) verbunden sind wobei die Pole (7) der einzelnen Phasen (6) achsial um ein drittel der Polteilung versetzt sind.