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Stand der
Technik
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Die Erfindung geht aus von einem
Stator für eine
elektrische Maschine, insbesondere für einen Gleichstrommotor, nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei permanentmagnetische erregten
Gleichstrommotoren werden, wenn sie für hohe Drehzahlen ausgelegt
und wie üblich
als Statorpole schalenförmige
Permanentmagnete eingesetzt werden, ausschließlich Magnetmaterialien mit
einem sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand verwendet,
wie beispielsweise Ferrit oder kunststoffgebundene Seltene-Erden-Magnetwerkstoffe
(NdFeB oder SmCo), um die durch Wirbelströme im Magnetmaterial hervorgerufenen
Verluste zu reduzieren damit den Wirkungsgrad zu verbessern.
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Vorteile der
Erfindung
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Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine,
insbesondere für
einen Gleichstrommotor, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den
Vorteil, daß für die Permanentmagnete
des Erregersystems Magnetmaterial mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit
verwendet werden kann, wodurch ohne Verschlechterung des Wirkungsgrads
des Motors preiswerte Permanentmagnete eingesetzt und damit die
Fertigungskosten für
den Stator gesenkt werden können.
Durch die Ausbildung der den Luftspalt zum Läufer oder Rotor begrenzenden,
mit dem lamellierten Joch einstöckigen
Polschuhe und die Einbettung der Permanentmagnete in das lamellierten
Joch mit Abstand vom Luftspalt wird das Auftreten von Wirbelströmen im Magnetmaterial,
wie sie bei der unmittelbaren Begrenzung des Luftspalts durch die
Permanetmagnete infolge der durch die Ankernutung hervorgerufenen,
ungleichmäßigen Verteilung
der Luftspaltflußdichte
auftreten, verhindert. Durch die einstückige Ausbildung der Polschuhe
mit dem Statorjoch und die Herstellung des Statorjochs einschließlich der
ausgeformten Polschuhe aus gestanzten Blechen kann die radiale Dicke
der Polschuhe an jeder Stelle an die Erfordernisse des magnetischen
Kreises angepaßt
werden, d. h. in der Mitte des Polschuhs deutlich verringert werden,
was zu einer Gewichtsersparnis führt.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Stators möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist das Joch in mindestens zwei jeweils einen Polschuh
aufweisende, aneinanderstoßende Jochabschnitte
unterteilt, und die Jochabschnitte sind an ihren Stoßstellen
unter Zwischenlage je eines Permanentmagneten miteinander verbunden.
Durch diese Maßnahme
läßt sich
eine rationelle Fertigung erzielen und eine einfache Einbettung
der Permanentmagnete in das Joch bei der Montage erreichen, insbesondere
dann, wenn gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung die beiden Jochabschnitte punktsymmetrisch zur Statorachse
ausgeführt
sind, so daß sie
mit dem gleichen Stanzwerkzeug hergestellt werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird die Verbindung zwischen den Jochabschnitten über die
Permanentmagnete hinweg mittels in Achsrichtung sich erstreckenden Klammern
hergestellt, die vorzugsweise aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise
amagnetischem Stahl, gefertigt sind. Die Verwendung von magnetisch
leitfähigem
Material, z.B. magnetischem Stahl, für die Klammern ist möglich, wenn
der daraus resultierende Verlust an magnetischem Fluß durch eine
entsprechend vergrößerte Querschnittsfläche der
Permanentmagnete kompensiert werden kann.
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Zeichnung
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Die Erfindung ist anhand eines in
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen in schematischer
Darstellung:
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1 einen
Querschnitt von Stator und Rotor eines Gleichstrommotors nach dem
Stand der Technik,
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2 einen
Querschnitt von Stator und Rotor eines Gleichstrommotors nach der
Erfindung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Bei einem in 1 im Querschnitt schematisch skizzierten,
als Innenläufermotor
konzipierten, bekannten Gleichstrommotor im Leistungsbereich von
mehreren hundert Watt sind die Statorpole 12 von den Permanentmagneten 13 selbst
gebildet, die in Form von schalenförmigen Ferritmagneten auf der Innenseite
des kreisringförmigen
Jochs 14 angeordnet sind und unmittelbar den Luftspalt
15 zum Rotor oder Läufer
oder Anker 11 begrenzen. Das Joch 14 besteht aus
einem gerollten Blechstreifen, dessen Enden miteinander verstemmt
sind. Der vom Stator 10 umschlossene Rotor, Läufer oder
Anker 11 ist genutet und trägt eine in den axialen Nuten 16 mit Nutschlitz 19 einliegende
Ankerwicklung. Von den über
den Umfang des Läufers 11 mit
konstanter Nutteilung gegeneinander versetzten Axialnuten 16 sind in 1 nur zwei Axialnuten 16 mit
einem dazwischenliegenden Zahn 18 dargestellt. Der Rotor,
Läufer
oder Anker 11 sitzt drehfest auf einer Welle 17,
die in einem in 1 nicht
dargestellten, den Stator 10 aufnehmenden Gehäuse drehend
gelagert ist.
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Bei einem solchen Gleichstrommotor
ist die räumliche
Verteilung des im Luftspalt erzeugten Magnetfelds aufgrund der Nutung
des Ankers nicht konstant, da sich über einem Ankerzahn 18 eine
größere magnetische
Flußdichte
einstellt als über
einen Nutschlitz 19. Rotiert der Anker, so "sehen" die am Luftspalt
angeordneten Permanentmagnete 13 ein sich änderndes
Magnetfeld. Ist das Magnetmaterial elektrisch leitfähig, so
werden aufgrund dieser Wechselanteile im Luftspaltfeld Wirbelströme im Magnetmaterial
erzeugt, die Verluste zur Folge haben und den Wirkungsgrad des Motors
stark reduzieren. Diese Verluste steigen mit der Drehzahl des Motors.
Abhilfe schafft hier die Verwendung von Magnetmaterialien mit einer
sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand, z. B. Ferrit oder
kunststoffgebundene Seltene-Erden-Magnetwerkstoffe.
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Der in 2 schematisch
skizzierte erfindungsgemäße Gleichstrommotor
für eine
elektrische Handwerkzeugmaschine als Ausführungsbeispiel für eine allgemeine
elektrische Maschine ist als sog. Innenläufermotor ausgeführt und
weist einen in einem nicht dargestellten Motorgehäuse festgelegten
Stator 30, sowie einen vom Stator 30 unter Belassung
eines Luftspalts 35 umschlossenen Läufer oder Rotor 31 auf,
der drehfest auf einer im Motorgehäuse drehend gelagerten Rotorwelle 37 sitzt.
Der durch sog. Stanzpaketieren aus einer Vielzahl von in Achsrichtung
aneinander festgelegten, ausgestanzten Blechlamellen hergestellte
Rotor 31 ist mit einer Mehrzahl von über den Umfang um gleiche Nutteilung
versetzten Axialnuten 36 mit Nutschlitzen 39 versehen,
die durch Zähne 38 voneinander
getrennt sind. In den Axialnuten 36 liegt üblicherweise
eine Läufer-,
Rotor- oder Ankerwicklung ein, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht
dargestellt ist.
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Der Stator 30 weist ein
Joch 34 mit daran angeordneten Statorpolen 32 zur
Erzeugung eines Magnetfelds im Luftspalt 35 auf. Der als
Ausführungsbeispiel
beschriebene Gleichstrommotor ist zweipolig aufgeführt, so
daß insgesamt
zwei Statorpole 32 vorhanden sind, die um 180° elektrisch – und bei
der zweipoligen Ausführung
damit auch um 180° räumlich – gegeneinander
versetzt sind. Zur Erzeugung des magnetischen Feldes ist jedem Statorpol 32 ein Permanentmagnet 33 zugeordnet.
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Das Joch 34 ist ebenso wie
der Rotor 31 lamelliert und ist aus einer Vielzahl von
axial aneinanderliegenden Blechlamellen zusammengesetzt, wobei die
Jochlamellen durch Stanzen hergestellt und durch sog. Stanzpaketieren
zu einem Blechpaket zusammengefügt
sind. Das Joch 34 ist in zwei punktsymmetrisch zur Statorachse
angeordnete Jochabschnitte 341, 342 unterteilt,
die an ihren Stoßstellen unter
Zwischenlage je eines Permanentmagneten 33 miteinander
verbunden sind. Jeder Jochabschnitt 341 bzw. 342 ist
mit einem Statorpol 32 ausgestattet, der von einem einstückig an
das Joch angeformten Polschuh 40 gebildet ist. Jeder Polschuh 40 begrenzt mit
einer freien, konkaven Polschuhfläche 401 den Luftspalt 35.
Da die Jochabschnitte 341, 342 lamelliert sind,
sind die einstückig
ausgeformten Polschuhe 40 ebenfalls lamelliert und werden
beim Stanzen der einzelnen Jochlamellen gleich mit ausgeformt.
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Die Permanentmagnete 33 weisen
Quaderform auf. An den Stoßstellen
der beiden Jochabschnitte 341, 342 sind ebene
Stoßflächen 341a, 341b, 342a, 342b ausgebildet,
die an voneinander abgekehrten Quaderflächen anliegen, wobei die die Anlagefläche bildende,
parallelen Quaderflächen sich
in Richtung der Statorachse erstrecken. Die Stoßflächen 341a, 341b bzw.
die Stoßflächen 342a, 342b sind
in den Jochabschnitten 341 bzw. 342 so plaziert,
daß die
eine Stoßfläche 341a bzw. 342a im Endbereich
des Polschuhs 40 auf dessen vom Luftspalt 35 abgekehrten
Rückseite
und die andere Stoßfläche 341b bzw. 342b an
dem vom Polschuh 40 angewandten Ende des Jochabschnitts 341 bzw. 342 liegt.
Jeder Permanentmagnet 33 besteht aus Magnetmaterial, das
elektrisch leitend ist z.B. aus gesinterten Seltene-Erd-Werkstoffen
(NdFeB oder SmCo), die zu geringen Gestehungskosten erhältlich sind. Die
beiden Permanentmagnete 33 sind rechtwinklig zu ihren Anlageflächen für die Jochabschnitte 341, 342 magnetisiert
und so angeordnet, daß beispielsweise
sich am Polschuh 40 des Jochabschnitts 341 ein
magnetischer Südpol
und am Polschuh 40 des Jochabschnitts 342 ein
magnetischer Nordpol ausbildet. Die Anordnung der quaderförmigen Permanentmagnete 33 ist
dabei konstruktiv so getroffen, daß von den beiden schmalen Quaderflächen, die
sich quer zu der Statorachse und den Stoßflächen 341a,b und 342a,b erstrecken,
die untere Quaderfläche 331, die
der Polschuhfläche 401 des
jeweiligen Polschuhs 40 am nächsten
liegt, einen möglichst
großen
Abstand von der Polschuhfläche 401 und
damit vom Rotor 31 einhält.
Dies deshalb, damit sich das Magnetfeld des jeweiligen Permanentmagneten 33 möglichst
vollständig über Polschuh 40 und
Rotor 31 schließt.
Die beiden Jochabschnitte 341, 342 sind an ihren
Stoßstellen
mit dazwischenliegenden Permanentmagneten 33 durch jeweils
eine axial sich erstreckende, den Permanentmagneten 33 überspannende
Klammer 41 miteinander fest verbunden. Die beiden Klammern 41 sind
aus nichtmagnetischem Material, z.B. amagnetischem Stahl, hergestellt.
In Einzelfällen
ist auch die Verwendung von magnetischem Stahl möglich, wenn die Möglichkeit
besteht, den dadurch entstehenden Verlust an magnetischem Fluß durch
eine entsprechend vergrößerte Querschnittsfläche der
Permanentmagnete 33 zu kompensieren.
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Die Endung ist nicht auf die zweipolige
Ausführung
des beschriebenen Gleichstrommotors beschränkt. Bei einer n-poligen Ausführung des
Motors sind unter Zwischenlage jeweils eines Permanentmagneten 33n Jochabschnitte
aneinandergefügt,
an denen in gleicher Weise Polschuhe 40 ausgebildet sind,
die um 180° elektrisch
gegeneinander versetzt sind, räumlich
also um 360°/n.