DE19935210A1 - Elektrodynamische Drehmaschine - Google Patents

Abstract

Eine elektrodynamische Drehmaschine (1) weist gemäß Figur 1 einen permanentmagnetischen Rotor (3) mit wenigstens einem Polpaar (N; S) auf. Ein Stator (2), welcher aus weichmagnetischem Werkstoff besteht, ist aus mehreren Statorabschnitten (2a, 2b, 2c) gebildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrodynamische Drehmaschine, insbesondere auf einen elektronisch kommutierten Motor oder Generator nach Patent Nr. . . (Patentanmeldung 198 40 920.6-42).

Derartige Maschinen sind bekannt. In der DE 36 29 423 A1 ist eine elektrodynamische Maschine mit einem zylindrischen Stator beschrieben, der aus hochohmigem, hochpermeablem Flachmaterial hergestellt ist. Das Flachmaterial wird im ebenen Zustand mit einer zusammenhängenden Wicklung so bewickelt, daß Abschnitte einheitlicher Breite entstehen und aufeinanderfolgende Abschnitte entgegengesetzte Wicklungsrichtungen aufweisen. Die Wickelrichtung der Wicklungen muß zur Erfüllung dieser Forderung bei den jeweils benachbarten Wicklungsabschnitten stets umgekehrt werden. Um die Wicklung in dieser Form am Statorkern zu fixieren, sind im Abstand der Breite der Wicklungsabschnitte Fixiermittel vorgesehen. Der langgestreckte Stator wird im fertig gewickelten Zustand zu einem Ring gebogen, so daß ein zylindrischer Stator gebildet wird. Aufgrund der praktischen Begrenzung beim erzielbaren minimalen Radius des aus dem Flachmaterial zu biegenden Zylinders sind die Grenzen des kleinsten zu fertigenden Stators sehr eng. Sofern ein hoher Füllungsgrad der Wicklungen erwünscht oder erforderlich ist, sind diese Grenzen noch enger zu ziehen, da pro Wicklung mehrere Windungen aufzubringen sind. Die Herstellung eines derartigen Stators erscheint kompliziert und dessen Anwendungsbereich wegen der geometrischen Begrenzungen sehr eingeschränkt.

In der DE 44 19 780 A1 ist eine elektrodynamische Maschine beschrieben, bei der ein hochpermeabler Statorkern mit einer fortlaufenden Wicklung versehen ist, die nur einen einzigen Wickelrichtungssinn aufweist. Aus der Wicklung sind einzelne Windungen herausgehoben, und an diesen herausragenden Windungen kann die Wicklung getrennt werden. Diese aufgetrennten freien Windungsenden werden zu alternierend gepolten Wicklungssegmenten elektrisch miteinander verbunden. Zur Verbindung der Wicklungssegmente kann eine gedruckte Schaltung vorgesehen sein.

Die in diesen Ausführungsbeispielen des relevanten Standes der Technik gezeigten Kernkörper sind nicht einfach gestaltet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der DE 36 29 423 A1 ist ein gestanztes Band aus homogenem weichmagnetischem Werkstoff erforderlich. Dies bedingt ein Stanzwerkzeug und mit Hilfe eines Biegewerkzeuges wird der fertiggewickelte Statorkörper zu einem Ring gebogen, was sicher nicht unproblematisch ist.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß DE 44 19 780 A1 ist ein mehrteiliger Kernkörper erforderlich, dessen stirnseitiger Umfangsbereich als Formkörper mit besonderen Erhöhungen ausgearbeitet sein muß um einzelne Windungen der Wicklung herauszuheben, damit sie durchtrennt werden können.

Bei beiden Ausführungen ist der Körper der Statoren aus bandförmigem Material hergestellt.

Ferner ist der Aufwand zur Herstellung der beschriebenen Statoren in allen Fällen relativ hoch

Die Bewicklung von Statoren wird bei größer werdendem Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser sowohl bei händischer als auch bei maschineller Bewicklung schwieriger, besonders dann, wenn es sich um kleine Abmessungen und Wicklungen mit vielen Windungen handelt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrodynamische Drehmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach aufgebaut und demgemäß auch einfach herstellbar ist, die aber dennoch einen hohen Wirkungsgrad aufweist, geringe Abmessungen hat und auch in geringen Stückzahlen herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrodynamische Drehmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Besonders vorteilhaft läßt sich die erfindungsgemäße Drehmaschine mit durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 herstellen.

Anhand der Zeichnungen werden nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung noch näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung eines Motors;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist eine stark schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Motors 1 gezeigt. Ein Stator 2 umschließt einen Rotor 3, der von einem mit wenigstens zwei Magnetpolen N, S diametral magnetisierten Dauermagneten gebildet wird. Am Stator 2 sind - ebenfalls diametral - zwei Teilwicklungen 4a, 4b angeordnet, welche die Erregerwicklung 4 bilden. Der Stator 2 besteht aus einem geteilten Rückschlußkörper 5, der nach der Herstellung der Erregerwicklung 4 in diese achsparallel eingeschoben wird. Dadurch wird ein mehrteiliger, axial geteilter Ringkern gebildet, der den Stator 2 darstellt, und dessen elektromagnetische Eigenschaften zum größten Teil durch die Werkstoffparameter des Materials und unvermeidbaren Luftspalte der Tennstellen gegeben sind. Dabei werden die Schnitte an den Trennstellen so ausgeführt, daß nach der Montage möglichst kleine Restluftspalte verbleiben.

Die Teile des Stators 2 sollten eine hohe Permeabilität besitzen, so daß durch die zu erwartenden Magnetfelder des Permanentmagnet-Rotors 3 keine vollständige magnetische Sättigung des den Stator 2 bildenden Materials erreicht wird. Brauchbare Materialien sind beispielsweise die herkömmlichen weichmagnetischen Werkstoffe und die bekannten Weichstoff-Ferrite. Gut geeignet als Statorwerkstoff sind auch Metallpulverkerne in entsprechender Geometrie mit geeigneten Magneteigenschaften. Des weiteren sind auch Pulver-Sinterwerkstoffe mit Si, Fe, Mn, Ni und/oder Co als metallischer Komponente in einer Kunststoff-Matrix geeignet.

Der mehrteilige Stator 2 ermöglicht einen im wesentlichen konzentrischen Aufbau der Erregerwicklung 4 in mehreren Segmenten, welche von den bereits kurz erwähnten wenigstens zwei Teilwicklungen 4a und 4b realisiert werden, die sich diametral gegenüber liegen. Diese Teilwicklungen 4a, 4b, von denen bevorzugt mindestens sechs vorgesehen sind, liegen sich jeweils paarweise gegenüber. Sie weisen jeweils Wicklungsanfänge 6, 7 und Wicklungsenden 8, 9 auf, mittels derer sie mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden sind.

In die Wicklungsanfänge 6, 7 wird Strom so eingespeist, daß im Luftspalt 10 zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 3 eine gleichsinnige elektromagnetische Wirkung hervorgerufen wird, die ein Drehmoment erzeugt, welches auf den Rotor 3 einwirkt und diesen zum Drehen bringt. Die Stromeinspeisung erfolgt durch eine elektronisch wirkende Ansteuerschaltung, welche so ausgelegt ist, daß der Rotor 3 aus jeder beliebigen Stellung heraus selbsttätig anläuft.

Um die jeweilige Rotorstellung zu erkennen, sind Sensoren 11 und 12 zur Erfassung der Rotorstellung vorgesehen. Diese Sensoren 11 und 12 sind in beliebiger Bauform realisierbar, als Beispiele seien hier optoelektronische Sensoren, Hall- oder sonstige Magnetfeldsensoren genannt.

Durch die Wicklungsenden 8, 9 der jeweiligen Teilabschnitte 4a, 4b der Erregerwicklung 4 erfolgt die Stromrückspeisung in die nicht dargestellte Stromquelle. Die Stromrückspeisung erfolgt dabei an den außenliegenden Anteilen 20 der Teilwicklungen 4a, 4b, so daß aufgrund des gleichen Wickelrichtungssinnes der jeweils diametral liegenden Teilwicklungen 4a, 4b die Gleichstrom-Vormagnetisierung aufgehoben wird.

Die Teilwicklungen 4a, 4b werden aus verseilter HF-Litze hergestellt, woraus ein besonders hoher Kupfer-Füllfaktor für die Erregerwicklung 4 resultiert. Diese HF-Litze ist sehr geschmeidig und läßt sich problemlos wickeln. Auch die Verlötung der freien Wicklungsanfänge 6, 7 und der Wicklungsenden 8, 9 ist unproblematisch.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird der mehrteilige, axial geteilte Stator 2 aus mehreren langgestreckten Mantelabschnitten 2a, 2b, 2c mit jeweils kreisringförmigem Querschnitt 2a, 2b, 2c gebildet, welche in die fertig gewickelte Wicklung 4 achsparallel eingeschoben werden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen mehrteiligen Stator 23 dargestellt. Dort weisen die langgestreckten Mantelabschnitte 23a, 23b, 23c des mehrteiligen Stators 23 jeweils einen prismatischen Querschnitt auf. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Mantelabschnitte 23a, 23b, 23c achsparallel in die bereits fertig gewickelte Wicklung 43 eingeschoben.

Bei allen Lösungen ist darauf zu achten, daß ein möglichst kleiner Luftspalt resultiert, um die magnetischen Werte so wenig wie möglich zu verschlechtern. Darüber hinaus ist eine möglichst kleine Polrasterung anzustreben. Ein Rastmoment tritt immer bei den Drehstellungen des Rotors 3 auf, bei denen der Magnetfluß des permanentmagnetischen Rotors 3 einen kleineren magnetischen Widerstand findet, was als Reluktanz bezeichnet wird. Das ist immer dann der Fall, wenn ein Magnetpol des Rotors 3 auf eine Schnittstelle C zwischen den Statorabschnitten 2a, 23a; 2b, 23b; 2c, 23c zeigt. Dieser Effekt wird bei kleiner werdendem Luftspalt kleiner, und ebenso, wenn die Schnittstelle C nicht radial verläuft, d. h. der Schnitt C zwischen den Statorabschnitten 2a, 23a; 2b, 23b; 2c, 23c nicht auf die Rotationsachse des Rotors 3 zeigt. Um diese Vorraussetzung zu erfüllen, muß der Schnitt C in einem Winkel zur Rotorachse verlaufen, der vom radialen Verlauf abweicht, wie aus den Darstellungen in den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist. Dadurch reduziert sich der effektive Luftspalt. Ferner sollte die Anzahl der Schnitte C so gewählt werden, daß nie alle Magnetpole des Rotors 3 gleichzeitig auf die Schnittlinien Cn zwischen den Statorabschnitten 2a, 23a; 2b, 23b; 2c, 23c des Stators 2, 23 zeigen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der Stator 23 aus prismatischen Statorabschnitten 23a, 23b, 23c gebildet. Dies führt aufgrund von Ungleichförmigkeiten im Luftspalt bei bestimmten Winkelstellungen des Rotors 3 ebenfalls zu Raststellungen, die es zu vermeiden oder wenigstens zu minimieren gilt. Diese bestimmten Winkelstellungen ergeben sich, wenn der - im Idealfall konzentrische und kreisringförmige - Luftspalt zwischen jeweiligem Magnetpol und Eisen aufgrund der Geometrie der Statorabschnitte 23a, 23b, 23c unterschiedlich groß ist. Dieser Effekt wird kompensiert, indem in erfindungsgemäßer Weise zwischen den Orten mit kleinem Luftspalt zusätzliche Ausgleichselemente 23d, 23e, 23f, 23g, 23h, 23i in den dort ursprünglich größeren Luftspalt eingeführt werden, um diesen gezielt zu verkleinern.

Claims (7)

1. Elektrodynamische Drehmaschine (1) mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), bei welcher der permanentmagnetische Rotor (3) wenigstens ein diametrales Polpaar (N, S) aufweist, der Stator (2) aus hochpermeablem Werkstoff besteht und die Erregerwicklung trägt (4), gemäß Patent Nr. . . (Patentanmeldung 198 40 920.6-42) dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Stators (2, 23) aus mehreren langgestreckten Statorabschnitten (2a, 23a; 2b, 23b; 2c, 23c) besteht, welche in achsparalleler Richtung in die Erregerwicklung (4) einschiebbar sind.

2. Elektrodynamische Drehmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorabschnitte (2a; 2b; 2c) von langgestreckten Mantelabschnitten mit jeweils kreisringförmigem Querschnitt gebildet werden.

3. Elektrodynamische Drehmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (2) von langgestreckten Mantelabschnitten (23a; 23b; 23c) mit jeweils prismatischem Querschnitt gebildet wird.

4. Elektrodynamische Drehmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die prismatischen Statorabschnitte (23a; 23b; 23c) zusätzliche Ausgleichselemente (23d, 23e, 23f, 23g, 23h, 23i) aufweisen, um Ungleichförmigkeiten im Luftspalt zu zu kompensieren.

5. Elektrodynamische Drehmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittlinien (C) zwischen den Statorabschnitten (2a, 23a; 2b, 23b; 2c, 23c) in einem Winkel zu der Achse des Rotors (3) verlaufen, der vom radialen Verlauf abweicht.

6. Elektrodynamische Drehmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Statorabschnitte (2a, 23a; 2b, 23b; 2c, 23c) so gewählt wird, daß nie alle Magnetpole des Rotors (3) gleichzeitig auf die Schnittlinien (C) zwischen den Statorabschnitten) 2a, 23a; 2b, 23b; 2c, 23c des Stators 2, 23) zeigen.

7. Verfahren zur Herstellung einer elektrodynamischen Drehmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (4) ohne Kern gewickelt wird, und daß danach die Statorabschnitte (2a, 23a; 2b, 23b; 2c, 23c) in die Erregerwicklung (4) eingesetzt wird.