DE19954196A1

DE19954196A1 - Elektromagnetisch arbeitender Energiewandler

Info

Publication number: DE19954196A1
Application number: DE19954196A
Authority: DE
Inventors: Guenter Feldmann
Original assignee: FELDMANN JOHANN
Current assignee: FELDMANN JOHANN
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2000-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetisch arbeitenden Energiewandler mit wenigstens einem als Ringkern ausgebildeten und mit wenigstens einer Wicklung aus einem elektrischen Leiter versehenen nutenlosen Stator in Ringscheibenform und mit zu beiden Seiten des Ringkernes angeordneten Rotorscheiben mit Permanentmagneten. DOLLAR A Dieser zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß der die Wicklungen auf dem Ringkern bildende elektrische Leiter aufgrund des kürzeren Innenumfanges des Ringkernes relativ zu dem längeren Außenumfang des Ringkernes bei gleicher Umwicklungszahl innen wie außen im Bereich des Innenumfanges stärker auf dem Ringkern aufträgt, wodurch sich im Querschnitt durch den Stator eine konische Verjüngung der Außenkontur der Wicklung vom Innenumfang des im Querschnitt etwa rechteckigen Ringkernes zu dessen Außenumfang ergibt, und daß die Rotorscheiben jeweils zu beiden Seiten der sich konisch verjüngenden Wicklung eine dieser Konizität entsprechende Neigung der Permanentmagnete und/oder der die Permanentmagnete tragenden Scheibenflächen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetisch arbeitenden Energiewandler, vorzugsweise eine Synchronmaschine, mit wenigstens einem als Ringkern ausgebilde ten und mit wenigstens einer Wicklung aus einem elektrischen Leiter versehenen nu tenlosen Stator in Ringscheibenform und mit zu beiden Seiten des Ringkernes angeord neten Rotorscheiben mit Permanentmagneten.

Ein Energiewandler der eingangs genannten Gattung ist aus der DE-OS 195 25 346 bekannt. Ein entsprechender Energiewandler ist auch bereits in der älteren Patentan meldung DE 197 33 616.7 vorgeschlagen worden.

Ein solcher gattungsgemäßer Energiewandler besteht aus mindestens einer Statorscheibe, der mindestens mit einer Wicklung aus einem elektrischen Leiter um wickelt ist und aus zwei zu beiden Seiten des Stators angeordneten Läuferscheiben bzw. Rotorscheiben, die Permanentmagnete aufweisen.

Die Wicklung kann sowohl einlagig als auch mehrlagig erfolgen, und insbesonde re können entsprechende Statoren auch für mehrphasige Drehstrommotoren Verwen dung finden.

Ein besonderer Vorteil eines erfindungsgemäßen Energiewandlers besteht darin, daß er quasi eine beliebige axiale Ausdehnung bzw. Baulänge erhalten kann, indem eine Art Paket aus jeweils abwechselnd aufeinanderfolgenden Läufer- und Rotorscheiben erstellt wird.

Außerdem wird bei einem solchen Energiewandler vollständig auf eine her kömmliche Nutung des Ringkernes verzichtet, um Reluktanzkräfte des Ringkern materials zu vermeiden und um innere Wechselkräfte gering zu halten und ein zeitlich gleichförmiges Drehmoment zu erzielen, insbesondere bei der Verwendung eines ent sprechenden Energiewandlers als Maschine bzw. Motor.

Aufgrund der fehlenden Nutung wird bei einem gattungsgemäßen Energie wandler ein möglichst hoher Füllgrad bei der Wicklung angestrebt, nämlich beispiels weise ein Füllgrad von etwa 75%. Dieser hohe Füllgrad führt aber dazu, daß die so aus gebildete Wicklung oder die so ausgebildeten Wicklungen mit ihrem Leitermaterial am Innenumfang des Ringkernes stärker aufträgt bzw. auftragen als am Außenumfang, weil der Innenumfang des Ringkernes naturgemäß deutlich kürzer ist als der Außenumfang des Ringkernes, so daß die Wicklung auf dem Außenumfang flacher erfolgen kann, weil auf dem Außenumfang mehr Umwicklungen nebeneinander statt übereinander Platz finden.

Dies erfordert aber eine aufwendige und präzise Bewicklung insbesondere eines einstückigen Ringkernes. In der älteren Anmeldung DE 197 33 616.7 wurde daher einem besonders vorteilhaften und günstigen Wicklungsverfahren besondere Aufmerksam keit geschenkt.

Gleichzeitig muß auf eine große und präzise Baugenauigkeit geachtet werden.

Zwischen dem bewickelten Ringkern und den zu beiden Seiten angeordneten Rotor scheiben, die die Permanentmagnete tragen, soll ein gleichbleibend kleiner Luftspalt gegeben sein.

Der größere Auftrag der Umwicklungen des Leiters auf dem Ringkern im Innen umfangsbereich führt aber im Querschnitt des Ringkernes gesehen auch an den den Läuferscheiben zugewandten Seitenflächen des Ringkernes zu einem Auftrag des Lei termaterials, der vom Innenumfang des Ringkernes zum Außenumfang hin abnimmt.

Um diesem unterschiedlichen Auftrag des Leitermaterials in radialer Richtung des Ring kernes Rechnung zu tragen, wird daher bei den bekannten gattungsgemäßen Energie wandlern der Ringkern zu seinem Innenumfang hin konisch verjüngt, was durch den unterschiedlichen radialen Auftrag des Leitermaterials wieder ausgeglichen wird, so daß sich letztlich ein bewickelter Stator mit zueinander parallelen und flachen Ring scheibenflächen ergibt, die den ebenso ebenen und parallelen Läuferscheibenflächen benachbart sind.

Wie bereits angedeutet, erfordert dies aber nicht nur ein aufwendiges Wick lungsverfahren für den Ringkern, sondern der Ringkern selber, der vorzugsweise aus einem Metallblech band gewickelt ist, erfordert eine kostspielige und schwierige Her stellung, wenn dieser Ringkern zudem in seinem Querschnitt die zu seinem Innenum fang gerichtete konische Verjüngung aufweisen soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Energiewandler der eingangs genannten Gattung aufzuzeigen, der in seiner Herstellung deutlich einfacher und kostengünstiger wird und dennoch gleichbleibende funktionale Qualität aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der die Wicklungen auf dem Ringkern bildende elektrische Leiter aufgrund des kürzeren Innenumfanges des Ringkernes relativ zu dem längeren Außenumfang des Ringkernes bei gleicher Umwicklungszahl innen wie außen im Bereich des Innenumfanges stärker auf dem Ringkern aufträgt, wodurch sich im Querschnitt durch den Stator eine konische Verjüngung der Außenkontur der Wicklung vom Innenumfang des im Querschnitt etwa rechteckigen Ringkerns zu dessen Außenumfang ergibt, und daß die Rotorscheiben jeweils zu beiden Seiten der sich konisch verjüngenden Wicklung eine dieser Konizität entsprechende Neigung der Permanentmagnete und/oder der die Permanentmagnete tragenden Scheibenflächen aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Energiewandler wird also vorzugsweise der Ring kern selbst sehr viel schlichter ausgebildet, indem der Ringkern selbst in seinem Gluer schnitt im wesentlichen etwa rechteckig ist. Der Ringkern kann also relativ einfach und kostengünstig aus einem gleichbleibend breiten Metallblechband gewickelt werden, das danach zum Ringkern verfestigt wird. Ein so hergestellter Ringkern kann vorzugs weise auch entlang einer zu seiner Achse parallelen Trennebene in wenigstens zwei Teil stücke durchtrennt werden, also beispielsweise in zwei Ringhälften geteilt werden, ohne daß seine elektromagnetischen Eigenschaften hierdurch nennenswert beeinflußt würden.

Dies hat den Vorteil, daß, wie nach einer Weiterbildung der Erfindung vorge sehen, die Wicklung bzw. die Wicklungen abschnittsweise, in einer Art Tortenstückform, vorgewickelt und auf die Ringkernteile aufgeschoben werden kann bzw. können, wo nach der Ringkern dann wieder zu einem geschlossenen Ringkern zusammengefügt wird. Hierdurch vereinfacht sich das Wicklungsverfahren erheblich, so daß beispiels weise das in der DE 197 33 616.7 vorgeschlagene Wicklungsverfahren für den erfin dungsgemäßen Energiewandler nicht mehr unbedingt benötigt wird.

Aufgrund der erfindungsgemäßen schlichten Bauweise des Ringkernes trägt aber nun wiederum die Wicklung im Innenumfangsbereich und im Außenumfangsbe reich des Ringkernes unterschiedlich weit auf, so daß der Stator insgesamt dadurch einen Querschnitt erhält, der sich zum Außenumfang des Ringerkernes hin konisch bzw. trapezförmig verjüngt.

Diese konische Verjüngung wird aber erfindungsgemäß jetzt dadurch ausgegli chen, daß der Konizität des Stators entsprechend die benachbarten Scheibenbereiche der Rotorscheiben geneigt ausgebildet sind, wobei es letztendlich darauf ankommt, daß die Permanentmagneten einen gleichbleibenden Luftspaltabstand zu der Wicklung haben. Es können also die Permanentmagneten geneigt an der Rotorscheibe angeordnet und ausgebildet werden. Es kann aber auch die Rotorscheibe insgesamt eine entspre chende Neigung aufweisen. Da sich die Konizität natürlich im Querschnitt des Kernes nach oben und nach unten im jeweils oberen und unteren Ringbereich des Ringkernes wiederholt, ergibt sich daraus eine insgesamt konkave bzw. trichterförmige Formge bung der einem Statorring zugewandten Rotorscheibenfläche. Da bei einer Paketbil dung mit entsprechend großer axialer Baulänge auch beidseitig jeweils einer Rotor scheibe zwei Statoren benachbart sind, kann also ein Stator auch an seinen beiden Seiten entsprechend trichterförmig ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, eine Statorscheibe in ihrer Mittelebene in zwei Statorscheiben zu durchteilen bzw. von vorn herein zwei entsprechende Statorscheiben vorzusehen, die einander sozusagen Rücken an Rücken benachbart sind.

Auch der Ringkern selbst kann beispielsweise einen Kühlkanal in seinem Innern aufweisen. Für die Ausbildung dieses Kühlkanales oder überhaupt könnte auch der Ringkern selber entlang seiner Mittelebene in zwei Hälften geteilt sein.

Ein Ausführungsbeispiel, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Energiewandler,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Statorring eines Energiewandlers gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Abschnitt einer Rotorscheibe eines Energiewandlers gemäß Fig. 1 im Querschnitt, passend zum Ringkernquerschnitt gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen geteilten Ringkern mit Wicklungsabschnitten,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Ringkerns gemäß Fig. 4 und

Fig. 6 einen der Wicklungsabschnitte gemäß Fig. 4 in vergrößertem Maßstab.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen erfindungsgemäßen Energiewandler.

Der Energiewandler umfaßt einen Ringkern 1, der erkennbar aus einem Metall blechband gewickelt ist und im wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Dieser Ringkern 1 ist mit wenigstens einer Wicklung 2 aus einem elektrischen Leiter ver sehen. Von dieser Wicklung 2 sind nur die Außenkonturen der Übersichtlichkeit halber gezeichnet. Da der die Wicklung 2 bildende elektrische Leiter auf der Außenumfangssei te 3 des Ringkernes weniger stark aufträgt als auf der Innenumfangsseite 4, weil der Außenumfang aufgrund seiner größeren Länge mehr Platz für das Nebeneinanderlie gen von Leiterumschlingungen gewährt, ergibt sich im gezeichneten Querschnitt eine konische Außenkontur der Wicklung 2 bzw. eine trapezförmige Außenkontur der Wick lung 2, die sich zur Außenumfangsseite 3 des Ringbandkernes verjüngt.

In diesem Zusammenhang soll vorsorglich darauf hingewiesen werden, daß nur etwa die obere Hälfte des Querschnittes eines gattungsgemäßen Energiewandlers in der Fig. 1 dargestellt ist, die zur Vervollständigung des Querschnittes nach unten spiegelsymmetrisch ergänzt werden müßte.

Der Ringkern ist mit einer Vergußmasse 5 fixiert, und zwar in einem Statorgehäu se 6.

Zu beiden Seiten des aus Ringkern 1 und Wicklung 2 gebildeten Stators befinden sich Rotorscheiben 7, die auf einer Welle 8 sitzen, welche über Lager 9 im Statorgehäuse 6 drehbar gelagert ist.

Die Rotorscheiben 7 weisen in Höhe der Wicklung 2 Permantentmagneten 10 auf, die entsprechend der Konizität der Wicklung 2 zu den Seitenflächen der Wicklung 2 parallel und also geneigt angeordnet sind. Die Rotorscheibe 7 weist also an ihrer dem Ringkern zugewandten Seite eine konkave trichterförmige Vertiefung auf, so daß sie etwa die Form eines Suppentellers erhält.

Die Fig. 2 zeigt noch einmal den Querschnitt durch einen Stator mit Ringkern 1 und Wicklung 2 gemäß der Darstellung der Fig. 1, ohne die diesen Querschnitt umge benden weiteren Elemente.

Fig. 3 zeigt noch einmal herausgezeichnet den Bereich einer Rotorscheibe 7 mit einem geneigt angeordneten Permanentmagneten 10 gemäß der Fig. 1 und passend zum Rotor gemäß Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf einen Ringkern 1, der in einer zu seiner Achse parallel verlaufenden Trennebene 11 in zwei Ringhälften bzw. Halbringe 1a und 1b ge teilt ist. Auf dem unteren Halbring sind in der Fig. 4 Abschnitte einer Wicklung 2 ange deutet, die aufgrund ihres konischen Verlaufes etwa die Form von Tortenstücken bzw. Apfelsinenstücken haben.

Die Fig. 5 zeigt den Ringkern 1 mit den Wicklungen 2 noch einmal in einer Seiten ansicht.

Im Vergleich der Fig. 4 und 5 miteinander ist zu erkennen, daß in der Draufsicht gemäß Fig. 4 die Wicklungsabschnitte der Wicklung 2 sich zum Innenumfang 4 hin ver jüngen, während sie sich im Querschnitt gemäß der Fig. 5 entsprechend zum Außenum fang 3 des Ringkernes 1 hin verjüngen, weil der sie bildende elektrische Leiter, auf grund des Platzmangels, im Innenumfangsbereich stärker übereinandergewickelt ist, und dadurch eine geringere Breite einnimmt, aber stärker aufträgt, während er im Außenumfangsbereich flacher mit weniger Auftrag und dafür breiter gewickelt ist.

Fig. 6 zeigt noch einmal in vergrößertem Maßstab einen Wicklungsabschnitt einer Wicklung 2 gemäß Fig. 4.

In der Darstellung der Fig. 6 ist im Detail besser der Querschnitt des die Wicklung 2 bildenden Leiters 12 zu erkennen, und es ist angedeutet, daß eine solche Wicklung 2 bei einem erfindungsgemäßen Energiewandler mit einem relativ hohen Füllgrad erfolgt.

Claims

1. Elektromagnetisch arbeitender Energiewandler vorzugsweise eine Synchron maschine,
mit wenigstens einem als Ringkern ausgebildeten und wenigstens einer Wicklung aus einem elektrischen Leiter versehenen, nutenlosen Stator in Ringscheibenform und mit zu beiden Seiten des Ringkernes angeordneten Rotorscheiben mit Permanentmag neten, dadurch gekennzeichnet,
daß der die Wicklung (2) auf dem Ringkern (1) bildende elektrische Leiter (12) aufgrund des kürzeren Innenumfangs des Ringkernes (1) relativ zu dem längeren Außenumfang des Ringkernes (1) bei gleicher Umwicklungszahl innen wie außen im Bereich des Innenumfanges (4) stärker auf den Ringkern (1) aufträgt, wodurch sich im Querschnitt durch den Stator eine konische Verjüngung der Außenkontur der Wicklung (2) vom Innenumfang (4) des im Querschnitt selbst etwa rechteckigen Ringkerns (1) zu dessen Außenumfang (3) ergibt, und daß die Rotorscheiben (7) jeweils zu beiden Seiten der sich konisch verjüngenden Wicklung (2) eine dieser Konizität entsprechende Neigung der Permanentmagnete (10) und/oder der die Permanentmagnete (10) tragenden Scheibenflächen aufweist.

2. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) ein Ringbandkern aus einem aufgewickelten und danach verfestigten Metallband ist.

3. Energiewandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) in einer zu seiner Achse parallelen Trennebene (11) in wenigstens zwei Teile (1a, 1b) geteilt ist.

4. Energiewandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenig stens eine Wicklung (2), erforderlichenfalls abschnittsweise, vorgewickelt und auf ein Ringkernteil (1a, 1b) aufgeschoben ist.