-
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor.
-
Herkömmliche Elektromotoren sind mit mehreren Permanentmagneten und mehreren stromdurchflossenen Spulen versehen. Typischerweise sind die Magnete auf dem Rotor und die Spulen auf dem Stator angeordnet. Bei herkömmlichen Elektromotoren ist die Mantelfläche des Entwicklungsträgers in Längsrichtung beziehungsweise Axialrichtung des Stators umwickelt und jede Wicklung besteht aus mehreren Windungen und ist außen entlang der Mantelfläche in einer ersten Richtung und innenseitig der Mantelfläche zurück in entgegengesetzter Richtung geführt.
-
Typischerweise bei dem Stator eines herkömmlichen Elektromotors um einen umwickelten Eisenkern. Der Wirkungsgrad wird dabei durch Eisenverluste, Ständerwicklungsverluste, Rotorverluste, Reibungs- und Lüfterverluste und durch lastabhängige Zusatzverluste bestimmt. Insbesondere die Eisenverluste und die Ständerwicklungsverluste schwächen den Wirkungsgrad.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Elektromotor mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor weist der Stator eine Spule mit einem zylindrischen Wicklungsträger und nur eine in Umfangsrichtung des Wicklungsträgers vollständig umlaufenden Wicklung auf der Mantelfläche des Wicklungsträgers auf. Zwischen der Umfangsrichtung und der Wicklungsrichtung ist ein solcher Winkel α gebildet, dass ein Teil der den magnetischen Südpol der Spule bildenden ersten Windung und ein Teil der den magnetischen Nordpol der Spule bildenden letzten Windung auf einander gegenüber liegenden Seiten der Mantelfläche angeordnet sind. Das heißt mit anderen Worten, dass gegenüber den bekannten Elektromotoren nur eine Spulenwicklung und nicht mehrere Spulenwicklungen an dem Stator angeordnet sind. Zudem ist die Spulenwicklung in Umfangsrichtung des Wicklungsträgers zumindest vollständig umlaufend und somit im Wesentlichen quer zu der herkömmlichen Wicklungsrichtung herkömmlicher Statorspulen angeordnet. Herkömmliche Statorspulen sind nämlich im Wesentlichen in Axialrichtung (Längsrichtung) des zylindrischen Stator gewickelt. Die Mantelfläche des Wicklungsträgers ist also mit nur einer Wicklung versehen, die mindestens vollständig umläuft, das heißt mindestens 360° des Mantelflächenumfangs bedeckt. ”Im Wesentlichen in Umfangsrichtung gewickelt” bedeutet, dass zwischen der Umfangsrichtung und der Wicklungsrichtung der Spulenwicklung ein solche Winkel α verbleibt, dass der den magnetischen Südpol der Spule bildende Teil der ersten Windung und der den magnetischen Nordpol der Spulenwicklung bildende Teil der letzten Windung auf einander gegenüberliegenden Seiten der Mantelfläche angeordnet sind. Mit nur einer Spulenwicklung wird somit auf einander gegenüberliegenden Seiten der Mantelfläche des Wicklungsträgers der magnetische Nordpol und der magnetische Südpol, je nach Polarität der Spulenspannung, angeordnet.
-
Die Windungszahl sollte größer als circa 50 und bevorzugt zwischen etwa 100 und 1000 liegen.
-
Das bedeutet, gegenüber den herkömmlichen Statoren mit mehreren Spulenwicklungen, dass der Rotor ausschließlich von dem magnetischen Nordpol und dem magnetischen Südpol nur einer Wicklung angetrieben wird. Alle Magnete werden in jeder Rotationsstellung angezogen beziehungsweise angeschoben.
-
Hierzu sind erfindungsgemäß auf dem Magnetträger des Rotors Permanentmagnete angeordnet und der Rotor rotiert innerhalb des Stators in einer Rotationsebene, die die beiden einander gegenüberliegenden Teile der ersten und letzten Windung mit dem magnetischen Südpol und dem magnetischen Nordpol enthält. Die Rotationsebene des Rotors enthält also den magnetischen Nordpol und den magnetischen Südpol der Statorspulenwicklung. Die Permanentmagnete des Rotors rotieren vorzugsweise auf oder in der Rotationsebene. Beispielsweise können 12 Permanentmagnete zum Beispiel in Form von Neodym-Magneten vorgesehen sein. Der Wicklungsträger und/oder der Magnetträger bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, die Eisenverluste herkömmlicher Magnetträger und/oder Wicklungsträger aus Eisen sind dadurch reduziert.
-
Aufgrund der nur einen Spulenwicklung des Stators sind zudem die Spulenverluste (Ständerwicklungsverluste) vermindert.
-
Bei einem herkömmlichen Elektromotor, dessen Motorwelle 660 Watt mechanische Nennleistung zugeführt werden, werden unter Berücksichtigung von 160 Watt Verlusten 500 Watt mechanische Leistung abgegeben. Daraus ergibt sich ein Wirkungsgrad von 500/660, das heißt von circa 76%. Mit dem erfindungsgemäßen Elektromotor können hingegen Wirkungsgrade von circa 90% bis circa 93% erzielt werden.
-
Die Rotormagnete sind vorzugsweise entlang des Umfangs auf der Rotationsebene in gleichen Abständen verteilt angeordnet. Je nach Anzahl (gerade oder ungerade Anzahl) der Magnete sollte ungefähr die Hälfte oder vorzugsweise die Hälfte der Magnete auf deren Außenseite positiv magnetisch und die andere Hälfte negativ magnetisch sein. Die positiv magnetischen Magnete weisen also an ihrem radial äußeren Ende jeweils einen magnetischen Nordpol auf und sind benachbart zueinander in einer ersten Gruppe angeordnet. Die negativ magnetischen Magnete weisen an ihrem radial äußeren Ende jeweils einen magnetischen Südpol auf und sind benachbart zueinander in einer zweiten Gruppe angeordnet. Die beiden Gruppen der an ihren Außenseiten positiv magnetischen und negativ magnetischen Magnete beziehungsweise deren Mittelpunkte sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Rotors angeordnet. Daraus resultiert ein zweipoliger Elektromotor mit hohem Wirkungsgrad.
-
Die Polarität der an der Spulenwicklung anliegenden Spannung (Richtung des Spulenstroms) sollte in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors geschaltet werden können, damit die Pole der Rotormagnete in geeigneter Weise von dem von der Spulenwicklung erzeugten Magnetfeld angezogen bzw. abgestoßen werden, um den Rotor in Rotation zu versetzen.
-
Vorzugsweise erfasst ein Drehstellungssensor die Drehstellung des Rotors und eine elektrische Schaltung schaltet die Polarität der Spulenspannung in Abhängigkeit von der erfassten Drehstellung. Bei dem Drehstellungssensor kann es sich um einen Peil-Sensor oder um einen optischen Sensor handeln. Der optische Sensor kann beispielsweise eine Lesegabel mit Lichtquelle auf der einen Seite und einen Fotodetektor auf der gegenüberliegenden Seite aufweisen. Zwischen der Lesegabel kann eine mit der Rotorwelle verbundene Rotorscheibe rotieren, die zur einen Hälfte transparent und zur anderen Hälfte lichtundurchlässig (z. B. schwarz) ausgebildet ist. Je nach Drehstellung des Rotors empfängt der Sensor der Lesegabel dann das Licht der Lichtquelle, nämlich im transparenten Bereich der Rotorscheibe.
-
Die Schaltung zum drehstellungsabhängigen Schalten der Polarität der Spulenspannung beziehungsweise der Flussrichtung des Spulenstroms weist vorteilhafterweise vier Mikrocontroller gleicher Art oder gleichen Typs auf. Zwei der Mikrocontroller sind zur Schaltung der einen Polarität und die beiden anderen Mikrocontroller zur Schaltung der anderen Polarität vorgesehen.
-
Im Folgenden werden anhand der Figuren Beispiele der Erfindung näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Draufsicht auf den Stator,
-
2 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Rotors,
-
3 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Rotors,
-
4 eine schematische Draufsicht auf den Rotor und
-
5 die elektrische Schaltung.
-
1 zeigt eine Draufsicht auf den Stator 12 in vereinfachter schematischer Darstellung. Der Stator weist einen zylindrischen Wicklungsträger 16 auf, dessen Mantelfläche 20 mit einer Wicklung 18 einer stromdurchflossenen Spule umwickelt ist. In Umfangsrichtung 14 ist der Wicklungsträger 16 mehrfach vollständig umwickelt. Die Wicklung 18 weist 9 Windungen auf, deren Wicklungsrichtung 22 gegenüber der Umfangsrichtung 14 um einen Winkel α im Bereich zwischen ca. 30° und ca. 60° und vorzugsweise etwa 45° geneigt ist. Dadurch sind ein Teil 24 der den magnetischen Südpol bildenden ersten Windung 26 und ein Teil 26 und ein Teil 28 der den magnetischen Nordpol der Spule bildenden letzten Windung 29 auf einander gegenüberliegenden Seiten 30, 32 der Mantelfläche 20 angeordnet. Mit nur einer Spulenwicklung kann dadurch auf einander gegenüberliegenden Seiten quer zur Mittellängsachse des Wicklungsträgers ein magnetischer Nordpol und ein magnetischer Südpol gleicher Stärke erzeugt werden.
-
Die Rotoren 34 gemäß den 2 und 3 weisen jeweils einen im Wesentlichen scheibenförmigen rotationssymmetrischen Magnetträger 38 auf, der im Inneren des Stators 12 in der Rotationsebene 40 gemäß 1 rotiert. Entlang der äußeren Umfangsfläche des Magnetträgers 38 sind in gleichen Abständen die Permanentmagnete 36 angeordnet. Es handelt sich um zwölf Neodym-Magnete.
-
In 2 ist der Magnetträger 38 aus Metall gefertigt und mit Löchern 39 versehen, um die rotierende Masse und die Eisenverluste gering zu halten. Kunststoff ist als Material für den Magnetträger 38 ebenfalls denkbar.
-
In 3 ist der Magnetträger 38 vollständig aus Kunststoff gefertigt, um Eisenverluste zu reduzieren. Auf der Rotorwelle 58 ist neben dem Magnetträger 38 eine Rotationsscheibe 60 mit einem transparenten ersten Bereich 62 und einem schwarz eingefärbten lichtundurchlässigen zweiten Bereich 64 angeordnet. Die Rotationsscheibe 60 dient zur optischen Erfassung der Drehstellung des Rotors 34 mit Hilfe einer die Rotationsscheibe 60 umgreifenden Gabel, deren eines Ende eine Lichtquelle und deren anderes Ende einen Fotodetektor aufweist. Wenn der Fotodetektor das Licht der Lichtquelle durch den transparenten Bereich 62 hindurch erfasst, liefert dieser ein erstes Signal an die elektrische Schaltung gemäß 5 zur Schaltung einer ersten Polarität der Spulenspannung. Wenn d4er Fotodetektor kein oder zumindest weniger Licht der Lichtquelle erfasst, weil das Licht von dem schwarz eingefärbten Bereich 64 bedeckt wird, liefert der Fotodetektor ein zweites Signal an die Schaltung 48, um die Polarität der Spulenspannung zu wechseln.
-
Die Permanentmagnete 36 des Rotors 34 sind, wie in 4 dargestellt, in zwei Gruppen 42, 44 zusammengefasst. Die eine Hälfte der Permanentmagnete 36 ist der ersten Gruppe 42 zugeordnet. Die zweite Hälfte der Permanentmagnete 36 ist der zweiten Gruppe 44 zugeordnet. Die beiden Gruppen 42, 44 sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Magnetträgers 38 angeordnet. Die erste Gruppe 42 weist ausschließlich Magnete positiver Magnetisierung auf und die zweite Gruppe 44 weist ausschließlich Magnete negativer Polarisierung auf. Wenn der Rotor 34 in der Rotationsebene 40 innerhalb des Stators 12 rotiert, wird die Polarität der Spulenspannung in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors 34 derart geschaltet, dass der Magnetische Südpol der Spulenwicklung 18 die erste Gruppe 42 anzieht und die zweite Gruppe 36 abstößt, während der magnetische Nordpol der Spulenwicklung 18 die erste Gruppe 42 abstößt und die zweite Gruppe 44 anzieht. Dadurch wird der Rotor 34 in Rotation versetzt.
-
Das drehstellungsabhängige Schalten der Polarität der Spulenspannung erfolgt mit Hilfe der Schaltung 48 gemäß 5. Wenn der optische Drehstellungsensor 66 ein betreffende Drehstellung der Rotationsscheibe 60 und somit des Rotors 34 erfasst, wird über die Steuerleitungen 68, 70 ein entsprechendes Schaltsignal an die Mikrocontroller 50, 52 beziehungsweise 54, 56 gegeben. Wenn sich der transparente Abschnitt 62 zwischen der Gabel des Drehstellungssensors 66 befindet, werden über die Steuerleitung 68 die Eingänge 3 der beiden Mikrocontroller 50, 52 mit einer Schaltspannung belegt. Der erste Mikrocontroller 50 gibt dann über den Ausgang 2 eine negatives Spannungssignal an den einen Anschluss der Statorspule und der Mikrocontroller 52 gibt über den Ausgang 1 ein positives Spannungssignal an den anderen Anschluss der Statorwicklung 18. Sobald der optische Sensor 66 den schwarz eingefärbten, lichtundurchlässigen Bereich 64 erfasst, wird das Spannungssignal der Steuerleitung 68 zu 0 gesetzt und ein Spannungssignal über die Steuerleitung 70 an die Eingänge 3 der beiden Mikrocontroller 54 und 56 gegeben. Der dritte Mikrocontroller gibt dann über den Ausgang 2 ein negatives Spannungssignal an die andere Seite der Spulenwicklung 18, während der vierte Mikrokontroller 56 über den Ausgang 1 ein positives Spannungssignal an eine Seite der Spulenwicklung 18 anlegt. Infolgedessen ist die Polarität der Spulenspannung gegenüber dem vorherigen Fall umgekehrt. Der Wert der Spulenspannung bleibt jedoch gleich.
