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Die Erfindung betrifft einen permanentmagnetisch erregten dreiphasigen Synchronmotor sowie einen Stator hierfür.
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Am Markt bekannt sind Synchronmotoren mit einem zweipoligen Rotor und drei Spulen, die drei Statorzähnen eines Stators des Synchronmotors zugeordnet sind. Derartige Synchronmotoren sind bauartbedingt aufgrund von im Betrieb auftretenden, nicht ausgeglichenen Kräften vergleichsweise laut. Um die Motorgeräusche zu dämpfen, wird der Rotor des Synchronmotors beispielsweise in Öl gelagert. Dies ist vergleichsweise aufwendig. Darüber hinaus besteht die Gefahr von Verunreinigungen durch eine Leckage beispielsweise bei der Verwendung derartiger Motoren als Antrieb für eine Elektropumpe in einem Wasser führenden Haushaltsgerät.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen in Bezug auf die obige Problematik verbesserten zweipoligen Synchronmotor sowie einen Stator hierfür anzugeben.
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Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Schutzanspruchs 1 auf. Demzufolge umfasst der permanentmagnetisch erregte dreiphasige Synchronmotor einen Stator mit einem in einer Umfangsrichtung geschlossenen Statorjoch und von dem Statorjoch nach innen abragenden Statorzähnen, eine drehbar zu dem Stator gehaltene und von dem Stator umgriffene Welle, welche in einer Axialrichtung langgestreckt ist, und einen drehfest an der Welle gehaltenen zweipoligen Rotor mit mindestens einen Permanentmagneten. Der Stator ist symmetrisch ausgebildet und sieht eine Mehrzahl von miteinander gefügten Statorsegmenten auf. Das Statorjoch ist von sechs in die Umfangsrichtung regelmäßig verteilt angeordneten Spulen mit je einem Spulenkörper und einer Wicklung umgriffen. Jede Motorphase des dreiphasigen Synchronmotors speist zwei einander gegenüberliegende und in Reihe verschaltete Spulen.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Statorsegmente gemeinsam das Statorjoch ausbilden und die Statorzähne formen. Die Statorsegmente sehen bevorzugt gestapelte Statorbleche vor.
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Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die im Betrieb des Motors auftretenden Radialkräfte ausgeglichen sind. Demzufolge entstehen im Betrieb weniger Geräusche und der erfindungsgemäße Synchronmotor kann auf geräuschdämmende Maßnahmen, beispielsweise auf das Vorsehen einer Ölfüllung für den Rotor, verzichten. Die Systemkosten können hierdurch reduziert werden. Darüber hinaus ist einer Verunreinigung der Umgebung durch austretendes Öl vorgebeugt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind alle Statorsegmente und/oder die Statorbleche gleich geformt. Vorteilhaft vereinfachen sich hierdurch der konstruktive Aufbau und die Montage des Stators. Darüber hinaus reduziert die Verwendung von Gleichteilen die Herstellkosten.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Statorsegmente abgewinkelt geformt beziehungsweise V-förmig realisiert. Insbesondere kann ein jedes Statorsegment zwei zueinander abgewinkelt angeordnete Schenkel aufweisen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein erster Schenkel eines jeden Statorsegments dem Statorjoch zugeordnet ist und ein zweiter Schenkel einen Statorzahn bildet. Insbesondere kann der Stator genau sechs Statorsegmente vorsehen, wobei jedem Statorsegment genau eine Spule mit einer Wicklung zugeordnet ist. Bevorzugt sind zueinander benachbarte Statorsegmente um 60° winkelversetzt zueinander angeordnet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Schenkel eines ersten Statorsegments bezogen auf eine Radialrichtung des Rotors zwischen dem Motor einerseits und dem ersten Schenkel eines zu dem ersten Statorsegment benachbarten zweiten Statorsegments andererseits angeordnet. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass sich der zweite Schenkel des Statorsegments in Richtung eines freien Endes desselben verjüngt. Vorteilhaft kann durch die abgewinkelte Geometrie der Statorsegmente und die Verjüngung des zweiten Schenkels in Richtung eines freien Endes die Herstellung der Statorsegmente sehr kostengünstig erfolgen. Die Geometrie ist dabei so gewählt, dass die zum Formen der Statorsegmente verwendeten Statorbleche eng paketiert aus einem geeigneten Halbzeug, beispielsweise einer Stahlblechplatte gewonnen werden können. Dabei können insbesondere zwei einander gegenüberliegende Statorbleche auf dem Halbzeug so angeordnet sein, dass die sich verjüngenden zweiten Schenkel der Statorbleche einander zugewandt sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der zweite Schenkel der Statorsegmente auf einer dem Rotor zugewandten Innenseite abschnittsweise eine Kreisbogenform auf. Vorteilhaft kann durch das Vorsehen des Kreisbogenabschnitts an dem zweiten Schenkel des Statorsegments durch dieses ein Polschuh des Stators gebildet sein.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Wicklungen benachbarter Spulen bezogen auf die Axialrichtung der Welle gegenläufig vom Strom durchflossen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass ein dem Rotor zugewandter Teil einer Wicklung einer ersten, einer dritten und einer fünften Spule in eine erste Richtung vom Strom durchflossen wird und dass ein ebenfalls dem Rotor zugewandter Teil einer Wicklung einer zweiten, einer vierten und einer sechsten Spule in die Gegenrichtung vom Strom durchflossen wird. Die zweite Spule ist hierbei zwischen der ersten und der dritten Spule angeordnet. In analoger Weise sind die vierte Spule zwischen der dritten Spule und der fünften Spule und die sechste Spule zwischen der fünften Spule und der ersten Spule vorgesehen. Vorteilhaft ist hierdurch bewirkt, dass sich der gesamte magnetische Fluss durch das Statorjoch in den Spulen konzentriert und der erfindungsgemäße Synchronmotor einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sieht der Synchronmotor ein Spaltrohr vor mit einem Spaltrohrtopf und einen sich hieran anschließenden Spaltrohrflansch. Der Spaltrohrtopf weist eine zylindrische Wandung auf, welche sich zwischen den Statorzähnen einerseits und dem Rotor andererseits in die Axialrichtung und die Umfangsrichtung erstreckt. Der Spaltrohrtopf ist auf einer dem Spaltrohrflansch abgewandten Seite geschlossen ausgebildet. Vorteilhaft kann der Synchronmotor durch das Vorsehen des Spaltrohrs als Antrieb für eine Pumpe, beispielsweise in einem Wasser führenden Haushaltsgerät, vorgesehen werden. Hierzu eignet sich der erfindungsgemäße Synchronmotor durch den Verzicht auf eine Ölfüllung besonders. Der Rotor des erfindungsgemäßen Synchronmotors ist dabei als ein nasslaufender, von der Lauge oder einem anderen zu fördernden Fluid umspülter Rotor realisiert.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sieht der erste Schenkel des Statorsegments in einem Verbindungsbereich mit einem zweiten Schenkel des gleichen Statorsegments eine erste Verbindungskontur vor. Darüber hinaus weist der erste Schenkel an einem dem zweiten Schenkel abgewandten freien Ende eine korrespondierend geformte zweite Verbindungskontur auf. Zum positionsgenauen Verbinden benachbarter Statorsegmente wird nun das eine Statorsegment mit seiner ersten Verbindungskontur in die zweite Verbindungskontur des anderen Statorsegments eingesetzt. Benachbarte Statorsegmente können dabei beispielsweise verpresst oder verschweißt werden.
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Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Schutzanspruchs 14 auf. Demzufolge sieht der Stator sechs gleiche, in eine Umfangsrichtung verteilt angeordnete und miteinander gefügte Statorsegmente vor, welche aus gestapelten Statorblechen gebildet sind. Die Statorsegmente formen gemeinsam ein Statorjoch und Statorzähne. Das Statorjoch ist von sechs in die Umfangsrichtung verteilt angeordneten Spulen mit je einem Spulenkörper und einer Wicklung umgriffen. Vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Stator für einen Synchronmotor besonders kostengünstig hergestellt und modular aufgebaut werden. Der modulare Aufbau vereinfacht die Montage insbesondere in Bezug auf die Spulenkörper, welche das in Umfangsrichtung geschlossene Statorjoch umgreifen.
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Der erfindungsgemäße Synchronmotor kann vorteilhaft beispielsweise als Antrieb für eine Elektropumpe in einem Wasser führenden Haushaltsgerät, insbesondere als Antrieb für eine Laugenpumpe, eine Umwälzpumpe, eine Kondensatpumpe oder eine Entleerungspumpe in einer Waschmaschine, einem Geschirrspüler oder einem Gargerät verwendet werden. Ebenso ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Synchronmotor in einem gewerblichen Gargerät, einer gewerblichen Waschmaschine oder einem gewerblichen Geschirrspüler vorgesehen. Bauartbedingt bietet der erfindungsgemäße Synchronmotor hier durch seine Laufruhe und den Verzicht auf eine Ölfüllung erhebliche Vorteile.
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Aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Dort erwähnte Merkmale können jeweils einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Erfindungsgemäß beschriebene Merkmale und Details des Synchronmotors gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator und umgekehrt. So kann auf die Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden. Die Zeichnungen dienen lediglich beispielhaft der Klarstellung der Erfindung und haben keinen einschränkenden Charakter.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Synchronmotors mit einem an einer Welle des Synchronmotors zu befestigenden Laufrad einer Pumpe,
- 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines segmentierten Stators des Synchronmotors nach 1 sowie eines Spaltrohrs, eines Motorgehäuses sowie einer Platine mit einem Stecker,
- 3 eine zur Verdeutlichung einer Montage des segmentierten Stators dienenden Explosionsdarstellung desselben mit dem Spaltrohr und dem Statorgehäuse,
- 4 eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Synchronmotor und das Laufrad,
- 5 eine Aufsicht auf den Stator des erfindungsgemäßen Synchronmotors,
- 6 eine perspektivische Darstellung des Stators des erfindungsgemäßen Synchronmotors,
- 7 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Synchronmotors im Schnitt mit den magnetischen Feldlinien,
- 8 die elektrische Verschaltung der Wicklungen des erfindungsgemäßen Synchronmotors,
- 9 eine perspektivische Darstellung eines aus einer Mehrzahl von gestapelten Statorblechen gebildeten Statorsegments des Stators,
- 10 eine Explosionsdarstellung des Statorsegments sowie einer Spule des Stators mit zwei Kontakten,
- 11 eine perspektivische Darstellung des Statorsegments mit der hierauf montierten Spule und
- 12 eine Mehrzahl von Statorblechen, die platzsparend auf einem Blechstreifen angeordnet sind.
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Ein erfindungsgemäßer permanentmagnetisch erregter dreiphasiger Synchronmotor umfasst als wesentliche Bauteile einen Stator 1 mit einem in eine Umfangsrichtung 21 geschlossen ausgebildeten, ringförmigen Statorjoch und von dem Statorjoch nach innen abragenden Statorzähnen, eine drehbar zu dem Stator 1 gehaltene und von dem Stator 1 umgriffene Welle 2, welche in einer Axialrichtung 11 langerstreckt ist, und einen drehfest an der Welle 2 gehaltenen zweipoligen Rotor 3 mit mindestens einem Permanentmagneten 15. Ferner sieht der dreiphasige Synchronmotor ein Spaltrohr 4 mit einem Spaltrohrtopf 16 und einem Spaltrohrflansch 18 sowie eine Platine 5 mit einem Stecker 9, einen an dem Spaltrohrflansch 18 festgelegten Stützkörper 7 für die Welle 2, ein den Stator 1 umgreifendes Motorgehäuse 8 und eine an das Motorgehäuse 8 ansetzbare Verschlusskappe 10 vor. Der Spaltrohrtopf 16 und der Spaltrohrflansch 18 des Spaltrohrs 4 sind einstückig realisiert. Der Spaltrohrtopf 16 sieht eine zylindrische Wandung 17 vor, welche sich zwischen den Statorzähnen des Stators 1 einerseits und dem an der Welle 2 drehfest gehaltenen Rotor 3 des Synchronmotors andererseits erstreckt. Auf einer dem Spaltrohrflansch 18 gegenüberliegenden Stirnseite ist der Spaltrohrtopf 16 geschlossen ausgebildet. Hier sieht der Spaltrohrtopf 16 eine Aufnahme für die Welle 2 vor. Die Welle 2 ist darüber hinaus über eine Laufbuchse 20, welche als Gleitlager dient, an dem Stützkörper 7 gehalten.
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An einem durch den Stützkörper 7 hindurchgeführten freien Ende der Welle 2 ist ein Laufrad 6 festgelegt. Der dargestellte Synchronmotor dient insofern als Antrieb für eine Elektropumpe, beispielsweise für eine Laugenpumpe, eine Umwälzpumpe, eine Kondensatpumpe beziehungsweise eine Entleerungspumpe einer Waschmaschine, eines Geschirrspülers oder eines Gargeräts. Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung wird das Laufrad 6 hierbei von einem nicht dargestellten Pumpengehäuse umgriffen, welches gegen eine an dem Spaltrohrflansch 18 des Spaltrohrs 4 vorgesehene Dichtung 19 gedichtet ist und einen Zulaufstutzen sowie einen Druckstutzen für das zu fördernde Fluid vorsieht.
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Der Stator 1 des erfindungsgemäßen Synchronmotors sieht insgesamt sechs gleiche Statorsegmente 12 vor, welche zur Bildung des ringförmigen Statorjochs sowie der Statorzähne um jeweils 60° winkelversetzt zueinander aneinander angesetzt und miteinander verbunden sind. Die Statorsegmente 12 sehen eine Mehrzahl von gestapelten Statorblechen 30 vor. Alle Statorbleche 30 und alle Statorsegmente 12 des erfindungsgemäßen Stators 1 sind gleich geformt.
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Die Statorsegmente 12 sehen jeweils einen dem Statorjoch zugeordneten ersten Schenkel 23 sowie einen zweiten Schenkel 24 vor, welcher einen Statorzahn des Stators 1 bildet. An den ersten Schenkel 23 ist in einem Verbindungsbereich zu dem zweiten Schenkel 24 eine erste Verbindungskontur 26 mit einer in die Axialrichtung 11 erstreckten Nut vorgesehen. Darüber hinaus ist an einem freien Ende des ersten Schenkels 23 eine zweite Verbindungskontur 27 vorgesehen, welche korrespondierend zu der ersten Verbindungskontur 26 geformt ist und eine in die Nut der ersten Verbindungskontur 26 einsetzbare, in die Axialrichtung 11 ebenfalls längserstreckte nasenförmige Ausformung vorsieht.
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An den zweiten Schenkel 24 des Statorsegments 12 ist an einer dem Rotor 3 zugewandten Innenseite desselben ein Kreisbogenabschnitt 25 vorgesehen. Der Kreisbogenabschnitt 25 bildet einen Polschuh des Stators 1.
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Ein Statorzahn eines ersten Statorsegments 12 ist im montierten Zustand bezogen auf eine Radialrichtung 22 zwischen dem Rotor 3 und dem zweiten Schenkel 24 eines benachbarten und über die Verbindungskonturen 26, 27 mit dem ersten Statorsegment 12 verbundenen zweiten Statorsegment 12 angeordnet.
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Der erste Schenkel 23 eines jeden Statorsegments 12 trägt eine Spule 13. Die Spule 13 sieht einen Spulenkörper 28 mit einer Ausnehmung vor, durch die der erste Schenkel 23 des Statorsegments 12 hindurchgeführt ist. Der Spulenkörper 28 trägt eine Wicklung 29.1, 29.2, 29.3, 29.4, 29.5, 29.6 des Stators 1. Die insgesamt sechs Spulen 13 sind in die Umfangsrichtung 21 des Stators 1 regelmäßig verteilt angeordnet und umgreifen das Statorjoch. Die Kontaktierung der Spulen 13 erfolgt über die Platine 5, an der Anschlussleiter für die Wicklungen 29.1, 29.2, 29.3, 29.4, 29.5, 29.6 vorgesehen sind, sowie Kontakte 14, welche in die Spulenkörper 28 eingesetzt sind und zu den Anschlussleitern der Platine 5 führen. Die nicht dargestellten Anschlussleiter der Platine 5 sind zu Anschlusskontakten des Steckers 9 geführt.
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Die Kontaktierung der Wicklungen 29.1, 29.2, 29.3, 29.4, 29.5, 29.6 ist so realisiert, dass jede Motorphase zwei gegenüberliegende und in Reihe verschaltete Wicklungen 29.1, 29.2, 29.3, 29.4, 29.5, 29.6 speist. Die jeweils zwei gegenüberliegenden und in Reihe verschalteten Wicklungen 29.1, 29.2, 29.3, 29.4, 29.5, 29.6 bilden eine Wicklungsgruppe und die insgesamt drei Wicklungsgruppen sind im Stern verschaltet. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass benachbarte Wicklungen 29.1, 29.2, 29.3, 29.4, 29.5, 29.6 bezogen auf die Axialrichtung 11 jeweils gegenläufig vom Strom durchflossen sind. Dem Rotor 3 zugewandte Teilwicklungen einer ersten, einer dritten und einer fünften Wicklung 29.1, 29.3, 29.5 sind demzufolge in eine gleiche erste Richtung vom Strom durchflossen, wohingegen zwischen der ersten, der dritten und der fünften Wicklung 29.1, 29.3, 29.5 angeordnete, dem Rotor 3 zugewandte Teilwicklungen einer zweiten, vierten und sechsten Wicklung 29.2, 29.4, 29.6 in eine Gegenrichtung vom Strom durchflossen sind.
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12 zeigt einen Blechstreifen 31, auf dem einander verschnittarm zugeordnete Statorbleche 30 so angeordnet sind, dass die zweiten Schenkel 24 einander gegenüberliegender Statorbleche 30 benachbart zueinander und alternierend angeordnet sind. Zur platzsparenden Anordnung sind die zweiten Schenkel 24 der Statorbleche 30 in Richtung eines dem ersten Schenkel 23 abgewandten freien Endes verjüngend ausgebildet.
