DE20314652U1 - Motor mit axialem Magnetfluß und ringförmigem Stator - Google Patents

Motor mit axialem Magnetfluß und ringförmigem Stator Download PDF

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Abstract

Motor mit axialem Magnetfluß, der mindestens einen Stator (110) und mindestens einen Rotor aufweist, welche konzentrisch um eine Rotationsachse (124) angeordnet sind, wobei der Stator (110) ein im wesentlichen ringförmiges Statorjoch (120) aufweist und sich von dem Statorjoch (120) eine Vielzahl von Statorpolen (112A – F) in axialer Richtung erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorjoch (120) in Statorjochabschnitte (120A – D) aufgeteilt ist, wobei das Statorjoch (120) Verbin dungsstellen aufweist, an denen jeweils zwei benachbarte Statorjochabschnitte (120A – F) miteinander verbunden sind, und zwischen den Statorpolen (112A – F) Phasenwicklungen (114A – F) aufgebracht sind.

Description

  • TECHNISCHES FELD
  • Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Motoren mit axialem Magnetfluß ("axial flux motors") und insbesondere vorteilhafte Ausführungen des Stators dieser Motoren.
  • STAND DER TECHNIK
  • Elektrische Motoren mit axialem Magnetfluß stellen eine Alternative zu Synchron-, Asynchron- und Gleichtrommotoren dar, bei denen der magnetische Fluß zwischen Rotor und Stator radial verläuft.
  • Motoren mit axialem Magnetfluß umfassen einen Stator und einen Rotor, zwischen denen eine Drehbewegung elektromagnetisch erzeugt wird, wobei der Stator fest verankert ist und die Drehbewegung des Rotors über eine mit diesem drehfest verbundene Welle nach außen übertragen wird. Der Stator und der Rotor sind konzentrisch zueinander angeordnet und haben eine Drehachse, die entlang der Welle verläuft.
  • Der Stator besteht in der Regel aus einem scheibenförmigen Statorjoch, auf dem Spulen angeordnet sind. Die Spulen haben die Form eines Stabs oder Zylinders und sind gleichmäßig in Umlaufrichtung des scheibenförmigen Statorjochs entlang einer Kreislinie angeordnet, die konzentrisch zu dem scheibenförmigen Statorjoch ist, wobei die Spulen senkrecht zu dem scheibenförmigen Statorjoch stehen. Eine stabförmige Spule besteht aus einem stabförmigen Spulenkern und aus einer Wicklung, die um diesen Spulenkern gewickelt ist. Fließt ein Strom durch die Wicklung, so wird der stabförmige Spulenkern magnetisiert und bildet an seiner beiden Enden magnetische Pole aus, die eine entgegengesetzte Polarität aufweisen. Die Spulen sind senkrecht auf dem Statorjoch angeordnet, so daß ein erstes Ende eines Spulenkerns mit dem Statorjoch magnetisch verbunden ist und das andere (zweite) Ende des Spulenkerns von dem Statorjoch weg weist. Das Statorjoch dient als magnetische Verbindung für den magnetischen Fluß, der von den Spulen erzeugt wird.
  • Der Rotor in der Regel ringscheibenförmig und besteht aus einem ringscheibenförmigen Permanentmagneten und einem ringscheibenförmigen Rotorjoch. Der Permanentmagnet ist in Umlaufrichtung magnetisiert und weist entlang seiner Umfangsrichtung unterschiedliche Polaritäten auf. Der Permanentmagnet ist konzentrisch mit dem Rotorjoch angeordnet und kann zwei oder mehr Pole aufweisen, beispielsweise vier Pole. Alternativ können statt eines ring förmigen Permanentmagneten mehrere einzelne Permanentmagneten regelmäßig entlang der Kreislinie um die Drehachse angeordnet sein, wobei ein Pol eines Permanentmagneten auf dem Rotorjoch angeordnet ist und der andere Pol von dem Rotorjoch weg weist. Das Rotorjoch dient in beiden Fällen als magnetischer Rückschluß für den (die) Permanentmagnete.
  • Der Rotor und der Stator sind konzentrisch zueinander benachbart angeordnet. Wird ein magnetisches Drehfeld durch die Spulen des Stators erzeugt, beispielsweise durch die Zuführung eines dreiphasigen Drehstromfeldes, so wirkt dieses Drehfeld auf den Rotor und versetzt den Rotor in eine Drehbewegung. Die Ansteuerung der Statorspulen ist grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Sie kann auch der Ansteuerung von Schrittmotoren entsprechen.
  • Wegen der kompakten Bauform und des geringen Massenträgheitsmoments des Rotors, das im wesentlichen nur durch den Permanentmagneten bestimmt ist, wird dieser Motortyp in zahlreichen technischen Anwendungen eingesetzt, in denen eine hohe Drehzahl und ein relativ niedriges Drehmoment erwünscht sind. Beispiele hierfür sind Ventilatoren, Pumpen, Zentrifugen und Spielgeräte.
  • Bei elektrischen Motoren mit axialem Magnetfluß sind die Spulen des Stators und deren Kerne senkrecht auf dem Statorjoch und parallel zur Drehachse angeordnet, wodurch sich eine besondere Form des Stators ergibt. Das Statorjoch, das den magnetischen Fluß der Spulen zusammenführt, hat im allgemeinen die Form einer Scheibe. Die einzelnen Kerne der Spulen sind senkrecht auf einer Seite oder auf beiden Seiten des scheibenförmigen Statorjochs, das als magnetischer Rückschluß dient, und parallel zur Drehachse angeordnet, so daß das Storjoch den magnetischen "Sternpunkt" des magnetischen Flusses in dem Stator bildet. Sind die Kerne der Spulen stab- oder zylinderförmig und auf einem scheibenförmigen Statorjoch angeordnet, so ist zum einen die Sättigung nicht homogen und kann zu schlechten Steuereigenschaften des Motors führen. Zum anderen weisen die Stellen Streufelder auf, an denen die Spulenkerne senkrecht mit dem scheibenförmigen Joch verbunden sind. Ein signifikanter Nachteil der bekannten Anordnung ist die mechanische Anfälligkeit der Statorkerne oder –zähne. Aufgrund von Vibrationen, mechanischem Spiel des Rotors und dergleichen können sich die Statorzähne verschieben und mit Teilen des Rotors in Kontakt kommen.
  • In der Veröffentlichung "Axial Flux, Modular, Permanent-Magnet Generator with a Toroidal Winding for Wind Turbine Applications" von E.Muljadi et. al., National Renewable Energy Laboratory, wird ein Generator mit axialer Flußrichtung beschrieben, der zwei ringförmige Statoren und einen ringförmigen Rotor umfaßt, der konzentrisch zwischen den Statoren angeordnet ist. Der Rotor besteht aus Permanentmagneten, deren Rotorpole in die Richtung der Statoren weisen. Auf den Statoren ist jeweils eine Statorwicklung gewickelt. Die Statoren tragen in regelmäßigen Abständen U-förmige Statorpole, die in tangentialer Richtung aufgesteckt sind und die den magnetischen Fluß führen, so daß magnetische Pole ausgebildet werden können, die den Rotorpolen gegenüberliegen. In solchen Motoren mit toroidförmigen Wicklungen ist die Struktur der Magnete relativ komplex, so daß ihre Herstellung einen entsprechend hohen Aufwand und hohe Kosten verursacht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Motor mit axialem magnetischen Fluß vorzusehen, der einfach herzustellen ist und zuverlässig arbeitet.
  • Diese Aufgaben wird durch einen Motor nach Anspruch 1 gelöst.
  • ABRISS DER ERFINDUNG
  • Der Motor mit axialem Magnetfluß gemäß der Erfindung umfaßt mindestens einen Stator und mindestens einen Rotor, die konzentrisch um eine Rotationsachse angeordnet sind. Der Stator umfaßt ein Statorjoch in Ringform. Von dem Statorjoch erstrecken sich mehrere Statorpole in eine Richtung, die parallel zu der Rotationsachse ist. Die Statorpole sind auf einem Kreis um die Rotationsachse angeordnet. Der Motor ist dadurch gekennzeichnet, daß das Statorjoch in Statorjochabschnitte aufgeteilt ist und Verbindungsstellen aufweist, an denen benachbarte Statorjochabschnitte miteinander verbunden sind. Auf dem Stator sind zwischen den Statorpolen Phasenwicklungen aufgebracht, die direkt auf dem Statorjoch liegen und keine eigenen, getrennten Kerne aufweisen, die senkrecht zu dem Statorjoch angeordnet sind. Stattdessen können die Statorjochabschnitte des erfindungsgemäßen Motors auch gleichzeitig als Spulenkerne interpretiert werden, wobei diese tangential zur Drehrichtung der Rotationsachse angeordnet sind.
  • Unter dem Begriff Ringform ist eine in sich geschlossene kreisförmige, polygonale oder andere Form zu verstehen, die einen geschlossenen magnetischen Fluß zuläßt. Bevorzugt wird eine Polygonform gewählt. Die Querschnittsform oder die Querschnittfäche muß nicht notwendigerweise entlang des gesamten Rings konstant sein; insbesondere an Polen oder Übergängen kann die Querschnittsfläche vergrößert sein, um magnetischen Streuungen an diesen kritischen Stellen vorzubeugen. Die Ringform kann auch aus einzelnen Abschnitten zusammengesetzt sein, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind und so den Ring schließen. Alternativ können die Abschnitte selbst gewinkelt oder gebogen sein, so daß sich eine geschlossene Ringform ergibt, auch wenn die einzelnen Abschnitte gerade aneinander gefügt sind. Der ringförmige Stator hat jedoch in Hinblick auf den magnetischen Fluß eine geschlossene Form.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung gibt es keine senkrechten Übergänge der Spulenkerne zu dem Statorjoch, wodurch eine wesentliche Quelle magnetischer Streufelder vermieden wurde. Die einzelnen Statorjochabschnitte können konventionell bewickelt werden oder die Wicklungen können einfach aufgesteckt werden, wodurch eine automatisierte Herstellung der Statoren maßgeblich vereinfacht wird. Zudem können so Standardbauteile verwendet werden, wodurch Kosten niedrig gehalten werden und der Konstruktionsaufwand deutlich verringert wird. Das Statorjoch dient als magnetische Verbindung und gleichzeitig als Kern der Wicklungen. Folglich werden Materialkosten für zusätzliche Kerne eingespart. Die geringere Masse des Stators verringert ferner das Gesamtgewicht des Motors. Die beschriebene Anordnung der Spulen führt ferner im Vergleich zu Spulenkernen mit Sternverbindung zu einem erhöhten Fluß. Dadurch kann auch ein höherer Grad an Flußkonzentration erreicht werden.
  • In einer ersten Ausführung der Erfindung sind die Statorpole zwischen den Verbindungsstellen des Stators ausgeführt. Die Statorjochabschnitte sind winkelförmig gebogen.
  • So können benachbarte Statorjochabschnitte gerade zueinander ausgerichtet sein, wobei sich die Ringform aus der Winkelneigung der einzelnen Statorjochabschnitte ergibt. Dadurch wird die Montage des Stators vereinfacht.
  • In einer zweiten Ausführung der Erfindung sind die Statorpole an den Verbindungsstellen des Stators angeordnet. Die Statorjochabschnitte sind im wesentlichen gerade ausgeführt. Vorzugsweise weist jede Verbindungsstelle einen Pol auf. Damit eine ringförmige Gesamtform erreicht werden kann, werden benachbarte Statorjochabschnitte in einem Winkel zueinander montiert. Die gerade Form der Statorjochabschnitte erlaubt eine Bewicklung, wie sie von Standardspulen bekannt ist. So kann die Wicklung kostengünstig aufgewickelt oder aufgesteckt werden, wobei Standardverfahren und -maschinen verwendet werden können.
  • In einer dritten Ausführung haben die Statorjochabschnitte die Form eines Kreisbogens. Der Stator hat in dieser dritten Ausführung daher die Form eines Kreisrings. In Hinblick auf mögliche magnetische Streufelder an den Stellen, an denen die Statorjochabschnitte aneinanderstoßen, bietet eine kontinuierliche Kreisringform eine gute Möglichkeit, magnetische Streuung zu vermeiden. Gleichzeitig ist es möglich, die einzelnen Statorjochabschnitte mit Wicklungen zu bestücken, ohne eine aufwendige Technik verwenden zu müssen.
  • Das Statorjoch nach der ersten oder zweiten Ausführung kann eine im wesentlichen polygonale Form haben. Eine polygonale Form bietet den Vorteil, daß die einzelnen gerade Abschnitte mit Standardverfahren und -bauteilen bearbeitet und hergestellt werden können.
  • Vorzugsweise weisen die Enden der Statorjochabschnitte Anschlußmittel auf, welche Statorjochabschnitte magnetisch verbinden. Diese Anschlußmittel können Schraub-, Bolzen-, Niet- und/oder Klebeverbindungen umfassen. Diese Anschlußmittel sind mittels einfacher Techniken verarbeitbar. Die verwendeten Komponenten sind preiswerte Standardelemente. Folglich kann durch Anschlußmittel die Herstellung des Motors vereinfacht und preiswerter gestaltet werden.
  • Das Statorjoch besteht vorzugsweise aus geschichtetem, gestanztem und/oder gegossenem magnetischem Material. Durch die Schichtung können Wirbelstromverluste deutlich vermindert werden. Gleichzeitig erlauben diese Materialien eine kostengünstige und einfache Herstellung, wobei gute magnetischen Eigenschaften des Motors erreicht werden.
  • Die Statorjochabschnitte haben bevorzugt einen im wesentlichen konstanten Querschnitt. Werden die Wicklungen aufgesteckt, so wird die Herstellung des Stators durch einen konstanten Querschnitt des Statorjochs deutlich vereinfacht.
  • Die Statorpole können mit einem regelmäßigem Abstand auf dem Statorjoch angeordnet sein. Dadurch ergeben sich ein regelmäßigen Verlauf des Drehmoments und somit gleichmäßige Rotationseigenschaften.
  • Der Rotor kann ein Rotorjoch sowie mindestens einen Permanentmagneten umfassen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dadurch wird gewährleistet, daß das Rotorjoch und der (die) Permanentmagnet magnetisch zusammenwirken und so die magnetischen Eigenschaften des Permanentmagnet voll ausgeschöpft werden können. Es können auch zwei Permanentmagnete verwendet werden, in deren Mitte sich das Rotorjoch befindet, um einen symmetrischen Aufbau eines Motors zu erlauben, wobei sich an beiden Seiten des Rotors ein Stator entlang der Drehachse anschließt. Sind Rotor und Stator jeweils symmetrisch, so können diese kaskadiert werden, d.h. entlang der Drehachse aufgereiht werden. Fällt nun ein Element aus, kann der Motor mit den verbleibenden weiterarbeiten. Dadurch wird der Motor zuverlässiger, wobei Herstellungsaufwand und Preis gering sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung ist im folgenden anhand der bevorzugten Ausführungen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Motors mit axialem Magnetfluß nach dem Stand der Technik.
  • 2 ist eine Aufsicht eines sechspoligen Stators für einen Motor mit axialem Magnetfluß gemäß der Erfindung.
  • 3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Motors mit einem sechspoligen Stator.
  • 4 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen dreipoligen Stators gemäß einer ersten Ausführung.
  • 5 ist eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen dreipoligen Stators gemäß einer zweiten Ausführung.
  • 6 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Verbindungsstelle, die dem besseren Verständnis der zweiten Ausführung des in 5 gezeigten Stators dient.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Motor mit axialem Magnetfluß nach dem Stand der Technik und dient zur Erläuterung der Funktionsweise des Motors. Der Motor umfaßt einen Rotor 30 mit einem Rotorjoch 18 und einem Permanentmagneten 16 und einen Stator 10, welche die gleiche Rotationsachse 24 aufweisen und zueinander axial versetzt sind.
  • Mit dem Rotor 30 ist eine Welle 22, die sich entlang der Rotationsachse 24 erstreckt, drehfest verbunden. Die Welle 22 dient der mechanischen Auskopplung der Rotorbewegung. Der Stator 10 umfaßt mehrere zylinder- oder stabförmige Spulen 12 mit Spulenkernen, die auf einem Statorjoch 20 angeordnet sind und die sich in Richtung des Permanentmagneten 16 in axialer Richtung erstrecken. Die Spulenkerne haben jeweils ein Ende, das in Richtung des Permanentmagneten 16 weist, und als Statorpol 14 dient. Die zu diesen Enden entgegengesetzten Enden fußen auf dem Statorjoch 20 und sind mit diesem magnetisch verbunden. Das Statorjoch verbindet so die magnetischen Flüsse der Spulen.
  • In zusammengefügtem Zustand liegt der Permanentmagent 16 direkt auf dem Rotorjoch 18 auf und die Pole des Stators 12 liegen, getrennt durch einen dünnen Spalt, direkt dem Permanentmagneten 16 gegenüber. In dem vorliegenden Beispiel nach 1 weist der Stator 10 drei Spulen auf, die um 120° versetzt kreisförmig auf dem Statorjoch angeordnet sind. Werden die Statorpole 12 durch ein elektrisches Drehfeld angeregt, beispielsweise mit einem dreiphasigen Drehfeld mit den Phasen U, V, W, die jeweils einen Phasenabstand von 120° aufweisen (herkömmliche dreiphasige Drehstromversorgung), so ergibt sich ein elektromagnetisches Drehfeld. Zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 18,16 wird ein Drehmoment erzeugt, wodurch der Rotor 30 in eine Drehbewegung relativ zu dem (feststehenden) Stator versetzt wird. Diese Drehbewegung wird über die Achse 22 ausgekoppelt und kann so angeschlossene mechanische Vorrichtungen (Getriebe, Propeller, Pumpen, etc.) antreiben.
  • Die 2 zeigt einen Stator 110 mit axialem Magnetfluß gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Stator 110 umfaßt ein Statorjoch 120 sechs Statorpole 112AE und ebensoviele Phasenwicklungen 114AE, wobei die Anzahl der Statorpole 112 im allgemeinen unabhängig von der Anzahl der Phasenwicklungen 114 ist. Die Anzahl der Statorpole 112 und die Anzahl der Phasenwicklungen 114 kann frei gewählt werden, beispielsweise 3 oder 12. Im Gegensatz zu dem Stator 10 nach dem Stand der Technik, bei dem die Spulen 12,14 und deren Spulenkerne 12 einen senkrechten Winkel mit dem Statorjoch 20 bilden, liegen die Phasenwicklungen 114AE gemäß 2 direkt auf dem polygonförmigen Statorjoch 120. Die Phasenwicklungen des erfindungsgemäßen Motors haben also keine von dem Statorjoch 120 getrennte Kerne, die senkrecht auf dem Statorjoch stehen, vielmehr bilden Statorjochabschnitte 120AF die Kerne für die Phasenwicklungen 114AF und bilden gleichzeitig zusammengefügt das Statorjoch 120. Interpretiert man die Statorjochabschnitte 120AF als "Kerne" für die Phasenwicklungen 114A - F, so liegen diese tangential zum Statorjoch, wäh rend die Spulenkerne im Stand der Technik (1) senkrecht zu dem Statorjoch angeordnet sind .
  • Das Statorjoch 120 ist in separate Statorjochabschnitte 120AF aufgeteilt. Diese Statorjochabschnitte 120AF werden zusammengefügt, so daß die in magnetischem Kontakt miteinander stehen, und bilden ein (magnetisch) durchgängiges Statorjoch 120.
  • Eine mögliche Aufteilung des Statorjochs 120 ist in 2 als Abschnitt Y – Y' dargestellt. In dieser Ausführung sind zwei benachbarte Statorjochabschnitte (beispielsweise 120D und E) innerhalb einer Phasenwicklung (beispielsweise 114D) an entsprechenden Verbindungsstellen aneinandergefügt. Die Statorjochabschnitte 120AE sind jeweils in Winkelform ausgebildet. Die Schenkel dieser Winkel haben vorzugsweise die gleiche Länge, wie es beispielsweise anhand 4 zu erkennen ist. Anhand dieser 4 wird die erste Ausführung im weiteren detailliert dargestellt.
  • In einer zweiten Ausführung ist der erfindungsgemäße Stator in geradlinige Abschnitte aufgeteilt. Die 2 zeigt einen solchen Abschnitt XX'. Die Phasenwicklungen können daher einfach auf die einzelnen Statorjochabschnitte 112AE aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufstecken vorgefertigter Wicklungen. An beiden Enden einer Phasenwicklung 114A ragen dann die Enden des entsprechenden Statorjochabschnitts (beispielsweise 120A) heraus. Diese Enden weisen Verbindungsstellen auf, an denen ein benachbarter Statorjochabschnitt (beispielsweise 120B) angebracht werden kann, wobei der erste Statorjochabschnitt 120A und der benachbarte Statorjochabschnitt 120B in einem Winkel zueinander angeordnet sind. An den Verbindungsstellen sind die Statorjochabschnitte 120AF miteinander magnetisch in Kontakt, um das ringförmige Statorjoch 120 zu bilden. Die Phasenwicklungen 114AF liegen direkt auf dem Statorjoch 120 und sind entlang des Umfangs des Statorjochs 120 gleichmäßig verteilt. Nicht notwendigerweise liegt auf einem Statorjochabschnitt genau eine Phasenwicklung; diese können auch in anderer Weise verteilt sein, z. B. könnte nur jeder zweite Statorjochabschnitt eine Phasenwicklung aufweisen.
  • Diese zweite Ausführung wird anhand der 5 und 6 detaillierter beschrieben.
  • Während die einzelnen Statorjochabschnitte 120AE gemäß der zweiten Ausführung mit einem Winkel zueinander angeordnet werden müssen, um eine polygonale Struktur des Statorjoch 120 zu erreichen, können die Statorjochabschnitte gemäß der ersten Ausführung gerade aneinander moniert werden, wobei die Polygonform des Statorjochs durch die Winkelschenkel der Statorjochabschnitte bestimmt ist.
  • Alternativ zu einem polygonförmigen Statorjoch kann dieses auch kreisförmig sein. Diese Ausführung wird im folgenden beschrieben ist jedoch nicht in den Figuren dargestellt. In dieser dritten Ausführung sind die Statorjochabschnitte kreisförmig gebogen und ergeben aneinandergesetzt einen ringförmigen Stator. Die Statorjochabschnitte weisen an ihren Enden Verbindungsmittel auf. An diesen Enden können auch gleichzeitig Statorpole angeordnet sein, die sich in Richtung des Rotors erstrecken und mit den Verbindungsmitteln eine Einheit bilden können. Zwischen diesen Statorpolen sind Phasenwicklungen angeordnet, die auf die Statorjochabschnitte gewickelt sind. Alternativ sind die Statorpole von den Verbindungsstellen getrennt und wechseln sich jeweils entlang des ringförmigen Statorjochs mit den Verbindungsstellen ab. Die Verbindungstellen können dann innerhalb der Phasenwicklungen liegen, die wiederum zwischen den Statorpolen angeordnet sind.
  • In allen drei genannten beispielhaften Ausführungen sind zwischen den Phasenwicklungen Statorpole 112AE ausgebildet. Die Statorpole 112AF sind abwechselnd mit den Phasenwicklungen 114AF regelmäßig auf dem Statorjoch 120 angeordnet. Die Drehachse 124 liegt in der Mitte des Stators 110.
  • Die 3 zeigt einen Motors mit axialem Magnetfluß gemäß der Erfindung, welcher den in 2 dargestellten Stator verwendet. In dieser Ausführung ist ein Stator 110, der dem Stator der ersten oder zweiten Ausfiührung entspricht, konzentrisch zwischen zwei Rotoren 130, 132 angeordnet, die symmetrisch zum dem Stator 110 sind. Die Rotoren 130, 130' umfassen jeweils ein Rotorjoch 118, 118' und einen Permanentmagneten 116, 116'. Der Stator und die Rotoren sind beide konzentrisch um eine Drehachse 124 angeordnet und axial zueinander versetzt. Entlang dieser Drehachse erstreckt sich eine Welle 122, die mit den Rotoren drehfest verbunden ist Das Statorjoch 120 des Stators 110 ist in Statorjochabschnitte aufgeteilt (siehe 2). Der Stator 110 umfaßt das Statorjoch 120, sechs Phasenwicklungen 114AF, die auf dem Statorjoch 120 aufgebracht sind, sowie sechs Statorpole 112AF, die ebenfalls auf dem Statorjoch 120 angeordnet sind. Die Anzahl der Statorpole und der Phasenwicklungen sind jedoch frei voneinander wählbar. Die Statorpole erstrecken sich in Richtung der beiden Permanentmagnete 116, 116'. Das Statorjoch trägt entlang seiner Umlaufrichtung abwechselnd Statorpole und Phasenwicklungen 114AF. In zusammengefügtem Zustand des Motors liegen die Permanentmagneten 116, 116' direkt auf den entsprechenden Rotorjochen 118, 118', und zwischen dem Stator 110 und den Permanentmagneten 116, 116' ist nur ein kleiner Spalt vorgesehen, um magnetische Streuung zwischen Stator und Rotor zu minimieren und gleichzeitig eine Drehbewegung zwischen Rotor und Stator zu erlauben.
  • Die Rotoren 130, 130' bestehen in dieser Ausführung jeweils aus einem Permanentmagneten 116, 116' und einem Rotorjoch 118, 118', die konzentrisch zueinander angeordnet sind und direkt aneinander liegen. Das Rotorjoch 118, 118' bildet den magnetischen Rückschluß für den Permanentmagneten 116, 116'. Die magnetische Erregung wird daher ausschließlich durch die Magneten erzeugt. Soll die magnetische Erregung durch entsprechende Erregerspulen erzeugt werden, wie es beispielsweise bei einem Gleichstrommotor der Fall ist, so muß Strom beispielsweise über Bürstenanordnungen zugeführt werden. Es wäre jedoch möglich, den Permanentmagneten durch diese Erregerspulen zu ersetzen, die dessen Funktion übernehmen oder ein Drehfeld erzeugen.
  • Die 4 zeigt einen Stator 210 in einer Explosionsdarstellung, wie er in der ersten Ausführung der Erfindung eingesetzt wird. Der Stator 210 umfaßt ein Statorjoch 220, das in Statorjochabschnitte 220AC aufgeteilt ist, drei Phasenwicklungen 214AC und drei Statorpole 212AC. Die Statorjochabschnitte 220AC haben jeweils eine gewinkelte Form und weisen jeweils an ihren Enden Verbindungsstellen 230 auf. Benachbarte Statorjochabschnitte werden an den Verbindungsstellen zusammengefügt, so daß sich zwischen allen Statorjochabschnitten 220AC eine magnetische Verbindung ergibt. Anhand der 4 ist ersichtlich, daß sich die Verbindungsstellen 230 nach dem Zusammenfügen des gesamten Statorjochs 220 innerhalb der Phasenwicklungen 214 befinden. Es sind jedoch andere Ausführungen denkbar, bei denen sich die Verbindungsstellen 230 außerhalb der Phasenwicklungen 214AC befinden. Dies ist beispielsweise bei Phasenwicklungen der Fall, die nicht symmetrisch zwischen zwei Polen auf einem geraden Abschnitt des Statorjochs aufgebracht sind, oder wenn aufgrund von ungleichen Längen der Winkelschenkel der gewinkelten Statorjochabschnitte 220AC die Verbindungsstellen neben die Phasenwicklungen fallen.
  • Abweichend von den Statorjochabschnitten in der ersten Ausführung der Erfindung, die eine gewinkelte Form haben, könnten die Statorjochabschnitte auch eine gerade Form aufweisen. Um dennoch ein ringförmiges Statorjoch zu erhalten, müßten die geraden Statorjochabschnitte mit einem Winkel zueinander angeordnet werden. Um eine gleichmäßige polygonale Form des Statorjochs zu erreichen, sollte der gleiche Winkel zwischen allen benachbarten Statorjochabschnitten gewählt werden. Er wird durch die Anzahl der gewünschten Statorjochabschnitte bestimmt. Die Anzahl der Statorjochabschnitte ist nicht auf drei oder sechs begrenzt, jede beliebige Anzahl größer zwei kann verwendet werden.
  • Die 5 und 6 zeigen jeweils einen Stator 310, der in der zweiten Ausführung der Erfindung verwendet wird. Die 5 zeigt einen zusammengesetzten Stator 310 mit drei Statorjochabschnitten 330, drei Statorpolen 312AC und drei Phasenwicklungen 314AC. Im Gegensatz zu dem Stator nach der ersten Ausführung sind die Statorjochabschnitte gerade. Die Statorjochabschnitten sind in einem Winkel zueinander (hier 120°) angeordnet. An den Verbindungsstellen 330 sind auch die Statorpole 312AC angeordnet. Die Statorpole können so zusammen mit den Anschlußmitteln ausgeführt werden.
  • Die 6 zeigt eine Verbindung von Statorjochabschnitten gemäß der zweiten Ausführung im Detail. Der Verbindungswinkel an der Verbindungsstelle 430 entspricht einem Winkel, der in einem sechseckigen Statorjoch auftritt. 6 stellt das Prinzip einer Verbindungsstelle 330 von 5 dar, wobei die Verbindungsstellen der 5 und 6 sich lediglich im Ver bindungswinkel zwischen zwei benachbarten Statorjochabschnitten unterscheiden, da 5 von einem dreieckigen Statorjoch ausgeht.
  • 6 zeigt ein Verbindungsmittel 430', 430", das durch eine Schraubverbindung zwei aneinander angrenzende Statorjochabschnitte miteinander verbindet. Der obere Teil des Verbindungsmittels 430" weist ein Innengewinde auf und der untere Teil des Verbindungsmittel 430' hat ein entsprechendes Außengewinde, wodurch die beiden Teile miteinander verschraubt werden können und so eine mechanische Verbindung hergestellt wird. In verschraubtem Zustand ragen beide Teile des Verbindungsmittels 430', 430" in eine Bohrung hinein. Diese Bohrung ist an den Enden der Statorjochabschnitte 420A, 420B an den Verbindungsstellen vorgesehen. Durch diese mechanische Verbindung sind die beiden Statorjochabschnitte 420A, 420B auch magnetisch miteinander in Verbindung.
  • Ferner weisen die beiden Teile des Verbindungsmittels zusätzliche Verdickungen aus magnetisch wirksamen Material an den Enden auf, die dem jeweiligen Gewinde gegenüberliegen. Diese Verdickungen erstrecken sich außerhalb der Bohrungen in axialer Richtung und weisen von den Statorjochabschnitten weg. Da die Verdickungen mit dem jeweiligen Teil des Verbindungsmittels 430', 430" einteilig ausgeführt sind, sind sie mit dem Statorjoch auch magnetisch verbunden. Durch diesen magnetischen Kontakt führen die Verdickungen den magnetischen Fluß des Statorjochs. Zweckmäßig liegen diese Verdickungen den Rotorpolen direkt gegenüber und dienen als Statorpole. Dadurch kann das in dem Statorjoch herrschende elektromagnetische Drehfeld direkt mit den Rotorpolen wechselwirken und erzeugt so eine Drehbewegung zwischen Rotor und Stator. Die magnetische Wechselwirkung hängt von Material und Form der Statorpole 412, 412' sowie von deren Abstand zu den Rotorpolen ab. Vorzugsweise hat das magnetische Material eine hohe Permeabilität und leitet den magnetischen Fluß gut; der Abstand zu dem Rotor ist so gering wie möglich. Die Statorpole 412, 412' sollten mit einer größtmöglichen Fläche den Rotorpolen direkt mit einem geringen Abstand gegenüberstehen, um eine gute magnetische Wechselwirkung zu erreichen.
  • Die Anschlußmittel dienen also in der zweiten Ausführung einem doppeltem Zweck : zum einen Verbinden sie die einzelnen Statorjochabschnitte mechanisch und magnetisch, und zum anderen bilden sie die magnetischen Statorpole, die mit dem Rotor wechselwirken.
  • Statt Schraubverbindungen sind auch Kleb- oder Nietverbindungen oder ähnliches möglich. Die Enden der beiden Statorjochabschnitte 420A, B können an der Verbindungsstelle ineinander verzahnt sein, um die Statorjochabschnitte magnetisch und mechanisch zu verbinden. Diese Verzahnung kann erreicht werden, indem die Statorjochabschnitte 420A, B mit geschichteten Blechen aufgebaut werden, die durch unterschiedliche Längen der Bleche der benachbarten Statorjochabschnitte an der Verbindungstelle abwechselnd Aussparungen aufweisen. Aus dem Transformatoren- und Motorbau sind ähnliche Techniken zum Verbinden von magnetischen Kernen bekannt und können bei der Ausführung der Erfindung angewandt werden. Die Enden der Statorjochabschnitte sind in 5 abgerundet dargestellt, wobei die Enden der Statorjochabschnitte 420A B keine Abrundund aufweisen. Beide Varianten sind möglich.
  • Die Rotoren und Statoren sind entlang der Drehachse 124 (2, 3) kaskadierbar, wobei sich Stator und Rotor abwechseln können. Fällt eines dieser Elemente aus, kann es einfach elektrisch abgetrennt werden, und die verbleibenden Rotoren und Statoren arbeiten davon unabhängig weiter. Der in 3 dargestellte Motor zeigt einen Stator, der symmetrisch in beide axiale Richtungen gleichermaßen Statorpole aufweist, sowie zwei Rotoren, die zu diesem Stator symmetrisch angeordnet sind.
  • Die Rotoren können, abhängig von den Eigenschaften des Permanentmagneten, ohne Rotorjoch ausgeführt werden. Sind geringe Umdrehungszahlen des Motors gewünscht, so ist es zweckmäßig, den Rotor und/oder Stator mit einer Vielzahl von Polen auszustatten. Das elektrische Drehfeld kann durch eine übliche sinusförmige Dreiphasen-Drehstromversorgung erzeugt werden. Allerdings sind auch andere, z.B. rechteckige oder synthetisierte Wellenformen denkbar. Zudem können auch Systeme mit mehr als drei Phasen oder Phasen steuerungen verwendet werden, die auf bürstenkontaktierten Kommutatoren basieren. Weiterhin ist eine Ansteuerung möglich, wie sie beispielsweise bei Schrittmotoren verwendet wird.
  • Umfaßt der Rotor eine entsprechende Spulenanordung statt eines Permanentmagneten, um eine magnetische Erregung zu erzeugen, so muß dies nicht notwendigerweise eine Gleichstromerregung sein. Eine solche Spulenanordnung kann auch mit Wechselstrom angeregt werden.
  • Vorzugsweise sind die Statorjochabschnitte eines oder aller Statorjoche gleich. Es sind jedoch auch andere Ausführungen oder unsymmetrische Ausführungen des Statorjochs denkbar. Die Statorjochabschnitte in den beigefügten Zeichnungen tragen alle genau eine Phasenwicklung und zwischen jeder Phasenwicklung ist genau ein Statorpol angeordnet. Jedoch können die Phasenwicklungen auch in anderer Weise auf dem Statorjoch verteilt sein, beispielsweise kann nur jeder zweite Statorjochabschnitte eine Phasenwicklung tragen. Es ist zudem denkbar, daß nur jeder zweite Winkel eines polygonalen Statorjochs einen Pol aufweist. Ein Beispiel hierfür wäre der Stator nach 2, wobei nur die Pole 112A,C,E, nicht aber die Pole 112B, D, F auf dem Statorjoch ausgebildet sind.

Claims (15)

  1. Motor mit axialem Magnetfluß, der mindestens einen Stator (110) und mindestens einen Rotor aufweist, welche konzentrisch um eine Rotationsachse (124) angeordnet sind, wobei der Stator (110) ein im wesentlichen ringförmiges Statorjoch (120) aufweist und sich von dem Statorjoch (120) eine Vielzahl von Statorpolen (112AF) in axialer Richtung erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorjoch (120) in Statorjochabschnitte (120AD) aufgeteilt ist, wobei das Statorjoch (120) Verbin dungsstellen aufweist, an denen jeweils zwei benachbarte Statorjochabschnitte (120AF) miteinander verbunden sind, und zwischen den Statorpolen (112AF) Phasenwicklungen (114AF) aufgebracht sind.
  2. Motor mit axialem Magnetfluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole (112AF) an den Verbindungsstellen angeordnet sind.
  3. Motor mit axialem Magnetfluß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Verbindungsstelle einen Statorpol (112) aufweist.
  4. Motor mit axialem Magnetfluß nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorjochabschnitte (120AF) jeweils eine im wesentlichen gerade Form aufweisen.
  5. Motor mit axialem Magnetfluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die Statorpole (112AF) zwischen den Verbindungsstellen angeordnet sind.
  6. Motor mit axialem Magnetfluß nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarten Verbindungsstellen jeweils ein Statorpol (112) angeordnet ist.
  7. Motor mit axialem Magnetfluß nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorjochabschnitte (120AF) winkelförmig gebogen sind.
  8. Motor mit axialem Magnetfluß nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorjoch (120) polygonförmig ist.
  9. Motor mit axialem Magnetfluß nach einem der Ansprüche 1 – 3 oder 5 – 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorjochabschnitte (120AF) die Form eines Kreisbogen haben.
  10. Motor mit axialem Magnetfluß nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der Statorjochabschnitte (120AF) An schlußmittel (230, 330) angeordnet sind, welche die Statorjochabschnitte (120AF) magnetisch verbinden.
  11. Motor mit axialem Magnetfluß nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußmittel (230, 330) Schraub-, Bolzen-, Niet-, Schweiß- und/oder Klebverbindungen umfassen.
  12. Motor mit axialem Magnetfluß nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorjoch (120) geschichtetes, gestanztes, gepreßtes und/oder gegossenes magnetisches Material umfaßt.
  13. Motor mit axialem Magnetfluß nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorjochabschnitte (120AF) einen im wesentlichen konstanten Querschnitt aufweisen.
  14. Motor mit axialem Magnetfluß nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole (112AF) mit einem regelmäßigen Abstand auf dem Statorjoch (120) angeordnet sind.
  15. Motor mit axialem Magnetfluß nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Rotorjoch (118) und mindestens einen Permanentmagneten (116) aufweist, die konzentrisch zueinander angeordnet sind.
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GB2221579A (en) * 1987-07-20 1990-02-07 Polestar Magnetronics Inc Reluctance motor with magnetised disc rotors and axial airgaps
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