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TECHNISCHES
FELD
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Die vorliegende Erfindung betrifft
elektrische Motoren mit axialem Magnetfluß ("axial flux motors") und insbesondere vorteilhafte Ausführungen
des Stators dieser Motoren.
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STAND DER TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen
Motor mit axialem magnetischen Fluß vorzusehen, der einfach herzustellen
ist und zuverlässig
arbeitet.
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Diese Aufgaben wird durch einen Motor
nach Anspruch 1 gelöst.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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In einer ersten Ausführung der
Erfindung sind die Statorpole zwischen den Verbindungsstellen des
Stators ausgeführt.
Die Statorjochabschnitte sind winkelförmig gebogen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Statorpole können mit einem regelmäßigem Abstand
auf dem Statorjoch angeordnet sein. Dadurch ergeben sich ein regelmäßigen Verlauf
des Drehmoments und somit gleichmäßige Rotationseigenschaften.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die Erfindung ist im folgenden anhand
der bevorzugten Ausführungen
mit Bezug auf die Zeichnung näher
erläutert.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Motors mit axialem Magnetfluß nach dem
Stand der Technik.
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2 ist
eine Aufsicht eines sechspoligen Stators für einen Motor mit axialem Magnetfluß gemäß der Erfindung.
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3 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Motors
mit einem sechspoligen Stator.
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4 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen dreipoligen Stators
gemäß einer
ersten Ausführung.
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5 ist
eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen dreipoligen
Stators gemäß einer
zweiten Ausführung.
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6 ist
eine schematische perspektivische Darstellung einer Verbindungsstelle,
die dem besseren Verständnis
der zweiten Ausführung
des in 5 gezeigten Stators
dient.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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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.
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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.
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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.
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Die 2 zeigt
einen Stator 110 mit axialem Magnetfluß gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Stator 110 umfaßt
ein Statorjoch 120 sechs Statorpole 112A – E und
ebensoviele Phasenwicklungen 114A – E, 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 114A – E 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 120A – F die
Kerne für
die Phasenwicklungen 114A – F und bilden gleichzeitig
zusammengefügt
das Statorjoch 120. Interpretiert man die Statorjochabschnitte 120A – F 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 .
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Das Statorjoch 120 ist in
separate Statorjochabschnitte 120A – F aufgeteilt. Diese
Statorjochabschnitte 120A – F werden zusammengefügt, so daß die in
magnetischem Kontakt miteinander stehen, und bilden ein (magnetisch)
durchgängiges
Statorjoch 120.
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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 120A – E 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.
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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 112A – E 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 120A – F miteinander
magnetisch in Kontakt, um das ringförmige Statorjoch 120 zu
bilden. Die Phasenwicklungen 114A – F 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.
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Diese zweite Ausführung wird anhand der 5 und 6 detaillierter beschrieben.
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Während
die einzelnen Statorjochabschnitte 120A – E 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.
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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.
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In allen drei genannten beispielhaften
Ausführungen
sind zwischen den Phasenwicklungen Statorpole 112A – E ausgebildet.
Die Statorpole 112A – F sind
abwechselnd mit den Phasenwicklungen 114A – F regelmäßig auf
dem Statorjoch 120 angeordnet. Die Drehachse 124 liegt
in der Mitte des Stators 110.
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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 114A – F,
die auf dem Statorjoch 120 aufgebracht sind, sowie sechs
Statorpole 112A – F,
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 114A – F.
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.
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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.
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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 220A – C aufgeteilt ist,
drei Phasenwicklungen 214A – C und drei Statorpole 212A – C.
Die Statorjochabschnitte 220A – C 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
220A – C 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 214A – C 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 220A – C die
Verbindungsstellen neben die Phasenwicklungen fallen.
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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.
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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 312A – C und
drei Phasenwicklungen 314A – C. 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 312A – C angeordnet.
Die Statorpole können
so zusammen mit den Anschlußmitteln
ausgeführt
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.