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Elektrische Maschine (Zusatz zur Patentanmeldung P 24 17 818.) Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine enthaltend einen mit Permanentmagneten
versehenen Rotor sowie eine auf dem Stator angeordnete mehrphasige Wicklung, insbesondere
nach Patentanmeldung P 24 17 818.5.
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ProblemstellunE Die elektrische Maschine gemäß Hauptanmeldung zeichnet
sich vor allem dadurch aus, daß die Wicklungen auf einem elektrisch nicht leitenden
und zumindest nur geringe Verluste bewirkenden Statorkörper angeordnet sind. Damit
wird auch
erreicht, daß bei einem nachgiebig angeordneten Rotor
im wesentlichen nur in Umfangsrichtung wirksame Kräfte auf den Rotor wirksam werden.
Daruberhinaus ist bei einer elektrischen Maschine die Ausbildung der Wicklung vor
allem im Einblick auf eine einfache Serienfertigung von entscheidender Bedeutung.
Weiterhin tritt bei Ansteuerung der elektrischen Maschine nach Art eines bürstenlosen
Gleichstrommotors das Problem der gleichmäßigen Stromaufteilung in den einzelnen
Phasen der Wicklung auf. Werden derartige elektrische Maschinen mit hohen Drehzahlen
von beispielsweise über 60.000 Umdrehungen pro Minute betrieben, so können Beschädigungen
des Rotors und insbesondere der Permanentmagnete aufgrund der hohen Fliehkraftbeanspruchung
bzw. der elastischen Formveränderungen auftreten.
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Aufgabe und Lösung Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
die aufgezeigten Probleme zu lösen und eine im Aufbau und in der HersteLlung einfache
Maschine zu schaffen, die auch bei hohen Drehzahlen sicher betrieben werden kann.
Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des ersten Patentanspruches dadurch gelöst,
daß jede Phase der Wicklung wenigstens zwei über den Stator gleichmäßig verteilte
Formspulen aufweist, daß die Formspulen im wesentlichen gleich ausgebildet sind
und daß an den Kreuzungsstellen der Spulenköpfe jeweils der Kopf der in Umfangsrichtung
nachfolgenden Spule und Phase über der vorherigen Spule liegend angeordnet ist.
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Vorteile und Weiterbildungen Die erfindungsgemäße Maschine zeichnet
sich aus durch einen äußerst einfachen Aufbau, wobei eine in jeder Beziehung symmetrische
Ausbildung der Wicklung auch bei Serienfertigung gegeben ist. Dies erweist sich
insbesondere bei Ansteuerung der Maschine als bürstenloser Gleichstrommotor von
besonderer Bedeutung, da somit die bei unterschiedlichen Impedanzen der Phasen auftretende
unsymmetrische Stromaufteilung auf die einzelnen Phasen vermieden wird.
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Die Phas n bzw. die Formspulen werden bevorzugt aus einem ununterbrochenen
Beiter, beispielsweise mittels Schablonen, vorgefertigt, so daß sämtliche Phasen
exakt den gleichen Aufbau aufweisen. Die Aufbringung der derart vorgefertigten Phasen
bzw. Formspulen auf den Stator erfolgt in der Weise, daß zunächst eine Spule der
ersten Phase und anschließend um einen Winkel, welcher in bekannter Weise durch
die Polpaarzahl des Rotors sowie die Phasenzshl bestimmt ist, die Spule der nächsten
Phase auf den Stator gelegt wird. Erst wenn von jeder Phase eine Spule auf dem Stator
angeordnet ist, wird die zweite Spule der ersten Phase aufgelegt und entsprechend
dann die übrigen Spulen. Damit wird in sehr einfacher und ohne Schwierigkeiten durchzuführender
Weise erreicht, daß die Wicklung einen symmetrischen Aufbau aufweist.
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Als Zweiter der Phasen werden vorzugsweise mehrere, miteinander verdrillte
und einzeln isolierte Drähte verwendet (sogenannte HF-Litze), insbesondere zwecks
Vermeidung von Wirbelströmen oder Ausgleichströmen innerhalb der Phasen bzw. Leiter,
Falls der Stator auf seiner Außenfläche Nuten aufweist, ist das Aufbringen
der
Formspulen besonders einfach. Die Nuten bzw. die dazwischen stehenden Stege dienen
nicht -wie bei den bekannten Maschinen - zur Führung magnetischer Felder, sondern
zur Arretierung bzw. Ausrichtung der Forinspulen. Die Formspulen werden bevorzugt
mittels eines Klebemittels oder Gußharzes anschließend auf dem Stator vergossen.
Andererseits können die Forinspulen unter Zuhilfenahme von Schablonen auch derart
vorgefertigt sein, daß die Spulenseiten einen etwa keilförmigen Querschnitt aufweisen,
wobei die auf dem Stator angeordneten Spulen mit ihren Spulenseiten dicht und spielfrei
aneinander liegen.
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Wird die Maschine in bekannter Weise als bürstenloser Gleichstrommotor
mit induktiver Kommutierung betrieben, so ist es sehr vorteilhaft, aus den Phasen
zumindest einen einzelnen isolierten Draht getrennt aus der Wicklung herauszuführen
und mit der Kommutierungselektronik zu verbinden. Die in diesem Draht durch den
Rotor induzierte Spannung ist ein Maß für die jeweilige Rotor -.stellung, so daß
separate Sensoren für die Rotorstellung entfallen. Es sei darauf hingewiesen, daß
die erfindungsgemäße Maschine in hervorragender Weise für hohe Drehzahlen geeignet
ist und sich vor allem durch den symmetrischen Wicklungsaufbau und die Verwendung
von HF-Litze mit einem sehr guten Wirkungsgrad auszeichnet. Wird der Stator in dem
Bereich, in welchem das Rotormagnetfeld wirksam ist, aus elektrisch nichtleitendem
Material hergestellt, so werden die bekannten Eisen- oder Wirbelstromverluste weitgehend
vermieden. Als weiterer, sehr wesentlicher Vorteil ergibt sich, daß bei radialen
Bewegungen
des Rotors beispielsweise bei elastischer Lagerung des Rotors praktisch keine radial
gerichteten Kräfte aufgrund elektrodynamischer Vorgänge im Stator auftreten, so
daß auch hierbei die Maschine einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist. Schnelldrehende
Rotoren werden bekanntlich durch die Fliehkraft stark beansprucht, so daß elastische
Formveränderungen (Aufweitungen) auftreten. Bei Verwendung hochwertiger Magnetwerkstoffe,
wie z.B. Samarium-Kobalt oder Bariumferrit für die Permanentmagnete könne diese
aufgrund ihrer spröden Struktur (gesintert) zerstört oder die Verbindung vom Rotor
gelöst werden. Diese Schwierigkeiten werden in vorteilhafter Weise dadurch vermieden,
daß für jeden Rotorpol mehrere, in Drehrichtung nebeneinander liegende Magnete mit
gleicher Polarität verwendet werden. Darüberhinaus erweist es sich als sehr vorteilhaft,
die Magnete auf der Rotoroberfläche in axial verlaufenden Nuten anzuordnen und festzukleben.
Die Nuten werden bevorzugt mit tangentialen Bodenflächen ausgebildet, so daß eine
besondere Bearbeitung der Magnetrückseiten entsprechend der Krümmung der Rotoroberfläche
nicht nötig ist. Die Verwendung mehrerer Einzelmagnete ist auch in Hinblick auf
einen kleinen I;uftspalt von Bedeutung. Würde beispielsweise bei einer vierpoligen
Maschine nur ein einzelner, sich etwa über 900 über den Umfang erstreckender Permanentmagnet
vorgesehen, so müßte dessen Oberfläche eine entsprechende Krümmung aufweisen. Bei
Verwendung von mehreren Permanentmagneten pro Pol können deren Oberflächen sogar
eben sein; eine entsprechende Oberflächenbearbeitung entfällt also. Weiterhin hat
es sich als zweckmäßig erwiesen, die Zwischenräume zwischen den Permanentmagneten
beispielsweise mittels eines Gießharzes
auszufüllen, zwecks Vermeidung
von Luftwirbeln, die insbesondere bei hohen Drehzahlen Reibungsverluste zur Folge
haben.
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Ausführungsbeispiele Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in
der Zeichnung dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 - eine prinzipielle und explosionsartig ausgeführte Darstellung
einer elektrischen Maschine mit einer dreiphasigen Wicklung, Fig. 2 - einen Ausschnitt
des Rotors, Fig. 3 - die vorgefertigten Formspulen einer Phase vor dem Einbau in
die Maschine, Fig. 4 - einen Ausschnitt eines Stators mit aufgelegten Formspulen,
wobei die Spulenseiten einen keilförmigen Querschnitt aufweisen.
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Die elektrische Maschine gemäß Fig. 1 enthält einen hohlzylindrischen
Stator und einen den Stator unter Bildung eines Luftspaltes umgebenden, hohlzylindrischen
Rotor 32, welcher mittels geeigneter Lager (nicht dargestellt) um die Drehachse
33 drehbar angeordnet ist. Auf der Außenfläche des Stators sind in axialer Richtung
verlaufende Nuten 34 über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet. In den genannten
Nuten befinden sich Formspulen 35 bis 38 einer dreiphasigen Wicklung. Dabei sind
der Einfachheit halber nur einige Formspulen dargestellt. Die Anzahl der Nuten bzw.
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Formspulen ergibt sich in bekannter Weise aus der Polzahl des Rotors
(hier acht) sowie der Phasenzahl der Wicklung (hier drei). Sämtliche Formspulen
weisen den gleichen Aufbau auf, wobei die zu einer Phase gehörenden Formspulen zusammenhängend
aus einem Zweiter 44 hergestellt sind, so daß keine Verbindungsstellen oder Lötstellen
zwischen den Formspulen vorhanden sind. Die zwischen den Formspulen vorhandenen
teiterteile 45 sind jeweils gleich groß.
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Die Zweiter bestehen aus mehreren, miteinander verdrillten und einzeln
isolierten Drähten 46. Die Phasen und Formspulen werden - wie in Fig. 3 schematisch
dargestellt ist - vor dem Einlegen auf den Stator vorgefertigt und weisen auch elektrisch
(Induktivität, Widerstand, Kapazität) gleiches Verhalten auf. Das Einlegen der Phasen
auf den Stator erfolgt in folgender Weise: Zunächst wird die erste Formspule 35
der Phase 1 eingelegt, anschließend um 1200 el in Umfangsrichtung versetzt die Formspule
36 der Phase 2 und dann die Formspule 37 der Phase 3. Danach wird die zweite Formspule
38 der Phase 1 und entsprechend die übrigen Formspulen der Wicklung eingelegt. Zum
Einlegen der letzten Formspule 43 von Phase 3 muß der vordere Teil von Spule 35
hochgeschoben werden, damit der Spulenkopf von Spule 35 über dem Spulenkopf von
Spule 43 zu liegen kommt. Auf diese Weise wird erreicht, daß an sämtlichen Kreuzungsstellen
der Spulenköpfe jeweils der Kopf der in Umfangsrichtung nachfolgenden Spule und
Phase radial außen, d. h.
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über der vorherigen Spule angeordnet ist. Damit wird eine in jeder
Hinsicht symmetrische Wicklung erreicht.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Nuten lediglich zum einfachen und
gleichmäßigen Auflegen der Formspulen vorgesehen sind und nicht zur Führung von
Magnetfeldern dienen. Der hohlzylindrische Stator 31 besteht aus einem elektrisch
nicht leitenden Material, in welchem zumindest näherungsweise keine Hysterese-oder
Wirbelstromverluste durch die vorbeidrehenden Rotormagnete erzeugt werden. Darüberhinaus
ist das genannte Material nicht magnetisierbar, so daß auch bei radialen Bewegungen
des Rotors, falls dieser nachgiebig bezüglich des Stators gelagert ist, keine entgegenwirkenden,
radial gerichteten Kräfte auf den Rotor wirksam werden. Dies ist im Hinblick auf
den Wirkungsgrad der Maschine von ganz entscheidender Bedeutung.
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Wie in Fig. 4 dargestellt, können die Formspulen auch auf die zylindrische
Außenfläche 48 des Stators 31 aufgelegt werden. Die sich in axialer Richtung erstreckenden
Spulenseiten 49 weisen einen keilförmigen Querschnitt derart auf, daß die Berührungsflächen
50 benachbarter Formspulen in Axialebenen laufen und die Spulenseiten somit im wesentlichen
spielfrei aneinander gereiht sind. Die genannte Formgebung wird durch Herstellung
der Formspulen mittels entsprechend ausgebildeter Schablonen erreicht. Durch die
Einsparung der Nuten bzw. der dazwischen liegenden Stege ergibt sich eine sehr gute
Ausnützung der Wicklung.
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Wird die Maschine nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors betrieben,
so wird eine Kommutierungselektronik 52 bekannter Bauart vorgesehen, auf die hier
nicht näher eingegangen werden soll, da diese nicht Gegenstand der Erfindung ist.
Zwecks Kommutierung der durch die Phasen der Wicklung fließenden Ströme werden Signale
entsprechend der jeweiligen Rotorstellung
benötigt. Es ist bekannt,
hierzu induktiv arbeitende Sensoren vorzusehen. Bei Verwendung von elektrischen
Leitern mit mehreren einzelnen Drähten für die Wicklung geschieht das in vorteilhafter
Weise derart, daß wenigstens ein einzelner Draht 53 jeder Phase getrennt aus der
Wicklung herausgeführt wirdq Durch den drehenden Rotor werden in den genannten Drähten
elektrische Spannungen induziert, deren Größe und Phasenlage ein Maß für die jeweilige
Rotorstellung darstellen. Auf separate Sensoren, die den Aufbau des Stators und
dessen Herstellung verteuern, kann somit verz-ichtet werden. Die übrigen Drähte
der Wicklung sind ebenfalls mit der Kommutierungselektronik verbunden und werden
in bekannter Weise durch phasenverschobene Ströme durchflossen, um den Rotor in
Drehung zu versetzen. Durch die Verwendung verdrillter Einzeldrähte wird in vorteilhafter
Weise bewirkt, daß innerhalb der Phasen keine Ausgleichsströme auftreten können.
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Der Rotor 32 enthält auf seiner Innenseite eine Anzahl von im wesentlichen
radial magnetisierten Permanentmagneten 55 bis 60, welche bevorzugt aus gesintertem
Samarium-Kobalt oder Bariumferrit hergestellt sind. Wird die Maschine mit hohen
Drehzahlen betrieben, so können aufgrund von Fliehkräften Ausweitungen und Formveränderungen
des Rotors, welcher gleichzeitig zum magnetischen Rückschluß dient, auftreten. Aufgrund
der geringen Festigkeit der genannten Magnete besteht die Gefahr der Zerstörung
bzw. des Ablösens der Magnete vom Rotor. In einer bevorzugten Ausbildung werden
daher für jeden Rotorpol mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander liegende Permanentmagnete
gleicher
Polarität vorgesehen, so daß die genannten Formveränderungen
bei den vergleichsweise kleinen Magneten nur eine geringe Auswirkung haben. Wie
dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und Fig. 2 entnommen werden kann,
sind für die Nordpole drei Permanentmagnete 55 bis 57 und für die Südpole drei Permanentmagnete
58 bis 60 vorgesehen. Die einzelnen Magnete sind in axial verlaufenden Nuten 61
geringer Tiefe angeordnet, deren Bodenflächen 62 im wesentlichen tangential verlaufen.
Die Permanentmagnete sind stabförmig ausgebildet, weisen einen rechteckförmigen
Querschnitt auf und sind mit ihren ebenen Rückflächen 64 in den Nuten mittels Klebemittel
befestigt. Die Nuten 61 sind durch Ausstechen der Rotorinnenfläche hergestellt und
erleichtern die exakte Ausrichtung der Permanentmagnete bei der Herstellung. Durch
die Verwendung mehrerer Einzelmagnete mit entsprechend kleiner Oberfläche kann auf
eine der Krümmung der Rotorfläche entsprechende Bearbeitung der Magnetoberflächen
verzichtet werden.
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Die Außenflächen der Permanentmagnete (außer den Rückseiten 64), weisen
eine dünne Deckschicht 67 aus Kupfer auf, welche beispielsweise galvanisch aufgetragen
ist als Korrosionsschutz und zur Erhöhung der Festigkeit. Weiterhin sind die Zwischenräume
zwischen den Permanentmagneten mit Büllmaterial 68 ausgefüllt, welches vorzugsweise
durch Ausgießen mit einem Gießharz eingebracht wird. Auf diese Weise können insbesondere
bei hohen Drehzahlen Luftwirbel und die daraus resultierenden luftreibungsverluste
weitgehend vermieden werden.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die
elel.trische
Maschine als Außenläufer-Maschine ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch keineswegs
beschränkt auf derartige Ansführungsformen, sondern sie betrifft auch Innenläufer-Naschinen
oder auch Maschinen in Scheibenbauweise (Magnete und Wicklung liegen in Radialebenen).
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- Patentansprüche -