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Ein Stator für eine elektromagnetische Maschine
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektromagnetische Maschinen
und insbesondere auf Motoren mit Permanentmagneterregung und auf ein Verfahren für
den Zusammenbau solcher Motoren.
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Es sind derzeit Motoren verfügbar, die Kreisanordnungen von Permanentmagneten
verwenden, die um einen Rotor herum angeordnet sind. Der Rotor arbeitet mit einem
Stator zusammen, der eine Vielzahl von Polstücken aufweist, die durch eine Spule
erregt werden, welche einen gesteuerten elektrischen Strom führt. Die Kommutierung
des elektrischen Stromes erzeugt ein magnetisches Drehfeld im Stator und die Wechselwirkung
zwischen den Polstücken und dem Permanentmagneten hat die Drehung des Rotors zur
Folge. Ein Beispiel eines solchen Motors ist in der Britischen Patentanmeldung 1
541 211 beschrieben.
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Bei der Konstruktion solcher Motoren ist es wichtig, daß die gegenseitige
Induktivität der Spule auf dem niedrigst möglichen Niveau gehalten wird, um eine
maximale Ausnutzung des verfügbaren Magnetflusses zu erreichen, und um den Wirkungsgrad
des Betriebs zu erhöhen, während die Energieverluste minimiert werden. In dem Ausmasse,
wie nicht vermeidbare Energieverluste auftreten, wird innerhalb des Motorgebildes
Wärme erzeugt und es ist notwendig, daß Mittel vorgesehen werden, um diese Wärme
äus dem Motor zu entfernen. Das Wärmeproblem wird dadurch verstärkt, daß das allgemeine
Bestreben dahingeht, die Motorgröße zu vermindern, um den Betrieb auch dort zu gestatten,
wo nur wenig Platz verfügbar ist. Es ist ferner im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad
des Motors notwendig, daß die Polstücke in der richtigen Beziehung zu den Permanentmagneten
und zueinander gehalten werden. Um die Herstellungskosten klein zu halten, ist es
erwünscht, den Zusammenbau des Motors einfach und schnell zu gestalten, wobei trotzdem
das gewünschte Maß an Präzision erreicht wird.
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Die vorliegende Erfindung bringt eine Lösung für eines oder mehrere
der obengenannten Probleme.
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Offenbarung der Erfindung. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein Stator einer elektromagnetischen Maschine vorgesehen, wobei der Stator
einen Speichenkörper aufweist, und zwar mit einer Mittelachse und einer Vielzahl
von Lageroberflächen. Eine Ringspule ist auf den Speichenkörper gewickelt. Eine
Vielzahl von U-förmigen Polstücken ist am Speichenkörper angeordnet, und zwar in
umgreifender Beziehung bezüglich der Ringspule. Die Polstücke sind in Kontakt mit
und positiv angeordnet durch die Lageroberflächen des Speichenkbrpers.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Zusammenbau
eines Stators vorgesehen. Das Verfahren umfaßt die Anordnung von zwei wesentlichen
identischen Speichenkörperhälften in Axialausrichtung, und zwar mit einem nachgiebigen
O-Ring zwischen den Hälften angeordnet; die beiden Hälften werden zusammengepreßt
und drücken den O-Ring zusammen; sodann erfolgt die Einsetzung der inneren Polstücke,
worauf dann die Freigabe der zwei Hälften erfolgt und die Spule um die inneren Polstücke
herumgelegt wird; daraufhin werden die zwei Hälften wiederum miteinander zusammengepreßt
und die äußeren Polstücke werden eingesetzt, worauf dann die beiden Hälften freigegeben
werden und der Speichenkörper innerhalb des Statorgehäuses angeordnet wird.
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Die vorliegende Erfindung gestattet eine einfache preiswerte Herstellung
und einen ebensolchen Zusammenbau, wobei sich eine außerordentlich effiziente Statoranordnung
ergibt, mit einer integralen Kühlfähigkeit, und wobei dieser Statorkörper ferner
eine minimale Größe besitzt, was einen hohen Wirkungsgrad bedeutet.
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Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung
zeigt: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine Teilansicht eines Teils des Speicheqkörpers, Fig. 3 eine unterschiedliche
Teilansicht des Speichenkörpers der Fig. 2,
Fig. 4 einen Schnitt
durch ein Statorgehäuse mit Lufteinlaß und Luftauslaßöffnungen, Fig. 5 (a bis f)
schematisch die Zusammenbaustufen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt schematisch die Grundelemente eines typischen Motors,
der zusammen mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden kann.
Die Maschine weist einen Stator 1 und ein Paar von Rotoren 2 auf, wobei jeder der
Rotoren 2 eine Reihe von Permanentmagneten 3, 3a aufweist, die mit gleichem Abstand
um den Umfang des Rotors 2 herum angeordnet sind, und zwar auf einem magnetisch
permeablen Stahlring 4. Die Magnete 3, 3a sind abwechselnd mit ihren Nord- und Südpolen
in radial entgegengesetzte Richtungen weisend angeordnet. Ein Südpol an einem Rotor
2 weist auf einen Nordpol am anderen Rotor 2 hin und umgekehrt.
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Die Rotoren 2 und der Stator 1 sind längs einer gemeinsamen Mittelachse
5 angeordnet, wobei die Rotoren 2 auf einer gemeinsamen (nicht gezeigten) Achse
zur Drehung bezüglich des Stators 1 befestigt sind. Der Stator 1 besitzt eine Vielzahl
von U-förmigen Polstücken 6, die sich abwechselnd radial nach innen und außen gegenüber
der Achse 5 öffnen, und die ferner mit gleichem Abstand um den Umfang des Stators
1 herum angeordnet sind, und zwar mit .dem gleichen Abstand wie die Permanentmagnete
3, 3a. Die Polstücke 16 sehen Magnetflußpfade zwischen den Magneten 3, 3a auf den
zwei Rotoren 2 vor, und zwar auf entgegengesetzten Seiten des Stators 1. Die alternierende
Anordnung der Polstücke 6 sieht einen magnetischen Flußpfad alternierend nach innen
und außen bei einer Ringspule 7 vor, die durch die Polstücke 6 läuft. Infolge der
sich wiederholt ändernden Richtung des Stroms durch die Spule 7 drehen sich die
Rotoren 2 um die Achse 5 bezüglich des Stators 1.
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In Fig. 2 ist ein Statorspeichenkörper (im folgenden Statorkörper)
mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und verkörpert die Merkmale der Erfindung. Es
sei darauf hingewiesen, daß sich die folgende ins einzelne gehende Beschreibung
auf das beste derzeit bekannte Ausführungsbeispiel des Statorkörpers 10 bezieht,
wie es in der Zeichnung gezeigt ist. Der Speicherkörper 10 kann jedoch auch in Form
von vielen anderen Ausführungsbeispielen realisiert werden, was sich dem Fachmanr
ohne weiteres aufgrund der vorliegenden Unterlagen offenbart.
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Fig. 2 ist eine perspektivische Teilansicht einer Hälfte des Statorkörpers
10, wobei die andere Hälfte aus Gründen der Klarheit entfernt ist. Der Statorkörper
10 weist einen inneren Nabenteil 11 auf, von dem aus eine Reihe von Radialwänden
12, 13, 14 wegsteht. Die Wände 13 bilden eine Seitenwand des Statorkörpers 10 und
besitzen eine Reihe von sich im ganzen radial erstreckenden Lageroberflächen 15,
die mit einer Vielzahl von radial nach innen und außen weisenden U-förmigen Polstücken
16 in Kontakt stehen, diese positiv anordnen und halten. Fig. 2 zeigt nur die Hälfte
der alternierend nach außen weisenden Polstücke 16, wobei die nach innen weisenden
Polstücke beim Gebrauch in den gestuften Schlitzen 17 gemäß Fig. 3 positioniert
sind. Der Statorkörper ist aus einem Polymerharz hergestellt und ist vorzugsweise
in zwei identischen Hälften aus einem Polyesterharz geformt, und zwar mit hoher
Festigkeit und hohem Temperaturwiderstand, aber auch niedrigen Kosten. Da jede Hälfte
des Statorkörpers identisch ist, benötigt man nur eine einzige Form. Wie man aus
den Fig. 2 und 3 erkennt, vermeiden die Reihe von Wänden und Stegen die Probleme,
wie sie beim Formen dicker Abschnitte auftreten, die sowohl kostspielig als auch
nicht praktikabel sind. Die beiden Statorkörperhälften sind miteinander längs einer
Ebene verbunden, die sich senkrecht zur Mittelachse des Statorkörpers 10 erstreckt.
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Die ringförmige Spule oder Wicklung 18, die den Stator innerhalb der
U-förmigen Polstücke 16 umkreist, ist auf den Statorkörper in der Weise aufgewickelt,
wie dies gestrichelt in Fig. 2 dargestellt ist. Ein Paar von Luftkühlpfaden 19 speisen
Luft nach unten zwischen die Wände des Statorkörpers 10 und die geschichteten (laminierten)
Polstücke 16 zu einer radial nach innen gelegenen Position und durch eine öffnung
20 auf die (nicht gezeigte) Stirnfläche der Rotoren. Im Gebrauch bewirkt die Drehung
der Rotoren eine Pumpwirkung, die Luft längs der Pfade 19 zu den Rotoren hinzieht
und sodann allgemein radial nach außen zwischen die Stirnfläche des Rotors und die
Stirnflächen des Stators, wie dies bei 21 in Fig. 3 gezeigt ist. Die Pfade 19 sind
indem zusammengebauten Stator definiert durch die Kombination der Wände 13 des Statorkörpers
10 und der Polstücke 16.
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Fig. 4 zeigt daß Luft dem Statorkörper 10 durch eine Reihe von Lufteinlaßöffnungen
22 in einem Gehäuse 23 zugeführt wird, welches die Statorkörperanordnung umgibt.
Die Luft verläßt den Spalt zwischen dem Rotor an dem Statorkörper und tritt aus
dem Gehäuse 23 durch Auslaßöffnungen 24 aus.
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Wie der Statorkörper 10 ist auch das Gehäuse 23 aus zwei identischen
Hälften 23' gebildet, wobei der Innenschnitt desselben in Fig. 4 zu sehen ist. Das
Gehäuse 23 weist eine Reihe von Innenanschlägen 25 auf, die eine Reihe von Schlitzen
26 bilden. Die Anschläge oder Nasen 25 umgeben die radial äußeren Enden der Polstücke
16, auf welche Weise eine radial nach außen gerichtete Bewegung der Polstücke 16
verhindert wird und eine positive Anordnung der Statorkörperanordnung vorgesehen
wird. Löcher 27 sind an den vier Ecken des Statorgehäuses 23 ausgebildet, um Anordnungsbolzen
oder Stäbe während des Zusammenbaus der Maschine unterzubringen.
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Das Statorgehäuse 23 sieht eine bauliche Starrheit für den
gesamten
Stator vor, trägt die radial nach innen sich öffnenden Polstücke sowohl radial als
auch axial und dient zur Ubertragung des Drehmoments vom Statorkern zu den Motorhaltebügeln
über die Stangen oder Bolzen, die durch die öffnungen 27 verlaufen. Das Gehäuse
23 hält auch die genaue Ausrichtung mit anderen Statoren aufrecht, wenn die Maschine
eine Vielzahl von Statoren aufweist; das Gehäuse hält ferner eine bogenförmige Spaltbreite
aufrecht zwischen den Statoren und den Rotoren und schützt das Innere des Stators
gegenüber äußeren physikalischen Bedingungen.
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Industrielle Anwendbarkeit. Der Zusammenbau des Stators wird anhand
der Fig. 5 beschrieben.
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In Fig. 5a sind die identisch ausgeformten Hälften des Statorkörpers
10 auf einer Stummelwelle 29 angeordnet und miteinander auf einem flachen Anordnungstisch
20 positioniert. Ein nachgiebiger O-Ring 31 ist an der Verbindung zwischen den beiden
Hälften angeordnet, um zu gestatten, daß der Statorkörper 10 auf eine Gesamtdicke
zusammengepreßt wird, die etwas kleiner ist als die Breite der Polstücke 16. Als
nächstes (Fig. 5b) werden die Speicher oder Starterkörperhälften zusammengedrückt,
der O-Ring 31 wird zusammengedrückt und die Polstücke 16', die sich radial nach
außen vom Statorkörper öffnen werden, in benachbarte alternierende Paare der Vielzahl
von Lageroberflächen der Statorkörperhälften eingesetzt. Der Klemmdruck auf die
Statorkörperhälften wird sodann freigegeben und die Nabe des Statorkörpers 10 richtet
sich an den- Ausrichtansätzen 28 an den Polstücken aus, wie dies im einzelnen in
Fig.2 dargestellt ist. Sodann wird die Wicklung 18 an ihrem Platz angeordnet (Fig.
5c). Die Wicklung 18 ist vorzugsweise eine Reihe von gesonderten Spiralwicklungen
von einen rechteckigen Querschnitt aufweisendem Kupfermaterial.
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Die beiden Statorkörperhälften werden wiederum zusammengepreßt und
die Polstücke 16", die sich radial nach innen vom Statorkörper aus öffnen werden,
benachbart zu der verbleibenden Vielzahl von Lageroberflächen der Speicherhälften
eingesetzt (Fig. 5d). Die Statorkörperhälften werden wiederum freigegeben und die
zwei Hälften 23' des Statorgehäuses 23 werden - vgl. Fig. 5e - um die Statorkörperanordnung
herum angeordnet, um den Stator zu vollenden. Sodann werden die Statorgehäusehälften
23' verbindenden Bolzen eingesetzt und angezogen, um die Anordnung zu befestigen
(Fig. 5f).
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Die vorliegende Erfindung sieht einen Stator vor, der schnell und
effizient zusammengebaut werden kann. Die Verwendung des Statorspeichenkörpers 10
und des Gehäuses 23 sieht Mittel vor, um Wärme aus dem Motorgebilde zu entfernen
und um ferner die Polstücke 16 in der ordnungsgemäßen Anordnung zu halten.
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Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Elektromagnetische
Maschinen der Bauart mit kreisförmigen Anordnungen aus Permanentmagneten, angeordnet
auf einem Rotor, und mit einer Vielzahl von auf einem Stator angeordneten Polstücken
machen es erforderlich, daß die Polstücke in der richtigen Beziehung zu den Permanentmagneten
und zueinander gehalten werden. Es müssen ferner Mittel vorgesehen werden, um unerwünschte
Wärme aus der Maschine zu entfernen. Schließlich ist es zweckmäßig, ein schnelles
und einfaches Verfahren zum Zusammenbau der Maschine vorzusehen. Der erfindungsgemäße
Stator einer elektromagnetischen Maschine weist einen Stator oder Speichenkörper
auf, und zwar mit einer Vielzahl von Lageroberflächen. Die Polstücke werden durch
die Lageroberflächen des Statorkörpers in positiver Weise angeordnet.
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Der Statorkörper weist weist eine Vielzahl von Wänden auf, die zusammen
mit den Polstücken eine Vielzahl von Pfaden definieren, und zwar vom Äußeren zum
Inneren des Statorkörpers. Kühlende Luft kann durch diese Pfade fliessen. Auf diese
Weise werden die Polstücke in ihrer Position gehalten und es werden Mittel vorgesehen,
um unerwünschte Wärme aus der Maschine zu entfernen. Gleichfalls wird dadurch ein
einfaches und schnelles Verfahren zum Zusammenbau der Maschine vorgesehen.