DE4419780A1

DE4419780A1 - Ringförmiger Stator für elektrodynamische Drehmaschine

Info

Publication number: DE4419780A1
Application number: DE19944419780
Authority: DE
Inventors: Friedrich Waltermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-06-06
Filing date: 1994-06-06
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2014-06-07
Also published as: DE4419780C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ringförmigen Stator für elektrodynamische Drehmaschinen. Derartige Statoren erlauben es, Maschinen mit hoher Leistung bei kleiner Drehzahl zu konstruieren, da das maximal erreichbare Drehmoment quadratisch mit dem Ringdurchmesser und der Polzahl anwächst. Weiterhin betrifft die Erfindung mit dem beschriebenen Stator ausgerüstete elektrodynamische Maschinen mit ringförmigen permanentmagnetischen Rotoren, die sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden können. Beispiele hierfür sind elektronisch kommutierte Gleichstrommaschinen, Direktantriebe für radgebundenen Fahrzeuge sowie direktgetriebene Generatoren.

Aus der DE-AS 40 27 706 ist ein berührungsloser elektrischer Direktantrieb für radgebundene Fahrzeuge bekannt, der aus einem kammförmigen Kurzstator mit Drehstromwicklung und einem ringförmigen konzentrisch an der Radfelge befestigten Rotor besteht. Der Rotor besteht aus einem Doppelring aus elektrisch und magnetisch leitfähigem Material und stellt das Sekundärteil einer asynchronen Drehstrommaschine dar. Alternativ kann der Rotor auch mit Permanentmagneten bestückt sein. Dann erhält die Maschine synchrones Verhalten. Der Nachteil dieser Anordnung ist, daß nur das Kreissegment des Rotors zum Antrieb beiträgt, das dem Kurzstator gegenübersteht. Dadurch ist der Rotor wesentlich schwerer, als dies bei der Kombination eines ringförmigen Rotors mit einem ringförmigen Stator der Fall ist.

In der DE 40 41 805 ist eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine mit ringförmiger Stator beschrieben. Sie weist einen Permanentmagnet-Rotor mit zylinderförmigen Ringspalt auf, in dem ein homogener radialer Magnetfeldlinienverlauf ständig wechselnder Polarität vorhanden ist. In diesem Ringspalt befindet sich ein eisenloser Stator, der aus parallel zur Rotationsachse mäanderförmig hin- und herführenden Leiterabschnitten mit rechteckigem Querschnitt besteht. Für die Funktion der Maschine müssen aber mindestens zwei dieser Mäanderwicklungen ineinander verschachtelt werden. Dadurch entstehen oberhalb und unterhalb des Ringspaltes Wickelköpfe, die die Widerstandsverluste erhöhen und den Zusammenbau der Maschine erschweren.

Ringförmige Statoren mit toroidaler Wicklung haben keine Wickelköpfe. In der DE-AS 16 13 006 ist ein zylinderringförmiger Magnetfluß-Rückschlußkörper beschrieben, um den mehrere Wicklungsstränge wendelartig gewunden sind. Diese Stränge werden mittels einer Steuerschaltung nacheinander an eine Gleichstromquelle angeschaltet, so daß ein Drehfeld entsteht, dem der Permanentmagnet-Rotor folgt.

In der DE 36 29 423 ist ein zylindrischer Stator beschrieben, der aus hochohmigem, hochpermeablem Flachmaterial hergestellt wird. Das Flachmaterial wird im ebenen Zustand so bewickelt, daß Abschnitte einheitlicher Breite entstehen und aufeinanderfolgende Abschnitte entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen. Um die Wicklung in dieser Form am Statorkern zu fixieren, sind im Abstand der Wicklungsabschnitte Fixiermittel vorgesehen.

Der Aufwand zur Herstellung der oben beschriebenen ringförmigen Statoren ist in allen Fällen recht hoch. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fertigung von ringförmigen Statoren mit toroidaler Wicklung so zu vereinfachen, daß diese kostengünstig hergestellt und universell in elektrodynamischen Maschinen eingesetzt werden können.

Eine Vereinfachung der Herstellung ergibt sich, wenn der ringförmige Kern in einem Arbeitsgang vollständig bewickelt wird. Dies kann beispielsweise mit einer Ringkernwickelmaschine geschehen. Um aber einen Stator der oben beschriebene Art zu erhalten, muß die Wicklung in Segmente aufgeteilt werden. Dazu sind auf dem Kern des erfindungsgemäßen Stators spezielle Formteile angeordnet, die jede n-te Windung einseitig aus der Wicklung herausheben, wobei n eine ganze Zahl größer 1 ist. An diesen Stellen wird die Wicklung mittels eines Halters fixiert und anschließend geteilt. Die freien Enden der Segmente können dann zu Teilwicklungen verbunden werden, so daß benachbarte Segmente innerhalb jeder Teilwicklung in entgegensetzter Richtung von Strom durchflossen werden.

Der Zusammenbau mit ringförmigen Rotoren bereitet keinerlei Schwierigkeiten, da der Stator keine Wickelköpfe aufweist und nur einseitig gehaltert ist. So ist es möglich, einen Rotor innerhalb des Stators als Innenläufer oder außerhalb als Außenläufer anzuordnen. Eine Kombination von beiden ergibt einen hohen Windungsnutzungsgrad, so daß in Verbindung mit Magnetmaterialien, die eine hohe Flußdichte im Luftspalt erzeugen, das Leistungsgewicht der Maschine sehr gering ist.

Die nachträgliche Verdrahtung der Wicklungssegmente erlaubt es auch, mehr als 2 Teilwicklungen auf dem Stator zu erzeugen. Damit verringert sich die Drehmoment welligkeit des Antriebs.

Der Stator kann ohne wesentlichen Mehraufwand mit großen Radien und einer hohen Anzahl an Wicklungssegmenten gefertigt werden. Mit einem entsprechend hochpoligen ringförmigen Rotor erreicht man hohes Drehmoment und hohe Leistung bei kleinen Drehzahlen. Derartige ringförmige Statoren und Rotoren können als Konstruktions elemente bei der Direktwandlung von elektrischer Energie in Rotationsenergie und umgekehrt eingesetzt werden.

Ein Ausschnitt des erfindungsgemäßen Stators ist in Fig. 1 dargestellt. Fig. 2a und Fig. 2b zeigen Schnitte durch den Stator.

Der Stator besteht aus einem ringförmigen Kern rechteckigen Querschnitts (1) aus hochpermeablem Material. Zur Verringerung der Wirbelstromverluste sollte er aus Blechen aufgebaut oder aus Bandmaterial gewickelt sein. Unterhalb und oberhalb des Kerns sind spezielle Formteile angeordnet (2) und (3), die dazu dienen, die Windungen der torodialen Wicklung (4) gegen den Kern zu isolieren und den Biegeradius des Drahtes an den Kanten des Kerns zu vergrößern (Fig. 2a). Darüber hinaus ist das obere Formteil so gestaltet, daß jede n-te Windung (4′) einseitig aus der Wicklung herausragt (Fig. 2b). Die Formteile können auch in radialer Richtung innerhalb und außerhalb des Kerns angeordnet sein.

An den herausragenden Stellen der Wicklung ist ein Halter (6) aufgesetzt, der mechanisch fest mit der Wicklung verbunden ist. Dies kann zum Beispiel durch Verkleben oder durch Verlöten der Windungen mit einer Kupferbeschichtung des Halters geschehen. Die Wicklung ist an den herausragenden Stellen unterbrochen, so daß die Wicklung in gleichartige Segmente (5 ^I, 5 ^II, 5 ^III, . . .) unterteilt ist.

Zweckmäßigerweise wird ein kleines Kreissegment des Kerns nicht mit Wicklung versehen. Dort werden Sensoren (7) angeordnet, die später die Orientierung des Rotors relativ zum Stator detektieren.

In der Fig. 3 ist der Statorhalter (6) dargestellt. Er enthält Durchbrüche (11) zur Aufnahme der herausragenden Windungen des Stators sowie Bohrungen (12), die zur Befestigung des Stators in einem Gehäuse dienen. Weiter ist in Fig. 3 eine mögliche Verdrahtung der Wicklungssegmente dargestellt. Der Stromfluß innerhalb der Segmente, die sich nicht sichtbar unterhalb des Halters befinden, ist durch die gestrichelte Linie angedeutet. In diesem Beispiel erfolgt die Verbindung der Segmente untereinander so, daß bei jedem ungeradzahligen Segments (5 ^I, 5 ^III, . . .) das Segmentende (13 ^I, 13 ^III, . . .) mit dem Ende des drittnächsten Segments (13 ^IV, 13 ^VI, . . .) verbunden ist. Bei jedem geradzahligen Segment (5 ^II, 5 ^IV, . . .) ist entsprechend der Segmentanfang (14 ^II, 14 ^VI, . . .) mit dem Anfang des drittnächsten Segments (14 ^V, 14 ^VII, . . .) verbunden. Auf diese Weise entstehen drei gleichartige Teilwicklungen (A, B, C), die jeweils um ein Segment versetzt sind. Benachbarte Segmente innerhalb jeder Teilwicklung werden in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen. Die Enden der Teilwicklungen (15A, 15B, 15C und 16A, 16B, 16C) sind zum Anschluß an eine Stromversorgung herausgeführt.

Die Fig. 4 zeigt einen Kreisausschnitt des Stators (21) von der dem Halter gegen überliegenden Seite mit zwei ringförmigen konzentrisch zum Stator angeordneten Rotoren (22 und 32). Eine derartige Anordnung ist Bestandteil einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine.

Der Außendurchmesser des inneren Rotors (Innenläufer) ist so gewählt, daß er frei innerhalb des Stators unter Bildung eines Luftspaltes drehbar ist. Entsprechendes gilt für den Innendurchmesser des äußeren Rotors (Außenläufer).

Jeder Rotor besteht aus ringförmig angeordneten Permanentmagneten alternierender Polarität. Bei den Magneten (23) und (33) weist der Nordpol zum Stator, bei den Magneten (24) und (34) der Südpol. Die Magnete sind bei Innen- und Außenläufer jeweils auf einen Rückschlußring (25) bzw. (35) aus magnetisch leitfähigem Material aufgesetzt, der auch die mechanische Verbindung zum anzutreibenden Rad oder zur anzutreibenden Welle herstellt. Die freien Pole der Magnete sind so angeordnet, daß der Fluß sich über den Kern des Stators schließen kann ohne diesen vollständig zu sättigen. Die Lücken zwischen den Magneten sind mit einem geeigneten Kunststoff (26) bzw. (36) ausgefüllt. Die Anzahl der Magnetpole in jedem Rotor ergibt sich aus der Anzahl der Wicklungssegmente des Stators dividiert durch die Anzahl der Teilwicklungen. Damit entspricht der Abstand benachbarter Magnetpole dem Abstand benachbarter Wicklungssegmente innerhalb jeder Teilwicklung.

Mit Hilfe der Sensoren (7) und einer Ansteuerelektronik ist es möglich, den Stromfluß in den Teilwicklungen so zu steuern, daß zu jedem Zeitpunkt die Segmente, die einem Magnetpol gegenüberstehen von Strom durchflossen werden und ein Drehmoment auf den Rotor ausüben.

Claims

1. Ringförmiger Stator für elektrodynamische Drehmaschine mit ringförmigem Kern rechteckigen Querschnitts aus hochpermeablem Material und mit einer toroidalen Wicklung aus isoliertem Draht, dadurch gekennzeichnet, daß

- jede n-te Windung der Wicklung einseitig aus der Wicklung herausragt;
- die Wicklung an den herausragenden Stellen mechanisch fest mit einem Halter aus nichtleitendem Material verbunden ist;
- die Wicklung in viele gleichartige Segmente zu je n Windungen unterteilt ist, wobei die Trennstellen sich an den herausragenden Stellen befinden
- die Wicklungssegmente elektrisch so miteinander verbunden sind, daß mindestens zwei gleichartige Teilwicklungen entstehen, in denen benachbarte Segmente in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen werden.

2. Ringförmiger Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ringförmigen Kern spezielle Formteile angeordnet sind, die die Wicklung gegen den Kern isolieren und jede n-te Windung einseitig aus der Wicklung herausheben.

3. Ringförmiger Stator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Halterung des Stators und zur Verbindung der Wicklungssegmente eine gedruckte Schaltung verwendet wird.

4. Ringförmiger Stator nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ebenso viele Sensoren zur Erkennung der Winkelposition eines Rotors am Stator angebracht sind wie Teilwicklungen vorhanden sind.

5. Elektrodynamische Drehmaschine, die motorisch und generatorisch betrieben werden kann mit

- einem ringförmigen Stator mit toroidaler Wicklung, die in Segmente unterteilt ist, welche zu Teilwicklungen verbunden sind,
- wenigstens einem drehbar gelagertem Rotor, der konzentrisch zum Stator angeordnete Magnetpole alternierender Polarität aufweist, so daß der Magnetfluß sich über den Statorkern schließt, wobei die Polzahl der Anzahl der Wicklungssegmente dividiert durch die Anzahl der Teilwicklungen ergibt,
- mehreren Sensoren zur Erfassung der Winkelposition des Rotors relativ zum Stator
- einer Ansteuerelektronik, die im motorischen Betrieb den Stromfluß in den Teilwicklungen so steuert, daß der Rotor ein Drehmoment in der gewünschten Richtung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator nach einem der Ansprüche 1-4 ist.

6. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor konzentrisch innerhalb des Stators angeordnet ist.

7. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor 10 konzentrisch außerhalb des Stators angeordnet ist.

8. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor konzentrisch in axialer Richtung benachbart zum Stator angeordnet ist.

9. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere miteinander verbundene Rotoren konzentrisch zum Stator angeordnet sind, wobei auf jedem radialen Strahl Magnetpole gleicher Polarität zum Stator weisen.