DE60118044T2

DE60118044T2 - Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE60118044T2
Application number: DE60118044T
Authority: DE
Inventors: Eric Coupart; Pascal Gauthier; Jacques Saint-Michel; Christophe Gilles; Andre Eydelie; Laurent Jadeau; Philippe Augier; Jean-Marie Guillot
Original assignee: Moteurs Leroy Somer SAS
Current assignee: Moteurs Leroy Somer SAS
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2021-04-18
Also published as: EP1152516B1; EP1249919B1; EP1249919A1; DE60100046D1; DE20107523U1; DE60100046T2; EP1152516A3; ES2186664T3; EP1152516A2; ES2258603T3; DE60118044D1; ATE227898T1; ATE320674T1

Description

Die Erfindung betrifft umlaufende elektrische Maschinen und spezieller Synchronmotoren mit einem Rotor mit Permanentmagneten.
Die Dokumente US-A-4 302 693 und US-A-4 339 874 beschreiben Motoren mit Flusskonzentration, ohne dass die Art des Stators genauer angegeben wäre. Bei diesen Rotoren zeigen die Magnete Keilform, und sie sind zwischen Polstücken angeordnet, die auf die Rotorachse geschweißt sind. Daraus ergibt sich eine relativ komplizierte Herstellung das Rotors. Darüber hinaus üben die Magnete, im Fall einer Drehung des Rotors mit erhöhter Drehzahl, auf die Polstücke Abscherkräfte aus, durch die es zu ihrer Abtrennung kommen kann, wenn die Befestigung von schlechter Qualität ist. Nach Kenntnis der Anmelderin erfuhren diese Rotoren, die ziemlich alt sind, keine bedeutende kommerzielle Entwicklung.
Aus dem Dokument EP-A-0 782 943 ist eine umlaufende elektrische Maschine bekannt, deren Rotor Magnete aufweist, die an der Oberfläche auf dem Rotor angeordnet sind, wobei der Magnetkreis des Stators über einzelne Spulen verfügt. Eine derartige Maschine ist nicht dazu vorgesehen, sich mit erhöhter Drehzahl zu drehen, da die an der Oberfläche des Rotors, der mit großer Drehzahl läuft, induzierten Ströme die Tendenz zeigen, die Magnete zu erwärmen, die erhöhten Temperaturen nicht standhalten. Beispielsweise liegt, wenn die Magnete ohne Unterteilung an der Oberfläche angebracht sind, die Grenzdrehzahl z. B. in der Größenordnung von 200 U/Min. für einen Rotor mit 16 Polen sowie 400 U/Min. für einen Motor mit 8 Polen, was sich für bestimmte Anwendungen als unzureichend erweist. Eine Lösung zum Vermeiden einer Erwärmung der Magnete besteht in einer Unterteilung derselben, was jedoch die Herstellung verkompliziert und die Kosten erhöht. Darüber hinaus wächst die Anzahl der anzubringenden Magnete im Fall der Unterteilung mit dem Quadrat der Drehzahl, so dass diese Lösung nicht nur wegen der Kosten, sondern auch physikalisch nicht ausführbar wird, sobald die geforderte Drehzahl relativ hoch ist, z. B. über einigen 1000 U/Min. Übrigens sind bei der im Dokument EP-A-0 872 943 beschriebenen Maschine Magnete, die alleine zur Erfassung der Drehung des Rotors vorgesehen sind, am diesem angebracht, was die Herstellung desselben verkompliziert. Der Stator übt auf den Rotor radiale, einander diametral entgegengesetzte Drehkräfte aus. Daraus ergibt sich eine mechanische Beanspruchung des Stators, die versucht, ihn oval zu verformen, wodurch Schwingungen und Geräusche erzeugt werden. Schließlich ist die Größe der Zähne konstant, was zu mindestens zwei Problemen führt. Einerseits neigt das Magnetmaterial des Stators dazu, an der Basis der Zähne in Sättigung zu gehen. Andererseits zwingt der Austausch einer Spule dazu, am Stator eine neue Imprägnierung vorzunehmen, um die Spule korrekt auf dem Stator zu fixieren, und die Maschine kann nicht vor Ort repariert werden, sondern muss in die Fabrik zurück geliefert werden.
Das Dokument EP-A-0 823 771 beschreibt einen Stator mit einer Wicklung auf jedem Zahn. Der Magnetkreis des Stators wird durch das Zusammenbauen von Sektoren ausgebildet, die in halber Höhe von Vertiefungen spalte bilden. Bei einer derartigen Maschine wird nach einem Reluktanzeffekt gesucht, und dieser wird dadurch erhalten, dass versucht wird, die Differenz L_d–L_q zu maximieren, wobei L_d die Induktanz entlang der direkten Achse ist und L_q die Induktanz entlang der Quadraturachse ist (herkömmliche Notationen). Unzweckmäßig ist es, dass es zu Welligkeiten des Drehmoments kommt. Übrigens wird der Stator durch Zerteilen in Sektoren, wie in EP-A-0 823 771 beschrieben, zerbrechlich, da die gegenseitigen Abstützflächen ziemlich schmal sind. Übrigens durchsetzt der Magnetfluss so viele Spalte wie Sektoren vorhanden sind, wodurch der Wirkungsgrad der Maschine gesenkt wird.
Das Dokument US-A-5 829 120 beschreibt einen Rotor mit Flusskonzentration mit Verbindungen zwischen den Polstücken zum Erleichtern der Positionierung der Magnete. Ein derartiger Rotor ist relativ schwierig herzustellen, da bei bestimmten Ausführungsformen schmale Bleche am Außenumfang des Rotors varhanden sind, um die Polstücke festzuhalten.
Das Dokument US-A-5 091 668 beschreibt ebenfalls einen Rotor mit Flusskonzentration, bei dem die Polstücke durch Schwalbenschwanzverbindungen mit der Rotorachse verbunden sind und die Magnete quaderförmig sind. Ein derartiger Rotor ist nicht für hohe Drehzahlen geeignet, da die Zentrifugalkraft die Tendenz hat, diejenigen Bereiche jedes Polstücks wegzureißen, die die an der Achse ausgebildeten Rippen umschließen. Demgemäß ist es erforderlich, die Polstücke an Stäben zu befestigen, die einstückig mit der Achse ausgebildet sind. Eine derartige Lösung ist immer ganz zufriedenstellend, da, außer dass sie die Motorherstellung verkompliziert, die Stäbe die Tendenz zeigen, sich zu verbiegen, wenn die Länge des Rotors bedeutend ist und/oder die Drehzahl hoch ist.
Es existiert Bedarf, zuverlässige, relativ kräftige und billig herstellbare umlaufende elektrische Maschinen zu schaffen, mit denen zumindest ein Teil der vorstehend genannten Mängel überwunden wird.
Die Erfindung zielt insbesondere darauf ab, diesem Bedarf zu genügen.
Die erfindungsgemäße umlaufende elektrische Maschine ist insbesondere ein Synchronmotor, und sie trägt einen Rotor mit Flusskonzentration mit Permanentmagneten, die zwischen Polstücken angeordnet sind, und einen Stator mit bewickelten Zähnen.
Bei einem Stator mit bewickelten Zähnen dient jeder Zahn als Wicklungskern. Außerdem ist die Anzahl n_Zähne der Zähne vorzugsweise eine Funktion der Anzahl n_Paare der Polpaare und der Anzahl n_Phasen der Phasen entsprechend der Formel n_Zähne = n_Paare·n_Phasen. Durch diese Beziehung ist es möglich, dass der Stator keinen Kräften unterzogen wird, die die Tendenz zeigen, ihn oval zu verformen, im Gegensatz zu dem, was im genannten Dokument EP-A-0 872 943 beschrieben ist.
Die Kombination eines Rotors mit Flusskonzentration und eines Stators mit bewickelten Zähnen erlaubt es, eine relativ kräftige Maschine mit kleinem Platzbedarf zu erzielen, was insbesondere die Montage des Motors überkragend mit dem Ende einer Achse ermöglicht, was zu einer Verringerung der Anzahl von Lagern führt. Der Rotor kann sich mit erhöhter Drehzahl drehen, da die Magnete durch die Polstücke vor einem pulsierenden Fluss geschützt sind. So ist es nicht erforderlich, bei großen Drehzahlen unterteilte Magnete zu verwenden, wie dies bei Rotoren der Fall ist, deren Magnete an einer Fläche befestigt sind.
Die Verwendung eines Rotors mit Flusskonzentration erlaubt es auch, auf einfache Weise Magnete und Polstücke mit einer Form. herzustellen, die es erlaubt, die Differenz L_d–L_q zu minimieren, d. h., es ist keine Reluktanz zum Erzeugen einer Bewegungskraft erforderlich, im Gegensatz zu dem, was das Ziel gemäß dem oben genannten Dokument EP-A-0 823 771 ist, und dadurch sind die Welligkeiten des Drehmoments minimal. In vorteilhafter Weise wird der Rotor auf solche Weise ausgebildet, dass L_d im Wesentlichen L_q entspricht, und er erhält insbesondere an den dem Stator zugewandten Flächen der Polstücke eine gewölbte Form.
Die Magnete des Rotors bilden in vorteilhafter Weise Keilform, wenn die Maschine entlang der Rotationsachse des Rotors betrachtet wird, wobei die Größe mit zunehmender Entfernung von der geometrischen Rotationsachse des Rotors abnimmt, und die Polstücke verfügen über Ausschnitte, mit denen sie an den Rippen der Achse befestigt sind, und sie sind durch komplementäre Formen an der Achse befestigt. Die Zusammenwirkung zwischen den keilförmigen Magneten einerseits und den Polstücken andererseits, die durch komplementäre Formen mit der Achse verbunden sind, ist daher besonders vorteilhaft, dass die Magnete bei erhöhten Drehzahlen Kompressionskräfte auf die Polstücke ausüben können, die die Tendenz zeigen, einer Aufweitung derjenigen Bereiche der Polstücke entgegenzuwirken, die zu beiden Seiten der Rippen liegen, mit denen sie in Eingriff stehen. So ist es möglich, eine Befestigung der Polstücke an Stäben zu vermeiden, was im Gegensatz zu dem steht, was im oben genannten Dokument US-A-5 091 668 beschrieben ist.
Die vorstehend genannten Rippen sind vorzugsweise einstückig mit einem zentralen Teil der Achse ausgebildet, die aus einem unmagnetischen Material, z. B. Aluminium, einer Aluminiumlegierung, einem unmagnetischen Stahl oder Verbundmaterialien besteht.
Zwischen den radialen Innenrändern der Polstücke der Achse sind vorzugsweise Zwischenräume ausgebildet, um das Platzieren der Magnete zu erleichtern. Eine derartige Konstruktion unterscheidet sich von derjenigen, die im oben genannten Dokument EP-A-0 327 470 beschrieben ist, gemäß dem die Polstücke zylindrische Auflageflächen aufweisen, die zur Anlage an der Achse kommen.
Bei einer speziellen Ausführungsform, bei der keilförmige Magnete verwendet sind, bildet jede Rippe im Querschnitt ein Profil, bei dem die voneinander abgewandten Seiten schräge Teile in Bezug auf einen Radius sind, der durch die Mitte der Rippe verläuft, mit z. B. einer Neigung mit einem Winkel (ii), der so gewählt ist, dass, zum Herstellen der Rippen, die Verwendung eines Materials ermöglicht ist, das hinsichtlich Abscherbeanspruchungen weniger beständig als dasjenige ist, das zum Herstellen der Polstücke verwendet wird. Der Winkel (ii) liegt z. B. in der Größenordnung von 70°, wenn die Achse aus Aluminium besteht die und Polstücke aus Stahl bestehen. Das vorstehend genannte Profil trägt in vorteilhafter Weise abgerundete Teile, um die Gefahren einer Rissbildung zu beschränken. Die abgerundeten Teile können verschiedene Krümmungsradien (R_a, R_c) aufweisen.
Wie weiter oben angegeben, können die Polstücke in vorteilhafter Weise, jeweils an ihrer dem Stator zugewandten Seite hin, eine gewölbte Fläche aufweisen, die zum Stator hin kon vex ist. Der Rotor weist demgemäß an seinem Rand Lappen auf, die es erlauben, eine Welligkeit des Drehmoments, wie oben erläutert, und ein Ruckeln zu verringern und einen Kühlluftstrom zu erzeugen.
Bei einer speziellen Ausführungsform trägt der Rotor mindestens ein Endstück aus unmagnetischem Material, dessen Umfang sich zurückversetzt gegenüber dem dem Stator benachbarten Rand der Magnete erstreckt. Eine derartige Anordnung erleichtert die Erkennung eines Magnetfelds der Magnete, wie dies unten genauer angegeben wird, und es erlaubt die Nutzung von Magnetfelddetektoren, ohne dass am Rotor spezielle Magnete nur zur Messung der Drehung desselben anzubringen wären, im Unterschied zu dem steht, was im genannten Dokument EP-A-0 872 943 beschrieben ist.
Bei einer speziellen Ausführungsform trägt der Stator einzelne Spulen. Dies erleichtert den Aufbau und die Wartung der Maschine.
So kann der Stator mindestens eine einzelne Spule mit einem Bündel isolierter Drähte aufweisen, wobei dieses Bündel im Wesentlichen eben und auf solche Weise um eine geometrische Wicklungsachse gewunden ist, dass mehrere übereinander liegende Windungen gebildet sind, wobei der Querschnitt des Bündels auf Höhe der übereinander liegenden Windungen eine große Abmessung aufweist, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Windungsachse der Spule gerichtet ist. Die Drähte sind vorzugsweise von kreisförmigem Querschnitt mit einem Durchmesser von z. B. zwischen 0,3 mm und 2,5 mm, wobei es diese Konfiguration erlaubt, Hochfrequenzverluste im Inneren von Kupfer bei erhöhter. Drehzahl des Rotors zu senken.
Der Innenquerschnitt einer Spule ist vorzugsweise im Wesentlichen rechteckig. In vorteilhafter Weise ist sie an einer Seite größer als an der anderen, damit sie mit gewisser Kraft auf einem Zahn mit komplementärem Profil montiert werden kann. Diese Aufdrückwirkung ist besonders nützlich, um dazu beizutragen, eine vorimprägnierte Austauschspule unbeweglich auf dem Stator zu montieren, ohne dass es erforderlich ist, ein neues Imprägnieren der Spule durch ein Isolierharz auszuführen. Ein derartiger Befestigungseffekt ist bei der im Dokument EP-A-0 872 943 beschriebenen Maschine nicht möglich, bei der die Zähne konstante Breite aufweisen. Außerdem liegt ein weiterer Vorteil von Zähnen, deren Größe ausgehend von einem bestimmten Abstand von ihrem freien Ende mit zunehmender Entfernung vom Rotor zunimmt, in einer Verringerung der Gefahr einer Sättigung verwendeter Magnetbleche, da sich den Linien des Magnetfelds ein größerer Querschnitt bietet. So ist es möglich, ein billigeres magnetisches Material zu verwenden.
Bei einer speziellen Ausführungsform sind die Drähte an den elektrischen Verbindungsenden der Spule abisoliert, und sie sind zum Ausbilden von Haken umgebogen. Dies erlaubt es insbesondere, das Anbringen und Austauschen einer Spule zu erleichtern. Die genannten Haken können zu einer Mittelebene der Spule, rechtwinklig zur Windungsachse, ausgerichtet sein.
Die hakenförmig umgebogenen Verbindungsenden sind in vorteilhafter Weise mit örtlichen, abisolierten Abschnitten ummantelter elektrischer Kabel verschweißt. Die Spule zeigt in vorteilhafter Weise einen Innenquerschnitt, dessen große Abmessung größer als die axiale Abmessung des Zahns ist, mit dem sie in Eingriff steht, um einen Raum zu schaffen, der dazu ausreicht, einen Detektor durchzuschieben, der es ermöglicht, ein für die Drehung des Rotors repräsentatives Signal zu liefern.
Die Maschine trägt so in vorteilhafter Weise mindestens einen Detektor für Magnetfelder, der am Stator angebracht ist, um das Magnetfeld der Magnete des Rotors ausgehend von einem Ort zu erfassen, an dem, wenn die Maschine entlang der Rotationsachse des Rotors betrachtet wird, Überdeckung mit einem Umfangsbereich des Rotors besteht. Dieser Umfangsbereich ist in vorteilhafter Weise derjenige, der sich um ein Endstück herum erstreckt, das sich, wie oben angegeben, zurückversetzt gegenüber dem radialen Außenrand der Magnete erstreckt.
Wenn der Strom n Phasen hat, weist die Maschine vorzugsweise n Detektoren auf, die an n aufeinander folgenden Zähnen in der Nähe eines Durchlasses eines Gehäuses der Maschine ange- bracht sind. Dieser mindestens eine Detektor kann an einer Vorderfläche des Magnetkreises des Stators angebracht sein und sich entlang einer radialen Achse des entsprechenden Zahns erstrecken. Die Detektoren durchsetzen in vorteilhafter Weise die an den Zähnen angebrachten Spulen, wie oben angegeben. So gewinnt die Maschine an Kompaktheit.
Die Detektoren können jeweils, über einen Aufnehmer für Magnetfelder hinaus, einen Temperaturaufnehmer aufweisen, und die Anordnung des Temperaturaufnehmers zwischen der Spule und dem Zahn erlaubt es, ein gutes Bild der echten Temperatur des elektrischen Schaltkreises der entsprechenden Phase zu liefern.
Bei einer speziellen Ausführungsform tragen die Zähne des Stators Ausschnitte, die es erlauben, am Stator Keile zum Befestigen der einzeln an den Zähnen angebrachten Spulen zu befestigen, wobei jeder Keil eine Trennwand aufweist, die sich im Wesentlichen in der Mitte der entsprechenden Aussparung befindet.
Weiterhin trägt der Magnetkreis des Stators bei einer speziellen Ausführungsform zusammengesetzte Sektoren, die Spalte bilden, die die Zähne in der Mitte trennen. Diese Sektoren bilden in vorteilhafter Weise Konturen, die mit ihren Anlageflächen zusammenwirken. Die Herstellung des Magnetkreises des Stators mit unterteilten Sektoren erlaubt es insbesondere, Stöße zu verringern. Das Vorliegen der Spalte in der Mitte der Zähne erlaubt es auch, dass die Magnetfeldlinien nicht unterbrochen werden, die zwischen zwei Halbzähnen desselben Sektors verlaufen. Darüber hinaus sind die Anlageflächen von größerer Abmessung als dann, wenn die Spalte in der Mitte der Aussparungen liegen, wie dies inbesondere bei der im Dokument EP-A-0 823 771 beschriebenen Maschine der Fall ist. Dies erlaubt es, die Wartung der Sektoren zu verbessern, und es ist dadurch möglich, für ihr Zusammenhalten dadurch zu sorgen, dass sie einfach mit Kraft in ein zylindrisches Gehäuse eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, einen Rotor einer umlaufenden elektrischen Maschine mit einer Anzahl polarer Massen und einer Anzahl von Magneten zu schaffen, die den polaren Massen ausgesetzt sind und in zwischen den polaren Massen ausgebildeten Aufnahmen des Rotors befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass:

a) die polaren Massen so ausgebildet sind, dass die genannten Aufnahmen unter Einwirkung der Zentrifugalkraft gröber werden, wenn sich der Rotor mit einer Drehzahl über einer vorbestimmten Drehzahl dreht, wobei diese Vergrößerung die Tendenz zeigt, kleiner zu werden, wenn die Drehzahl abnimmt;
b) die Magnete so ausgebildet sind, dass sie in die Intervalle eingreifen, die durch Vergrößerung der Aufnahmen gebildet werden, wenn sich der Rotor mit einer Drehzahl über der genannten vorbestimmten Drehzahl dreht, so dass die polaren Massen die Magnete einzwängen, wenn die Drehzahl des Rotors wieder unter die genannte vorbestimmte Drehzahl abfällt. Die polaren Massen können auf den Rippen der Achse oder zusammenhängenden Stäben, die einstückig mit der Achse ausgebildet sind, angeordnet sein.

Jede Rippe kann in vorteilhafter Weise durch komplementäre Formen mit einem entsprechenden Ausschnitt zusammenwirken, der in der zugehörigen polaren Masse ausgebildet ist, wie oben erläutert. Daraus ergibt sich verbesserte Wartbarkeit der polaren Massen auf der Achse des Rotors, und zwar dank Kräften, die durch die Keilform der Magnete auf die polaren Massen ausgeübt werden.
Andere Vorteile der Erfindung gehen aus einem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung, nicht beschränkenden Ausführungsbeispielen der Erfindung und einem Studium der beigefügten Zeichnung hervor.
1 ist eine schematische Ansicht eines Synchronmotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht entlang dem Pfeil II in 1 von oben her;
3 ist ein schematischer Axialschnitt des Motors entlang III-III in 2;
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Details IV in 2;
5 zeigt den Stator für sich auf perspektivische und etwas schematische Weise;
6 zeigt für sich auf perspektivische Weise einen Sektor des Magnetkreises des Stators;
7 veranschaulicht das Zusammenbauen des Sektors in 6 mit einem identischen Sektor;
8 zeigt für sich auf perspektivische Weise eine einzelne Spule;
9 ist eine Schnittansicht entlang IX-IX in 8;
10 zeigt schematisch eine Reihe von Spulen, die zur Herstellung eines Stators verwendet wird;
11 zeigt schematisch das Positionieren von Reihen von Spulen auf dem Stator im Verlauf der Herstellung eines solchen;
12 ist eine zu 11 analoge Ansicht, die sehr schematisch und vereinfacht alle positionierten Spulenreihen zeigt, um die Kreisbahn von Stromzufuhrkabeln zu veranschaulichen;
13 ist eine schematische Ansicht der Rotorstirnseite;
14 zeigt für sich die Rotorachse in Stirnansicht;
15 ist ein schematischer Axialschnitt entlang XV-XV in 14;
16 zeigt für sich von oben ein Polstück des Rotors;
17 veranschaulicht das Zusammenbauen von Polstücken mit der Rotorachse;
18 ist ein schematischer Querschnitt der Rotorachse nach dem Platzieren von Magneten und Polstücken;
19 ist ein nicht beschränkendes Schema als Beispiel für die elektrische Verbindung zwischen Spulen (mit 1 bis 12 bezeichnet);
20 ist ein schematischer Querschnitt einer Variante einer Ausführungsform des Rotors; und
21 zeigt eine Einzelheit aus 20.
In den 1 bis 4 ist ein Synchronmotor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Stator 100 und einem Rotor 200 dargestellt. Der Motor 10 ist ein bürstenloser Motor mit einem Rotor mit Flusskonzentration und einem Stator mit bewickelten Zähnen, der mit Dreiphasenstrom arbeitet.
Der Stator 100 verfügt über ein Gehäuse 110 aus Stahl, das über einen zeitlichen Durchlass 111 zum Hindurchlassen insbesondere elektrischer Versorgungsleiter für die Statorwicklungen aufweist. Das Gehäuse ist außen mit Befestigungslaschen 112 und einem Anhebehaken 113 versehen.
Der Stator 100 verfügt über einen Magnetkreis mit, beim dargestellten Beispiel, mehreren identischen Sektoren 120, von denen in 6 zwei für sich perspektivisch dargestellt sind. Jeder Sektor 120 besteht aus einem Paket identischer magnetischer Bleche, die so übereinander gelegt und miteinander verklemmt sind, dass eine einheitliche Baugruppe gebildet ist, wobei die Verklemmung gemäß einer für sich bekannten Technik durch punktförmige Verformungen an jedem Blech und mehrere Verhakungspunkte 121 erhalten ist. Die Verwendung eines Pakets magnetischer Bleche erlaubt es, Verluste durch induzierte Ströme zu begrenzen. Gemäß einer Variante kann der Magnetkreis des Stators aus übereinander ge legten Blechen gebildet sein, von denen jedes im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und in denen alle Zähne 130 des Stators ausgeschnitten sind. Bei einer weiteren Variante kann jeder der Sektoren mehrere Zähne tragen. Zwei Sektoren 120 bilden, wenn sie zusammengebaut sind, einen Zahn 130 nicht konstanter Größe, der zur Montage einer individuellen Spule 340 dient, wie es insbesondere aus der 5 erkennbar ist. Die Anzahl n_Zähne beträgt beim beschriebenen Beispiel 12, wobei der Motor dazu bestimmt ist, mit Dreiphasenstrom versorgt zu werden und der Rotor 8 Pole trägt. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der Pole des Rotors verschieden sein kann und insbesondere z. B. 12 oder 16 betragen kann. Der Stator kann weiterhin über eine. Anzahl von Zähnen verfügen, was jedoch zu bestimmten Problemen führt, wie oben beschrieben, für die keine Beschränkung auf die Anzahl n_Paare der Polpaars des Rotors und die Anzahl n_Phasen der Phasen gemäß der Beziehung n_Zähne = n_Paare·n_Phasen besteht.
Jeder Sektor 120 trägt an seinen Seiten 123a und 12b, die zur Zusammenwirkung mit den benachbarten Sektoren 120 bestimmt sind, jeweilige Konturen 124a bzw. 124b. Diese Konturen 124a und 124b bilden komplementäre Formen mit im Wesentlichen dreieckigem Profil, von oben gesehen, wobei das eine zurückversetzt ist und das andere vorsteht und wobei zwei im Wesentlichen zueinander rechtwinklige Seiten über eine Rundung verbunden sind. Das Zusammenwirken der Konturen 124a und 124b trägt zu guter Positionierung der Sektoren 120 zwischen denselben beim Zusammenbauen des Magnetkreises des Stators bei. Jeder Sektor 120 trägt auch, an seinen Seiten 123a und 123b, jeweilige Nuten 125a bzw. 125b mit jeweils halbkreisförmigem Querschnitt, die in der Nähe der Konturen 124a und 124b verlaufen und Löcher 125 mit kreisförmigem Querschnitt bilden, wenn die Sektoren 120 zusammengebaut sind. Diese Löcher 125 dienen zur Montage dreier Detektoren 190, wie dies nachfolgend genauer erläutert wird.
Aus der 7 ist erkennbar, dass der Spalt E an der Grenzfläche zwischen zwei benachbarten Sektoren 120 durch die Mitte des entsprechenden Zahns 130 verläuft, was es erlaubt, die magnetischen Verluste zu verringern, da der Magnetfluss einen Kreis schließen kann, ohne den Spalt eines Halbzahns mit dem benachbarten Halbzahn desselben Sektors 120 zu verbinden, wenn die Maschine arbeitet. Darüber hinaus können die Sektoren mit relativ kleinen Schneidwerkzeugen, die hohe Taktzahlen ausführen können, praktisch ohne Abfall zerschnitten werden.
Die Baugruppe der Sektoren 120 wird mit Kraft in das zylindrische Gehäuse 110 eingesetzt, und für den Zusammenhalt des durch die Baugruppe der Sektoren 120 gebildeten Magnetkreises ist durch radiale Kompressionskräfte gesorgt, die vom Gehäuse 110 auf die Sektoren 120 ausgeübt werden, wobei die gegenseitigen Abstützflächen der Sektoren relativ groß sind.
Jeder Sektor 120 bildet eine Aussparung 140, deren entgegengesetzte Seiten 141a und 141b jeweils einen Winkel i von über 90° mit den benachbarten Bereichen 142a und 142b des Bodens der Aussparung 140 bilden, wobei sie selbst rechtwinklig zu Radien verlaufen, die durch die Verbindungslinie des Zahns gehen, der mit dem Boden der Nut in Beziehung steht. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel hat der Winkel i den Wert 90,4°, der jedoch, was zu beachten ist, nur ein Beispiel ist.
Die Seiten 123a und 123b der Sektoren sind jeweils im Wesentlichen mit einem Radius, außer den Konturen 124a, 124b, 125a und 125b, ausgerichtet, und die Größe jedes Zahns 130 nimmt; außer hinsichtlich den Ausschnitten 144a oder 144b, die in der Nähe des dem Rotor zugewandten freien Endes 131 ausgebildet sind, in dem Maße deutlich zu, in dem die Ent fernung vom Rotor gröber wird. Aus einer Betrachtung der 7 geht hervor, dass jeder Zahn 130 in der Nähe seines freien Endes 131 keine polaren Ausquellpunkte trägt, im Gegensatz zu einer großen Anzahl bekannter Statoren, die halbgeschlossene Einschnitte bilden. Beim dargestellten Beispiel sind die Endteile 132a und 132b jedes Zahns 130, die zwischen seinem freien Ende 131 und den Ausschnitten 144a oder 144b liegen, mit den Seiten 141a bzw. 141b ausgerichtet.
Das freie Ende 131 ist ein Teil eines Rotationszylinders mit derselben Achse wie der Rotationsachse des Rotors und konkav zum Rotor hin.
Der Boden jeder Aussparung trägt einen mittleren Bereich 142c, der die Bereiche 142a und 142b verbindet und rechtwinklig zu einem Radius verläuft, der die Aussparung 140a in mittlerer Höhe schneidet, wie durch eine gestrichelte Linie in 7 repräsentiert.
Wie bereits angegeben, nimmt jeder Zahn 130 eine einzelne Spule 340 auf, die in jeder Aussparung 140 benachbart zu einem betrachteten Zahn 130 im Wesentlichen die Hälfte des Volumens dieser Aussparung einnimmt.
In 8 ist für sich eine einzelne Spule 340 dargestellt. Diese wird durch eine Wicklung um eine geometrische Wicklungsachse W eines Bündels 341 elektrischer, isolierter Drähte 342 gebildet, wobei das Bündel im Querschnitt im Wesentlichen eben ist, wie es aus 9 erkennbar ist.
Wenn das Bündel 341 auf Höhe der Windungen im Querschnitt betrachtet wird, ist seine große Abmessung im Wesentlichen rechtwinklig zur Wicklungsachse W ausgerichtet.
Beim betrachteten Beispiel trägt das Bündel 341 etwa zehn einzelne Leiter 342 mit jeweils kreisförmigem Querschnitt. Das Bündel 341 bildet ungefähr zwanzig übereinander liegende Windungen 343. Die Leiter 342 sind im Bereich der Windungen dank der Verwendung eines isolierten, emaillierten Drahts elektrisch gegeneinander isoliert. Die Leiter 342 sind an ihren Enden abisoliert, um elektrische Anschlussenden 344a und 344b zu bilden, die jeweils hakenförmig zu einer Mittelebene der Spule, rechtwinklig zur Wicklungsachse W, umgebogen sind. Diese Haken werden am Ende des Herstellprozesses der Spule zum Körper derselben hin geöffnet.
Aus der 8 ist es erkennbar, dass alle Leiter 342 am Ende 344a nach oben und dann zum Körper der Spule hin umgebogen sind, wohingegen die Drähte am Ende 344b nach unten und dann zum Körper der Spule hin umgebogen sind. Die Enden 344a und 344b stehen nicht wesentlich über die Ebene der zwei Endflächen der Spule über. Die Spiralen, die den Körper der Spule bilden, können, nachdem sie mit einem Harz imprägniert wurden, durch Leinenklebebänder 345 im übereinander gelegten Zustand gehalten werden. Auf diejenigen Abschnitte des Bündels 341, die sich zu den Enden 344a und 344b und zum Körper der Spule erstrecken, sind isolierende Ummantelungen 346 aufgebracht.
Der Innenquerschnitt der Spule 340 bildet im Wesentlichen ein Rechteck, wie es aus 10 erkennbar ist. Die Spulen 350 werden auf Formen gewickelt; die zwei voneinander abgewandte große ebene Flächen aufweisen, die zwischen sich denselben Winkel wie die Seiten 141a und 141b eines Zahns bilden, wobei die Größe des Innenquerschnitts jeder Spule deutlich von einer Endfläche zur entgegengesetzten variiert. Dies wird erkennbar, wenn man versucht, eine Spule verkehrt herum auf einem Zahn 130 des Stators 100 zu montieren.
Aus 10 ist es erkennbar, dass die Spulen 340 über ein Ende der elektrischen Verbindung 344a oder 344b mit ummantelten, teilweise abisolierten, elektrischen Leitern verbunden werden, bevor sie auf den Zähnen 130 des Stators 100 montiert werden. Die durch die Enden 344a und 344b gebildeten Haken sind z. B. so ausgebildet, dass sie im Wesentlichen an den Außendurchmesser der elektrischen Leiter 150 in den abisolierten Abschnitten 151 angepasst sind. Diese abisolierten Abschnitte können nicht nur an den Enden der elektrischen Leiter 150, sondern auch zwischen diesen ausgebildet sein, wozu ein begrenztes Stück der Isolierummantelung aus Kunststoff entfernt wird.
Beim beschriebenen Beispiel werden Reihen von zwei Spulen 340 gebildet, die anschließend auf den entsprechenden Zähnen 130 montiert werden, wie es in 11 veranschaulicht ist. Zwischen die Zähne und den Boden der Aussparungen und die Spulen werden Isolierfolien 349 eingefügt. In den 5 und 11 sind die Enden dieser Folien 349 erkennbar.
Entsprechend dem Montageablauf der Spulen 340 auf den Zähnen 130 werden Haltekeile 160 in die Ausschnitte 144a, 144b geschoben, um die Aussparungen 140 zu schließen. Diese Keile 160 verfügen, wie es aus 4 erkennbar ist, über Zwischenwände 161, die sich zwischen denjenigen Teilen zweier Spulen 340 erstrecken, die in der entsprechenden Aussparung 140 liegen.
Wenn einmal alle Spulen 340 angebracht sind, erstrecken sich die Kabel 150 entlang im Wesentlichen kreisförmigen Bahnen auf einer Seite des Magnetkreises des Stators, zurückversetzt gegen die freien Enden 131 der Zähne, wie es in 12 dargestellt ist, wobei diese Kabel durch Ringe aneinander befestigt sind. Anschließend wird der Stator auf herkömmliche Weise mit einem Isolierharz imprägniert. Das genaue elektrische Verbindungsschema zwischen zwölf Spulen ist in
20 angegeben, wobei es sich jedoch nur um ein Beispiel handelt.
Es ist erkennbar, dass die Verwendung einzelner Spulen 340, die auf die oben beschriebene Weise auf den Zähnen mit nicht konstanter Größe angebracht werden, besonders vorteilhaft ist, da dies den Austausch von Spulen 340 stark erleichtert. Tatsächlich reicht es zum Austauschen einer Spule 340 aus, bei entferntem Rotor 200 die Enden 344a und 344b einer Spule in den entsprechenden abisolierten Abschnitten 151 abzuschweißen, die betroffenen Keile 160 zu entfernen und die Spule 340 abzuziehen. Eine mit Harz imprägnierte Austauschspule 340 kann dann dadurch angebracht werden, dass sie auf den zuvor frei gemachten Zahn 130 geschoben wird und dann die Enden 344a und 344b mit den abisolierten Abschnitten 151 verschweißt werden. Die Konvergenz der Seiten 141a und 141b des Zahns 130 zum Rotor hin sowie die entsprechende Form des Innenquerschnitts der Spule tragen zu ihrer festen Anordnung auf dem Zahn 130 bei. Die Reparatur kann vor Ort erfolgen, ohne dass die Maschine zum Hersteller einzusenden ist und ohne dass eine neue Imprägnierung des stators vorzunehmen ist, was es erlaubt, die Reparaturzeit zu verkürzen. Der Motor 10 kann in vorteilhafter Weise mit mehreren Austauschspulen 340 geliefert werden.
Nachfolgend wird der Rotor 200 unter Bezugnahme auf die 13 bis 18 beschrieben. Dieser verfügt über eins unmagnetische Achse 210, die in 15 für sich in Stirnansicht dargestellt ist und die einen mittleren, im Wesentlichen ringförmigen Teil 211 und an dessen Umfang mehrere Rippen 220 trägt, die zum Einsetzen von Polstücken 230 dienen, die jeweils aus einem Paket identischer magnetischer Bleche bestehen, die übereinander gelegt und verklemmt sind. Die Verwendung magnetischer, übereinander gelegter Bleche erlaubt es, Verluste durch induzierte Ströme zu verringern. Die Rippen 220 zeigen im Querschnitt im Wesentlichen T-Form. Die Polstücke 230 sind wegen der Verwendung eines unmagnetischen Materials für die Achse magnetisch nicht miteinander verbunden.
In 16 ist ein Polstück 230 für sich in Draufsicht dargestellt. Jedes Polstück 230 verfügt über einen Ausschnitt 250 mit einer Form, die für Eingriff mit einer Rippe 220 durch Parallelverschiebung entlang einer Rotationsachse des Rotors ausgebildet ist. Die Rippen 220 werden beim Beispiel einstückig mit dem mittleren Teil 211 aus Aluminium hergestellt, jedoch können auch andere Techniken, wie Ziehen oder Spritzgießen, verwendet werden. Es ist erkennbar, dass die Polstücke 230 beim beschriebenen Beispiel nur mit den Rippen an der Achse in Eingriff stehen. Die Rippen 220 könnten durch verbundene Stäbe ersetzt werden, die mit Endstücken fest verbunden sind, da der Rotor relativ kurz ist oder nicht für hohe Drehzahlen bestimmt ist, wie dies unten erläutert wird.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Ausschnitt 250 symmetrisch in Bezug auf eine Mittelebene, die durch seine Mitte verläuft und einen Radius enthält. Sie verfügt über einen Boden 251, der mit der radialen Außenfläche 221 der entsprechenden Rippe 220 in Kontakt treten soll. Der Boden 251 ist mit einander gegenüberstehenden Seiten 252 verbunden, die jeweils über einen ersten abgerundeten Teil 252a mit dem Krümmungsradius R_a, einen geraden, schrägen Zwischenteil 252b, der einen von Null abweichenden Winkel ii mit dem durch die Mitte des Bodens 251 verlaufenden Radius bildet, und einen zweiten abgerundeten Teil 252c mit dem Krümmungsradius R_c aufweist. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel hat R_a den Wert 3 mm, R_c den Wert 5 mm, und der Winkel ii beträgt 70°. Der Ausschnitt 250 bildet eine verengte Öffnung, die ein Einsetzen auf eine Rippe 220 erlaubt.
Allgemein gesagt, hängt der Winkel ii von der Art der für die Achse 210 und die Polstücke 230 verwendeten Materialien ab, und er kann durch eine Berechnung mit finiten Elementen bestimmt werden. Die Form des Querschnitts jeder Rippe 220 ist im Wesentlichen komplementär zu der des Ausschnitts 252, mit Ausnahme des Vorliegens einer Fase 221a am Rand der radialen Außenseite 221 der Rippe 220. Jede Seite 222 der Rippe trägt so einen abgerundeten Teil 222a mit gleichem Krümmungsradius R_a wie dem des abgerundeten Teils 252a, einen geraden Teil 222b parallel zum Teil 252b, wenn das Polstück 230 auf der Achse 210 positioniert ist, und einen abgerundeten Teil 222c mit demselben Krümmungsradius R_c wie dem des Teils 252c. Die radialen Innenränder 233 des Polstücks 230, die zu den beiden Seiten der Aussparung 250 liegen, erstrecken sich zurückversetzt gegen diejenigen Bereiche 213 der Achse 210, die zwischen den Rippen 220 liegen, wie es insbesondere aus den 17 und 18 erkennbar ist. So ist zwischen zwei benachbarten Rippen 220 ein freier Raum 260 ausgebildet, wobei die Polstücke 230 mit diesen Rippen und der Achse 210 in Eingriff stehen.
Permanentmagnete 270 mit leicht trapezförmigem Querschnitt sind radial angeordnet, wobei sie zwischen die Polstücke 230 eingefügt sind, wie es in 18 dargestellt ist. Jeder Magnet 220 weist, gesehen entlang der Rotationsachse des Rotors, leichte Münzenform auf, wobei die Größe abnimmt, wenn radial nach außen fortgeschritten wird. Jeder Magnet 270, der eine Quermagnetisierung aufweist, kann einstückig sein oder aus mehreren magnetischen Elementen bestehen, die stumpf aneinander gesetzt sind. Die Magnetpole gleicher Polarität benachbarter zweier Magnete 270 sind zum zwischen den Magneten 270 liegenden Polstück 230 gerichtet, wie es in 18 dargestellt ist. Beim betrachteten Beispiel besteht jeder Magnet 270 aus drei Magnetelementen 270a, 270b und 270c, die in der Richtung der Rotationsachse X des Rotors stumpf aneinander gesetzt sind, wie dies aus 3 erkennbar ist. Beim dargestellten Beispiel erstrecken sich die Magnete 270 im Wesentlichen über die gesamte radiale Abmessung der Seiten 238 der Polstücke 230 bis zu deren Kontakt.
Der Winkel, den die einander zugewandten ebenen Flächen der Magnete 270 bilden, die mit den Polstücken 230 in Kontakt treten, ist ziemlich klein, und er beträgt nur einige Grad. Der Winkel iii zwischen der Seite 238 eines Polstücks 230 und dem benachbarten Rand 233 beträgt beim in 16 dargestellten Beispiel 92,4°.
Die radiale Außenseite 235 eines Polstücks 230 verfügt über kreisförmigen Querschnitt mit einem Krümmungsradius, der kleiner als der maximale Radius des Rotors ist, so dass jedes Polstück 230 eine Außenfläche 235 bildet, die einen leicht nach außen konvexen Lappen bildet, wie es aus 18 erkennbar ist. Die gewölbte Form der Polstücke 230 erlaubt es, Welligkeiten des Drehmoments zu senken und einen Kühlluftstrom zu erzeugen. Beim beschriebenen Beispiel sind die Lappen 235 und das Verhältnis der Radialabmessung der Magnete zu ihrer Breite auf solche Weise gewählt, dass L_q = L_d gilt, so dass sich der Motor ohne Reluktanzeffekt dreht.
Die zwischen den Polstücken 230 ausgebildeten Aufnahmen, in denen die Magnete 270 platziert sind, zeigen die Tendenz, sich unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft wegen der Elastizität der verwendeten Materialien zu vergrößern, wenn sich der Rotor 200 über einer vorbestimmten Drehzahl dreht, wobei diese Vergrößerung die Tendenz einer Abnahme zeigt, wenn die Drehzahl abnimmt.
Die Magnete 270 weisen eine Radialabmessung auf, die so gewählt ist, dass dann, wenn sie in den entsprechenden Aufnah men des Rotors angebracht sind, ihr radiales Außenende gegenüber dem radialen Außenrand, benachbart zu den Magneten, der Polstücke zurückversetzt ist.
Die Magnete 270 sind für Eingriff in die Intervalle ausgebildet, die durch Vergrößerung der vorstehend genannten Aufnahmen entstehen, wenn sich der Rotor mit einer Drehzahl über der genannten vorbestimmten Drehzahl dreht, wobei die Polstücke 230 die Magnete 270 einzwängen, wenn die Rotordrehzahl wieder, auf eine diesseits der genannten vorbestimmten Drehzahl zurückfällt. Das Vorliegen der Zwischenräume 260 erleichtert das Positionieren der Magnete 270. Es ist erkennbar, dass so eine einfache und wirkungsvolle Maßnahme zum Befestigen der Magnete 270 an den Polstücken 230 geschaffen ist. Um die Magnete 270 zu befestigen, kann der Rotor 200 mit einer Drehzahl von z. B. über 10 % seiner Nenndrehzahl, d. h. einer Drehzahl 20 % über der genannten, gedreht werden. Die Magnete 270 sind leicht anbringbar, da es nicht erforderlich ist, sie zunächst mit erheblicher Kraft zwischen die Polstücke 230 einzufügen. Das abschließende Platzieren der Magnete 270 erfolgt durch diese selbst, wenn der Rotor 200 in Drehung versetzt wird. Darüber hinaus kann durch Drehen des Rotors mit mehr oder weniger hoher Drehzahl eine mehr oder weniger große Verschiebung der Polstücke 230 und der Magnete 270 erhalten werden, falls erforderlich, wobei eine leichte Einwirkung auf den Außendurchmesser des Rotors erfolgt. Dadurch können die Magnete 270 und die Polstücke 230, wie auch der Stator 100, mit größeren Herstelltoleranzen hergestellt werden, da es nämlich möglich ist, den Außendurchmesser des Rotors 200 dadurch mit einem gewünschten Wert einzustellen, dass er mehr oder weniger schnell gedreht wird.
Die Magnete 270 zeigen einen wenig erhöhten elektrischen Widerstand, jedoch werden sie keiner Erwärmung unterworfen, die zur Gefahr einer Entmagnetisierung derselben führt, da ihnen Schutz gegen einen pulsierenden Fluss durch die Polstücke 230 bei erhöhten Drehzahl verliehen ist.
Die Keilform der Magnete 270 erlaubt es, auf diejenigen Teile der Polstücke 230, die die Rippen 220 einschließen, Kompressionskräfte auszuüben, die die Tendenz zeigen, die Ausschnitte 250 an den Rippen 220 zu schließen, wobei dies um so stärker erfolgt, je höher die Drehzahl ist, so dass die Baugruppe selbstsperrend ist. Die vorstehend genannten Kompressionskräfte erlauben es, die Größe derjenigen Teile der Polstücke zu verringern, die zu beiden Seite eine Rippe liegen, wodurch hinsichtlich der Befestigung einer Rippe an der Achse eine größere Breite genutzt werden kann und die Achse aus einem Material hergestellt werden kann, das geringere mechanische Festigkeit als unmagnetischer Stahl zeigt, aber billiger und leichter ist wie Aluminium.
Endstücke 280 und 290 sind zu beiden Seiten der Achse 210 befestigt, um die Polstücke 230 und die Magnete 270 axial im erforderlichen Ausmaß zu blockieren. Diese Endstücke bilden eine Stufe der Maschine. Der Rotor 200 kann über mehrere Stufen verfügen, die durch Zwischenstücke getrennt sind, und die Anzahl der Magnete 270 pro Stufe kann z. B. zwischen 4 und 64 liegen, wobei es 8 Stufen sein können, wie beim dargestellten Beispiel für einen Motor mit 8 Polen. Wenn mehrere Stufen verwendet werden und diese durch Zwischenstücke getrennt sind, ist die Anzahl der Zwischenstücke vorzugsweise der Anzahl der Stufen zuzüglich Eins gleich.
Die Stücke 280, 290 können z. B. aus Aluminium oder unmagnetischem Stahl bestehen. Diese Stücke 280 und 290 werden durch Bolzen 281 an der Achse 210 befestigt. Am Umfang der Stücke 280, 290 sind Gewinde 500 ausgebildet, um die Befestigung einer Auswuchtschraube zu ermöglichen.
Wie es insbesondere aus 13 erkennbar ist, bildet das Stück 280 einen kreisförmigen, radialen Außenrand 282, der gegen den radialen Außenrand 235 der Polstücke 230 und den radialen Außenrand der Magnete 270 zurückversetzt ist, wobei der Letztere im Wesentlichen auf der Höhe der Enden 235a der gewölbten Flächen liegt.
So ist um das Stück 280 herum eine ringförmige Zone A ausgebildet, die das Ablesen des Magnetfelds der Magnete 270 des Rotors mittels Detektoren 190 erlaubt, wie es aus 4 erkennbar ist. Aus dieser 4 ist es erkennbar, dass die Detektoren 190 dank der gegenüber dem Endstück 280 zurückversetzten Positionierung den Rotor 200 leicht überdecken können.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel liegen drei Detektoren 190 vor, da der Motor dreiphasig ist, und sie verfügen jeweils über einen gemäß dem Hall-Effekt arbeitenden Aufnehmer, der so ausgebildet ist, dass er das Magnetfeld über dem Randbereich A des Rotors 200 um das Endstück 280 herum erfasst. Die Erfassung des Magnetfelds erfolgt entlang einer Achse parallel zur Rotationsachse des Rotors, wobei der Hall-Aufnehmer den Randbereich A abdeckt. Die Aufnehmer 190 sind beim dargestellten Beispiel an drei aufeinanderfolgen- den Zähnen 130 angebracht, die sich in der Nähe des Durchlasses 111 befinden.
Jeder Detektor 190 ist mittels einer Schraube 191 an einem Zahn 130 des Stators befestigt, wobei diese Schraube 191 in ein Loch 125 eingeschraubt ist. Jeder Detektor 190 erstreckt sich entlang der radialen Achse Z_u, Z_v oder Z_w des zugehörigen Zahns, und er durchsetzt die an diesem Zahn befestigte Spule 340. Die Spulen 340 bilden dazu einen Innenquerschnitt, dessen Größe ausreichend groß ist, um das Durchste cken des Detektors 190 zu erlauben. Der zwischen einer Spule und dem entsprechenden Zahn für das Durchstecken des Detektors ausgebildete Raum kann z. B. in der Größenordnung von 5 mm sein, wobei es ein derartiger Raum erlaubt, die Spule und den Raum dort zu isolieren, wo kein Isoliermittel 349 vorhanden ist.
Das direkte Erfassen des Magnetfelds der Permanentmagnete 270 ist von Vorteil, da es dadurch möglich ist, am Rotor spezielle Elemente anzubringen, die nur zum Erfassen der Winkelposition des Rotors dienen. Die Herstellung des Rotors ist dadurch vereinfacht, und seine Zuverlässigkeit ist verbessert. Außerdem erweist sich die Montage der Detektoren 190 im Raum zwischen den Spulen 340 und den Zähnen 130 als besonders kompakt; wobei immer noch erleichterter Zugriff auf die Detektoren 190 möglich ist, um sie bei Bedarf auszutauschen.
Jeder Detektor 190 ist im Inneren einer Spule 340 mit vorgegebener Phase (u, v und w) positioniert. Jeder Detektor 190 erlaubt es, zu erfassen, welche Polarität des Rotors zu einem vorgegebenen Zeitpunkt der zugehörigen Spule gegenüber steht (und so die betroffene Phase zu erkennen). Jeder Detektor 190 liefert abhängig von der erfassten Polarität ein niedriges oder hohes Signal. Jeder Detektor 193 verfügt über eine elektronische Schaltung zum Formen der vom Hall-Aufnehmer gelieferten Signale, um die Empfindlichkeit gegen Störsignale zu senken. Abhängig von der Position des Rotors existieren sechs Möglichkeiten zum Kombinieren der von den Detektoren 190 gelieferten verschiedenen Signale, und jede Änderung des durch die Zustände der Detektoren 190 gebildeten Triplets entspricht einer bestimmten Winkelposition des Rotors. So ist die Winkelposition des Rotors zu genauen Zeitpunkten bekannt, und die Position des Rotors zwischen diesen Zeitpunkten kann durch Interpolation berechnet wer den, wenn seine Drehzahl bekannt ist. Die Erregung der Spulen 340 kann so auf optimale Weise mit der gewünschten Phasenverschiebung erfolgen. So kann der Strom durch jede Spule dadurch aufgehoben werden, dass die Richtung geändert wird, bis sich ein Magnet auf der Achse des entsprechenden Zahns befindet. Im Unterschied zu einem Reluktanzmotor, der nur mit Zugkraft arbeitet, arbeitet der hier beschriebene Motor mit Zug- und Abstoßungskräften ohne Reluktanz (L_d entspricht beim betrachteten Beispiel L_q), und es ist möglich, ein erhebliches Drehmoment zu erzeugen.
Jeder Detektor 190 trägt außerdem einen Temperaturaufnehmer.
Die Kenntnis der Temperaturen der Spulen 340 der verschiedenen Phasen erlaubt es, eine mögliche Fehlfunktion des Motors zu erkennen.
Der Rotor 200 trägt an mindestens einem der Endstücke 280 und 290 Kühlflügel 291, die insbesondere in 1 erkennbar sind. Es ist zu beachten, dass eine zusätzliche Kühlwirkung dank des Vorliegens der Lappen 235 erzielt ist, die zwischen den Polstücken 230 am Umfang des Rotors ausgebildet sind, was es erlaubt, einen Kühlluftstrom selbst durch das Zentrum des Motors zu erzeugen.
Der unter Bezugnahme auf die 1 bis 19 beschriebene Motor zeigt zahlreiche Vorteile, darunter die folgenden:

– die besonders kompakte Konstruktion erlaubt es, ihn am Ende einer Achse auskragend zu befestigen, wodurch die Anzahl von Lagern und die mechanischen Reibverluste sowie Schmierprobleme verringert werden;
– der Rotor kann sich mit erhöhter Drehzahl drehen, ohne dass ein Ablösen der Magnete oder eine übermäßige Erwärmung derselben zu befürchten wären, wobei diese induzierten Oberflächenströmen weniger ausgesetzt sind;
– die einzelnen Spulen können auf einfache Weise angebracht und ausgetauscht werden, ohne dass ein neues Imprägnieren des Stators auszuführen wäre;
– die Masse der Magnete kann ziemlich gering sein, und es ist nicht erforderlich, sie zu unterteilen;
– die Anzahl der Zähne und der Spulen ist relativ klein, was die Herstellung erleichtert;
– die Köpfe der Spulen sind sehr kurz, was es erlaubt, einen kleinen axialen Platzbedarf zu erzielen;
– die Phasen können gut elektrisch getrennt werden, und zwar ohne Kontakte und Überkreuzungen;
– die Windungen der Spulen können dicht aneinander grenzen, was ein gutes Ausfüllen von Aussparungen ermöglicht;
– Welligkeiten des Drehmoments können vernachlässigbar gemacht werden.

Die Erfindung erlaubt es z. B., umlaufende elektrische Maschinen ausgehend von einem Spektrum von Magnetkreisen vorgefertigter Statoren und Rotoren mit verschiedenen Durchmessern herzustellen, wobei die Statoren Standardzähne tragen. Die Axialabmessungen der Magnetkreise des Rotors und des Stators werden z. B. als Funktion der zu liefernden Kraft gewählt, wobei eine mehr oder weniger erhebliche Anzahl von Sektoren und Polstücken aufgestapelt wird. Alleine die Spulen können z. B. nach Maß für einen Statormagnetkreis hergestellt werden, der ausgehend von vorgefertigten Elementen hergestellt wurde, wobei die Anzahl der Windungen der Spule, der Durchmesser der Leiterdrähte des ebenen Bündels und die Anzahl dieser Drähte als Funktion der Bedingungen bestimmt werden, die gemäß dem Benutzer der Maschine zu erfüllen sind.
Die Erfindung ist nicht auf einen Synchronmotor beschränkt, und sie gilt in gleicher Weise für einen Generator. Der Rotor kann ein Innen- oder ein Außenrotor sein.
Die elektrische Leistung des Motors kann z. B. zwischen 1 und 750 kW betragen. Die Drehzahl des Rotors kann z. B. zwischen 1000 und 10.000 U/Min. liegen. Eine erfindungsgemäße Maschine kann auch Anwendungen bei Drehzahlen unter 1000 U/Min. finden. Der Außendurchmesser der Maschine kann z. B. zwischen 50 mm und 1 m betragen; bei den üblichsten Anwendungen liegt der Außendurchmesser typischerweise zwischen 100 und 600 mm.
Die Erfindung ist nicht auf eine spezielle Anzahl von Polen und nicht auf eine Versorgung des Stators mit Dreiphasenstrom beschränkt. Der Strom kann mehrphasig sein, mit Phasen der der Anzahl n_Phasen, wobei n_Phasen von drei verschieden ist.
Die Achse kann aus anderen unmagnetischen Materialien als Aluminium bestehen, z. B. aus Aluminiumlegierungen.
Obwohl es weniger vorteilhaft sein könnte, könnten quaderförmige Magnete oder solche mit anderen Formen verwendet werden, unter Umständen im Kombiniation mit keilförmigen Magneten.
Die Zähne des Stators können eine zum Rotor hin gerichtete Fläche aufweisen, die nicht rotationszylindrisch um die Rotorachse ist.
Die Aussparungen können halb geschlossen sein.
Bei einer Ausführungsvariante sind Polstücke 230' auf Stäbe 220' aufgestapelt, die durch mit der Achse einstückige Endstücke gehalten werden, wie es in 20 dargestellt ist. In dieser Figur sind Magnete 270' erkennbar, die Keilform zeigen und zwischen den Polstücken 230' angeordnet sind, die auf den Stäben 220' sitzen. Die Polstücke können einen Rücksprung, wie in 21 dargestellt, aufweisen, um die Magnete 270' vor der Einwirkung der Zentrifugalkraft zu halten.

Claims

Rotor einer umlaufenden elektrischen Maschine mit mehreren Polkörpern (230; 230') und mehreren Magneten (270; 270'), die den Polkörpern ausgesetzt sind und an zwischen den Polkörpern gebildeten Aufnahmen des Rotors befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß a) die Polkörper so eingerichtet sind, daß die Aufnahmen unter Einwirkung der Zentrifugalkraft größer werden, wenn sich der Motor mit einer Geschwindigkeit über einer bestimmten Drehzahl dreht, wobei diese Vergrößerung die Tendenz hat, kleiner zu werden, wenn die Drehzahl abnimmt, b) die Magneten so eingerichtet sind, daß sie in die Zwischenabstände eingreifen, die sich durch die Vergrößerung der Aufnahmen bilden, wenn sich der Motor mit einer Geschwindigkeit über der bestimmten Drehzahl dreht, so daß die Polkörper die Magneten einzwängen wenn die Rotorgeschwindigkeit unter die vorbestimmte Drehzahl abfällt.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Polstücke (230) und der Magnete (270) so gewählt ist, daß die Differenz L_d–L_q minimal ist, wobei L_d die Induktivität in der direkten Achse und L_q die Induktivität in der Quadraturachse ist.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polkörper (230) in Rippen (220) der Achse angeordnet sind.
Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rippe dazu ausgelegt ist, durch Komplementärformen mit einem entsprechenden Ausschnitt zusammenzuwirken, der in dem zugeordneten Polkörper vorhanden ist.
Rotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (220) und der zentrale Teil (211) der Achse (210) aus einem unmagnetischen Material, insbesondere aus Aluminium, bestehen.
Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rippe (220) im Querschnitt ein Profil mit entgegengesetzten Seiten (222) aufweist, die schräge Teile aufweisen, die mit einem durch die Mitte der Rippe (220) verlaufenden Radius einen Winkel (ii) einschließen, der so gewählt ist, daß zum Herstellen der Rippen ein Material verwendbar ist, das gegen Abscherbelastungen weniger beständig ist als dasjenigen das zum Herstellen der Polstücke (230) verwendet wird.
Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (ii) in der Größenordnung von 70° liegt.
Rotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil abgerundete Abschnitte (222a, 222c) aufweist.
Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die abgerundeten Abschnitte (222a, 222c) verschiedene Krümmungsradien (R_a, R_c) aufweisen.
Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (230) an ihrer radialen Außenseite jeweils eine gewölbte Seite (235) aufweisen, die zum Stator hin konvex ist.
Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den radialen Innenrändern der Polstücke (230) und der Achse (210) Zwischenräume (260) ausgebildet sind.
Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mindestens ein Endstück (280) aus unmagnetischem Material aufweist, dessen Umfang gegenüber den Rändern der Magnete (270) zurückversetzt ist, die am Stator einander benachbart sind.
Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor so eingerichtet ist, daß er sich mit einer Drehzahl zwischen 1.000 und 10.000 U/min dreht.