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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Drehmaschinen
mit Permanentmagnetrotoren. Eine Maschine des Stands der Technik
ist in der
US 2002 149235 offenbart.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer elektrischen Drehmaschine, insbesondere eines Gleichstrommotors, der
zum Beispiel bei elektrischen Haushaltsgeräten verwenden werden kann,
wobei die Drehmaschine eine Struktur aufweist, die äußerst einfach
ist und mit sehr geringen Kosten produziert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gemeinsam mit anderen erfindungsgemäß durch eine elektrische Drehmaschine
erfüllt,
die Folgendes umfasst:
einen Rotor mit zumindest einem Permanentmagneten
zur Schaffung einer gleichmäßigen ringförmigen Verteilung
von magnetischen Polaritäten
mit winkelförmig
wechselnden Vorzeichen um die Drehachse des Rotors herum, und zwar
innerhalb einer magnetisierten Fläche, die auf einer zur Achse
im Wesentlichen lotrechten Ebene liegt, und
einen Stator, umfassend:
eine
strömungsübertragende
Struktur, die mit einer durch Druck geformten Masse von isolierten
ferromagnetischen Partikeln gebildet ist; wobei die Struktur einen
Grundabschnitt aufweist, aus dem sich erste und zweite Arme im Wesentlichen
paralle zur Achse des Rotors erstrecken, wobei die Arme im Wesentlichen
in einem ersten bzw. zweiten radialen Abstand von der Achse gelegen
sind und sich winkelförmig miteinander
abwechseln; wobei die Enden der ersten und zweiten Arme, die dem
Grundabschnitt gegenüberliegen,
der magnetisierten Fläche
des Rotors frontal gegenüberstehen,
von welcher sie durch einen Luftspalt getrennt sind; und
eine
Wicklung, die koaxial zum Rotor angeordnet ist, und zwar in einem
zwischen den ersten und zweiten Armen der strömungsübertragenden Struktur liegenden,
ringförmigen
Bereich.
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Weitere
charakteristische Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor, welche rein
anhand eines nicht einschränkend
gedachten Beispiels dargelegt ist, und zwar unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen, wobei:
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1 eine
Seitenansicht eines gemäß der vorliegenden
Erfindung gestalteten Elektromotors ist;
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2 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie II-II der 1 ist;
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3 eine
perspektivische Querschnittsansicht des Elektromotors gemäß den 1 und 2 ist;
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4 eine
Draufsicht auf einen Teil des Stators des Motors gemäß den vorhergehenden
Figuren ist;
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5 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie V-V der 4 ist;
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6 eine
Draufsicht auf eine in einem erfindungsgemäßen Motor inkludierte strömungsübertragende
Struktur ist;
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7 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie VII-VII der 6 ist;
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8 eine
Seitenansicht in Richtung des Pfeils VIII der 6 ist;
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9 eine
perspektivische Ansicht der strömungsübertragenden
Struktur gemäß den 6 bis 8 ist;
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10 eine
Unteransicht einer Spule für eine
Wicklung des Elektromotors gemäß den vorhergehenden
Figuren ist;
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11 eine
Ansicht im vergrößerten Maßstab eines
in 10 durch den Pfeil XI angezeigten Details ist;
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12 eine
Querschittsansicht entlang der Linie XII-XII der 10 ist;
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13 eine
Ansicht im großen
Maßstab
eines in 12 durch XIII angezeigten Details
ist;
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14 eine
Draufsicht auf eine gedruckte Schaltung für die Steuerkomponenten eines
Motors gemäß den vorhergehenden
Figuren ist; und
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15 eine
perspektivische Ansicht eines Permanentmagneten für den Rotor
eines Motors gemäß den vorhergehenden
Figuren ist.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf die 1 bis 3 bezeichnet 1 allgemein
einen gemäß der vorliegenden
Erfindung gestalteten Elektromotor.
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Obwohl
sich die untenstehende Beschreibung auf eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine bezieht, die dazu bestimmt ist, als Motor zu funktionieren,
ist die untenstehende Beschreibung, wie für den Fachmann offensichtlich
ist, mit den nötigen
Abänderungen
auf eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine anwendbar, die dazu bestimmt ist, als Generator zu funktionieren.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 3 handelt
es sich bei dem dort gezeigten Motor 1 insbesondere um
einen Gleichstrommotor, der einen allgemein mit 2 bezeichneten
Rotor und einen allgemein mit 3 bezeichneten Stator umfasst.
Bei der als Beispiel gezeigten Ausführungsform umfasst der Rotor 2 einen
Stützkörper 4 im
Wesentlichen in Form einer umgedrehten Schale, an deren Stirnwand 4a ein
ringförmig
gestalteter Permanentmagnet 5 befestigt ist.
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Der
Rotor 2 umfasst auch eine Welle 6, bei der ein
Ende 6a im Inneren des Körpers 4 des Rotors koaxial
befestigt ist. Die Welle 6 ist insbesondere im Mittelabschnitt
der Stirn-wand 4a des Körpers 4 in vorspringender
Weise angebracht.
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Der
Stator 3 umfasst eine Stützstruktur, die in den 2 und 3 allgemein
mit 7 bezeichnet ist. Diese Struktur, die wie der Körper 4 des
Rotors z.B. aus Pressmasse gefertigt sein kann, umfasst im Wesentlichen
einen Endabschnitt 8, aus dessen einer Seite sich ein allgemein
mit 9 bezeichneter Stielabschnitt zentral erstreckt (siehe
auch 4 und 5).
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
weist das Ende 8 der Stützstruktur 7 des
Stators an der dem Körper 4 des
Rotors zugewandten Seite zwei koaxiale ringförmig gestaltete Elemente 8a, 8b auf, zwischen
denen eine Rille 10 definiert ist, in der sich die untere
Endkante des Körpers 4 des
Rotors mit radialem Spielraum erstreckt.
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Der
stielartige Abschnitt 9 der Stützstruktur 7 des Stators
weist eine zylindrische, röhrenförmige Innenwand 11 auf,
um die sich eine weitere annähernd zylindrische
Wand 12 koaxial erstreckt. Die Wand 12 bildet
tatsächlich
eine in 4 mit 13 bezeichnete Vertiefung,
die eine Winkelausdehnung aufweist, welche im dargestellten Beispiel
beinahe 90° beträgt. Diese
Vertiefung erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der
Wand 12, wie bei Betrachtung der 4 z.B. in
Verbindung mit 5 verständlich wird.
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Wie
in den 2 und 3 zu sehen ist, estreckt sich
die Welle 6 des Rotors 2 koaxial an der Innenseite
der röhrenförmigen Wand 11 der
Stützstruktur 7 des
Stators und wird dort z.B. durch zwei Buchsen 14 und 15 drehbar
gehalten.
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Eine
in den 2, 3 und 6 bis 9 allgemein
mit 16 bezeichnete strömungsübertragende
Struktur ist am Abschnitt 9 der Stützstruktur 7 des Stators 3 angebracht.
Die strömungsübertragende
Struktur 16 ist zweckmäßigerweise
in einem Stück
mit einer durch Druck geformten Masse von isolierten ferromagnetischen
Partikeln gebildet. Diese Struktur 16 besitzt insbesondere
einen Grundabschnitt 17, der im dargestellten Beispiel
im Wesentlichen die Form eines planaren Rings hat, aus dessen einer
Seite sich zwei Gruppen von Laschen oder Arme nach oben erstrecken,
und zwar im Wesentlichen parallel zur Achse A-A des Rotors, welche Laschen
oder Arme mit 18 bzw. 19 bezeichnet sind.
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Der
Grundteil 17 muss nicht notwendigerweise planar sein, sondern
könnte
auch die Form einer Schale mit einer Öffnung in ihrer Stirnwand aufweisen.
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Wie
insbesondere in 6 zu sehen ist, liegen die Arme 18 eher
außen,
wobei sie in einem gleichen radialen Abstand von der Achse A-A gelegen sind
wie die Arme 19, die stattdessen in einem gleichen und
kleineren radialen Abstand von dieser Achse gelegen sind.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
besitzt die strömungsübertragende
Struktur 16 vier radial äußerste Arme 18, die
winkelförmig äquidistant sind
und sich um das gleiche Ausmaß erstrecken, und
vier radial innerste Arme 19, die ebenfalls winkelförmig äquidistant
sind und sich um das gleiche Ausmaß erstrecken.
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Wie
weiter oben erwähnt,
hat der Grundteil 17 der strömungsübertragenden Struktur 16 zweckmäßigerweise
eine ringförmige
Gestalt, und die Arme 18 erstrecken sich fluchtend mit
seinem Außenumfang,
während
sich die Arme 19 im Wesentlichen fluchtend mit dem Rand
seiner kreisförmigen
Innenöffnung 20 erstrecken.
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Wie
in 6 deutlicher zu sehen ist, sind die inneren Arme 19 der
strömungsübertragenden
Struktur 16 so gelegen, dass sie sich mit den radial äußersten
Armen 18 winkelförmig
abwechseln.
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Die
Arme 18 und 19 haben zweckmäßigerweise im Wesentlichen
dieselbe Querschnittsfläche.
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Die
Arme 18 und 19 können an ihren äußeren Enden
einen bestimmten Grad an winkelförmiger Überlappung
aufweisen, und die letzteren können geeigneterweise
auch spitz zulaufend und/oder gegliedert sein, um das sogenannte „Nutrastmoment" zu reduzieren.
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Die
Endflächen 18a und 19a der
Arme 18 und 19 der Struktur 16, die dem
Grundteil 17 gegenüberliegen,
sind so gelegen, dass sie der Fläche 5a des
Permanentmagneten 5 des Rotors frontal gegenüberstehen
(2 und 3).
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Zwischen
den Endflächen 18a und 19a der Arme 18 und 19 der
strömungsübertragenden
Struktur 16 des Stators und der flachen ringförmigen Fläche 5a des
Permanent-magneten 5 ist ein Luftspalt 21 definiert
(2 und 3).
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Ein
ringförmiger
Bereich, innerhalb dessen eine Spule 22, die eine Wicklung 23 aus
elektrischem Isolierdraht trägt,
angeordnet ist, ist zwischen den radial äußeren Armen 18 und
den radial inneren Armen 19 in der strömungsübertragenden Struktur 16 definiert.
Diese Spule ist insbesondere in den 10 bis 13 dargestellt
und umfasst einen röhren-förmigen Zwischenabschnitt 22a,
der mit zwei ringförmigen
Endflanschen 22b und 22c versehen ist (10 und 12).
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Die
Endflächen 18a, 19a der
Arme 18, 19 liegen zweckmäßigerweise nicht auf derselben
Querebene, sondern sind leicht geneigt, und zwar alle in dieselbe
Richtung, wie insbesondere in den 7 und 8 zu
sehen ist. Dies führt
zu einem Luftspalt von zyklisch variabler Breite und zur Möglichkeit,
eine vordefinierte Winkel-Ruheposition
für den
Rotor 2 festzulegen und bei Inbetriebnahme die Erzeugung eines
Drehmoments von vorbestimmter Größe sicherzustellen.
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Wie
insbesondere in 10 zu sehen ist, haben die Flansche 22b und 22c der
Spule 22 ein gestaltetes Umfangsprofil, so dass sie fähig sind,
in den ringförmigen
Bereich zwischen den äußeren Armen 18 und
den inneren Armen 19 der strömungsübertragenden Struktur 16 einzugreifen.
Diese Flansche weisen insbesondere jeweils vier radial vor-springende
Laschen 24 auf, die winkelförmig äquidistant sind und sich um
das gleiche Ausmaß erstrecken
und in die Zwischenräume
zwischen Paaren von benachbarten Armen 18 der strömungsübertragenden
Struktur 16 eingreifen.
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Unter
Bezugnahme auf 12 erstrecken sich Bolzen 25 zentral
aus den radial vorspringenden Laschen 24 des unteren Flansches 22c der
Spule 22 (siehe auch 10, 11 und 13).
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Diese
Bolzen 25 sind parallel zueinander und erstrecken sich
im zusammengebauten Zustand der Spule durch entsprechende Umfangseinschnitte 26 im
Grundteil 17 der strömungsübertragenden
Struktur 16 (siehe 6 bis 9).
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Die
Bolzen 25 haben entsprechende axiale Nuten 27.
Die Anschlussklemmen der an der Spule 22 montierten Wicklung 23 erstrecken
sich durch die Nuten 27 zumindest eines Paars dieser Bolzen.
Die Bolzen 25 der Spule enden in entsprechenden kegelförmigen Elementen 28,
die in korrespondierende Öffnungen 29 einer
gedruckten Schaltung 30 von im Wesentlichen ringförmiger Gestalt
eingreifen, welche sich um den Stielabschnitt 9 der Stützstruktur 7 des Stators
herum erstreckt (2, 3 und 14). In
einer nicht dargestellten Art und Weise beherbergt die gedruckte
Schaltung 30 Komponenten von Schaltungen, die den Elektromotor 1 steuern.
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Die
Laschen 28 der Bolzen 25 der Spule 22 erstrecken
sich durch die Öffnungen 29 der
Leiterplatte 30 und über
diese hinaus und werden beispielsweise durch Warmstauchen an dieser
Platte befestigt.
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Die
Anschlussklemmen der an der Spule 22 montierten Wicklung 23 gehen
durch die Nuten 27, die im Inneren der in der Spule integrierten
Bolzen 25 definiert sind, und werden beispielsweise durch
Löten mit
den an der Platte 30 angeordneten gedruckten Schaltungen
verbunden.
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Wie
insbesondere in 14 zu sehen ist, hat die Platte 30 eine
Lasche 31, die sich von deren Innenrand zur Achse A-A des
Rotors radial erstreckt. Diese Lasche 31 ist im Inneren
der seitlichen Vertiefung 13 des stielartigen Teils 9 der
Stützstruktur 7 des Stators
positioniert.
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Bei
der als Beispiel dargestellten Ausführungsform ist die Lasche 31 der
Platte 30 mit einer Öse 32 versehen,
in deren Innerem eine Trägerplatte 33 von
länglicher
Form befestigt ist (2), wobei sich diese Platte
parallel zur Achse des Motors erstreckt, und zwar bis zum Inneren
des Hohlraums des ringförmigen
Permanentmagneten 5. Das dem Magneten 5 zugewandte
Ende der Platte 33 ist mit einem Sensor 34, beispielsweise
des Hall-Typs, versehen. Während
des Betriebs ermöglicht
dieser Sensor die Erfassung der Winkel-position des Rotors.
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Die
Platte 33 besitzt auch Führungen zum Verbinden des Sensors 34 mit
den anderen Komponenten der Schaltungen, die an der Leiterplatte 30 angeordnet
sind. 15 zeigt eine Bauform des Permanentmagneten 5.
Dieser Magnet ist so gestaltet, dass er zumindest an seiner dem
Stator zugewandten flachen Seite 5a eine gleichmäßige Verteilung von
Magnetpolen N, S aufweist, die um die Drehachse des Rotors herum
winkel-förmig
abwechselnd angeordnet sind.
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Die
Anzahl der Magnetpole, die vom Magneten 5 auf dessen Oberfläche 5a geschaffen
werden, entspricht vorzugsweise der Gesamtzahl von äußeren Armen 18 und
inneren Armen 19 der strömungsübertragenden Struktur 16.
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Die
Anordnung ist in diesem Fall solcherart, dass, wenn die radial äußersten
Arme 18 der strömungsübertragenden
Struktur 16 mit ihren Endflächen 18a Abschnitten
oder Segmenten des Permanentmagneten 5 mit der Polarität N zugewandt
sind, die radial innersten Arme 19 der Struktur 16 mit
ihren Endflächen 19a Abschnitten
oder Segmenten des Magneten mit einer Polarität S zugewandt sind.
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Wie
aus der obenstehenden Beschreibung verständlich wird, ermöglicht die
vorliegende Erfindung die Konstruktion von elektrischen Drehmaschinen
mit einer außerordentlich
einfachen und kompakten Struktur und einer äußerst geringen Zahl von Teilen.
Diese Maschinen können
daher zu sehr geringen Kosten hergestellt werden.
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Die
Erfindung kann auch für
die Herstellung von Gleichstrom- oder Wechselstrom-Elektromotoren sowie
von Generatoren verwendet werden.
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Die
Ausführungsformen
und Konstruktionsdetails können
in Bezug auf jene, die rein anhand eines nicht einschränkend gedachten
Beispiels beschrieben und veranschaulicht wurden, stark abgeändert werden,
ohne dadurch vom in den angeschlossenen Ansprüchen definierten Umfang der
Erfindung abzuweichen und ohne das Prinzip der Erfindung offensichtlich
zu verändern.