DE69836889T2

DE69836889T2 - Befestigung einer Quadratwicklung in einer dynamoelektrischen Maschine

Info

Publication number: DE69836889T2
Application number: DE69836889T
Authority: DE
Inventors: Kamron Mark Fort Wayne Wright; David Thomas Cuyahoga Falls Molnar
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1998-11-05
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2018-11-06
Also published as: EP0915558A3; EP0915558A2; EP0915558B1; DE69836889D1; US6066905A

Description

Gegenstand der Erfindung sind allgemein dynamoelektrische Maschinen und spezieller eine Quadraturwindungsbefestigungseinrichtung für eine dynamoelektrische Maschine.
Dynamoelektrische Maschinen in Form von Elektromotoren haben viele Anwendungen, wie beispielsweise Lufthandhabungsgeräte, Waschmaschinen und Kompressormotoren. Ein bedeutender Teil der Vielseitigkeit solcher Motoren liegt in der Einfachheit der Herstellung. Hersteller fordern kostengünstige aber verlässliche und effiziente Motoren für Geräte und andere dicht gepackte Maschinen. Daher sehen Hersteller einen Bedarf für Motoren, die schnell und ökonomisch hergestellt werden können, ohne dass Platzbedarf, die Herstellkosteneffizienz oder die Betriebskosteneffizienz beeinträchtigt werden.
Dynamoelektrische Maschinen müssen außerdem so kommutiert werden, dass der Controller die elektrische Stromrichtung abwechselnd ändert, um eine Rotordrehung hervorzurufen, wenn die elektromotorische Gegenkraft und der Motorstrom in der richtigen Phasenbeziehung zueinander stehen. Dies stellt sicher, dass die Maschine keine elektrische Energie verschwendet, indem sie die Stromrichtung zu früh oder zu spät umschaltet und gegen das Moment des Motors arbeitet. Um eine dynamoelektrische Maschine richtig zu kommutieren, ist die akkurate Rotorpositionsinformation wesentlich und über verschiedene Rotorpositionssensoren leicht verfügbar. Ohne Information von den Positionssensoren arbeiten elektrisch kommutierte dynamoelektrische Motoren nicht richtig.
Die Quadraturwindungstechnologie bietet eine vielversprechende kostengünstige Alternative zu Hall-Effekt- Sensoren. Quadraturwindungen erfassen die Rotorposition zur Kommutierung jedoch sind sie besser als Hall-Effekt-Sensoren, weil sie eine genauere Information liefern, und an gekapselten Motorsystemen mit minimaler Anzahl von Verdrahtungsleitungen und Verbindern hinzugefügt werden können.
Eine Quadraturwindung weist einen einzelnen isolierten Leiter auf, der in einem Kanal in dem Zentrum des radial inneren Endes eines Statorzahns angeordnet ist, bis zu einem benachbarten Zahnende gewunden und wiederum in einem Zentralkanal des benachbarten Statorzahnendes angeordnet ist. Es werden an den Statorzahnenden Kanäle vorgesehen, um den Rotor daran zu hindern, an dem Leiter anzuschlagen, und um die Spaltgröße zu minimieren, die durch Erfassungseinrichtungen zwischen dem Stator und dem Rotor verursacht wird. In der Vergangenheit haben Motoren in der Produktion die Quadraturwindungstechnologie wegen der schlechten Herstellbarkeit und der hohen Arbeitskosten nicht genutzt. Es ist für Bediener schwierig, die Quadraturwindung von Hand unterzubringen, weil der Draht eine konstante Spannung benötigt, während er gewickelt wird, um sicherzustellen, dass sich die verschiedenen Windungen nicht lösen. Für die Produktion von Motoren war die Handwicklung unattraktiv, weil automatische Wicklungstechniken schnellere, kostengünstigere und genauere Ergebnisse liefern.
Die JP 05 103454 A ist ein Beispiel für die Beschreibung einer Quadraturwicklung.
Die vorliegende Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs definiert. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten abhängigen Ansprüchen definiert.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung als Beispiel mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Längsschnittansicht eines Elektromotors mit einer Quadraturwicklung und Drahtbefestigungsmitteln ist,
2 eine Endansicht eines Stators mit Drahtbefestigungsmitteln ist,
3 eine ausschnittsweise perspektivische Ansicht des Stators mit Drahtbefestigungsmitteln ist,
4 eine ausschnittsweise Perspektivansicht eines einzelnen Statorzahns mit Drahtbefestigungsmitteln ist;
5 eine Endansicht des Stators mit einem Drahtbefestigungsmittel und einer alternativen Windungskonfiguration ist,
6 eine ausschnittsweise Perspektivansicht der oberen Motorendkappe ist,
7 eine ausschnittsweise Perspektivansicht der unteren Motorendkappe ist.
In den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen entsprechende Bezugszeichen gleiche Teile.
Es wird nun auf die Zeichnungen und speziell auf 1 Bezug genommen, in der eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Befestigung einer Quadraturwindung in einer dynamoelektrischen Maschine insgesamt mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet ist. Die dynamoelektrische Maschine weist einen insgesamt mit 23 bezeichneten Rotor, eine Welle 25, einen Stator, der im Ganzen mit 27 bezeichnet ist, eine Quadraturwicklung 29 und Statorendkappen 31 auf, die als Drahtbefestigungsmittel dienen.
Der Rotor 23 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form und weist eine in einer Reihe angeordnete Gruppe von Permanentmagneten auf, die um den Umfang des Rotors äquidistant beabstandet angeordnet sind. Die Permanentmagnete sind in wechselnden magnetischen Orientierungen magnetisiert. Die Permanentmagnete sind so angeordnet, dass die Polarität des radial äußeren Teils jedes Magneten entweder nord- oder südpolarisiert ist. Der Rotor 23 ist koaxial zu einer drehbaren Welle 25 angeordnet. Die Welle 25 und der Rotor 23 haben die gleiche Längsmittelachse. Die Welle 25 dreht in zwei Lageranordnungen 33, die an dem oberen Schild und an dem unteren Schild der dynamoelektrischen Maschine 21 angeordnet sind.
Es wird nun auf die 2 bis 5 Bezug genommen, wonach der Stator 27 eine im Wesentlichen zylindrische Form und eine zentrale zylindrische Öffnung zur Aufnahme der aus dem Rotor 23 und der Welle 25 bestehenden Anordnung aufweist. Der Stator 27 besteht aus vielen horizontalen Schichten 35 aus ferromagnetischem Material. Die Schichten 35 haben eine identische Form und bilden, wenn sie Flachseite auf Flachseite aufeinander liegen, den Körper des Stators 27. Der Körper des Stators 27 hat Zähne 37, die sich von radial äußeren Abschnitten des Statorkerns radial nach innen erstrecken. Die Zähne 37 sind entlang des Umfangs des Stators 27 in regelmäßigen Winkelabständen angeordnet.
An dem radial inneren Abschnitt der Statorzähne 37 sind Kanäle 39 ausgeformt. Die Kanäle 39 verlaufen von oben nach unten jedes Zahns 37 in Längsrichtung entlang seines Zentrums. Die Kanäle gestatten es der Quadraturwicklung 29, an der Vorderseite jedes Zahns 37 gegen die radiale Innenseite des Zahns zurückgesetzt nach unten zu laufen, so dass die Quadraturwindung den Freiraum zwischen dem Rotor 23 und dem Stator 27 nicht vermindert. Eine adäquate Beabstandung zwischen den benachbarten Zähnen 37 gibt der Hauptwicklung 41 der dynamoelektrischen Maschine 21 Raum, um jeden Statorzahn mehrmals zu umrunden. Wenn sie mit alternierenden elektrischen Strömen erregt werden, veranlasst die Hauptwicklung 41 den Rotor 23 in Bezug auf den Stator 27 zu drehen.
Die Hauptwicklung 41 umfasst einen einzelnen Draht, der wiederholt um jeden Statorzahn 37 gewickelt ist und dann zu dem benachbarten Statorzahn zu führen, der in umgekehrter Richtung umwickelt ist. Die Hauptwicklung 41 führt entlang ihrer Länge einen Wechselstrom, was zwischen allen Statorzahnpaaren Magnetfelder erzeugt und somit die Drehung des Rotors 24 induziert. Die Hauptwicklung 41 ist um die Statorzähne 37 gewickelt bevor die Quadraturwindung 29 um den Stator geführt wird. Jedoch wird in Betracht gezogen, dass die Quadraturachsenwindung 29 auch vor der Hauptwicklung 41 an dem Stator angebracht werden kann.
Die Quadraturwicklung 29 umfasst einen einzelnen isolierten Leiter, durch den Strom fließt. Die Drehung des Rotors 23 induziert in der Quadraturwicklung 29 einen Strom. Wenn die alternierenden Magnetfelder der Magnete des Rotors 23 über die Quadraturwicklung 29 laufen, erzeugen die sich bewegenden Magnetfelder Ströme rechtwinklig zu dem Magnetfeld oder parallel zu der Quadraturwicklung. Weil die von jedem Zahn aus gesehene Polarität des Magneten des Rotors 23 entsprechend der Rotordrehung zwischen Nord und Süd wechselt, kann die Position des Rotors aus dem induzierten alternierenden Strom in der Quadraturwicklung 29 berechnet werden.
Die Quadraturwicklung 29 führt durch den Mittelkanal 39 eines radial inneren Abschnitts jedes Statorzahns 37. Die Hauptwicklung 41 und die Quadraturwicklung 29 sind gegeneinander elektrisch isoliert, so dass der Strom in der Quadraturwicklung 29 nur die Rotorposition repräsentiert. Der drehende Rotor 23 erzeugt, indem er an jedem Segment der Quadraturwicklung 29 vorbeiläuft, eine Anordnung sich bewegender elektromagnetischer Felder. Diese elektromagnetischen Felder induzieren den Strom in der Quadraturwicklung 29. Durch Überwachung des Stroms wird die Winkelposition des Rotors 23 berechnet.
Von einem Statorzahn 39 zum nächsten benachbarten Zahn kann die Quadraturwicklung 29 zwei vorbeschriebenen Pfaden folgen. Es wird nun auf die 2 bis 3 verwiesen, wonach die Quadraturwicklung 29 in einer ersten Ausführungsform direkt von dem oberen radial inneren Ende eines Statorzahns 37 zu dem oberen radial inneren Ende eines benachbarten Statorzahns verläuft. Die Quadraturwicklung 29 verläuft dann zu dem radial inneren Ende an der Unterseite des Statorzahns 37, von wo sie direkt zu dem radial unteren Ende des nächsten Statorzahns geht. Dieses Wicklungsmuster setzt sich um den gesamten Innenumfang des Stators 27 fort.
Es wird nun auf 5 Bezug genommen, wonach die Quadraturwicklung 29 bei einer zweiten Ausführungsform von einem Statorzahn 37 zu einem benachbarten Zahn gewickelt ist, in dem sie entlang der Oberseite des Zahns radial nach außen zu dem radial äußeren Abschnitt des Stators 27 verläuft. Die Quadraturwicklung 29 verläuft dann entlang des Außenumfangs des Stators 27 zu der Position des nächsten Zahns 37. Schlussendlich verläuft die Quadraturwicklung 29 entlang der Oberseite des Zahns 37 radial nach innen zu dem inneren Ende des Zahns, von wo die Quadraturwicklung in den Zentralkanal 39 des Statorzahns geht. Dieser Weg wird dann entlang des unteren Abschnitts zu dem nächsten benachbarten Statorzahn 37 wiederholt. Dieses Wicklungsmuster setzt sich um den gesamten Umfang des Stators 27 fort. Bei jedem Wicklungsmuster der Quadraturwicklung 29 sind die Anschlussenden der Wicklung in Anschlusseinrichtungen 51 aufgenommen, die in der Lage sind, die Isolierung durchdringende Konnektoren 53 aufzunehmen und die Quadraturwicklung mit einer (nicht veranschaulichten) Motorsteuerung zu verbinden. Jedoch wird in Betracht gezogen, dass die Anschlussenden der Quadraturwicklung 29 zusammen mit den Anschlussenden der Hauptwicklung 41 in einem (nicht veranschaulichten) Kabelbaum zum Anschluss der Steuerung untergebracht werden können.
Es wird nun auf die 6 bis 7 Bezug genommen, bevor die Hauptwicklung 41 oder die Quadraturwicklung 29 an dem Stator 27 angebracht werden, wird eine Statorendkappe 31 an der Oberseite und der Unterseite des Stators befestigt. Die Statorendkappen 31 erleichtern die Verankerung der Quadraturwicklung 29 an dem Stator 27 und die Isolation der Quadraturwicklung gegen den Stator. Die Statorendkappe 31 weist Drahthaltemittel 43 auf, die die Quadraturwicklung 29 an den radial inneren Ende jedes Zahns 37 aufnehmen und festhalten. Weil beide längsseitigen Enden des Stators 27 eine Endkappe 31 und entsprechende Haltemittel aufweisen, ist die Quadraturwicklung 39 festgehalten, wenn sie durch den Kanal 39 in den Statorzahn 37 verläuft.
Zu dem Drahthaltemittel 43 gehören Nasen 45, die voneinander um einen Abstand beabstandet sind, der geringer ist als der Durchmesser der Quadraturwicklung 29. Die Nasen 45 sind so bemessen und geformt, dass sie die Quadraturwicklung 29 reibschlüssig aufnehmen. Die Nasen 45 sind um einen Abstand beabstandet, der geringer ist als der Durchmesser der Quadraturwicklung 29, so dass eine Presspassung vorliegt, wodurch die Quadraturwicklung bei automatischer (oder manueller) Verdrahtung und bei Betrieb der dynamoelektrische Maschine 21 ortsfest gehalten ist. Verschiedene Ausnehmungen 47 an dem radial inneren Abschnitt der Endkappe 31 stehen in Ausrichtung zu den entsprechenden Kanälen 39 an den Zähnen 37. Die Quadraturwicklung 29 verläuft durch die Ausnehmung 47 und ist durch die Nasen 45 am Platz gehalten, die an einander gegenüber liegenden Seiten der Ausnehmung an dem Abschnitt der Endkappe 31 angeordnet sind, die von dem Stator 27 am weitesten entfernt ist.
Die Statorendkappe 31 besteht aus Polymermaterial, so dass die Nasen 45 an der Endkappe einstückig ausgeformt sind. Das Polymermaterial wirkt außerdem als ein zusätzlicher Isolator zwischen dem Stator 27 und der Hauptwicklung 41 und der Quadraturwicklung 29.
Die übrigen Komponenten der dynamoelektrischen Maschine 21 weichen nicht wesentlich von denen einer herkömmlichen dynamoelektrischen Maschine ab, so dass deren Diskussion für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich ist.

Claims

Dynamoelektrische Maschine (21), die: einen Rotor (23) mit wenigstens einem Permanentmagneten und des weiteren aufweist: einen Stator (27) mit einem Statorkern mit einer Zentralöffnung, von der der Rotor aufgenommen ist, wobei der Statorkern sich radial nach innen in die Zentralöffnung erstreckende Zähne (37) und eine Wicklung aufweist, die um wenigstens einen der Zähne (37) des Statorkerns gewickelt ist, eine Quadrantenwicklung (29), die so angeordnet ist, dass sie ein Ausgangssignal erzeugt, das für die Winkelposition des Rotors repräsentativ ist, wobei die Quadrantenwicklung (29) einen Draht aufweist, der sich längs des Statorkerns entlang der inneren Enden von wenigstens einigen der Statorzähne (37) erstreckt, sowie, kennzeichnenderweise, Drahthaltemittel (43), die wenigstens einigen der Statorzähne zugeordnet sind, um mit der Quadrantenwicklung in Eingriff zu kommen und diese festzuhalten, um die Quadrantenwicklung in dem Statorkern am Platz zu halten, wobei das Drahthaltemittel (43) ein Paar Nasen (45) aufweist, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der geringer ist als der Durchmesser des Quadrantenwick lungsdrahts, so dass der Draht zwischen den Nasen (45) in Presspassung aufgenommen ist, wobei das Drahthaltemittel im Wesentlichen an den radial inneren Enden der wenigstens einigen Statorzähne (37) angeordnet ist.
Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, bei der das Drahthaltemittel (43) an beiden Längsenden des Statorkerns angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Draht der Quadrantenwicklung (29) im Wesentlichen an dem radial inneren Ende der wenigstens einigen Statorzähne (37) aufzunehmen und festzuhalten.
Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Paar Nasen (45) ein erstes Nasenpaar bildet, wobei die dynamoelektrische Maschine außerdem ein zweites Nasenpaar für jedes erste Nasenpaar aufweist, wobei jedes zweite Nasenpaar im Wesentlichen benachbart zu den radial äußeren Enden der Zähne (37) und in radialer Übereinstimmung mit dem entsprechenden ersten Nasenpaar angeordnet ist.
Dynamoelektrische Maschine nach einem der vorausgehenden Ansprüche, außerdem aufweisend Endkappen (32), die aus Polymermaterial ausgebildet sind, und Zähne aufweisen, die den Zähnen (37) des Statorkerns entsprechen, wobei die Endkappen an entsprechenden Enden des Statorkerns montiert sind, wobei die Nasen (45) mit den Endkappen einstückig ausgebildet sind.
Dynamoelektrische Maschine nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens einigen Zähne (37) jeweils einen Kanal in ihren radialen inneren Enden auf weisen, der sich längs zu dem Statorkern erstreckt, wobei die Kanäle in sich die Quadrantenwicklung aufnehmen.
Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 4, bei der die Endkappen (31) jeweils eine Ausnehmung aufweisen, die in Übereinstimmung mit einem entsprechenden Kanal von einem der wenigstens einigen Statorzähne (37) steht, wobei die Nasen (45) an einander gegenüber liegenden Seiten der Ausnehmung angeordnet sind.
Statorendkappe (31) zur Verwendung in einer dynamoelektrische Maschine (21) nach einem der vorausgehenden Ansprüche zur Befestigung einer Quadrantenwicklung (29), die zur Erfassung der Drehposition eines permanentmagnetischen Rotors (23) genutzt und innerhalb eines Statorkerns der dynamoelektrischen Maschine angeordnet ist, wobei die Statorendkappe gekennzeichnet ist durch: einen Außenringabschnitt mit einem äußeren Durchmesser, der einem Außendurchmesser des Statorkerns entspricht, und mit einem Innenumfang und einer Zentralöffnung, Zähne (37), die von dem Innenumfang des Ringabschnitts radial nach innen in die Zentralöffnung der Endkappe hinein vorstehen, Drahtbefestigungsmittel (43), die im Wesentlichen an den radial inneren Enden der wenigstens einigen Zähne (37) angeordnet sind, um den Quadrantenwicklungsdraht, der die Quadrantenwicklung bildet, aufzunehmen und festzuhalten, wobei das Drahtbefestigungsmittel (43) aus einem Paar Nasen (45) besteht, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der kleiner ist als der Durchmesser des Quadrantenwicklungsdrahts, so dass der Draht zwischen den Nasen (45) in einem Presssitz aufgenommen ist, wobei das Drahtbefestigungsmittel (43) im Wesentlichen an den radial inneren Enden der wenigstens einigen Zähne angeordnet ist.
Statorendkappe nach Anspruch 7, wobei das Paar Nasen (45) ein erstes Nasenpaar bildet, die Statorendkappe (31) außerdem ein zweites Nasenpaar für jedes erste Nasenpaar aufweist, wobei jedes zweite Nasenpaar an dem Ringabschnitt im Wesentlichen zu den radial äußeren Enden der Zähne (37) und in radialer Ausrichtung zu dem entsprechenden ersten Nasenpaar angeordnet ist.
Statorendkappe nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Endkappe (31) aus Polymermaterial und die Nasen (45) mit der Endkappe einstückig ausgebildet sind.
Statorendkappe nach einem der Ansprüche 7 bis 9, außerdem aufweisend eine an dem radial inneren Ende jedes der wenigstens einigen Zähne (37) angeordneten Ausnehmung, wobei die Nasen (45) an einander gegenüber liegenden Seiten der Ausnehmung angeordnet sind.