WO1992011682A2 - Elektronisch kommutierte gleichstrommaschine - Google Patents

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WO1992011682A2
WO1992011682A2 PCT/EP1991/002502 EP9102502W WO9211682A2 WO 1992011682 A2 WO1992011682 A2 WO 1992011682A2 EP 9102502 W EP9102502 W EP 9102502W WO 9211682 A2 WO9211682 A2 WO 9211682A2
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WO
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permanent magnet
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conductor
annular gap
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PCT/EP1991/002502
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Erich +Di Rabe
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Rabe, Hans-Joachim +Hm
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    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
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    • H02K9/02—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine
    • H02K9/04—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium

Definitions

  • the invention relates to an electronically commutated DC machine with a permanent magnet rotor.
  • the DC machine can be operated both as a motor and as a generator.
  • the invention relates to an electronically commutated direct current motor which is designed for higher powers, for example 100 kW and more.
  • This DC motor according to the invention can preferably be used as the drive motor of motor vehicles, in particular passenger cars.
  • the invention relates to an electronically commutated DC machine, in particular a DC motor, with an axis of rotation, with a first permanent magnet rotor, one with respect to the axis of rotation essentially cylindrical annular gap, in which a homogeneous magnetic field is formed with a straight, radial field line course and constantly changing polarity.
  • This permanent magnet rotor is associated with an ironless, meandering stator arrangement which has straight meander sections leading to or from it, which are aligned parallel to the axis of rotation and extend within the annular gap, each meander section leading straight to or from a number of geometrically there are parallel conductor sections which have a substantially rectangular cross section.
  • the motors described in this document are characterized, among others, characterized in that for a given engine volume a multiple of the torque can be generated, which can be achieved with conventional engines of the same size.
  • a multiple of the torque can be generated, which can be achieved with conventional engines of the same size.
  • the comparatively small engine volume makes it difficult to dissipate the heat generated during operation.
  • the object of the present invention is to create an electronically commutated DC machine / DC motor of the type mentioned at the outset, which / which absorbs / delivers an even higher torque with a low weight and compact design , without inadmissible heating taking place even with frequently and strongly changing loads.
  • Another object of the present invention is to provide a DC motor of this type which is suitable as a drive motor for motor vehicles and which has a particularly high peak torque, for example up to 280 Nm and more, as well as a high rated power, for example up to 100 kW and delivers more.
  • Another object of the invention is to facilitate the manufacture and assembly of such a DC motor.
  • a mechanically stable, self-supporting meandering stator arrangement is to be provided, which is easier to manufacture and which can be easily inserted into a given annular gap on the permanent magnet rotor.
  • a still further object of the invention relates to the accommodation of a cooling device within the housing of the DC machine.
  • a cooling device depending on the requirement, a cooling air flow can be generated, with the aid of which the components of the power drive level are cooled.
  • the concept of motor-in-motor is to be implemented in a DC machine of this type.
  • at least one further, essentially cylindrical drive plane is formed within a first, essentially cylindrical power drive plane in the same rotation plane around the same axis of rotation, which can be controlled and set in rotation independently of the first power drive plane.
  • first permanent magnet rotor with an essentially cylindrical annular gap with a homogeneous magnetic field with a rectilinear, radial field line profile and constantly changing polarity
  • Each conductor section is arranged within the annular gap in such a way that the longer side of the conductor cross section is aligned parallel to the field line.
  • the present invention selects a 90 ° rotated arrangement of the rectangular cross-section conductors within the magnetically active annular gap, so that within the annular gap the longer side of the conductor cross section is aligned parallel to the field line profile. Practically the entire conductor cross section is always in a field section with the same homogeneous field. The formation of eddy currents within the conductor section located in the magnetic annular gap is considerably reduced.
  • Conductor sections are reduced to such an extent that, for a given motor dimension, up to 100 percent higher motor output can be achieved.
  • the direct current motor according to the invention preferably has a permanent magnet rotor with a number of permanent magnet poles which are polarized essentially perpendicular to the axis of rotation and are arranged in an outer ring-shaped arrangement and in an inner ring-shaped arrangement. Between which the magnetically active annular gap is formed. Adjacent poles are alternately polarized on each annular arrangement. One north or south pole of the outer annular arrangement is opposed by an opposite pole of the inner annular arrangement. With this arrangement, a permanent magnet rotor is obtained which has an annular gap with a homogeneous magnetic field with a rectilinear, radial field line course and constantly changing polarity.
  • Each ring-shaped arrangement of permanent magnet poles can consist of a closed ring made of permanent magnet material, on which neighboring zones have been alternately polarized.
  • a closed ring made of permanent magnet material increases stability and reduces the effort involved in assembling the permanent magnet rotor.
  • the annular arrangement is preferably made for the annular arrangement to be constructed from individual, elongated elements made of permanent magnet material. This individual
  • Elements are attached on their back to a ring made of magnetically conductive material in order to form a stable, ring-shaped permanent magnet arrangement. Individual magnetic elements require less magnetic material. Precise mechanical processing of the sintered material and homogeneous magnetization can be carried out within a magnetic element.
  • the distance between two adjacent magnetic elements in an annular arrangement can preferably be chosen to be substantially equal to the radial dimension (length) of the annular gap. In this way, a magnetic shunt between adjacent magnets of the same name within an annular arrangement is avoided. The homogeneity of the magnetic field in the magnetically active annular gap is further increased.
  • Each ring-shaped arrangement of permanent magnet material is preferably additionally supported on the side facing away from the ring gap on a further ring of magnetically conductive material, which closes the magnetic flux.
  • the magnetic field strength in the annular gap is increased and the homogeneity of the field is further increased.
  • the meandering stator arrangement provided according to the invention consists of several separate conductor tracks per phase, which are arranged geometrically parallel to one another and meandering together.
  • Each track has one comparatively large conductor cross-section in order to keep the conductive power loss as low as possible.
  • each conductor track has a rectangular conductor cross section in which the aspect ratio between the long side and the narrow side is more than 2: 1.
  • Conductor cross sections are preferably provided in which this aspect ratio is more than 4: 1, for example 10: 1 and more.
  • the meandering stator arrangement consists of a plurality of copper strips which are guided in parallel and at a distance from one another, the cross section of which has a length of approximately 12 mm and a width of approximately 1 mm.
  • An alternative meandering conductor track arrangement consists of a practically endless long copper tape with the cross-sectional dimensions 5 x 2 mm.
  • each conductor track can be provided with an insulating covering.
  • the meandering stator arrangement can be constructed from two separate annular, meandering conductor track arrangements.
  • Each meandering conductor track arrangement has straight meander sections and straight meander sections, between which there is a space. In this space can - without Touching the adjacent meander sections - a straight meander section of a further, electrically separated, meandering guideway arrangement can be used.
  • Each of these two, electrically separated, ring-shaped, meandering conductor track arrangements can in turn be constructed from individual conductor tracks, for example four conductor tracks, as described above.
  • the two separate, meandering conductor track arrangements can be controlled, for example, with a phase shift of 90 °. For example, a
  • the number of individual conductor tracks is preferably selected as a function of the conductor track cross section and the distance between adjacent conductor tracks so that the total width of a conductor track stack does not exceed half the pole width of the permanent magnet poles. Taking into account the width of the neutral zone between adjacent permanent magnet poles, commutation can be carried out with simple means, in which a given stack of conductor tracks is always in a field of uniform polarity. The magnetic field induced when current passes through the stator arrangement — depending on the direction of the current and the polarity of the adjacent permanent magnets — is optimally used.
  • a circuit which connects the individual, separated conductor tracks, which form the meandering stator arrangement, with one another in parallel or in series.
  • Such a switchover between series connection or parallel connection of the individual conductor tracks allows a further considerable adaptation to the operating state or power requirement of the drive motor of a motor vehicle.
  • a particularly high torque is required at low revs.
  • a series connection is carried out, which delivers a particularly high torque Due to the low number of revolutions, the back emf induced in the sator arrangement is small and tolerable.
  • the conductor tracks can be connected in parallel.
  • Such a parallel connection allows a higher current consumption and a higher motor output, as is desirable for higher vehicle speeds. This flexibility in the torque and power output of the engine reduces the requirements for a manual transmission of the vehicle.
  • the motor and its control electronics can take over or replace an essential part of the functions of a conventional manual transmission.
  • the meandering stator arrangement consisting of a plurality of conductor tracks which are geometrically parallel and spaced apart forms one after the other
  • An arrangement is preferably selected in which the straight meander sections leading to or from the outlet run completely within the magnetically active annular gap on the permanent magnet rotor.
  • each conductor section leading straight is connected to the adjacent conductor section via a winding head.
  • the conductor tracks in each winding head preferably have essentially the same cross section as the conductor sections in the adjacent, straight meander sections. More typical
  • Each winding head is led out above or below the magnetically effective annular gap in the radial direction from an imaginary extension of the annular gap, then angled at right angles, then runs essentially parallel to the annular gap, but outside of an imaginary extension of the annular gap by a renewed right-angled bend again to enter this imaginary extension of the Rinspaltae ⁇ and to pass into the next adjacent straight conductor section.
  • the foot sections of the winding overhangs located below the annular gap can be inserted into suitable slots in a stator holder.
  • Small insulating spacers can be inserted into the spaces between adjacent conductor sections, which together form a straight, leading or leading meander section, which ensure the desired distance between the adjacent conductor tracks.
  • These spacers consist of heat-resistant, electrically insulating and magnetically inert material, such as, for example, ceramic material, such as aluminum oxide. The presence of these insulating spacers ensures the required stability of a self-supporting meandering stator arrangement even with very considerable field strengths and corresponding magnetic forces.
  • the magnetic field strength in the ring gap increases quadratically with the decrease in the ring gap length (dimension in the radial direction). It is therefore expedient to keep the annular gap length as short as possible and to choose the distance between opposing permanent magnet poles so that these poles rotate past the conductor track sections in a contactless manner.
  • the distance between the orbit of the permanent magnet poles and the fixed interconnect sections is only a few 1/100 mm.
  • the outer magnetic ring can be formed from two half-shells, which are assembled to form a closed magnetic ring after the stator arrangement has been introduced into the annular gap. In any case, however, it is desirable to design the inner magnetic ring from the outset as a closed ring.
  • a meandering stator arrangement cannot be used in such an inner closed magnetic ring if it has inner winding heads which are arranged outside the annular gap, namely between the annular gap and the axis of rotation.
  • a further embodiment of a direct current machine according to the invention has at least one meandering stator arrangement, the straight leading meander sections of which are connected to the following straight leading meander sections each via a winding head, at least the upper winding heads being arranged within an imaginary extension of the rin gap in order to axially insert this meandering stator arrangement into the ring gap to enable.
  • the rotor arrangement can be completed in advance and has a closed ring made of magnetic yoke material for both the inner annular permanent magnet arrangement and for the outer annular permanent magnet arrangement, to which the individual elements made of permanent magnet material are permanently attached are brought.
  • Such closed rings can simply be attached to the rotor carrier, for example using the shrinkage during thermal cooling to shrink onto annular projections on the rotor carrier. Other locking and fastening means are avoided, which could result in an unbalance.
  • the meandering stator arrangement is mechanically stable and self-supporting and can be manufactured with an accuracy of a few 1/100 mm in the peripheral area. This stator arrangement is fastened to a base plate of the direct current machine and can then be inserted into the magnetically active annular gap on the permanent magnet rotor when the fixed part and the rotating part of the direct current machine are brought together.
  • the meandering stator arrangement is made up of a first and a second, each essentially semi-circular conductor track arrangement segment, which is electrically separated from the first conductor track arrangement segment.
  • the two conductor track order segments have the same circumference and are arranged within the annular gap.
  • the straight meander sections leading to or from the second conductor track arrangement segment are spatially offset by approximately half the pole width of the permanent magnet poles in the direction of the annular gap from the straight meander sections of the first conductor track arrangement segment.
  • “Width” here denotes the dimension in the circumferential direction of the annular gap; in the same way, “length” denotes the dimension in the radial direction in relation to the axis of rotation of the DC machine.
  • these semicircular conductor track arrangement segments In order to ensure, despite the use of semicircular, meandering conductor track arrangement segments, an electrical series arrangement of all the conductor track sections in the straight back and forth meander sections, these semicircular conductor track arrangement segments have additional return sections which the conductor track sections in the end Connect the permanent leading meander section to the corresponding conductor track sections in the initial leading meander section.
  • the two conductor track arrangement segments arranged in this way are driven with a phase shift of 90 °, a direct current motor is obtained during motor operation, which starts up easily from any position.
  • a 100 kW motor with 30 permanent magnet poles on a rotor circumference of approx. 100 cm excellent synchronism is obtained.
  • Angle-dependent torque fluctuations are largely eliminated.
  • the two electrically separated and spatially staggered, semicircular printed circuit arrangement segments each have the effect of a cylindrical stator winding and enable excellent control of the start-up state and the operating state during motor operation.
  • the groove gap length can be reduced accordingly and requires only a little more than that Longitudinal extension of the conductor cross-section.
  • the gaps between adjacent straight, leading or going meander sections are not used because there are no conductor track sections of the stator arrangement in these gaps.
  • a comparatively narrow magnetically active ring gap whose ring gap length does not exceed 6 to 8 mm
  • highly effective magnetic materials such as Co / S sinter materials
  • this is tolerable because a high magnetic flux density in the ring gap for example 1.4 Teslar and more can be achieved.
  • the number of conductors of the stator arrangement must be limited so that the generator voltage does not rise excessively high during motor operation at high speeds.
  • permanent magnets with less energy are used, for example when using conventional ferrites, it may be desirable to also utilize these gaps in the stator arrangement.
  • a configuration of the DC machine can be provided, the stator arrangement of which has a first meandering conductor track arrangement, which is essentially designed as a full-circle cylinder, the winding heads of which are arranged within an imaginary extension of the annular gap, and which are arranged between adjacent ones straight leading or leading meander sections has gaps of uniform width.
  • a second meandering conductor track arrangement is provided which has second straight, leading or returning meander sections and second winding heads, the second meander sections being inserted into the gaps of the first meandering conductor track arrangement in such a way that the two conductor track arrangements are arranged one inside the other and have the same scope.
  • the second end windings are arranged in the radial direction outside an imaginary extension of the ring gap. In this case, there are both the top and bottom Winding heads of the second meandering conductor track arrangement in the radial direction outside an imaginary extension of the annular gap.
  • At least a closed arrangement can be provided for the inner magnetic ring on the rotor.
  • the stator arrangement can then be easily inserted into the rotor arrangement on this inner magnetic ring.
  • an arrangement is selected from two semicircular half-shells, which are assembled and closed to form a closed magnetic ring after the stator arrangement has been inserted into the annular gap.
  • stator arrangement for a direct current machine of the type claimed.
  • the stator arrangement should be mechanically stable and self-supporting and, after being fixed in the area of the stator foot or the lower winding head, without further ado protrude additional carrier into the annular gap and withstand the considerable mechanical forces there without any mechanical deformation.
  • the first conductor track arrangement or each conductor track arrangement segment each consists of a single piece of uninterrupted, band-shaped conductor material with an essentially rectangular cross section.
  • insulated copper conductor material with a cross section of 5 x 2 mm was used.
  • the practically endlessly long, initially essentially straight, band-shaped conductor material is continuously bent at right angles after predetermined intervals in order to obtain a meandering stator winding, as is shown schematically with FIGS. 4a and 4b.
  • the continuous right-angled bending can be carried out, for example, with the aid of a device which has at least one groove for receiving a straight piece of conductor wire. material.
  • This groove ends at a contact surface that is oriented perpendicular to the groove.
  • a rotatably held roller is slidably arranged along the contact surface. With the help of this roller, a section of a certain length of the conductor material protruding over the groove is bent at right angles and brought to bear on the contact surface.
  • a practical embodiment of such a meandering stator arrangement corresponds to a semi-circular
  • Conductor arrangement segment with 14 straight meander sections and 5 per straight meander section, spatially spaced apart from one another and additionally electrically insulated conductor track sections.
  • the distance between two adjacent conductor track sections of a middle section permits the forced passage of cooling air and reduces the self-induction when the current direction is reversed.
  • the corresponding conductor sections abut one another in the region of the end windings.
  • the return sections are arranged adjacent to the lower winding heads.
  • the conductor track sections forming the lower end windings and the return sections are glued to one another; if necessary, the conductor track sections forming the upper end windings can also be glued together; an electrically insulating, curable synthetic resin can be provided as the adhesive. Bonding with the help of the hardening synthetic resin increases the stability. After at least partial gluing / stabilization, the level becomes even
  • stator receive arrangement which is expediently used with the return sections in an annular groove or a U-shaped profile on a base plate of the DC machine and fixed there.
  • the dimensional accuracy and the stability of the stator arrangement are so great that the orbit of the
  • Permanent magnets can be provided on the rotor at a distance of a few 1/100 mm from the stator arrangement.
  • the clear width of the magnetically active annular gap (air gap) - that is its extension in the radial direction with respect to the axis of rotation - is only slightly more than the longitudinal extension of a conductor cross section of the stator arrangement. E ⁇ the smallest width of the air gap for a given conductor cross-section and thus the greatest magnetic flux density for given permanent magnets is obtained. Nevertheless, when using two semicircular conductor track arrangement segments, which are arranged spatially staggered with respect to the permanent magnet poles and which are controlled in an electrically phase-shifted manner, the effect of several stator windings in the air gap is obtained with respect to starting from each rotor position and synchronous properties.
  • a further embodiment of a medium-shaped stator arrangement according to the invention has an assembled meandering conductor track arrangement, which consists of a number of winding head elements and a number of meander section elements.
  • the elements have been individually prefabricated, for example punched out of a copper sheet of the desired thickness.
  • the meander section elements each have a protruding tab on the opposite end sections, which is provided with a slot.
  • the end winding elements have a conductor cross section which is adapted to the current passage provided and which exceeds the cross section of the meander section elements.
  • the upper end winding elements and the meander section elements have the same longitudinal dimension. There are suitable recesses in the end winding elements, through which the flags are put. The two flag sections are then flanged in the opposite direction.
  • the strapping creates an assembled, mechanically stable, self-supporting interconnect arrangement and additionally also ensures the electrically conductive connection between the meander section elements and the end winding elements. If necessary, spot welding can also be provided.
  • Adjacent meander section elements are arranged at a distance from one another in order to create gaps for the passage of cooling air.
  • the lower end winding elements can have a larger width and can additionally be provided with bores for the passage of fastening screws. With the aid of these fastening screws, the lower end winding elements can be directly attached to a base plate of the direct current machine, so that the vertically projecting meander section elements and the upper end winding elements can be inserted into the annular gap between the two ring-shaped permanent magnet arrangements on the rotor.
  • the manufacture of individual prefabricated stamped parts permits simple, fast and inexpensive manufacture of such a composite meandering stator arrangement.
  • An ironless stator arrangement which consists solely of the conductor or copper of the conductor tracks and the optionally provided spacers.
  • the conductor track arrangement provided according to the invention - with the longitudinal side of the rectangular conductor cross sections parallel to the field lines in the magnetically active annular gap - considerably reduces the eddy current losses.
  • heating of the motor is reduced.
  • the motor can be subjected to longer and / or higher electrical loads in phases of high and very high performance requirements. Leakage currents are reduced during generator operation. In this case, too, there is less heating of the conductor tracks.
  • the internal resistance is influenced by the temperature dependence of the specific conductivity. Because the Internal resistance of the generator is lower, a larger current can be taken at the same voltage.
  • Such a direct current machine is generally used as the drive motor in the motor vehicle. If the motor vehicle "pushes" (for example when driving downhill or braking), the same machine can be used as a generator. The AC voltage that arises during power generation is rectified. The resulting direct current is used as the charging current according to the corresponding regulation and is supplied to the driving battery.
  • the above-described first drive level formed from the specific permanent magnet rotor and the specific meandering stator arrangement, forms - in the case of motor operation - a power drive level which, for example, generates a power of up to 100 kW. If even higher powers are required, it is possible to provide at least one further second power drive level within this first power drive level in the same rotation plane around the same axis of rotation, which is essentially analogous to the first power drive level.
  • forced cooling of the stator arrangement and / or of the permanent magnet rotor can be provided.
  • the inner and / or the outer annular arrangement made of permanent magnet material and the adjoining magnetic yoke material can be provided with aligned openings, through which cooling air can be introduced into the annular gap.
  • a corresponding cooling air flow can preferably be generated independently of a rotation of the first permanent magnet rotor within the motor housing, as will be explained in detail below.
  • a second, independently controllable and rotatable drive plane is formed which drives a fan which generates cooling air which can be introduced into the annular gap on the first permanent magnet rotor.
  • a further embodiment of a DC machine according to the invention, in which the motor-in-motor concept is implemented, is based on
  • an electronically commutated DC machine in particular a DC motor
  • first, essentially cylindrical drive plane which is formed from a first stator arrangement and a first permanent magnet rotor which has a number of first permanent magnet poles which are polarized alternately and essentially perpendicular to the axis of rotation
  • second, essentially cylindrical drive plane which is formed from a second stator arrangement and a number of second permanent magnet poles, which are polarized alternately and essentially perpendicular to the axis of rotation.
  • the two drive planes are formed in a common plane of rotation around the common axis of rotation.
  • the second permanent magnet poles are attached to a second permanent magnet rotor, which can be rotated around the common axis of rotation independently of the first permanent magnet rotor.
  • this second permanent magnet rotor drives a fan which generates cooling air. which can be inserted into the annular gap on the first permanent rotor.
  • the first drive level does not necessarily have to be designed in the manner which has been explained in detail above. Rather, other configurations of the first drive level come into consideration, as are described in more detail in document EP 0 178 380 AI. However, it is preferably provided to design this first drive level in the manner as set out above in order to achieve the highest possible drive power.
  • the second drive level can also be designed in the manner as detailed above. It is precisely this type of construction which provides a particularly large torque with a small space requirement and is therefore suitable for realizing a second drive level within an annular space which is enclosed by the first drive level.
  • the second drive level is implemented with permanent magnet rotor and stator arrangements as described in document EP 0 178 380 A1.
  • a stator with a ring-shaped iron core can be provided, which is wound continuously, perpendicular to the ring circumference.
  • a cylindrical stator can be provided, as described in document DE 36 29 423 C2.
  • Such a stator is located in an annular gap which is formed between two ring-shaped permanent magnets.
  • These permanent magnet rings can consist of powdered permanent magnet material which is dispersed in a plastic matrix.
  • the permanent magnet rings are alternately laterally magnetized. However, with this arrangement there is a north or South pole of the outer ring opposite a pole of the same name of the inner ring, as is described in more detail in document EP 0 178 380 AI.
  • a preferred embodiment of this embodiment of a DC motor according to the invention has a relatively flat, essentially cylindrical housing, which essentially consists of a round base plate and a round cover plate, on the circumference of which a projecting, circumferential side wall is attached. At the center of the two
  • Plates each have a motor bearing inserted and kept stationary.
  • ball, slide or roller bearings can be provided.
  • These two motor bearings rotatably hold an output shaft, with which the first permanent magnet rotor is rigidly connected.
  • the output shaft can be inserted into a central bore within a disk-shaped rotor holder and fixed there.
  • the round, disc-shaped rotor holder instructs its circumference has a profile with circumferential grooves and / or projecting flanges, which hold the two rings made of permanent magnet material and the adjacent rings made of magnetic yoke material, which project essentially vertically from the rotor holder.
  • the entire arrangement of the first permanent magnet rotor, rotor holder and output shaft is rigidly connected to one another and rotatably arranged within the motor housing.
  • At least one fan bearing which rotatably holds a disk-shaped fan carrier, is preferably arranged on the outer circumference of the output shaft.
  • a number of projecting fan blades are attached to the outer circumference of the round fan carrier.
  • the components which form the second permanent magnet rotor are fastened to the fan carrier.
  • the fan blades can be formed in one piece with the fan carrier and preferably consist of profile pieces which are inclined with respect to the radial direction and produce a radial air flow when the fan carrier rotates. These fan blades are preferably aligned parallel to the axis of rotation of the motor and rotate in an annular space which is formed between the first drive level and the second drive level.
  • the fan rigidly coupled to the second permanent magnet rotor is activated when a setpoint temperature is reached.
  • sensors are available which detect the temperature of the surroundings or the conductor tracks of the first stator arrangement.
  • the sensor signals are fed to a control circuit for keeping the engine temperature constant.
  • the control circuit activates the fan as required.
  • the motor housing is essentially closed and has at least one opening through which cooling air is drawn in by the rotating fan.
  • This cooling air intake opening is preferably a Particulate filter associated with air to remove contaminants from thede ⁇ before it enters the motor housing from the closed to ⁇ interior.
  • a specific flow path is provided, which leads through the magnetically effective annular gap of the first drive level, among other things, and finally leads to one or more cooling air outlet openings through which the suctioned in Cooling air can escape from the motor housing.
  • the motor according to the invention has the customary and known devices for electronic commutation, as described in detail in document EP 0 178 380 AI .
  • the current flow can preferably be controlled via a pulse width control.
  • a circuit suitable for this is described, for example, in U.S. Patent 4,309,675.
  • the control via a pulse width control allows an optimal adaptation of the speed of rotation and the torque to the changing operating conditions of a drive motor in a motor vehicle.
  • the permanent magnet poles on the permanent magnet rotor (s) are preferably used to generate permanent magnetizable materials with high coercive force.
  • suitable magnetic materials are ferrites, in particular Sr or Ba ferrites, as well as Sm / Co or Nd / Fe / B materials and selected rare earth compounds.
  • Multi-pole lateral magnetization can achieve magnetic field strengths of up to 1.2 Tesla and more in the magnetically effective annular gap.
  • the orientation of the polarization essentially perpendicular to the axis of rotation or radial allows the realization and optimal use of a high number of poles with a comparatively small rotor circumference.
  • An exemplary embodiment of a DC motor according to the invention which is intended for use as the only drive motor in a passenger car, is designed for a nominal output of approximately 100 kW.
  • the first drive level of this motor has a circumference of approximately 33 cm and has a paired arrangement of 30 permanent magnet poles per ring on the permanent magnet rotor.
  • These permanent magnet poles consist, for example, of Sm / Co sintered material.
  • the permanent magnet poles are each supported on a ring made of magnetically conductive material; St 37, for example, is a C-containing iron alloy with high magnetic conductivity.
  • the meandering stator arrangement consists of four independent conductor tracks with a cross section of 1 x 12 mm per phase. A starting torque of 280 Nm was achieved with such a motor.
  • the number of power levels ie the first drive levels
  • the number of power levels can be increased.
  • the required number of ring-shaped permanent magnet arrangements is rigidly attached to a common rotation carrier, which is rigidly connected to the output shaft.
  • FIG. 1 using a schematic cross-sectional view - parallel to the axis of rotation - a first embodiment of a direct current motor according to the invention
  • Figure 2 in a cross-sectional view along the section line 2-2 of Figure 1 - schematically and in sections - the field line course and the conductor arrangement in the annular gap of the first permanent magnet rotor;
  • Section of a first embodiment of a meandering stator arrangement which consists of two separate conductor tracks;
  • FIG. 4a is a schematic oblique view of a semicircular cylindrical, meandering conductor track arrangement segment made of strip-shaped conductor material with a rectangular cross section;
  • FIG. 4b shows a section from the conductor track arrangement segment according to FIG. 4a r, which in particular shows the two terminal meander sections and the return sections better;
  • FIG. 5 shows the spatially offset arrangement of two interconnect arrangement segments according to FIGS. 4a, 4b in the cylindrical annular gap between two annular ones on the basis of a sectional illustration Magnet arrangements of the rotor, which together form a second embodiment of a meandering stator arrangement;
  • FIG. 6a is a section of a third embodiment of a meandering stator arrangement which is constructed from individual meander section elements and individual winding head elements on the basis of a schematic oblique view;
  • FIG. 6b shows a detail of the assembled conductor track arrangement according to FIG. 6a, namely the flanging of the flag sections on the meander section elements;
  • FIG. 7 uses a schematic cross-sectional illustration - vertical to the axis of rotation - of a second embodiment of a DC motor according to the invention, which is additionally equipped with a fan located inside the motor housing;
  • FIGS. 8a and 8b in side view or in plan view - schematically and in sections - the fan in the motor according to FIG. 7.
  • FIG. 1 shows - schematically and in section - a first embodiment of an engine according to the invention.
  • the essential components of this motor include a two-part housing 10, an output shaft 20 with a rotor support 26, to which a permanent magnet rotor 30 is attached, and a meandering stator arrangement 40.
  • the motor housing 10 essentially consists of one Base plate 12 and a cover plate 16, on the circumference of which a peripheral side wall 18 is attached in one piece.
  • the side wall 18 can be inserted in a circumferential step 13 on the circumference of the base plate 12 and fixed there with the aid of fastening means 19.
  • In the center of the base plate 12 is one Depression formed, in which a motor bearing 15 is inserted.
  • In the center of the cover plate 16 there is a hole in which a further motor bearing 15 * is inserted.
  • the two motor bearings 15 and 15 * which are arranged at a distance from one another and in alignment with one another, rotatably hold an output shaft 20.
  • the output shaft 20 is arranged parallel and rotationally symmetrical to the axis of rotation 25 of the motor.
  • a disk-shaped rotor carrier 26 is rigidly and firmly connected to the output shaft 20.
  • a substantially U-shaped profile 27 is attached to the outer circumference of the rotor carrier 26, on which an inner step 28 and an outer step 29 are formed.
  • Inference material used. In the outer stage 29 is a
  • Outer ring 38 made of magnetic yoke material is used.
  • An inner annular arrangement 32 made of permanent magnets is supported on the outer circumferential surface of the inner ring 34.
  • An outer annular arrangement 36 made of permanent magnets is supported on the inner circumferential surface of the outer ring 38.
  • Each ring-shaped arrangement 32, 36 can consist of individual permanent magnets or a closed ring made of permanent magnet material, which is correspondingly magnetized. All rings 32, 34, 36 and 38 are rigidly connected to the U-profile 27 of the rotor support 26, and project substantially vertically therefrom. The rings 32, 34, 36 and 38 together form the permanent magnet rotor 30. Between the inner annular arrangement 32 and the outer annular arrangement 36, the magnetically active annular gap 35 is formed.
  • a meandering stator arrangement 40 is supported on the base plate 12, the straight meander sections 44 and straight meander sections 48 extending through this annular gap 35.
  • the width of the annular gap 35 is slightly larger than that Width of the straight meander sections 44, 48, so that there is free rotation of the permanent magnet rotor 30 relative to the stator arrangement 40.
  • the permanent magnet rotor 30 and the conditions in the annular gap 35 are explained in more detail with reference to FIG.
  • the outer ring 38 and the inner ring 34 each consist of magnetic yoke material, for example of ST 37.
  • the outer ring 36 made of permanent magnet material is alternately laterally magnetized, so that alternating magnetic north poles 36 * and magnetic south poles 36 ′′ result Poles 36 'and 36 "are separated from one another by narrow neutral zones 36"'.
  • the inner ring 32 made of permanent magnet material is alternately laterally magnetized so that the north poles 32 * and the south poles alternate there 32 "result. Again there are 32 * and 32 "narrow neutral zones 32" * between opposite poles.
  • Sm / Co sintered material serves as the permanent magnet material.
  • the meandering stator arrangement 40 consists of two nested meandering conductor track arrangements 41 and 43.
  • Each meandering conductor track arrangement 41, 43 consists of four independent, electrically separate and geometrically parallel conductor tracks.
  • each straight meander section 48 consists of four straight conductor sections 48 ', 48 ", 48'" and 48 "". Between adjacent leading conductor sections, for example 44 'and 44 ", and between adjacent leading conductor sections, for example 48' and 48", there is in each case a sufficient space 45 or 49 in order to ensure electrical separation between adjacent conductor tracks. Small insulating spacers (not shown) can be inserted into these spaces 45 and 49, respectively.
  • the width of a straight forward or backward meander section 44 or 48 is less than half the pole width "b" of a permanent magnet pole 32 ', 32 "; 36', 36".
  • each conductor section for example 44 '48', has a rectangular conductor cross section.
  • the conductor cross section has at least one long side and one narrow side.
  • the long side of the conductor cross section is aligned parallel to the field lines 37 in the magnetically effective annular gap 35.
  • a median stator arrangement 40 is explained in more detail.
  • a stator arrangement 40 is selected in this case, which only consists of a meandering conductor track arrangement, which is constructed from two conductor tracks 40 'and 40 ".
  • the meandering stator arrangement 40 consists continuously of a straight, leading meander section 44, an upper one (inner) winding head 42, a straight, leading meander section 48, a lower (outer) winding head 46, again a straight, leading meander section 44, etc.
  • the straight, back and forth meandering sections 44, 48 are located within the magnetically effective annular gap 35.
  • the conductor tracks 40 ', 40 "forming the stator arrangement 40 are led laterally or radially out of an imaginary extension of the annular gap 35 and form the winding heads 42, 46 there.
  • the winding heads 42, 46 run essentially parallel to the annular gap 35, but in a radial direction in the same direction - outside the imaginary extension of the ring gap 35.
  • the conductor tracks 40 ', 40 "have the same cross-section as in the area of the straight, leading or going meander sections 44, 48.
  • meandering stator arrangement 40 To produce such a meandering stator arrangement 40, it can be assumed that the flat flat material is used, from which strips of the desired configuration are punched out or cut out. These flat webs are then deformed in a press around suitable stamps in order to form the desired three-dimensional structure. A stable, self-supporting, meandering stator arrangement 40 of the configuration shown can be obtained with 1 mm thick copper sheet.
  • FIGS. 4a, 4b and 5 A further embodiment of a meandering stator arrangement according to the invention is explained with reference to FIGS. 4a, 4b and 5, which consists of two meandering, essentially semicircular conductor track arrangement segments. ten is built.
  • the meandering conductor track arrangement segment 141 shown in FIGS. 4a, 4b extends over a circumferential section of 168 ° at the annular annular gap. In a further circumferential section of 12 °, Hall sensors for detecting the zero crossings between adjacent permanent magnet poles are arranged on the rotor.
  • the conductor track arrangement segment 141 is made from a single piece of uninterrupted, band-shaped conductor material 140 'with an essentially rectangular cross section and has an input connection 150 and an output connection 151. In the course of the production, the practically endlessly long, initially essentially straight, band-shaped conductor material was bent at a right angle at predetermined intervals in order to continuously form:
  • the width of a straight meander section 144 or 148 - that is the dimension in the circumferential direction - corresponds to approximately half the pole width of a permanent magnet pole. There is a gap 147 between adjacent straight meander sections 144 and 148, the width of which corresponds approximately to the width of a meander section 144 or 148.
  • Each straight meander section 144 or 148 consists of 5 conductor track sections 144a, 144b, 144c, 144d and 144e, as well as 148a, 148b, 148c, 148d and 148e, which due to the manufacture are electrically connected in series with one another.
  • Two adjacent conductor sections such as 148a and 144b or 148c and 148d, are each arranged in parallel and at a distance from one another, so that a small intermediate space 145 is formed between such conductor track sections, through which cooling air can inevitably be guided.
  • the lower winding heads 146 and the return sections 149 abut adjacent conductor track sections. An undesired passage of current is avoided there by using conductor material 140 'which is insulated on all sides.
  • conductor material 140 ' which is insulated on all sides.
  • FIG. 5 shows the spatially offset arrangement of two semicircular conductor arrangement segments 141 and 143 in the cylindrical annular gap 35 of a permanent magnet rotor 30.
  • Each semicircular conductor arrangement segment 141 and 143 has the structure explained above with reference to FIGS .
  • the permanent magnet rotor 30 has an inner ring 34 made of magnetically conductive material.
  • An inner annular arrangement 32 of permanent magnets rests on the outer peripheral surface of the inner ring 34.
  • Each ring-shaped magnet arrangement 32, 36 is constructed from individual, lumpy, permanent magnet poles 32 *, 32 "; 36 ', 36", which are magnetized accordingly.
  • the individual permanent magnet poles 32 ', 32 ";36',36” consist of Co / S sintered material and are glued with their back to the respective ring 34 or 36 made of magnetic yoke material. Such an arrangement is chosen that each magnetic Ncrd pole 32 'or south pole 32 "on the inner ring 32 is opposed by an opposite south pole 36" or north pole 36 * on the outer ring 36.
  • a neutral zone 32 '' and 36 '' is located between two adjacent poles 32 'and 32 "and 36' and 36" of the same name.
  • a homogeneous magnetic field results with a rectilinear, radial, essentially parallel field line course and constantly changing polarity.
  • each straight forward or backward meander section 144, 148 corresponds approximately to half the pole width of a permanent magnet pole 32 *, 32 "; 36 ', 36".
  • each straight meander section 144, 148 is located approximately in the middle between two opposing permanent magnet poles 32 * and 36 "or 32", 36 "or 36” ( see right half of Figure 2).
  • the second conductor track segment 143 is spatially offset by approximately half a pole width of the permanent magnet poles in the direction of the annular gap 35. This results in an arrangement in which each straight meander section 144, 148 of the second conductor arrangement segment 143 is essentially between aligned neutral zones 32 '"and 36'" and the adjoining pole sections of the inner and outer magnet arrangement 32 and 36 .
  • the two conductor track arrangement segments 141 and 143 which are arranged in a spatially offset manner and are electrically separated from one another, are typically driven with an electrical phase shift of 90 °.
  • a Hall sensor 155 is accommodated, which detects every zero crossing between two adjacent permanent magnet poles 32 ', 32 "and 36', 36" on the rotating rotor 30.
  • FIG. 6a shows a detail of a further embodiment of a meandering stator arrangement according to the invention, namely a composite meandering conductor track arrangement 240 which consists of individual meander cut-off elements 241 and upper winding head elements 242 and lower ones Winding head elements 246 is constructed.
  • Each meander section element 241 consists of an elongated, straight piece of conductor material with a rectangular cross section, each of which has a projecting tab 241 * at the opposite end sections.
  • Each protruding flag 241 ' is provided with a central slot or gap 241 ", so that the resulting flag sections can be flanged if necessary.
  • Each end winding element consists of a curved piece of conductor material of greater thickness than the meander section elements 241 and has a matching transmitter arrangement
  • the meander sections 241 are mechanically firmly and electrically conductively connected to the respective upper end element 242 and the lower end element 246.
  • Such an arrangement of the recesses 242 'and 246 * is selected that after assembly of the assembled conductor track arrangement 240, straight meander sections 244 and straight meander sections 248 result.
  • the number of meander sections 241, which forms a straight meander section 244, 248 leading back and forth, is electrically connected in parallel with one another. .
  • the lower end winding elements 246 can be larger
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a DC motor according to the invention.
  • the DC motor according to FIG. 7 is constructed essentially analogously to the motor according to FIG. 1, but additionally has a second, independently controllable drive level within the motor housing, by means of which a fan housed inside the motor housing is driven, with which a fan is driven Cooling air flow is generated, which is used to cool the first drive level.
  • the motor housing 10 essentially consists of a base plate 112, a ventilation cover 111 and a cover plate 16, on the circumference of which a peripheral side wall 18 is attached in one piece.
  • a meandering stator arrangement 140 is supported on the base plate 112 and consists of two essentially semicircular conductor track arrangement segments 141 and 143, as explained above with reference to FIGS. 4a and 4b.
  • the straight leading meander sections 144 and the straight leading meander sections 148 extend through the annular gap 35.
  • the width of the annular gap 35 is slightly larger than the width of the straight meander sections 144, 148, so that there is free rotation of the permanent magnet rotor 30 relative to the stator arrangement 140.
  • a number of air intake openings 114 are cut out, which are arranged at a small distance next to one another around the entire circumference.
  • An annular air filter 115 made of folded paper material is located inside the ventilation cover 111 and adjacent to the air intake openings 114.
  • the inner circumference of the air filter 115 bears against a number of air guide plates 116 which protrude vertically from the base plate 112. Between adjacent air guide plates 116, air passage openings 117 are recessed in the base plate 112, through which air can flow into the interior of the motor.
  • a mounting plate 120 on which the electrical and electronic components elements 122, 122 ', 122 ", 122'" of the motor control are housed. Obviously, these components 122, 122 ', 122 ", 122'” protrude into the cooling air flow and are continuously cooled.
  • the two power connections 124 and 124 'and the base plate 126 of a multi-pole plug are inserted into the ventilation cover 111.
  • a conductor track band 127 connects the base plate 126 to the mounting plate 120. Solid current conductors 125, 125 'connect the current connections 124, 124 * to the mounting plate 120.
  • a disk-shaped fan carrier 64 has in its
  • this pipe section 65 can be designed as a slide bearing which bears against the outer circumference of the output shaft 20.
  • this pipe section 65 can be supported against the outer circumference of the output shaft 20 via two fan bearings 61, 61 'arranged at a distance from one another. In any case, there is free and independent rotation of the fan carrier 64 with respect to the output shaft 20. Adjacent to the outer circumference of the fan carrier 64 there are integrally formed and vertically protruding, profiled fan blades 68 which generate a radial cooling air flow when the fan 60 rotates.
  • the cooling air is sucked in via the air intake openings 114, the air filter 115 and the air passage openings 117, accelerated with the aid of the fan 60 and then flows through the annular gap 35. There, the cooling air flows through the narrow spaces between adjacent conductor tracks and through Larger interspaces between adjacent meander sections 144, 148 and in this way cools the stator arrangement 140.
  • the cooling air finally passes through openings 26 'in the rotor carrier 26 and through openings 17 within the cover plate 16 from the inside of the motor housing 10 into the surrounding area Atmosphere.
  • the openings 26 ' are arranged in an extension of the annular gap 35 at a distance from one another.
  • the bores of the openings 26 ' are opposite the circumferential path inclined so that an additional suction is generated when the rotor support 26 rotates.
  • the fan 60 is driven by a second drive level, which can be controlled independently of the operation of the motor.
  • This second drive plane 50 is formed from a second stator arrangement 52 and a second permanent magnet rotor 55.
  • the second stator arrangement 52 and the second permanent magnet rotor 55 are adapted to the comparatively low power requirement that is required for the rotation of the fan 60.
  • the current flow through the second stator arrangement 52 is activated by a control circuit only when sensors (not shown) have detected that a predetermined motor temperature has been exceeded.
  • the fan 60 essentially consists of an annular fan carrier 64, which has an integrally formed, vertically projecting sleeve 65 for receiving / forming a fan bearing on its inner circumference and integrally molded on its outer circumference has vertically projecting fan blades 68.
  • the components of a second permanent rotor 55, which are rigidly and fixedly connected to the fan 60, are inserted between two concentrically, vertically projecting flanges 62 and 63.
  • the ring-shaped permanent magnets 57, 58 can be inexpensive "rubber magnets" (powders of permanent magnet material dispersed in a plastic matrix) and are alternately laterally magnetized.
  • An arrangement is selected in which a north or south pole 58 ', 58 "of the outer ring 58 is opposite a pole 57', 57" of the same name.

Abstract

Eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, insbesondere Gleichstrommotor weist einen Permanentmagnet-Rotor auf mit einem im wesentlichen zylinderförmigen Ringspalt (35) mit homogenem Magnetfeld mit geradlinigem, radialen Feldlinienverlauf und ständig wechselnder Polarität. Eine mäanderförmige Statoranordnung weist gerade hin- oder herführende Mäanderabschnitte (44, 48) auf, die sich innerhalb des Ringspaltes (35) erstrecken. Jeder gerade Mäanderabschnitt (44, 48) ist aus einer Anzahl geometrisch parallel und im Abstand zueinander angeordneter Leiterabschnitte (44', 44', 44'', 44''; 48', 48', 48'', 48'') aufgebaut, die im wesentlichen recteckigen Querschnitt aufweisen. Um auch bei erheblichem Stromfluß die Wirbelstromverluste möglichst gering zu halten, ist jeder Leiterabschitt (44', 44', 44'', 44''; 48', 48', 48'', 48'') innerhalb des Ringspaltes (35) derart angeordnet, daß die längere Seite des Leiterquerschnittes parallel zum Verlauf der Feldlinien (37) ausgerichtet ist. Zusätzlich kann innerhalb des Motorgehäuses ein Ventilator vorgesehen sein, der von einer unabhängig ansteuerbaren zweiten Antriebsebene angetrieben wird. Der Ventilator erzeugt einen Kühlluftstrom, der in den magnetisch aktiven Ringspalt (35) einführbar ist und dort die Leiterabschnitte (44', 44', 44'', 44''; 48, 48', 48'', 48'') kühlt.

Description

Elektronisch ko mutierte Gleichstrommaschine
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine mit einem Permanentmagnet-Rotor. Die Gleichstrommaschine kann sowohl motorisch wie generatorisch betrieben werden. Insbesondere betrifft die Erfindung einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, der für höhere Leistungen von beispielsweise 100 kW und mehr ausgelegt ist. Dieser erfindungsgemäße Gleichstrommotor kann vor¬ zugsweise als Antriebsmotor von Kraftfahrzeugen insbeson¬ dere Personenkraftwagen eingesetzt werden.
Nachstehend wird die Erfindung mit Bezugnahme auf einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor beschrieben, ohne daß damit eine Beschränkung der Erfindung beabsich¬ tigt ist.
Mehr im einzelnen betrifft die Erfindung eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, insbesondere Gleichstrom¬ motor, mit einer Rotationsachse, mit einem ersten Perma¬ nentmagnet-Rotor, der einen bezüglich der Rotationsachse im wesentlichen zylindrischen Ringspalt aufweist, in dem ein homogenes Magnetfeld mit geradlinigem, radialen Feld¬ linien-Verlauf und ständig wechselnder Polarität ausge¬ bildet ist.
Diesem Permanentmagnet-Rotor ist eine eisenlose, meander- förmige Statoranordnung zugeordnet, die gerade hin- oder herführende Meanderabschnitte aufweist, die parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sind und sich innerhalb des Ringspaltes erstrecken, wobei jeder gerade hin- oder her¬ führende Meanderabschnitt aus einer Anzahl geometrisch parallel angeordneter Leiterabschnitte besteht, die im we¬ sentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor dieser Art ist aus dem Dokument EP 0 178 380 AI bekannt, das ebenfalls auf den zur vorliegenden Erfindung benannten Erfinder zu¬ rückgeht. Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an dem dort beschriebenen Motorkonzept. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird mit der Bezugnahme auf das Dokument EP O 178 380 AI der Inhalt dieses Dokumentes zusätzlich zum Bestandteil der vorliegenden Erläuterung und Beschrei¬ bung gemacht.
Die in diesem Dokument beschriebenen Motoren zeichnen sich u.a. dadurch aus, daß bei vorgegebenem Motorvolumenen ein Mehrfaches des Drehmomentes erzeugbar ist, das mit her¬ kömmlichen Motoren bei gleicher Baugröße erzielbar ist. Das vergleichsweise geringe Motorvolumenen erschwert je- doch die Abführung der beim Betrieb anfallenden Wärme. Die Wärmeentwicklung beschränkt eine weitere Leistungssteige¬ rung bei gleichbleibendem, geringen Motorvolumen.
Davon ausgehend, besteht die Aufgabe der vorliegenden Er- findung darin, eine(n) elektronisch kommutierte(n) Gleich¬ strommaschine/Gleichstrommotor der eingangs genannten Art zu schaffen, die/der bei geringem Gewicht und kompakter Bauweise ein noch höheres Drehmoment aufnimmt/liefert, ohne daß auch bei häufig und stark wechselnden Belastun¬ gen eine unzulässige Erwärmung stattfindet.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Gleichstrommotor dieser Art bereitzustellen, der als Antriebsmotor für Kraftfahrzeuge geeignet ist und der ein besonders hohes Spitzendrehmoment, beispielsweise bis zu 280 Nm und mehr, sowie eine hohe Nennleistung, beispiels¬ weise bis zu 100 kW und mehr liefert.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Her¬ stellung und den Zusammenbau eines solchen Gleichstrom¬ motors zu erleichtern. Insbesondere soll eine mechanisch stabile, selbsttragende meanderförmige Statoranordnung bereitgestellt werden, die einfacher herzustellen ist, und die einfach in einen gegebenen Ringspalt am Permanent¬ magnet-Rotor einführbar ist.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung betrifft die Unter- bringung einer Kühleinrichtung innerhalb des Gehäuses der Gleichstrommaschine. Mit einer solchen Kühleinrichtung kann je nach Anforderung ein Kühlluft-Strom erzeugt wer¬ den, mit dessen Hilfe die Komponenten der Leistungs- Antriebsebene gekühlt werden.
Schließlich soll nach einem weiteren Ziel der Erfindung bei einer Gleichstrommaschine dieser Art das Konzept Motor-im-Motor verwirklicht werden. Entsprechend diesem Konzept ist innerhalb einer ersten, im wesentlichen zylindrischen Leistungs-Antriebsebene in der gleichen Rotationsebene um die gleiche Rotationsachse herum wenigstens eine weitere, im wesentlichen zylindrische Antriebsebene ausgebildet, die unabhängig von der ersten Leistungs-Antriebsebene ansteuerbar und in Rotation ver- setzbar ist.
Ausgehend von einer elektronisch kommutierten Gleichstrom¬ maschine, insbesondere Gleichstrommotor - 4 -
mit einer Rotationsachse,
- mit einem ersten Permanentmagnet-Rotor mit einem im wesentlichen zylindrischen Ringspalt mit homo- genem Magnetfeld mit geradlinigem, radialen Feld¬ linienverlauf und ständig wechselnder Polarität, und
- mit einer eisenlosen, meanderförmigen Statoran¬ ordnung, die gerade hin- oder herführende Mean- derabschnitte aufweist, die parallel zur Rotations¬ achse ausgerichtet sind und sich innerhalb des Ringspaltes erstrecken, wobei jeder gerade hin- oder herführende Meanderabschnitt aus einer An¬ zahl geometrisch parallel angeordneter Leiter- abschnitte besteht, die im wesentlichen recht¬ eckigen Querschnitt aufweisen, ist eine erfindungsgemäße Lösung obiger Aufgabe dadurch ge¬ kennzeichnet, daß
- jeder Leiterabschnitt innerhalb des Ringspaltes der¬ art angeordnet ist, daß die längere Seite des Leiter¬ querschnittes parallel zum Feldlinienverlauf ausge¬ richtet ist.
Typischerweise ist bei Motoren dieser Bauart bislang die rechteckigen Querschnitt aufweisende Leiterbahn mit der längeren Längsseite an einem ringförmigen stationären Rückschlußteil oder an einem sonstigen Träger aus isolie¬ rendem Material angelegt worden, das/der parallel zum magnetisch aktiven Ringspalt ausgerichtet ist. Eine solche Anordnung bietet sich zwanglos an, um die Leiter-Auflage¬ fläche zu erhöhen, um dadurch die Stabilität der Leiter- Anordnung zu steigern.
Höhere Motorleistungen erfordern größere Leiterquerschnit¬ te, um die Verlustleistung möglichst gering zu halten. Bei der bekannten Anordnung befinden sich notwendiger¬ weise endliche Abmessungen des Leiters in einem Feldab- schnitt, der im Leiterbereich unterschiedliche Feldstärken aufweist. Im Rahmen der Erfindung ist festgestellt worden, daß bei dieser Anordnung selbst in Kupferleitern endliche Wirbelströme auftreten.
Demgegenüber wird mit der vorliegenden Erfindung eine um 90° gedrehte Anordnung der reckteckigen Querschnitt auf¬ weisenden Leiter innerhalb des magnetisch wirksamen Ring¬ spaltes gewählt, so daß innerhalb des Ringspaltes die längere Seite des Leiterquerschnittes parallel zum Feld¬ linienverlauf ausgerichtet ist. Praktisch der gesamte Leiterquerschnitt befindet sich stets in einem Feldab¬ schnitt mit gleichem homogenem Feld. Die Bildung von Wirbelströmen innerhalb der im magnetischen Ringspalt befindlichen Leiterabschnitt ist erheblich herabgesetzt.
Im Rahmen der Erfindung ist festgestellt worden, daß durch die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung der eckigen Querschnitt aufweisenden Leiterabschnitte im magnetisch wirksamen Ringspalt die Wirbelstromverluste in diesen
Leiterabschnitten so weit vermindert werden, daß bei einer gegebenen Motorabmessung eine bis zu 100 Prozent höhere Motorleistung erzielt werden kann.
Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Gleichstrommotor einen Permanentmagnet-Rotor mit einer Anzahl Permanent¬ magnet-Pole auf, die im wesentlichen senkrecht zur Rota¬ tionsachse pol-arisiert sind und in einer äußeren ring¬ förmigen Anordnung und in einer inneren ringförmigen An- Ordnung angeordnet sind, zwischen denen der magnetisch aktive Ringspalt ausgebildet ist. An jeder ringförmigen Anordnung sind benachbarte Pole alternierend polarisiert. Jeweils einem Nord- oder Süd-Pol der äußeren ringförmigen Anordnung steht ein entgegengesetzter Pol der inneren ringförmigen Anordnung gegenüber. Mit dieser Anordnung wird ein Permanentmagnet-Rotor erhalten, der einen Ringspalt mit homogenem Magnetfeld mit geradlinigem, radialen Feldlinien¬ verlauf und ständig wechselnder Polarität aufweist. Jede ringförmige Anordnung von Permanentmagnet-Polen kann aus einem geschlossenen Ring aus Permanentmagnet-Material bestehen, an dem benachbarte Zonen alternierend polari¬ siert worden sind. Ein geschlossener Ring aus Permanent- magnet-Material erhöht die Stabilität und verringert den Aufwand beim Zusammenbau der Permanentmagnet-Rotors. Ins¬ besondere bei teuren Permanentmagnet-Materialien, wie etwa Sm/Co-Sintermaterial, ist vorzugsweise vorgesehen, die ringförmige Anordnung aus einzelnen, länglichen Elementen aus Permanentmagnet-Material aufzubauen. Diese einzelnen
Elemente werden an ihrer Rückseite an einem Ring aus magne¬ tisch leitendem Material angebracht, um eine stabile, ring¬ förmige Permanentmagnet-Anordnung zu bilden. Einzelne Magnetelemente erfordern weniger Magnetmaterial. Es kann eine präzise mechanische Bearbeitung des Sintermaterials und eine homogene Aufmagnetisierung innerhalb eines Magnet¬ elementes durchgeführt werden.
Der Abstand zwischen zwei benachbarten Magnetelementen in einer ringförmigen Anordnung, das ist die neutrale Zone, kann vorzugsweise im wesentlichen gleich der radialen Abmessung (Länge) des Ringspaltes gewählt werden. Auf diese Weise wird ein magnetischer Nebenschluß zwischen benach¬ barten, ungleichnamigen Magneten innerhalb einer ringför¬ migen Anordnung vermieden. Die Homogenität des Magnetfeldes im magnetisch aktiven Ringspalt wird noch weiter gesteigert.
Vorzugsweise ist zusätzlich jede ringförmige Anordnung aus Permanentmagnet-Material an der zum Ringspalt abgewandten Seite an je einem weiteren Ring aus magnetisch leitendem Material abgestützt, das den magnetischen Fluß schließt. Die magnetische Feldstärke im Ringspalt wird erhöht und die Homogenität des Feldes noch weiter gesteigert.
Die erfindungsgemäß vorgesehene meanderförmigen Statoran¬ ordnung besteht pro Phase aus mehreren getrennten Leiter¬ bahnen, die untereinander geometrisch parallel und zusammen meanderförmig angeordnet sind. Jede Leiterbahn weist einen vergleichsweise großen Leiterquerschnitt auf, um die konduk- tive Verlustleistung möglichst gering zu halten. Zusätzlich weist jede Leiterbahn einen rechteckigen Leiterquerschnitt auf, bei welchem das Seitenverhältnis zwischen der Längs- seite zu der Schmalseite mehr als 2:1 beträgt. Vorzugsweise sind Leiterquerschnitte vorgesehen, bei welchen dieses Sei¬ tenverhältnis mehr als 4:1, beispielsweise 10:1 und mehr beträgt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines er¬ findungsgemäßen Gleichstrommotors besteht die meander- förmige Statoranordnung aus mehreren parallel und im Ab¬ stand zueinander geführten Kupferbändern, deren Querschnitt eine Länge von ca. 12 mm und eine Breite von ca. 1 mm auf¬ weist. Eine alternative meanderförmige Leiterbahnanordnung besteht aus einem praktisch endlos langen Kupferband mit den Querschnittsabmessungen 5 x 2 mm.
Zwischen benachbarten Leiterbahnen der meanderförmigen Sta¬ toranordnung besteht ein ausreichender Zwischenraum, um auch ohne zusätzliches Isoliermaterial eine getrennte Stromfüh- rung in jeder Leiterbahn zu gewährleisten, beispielsweise auch, um je nach Betriebszustand der Gleichstrommaschine eine Parallel- oder Reihenschaltung verschiedener Leiter¬ bahnen einer meanderförmigen Leiterbahnanordnung vorzusehen. Ferner erlauben diese Zwischenräume einen ungehinderten Zutritt von Kühlluft zu den Leiterbahnen, sowie ungehin¬ derten Durchtritt von Kühlluft zwischen diesen Leiter¬ bahnen. Diese Zwischenräume können beispielsweise durch isolierende Abstandshalter gewährleistet werden, die regelmäßig zwischen benachbarten Leiterbahnen einge- setzt sind. Zusätzlich kann jede Leiterbahn mit einem isolierendem Belag versehen sein.
Die meanderförmige Statoranordnung kann aus zwei getrenn¬ ten ringförmigen, meanderförmigen Leiterbahnanordnungen aufgebaut sein. Jede meanderförmige Leiterbahnanordnung weist gerade hinführende Meanderabschnitte und gerade herführende Meanderabschnitte auf, zwischen denen ein Zwischenraum besteht. In diesen Zwischenraum kann - ohne Berührung der benachbarten Meanderabschnitte - ein gera¬ der Meanderabschnitt einer weiteren, elektrisch getrenn¬ ten, meanderförmigen Leitebahnanordnung eingesetzt sein. Jede dieser beiden, elektrisch getrennten, ringförmigen, meanderförmigen Leiterbahnanordnungen kann wiederum aus einzelnen Leiterbahnen, beispielsweise vier Leiterbahnen aufgebaut sein wie das vorstehend beschrieben ist. Die beiden getrennten, meanderförmigen Leiterbahnanordnungen können beispielsweise mit einer Phasenverschiebung von 90° angesteuert werden. Damit wird beispielsweise ein
Gleichstrommotor geschaffen, der aus jeder Rotorstellung anläuft.
Vorzugsweise wird die Anzahl der einzelnen Leiterbahnen in Abhängigkeit vom Leiterbahnquerschnitt und vom Abstand zwi¬ schen benachbarten Leiterbahnen so gewählt, daß die gesamte Breite eines Leiterbahnstapels die halbe Polbreite der Per¬ manentmagnet-Pole nicht übersteigt. Unter Einbeziehung der Breite der neutralen Zone zwischen benachbarten Permanent- magnet-Polen kann mit einfachen Mitteln eine Kommutierung durchgeführt werden, bei welcher sich ein gegebener Stapel von Leiterbahnen stets in einem Feld einheitlicher Polari¬ tät befindet. Das bei Stromdurchgang durch die Statoran¬ ordnung - abhängig von Stromrichtung und Polarität der be- nachbarten Permanentmagnete - induzierte Magnetfeld wird optimal genutzt.
Es ist eine Schaltung vorgesehen, welche die einzelnen, ge¬ trennten Leiterbahnen, welche die meanderförmige Statoran- Ordnung bilden, untereinander parallel oder in Serie schal¬ tet. Durch eine solche Umschaltung zwischen Reihenschaltung oder Parallelschaltung der einzelenen Leiterbahnen kann eine weitere erhebliche Anpassung an den Betriebszustand bzw. Leistungsbedarf des Antriebsmotors eines Kraftfahrzeuges vorgenommen werden. Beim Anfahren des Kraftfahrzeugs wird bei geringen Umdrehungszahlen ein besonders hohes Drehmoment benötigt. In diesem Falle wird eine Reihenschaltung vorge¬ nommen, die ein besonders hohes Drehmoment liefert.. Wegen der geringen Umdrehungszahl ist die in der Satoranordnung induzierte Gegen-EMK klein und tolerierbar. Nach Erreichen einer gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit kann eine Paral¬ lelschaltung der Leiterbahnen vorgenommen werden. Eine solche Parallelschaltung erlaubt eine höhere Stromaufnahme und eine höhere Motorleistung, wie sie für höhere Fahrzeug- geschwindigkeiten wünschenswert ist. Diese Flexibilität in der Drehmoment- und Leistungsabgabe des Motors verringert die Anforderungen an ein Schaltgetriebe des Fahrzeugs. Der Motor und dessen Ansteuerelektronik kann einen wesentlichen Teil der Funktionen eines herkömmlichen Schaltgetriebes übernehmen oder ersetzen.
Die meanderförmige Statoranordnung aus mehreren, geometrisch parallel und im Abstand zueinander geführten Leiterbahnen bildet nacheinander
- einen geraden hinführenden Meanderabschnitt
(parallel zur Rotationsachse in einer Richtung);
- einen ersten Wickelkopf (oberhalb des magnetisch wirksamen Ringspaltes);
- einen geraden herführenden Meanderabschnitt (parallel zur Rotationsachse in der entgegenge¬ setzten Richtung);
- einen zweiten Wickelkopf (unterhalb des magnetisch wirksamen Ringspaltes); und wiederum
- einen geraden hinführenden Meanderabschnitt; usw.
Vorzugsweise wird eine Anordnung gewählt, bei welcher die geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitte vollständig innerhalb des magnetisch wirksamen Ringspaltes am Permanent¬ magnet-Rotor verlaufen. Wie gesagt, ist jeder gerade hin¬ führende Leiterabschnitt mit dem benachbarten herführenden Leiterabschnitt über einen Wickelkopf verbunden. Vorzugs¬ weise weisen die Leiterbahnen in jedem Wickelkopf im wesent¬ lichen den gleichen Querschnitt auf wie die Leiterabschnitte in den benachbarten, geraden Meanderabschnitten. Typischer- weise ist jeder Wickelkopf oberhalb oder unterhalb des ma¬ gnetisch wirksamen Ringspaltes in radialer Richtung aus einer gedachten Verlängerung des Ringspaltes herausgeführt, dann rechtwinklig abgewinkelt, verläuft dann im wesentli- chen parallel zum Ringspalt, jedoch außerhalb einer gedach¬ ten Verlängerung des Ringεpaltes, um nach einer erneuten rechtwinkligen Abwinklung wieder in diese gedachte Verlänge¬ rung des Rinspaltaeε einzutreten und in den nächsten benach¬ barten geraden herführenden Leiterabschnitt überzugehen. Mit dieser Anordnung kann mit geringem Herstellungsaufwand und einfachen Befestigungsmitteln eine stabile, selbsttragende Anordnung aus mehreren untereinander getrennten, geometrisch parallel geführten Leiterbahnen gebildet werden, die zu¬ sammen eine meanderförmige Statoranordnung bilden.
Die Fußabschnitte der unterhalb des Ringspaltes befindlichen Wickelköpfe können in passende Nuten eines Statorhalters eingesetzt werden. In die Zwischenräume zwischen benachbar¬ ten Leiterabschnitten, die zusammen einen geraden, hin- oder herführenden Meanderabschnitt bilden, können kleine isolie¬ rende Abstandshalter eingesetzt sein, welche den gewünschten Abstand zwischen den benachbarten Leiterbahnen gewährlei¬ sten. Zwischen einem geraden hinführenden Meanderabschnitt und einem geraden herführenden Meanderabschnitt der gleichen oder einer weiteren meanderförmigen Leiterbahnanordnung be¬ steht ein größerer Zwischenraum, in den über die gesamte Ringspaltlänge ein entsprechender, größerer isolierender Ab¬ standshalter eingesetzt sein kann. Diese Abstandshalter be¬ stehen aus wärmebeständigem, elektrisch isolierendem und magnetisch inertem Material, wie beispielsweise keramischen Materialian, wie etwa Aluminiumoxid. Die Anwesenheit dieser isolierenden Abstandshalter gewährleistet auch bei ganz er¬ heblichen Feldstärken und entsprechenden Magnetkräften die erforderliche Stabilität einer selbsttragenden meanderför- migen Statoranordnung.
Zur Hestellung einer derartigen meanderförmigen Statoran¬ ordnung kann von ebenem Flachmaterial ausgegangen werden. aus welchem Bahnen der gewünschten Konfiguration ausge¬ stanzt oder ausgeschnitten werden. Diese ebenen Bahnen werden daraufhin in einer Presse um geeignete Stempel herum verformt, um die gewünschte dreidimensionale Struk- tur zu bilden. Mit 1 mm starkem Kupferblech kann eine stabile selbsttragende meanderförmige Statoranordnung erhalten werden. Eine beispielhafte Ausführungsform einer derartigen Statoranordnung ist mit Fig. 3 dargestellt.
Bei gegebenen Permanentmagneten nimmt die magnetische Feld¬ stärke im Ringspalt quadratisch zu mit der Abnahme der Ringspaltlänge (Abmessung in radialer Richtung). Es ist da¬ her zweckmäßig, die Ringεpaltlänge möglichst gering zu hal¬ ten, und den Abstand zwischen gegenüberliegenden Permanent- magnet-Polen so zu wählen, daß diese Pole gerade berührungs¬ frei an den Leiterbahnabschnitten vorbeirotieren. In Ab¬ hängigkeit von der Stabilität der Leiterbahnanordnung und der Präzision der Fertigungsmöglichkeiten beträgt der Ab¬ stand zwischen der Umlaufbahn der Permanentmagnet-Pole und den feststehenden Leitbahnabschnitten lediglich einige 1/100 mm.
Die außerhalb des Ringspaltes befindlichen Wickelköpfe der meanderförmigen Statoranordnung erschweren den Zusammenbau der Gleichstrommaschine. Im Einzelfall kann der äußere Magnetring aus zwei Halbεchalen gebildet werden, die zu einem geschlosεenen Magnetring zuεammengesetzt werden, nach¬ dem die Statoranordnung in den Ringspalt eingebracht worden iεt. Eε iεt jedoch auf jeden Fall wünεchenεwert, den inneren Magnetring von vornherein alε geεchloεsenen Ring auszubil¬ den. In einem solchen inneren geschlossenen Magnetring kann jedoch eine meanderförmige Statoranordnung dann nicht ohne weiteres eingesetzt werden, wenn sie innere Wickelköpfe aufweist, die außerhalb des Ringspaltes, nämlich zwischen Ringspalt und Rotationsachse angeordnet sind.
Eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Gleich- εtrommaεchine weist wenigstens eine meanderförmige Stator- anordnung auf, deren gerade hinführenden Meanderabschnitte mit den folgenden geraden herführenden Meanderabschnitten über je einen Wickelkopf verbunden sind, wobei wenigstens die oberen Wickelköpfe innerhalb einer gedachten Verlänge- rung des Rinspaltes angeordnet sind, um ein axiales Ein¬ führen dieser meanderförmigen Statoranordnung in den Ring¬ spalt zu ermöglichen.
Diese erfindungsgemäße Ausbildung der Statoranordnung er- laubt eine wesentliche Vereinfachung des Zusammenbaus der Gleichstrommaschine. Die Rotoranordnung kann vorab fertig¬ gestellt werden und weist sowohl für die innere ringförmige Permanentmagnet-Anordnung, wie für die äußere ringförmige Permanentmagnet-Anordnung je einen geschlossenen Ring aus magnetischem Rückschlußmaterial auf, an welchem die einzel¬ nen Elemente aus Permanentmagnet-Material dauerhaft ange¬ bracht sind. Solche geschloεεenen Ringe können einfach am Rotorträger befeεtigt werden, beispielsweise unter Aus¬ nutzung des Schrumpfes bei der thermischen Abkühlung auf ringförmige Vorsprünge am Rotorträger aufgeschrumpft werden. Es werden sonstige Schließ- und Befestigungsmittel vermie¬ den, die eine Unwucht zur Folge haben könnten. Die meander¬ förmige Statoranordnung ist mechaniεch stabil und selbst¬ tragend ausgebildet und läßt sich mit einer Genauigkeit von einigen wenigen 1/100 mm im Umfangsbereich fertigen. Diese Statoranordnung wird an einer Bodenplatte der Gleichεtrom- maschine befestigt und kann daraufhin in den magnetisch wirksamen Ringspalt am Permanentmagnet-Rotor eingeführt werden, wenn der feststehende Teil und der rotierende Teil der Gleichstrommaεchine zuεammengeführt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Gleich¬ strommaschine ist vorgeεehen, daß die meanderförmige Stator¬ anordnung aus einem ersten und einem zwei ten , je im wesentli - chen halbkreisförmigen Leiterbahnanordruπgs-Segment aufgebaut ist , das elek¬ trisch vom ersten Leiterbahnanordnungs-Segment getrennt ist . Die beiden Leiterbahnordnungs-Segmente weiεen den gleichen Umfang auf und εind innerhalb des Ringspaltes angeordnet . Hierbei sind die geraden hin- oder herführenden Meanderab¬ schnitte des zweiten Leiterbahnanordnungs-Segementeε um etwa die halbe Pol-Breite der Permanentmagnet-Pole in Richtung des Ringspalteε räumlich versetzt angeordnet zu den geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitten des ersten Leiter- bahnanordnungs-Segmentes.
"Breite" bezeichnet hier die Abmesεung in Umfangsrichtung des Ringspaltes; in gleicher Weise bezeichnet "Länge" die Abmessung in radialer Richtung bezogen auf die Rotations¬ achse der Gleichstrommaschine.
Um trotz der Verwendung von halbkreisförmigen, meanderförmi¬ gen Leiterbahnanordnungs-Segmenten eine elektrische Reihen- anordnung aller Leiterbahnabschnitte in den geraden hin- und herführenden Meanderabschnitten zu gewährleisten, weisen diese halbkreisförmigen Leiterbahnanordnungs-Segmente zusätz¬ liche Rückführabschnitte auf, welche die Leiterbahnabschnitte in dem end¬ ständigen herführenden Mäanderabschnitt mit den entsprechenden Leiterbahn- abschnitten in dem anfänglichen hinführenden Meanderabschnitt verbinden.
Werden die beiden, so angeordneten Leiterbahnanordnungs- Segmente mit einer Phasenverschiebung von 90° angesteuert, so wird - beim motorischen Betrieb - ein Gleichstrommotor erhalten, der aus jeder Stellung ohne weiteres anläuft. Bei einem 100 kW-Motor mit 30 Permanentmagnet-Polen auf einem Rotorumfang von ca. 100 cm wird ein hervorragender Gleich¬ lauf erhalten. Winkelabhängige Drehmomentschwankungen sind weiteεtgehend beseitigt. Die beiden elektrisch getrennten und räumlich versetzt angeordneten, halbkreisförmigen Lei¬ terbahnanordnungs-Segmente haben jeweils die Wirkung einer zylinderförmigen Statorwicklung und ermöglichen eine her¬ vorragende Steuerung deε Anlaufzuεtandeε und deε Betriebε- zustandes bei motorischem Betrieb. Weil im Ringspalt ledig- lieh eine einzige, einlagige zylinderförmige, aus den beiden Leiterbahnanordnungs-Segmenten bestehende Statoranordnung untergebracht werden muß, kann die Rinεpaltlänge entspre¬ chend verringert werden und benötigt nur wenig mehr als die Längserstreckung des Leiterbahnquerschnitteε.
Bei der genannten Ausgestaltung der meanderförmigen Stator¬ anordnung werden die Lücken zwischen benachbarten geraden, hin- oder herführenden Meanderabschnitten nicht genutzt, weil sich in diesen Lücken keine Leiterbahnabschnitte der Statoranordnung befinden. Im Falle eines vergleichsweise engen magnetisch wirksamen Ringεpalteε, deεsen Ringspalt¬ länge 6 bis 8 mm nicht übersteigt, und bei Anwendung hoch- wirksamer Magnetmaterialien, wie beispielsweise Co/S -Sin- termaterialien, ist dies tolerierbar, weil im Ringspalt eine hohe magnetische Flußdichte von beispielsweise 1,4 Teslar und mehr erziel bar iεt. Bei einer derartig hohen magneti- εchen Flußdichte im Ringεpalt muß bereitε die Leiteranzahl der Statoranordnung begrenzt werden, um bei motorischem Be¬ trieb bei hohen Drehzahlen die Generatorspannung nicht über¬ mäßig hoch ansteigen zu lassen. Jedoch kann es bei Verwen¬ dung weniger energiereicher Permanentmagnete, beispielsweise bei Anwendung herkömmlicher Ferrite wünschenεwert εein, auch diese Lücken in der Statoranordnung auszunutzen.
Für dieεen Fall kann eine Auεgestaltung der Gleichstromma¬ schine vorgesehen werden, deren Statoranordnung eine erste meanderförmige Leiterbahnanordnung aufweiεt, die im wesent- liehen als Vollkreis-Zylinder auεgebildet iεt, deren Wickel¬ köpfe innerhalb einer gedachten Verlängerung des Ringspaltes angeordnet sind, und die zwischen benachbarten geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitten Lücken einheitlicher Breite aufweist. Zusätzlich ist eine zweite meanderförmige Leiterbahnanordnung vorgesehen, die zweite gerade, hin- oder herführende Meanderabschnitte und zweite Wickelköpfe auf¬ weist, wobei die zweiten Meanderabschnitte in die Lücken der ersten meanderförmigen Leiterbahnanordnung derarig einge¬ setzt sind, daß die beiden Leiterbahnanordnungen ineinan- der angeordnet sind und den gleichen Umfang aufweisen. Die zweiten Wickelköpfe werden in radialer Richtung außerhalb einer gedachten Verlängerung des Ringspalteε angeordnet. In diesem Falle befinden sich sowohl die oberen wie die unteren Wickelköpfe der zweiten meanderförmigen Leiterbahnanordnung in radialer Richtung außerhalb einer gedachten Verlängerung des Ringspaltes.
in diesem Falle kann wenigstenε für den inneren Magnetring am Rotor eine geschlossene Anordnung vorgesehen werden. Die Statoranordnung kann anschließend an diesen inneren Magnet¬ ring einfach in die Rotoranordnung eingesetzt werden. Für den äußeren Magnetring der Rotoranordnung wird eine Anord- nung aus zwei halbkreisförmigen Halbschalen gewählt, die zu einem geschlosεenen Magnetring zusammengesetzt und geschlos- εen werden, nachdem die Statoranordnung in den Ringspalt eingesetzt worden ist.
Ein weiterer Gesichtεpunkt der Erfindung betrifft die Be- reitεtellung einer einfacher fertigbaren meanderförmigen Statoranordnung für eine Gleichεtrommaschine der beanspruch¬ ten Art. Die Statoranordnung εoll mechaniεch εtabil und selbsttragend sein und nach Festlegung im Bereich des Sta- torfußes bzw. deε unteren Wickelkopfeε ohne weiteren zu- εätzlichen Träger in den Ringεpalt hineinragen und dort ohne jegliche mechanische Verformung den erheblichen mechanischen Kräften standhalten.
Bei einer ersten Ausführungsform einer solchen Statoranord¬ nung beεteht die erste Leiterbahnanordnung oder jedes Lei¬ terbahnanordnungs-Segment aus je einem einzigen Stück un¬ unterbrochenem, bandförmigem Leitermaterial mit im wesent¬ lichen rechteckigem Querεchnitt. Beiεpielεweiεe wurde iso- liertes Leitermaterial aus Kupfer mit einem Querschnitt von 5 x 2 mm verwendet. Das praktisch endlos lange, anfänglich im wesentlichen gerade, bandförmige Leitermaterial wird fortlaufend nach vorgegebenen Abständen rechtwinkelig umge¬ bogen, um eine meanderförmige Statorwicklung zu erhalten, wie sie schematisch mit den Fig. 4a und 4b dargestellt iεt. Das fortlaufende rechtwinkelige Umbiegen kann beispielsweise mit Hilfe einer Vorrichtung vorgenommen werden, die weniσ- εtenε eine Nut zur Aufnahme eineε geraden Stückeε Leiterma- terial aufweist. Diese Nut endet an einer Anlagefläche, die senkrecht zur Nut ausgerichtet iεt. Eine drehbar gehaltene Walze iεt längs der Anlagefläche verschiebbar angeordnet. Mit Hilfe dieser Walze wird jeweilε ein über die Nut vor- stehender Abschnitt bestimmter Länge des Leitermaterials rechtwinkelig umgebogen und zur Anlage an der Anlagefläche gebracht.
Eine praktische Ausführungsform einer solchen meanderförmi- gen Statoranordnung entspricht einem halbkreiεförmigen,
Leiterbahnanordnungε-Segment mit 14 geraden Meanderabschnit¬ ten und weiεt pro geradem Meanderabεchnitt 5 räumlich im Ab- εtand zueinander angeordnete und zusätzlich elektriεch ge¬ geneinander iεolierte Leiterbahnabεchnitte auf. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Leiterbahnabschnitten eines Mean- derabschnittes erlaubt den zwangsweisen Durchtritt von Kühl¬ luft und vermindert die Selbstinduktion bei der Stromrich¬ tungsumkehr.
Im Bereich der Wickelköpfe liegen die entsprechenden Leiter¬ abschnitte aneinander an. Benachbart zu den unteren Wickel¬ köpfeπ sind die Rückführabschnitte angeordnet. Die die unte¬ ren Wickelköpfe und die Rückführabschnitte bildenden Leiter¬ bahnabschnitte sind miteinander verklebt; bei Bedarf können auch die die oberen Wickelköpfe bildenden Leiterbahnab¬ schnitte miteinander verklebt werden; als Klebemittel kann ein elektrisch isolierendes, aushärtbares Kunstharz vorge¬ sehen werden. Die Verklebung mit Hilfe deε auεhärtenden Kunstharzes erhöht die Stabilität. Nach einer wenigstens teilweisen Verklebung/Stabiliεierung wird die noch ebene
Statoranordnung in die Form eines Halbkreis-Zylinderεegmen- tes oder eineε Vollkreis-Zylinders gebracht. Das kann bei¬ spielsweise mit Hilfe einer Presεe erfolgen, die paεsend gekrümmte Stempel aufweist, zwischen denen die anfänglich ebene Statorwicklung fortlaufend abschnittsweise verformt wird.
Es wird eine stabile, selbsttragende, meanderförmige Stator- anordnung erhalten, die zweckmäßigerweise mit den Rückführ- abεchnitten in eine ringförmige Nut oder ein U-förmiges Profil an einer Bodenplatte der Gleichεtrommaschine eingesetzt und dort festgelegt wird. Die Maßgenauigkeit und die Stabilität der Statoranordnung sind εo groß, daß die Umlaufbahn der
Permanentmagnete am Rotor in einem Abstand von einigen weni¬ gen 1/100 mm zur Statoranordnung vorgesehen werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die lichte Weite deε magne- tiεch aktiven Ringεpaltes (Luftspalteε) - daε iεt dessen Er- streckung in radialer Richtung bezogen auf die Rotations¬ achse - nur geringfügig mehr ausmacht, als die Längserεtrek- kung eines Leiterqueschnitets der Statoranordnung. Eε wird die bei gegebenem Leiterquerschnitt geringste Weite des Luftspaltes und damit bei gegebenenen Permanentmagneten die größte magnetische Flußdichte erhalten. Dennoch wird bei Anwendung von zwei halbkreiεförmigen Leiterbahnanordnungε- Segementen, die bezüglich der Permanentmagnet-Pole räumlich verεetzt angeordnet sind und die elektrisch phasenverεchoben angesteuert werden, hinsichtlich Anlaufen aus jeder Rotor¬ stellung und Gleichlaufeigenschaften die Wirkung von mehre¬ ren Statorwicklungen im Luftεpalt erhalten.
Eine weitere Auεführungεfor einer erfindungεgemäßen mean- derfδrmigen Statoranordnung weiεt eine zuεammengeεetzte meanderförmige Leiterbahnanordnung, die aus einer Anzahl Wickelkopfelemente und aus einer Anzahl Meanderabschnitt- elementen besteht, auf. Die Elemente sind einzeln vorge¬ fertigt worden, beispielsweise aus einem Kupferblech ge- wünschter Stärke ausgestanzt worden. Die Meanderabschnitt- elemente weiεen an den gegenüberliegenden Endabschnitten je eine abstehende Fahne auf, die mit einem Schlitz ver¬ sehen ist. Die Wickelkopfelemente weisen einen an den vor¬ gesehenen Stromdurchgang angepaßten Leiterquerschnitt auf, welcher den Querschnitt der Meanderabschnittelemente über- εteigt. Die oberen Wickelkopfelemente und die Meanderab- εchnittelemente weiεen die gleiche Längεabmeεεung auf. In den Wickelkopfelementen befinden sich pasεende Aussparungen, durch welche die Fahnen hindurchgesteckt werden. Die beiden Fahnenabschnitte werden daraufhin in entgegengesetzter Richtung umgebördelt. Das Umbδrdeln εchafft eine zuεammen- geεetzte, mechaniεch εtabile, εelbsttragende Leiterbahnan- Ordnung und gewährleistet zusätzlich auch die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Meanderabschnittelementen und den Wickelkopfelementen. Bei Bedarf kann zusätzlich eine Punktschweißung vorgesehen werden. Benachbarte Meanderab- schnittelemente sind im Abstand zueinander angeordnet, um Spalte für den Durchtritt von Kühlluft zu schaffen. Die unteren Wickelkopfelemente können eine größere Breite auf¬ weisen und können zusätzlich mit Bohrungen für die Durch¬ führung von Befestigungsschrauben versehen εein. Mit Hilfe dieser Befestigungεεchrauben können die unteren Wickel- köpfelemente unmitttelbar auf einer Bodenplatte der Gleich¬ strommaschine befestigt werden, so daß die vertikal ab¬ stehenden Meanderabschnittelemente und die oberen Wickel¬ kopfelemente in den Ringspalt zwischen den beiden ringför¬ migen Permanentmagnetanordnungen am Rotor einführbar sind. Die Fertigung auε einzelnen vorgefertigten Stanzteilen er¬ laubt eine einfache, εchnelle und preiεwerte Fertigung einer solchen zusammengesetzten meanderförmigen Statoranordnung.
Es ist eine eisenlose Statoranordnung vorgesehen, die ledig- lieh aus dem Leiter bzw. Kupfer der Leiterbahnen und den wahlweise vorgesehenen Abstandεhaltern besteht. Trotz der erheblichen Leiterquerschnitte vermindert die erfindungsge¬ mäß vorgesehene Leiterbahnanordnung - mit der Längsεeite der rechteckigen Leiterquerεchnitte parallel zu den Feldlinien m magnetisch wirksamen Ringεpalt - die Wirbelεtromverluεte erheblich. Bei motorischem Betrieb ist eine Erwärmung deε Motors herabgesetzt. Der Motor kann in Phasen hoher und höchster Leistungsanforderungen zeitlich länger und/oder elektrisch höher belastet werden. Bei generatorischem Be- trieb werden die Verlustströme vermindert. Auch in diesem Falle tritt eine geringere Erwärmung der Leiterbahnen auf. Über die Temperaturabhängigkeit der spezifiεchen Leit¬ fähigkeit wird der Innenwiderεtand beeinflußt. Weil der Innenwiderεtand deε Generators geringer ist, kann bei gleicher Spannung ein größerer Strom entnommen werden.
Eine εolche Gleichεtrommaεchine wird im Regelfalle alε An- triebεmotor im Kraftfahrzeug verwendet. Sofern daε Kraft¬ fahrzeug "εchiebt" (etwa bei Bergabfahrt oder Bremεung) kann die gleiche Maschine generatorsich genutzt werden. Die bei der Stromerzeugung entεtehende Wechεelεpannung wird gleich¬ gerichtet. Der entεtehende Gleichstrom wird nach entspre- chender Regelung alε Ladeεtrom verwendet und der antreiben¬ den Batterie zugeführt.
Die vorεtehend erläuterte, aus dem bestimmten Permanent¬ magnet-Rotor und der bestimmten meanderförmigen Stator- anordnung gebildete erste Antriebsebene bildet - bei moto¬ rischem Betrieb - eine Leistungs-Antriebsebene, die bei- εpielεweiεe eine Leistung bis zu 100 kW erzeugt. Sofern noch höhere Leiεtungen benötigt werden, iεt es möglich, innerhalb dieser ersten Leistungε-Antriebεebene in der gleichen Rota- tionsebene um die gleiche Rotationsachεe wenigstens eine weitere zweite Leistungs-Antriebsebene vorzusehen, die im wesentlichen analog zur ersten Leiεtungε-Antriebεebene aus¬ gebildet ist.
Zusätzlich kann eine zwangsweise Kühlung der Statoranordnung und/oder deε Permanentmagnet-Rotorε vorgeεehen werden. Vor- zugεweiεe kann hierzu die innere und/oder die äußere ring¬ förmige Anordnung aus Permanentmagnet-Material und das an¬ grenzende magnetische Rückschlußmaterial mit fluchtenden Öffnungen versehen sein, durch die hindurch Kühlluft in den Ringspalt einführbar iεt. Vorzugεweise kann eine entspre¬ chende Kühlluftströmung unabhängig von einer Rotation des ersten Permanentmagnet-Rotors innerhalb des Motorgehäuses erzeugt v/erden, wie das nachstehend im einzelnen dargelegt wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zu diesem Zweck vorgesehen, daß innerhalb deε Motorge- häuses eine zweite, unabhängig εteuerbare und in Rotation versetzbare Antriebsebene ausgebildet iεt, die einen Venti¬ lator treibt, der Kühlluft erzeugt, die in den Ringspalt am ersten Permanentmagnet-Rotor einführbar ist.
Eine weitere Ausgeεtaltung einer erfindungεgemäßen Gleich- strommaschine, bei welcher das Konzept Motor-im-Motor reali¬ siert ist, geht aus von
einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaεchine inεbeεondere Gleichstrommotor,
- mit einer Rotationsachse,
- mit einer ersten, im wesentlichen zylindrischen Antriebsebene, die aus einer ersten Statoranordnung und einem ersten Permanentmagnet-Rotor gebildet ist, der eine Anzahl erste Permanentmagnet-Pole aufweist, die alternierend und im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse polarisiert sind, und - mit einer zweiten, im wesentlichen zylindrischen An¬ triebsebene, die aus einer zweiten Statoranordnung und einer Anzahl zweiter Permanentmagnet-Pole ge¬ bildet ist, die alternierend und im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachεe polarisiert sind.
- wobei die beiden Antriebsebenen in einer gemeinsamen Rotationsebene um die gemeinsame Rotationsachse herum ausgebildet sind.
Diese erfindungsgemäße Gleichstrommaεchine iεt dadurch ge¬ kennzeichnet, daß
- die zweiten Permantentmagnet-Pole an einem zweiten Permanentmagnet-Rotor angebracht εind, der unabhängig vom ersten Permanentmagnet-Rotor um die gemeinsame Rotationsachse herum rotierbar ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß dieser zweite Permanent¬ magnet-Rotor einen Ventilator treibt, der Kühlluft erzeugt. die in den Ringspalt am ersten Permanent-Rotor einführbar ist.
Bei dieser zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors muß die erste Antriebsebene nicht notwendigerweise in der Art ausgebildet sein, wie sie vorstehend im einzelnen erläutert worden ist. Vielmehr kommen auch andere Ausgestal¬ tungen der ersten Antriebsebene in Betracht, wie sie mehr im einzelnen in dem Dokument EP 0 178 380 AI beschrieben sind. Vorzugsweiεe ist jedoch vorgesehen, diese erste An- triebεebene in der Weise auszubilden, wie das vorstehend dargelegt ist, um eine möglichst hohe Antriebsleistung zu erzielen.
Auch die zweite Antriebsebene kann in der Weise ausgebildet sein, wie das vorstehend im einzelnen dargelegt ist. Gerade diese Bauweise liefert bei geringem Platzbedarf ein beson¬ derε großes Drehmoment und eignet sich daher für die Reali¬ sierung einer zweiten Antriebεebene innerhalb eineε Ring- raumeε, der von der erεten Antriebεebene umεchloεsen ist.
Vorzugweise kann jedoch - wegen des wesentlich geringeren Leistungεbedarfε zur Rotation des Ventilators - auf einfa¬ chere Anordnungen und/oder preiswertere Magnetmaterialien zurückgegriffen werden. Insbesondere wird die zweite An¬ triebsebene mit Permanentmagnet-Rotor- und Stator-Anordnun¬ gen realiεiert, wie sie in dem Dokument EP 0 178 380 Al be¬ schrieben sind. Beispielsweiεe kann ein Stator mit ring¬ förmigem Eisenkern vorgesehen werden, der fortlaufend, senk- recht zum Ringumfang bewickelt ist. Ferner kann ein zylin¬ drischer Stator vorgesehen werden, wie er in dem Dokument DE 36 29 423 C2 beschrieben ist. Ein solcher Stator befindet sich in einem Ringspalt, der zwischen zwei ringförmiqen Per¬ manentmagneten gebildet ist. Diese Permanentmagnet-Ringe können aus pulverförmigem Permanentmagnet-Material bestehen, das in einer Kunststoffmatrix dispergiert ist. Die Perma¬ nentmagnet-Ringe sind alternierend lateral aufmagnetisiert. Jedoch steht bei dieser Anordnung jeweils einem Nord- oder Südpol deε äußeren Ringes ein gleichnamiger Pol des inneren Ringes gegenüber, wie das mehr im einzelnen in dem Dokument EP 0 178 380 AI beεchrieben ist.
Bekanntlich ist gerade der Antriebsmotor eines Kraftfahr¬ zeuges häufig wechselnden Betriebszuständen ausgesetzt, wo¬ bei die Leistungsanforderungen in einem weiten Bereich va¬ riieren. Gerade für einen solchen elektrisch angetriebenen Antriebsmotor ist es wünεchenεwert, auch eine elektrisch angetriebene Kühleinrichtung zu schaffen, die unabhängig von der aktuellen Drehzahl des Antriebsmotorε arbeitet. Mit der erfindungεgemäßen Anordnung einer zweiten unabhängig steuer¬ baren Antriebsebene innerhalb der ersten Antriebsebene für den Antriebsmotor, wird eine solche unabhängig regelbare Kühleinrichtung geschaffen. Die Unterbringung der zweiten Antriebsebene, deren Rotor mit dem Ventilator starr ge¬ koppelt ist, innerhalb des Gehäuses des Antriebsmotors ist besonders wirksam, weil die Kühlluft in den Innenraum des Motors und dort insbesondere in den besonderε belaεteten Ringεpalt eingeführt werden kann und dort eine unmittelbare und direkte Kühlwirkung ausüben kann. Es entfallen zusätz¬ liche Aggregate, wie sie für die Kühlung herkömmlicher Ver¬ brennungsmotoren erforderlich sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Ausgeεtaltung eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotorε weist ein relativ fla¬ ches, im wesentlichen zylindrisches Gehäuse auf, das im wesentlichen aus einer runden Bodenplatte und einer runden Deckelplatte besteht, an deren Umfang eine abstehende, um- laufende Seitenwand angesetzt ist. Im Zentrum der beiden
Platten iεt je ein Motorlager eingesetzt und ortsfeεt gehal¬ ten. Beiεpielsweise können Kugel-, Gleit- oder Wälzlager vorgeεehen werden. Diese beiden Motorlager halten drehbar eine Abtriebswelle, mit welcher der erste Permanent- magnet-Rotor starr verbunden ist. Beispielsweiεe kann die Abtriebεwelle in eine mittige Bohrung innerhalb eineε scheibenförmigen Rotorhalters eingeεetzt und dort feεtge- legt sein. Der runde, scheibenförmige Rotorhalter weist an seinem Umfang ein Profil mit umlaufenden Nuten und/oder vorstehenden Flanschen auf, welche die beiden Ringe aus Permanentmagnet-Material und die angrenzenden Ringe auε magnetiεchem Rückεchlußmaterial halten, die im wesentlichen vertikal vom Rotorhalter abstehen. Die gesamte Anordnung aus erstem Permanentmagnet-Rotor, Rotorhalter und Abtriebswelle ist miteinander starr verbunden und innerhalb des Motorge¬ häuses drehbar angeordnet.
Bei dieser Ausführungεform ist vorzugsweise am Außenumfang der Abtriebswelle wenigstens ein Ventilator-Lager angeord¬ net, das einen scheibenförmigen Ventilatorträger drehbar hält. Am Außenumfang des runden Ventilatorträgers sind eine Anzahl abstehender Ventilatorflügel angebracht. Im Ringraum zwischen Ventilatorflügel und Ventilator-Lager sind am Ven¬ tilatorträger die Komponenten befestigt, welche den zweiten Permanentmagnet-Rotor bilden. Die Ventilatorflügel können einstückig mit den Ventilatorträger ausgebildet sein und bestehen vorzugsweise aus Profilstücken, die bezüglich der radialen Richtung schräggestellt sind und bei Rotation des Ventilatorträgers eine radiale Luftströmung erzeugen. Diese Ventilatorflügel sind vorzugsweiεe parallel zur Rotationε- achse des Motors ausgerichtet und rotieren in einem Ring¬ raum, der zwischen der ersten Antriebsebene und der zweiten Antriebsebene ausgebildet ist.
Die Aktivierung des mit dem zweiten Permanentmagnet-Rotor starr gekoppelten Ventilators erfolgt bei Erreichung einer Sollwerttemperatur. Hierzu sind Sensoren vorhanden, welche die Temperatur der Umgebung bzw. der Leiterbahnen der ersten Statoranordnung erfassen. Die Sensorsignale werden einem Regelkreis zur Konstanthaltung der Motortemperatur zuge¬ führt. Der Regelkreis aktiviert den Ventilator nach Bedarf.
Typischerweise ist das Motorgehäuse im wesentlichen ge¬ schlossen ausgebildet und weist wenigstens eine Öffnung auf, über welche vom rotierenden Ventilator Kühlluft angesaugt wird. Dieser Kühlluft-Ansaugδffnung ist vorzugsweise ein Partikelfilter zugeordnet, um Verunreinigungen aus der Kühl¬ luft abzutrennen, bevor diese in den vom Motorgehäuse um¬ schlossenen Innenraum eintritt. Für die vom rotierenden Ven¬ tilator zwangsweise erzeugte Kühlluftströmung ist ein be- stim ter Strömungspfad vorgesehen, der u.a. durch den magne¬ tisch wirksamen Ringspalt der ersten Antriebsebene führt, und schließlich zu einer oder mehreren Kühlluft-Austritts¬ öffnungen führt, durch welche die angesaugte Kühlluft wieder aus dem Motorgehäuse austreten kann.
Zusätzlich zu den oben im einzelnen beschriebenen Komponen¬ ten der Antriebsebene(n) und der Kühleinrichtung weist der erfindungsgemäße Motor die üblichen und bekannten Einrich¬ tungen zur elektronischen Kommutierung auf, wie sie im ein- zelnen in dem Dokument EP 0 178 380 AI beschrieben sind.
Hierzu gehört eine mit Sensoren ausgerüstete Einrichtung zur Erfassung der Winkelposition des Permanentmagnet-Rotors gegenüber den geraden hin- oder herführenden Meanderab¬ schnitten der Statoranordnung. Weiterhin ist eine Ansteuer- elektronik vorhanden, die anhand der von der Erfaεεungsein- richtung gebildeten Signale den Stromfluß durch die Stator¬ anordnung so steuert, damit diese - bei motorischem Be¬ trieb - ein den Permanentmagnet-Rotor antreibendes Magnet¬ feld erzeugt. Die Steuerung des Stromflusses kann vorzugs- weise über eine Pulsbreitenregelung erfolgen. Eine dafür geeignete Schaltung ist beispielweise in der U.S.-Patent¬ schrift 4,309,675 beschrieben. Die Steuerung über eine Pulsbreitenregelung erlaubt in einem weiten Bereich eine optimale Anpassung der Umdrehungsgeschwindigkeit und deε Drehmomenteε an die wechselnden Betriebszustände eines An¬ triebsmotors in einem Kraftfahrzeug.
Zur Erzeugung der Permanentmagnet-Pole an dem/den Permanent¬ magnet-Rotor(en) dienen vorzugsweiεe permanentmagnetisier- bare Materialien hoher Koerzitivkraft. Als Magnetmaterialien kommen beispielsweise Ferrite, iπsbeεonder Sr- oder Ba-Fer- rite, εowie Sm/Co- oder Nd/Fe/B-Materialien εowie ausgewähl- te Seltene Erd-Verbindungen in Betracht. Nach entsprechender vielpoliger lateraler Aufmagnetisierung lassen sich im mag¬ netisch wirksamen Ringspalt magnetische Feldstärken von bis zu 1,2 Tesla und mehr erzielen. Die Ausrichtung der Polpola¬ risierung im wesentlichen senkrecht auf die Rotationsachse zu bzw. radial, erlaubt die Realisierung und optimale Aus¬ nutzung einer hohen Polzahl bei vergleichsweise geringem Rotorumfang.
Eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors, der für den Einsatz als einziger An¬ triebsmotor in einem Personenkraftwagen vorgesehen ist, ist für eine Nennleistung von ca. 100 kW auεgelegt. Die erεte Antriebεebene dieses Motors hat einen Umfang von ca. 33 cm und weist eine paarweise Anordnung von je 30 Permanentmag- net-Pole pro Ring am Permanentmagnet-Rotor auf. Diese Per¬ manentmagnet-Pole bestehen beiεpielεweise aus Sm/Co-Sinter- material . Die Permanentmagnet-Pole sind an je einem Ring aus magnetisch leitendem Material abgestützt; hierfür kommt beispielsweise St 37 in Betracht, eine C-haltige Eisenle- gierung mit hoher magnetischer Leitfähigkeit. Die meander¬ förmige Statoranordnung besteht pro Phase aus vier unabhän¬ gigen Leiterbahnen mit einem Querschnitt von 1 x 12 mm. Mit einem solchen Motor wurde ein Anlaufmoment von 280 Nm er¬ zielt. Auf Meßständen wurde ein Wirkungsgrad (unter Einbe- ziehung der Ansteuerelektronik) von 94 % gemessen (zuge¬ führte U x J zur abgenommenen Leistung (Drehmoment x Dreh¬ zahl)). Aufgrund der vorzugsweise vorgesehenen Pulεbreiten- regelung (kein Chopper!) wird eine lineare Charakteriεtik von Drehmoment und Drehzahl an praktiεch jedem Arbeitεpunkt des Motors erhalten. Das höchste Anlaufmoment wird bereits beim Einschalten des Stromes erreicht.
Sofern von einem Motor der hier beschriebenen Art eine noch höhere Leistung gefordert wird, kann die Anzahl der Lei- stungεebenen, d.h. der ersten Antriebsebenen erhöht werden. Es ist möglich, bei einem Motor der hier beschriebenen Art in einer Rotationsebene um die gemeinsame Rotationsachse herum zwei erste Antriebsebenen vorzusehen. Die hierzu er- forderliche Anzahl ringförmiger Permanentmagnet-Anordnungen ist starr an einem gemeinsamen Rotationsträger angebracht, der starr mit der Abtriebswelle verbunden ist.
Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand be¬ vorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeich¬ nungen erläutert. Die letzteren zeigen:
Figur 1 anhand einer schematiεchen Querεchnittεdar- Stellung - parallel zur Rotationsachse - eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors;
Figur 2 in einer Querschnittsdarstellung längs der Schnittlinie 2-2 aus Fig. 1 - schematisch und ausschnittεweise - den Feldlinienverlauf und die Leiteranordnung im Ringspalt des ersten Permanentmagnet-Rotors;
Figur 3 anhand einer perspektivischen Darstellung einen
Ausεchnitt auε einer erεten Ausführungsform einer meanderförmigen Stator nordnung, die aus zwei getrennten Leiterbahnen beεteht;
Figur 4a anhand einer schematischen Schrägansicht ein halbkreiszylindrisches, meanderförmiges Leiter¬ bahnanordnungs-Segment aus bandförmigem Leiter¬ material mit rechteckigem Querschnitt;
Figur 4b einen Ausschnitt aus dem Leiterbahnanordnungs- Segment nach Fig. 4ar der insbesondere die bei¬ den endständigen Meanderabschnitte und die Rückführabschnitte besεer erkennen läßt;
Figur 5 anhand einer Schnittdarεtellung die räumlich verεetzte Anordnung von zwei Leiterbahnanord- nungε-Segmenten gemäß Fig. 4a, 4b im zylindri¬ schen Ringspalt zwischen zwei ringförmigen Magnetanordnungen des Rotors, die zusammen eine zweite Auεführungεform einer meanderförmigen Statoranordnung bilden;
Figur 6a anhand einer εchematiεchen Schrägansicht einen Ausschnitt aus einer dritten Ausführungsform einer meanderförmigen Statoranordnung, die aus einzelnen Meanderabschnittelementen und einzel¬ nen Wickelkopfelementen aufgebaut ist;
Figur 6b ein Detail der zusammengesetzten Leiterbahnan¬ ordnung nach Fig. 6a, nämlich die Umbördelung der Fahnenabschnitte an den Meanderabschnitt¬ elementen;
Figur 7 anhand einer schematischen Querschnittεdar- stellung - vertikal zur Rotationsachse - eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors, der zusätzlich mit einem innerhalb des Motorgehäuεeε befindlichen Ven¬ tilator ausgerüstet iεt; und
Figuren 8a und 8b in Seitenansicht bzw. in Draufεicht - εchematiεch und ausschnittsweise - den Ven- tilator im Motor nach Fig. 7.
Die Figur 1 zeigt - schematisch und im Schnitt - eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors. Zu den we¬ sentlichen Komponenten dieses Motors gehören ein zweiteili- ges Gehäuse 10, eine Abtriebswelle 20 mit einem Rotorträger 26, an dem ein Permanentmagnet-Rotor 30 angebracht ist, εowie eine meanderförmige Statoranordnung 40. Daε Motorge- häuεe 10 beεteht im weεentlichen aus einer Grundplatte 12 und einer Deckelplatte 16, an deren Umfang einstückig eine umlaufende Seitenwand 18 angesetzt ist. Die Seitenwand 18 kann in eine umlaufende Stufe 13 am Umfang der Grundplatte 12 eingesetzt und dort mit Hilfe von Befestigungsmitteln 19 festgelegt werden. Im Zentrum der Grundplatte 12 ist eine Vertiefung auεgebildet, in welche ein Motorlager 15 ein- geεetzt ist. Im Zentrum der Deckelplatte 16 ist eine Bohrung ausgespart, in welche ein weiteres Motorlager 15* eingesetzt ist.
Die beiden, im Abεtand zueinander und miteinander fluchtend angeordneten Motorlager 15 und 15* halten drehbar eine Ab¬ triebswelle 20. Die Abtriebswelle 20 ist parallel und rotationssymmetrisch zur Rotationsachse 25 des Motors an- geordnet. Ein scheibenförmiger Rotorträger 26 ist starr und fest mit der Abtriebswelle 20 verbunden. Am Außenumfang des Rotorträgers 26 ist ein im wesentlichen U-förmiges Profil 27 angebracht, an dem eine Innenstufe 28 und eine Außenstufe 29 ausgebildet sind.
In die Innenstufe 28 ist ein Innenring 34 aus magnetischem
Rückschlußmaterial eingesetzt. In die Außenstufe 29 ist ein
Außenring 38 aus magnetischem Rückschlußmaterial eingesetzt.
An der Außenumfangsflache des Innenringes 34 ist eine innere ringförmige Anordnung 32 aus Permanentmagneten abgestützt. An der Innenumfangsflache des Außenringeε 38 ist eine äußere ringförmige Anordnung 36 auε Permanentmagneten abgeεtützt. Jede ringförmige Anordnung 32, 36 kann auε einzelnen Per¬ manentmagneten oder auε einem geschlossenen Ring aus Perma- nentmagnet-Material bestehen, der entsprechend aufmagneti- siert ist. Sämtliche Ringe 32, 34, 36 und 38 sind starr mit dem U-Profil 27 des Rotorträgers 26 verbunden, und stehen im wesentlichen vertikal von diesem ab. Die Ringe 32, 34, 36 und 38 bilden zuεammen den Permanentmagnet-Rotor 30. Zwi- sehen der inneren ringförmigen Anordnung 32 und der äußeren ringförmigen Anordnung 36 ist der magnetisch aktive Ring¬ spalt 35 ausgebildet.
An der Grundplatte 12 iεt eine meanderförmige Statoran¬ ordnung 40 abgeεtützt, deren gerade hinführende Meander¬ abschnitte 44 und gerade herführende Meanderabschnitte 48 εich durch dieεen Ringεpalt 35 hindurch erεtrecken. Die Breite deε Ringspaltes 35 iεt geringfügig größer alε die Breite der geraden Meanderabschnitte 44, 48, εo daß eine freie Rotation deε Permanentmagnet-Rotors 30 gegenüber der Statoranordnung 40 gegeben ist.
Anhand der Figur 2 wird der Permanentmagnet-Rotor 30 und die Verhältnisse im Ringspalt 35 näher erläutert. Der Außenring 38 und der Innenring 34 bestehen jeweils aus magnetischem Rückschlußmaterial, beispielsweise aus ST 37. Der äußere Ring 36 aus Permanentmagnet-Material ist alternierend lateral aufmagnetisiert, so daß alternierend magnetische Nord-Pole 36* und magnetische Süd-Pole 36" resultieren. Entgegengesetzte Pole 36' und 36" sind durch schmale neutrale Zonen 36"' voneinander getrennt. In gleicher Weise ist der innere Ring 32 aus Permanentmagnet-Material alter- nierend lateral aufmagnetisiert, so daß dort abwechselnd die Nord-Pole 32* und die Süd-Pole 32" resultieren. Wiederum be¬ stehen zwischen entgegengesetzten Polen 32* und 32" schmale neutrale Zonen 32"*. Als Permanentmagnet-Material dient bei¬ spielsweise Sm/Co-Sintermaterial.
Wie dargestellt, befindet sich gegenüber einem Nord-Pol 36 ' des äußeren Permanentmagnet-Ringes 36 εtets ein Süd-Pol 32" des inneren Permanentmagnet-Ringes 32 und umgekehrt. Inner¬ halb des magnetisch aktiven Ringspaltes 35 resultiert ein homogenes Magnetfeld mit geradlinigem, im wesentlichen parallelen Feldlinienverlauf, wie das anhand der Feldlinien 37 angedeutet ist. Diese Feldlinien 37 sind über die magne¬ tischen Rückschlußmaterialien 34 und 38 hinweg geεchlosεen, so daß innerhalb des Ringspaltes 35 ein magnetisches Feld hoher Feldstärke resultiert.
In der gewählten Ausführungεform beεteht die meanderförmige Statoranordnung 40 aus zwei ineinandergesetzten meanderför¬ migen Leiterbahnanordnungen 41 und 43. Jede meanderförmige Leiterbahnanordnung 41, 43 beεteht aus vier unabhängigen, elektrisch voneinander getrennten und geometriεch parallel geführten Leiterbahnen. Somit besteht - an jeder meander¬ förmigen Leiterbahnanordnung 41, 43 - jeder gerade hinfüh- rende Meanderabschnitt 44 aus vier geraden Leiterabschnitten 44«, 44", 44"' und 44"". In gleicher Weise besteht jeder gerade herführende Meanderabschnitt 48 auε vier geraden Leiterabschnitten 48', 48", 48'"und 48"". Zwischen benach- barten hinführenden Leiterabschnitten, beispielsweise 44' und 44", sowie zwischen benachbarten herführenden Leiter¬ abschnitten, beispielsweise 48' und 48" besteht jeweils ein ausreichender Zwischenraum 45 bzw. 49, um eine elektrische Trennung zwischen benachbarten Leiterbahnen zu gewährlei- sten. In diese Zwischenräume 45 bzw. 49 können - nicht dar¬ gestellte - kleine isolierende Abstandshalter eingesetzt εein.
Zwiεchen einem geraden hinführenden Meanderabεchnitt 44 und dem geraden herführenden Meanderabschnitt 48 einer Leiter¬ bahnanordnung 41 besteht ein ausreichender Abstand, in den ein gerader Meanderabschnitt der anderen Leiterbahnanordnung 43 eingesetzt ist. Zwischen zwei benachbarten geraden Mean¬ derabschnitten besteht ein größerer Zwischenraum 47. In diese größeren Zwischenräume 47 können - nicht darge¬ stellte - große isolierende Abstandshalter eingesetzt sein, die sich über die gesamte axiale Länge des Ringspalteε 35 erstrecken. Die kleinen und großen isolierenden Abstands¬ halter bestehen jeweils auε wärmebeεtändigem, elektrisch isolierendem und magnetisch inertem Material wie beispiels¬ weise Al20-3.
Wie dargestellt, beträgt die Breite eines geraden hin- oder herführenden Meanderabschnittes 44 bzw. 48 weniger als die halbe Polbreite "b" eines Permanentmagnet-Poles 32', 32"; 36', 36".
Ersichtlich weist jeder Leiterabschnitt, beispielsweise 44' 48', einen rechteckigen Leiterquerεchnitt auf. Der Leiter- querεchnitt hat wenigεtenε eine Längεεeite und eine Schmal¬ seite. Die Längsseite des Leiterquerschnittes ist parallel zu den Feldlinien 37 im magnetiεch wirkεamen Ringεpalt 35 ausgerichtet. Mit Bezugnahme auf Figur 3 wird die Auεbildung einer mean¬ derförmigen Statoranordnung 40 detaillierter erläutert. Aus Gründen einer einfacheren Darstellung ist in diesem Falle eine Statoranordnung 40 gewählt, die lediglich auε einer meanderförmigen Leiterbahnanordnung beεteht, die auε zwei Leiterbahnen 40' und 40" aufgebaut iεt. Die meanderförmige Statoranordnung 40 beεteht fortlaufend aus einem geraden, hinführenden Meanderabschnitt 44, einem oberen (inneren) Wickelkopf 42, einem geraden, herführenden Meanderabschnitt 48, einem unteren (äußeren) Wickelkopf 46, erneut einem ge¬ raden, hinführenden Meanderabschnitt 44 usw. Die geraden, hin- und herführenden Meanderabschnitt 44, 48 befinden sich innerhalb des magnetiεch wirkεamen Ringspaltes 35. Oberhalb und unterhalb des Ringspaltes 35 sind die, die Statoranord- nung 40 bildenden Leiterbahnen 40', 40" seitlich bzw. radial aus einer gedachten Verlängerung des Ringspalteε 35 herauε- geführt und bilden dort die Wickelköpfe 42, 46. Die Wickel¬ köpfe 42, 46 verlaufen im wesentlichen parallel zum Ring¬ spalt 35, jedoch - in radialer Richtung - außerhalb der ge- dachten Verlängerung des Ringεpalteε 35. Im Bereich der Wickelköpfe 42, 46 weiεen die Leiterbahnen 40', 40" den gleichen Querschnitt auf wie im Bereich der geraden, hin- oder herführende Meanderabschnitte 44, 48.
Zur Herstellung einer derartigen meanderförmigen Statoran¬ ordnung 40 kann von ebenem Flachmaterial ausgegangen werden, aus welchem Bahnen der gewünschten Konfiguration ausgestanzt oder ausgeschnitten werden. Diese ebenen Bahnen werden dar¬ aufhin in einer Preεεe um geeignete Stempel herum verformt, um die gewünεchte dreidimenεionale Struktur zu bilden. Mit 1 mm starkem Kupferblech kann eine stabile, selbsttragende, meanderförmige Statoranordnung 40 der dargestellten Konfi¬ guration erhalten werden.
Mit Bezugnahme auf die Fig. 4a, 4b und 5 wird eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen meanderförmigen Statoranordnung erläutert, die aus zwei meanderförmigen, im weεentlichen halbkreisförmigen Leiterbahnanordnungs-Segmen- ten aufgebaut ist.
Das in den Fig. 4a, 4b dargestellte meanderförmige Leiter¬ bahnanordnungs-Segment 141 erstreckt sich über einen Um- fangsabεchnitt von 168° am kreisringförmigen Ringspalt. In einem weiteren Umfangsabschnitt von 12° werden Hallsensoren zur Erfasεung der Nulldurchgänge zwischen benachbarten Per¬ manentmagnet-Polen am Rotor angeordnet. Das Leiterbahnan¬ ordnungs-Segment 141 ist aus einem einzigen Stück ununter- brochenem, bandförmigem Leitermaterial 140' mit im wesent¬ lichen rechteckigem Querschnitt gefertigt und weist einen Eingangsanεchluß 150 und einen Ausgangsanschluß 151 auf. Im Verlauf der Fertigung wurde das praktisch endlos lange, an¬ fänglich im weεentlichen gerade, bandförmige Leitermaterial fortlaufend nach vorgegeenen Abständen recktwinkelig umge¬ bogen, um fortlaufend zu bilden:
- - gerade hinführende Meanderabschnitte 144,
- obere Wickelkδpfe 142, ~ gerade herführende Meanderabschnitte 148,
- untere Wickelkδpfe 146 und
- Rückführabschnitte 149.
Die Breite eines geraden Meanderabschnittes 144 oder 148 - das ist die Abmessung in Umfangsrichtung - entεpricht etwa der halben Pol-Breite eineε Permanentmagnet-Poleε. Zwischen benachbarten geraden Meanderabschnitten 144 und 148 besteht eine Lücke 147, deren Breite etwa der Breite eines Meander¬ abschnittes 144 oder 148 entspricht. Jeder gerade Meanderab- schnitt 144 oder 148 besteht aus jeweils 5 Leiterbahnab¬ schnitten 144a, 144b, 144c, 144d und 144e, sowie 148a, 148b, 148c, 148d und 148e, die aufgrund der Herεtellung unterein¬ ander elektrisch in Reihe geschaltet sind. Je zwei benach¬ barte Leiterabschnitte wie beispielsweise 148a und 144b oder 148c und 148d sind je parallel und im Abstand zueinander an¬ geordnet, εo daß zwiεchen εolchen Leiterbahnabεchnitten je ein kleiner Zwischenraum 145 gebildet ist, durch den zwangs¬ weise Kühlluft führbar ist. Im Bereich der oberen Wickel- köpfe 142, der unteren Wickelköpfe 146 und der Rückführab¬ schnitte 149 liegen benachbarte Leiterbahnabschnitte an¬ einander an. Ein unerwünschter Stromdurchgang wird dort durch Verwendung von allseitig isoliertem Leitermaterial 140' vermieden. Zusätzlich befindet sich im Bereich der unteren Wickelkδpfe 146 und der Rückführabschnitte 149 zwi¬ schen benachbarten Leiterbahnabschnitten ein elektrisch isolierendes, ausgehärteteε Kunεtharz, daε die Stabilität deε εelbεttragenden Leiterbahnanordnungs-Segmentes 141 er- höht.
Die Fig. 5 zeigt die räumlich versetzte Anordnung von zwei halbkreisförmigen Leiterbahnanordnungs-Segmenten 141 und 143 im zylindrischen Ringspalt 35 eines Permantenmagnet-Rotors 30. Jedes halbkreisförmige Leiterbahnanordnungs-Segment 141 und 143 weist den vorstehend mit Bezugnahme auf Fig. la, lb erläuterten Aufbau auf. Der Permanentmagnet-Rotor 30 weist einen inneren Ring 34 aus magnetisch leitendem Material auf. An der Außenumfangsfläche deε Innenringes 34 liegt eine innere ringförmige Anordnung 32 aus Permanentmagneten an. An der Innenumfangsflache deε Außenringε 38 liegt eine äußere ringförmige Anordnung 36 aus Permanentmagneten an. Jede ringförmige Magnetanordnung 32, 36 ist aus einzelnen, stückigen, Permanentmagnet-Polen 32*, 32"; 36', 36" aufge- baut, die entsprechend aufmagnetisiert sind. Die einzelnen Permanentmagnet-Pole 32', 32"; 36', 36" bestehen aus Co/S - Sintermaterial und sind mit ihrer Rückseite an dem jeweili¬ gen Ring 34 oder 36 aus magnetischem Rückschlußmaterial an¬ geklebt. Es iεt eine εolche Anordnung gewähtl, daß jedem magnetischen Ncrd-Pol 32' oder Süd-Pol 32" am Innenring 32 ein entgegengesetzter Süd-Pol 36" oder Nord-Pol 36* am Außen¬ ring 36 gegenübersteht. Zwischen zwei benachbarten, un¬ gleichnamigen Polen 32' und 32" sowie 36' und 36" befindet sich eine neutrale Zone 32'" bzw. 36"'. Innerhalb des mag- netisch aktiven Ringspaltes 35 resultiert ein homogeneε Magnetfeld mit geradlinigem, radialen, im wesentlichen parallelen Feldlinienverlauf und ständig wechselnder Pola¬ rität. Bei einer beiεpielhaften Auεführungεform sind über den ge¬ samten Umfang pro ringförmiger Magnetanordnung 32 oder 36 je dreißig Permanentmagnet-Pole 32' und 32"; 36' und 36" vor¬ gesehen. Wie bereits geεagt, entspricht die Breite jedes geraden hin- oder herführenden MeanderabSchnittes 144, 148 etwa der halben Pol-Breite eines Permanentmagnet-Poleε 32*, 32"; 36', 36".
Für eine gegebene Rotorεtellung iεt eine εolche Anordnung deε erεten Leiterbahnanordnungε-Segmenteε 141 gewählt, daß sich jeder gerade Meanderabschnitt 144, 148 etwa mittig zwischen zwei gegenüberstehenden, ungleichnamigen Permanent¬ magnet-Polen 32* und 36" bzw. 32", 36* befindet (vgl. rechte Hälfte der Abbildung 2). Demgegenüber ist - bei gleicher, festgehaltener Rotorstellung - das zweite Leiterbahnanord- nungs-Segement 143 um etwa eine halbe Pol-Breite der Perma¬ nentmagnet-Pole in Richtung des Ringεpaltes 35 räumlich ver¬ setzt angeordnet. Daraus resultiert eine Anordnung, bei der jeder gerade Meanderabschnitt 144, 148 des zweiten Leiter- bahnanordnungs-Segmentes 143 εich im wesentlichen zwischen fluchtenden neutralen Zonen 32'" und 36'" und den angrenzen¬ den Polabschnitten der inneren und äußeren Magentanordnung 32 und 36 befindet. Die beiden, räumlich εo verεetzt ange¬ ordneten und elektriεch voneinander getrennten Leiterbahn- anordnungε-Segmente 141 und 143 werden typischerweise mit einer elektrischen Phasenverschiebung von 90° angesteuert.
In der größeren Umfangslücke zwischen den beiden Leiterbahn- anordnungs-Segementen 141 und 143 ist ein Hallsensor 155 un- tergebracht, der am rotierenden Rotor 30 jeden Nulldurchgang zwischen zwei benachbarten Permanentmagnet-Polen 32', 32" bzw. 36', 36" erfaßt.
Die Fig. 6a zeigt auεschnittεweiεe eine weitere Ausgestal- tung einer erfindungsgemäßen meanderförmigen Statoranord¬ nung, nämlich eine zusammengeεetzte meanderförmige Leiter¬ bahnanordnung 240, die auε einzelnen Meanderabεchnittele- menten 241 und oberen Wickelkopfelementen 242 εowie unteren Wickelkopfelementen 246 aufgebaut ist. Jedes Meanderab- εchnittelement 241 besteht aus einem länglichen, geraden Stück Leitermaterial mit rechteckigem Querschnitt, das an den gegenüberliegenden Endabschnitten je eine abstehende Fahne 241* aufweist. Jede abstehende Fahne 241' ist mit einem mittigen Schlitz oder Spalt 241" versehen, so daß die resulitierenden Fahnenabschnitte bei Bedarf umbördelbar sind. Jedes Wickelkopfelement besteht aus einem gebogenen Stück Leitermaterial mit größerer Stärke als die Meander- abschnittelemente 241 und weist in pasεender Anordnung
Aussparungen 242',246' auf, durch welche je eine Fahne 241' an den Meanderabschnittelementen 241 hindurchsteckbar ist. Durch anschließendeε Umbördeln der Fahnenabεchnitte (vgl. Fig. 6b) werden die Meanderabschnitte 241 mechanisch fest und elektrisch leitend mit dem jeweiligen oberen Wickel¬ kopfelement 242 und dem unteren Wickelkopfelement 246 ver¬ bunden. Es ist eine solche Anordnung der Ausεparungen 242' und 246* gewählt, daß nach Zusammenbau der zusammengesetz- ten Leiterbahnanordnung 240 wiederum gerade hinführende Meanderabschnitte 244 und gerade herführende Meanderab¬ schnitte 248 resultieren. Ersichtlich ist die Anzahl der Meanderabschnitte 241, die einen geraden hin- oder her¬ führenden Meanderabschnitt 244, 248 bildet, untereinander elektrisch parallel geschaltet. .
Die unteren Wickelkopfelemente 246 können eine größere
Längsabmessung aufweisen, um zusätzlich Platz für Bohrungen 246" zum Hindurchführen von Befestigungsschrauben zu schaf¬ fen. Diese unteren Wickelköpfe 246 können an einer Boden- platte der Gleichstrommaεchine angelegt und mit Hilfe von - nicht dargeεtellten - Befestigungsschrauben festgelegt werden. Die Längsabmessung der oberen Wickelkopfelemente 242 entspricht der Längsabmeεsung deε Leiterquerschnittes der Meanderabschnittelemente 241. Auch dieεe zuεammengesetzte Leiterbahnanordnung 240 kann ohne weiteres in einen zylin¬ drischen Ringspalt zwischen zwei ringförmigen Magnetanord¬ nungen an einem Permanentmagnet-Rotor eingeführt werden. Die Fig. 7 zeigt eine weitere Auεführungsform eines erfin¬ dungsgemäßen Gleichstrommotorε. Der Gleichεtrommotor nach Fig. 7 ist im wesentlichen analog zum Motor nach Fig. 1 auf¬ gebaut, weist jedoch zusätzlich innerhalb deε Motorgehäuεeε eine zweite, unabhängig anεteuerbare Antriebεebene auf, mit welcher ein innerhalb deε Motorgehäuses untergebrachter Ven¬ tilator angetrieben wird, mit welcher ein Kühlluftstrom er¬ zeugt wird, der zur Kühlung der ersten Antriebsebene dient.
Das Motorgehäuse 10 besteht im wesentlichen aus einer Grund¬ platte 112, einem Lüftungsdeckel 111 und einer Deckelplatte 16, an deren Umfang einstückig eine umlaufende Seitenwand 18 angesetzt ist. An der Grundplatte 112 ist eine meanderförmi¬ ge Statoranordnung 140 abgestützt, die aus zwei im wesentli- chen halbkreisförmigen Leiterbahnanordnungs-Segmenten 141 und 143 besteht, wie sie vorstehend mit Bezugnahme auf Fig. 4a und 4b erläutert sind. Die geraden hinführenden Meander¬ abschnitte 144 und die geraden herführenden Meanderabschnit¬ te 148 erstrecken sich durch den Ringspalt 35 hindurch. Die Breite des Ringspaltes 35 ist geringfügig größer als die Breite der geraden Meanderabschnitte 144, 148 so daß eine freie Rotation des Permanentmagnet-Rotors 30 gegenüber der Statoranordnung 140 gegeben ist.
In der Umfangswand des dosenförmigen Lüftungsdeckeis 111 sind eine Anzahl Luftansaugöffnungen 114 ausgespart, die in geringem Abstand nebeneinander um den gesamten Umfang herum angeordnet sind. Innerhalb des Lüftungsdeckels 111 und an¬ grenzend an die Luftansaugöffnungen 114 befindet sich ein ringförmiges Luftfilter 115 aus gefaltetem Papiermaterial.
Das Luftfilter 115 liegt mit seinem Innenumfang an einer An¬ zahl Luftleitplatten 116 an, die von der Grundplatte 112 vertikal abstehen. Zwischen benachbarten Luftleitplatten 116 sind in der Grundplatte 112 Luftdruchtrittsöffnungen 117 ausgeεpart, durch welche Luft hindurch in den Innenraum deε Motors strömen kann. Innerhalb der ringförmigen Anordnung von Luftleitplatten 116 befindet sich eine Montageplatte 120, auf welcheε die elektrischen und elektronischen Ko p- nenten 122, 122', 122", 122'" der Motorsteuerung unterge¬ bracht sind. Ersichtlich ragen diese Komponenten 122, 122', 122", 122'" in den Kühlluftstrom hinein und werden fortlau¬ fend gekühlt. In den Lüftungεdeckel 111 εind die beiden Stromanεchlüsεe 124 und 124' sowie die Sockelplatte 126 eines vielpoligen Steckers eingesetzt. Ein Leiterbahnband 127 verbindet die Sockelplatte 126 mit der Montageplatte 120. Masεive Stromleiter 125, 125' verbinden die Stroman¬ schlüsse 124, 124* mit der Montageplatte 120.
Ein scheibenförmiger Ventilatorträger 64 weist in seinem
Zentrum eine Bohrung auf, um die herum ein Rohrabschnitt 65 vertikal vom Ventilatorträger 64 absteht. Der Innenumfang dieses Rohrabschnittes 65 kann als Gleitlager ausgebildet sein, das am Außenumfang der Abtriebεwelle 20 anliegt. Al¬ ternativ kann - wie in Fig. 7 dargeεtellt - dieεer Rohrab¬ schnitt 65 über zwei im Abstand zueinander angeordnete Ventilator-Lager 61, 61' gegenüber dem Außenumfang der Ab¬ triebswelle 20 abgestützt εein. In jedem Fall iεt eine freie und unabhängige Rotation deε Ventilatorträgerε 64 gegenüber der Abtriebεwelle 20 gegeben. Benachbart zum Außenumfang deε Ventilatorträgers 64 sind dort einstückig angeformte und vertikal abstehende, profilierte Ventilatorflügel 68 ange¬ bracht, die bei Rotation des Ventilators 60 einen radialen Kühlluftstrom erzeugen. Die Kühlluft wird über die Luftan¬ saugöffnungen 114, das Luftfilter 115 und die Luftdurch- trittsöffnungen 117 angesaugt, mit Hilfe des Ventilators 60 beschleunigt und strömt daraufhin durch den Ringspalt 35. Dort strömt die Kühlluft durch die engen Zwischenräume zwi¬ εchen benachbarten Leiterbahnen εowie durch größere Zwi- εchenräume zwiεchen benachbarten Meanderabεchnitten 144, 148 und kühlt auf diesem Wege die Statoranordnung 140. Die Kühl¬ luft gelangt schließlich durch Öffnungen 26' im Rotorträger 26 und durch Öffnungen 17 innerhalb der Deckelplatte 16 auε dem Inneren deε Motorgehäuεeε 10 herauε in die umgebende Atmoεphäre. Die Öffnungen 26' εind in Verlängerung deε Ringεpalteε 35 im Abεtand zueinander angeordnet. Die Boh¬ rungen der Öffnungen 26' εind gegenüber der Umfangεbahn schräg gestellt, so daß bei Rotation des Rotorträgers 26 ein zusätzlicher Sog erzeugt wird.
Der Ventilator 60 wird von einer zweiten Antriebsebene ange- trieben, die unabhängig vom Betrieb des Motors anεteuerbar ist. Diese zweite Antriebεebene 50 wird auε einer zweiten Statoranordnung 52 und einem zweiten Permanentmagnet-Rotor 55 gebildet. Die zweite Statoranordnung 52 und der zweite Permanentmagnet-Rotor 55 εind an den vergleichεweise gerin- gen Leistungsbedarf angepaßt, der zur Rotation des Ventila- torε 60 erforderlich iεt. Der Stromfluß durch die zweite Statoranordnung 52 wird von einer Regelεchaltung nur dann aktiviert, wenn - nicht dargestellte - Sensoren eine Über¬ schreitung einer vorgegebenen Motortemperatur erfaßt haben.
Den Fig. 8a und 8b lassen sich Einzelheiten zum Aufbau des Ventilatorε 60 und der zweiten Antriebsebene entnehmen. Wie in Drauf- und Seitenansicht dargestellt, besteht der Venti¬ lator 60 im wesentlichen aus einem ringförmigen Ventilator- träger 64, der an seinem Innenumfang eine einstückig ange¬ formte, vertikal abstehende Hülse 65 zur Aufnähme/Bildung eines Ventilatorlagers und an seinem Außenumfang einstückig angeformte, vertikal abstehende Ventilatorflügel 68 auf¬ weist. Zwischen zwei konzentriεch, vertikal abstehende Flansche 62 und 63 εind die Komponenten eines zweiten Per- manent-Rotorε 55 eingesetzt, welche starr und fest mit dem Ventilator 60 verbunden sind. Zu diesen Komponenten gehören ein Innenring 56 aus magnetiεchem Rückschlußmaterial, ein innerer Ring 57 aus Permanentmagnet-Material, ein äußerer Ring 58 aus Permanentmagnet-Material und ein Außenring 59 aus magnetischem Rückschlußmaterial. Die ringförmigen Per¬ manentmagneten 57, 58 können preiswerte "Gummimagnete" (in einer Kunststoffmatrix dispergierteε Pulver aus Permanent¬ magnet-Material) sein und sind alternierend lateral aufmag- netisiert. Es ist eine Anordnung gewählt, bei welcher je ein Nord- oder Süd-Pol 58', 58" des äußeren Ringes 58 einem gleichnamigen Pol 57', 57" gegenübersteht. In den Ringspalt zwischen den beiden Permanentmagnet-Ringen 57, 58 ragt eine zweite Statoranordnung 52 hinein, die im vorliegenden Fall aus einem ringförmigen Eiεenkern beεteht, der mit einer Statorwicklung versehen ist.

Claims

Patentansprüche:
1. Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, insbeεondere elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, mit
- einer Rotationsachse (25),
- einem Permanentmagnet-Rotor (30) mit einem im we¬ sentlichen zylindrischen Ringspalt (35) mit homoge- nem Magnetfeld mit geradlinigem, radialen Feld¬ linienverlauf und ständig wechselnder Polarität,
- einer eiεenloεen, meanderförmigen Statoranordnung (40, 140, 240; 141, 143), die gerade hin- oder her¬ führende Meanderabschnitte (44, 144, 244; 48, 148, 248) aufweiεt, die parallel zur Rotationsachse (25) ausgerichtet sind und sich innerhalb des Ringspaltes (35) erstrecken, wobei jeder gerade hin- oder her¬ führende Meanderabschnitt aus einer Anzahl parallel angeordneter Leiterabschnitte (44', 44", 44*", 44""; 144a, 144b, 144c, 144d, 144e; 48', 48", 48'", 48""; 148a, 148b, 148c, 148d, 148e) besteht, die im we¬ sentlichen reckteckigen Querschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiterabεchnitt (44• , 44", 44'", 44""; 144a, 144b, 144c, 144d, 144e; 48', 48", 48'", 48""; 148a, 148b, 148c, 148d, 148e) innerhalb deε Ringspalteε (35) derart ange¬ ordnet iεt, daß die längere Seite des Leiterquerschnitteε parallel zum Verlauf der Feldlinien (37) ausgerichtet ist.
Gleichstrommaεchine nach Anεpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet-Rotor (30) eine Anzahl Permanent¬ magnet-Pole (32', 32"; 36', 36") aufweiεt, die im wesent¬ lichen senkrecht zur Rotationsachse (25) bzw. radial po¬ larisiert sind und in einer äußeren ringförmigen Anord- nung (36) und einer inneren ringförmigen Anordnung (32) angeordnet sind, zwischen denen der magnetiεch aktive Ringεpalt (35) auεgebildet ist; und in jeder ringförmigen Anordnung (32, 36) benachbarte Pole (36', 36"; 32', 32") alternierend polarisiert sind und jeweils ein Nordpol (36') oder Südpol (36") deε äußeren Ringeε (36) einem entgegengesetzten Pol (32", 32') des inneren Ringes (32) gegenübersteht.
3. Gleichstrommaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abεtand zwischen zwei benachbarten Permanentmagnet- Polen (neutrale Zone) innerhalb einer ringförmigen Anord¬ nung (32, 36) im wesentlichen der radialen Abmessung des Ringspaltes (35) entspricht.
4. Gleichεtrommaεchine nach einem der Anεprüche 1 biε 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rechteckige Leiterquerschnitt wenigstens eine Längε- seite und wenigstenε eine Schmalεeite aufweist; und das Seitenverhältnis zwischen der Längεεeite und der Schmalεeite mehr als 2:1, insbeεondere mehr alε 4:1 be¬ trägt.
5. Gleichεtro maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder gerade hinführende Meanderabschnitt (44) mit dem folgenden herführenden Meanderabschnitt (48) über je einen Wickelkopf (42, 46) verbunden ist, der in radialer Richtung aus einer gedachten Verlängerung des Ringspaltes (35) herausgeführt ist und im wesentlichen parallel zum Ringspalt (35) außerhalb dieser gedachten Ringspalt-Ver- längerung verläuft.
6. Gleichεtrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder gerade hinführende Meanderabschnitt (144, 244) mit dem folgenden herführenden Meanderabschnitt (148, 248) über je einen Wickelkopf (142, 242, 146, 246) verbunden ist; und bei wenigstens einer ersten meanderförmigen Leiterbahn¬ anordnung (140, 240) wenigstens die oberen Wickelköpfe (142, 242) innerhalb einer gedachten Verlängerung des
Ringεpaltes (35) angeordnet sind, um ein axiales Einfüh¬ ren der ersten meanderförmigen Leiterbahnanordnung (140, 240) in den Ringspalt (35) zu ermöglichen.
7. Gleichstrommaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste meanderförmige Leiterbahnanordnung (140) ein erstes, im wesentlichen halbkreisförmiges Leiterbahnan¬ ordnungs-Segment (141) und ein zweites, im wesentlichen halbkreisförmiges Leiterbahnanordnungs-Segment (143) aufweist, das elektrisch vom ersten Leiterbahnanord¬ nungs-Segment (141) getrennt ist; die beiden Leiterbahnanordnungs-Segmente (141, 143) den gleichen Umfang aufweisen und innerhalb des Ringspaltes (35) angeordnet sind; und die geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitte (144, 148) des zweiten Leiterbahnanordnungε-Segmenteε (143) um etwa die halbe Pol-Breite der Permanentmagnet- Pole (32*, 32"; 36', 36") in Richtung deε Ringεpaltes (35) räumlich versetzt angeordnet sind zu den geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitten (144, 148) des ersten Leiterbahnanordnungs-Segmentes (141).
8. Gleichstrommaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leiterbahnanordnung (140) oder die ersten und zweiten Leiterbahnanordnungε-Segmente (141, 143) auε je einem einzigen Stück ununterbrochenem, bandförmigem Lei¬ termaterial (140') mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt gefertigt sind, wobei das praktisch endlos lange, anfänglich im wesent¬ lichen gerade, bandförmige Leitermaterial (140') fort¬ laufend nach vorgegebenen Abständen rechwinkelig umge- - 43 -
bogen wurde, um eine stabile, selbεttragende meander¬ förmige Anordnung zu erhalten, die fortlaufend gerade hinführende Meanderabschnitte (144), obere Wickelköpfe (142), gerade herführende Meanderabschnitte (148), untere Wickelköpfe (146) und erneut gerade hinführende Meanderabschnitte (144) usw., sowie Rückführabschnitte (149) zwischen dem endständigen geraden herführenden Meanderabschnitten und dem anfänglich geraden hinfüh¬ renden Meanderabschnitten aufweist.
9. Gleichstrommaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die meanderförmige Anordnung anfänglich in ebenem Zu¬ stand erzeugt wird; daraufhin ein aushärtbares Kunstharz wenigstens im Be¬ reich der unteren Wickelkδpfe (146) und der angrenzen¬ den Rückführabschnitte (149) aufgebracht wird; und schließlich die ebene Anordnung zu einem Teilkreis- Zylinderεegment verformt wird.
10. Gleichstrommaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leiterbahnanordnung (240) oder die ersten und zweiten Leiterbahnanordnungs-Segmente aus je einer An¬ zahl einzelner Wickelkopfelemente (242, 246) und je einer Anzahl einzelner Meanderabschnittelemente (241) aufgebaut sind, wobei die einen einzigen geraden Mean¬ derabschnitt (244, 248) bildenden Meanderabschnittele¬ mente (24) untereinander elektrisch parallel angeordnet und sowohl an einem oberen Wickelkopfelement (242) und an einem unteren Wickelkopfelement (246) befestigt sind.
11. Gleichstrommaεchine nach Anεpruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meanderabεchnittelemente (241) im Bereich ihrer ge¬ genüberliegenden Endabεchnitte je eine abεtehende, ge- εchlitzte Fahne (2411) aufweisen, die durch passende Ausparungen (242', 246') in den Wickelkopfelementen (242, 246) hindurchsteckbar iεt; und daraufhin die Fah¬ nenabschnitte umgebördelt werden.
12. Gleichstrommaεchine nach einem der Anεprüche 1 biε 11, dadurch gekennzeichnet, daß die meanderförmige Statoranordnung (40, 140, 240) aus einer Anzahl Leiterbahnen (40', 40", 140') besteht, die geometrisch parallel und im Abstand zueinander geführt sind; und in die Zwischenräume (45, 49) zwiεchen benachbarten Lei¬ terbahnen in regelmäßigen Abständen Abstandshalter aus wärmebeständigem, elektrisch isolierendem und magnetisch inertem Material eingesetzt εind.
13. Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede ringförmige Anordnung (32, 36) aus Permanentmagnet- Polen (32«, 32"; 36', 36") an der zum Ringspalt (35) ab¬ gewandten Seite an je einem weiteren Ring (34, 38) auε magnetiεch leitendem Material abgestützt ist, das den magnetischen Fluß schließt.
14. Gleichεtrommaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die innere ringförmige Anordnung (32) und das angrenzen¬ de Rückschlußmaterial (34) mit fluchtenden Öffnungen (33) versehen sind, durch die hindurch Kühlluft in den Ringspalt (35) einführbar ist, die durch die Zwischen- räume (45, 49) zwiεchen den Leiterbahnen εtrö t und dieεe kühlt.
15. Gleichεtrommaschine nach einem der Ansprüche 1 biε 14, wobei die meanderförmige Stator anordnung ( 40 , 140, 240 ) und der benachbarte erεte Permanentmagnet-Rotor (30) eine erste, im wesentlichen zylindrische Leistungs-An¬ triebsebene bilden, innerhalb dieser ersten Antriebsebene in der gleichen Rotationsebene wenigstens eine weitere, im wesentlichen zylindrische Antriebsebene (50) vorhanden ist, die aus einer zweiten Statoranordnung (52) und einer Anzahl zweiter Permanentmagnet-Pole mit radialer Polarisierung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese zweiten Permanentmagnet-Pole an einem zweiten Per¬ manentmagnet-Rotor (55) angebracht sind, der unabhängig vom ersten Permanentmagnet-Rotor (30) um die gemeinsame Rotationsachεe (25) herum rotierbar iεt.
16. Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, insbesondere elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, mit einer ersten Rotationsachse (25),
- einer ersten im wesentlichen zylindrischen An¬ triebsebene, die aus einer ersten meanderförmigen Statoranordnung (40, 140) 240) und einem erεten Permanentmagnet-Rotor (30) gebildet iεt, der eine Anzahl erεte Permanentmagnet-Pole (32', 32"; 36', 36") aufweiεt, die alternierend und im wesentli¬ chen senkrecht zur Rotationsachse (25) bzw. radial polarisiert sind, einer zweiten, im wesentlichen zylindriεchen An- triebεebene (50), die auε einer zweiten Statoran¬ ordnung (52) und einer Anzahl zweiter Permanent¬ magnet-Pole gebildet iεt, die alternierend und im wesentlichen senkrecht zur Rotationεachεe (25) bzw. radial polariεiert εind, - wobei die beiden Antriebsebenen in einer gemein¬ samen Rotationsebene um die gemeinsame Rotations¬ achse (25) herum ausgebildet sind; dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Permanentmagnet-Pole an einem zweiten Per¬ manentmagnet-Rotor (55) angebracht sind, der unabhängig vom ersten Permanentmagnet-Rotor (30) um die gemeinsame Rotationsachse (25) herum rotierbar ist.
17. Gleichstrommaεchine nach Anεpruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zuεätzlich innerhalb deε Gehäuεes (10; 12, 111, 112, 16) ein Ventilator (60) vorhanden ist; und der zweite Permanentmagnet-Rotor (55) diesen Ventilator (60) treibt, um Kühlluft zu erzeugen, die in den Ring¬ spalt (35) am ersten Permanentmagnet-Rotor (30) einführ¬ bar ist.
18. Gleichεtrommaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilator (60) einen scheibenförmigen Ventilator¬ träger (64) aufweist, der drehbar an wenigεtens einem Ventilatorlager (61, 61') angeordnet ist; und der Ventilatorträger (64) an seinem Umfang mit einer An¬ zahl Ventilatorflügel (68) versehen ist, die vom Venti¬ latorträger (64) im wesentlichen vertikal abstehen und einen radialen Kühlluftεtrom erzeugen, wenn der Ventila¬ tor (60) rotiert.
19. Gleichεtrommaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrommaschine ein relativ flaches, im wesent- lichen zylinderförmiges Gehäuse (10) aufweist mit einer runden Grundplatte (12, 112) und mit einer runden
Deckelplatte (16), an deren Umfang eine vertikal ab¬ stehende, umlaufende Seitenwand (18) angesetzt ist; im Zentrum der beiden Platten (12, 112; 16) je ein Mo¬ tor-Lager (15, 15') eingesetzt und ortsfest gehalten ist; diese beiden Motor-Lager (15, 15') eine Abtriebswelle (20) drehbar halten, an welcher der erεte Permanent¬ magnet-Rotor (30) εtarr befeεtigt ist; und am Außenumfang der Abtriebswelle (20) ein Ventilator¬ lager (61, 61') drehbar angesetzt ist.
20. Gleichstrommaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) im wesentlichen geschlossen ausgebil¬ det ist; und in der Gehäuse-Grundplatte (12) oder in einer Gehäuse- Umfangεwand eine Anzahl Lüftungεöffnungen (14, 114) aus- gespart ist, über welche vom rotierenden Ventilator (60) Kühlluft angesaugt wird.
21. Gleichstrommaschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kühlluft-Ansaugöffnung (14, 114) ein Luftfilter (11 oder 115) zugeordnet ist.
22. Gleichεtrommaεchine nach einem der Anεprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuεeε (10) eine Montageplatte (120) an¬ geordnet iεt, auf der sich elektrische und elektronische Komponenten 122, 122', 122", 122'") der MotorSteuerung befinden, die in den vom Ventilator (60) erzeugten Kühl- luftεtrom hineinragen und εo gekühlt werden.
23. Gleichεtrommaεchine nach einem der Anεprüche 15 biε 22, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Statoranordnung (52) einen ringförmigen Eiεenkern aufweiεt, der mit einer Statorwicklung ver¬ sehen ist.
24. Gleichstrommaschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Permanentmagnet-Rotor (55) zwei konzentrische ringförmige Permanentmagnet-Anordnungen (57, 58) auf¬ weist, die alternierend, lateral aufmagnetisiert sind; und sich in beiden Ringen (57, 58) gleichnamige Pole gegen- überεtehen.
25. Gleichεtrommaschine nach Anεpruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Permanentmagnet-Rotor (55) einen Außenring (59) auε magnetischem Rückschlußmaterial, daran angren- zend einen äußeren Ring (58) auε Permanentmagnet-Mate¬ rial, εowie einen Innenring (56) auε magnetiεchem Rück- εchlußmaterial und daran angrenzend einen inneren Ring (57) auε Permanentmagnet-Material aufweiεt; und εämtliche Ringe (56, 57, 58, 59) starr am Ventilator¬ träger (64) des Ventilators (60) angebracht sind.
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