WO2019233976A1 - Motor mit einer einstrangluftspaltwicklung - Google Patents

Motor mit einer einstrangluftspaltwicklung Download PDF

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    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors

Definitions

  • the invention relates to an engine with a single-prism air gap winding.
  • the invention relates to rotary electric machines, in particular rotating electric machines with air-gap windings, in which the stator coils are fixedly arranged on the stator side.
  • rotary electric machines with air gap windings have become increasingly popular.
  • the main feature of machines of this type is that the stator coils are arranged in the space, ie the air gap, between the stator core and the rotor.
  • the arrangement of the coil windings in the air gap has the advantage that the magnetic flux density of the stator coils greatly increased, and thus the capacity or capacity of such engines and machines is increased Kapa.
  • less iron is needed in the engine, so that the iron losses are lower. Since the iron losses increase disproportionately with the speed, the efficiency is increased at high speeds in these machines.
  • the arrangement of the coil windings in the air gap is particularly advantageous in rotating electrical machines.
  • Single-strand permanent-magnet rotating electric machines with air-gap windings have the disadvantage that an independent startup after the current has been supplied to the winding is not readily possible.
  • the invention is therefore based on the object to overcome the aforementioned disadvantages and to develop a permanent-magnet motor with a single-coil gap winding so on that a reliable, but easy-to-implement startup is possible in all rotor positions.
  • a basic idea of the present invention is that the air gap for the air gap winding in the circumferential direction is formed asymmetrically, whereby a torque for the start can be generated.
  • the present invention performs the non-slot stator, which consists of a ferromagnetic ring, out of round at the inner diameter. The intended asymmetry generated by this leads to a rest moment.
  • the cogging torque is superimposed on the torque produced by the winding and, as a result, the motor can generate a positive torque in each rotor position, so that the motor starts automatically from this position without any auxiliary winding or other measures.
  • a single-stranded permanent-magnet electric motor with an air gap winding in the air gap between an ungrouted Running stator and a rotor, wherein the rotor is provided with permanent magnets for forming magnetic poles, wherein the air gap in the circumferential direction as viewed asymmetrically and / or formed with changing gap.
  • the asymmetry of the air gap represents an asymmetry in the circumferential direction and the air gap or, the distance between the stator and the rotor changes in the circumferential direction.
  • corresponding air gap sections can be provided, which adjoin one another in each case.
  • the asymmetry of the air gap can be achieved by at least two circumferentially formed steps on the wall on the stator. At these levels, the air gap changes so abruptly. Depending on the step height and air gap, a cogging torque of suitable size can be generated accordingly.
  • the asymmetry of the air gap is achieved in that the gap between the stator and the rotor in the circumferential direction at least in two gap sections continuously from a respective first distance (gap dimension) to a second, smaller Distance (gap) decreases and thus connect to each other in areas with decreasing air gap in the circumferential direction alternately.
  • the air gap has exactly two such sections, each with a radian measure of 180 °.
  • a step may be provided on the inner wall of the stator at which the gap spacing thereby changes abruptly.
  • the inner wall of the stator but also form a transitional section, at which the gap distance initially changes steadily and then preferably suddenly changes (thus over a rounded step contour).
  • the change in the gap spacing in the respective gap sections is achieved by correspondingly changing the wall thickness of the unginned stator in the corresponding gap sections, the wall thickness of the stator decreasing as the gap distance increases, while the wall gap decreases as the gap distance decreases Wall thickness of the stator increases. It is also advantageous if viewed in the circumferential direction in each case alternately a gap section with a larger, but in this section constant gap distance to a gap section with relatively low rem, but constant gap spacing followed, which are achieved by correspondingly strong alternating wall thicknesses of the annular stator can.
  • the length of the respective gap sections is preferably the same in the individual embodiments
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an asymmetrical air gap in a 2-pole version with one north and south pole
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an asymmetrical surebil- air gap in a 4-pole design, each with 2 north and south poles,
  • FIG. 3 shows a third embodiment of an asymmetrically fancy th air gap in a 2-pole version, each with a north and south pole,
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of an asymmetrically designed air gap in a 2-pole design, each having a north and south pole,
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment of an asymmetrical air gap in a 2-pole version, each with a north and south pole.
  • each inventive concept of asymmetrically designed air gap is shown schematically.
  • a 2-pole version each with a north and south pole is provided, while in Figure 2, a 4-pin version with 2 north and south poles is shown.
  • FIGS. 1 For this purpose, a single-stranded permanent-field electric motor 1 with an air-gap winding 21 in the air gap 3, 4 between an annular stator 10 and a rotor 20 is shown in FIGS.
  • the rotor 20 carries permanent magnets for forming magnetic poles.
  • the Heilspait 3, 4 changes in all embodiments in each case viewed in the circumferential direction asymmetrically.
  • the air gap changes in the respective air gap section 3A, 4A ste tig of a respective first distance D1 between the stator 10 and the rotor 20 to a second, smaller distance D2, wherein the air gap at the position of the step S then jumped to the Distance D1 changed to then continuously (as viewed in the circumferential direction) to decrease to the next step S back to the distance D2.
  • the embodiment according to FIG. 4 essentially corresponds to the embodiment according to FIG. 1, the transition not being sudden but steadily decreasing (over a comparatively short range of about 2% of the circumference d 4 °).
  • the change in the gap spacing in the respective gap sections 3A, 4A takes place in that the wall thickness of the stator 10 changes correspondingly in the corresponding gap sections 3A, 4A, wherein in the one region 3A Wall thickness of
  • Stators 10 is lower, while in the region 4A, the wall thickness of the stator 10 is greater.
  • Flier notebook results in the circumferential direction, in each case alternately a gap section 3A with a larger, but constant in this section gap distance D1 and a gap section 4A with relatively lower, but constant gap spacing D2.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which of the solution shown at fundamentally different type of use, such. B. the combination of individual features of the aforementioned Ausrete tion examples.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen einsträngigen permanenterregten Elektromotor (1), ausgebildet mit einer Luftspaltwicklung (2) im Luftspalt (3, 4) zwischen einem Stator (10) und einem Rotor (20), wobei der Rotor (20) mit Permanentmagneten (21) zur Ausbildung magnetischer Pole versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (3, 4) in Umfangsrichtung betrachtet asymmetrisch und/oder mit sich änderndem Spalt ausgebildet ist.

Description

Motor mit einer Einstrangluftspaltwickiung
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft einen Motor mit einer Einstrangluftspaltwickiung.
Die Erfindung betrifft rotierende Elektromaschinen, insbesondere rotierende Elektromaschinen mit Luftspaltwicklungen, bei denen die Statorspulen fest auf der Statorseite angeordnet sind. In der Vergangenheit haben rotierende Elektromaschinen mit Luftspaltwicklungen eine zunehmende Verbreitung erfahren. Das Hauptmerkmal bei Maschinen dieser Art besteht darin, dass die Statorspulen in dem Raum, d. h. dem Luftspalt, zwischen dem Statorkern und dem Rotor angeordnet sind. Zusätzlich zur wirksamen Nutzung des Raumes hat die Anordnung der Spulenwicklungen im Luftspalt den Vorteil, dass die Magnetflußdichte der Statorspulen stark erhöht und damit die Kapa zität oder Leistungsfähigkeit solcher Motoren und Maschinen erhöht wird. Ferner wird weniger Eisen im Motor benötigt, so dass die Eisenverluste ge- ringer werden. Da die Eisenverluste überproportional mit der Drehzahl an- steigen, wird bei diesen Maschinen der Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen erhöht.
Die Anordnung der Spulenwicklungen im Luftspalt ist besonders vorteilhaft bei rotierenden Elektromaschinen. Einsträngige permanenterregte rotierende Elektromaschinen mit Luftspaltwicklungen haben jedoch den Nachteil, dass ein selbständiger Anlauf nach dem Bestromen der Wicklung nicht ohne weiteres möglich ist.
Um einen definierten Anlauf eines solchen Motors und ein Fortschaltmoment unabhängig von der Rotorlage zu bewirken, ist es notwendig die stabilen Punkte des elektromagnetisch erzeugten Drehmoments und die Selbsthal- temomente gegeneinander zu verschieben, was in der Praxis üblicherweise durch den Einsatz bei einsträngigen Motoren dadurch erfolgt, dass die Statoren mit Nuten ausgeführt werden, in denen die Wicklung sitzt. Zur Sicherstellung des Anlaufs werden die Zähne bezogen auf ihre Mittelachse asymmetrisch ausgeführt, d. h. der Luftspalt ist über den Umfang nicht kon stant ausgebildet. Das dadurch entstehende Rastmoment bildet Vorzugspositionen (Selbsthaltepositionen) aus, in denen der Rotor nach Abschalten der Wicklungsbestromung und dem Auslaufen stehen bleibt. In jeder dieser Positionen kann die bestromte Wicklung ein Drehmoment erzeugen, sodass der Anlauf des Motors gewährleistet bleibt. Diese Lösung setzt voraus, dass der Stator genutet ist, um die Zähne asymmetrisch zu gestalten. Aufgrund der in den Zähnen entstehenden Eisenverlusten, die jedoch überproportional mit der Drehzahl ansteigen, sinkt der Wirkungsgrad bei hoher Drehzahl. Somit werden für hohe Drehzahlen daher zunehmend nutenlose Statoren eingesetzt, um die Eisenverluste zu reduzieren. Bei nutenlosen Motoren sind jedoch überhaupt keine Zähne vorhanden, die asymmetrisch ausgeführt werden könnten. Im Stand der Technik ist daher bekannt, dass solche Motoren mit einer Hilfswicklung oder mit einer Strangzahl >1 ausgeführt werden. Dies führt je doch zu einem erhöhten Aufwand und zu erhöhten Herstellungskosten bei der Spulenschalttechnik und der Leistungselektronik.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und einen permanenterregten Motor mit einer Einstrangluftspaltwicklung so weiter zu entwickeln, dass ein zuverlässiges, jedoch einfach zu realisierender Anlauf bei allen Rotorlagen möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 ge löst. Eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Luftspalt für die Luftspaltwicklung in Umfangsrichtung betrachtet asymmetrisch ausgebildet ist, wodurch sich ein Drehmoment für den Anlauf erzeugen lässt. Die vorliegende Erfindung führt hierzu den nutenlosen Stator, der aus einem ferromagnetischen Ring besteht, am Innendurchmesser unrund aus. Die bestimmungsgemäß dadurch erzeugte Asymmetrie führt zu einem Rast moment. Das Rastmoment überlagert sich mit dem durch die Wicklung er zeugten Drehmoment und führt im Ergebnis dazu, dass der Motor in jeder Rotorposition ein positives Drehmoment erzeugen kann, sodass der Motor aus dieser Position ohne eine Hiifswicklung oder andere Maßnahmen selbst- ständig anläuft.
Erfindungsgemäß wird hierzu ein einsträngiger permanenterregter Elektro- motor mit einer Luftspaltwicklung im Luftspalt zwischen einem ungenuteten Stator und einem Rotor ausgeführt, wobei der Rotor mit Permanentmagneten zur Ausbildung magnetischer Pole versehen ist, wobei der Luftspalt in Um fangsrichtung betrachtet asymmetrisch und/oder mit sich änderndem Spalt ausgebildet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Asymmetrie des Luftspalts eine Asymmetrie in Umfangsrichtung darstellt und sich der Luftspalt bzw, der Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor in Umfangsrichtung ändert.
Hierzu können in bevorzugten Ausführungsformen entsprechende Luftspalt- abschnitte vorgesehen werden, die sich jeweils aneinander anschließen.
So kann in einer Ausführungsform die Asymmetrie des Luftspalts durch we nigstens zwei in Umfangsrichtung ausgebildete Stufen an der Wandung am Stator erzielt werden. An diesen Stufen ändert sich der Luftspalt damit sprunghaft. Je nach Stufenhöhe und Luftspalt lässt sich ein Rastmoment passender Größe entsprechend erzeugen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Asymmetrie des Luftspalts dadurch erzielt wird, dass der Spalt zwi- schen dem Stator und dem Rotor in Umfangsrichtung wenigstens in zwei Spaltabschnitten kontinuierlich von einem jeweils ersten Abstand (Spaltmaß) zu einem zweiten, geringeren Abstand (Spaltmaß) abnimmt und sich dem nach Bereiche mit jeweils abnehmendem Luftspalt in Umfangsrichtung somit alternierend aneinander anschließen. Im einfachsten Fall besitzt der Luftspalt genau zwei solcher Abschnitte mit jeweils einem Bogenmaß von 180°.
Am jeweiligen Übergang von einem Luftspaltabschnitt zu seinem benachbar- ten (d. h. sich daran anschließenden) Luftspaltabschnitt kann eine Stufe an der Innenwand des Stators vorgesehen sein, an dem sich dadurch der Spalt- abstand sprunghaft ändert. Alternativ kann die Innenwand des Stators aber auch einen Übergangsabschnitt ausbilden, an dem sich der Spaltabstand zunächst stetig und dann vorzugsweise wieder sprunghaft ändert (somit über eine abgerundete Stufenkontur).
Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Änderung des Spaltabstands in den jewei- ligen Spaltabschnitten dadurch erzielt wird, dass sich in den entsprechenden Spaltabschnitten die Wandstärke des ungenuteten Stators entsprechend ändert, wobei bei zunehmenden Spaltabstand die Wandstärke des Stators ab nimmt, während bei abnehmendem Spaltabstand die Wandstärke des Stators zunimmt. Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn sich in Umfangsrichtung betrachtet jeweils abwechselnd ein Spaltabschnitt mit größerem, jedoch in diesem Abschnitt konstantem Spaltabstand an einen Spaltabschnitt mit relativ dazu geringe rem, jedoch konstantem Spaltabstand anschließt, was durch entsprechend abwechselnd stark ausgeführte Wandstärken des ringförmigen Stators erzielt werden kann.
Die Länge der jeweiligen Spaltabschnitte in Umfangsrichtung betrachtet ist in den einzelnen Ausführungsformen bevorzugt jeweils gleich groß
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü- chen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Be- Schreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines asymmetrisch ausgebildeten Luftspalts in einer 2-poligen Ausführung mit je einem Nord - und Südpol,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines asymmetrisch ausgebil- deten Luftspalts in einer 4-poligen Ausführung mit je 2 Nord - und Südpole,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines asymmetrisch ausgebilde ten Luftspalts in einer 2-poligen Ausführung mit je einem Nord - und Südpol,
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines asymmetrisch ausgebildeten Luftspalts in einer 2-poligen Ausführung mit je einem Nord - und Südpol,
Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines asymmetrisch ausgebildeten Luftspalts in einer 2-poligen Ausführung mit je einem Nord - und Südpol.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren 1 bis 5 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinwei- sen.
In den Figuren 1 bis 5 ist das jeweils erfinderische Konzept des asymmet risch ausgebildeten Luftspalts schematisch gezeigt. In den Figuren 1 und 3 bis 5 ist jeweils eine 2-polige Ausführung mit je einem Nord- und Südpol dar gestellt, während in der Figur 2 eine 4-polige Ausführung mit je 2 Nord- und Südpolen gezeigt ist.
Es ist in den Figuren 1 bis 5 hierzu jeweils ein einsträngiger permanenterreg ter Elektromotor 1 mit einer Luftspaltwicklung 21 im Luftspalt 3, 4 zwischen einem ringförmigen Stator 10 und einem Rotor 20 dargestellt.
Der Rotor 20 trägt Permanentmagnete zur Ausbildung magnetischer Pole. Der Luftspait 3, 4 ändert sich bei allen Ausführungsformen jeweils in Um fangsrichtung betrachtet asymmetrisch. In den Ausführungen der Figuren 1 und 2 wird die Asymmetrie des Luftspaits 3, 4 durch zwei (in Figur 1) bzw. vier (in Figur 2) in Umfangsrichtung ausge bildete Luftspaltabschnitte 3A, 4A mit jeweils sich kontinuierlich änderndem Luftspalt realisiert, wobei der Übergang von jeweils einem Luftspaltabschnitt 3A zum sich direkt daran anschließenden Luftspaltabschnitt 4A über jeweils eine an der Innenwandung 1 1 ausgebildeten Stufe S am Stator 10 realisiert ist. Der Luftspalt ändert sich in dem jeweiligen Luftspaltabschnitt 3A, 4A ste tig von einem jeweils ersten Abstand D1 zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 20 zu einem zweiten, geringeren Abstand D2, wobei sich der Luftspalt an der Position der Stufe S dann wieder sprunghaft auf den Abstand D1 än dert, um danach kontinuierlich (in Umfangsrichtung betrachtet) bis zur nächsten Stufe S wieder auf den Abstand D2 abzunehmen.
Die Ausführung nach Figur 4 entspricht im Wesentlichen der Ausführung nach Figur 1 , wobei der Übergang nicht sprunghaft, sondern wie aus der Fi- gur ersichtlich, stetig abnehmend (über einen vergleichsweise kurzen Bereich von etwa 2% des Umfangs d. h im Bogenmaß über etwa 4°) erfolgt.
In den Ausführungen nach Figur 3 und 5 erfolgt die Änderung des Spaltab- stands in den jeweiligen Spaltabschnitten 3A, 4A dadurch, dass sich in den entsprechenden Spaltabschnitten 3A, 4A die Wandstärke des Stators 10 ent- sprechend ändert, wobei in dem einen Bereich 3A die Wandstärke des
Stators 10 geringer ist, während im Bereich 4A die Wandstärke des Stators 10 größer ist. Flierdurch ergibt sich in Umfangsrichtung betrachtet, jeweils abwechselnd ein Spaltabschnitt 3A mit größerem, jedoch in diesem Abschnitt konstantem Spaltabstand D1 und ein Spaltabschnitt 4A mit relativ dazu ge- ringerem, jedoch konstantem Spaltabstand D2.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung Gebrauch macht, wie z. B. die Kombination von einzelnen Merkmalen aus den zuvor genannten Ausfüh rungsbeispielen.

Claims

Patentansprüche
1. Einsträngiger permanenterregter Elektromotor (1 ) ausgebildet mit ei ner Luftspaltwicklung (21) im Luftspalt (3, 4) zwischen einem Stator (10) und einem Rotor (20), wobei der Rotor (20) mit Permanentmag- neten zur Ausbildung magnetischer Pole versehen ist, dadurch ge kennzeichnet, dass der Luftspalt (3, 4) in Umfangsrichtung betrachtet asymmetrisch und/oder mit sich änderndem Spalt ausgebildet ist
2. Einsträngiger permanenterregter Elektromotor (1) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie des Luftspaits (3, 4) eine Asymmetrie in Umfangsrichtung darstellt,
3. Einsträngiger permanenterregter Elektromotor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie des Luftspalts (3, 4) durch wenigstens zwei in Umfangsrichtung ausgebildete Stufen (S) am Stator (10) erfolgt. 4. Einsträngiger permanenterregter Elektromotor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie des Luftspalts (3,
4) dadurch erzielt wird, dass der Spalt zwischen dem Stator (10) und dem Rotor (20) in Umfangsrichtung wenigstens in zwei Spaltabschnitten (3A, 4A) kontinuierlich oder sprunghaft von einem jeweils ersten Abstand (D1) zu einem zweiten, geringeren Abstand (D2) abnimmt.
5. Einsträngiger permanenterregter Elektromotor (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Übergang der jeweiligen Spaltabschnitte (3A, 4A) eine Stufe (S) befindet, an dem sich der Spaltabstand sprunghaft ändert.
6. Einsträngiger permanenterregter Elektromotor (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Übergang der jeweiligen Spaltabschnitte (3A, 4A) ein Übergangsabschnitt (U) befindet, an dem sich der Spaltabstand, vorzugsweise über einen Umfangsbereich von 1 ° bis 4° stetig ändert.
7. Einsträngiger permanenterregter Elektromotor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Spaltabstands in den jeweiligen Spaltabschnitten (3A, 4A) dadurch erzielt wird, dass sich in den entsprechenden Spaltabschnit- ten (3A, 4A) die Wandstärke des Stators (10) entsprechend ändert, wobei bei zunehmenden Spaltabstand die Wandstärke des Stators (10) abnimmt, während bei abnehmendem Spaltabstand die Wandstärke des Stators (10) zunimmt.
8. Einsträngiger permanenterregter Elektromotor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in
Umfangsrichtung betrachtet jeweils abwechselnd ein Spaltabschnitt (3A) mit größerem, jedoch in diesem Abschnitt konstantem Spaltab stand (D1) an einen Spaltabschnitten (4A) mit relativ dazu geringerem, jedoch konstantem Spaltabstand (D2) anschließt.
9. Einsträngiger permanenterregter Elektromotor (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der jeweiligen Spaltabschnitte in Umfangsrichtung betrachtet jeweils gleich groß ist.
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