WO2023208330A1 - Elektrischer antrieb mit toroidalem spulenträger - Google Patents

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WO2023208330A1
WO2023208330A1 PCT/EP2022/061101 EP2022061101W WO2023208330A1 WO 2023208330 A1 WO2023208330 A1 WO 2023208330A1 EP 2022061101 W EP2022061101 W EP 2022061101W WO 2023208330 A1 WO2023208330 A1 WO 2023208330A1
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coil carrier
electric drive
toroidal coil
stator
axis
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PCT/EP2022/061101
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Mike KÖNIGS
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Bomatec Management Ag
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Definitions

  • the invention relates to an electric drive with a stator and a rotor.
  • This formulation includes in particular the case of a radial flux machine with exactly one stator and exactly one rotor and in particular the case of an axial flux machine with two stators and one rotor. There are also a large number of coils available.
  • An electric drive is an electrical machine that converts electrical power into mechanical power.
  • Current-carrying conductor coils generate magnetic fields, the mutual attraction and Repulsive forces are converted into movement.
  • the so-called internal rotor has a fixed outer part and an inner part that rotates within it. These parts are called the stator and rotor.
  • Electric motors are used, among other things, in industry, e.g. B. in the packaging and food industry, in robotics, in medical technology and medical aids or in mobility, e.g. B. electric bicycles, small vehicles, small aircraft, are used.
  • the task is to provide an electric drive which has a physically mathematically optimized winding geometry.
  • an electric drive includes a stator and a rotor.
  • the stator is stationary and the rotor moves.
  • the rotor turns the drive shaft.
  • the electric drive comprises a large number of turns of a winding wire, which are wound into coils.
  • the winding wire consists in particular mostly of a copper wire, in particular of an enameled copper wire.
  • the electric drive includes a toroidal coil carrier, with the coils of the winding wire around Sections of the toroidal coil carrier are wound and supported by it.
  • the terms toroidal coil carrier or toroidal body stand for a body of revolution with a hole in the middle. The axis of rotation goes through the hole and does not cross the body of revolution. Any cross-sectional area can be rotated, e.g. B. a square . If a cross-sectional area is rotated in the form of a circle, the toroidal body is called a “torus”.
  • the cross-sectional area of the toroidal coil carrier has the shape of an ellipse, in particular a circle.
  • a circle as a cross-sectional area has the largest area with the smallest possible circumference of all geometric 2D shapes.
  • the length of the surrounding wire is thereby minimized. Consequently, the current heat losses in the winding wire, which is wound in a circle around the toroidal coil support, are also minimized.
  • the amount of current heat loss is a function of the length of the winding wire.
  • the cross-sectional area is designed not as a circle but as an ellipse, the geometry is not optimal, but still better than with rectangular tooth structures in conventional electric drives.
  • the stator advantageously has a lamellar structure with a plurality of laminations.
  • the coils are each wound around the sections of the toroidal coil carrier between the lamellas.
  • the toroidal coil carrier and the lamellar structure are designed together as a stator.
  • the stator can be assembled and glued from individual segments or from a plurality of sections. Complementing the toroidal coil carrier with a lamella structure enables the use of conventional rotor structures. These can be both axial flux rotors and radial flux rotors. Without a lamella structure, an electric drive described could only be manufactured with immense manufacturing effort.
  • the slats extend in the direction of the axis of rotation of the toroidal coil carrier over a greater length than the toroidal coil carrier.
  • the slats when designed as a radial flux machine, extend in the direction of the axis of rotation of the toroidal coil carrier over a length that is at least twice as long, in particular over a length that is at least three times as long, as the toroidal coil carrier.
  • the lamellar structure is advantageously designed as a toroidal body.
  • the lamellae represent sections of the toroidal body.
  • the sections for the individual bobbins of the winding are arranged between these sections of the lamellas.
  • the axis of rotation of the toroidal coil carrier is identical to the axis of rotation of the toroidal body of the lamella structure.
  • the toroidal body advantageously comprises a cross-sectional area which is at least three times as large, in particular at least five times as large, as the cross-sectional area of the toroidal coil support.
  • the stator has a large air gap area in order to absorb the main magnetic flux from the rotor.
  • the maximum radial extent of the toroidal coil carrier is advantageously the same size as the maximum radial extent of the toroidal body Lamellar structure, each starting from the axis of rotation.
  • the toroidal coil carrier and the lamellar structure, which in particular together represent the stator are flush with one another on the respective outsides. This configuration is particularly intended for an internal rotor.
  • the minimum radial extent of the toroidal coil carrier can be the same size as the minimum radial extent of the toroidal body of the lamellar structure, each starting from the axis of rotation. This configuration is particularly intended for an external rotor.
  • Such a geometric design of the stator has the advantage that the coils wound from the winding wire partially protrude from the lamellar structure and are therefore easily accessible for cooling.
  • the coils of the winding extend into an area which is radially further away from the axis of rotation than a radially outermost area of the lamellar structure.
  • This configuration is particularly intended for an internal rotor.
  • the winding can extend into an area which is radially less far from the axis of rotation than the radially innermost area of the lamellar structure.
  • the electric drive in the design as a radial flux machine, comprises exactly one stator and exactly one rotor and in the design as an axial flux machine, exactly two stators and exactly one rotor.
  • the toroidal coil carrier advantageously has a maximum circular ring diameter, which is a maximum of 200 mm, in particular a maximum of 100 mm, and/or is at least 60 mm, in particular at least 80 mm. If the toroidal coil carrier has the cross-sectional shape of a circle, the diameter of the circle is in particular larger than 5 mm, in particular larger than 10 mm and/or smaller than 20 mm, in particular smaller than 15 mm.
  • the stator surrounds the rotor, i.e. the rotor is arranged in the core of the stator. This is a so-called internal rotor.
  • the rotor surrounds the stator. This is a so-called outrunner.
  • the rotor is advantageously a radial flux rotor.
  • the major axis of the ellipse is in particular a maximum of 1.3 times, in particular a maximum of 1.2 times, as long as the small axis of the ellipse.
  • the stator consists of a 3D flux-conducting material with measures to reduce eddy currents. Examples include soft magnetic powder composite materials (SMC), ferrites or nanocrystalline materials.
  • Fig. la shows a first electric drive in a radial arrangement as an internal rotor
  • 1b shows the stator of the first electric drive without the coils of the stator winding
  • Fig. 1c shows the stator without the coils of the stator winding, viewed from above;
  • Fig. Id shows a section through the stator without the coils of the stator winding according to the section line shown in Fig. 1c;
  • Fig. le the stator without the coils of the stator winding, viewed from the side; Fig. If a section through the stator according to the section line shown in Fig. le, the hatched areas representing the coil formers of the stator winding;
  • 2a shows a second electric drive in a radial arrangement as an external rotor
  • Fig. 2c shows the stator without the coils of the stator winding, viewed from above;
  • Fig. 2d shows a section through the stator without the coils of the stator winding according to the section line drawn in Fig. 2c;
  • Fig. 2e shows the stator without the coils of the stator winding, viewed from the side;
  • Fig. 2f shows a section through the stator according to the section line drawn in Fig. 2e, the hatched areas representing the coil formers of the stator winding;
  • 3a shows a third electric drive in an axial arrangement
  • Fig. 3b a stator part of the third electric drive
  • Fig. 3c the stator part with a view of the flat surface
  • Fig. 3d the stator part viewed from the side
  • FIG. 4 shows the cross-sectional area of a toroidal coil carrier in an alternative embodiment in the geometry of an ellipse.
  • Fig. la shows a first electric drive. This includes a rotor 1 and a stator 2. Figures 1b to If only show the stator 2, where in Fig. If the coils of the winding 3 are shown as a hatched area.
  • the stator 2 includes a toroidal coil carrier 21.
  • the toroidal coil carrier 21 is a body of revolution which rotates a cross-sectional area 211.
  • the cross-sectional area 211 in the present embodiment is a circle with an exemplary radius of 6 mm.
  • a coil 3 is wound around the toroidal coil carrier 21. As mentioned, this is illustrated in Fig. If by the hatched area.
  • the toroidal coil carrier 21 Only that part of the stator 2 around which the coils of the winding are wound is referred to as the toroidal coil carrier 21. In the present embodiment it is a torus, which in Fig. If is delimited on the inside by the dashed line 212 and on the outside by the circular solid line 213.
  • the toroidal coil carrier 21 is supplemented by a lamella structure 22.
  • the stator 2 thus includes the toroidal coil carrier 21 and the lamellar structure 22.
  • the stator 2 is designed in one piece, but can consist of glued partial segments.
  • stator 2 or the slat structure 22 in the present embodiment comprises a total of twelve slats 221 and twelve sections 215 of the toroidal coil carrier 21 between the slats 221.
  • the slats 221 extend over a longer length LI, which is, for example, 40 mm, than the toroidal coil carrier 21 over a length L2.
  • the length LI is approximately three times as large as the length L2.
  • the lamellar structure 22 is also a toroidal body in the present embodiment. Because the lamella structure 22 is a body of revolution, in which the in Fig. Id hatched cross-sectional area 222 is rotated about the axis of rotation 214.
  • the axes of rotation of the toroidal coil carrier 21 and the lamellar structure 22 are identical. However, the lamellar structure 22 is not continuous along the circular ring, but only in sections. These sections of the slat structure 22 are the slats 221.
  • the toroidal body of the lamella structure 22 is interrupted between the lamellae, so that gaps are formed for the coils of the winding 3.
  • the cross-sectional area 222 of the toroidal body of the lamellar structure 22 is approx. six to seven times as large as the cross-sectional area 211 of the toroidal coil carrier 21.
  • the stator 2 has a large air gap area in order to increase the main magnetic flux from the rotor.
  • the maximum radial extent RI of the toroidal coil carrier 21 is exactly the same size as the maximum radial extent R2 of the lamellar structure 22. This has the positive effect that the part 31 of the coils 3 stands free outside the stator 2 and is easily accessible there for cooling 4. In other words, the coils of the winding 3 extend into an area which is further away radially from the axis of rotation 214 than a radially outermost area of the lamellar structure 22.
  • the radii RI and R2 in this exemplary embodiment are 40 mm and correspond to the maximum circular ring diameter of the toroidal coil carrier 21 and the toroidal body of the lamella structure 22.
  • the Fig. 2a shows a second electric drive. This also includes exactly one rotor 1 and exactly one stator 2.
  • the Fig. 2b to 2f only show the stator 2, where in Fig. 2 f the winding 3 is shown in a hatched area.
  • the reference symbols are the same as in the figures. la to I f used. Since the rotor 1 surrounds the stator 2, it is a so-called “outrunner”.
  • the stator 2 is constructed according to the same principles as the stator 2 of the first electric drive. It also includes a toroidal coil support 21 with a circular cross-sectional surface 211, around which the coils that make up the winding are mounted in sections.
  • the minimum radial extent R3 of the toroidal coil carrier 21 is exactly the same size as the minimum radial extent R3 of the lamellar structure 22. This has the positive effect that the part 31 of the winding 3 is free within the stator 2 and is easily accessible there for cooling 4. In other words, the winding 3 extends into a region which is radially further inwardly away from the axis of rotation 214 than a radially innermost region of the lamellar structure 22.
  • the Fig. 3a to 3d show an internal rotor in an axial arrangement.
  • This includes a rotor 1 and a stator 2 with two stator parts 2a and 2b.
  • Both stator parts 2a and 2b are constructed according to the same principles as the stators of the first and second electric drives.
  • One difference is that the toroidal coil carrier 21 is flush with the outermost side of the lamellar structure 22, not in the radial direction, but in the axial direction.
  • the toroidal coil carrier 21 and the lamellar structure 22 are flush on the dashed line 23.
  • Fig. 4 shows an ellipse 5.
  • the cross-sectional area 211 of the toroidal coil carrier 21 can have the shape of such an ellipse 5.
  • the ellipse has a major axis gA, which is 1.2 times as long as the minor axis kA.
  • the major axis of the ellipse is in particular a maximum of 1.3 times, in particular a maximum of 1.2 times, as long as the small axis of the ellipse.

Abstract

Ein Elektrischer Antrieb umfasst einen Stator (2) und einen Rotor (1) und eine Vielzahl von Spulen ei-ner Wicklung (3). Der Stator (2) weist einen toroidalen 5 Spulenträger (21) auf wobei die Querschnittsfläche des toroidalen Spulenträgers (21) die Form einer Ellipse, insbesondere eines Kreises, aufweist. Die Spulen der Wicklung (3) sind um Abschnitte (215) des toroidalen Spu-lenträgers (21) gewickelt.

Description

Elektrischer Antrieb mit toroidalem Spulenträger
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betri f ft einen elektrischen Antrieb mit einem Stator und einem Rotor . Diese Formulierung umfasst insbesondere den Fall einer Radial flussmaschine mit genau einem Stator und genau einem Rotor und insbesondre den Fall einer Axial flussmaschine mit zwei Statoren und einem Rotor . Zudem ist eine Viel zahl von Spulen vorhanden .
Hintergrund
Ein Elektrischer Antrieb ist eine elektrische Maschine , welche elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt . Stromdurchflossene Leiterspulen erzeugen Magnetfelder, deren gegenseitige Anziehungs- und Abstossungskräfte in Bewegung umgesetzt werden . Beim sogenannten Innenläufer gibt es einen feststehenden Aussenteil sowie einen sich darin drehenden Innenteil . Diese Teile werden Stator und Rotor genannt .
Elektromotoren kommen unter anderem in der Industrie , z . B . in der Verpackungs- und Nahrungsmittelindustrie , in der Robotertechnik, in der Medi zintechnik und bei medi zinischen Hil fsmitteln oder auch in der Mobilität , z . B . elektrische Fahrräder, Kleinfahrzeuge , Kleinfluggeräte , zum Einsatz .
Konventionell werden für die Statorgeometrie , insbesondere bei Zahnspulenwicklungen, rechteckige Zahnstrukturen mit Seitenlängen li und I2 verwendet , bei denen meist gilt , dass li viel grösser ist als I2 . Die Seitenlänge li wird als drehmomentbildende Wicklung und die Seitenlänge I2 wird als unerwünschter Wickelkopf betrachtet . Zum einen sollen die Änderung des magnetischen Flusses und damit auch seine Amplitude maximiert werden, zum anderen sollen Stromwärmeverluste in der Wicklung minimiert werden .
Darstellung der Erfindung
Es stellt sich die Aufgabe , einen elektrischen Antrieb bereitzustellen, welcher eine physikalischmathematisch optimierte Wicklungsgeometrie aufweist .
Diese Aufgabe wird vom Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst . Demnach umfasst ein elektrischer Antrieb einen Stator und einen Rotor . Der Stator ist feststehend und der Rotor bewegt sich . Der Rotor dreht die Antriebswelle . Der elektrische Antrieb umfasst eine Viel zahl von Windungen eines Wickeldrahtes , welche zu Spulen aufgewickelt sind . Der Wickeldraht besteht insbesondere meistens aus einem Kupferdraht , insbesondere aus einem Kupferlackdraht .
Der elektrische Antrieb umfasst einen toroi- dalen Spulenträger, wobei die Spulen des Wickeldrahtes um Abschnitte des toroidalen Spulenträgers gewickelt sind und von diesem getragen werden . Die Begri f fe toroidaler Spulenträger oder toroidaler Körper stehen für einen Rotationskörper mit einem Loch in der Mitte . Die Rotationsachse geht durch das Loch und kreuzt den Rotationskörper nicht . Rotiert werden kann eine beliebige Querschnittsfläche , z . B . ein Quadrat . Wird eine Querschnitts fläche in Form eines Kreises rotiert , wird der toroidale Körper " Torus" genannt . Die Querschnitts fläche des toroidalen Spulenträgers hat die Form einer Ellipse , insbesondere eines Kreises .
Das Aufbringen von Spulen um "Abschnitte" des toroidalen Spulenträgers bedeutet , dass nicht entlang des gesamten Rotationsbereichs Spulen vorhanden sind, sondern nur abschnittsweise .
Ein Kreis als Querschnitts fläche hat den grössten Flächeninhalt bei kleinstmöglichem Umfang aller geometrischen 2D Formen . Die Länge des umschliessenden Drahtes wird dadurch minimiert . Folglich sind auch die Stromwärmeverluste im Wickeldraht minimiert , welcher kreis förmig um den toroidalen Spulenträger gewickelt ist . Denn die Höhe der Stromwärmeverluste ist eine Funktion der Länge des Wickeldrahtes . I st die Querschnitts fläche alternativ nicht als Kreis , sondern als Ellipse ausgestaltet , ist die Geometrie nicht optimal , aber immer noch besser wie bei rechteckigen Zahnstrukturen in konventionellen elektrischen Antrieben .
Mit Vorteil weist der Stator eine Lamellenstruktur mit einer Mehrzahl von Lamellen auf . Die Spulen sind j eweils zwischen den Lamellen um die Abschnitte des toroidalen Spulenträgers gewickelt . Insbesondere sind der toroidale Spulenträger und die Lamellenstruktur gemeinsam als Stator ausgestaltet . Bei grösseren Statorgeometrien kann der Stator aus Einzelsegmenten oder aus einer Mehrzahl von Teilstücken zusammengesetzt und verklebt werden . Die Ergänzung des toroidalen Spulenträgers mit einer Lamellenstruktur ermöglicht die Verwendung konventioneller Rotorstrukturen . Dies können sowohl Axialflussrotoren als auch Radial flussrotoren sein . Ohne eine Lamellenstruktur könnte ein beschriebener elektrischer Antrieb nur mit einem immensen Fertigungsaufwand hergestellt werden .
Insbesondere erstrecken sich die Lamellen in Richtung der Rotationsachse des toroidalen Spulenträgers über eine grössere Länge als der toroidale Spulenträger . So ist ein grosser Stator vorhanden, der den magnetischen Hauptfluss aus dem Rotor aufnehmen kann und es ist möglich, konventionelle Rotorstrukturen einzusetzen .
Insbesondere erstrecken sich die Lamellen, bei Aus führung als Radial flussmaschine , in Richtung der Rotationsachse des toroidalen Spulenträgers über eine mindestens doppelt so lange Länge , insbesondere über eine mindestens drei fach so lange Länge , als der toroidale Spulenträger .
Mit Vorteil ist die Lamellenstruktur als toroidaler Körper ausgestaltet . Die Lamellen stellen Abschnitte des toroidalen Körpers dar . Zwischen diesen Abschnitten der Lamellen sind die Abschnitte für die einzelnen Spulenkörper der Wicklung angeordnet .
Insbesondere ist die Rotationsachse des toroidalen Spulenträgers identisch mit der Rotationsachse des toroidalen Körpers der Lamellenstruktur .
Mit Vorteil umfasst der toroidale Körper eine Querschnitts fläche , welche mindestens dreimal so gross , insbesondere mindestens fünfmal so gross , ist , wie die Querschnitts fläche des toroidalen Spulenträgers . Dadurch weist der Stator eine grosse Luftspalt fläche auf , um den magnetischen Hauptfluss aus dem Rotor auf zunehmen .
Vorteilhaft ist die maximale radiale Erstreckung des toroidalen Spulenträgers gleich gross wie die maximale radiale Erstreckung des toroidalen Körpers der Lamellenstruktur, j eweils ausgehend von der Rotationsachse . Mit anderen Worten sind der toroidale Spulenträger und die Lamellenstruktur, welche insbesondere zusammen den Stator darstellen, an den j eweiligen Aussenseiten bündig zueinander . Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei einem Innenläufer vorgesehen .
Alternativ kann die minimale radiale Erstreckung des toroidalen Spulenträgers gleich gross sein wie die minimale radiale Erstreckung des toroidalen Körpers der Lamellenstruktur, j eweils ausgehend von der Rotationsachse . Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei einem Aussenläufer vorgesehen .
Eine solche geometrische Ausgestaltung des Stators hat den Vorteil , dass die aus dem Wickeldraht gewickelten Spulen teilweise aus der Lamellenstruktur hervorragen und deshalb gut zugänglich für eine Kühlung sind .
Mit anderen Worten erstrecken sich die Spulen der Wicklung in einen Bereich, welcher radial weiter von der Rotationsachse entfernt ist , als ein radial äusserster Bereich der Lamellenstruktur . Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei einem Innenläufer vorgesehen .
Alternativ kann sich die Wicklung in einen Bereich erstrecken, welcher radial weniger weit von der Rotationsachse entfernt ist , als der radial innerste Bereich der Lamellenstruktur .
Insbesondere umfasst der elektrische Antrieb, in Aus führung als Radial flussmaschine , genau einen Stator und genau einen Rotor und in Aus führung als Axial flussmaschine genau zwei Statoren und genau einen Rotor .
Mit Vorteil weist der toroidale Spulenträger einen maximalen Kreisringdurchmesser auf , welcher maximal 200 mm, insbesondere maximal 100 mm, gross ist und/oder mindestens 60 mm, insbesondere mindestens 80 mm, gross ist . Weist der toroidale Spulenträger die Querschnittsform eines Kreises auf , ist der Durchmesser des Kreises insbesondere grösser als 5 mm, insbesondere grösser als 10 mm und/oder kleiner als 20 mm, insbesondere kleiner als 15 mm.
Insbesondere umgibt der Stator den Rotor, d.h. der Rotor ist im Kern des Stators angeordnet. Dabei handelt es sich um einen sogenannten Innenläufer. Alternativ umgibt der Rotor den Stator. Dabei handelt es sich um einen sogenannten Aussenläufer. Mit Vorteil ist der Rotor ein Radialflussrotor.
Weist die Querschnittsfläche des toroidalen Spulenträgers die Form einer Ellipse auf, so ist die grosse Achse der Ellipse insbesondere maximal 1.3-fach, insbesondere maximal 1.2-fach, so lang ist, wie die kleine Achse der Ellipse.
Der Stator besteht aus einem 3D-Flussführen- den Werkstoff mit Massnahmen zur Wirbelstromreduzierung. Beispielhaft lassen sich weichmagnetische Pulververbundwerkstoffe (SMC) , Ferrite oder Nanokristalline Materialien nennen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
Fig. la einen ersten elektrischen Antrieb in radialer Anordnung als Innenläufer;
Fig. 1b den Stator des ersten elektrischen Antriebs ohne die Spulen der Statorwicklung;
Fig. 1c den Stator ohne die Spulen der Statorwicklung mit Sicht von oben;
Fig. Id einen Schnitt durch den Stator ohne die Spulen der Statorwicklung gemäss der in Fig. 1c eingezeichneten Schnittlinie;
Fig. le den Stator ohne die Spulen der Statorwicklung mit Sicht von der Seite; Fig. If einen Schnitt durch den Stator gemäss der in Fig. le eingezeichneten Schnittlinie, wobei die schraffierten Flächen die Spulenkörper der Statorwicklung darstellen;
Fig. 2a einen zweiten elektrischen Antrieb in radialer Anordnung als Aussenläufer;
Fig. 2b den Stator des zweiten elektrischen Antriebs ohne die Spulen der Statorwicklung;
Fig. 2c den Stator ohne die Spulen der Statorwicklung mit Sicht von oben;
Fig. 2d einen Schnitt durch den Stator ohne die Spulen der Statorwicklung gemäss der in Fig. 2c eingezeichneten Schnittlinie;
Fig. 2e den Stator ohne die Spulen der Statorwicklung mit Sicht von der Seite;
Fig. 2f einen Schnitt durch den Stator gemäss der in Fig. 2e eingezeichneten Schnittlinie, wobei die schraffierten Flächen die Spulenkörper der Statorwicklung darstellen;
Fig. 3a einen dritten elektrischen Antrieb in axialer Anordnung;
Fig. 3b ein Statorteil des dritten elektrischen Antriebs;
Fig. 3c den Statorteil mit Sicht auf die ebene Fläche;
Fig. 3d der Statorteil mit Sicht von der Seite; und
Fig. 4 die Querschnittsfläche eines toroida- len Spulenträgers in einer alternativen Aus führungs form in der Geometrie einer Ellipse.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Fig. la zeigt einen ersten elektrischen Antrieb. Dieser umfasst einen Rotor 1 und einen Stator 2. Die Fig. 1b bis If zeigen nur noch den Stator 2, wobei in Fig. If die Spulen der Wicklung 3 als schraffierte Fläche dargestellt sind.
Der Stator 2 umfasst einen toroidalen Spulenträger 21. Der toroidale Spulenträger 21 ist ein Rotationskörper, welcher eine Querschnittsfläche 211 rotiert. Die Querschnittsfläche 211 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Kreis mit einem beispielhaften Radius von 6 mm. Um den toroidalen Spulenträger 21 ist eine Spule 3 gewickelt. Diese ist, wie erwähnt, in Fig. If durch die schraffierte Fläche illustriert.
Als toroidaler Spulenträger 21 wird lediglich derjenige Teil des Stators 2 bezeichnet, um welchen die Spulen der Wicklung gewickelt sind. Bei der vorliegenden Aus führungs form handelt es sich dabei um einen Torus, welcher in Fig. If gegen Innen durch die gestrichelte Linie 212 und gegen aussen durch die kreisförmige durchzogene Linie 213 begrenzt ist.
Der toroidale Spulenträger 21 wird durch eine Lamellenstruktur 22 ergänzt. Der Stator 2 umfasst somit den toroidalen Spulenträger 21 und die Lamellenstruktur 22. Der Stator 2 ist einstückig ausgestaltet, kann jedoch aus verklebten Teilsegmenten bestehen.
Zwischen den Lamellen 221 stehen Abschnitte 215 des toroidalen Spulenträgers 21 frei, um welche Spulen 3 gewickelt sind. D.h. die Spulen 3 umgeben den toroidalen Spulenträger 21 nicht entlang des gesamten Kreisrings, sondern nur in den Abschnitten 215 zwischen den Lamellen 221. Der Stator 2 bzw. die Lamellenstruktur 22 umfasst in der vorliegenden Aus führungs form insgesamt zwölf Lamellen 221 und zwölf Abschnitte 215 des toroidalen Spulenträgers 21 zwischen den Lamellen 221.
In Richtung der Rotationsachse 214 erstrecken sich die Lamellen 221 über eine grössere Länge LI, welche beispielsweise 40 mm beträgt, als der toroidale Spulenträger 21 über ein Länge L2. Die Länge LI ist etwa dreifach so gross wie die Länge L2. Auch die Lamellenstruktur 22 ist in der vorliegenden Aus führungs form ein toroidaler Körper . Denn die Lamellenstruktur 22 ist ein Rotationskörper, bei welchem die in Fig . Id schraf fierte Querschnitts fläche 222 um die Rotationsachse 214 rotiert ist . Die Rotationsachsen des toroidalen Spulenträgers 21 und der Lamellenstruktur 22 sind identisch . Die Lamellenstruktur 22 ist allerdings entlang des Kreisringes nicht durchgehend, sondern nur auf Abschnitten vorhanden . Diese Abschnitte der Lamellenstruktur 22 sind die Lamellen 221 . Zwischen den Lamellen ist der toroidale Körper der Lamellenstruktur 22 unterbrochen, sodass Zwischenräume für die Spulen der Wicklung 3 gebildet werden .
Die Querschnitts fläche 222 des toroidalen Körpers der Lamellenstruktur 22 ist ca . sechs- bis siebenmal so gross wie die Querschnitts fläche 211 des toroidalen Spulenträgers 21 . Dadurch weist der Stator 2 eine grosse Luftspalt fläche auf , um den magnetischen Hauptfluss aus dem Rotor auf zunehmen .
Die maximale radiale Erstreckung RI des toroidalen Spulenträgers 21 ist genau gleich gross wie die maximale radiale Erstreckung R2 der Lamellenstruktur 22 . Dies hat den positiven Ef fekt , dass der Teil 31 der Spulen 3 ausserhalb der Stators 2 freisteht und dort für eine Kühlung 4 gut zugänglich ist . Mit anderen Worten erstrecken sich die Spulen der Wicklung 3 in einen Bereich, welcher radial weiter aussen von der Rotationsachse 214 entfernt ist , als ein radial äusserster Bereich der Lamellenstruktur 22 . Die Radien RI und R2 betragen in dieser beispielhaften Aus führungs form 40 mm und entsprechen dem maximalen Kreisringdurchmesser des toroidalen Spulenträgers 21 und des toroidalen Körpers der Lamellenstruktur 22 .
Die Fig . 2a zeigt einen zweiten elektrischen Antrieb . Dieser umfasst ebenfalls genau einen Rotor 1 und genau einen Stator 2 . Die Fig . 2b bis 2 f zeigen nur noch den Stator 2 , wobei in Fig . 2 f die Wicklung 3 in schraffierter Fläche eingezeichnet ist . Die Bezugs zeichen werden gleich wie in den Fig . la bis I f verwendet . Da der Rotor 1 den Stator 2 umgibt , handelt es sich um einen sogenannten "Aussenläufer" .
Der Stator 2 ist nach den gleichen Prinzipien konstruiert , wie der Stator 2 des ersten elektrischen Antriebs . Er umfasst ebenfalls einen toroidalen Spulenträger 21 mit einer kreis förmigen Querschnitts fläche 211 , um welchen abschnittsweise die Spulen, aus der sich die Wicklung zusammensetzt , aufgebracht sind .
Ein Unterschied zum ersten elektrischen Antrieb besteht darin, dass die minimale radiale Erstreckung R3 des toroidalen Spulenträgers 21 genau gleich gross ist , wie die minimale radiale Erstreckung R3 der Lamellenstruktur 22 . Dies hat den positiven Ef fekt , dass der Teil 31 der Wicklung 3 innerhalb der Stators 2 freisteht und dort für eine Kühlung 4 gut zugänglich ist . Mit anderen Worten erstreckt sich die Wicklung 3 in einen Bereich, welcher radial weiter innen von der Rotationsachse 214 entfernt ist , als ein radial innerster Bereich der Lamellenstruktur 22 .
Die Fig . 3a bis 3d zeigen einen Innenläufer in axialer Anordnung . Dieser umfasst einen Rotor 1 und einen Stator 2 mit zwei Statorteilen 2a und 2b . Beide Statorteile 2a und 2b sind nach den gleichen Prinzipien konstruiert wie die Statoren des ersten und des zweiten elektrischen Antriebs . Ein Unterschied besteht darin, dass der toroidale Spulenträger 21 gegen aussen nicht in radialer Richtung, sondern in axialer Richtung bündig ist mit der äussersten Seite der Lamellenstruktur 22 . Bündig sind der toroidale Spulenträger 21 und die Lamellenstruktur 22 an der gestrichelten Linie 23 .
Fig . 4 zeigt eine Ellipse 5 . In einer besonderen Aus führungs form kann die Querschnitts fläche 211 des toroidalen Spulenträgers 21 die Form einer solchen Ellipse 5 aufweisen . Beispielhaft weist die Ellipse eine grosse Achse gA auf, welche 1.2-fach so lang ist wie die kleine Achse kA.
Weist die Querschnittsfläche des toroidalen Spulenträgers die Form einer Ellipse auf, so ist die grosse Achse der Ellipse insbesondere maximal 1.3-fach, insbesondere maximal 1.2-fach, so lang ist, wie die kleine Achse der Ellipse.
Während in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Antrieb, umfassend einen Stator (2) und einen Rotor (1) und eine Vielzahl von Spulen einer Wicklung (3) , dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) einen toroidalen Spulenträger (21) mit einer Rotationsachse (214) aufweist und der toroidale Spulenträger (21) die Querschnittsfläche (21) einer Ellipse, insbesondere eines Kreises, aufweist, wobei die Spulen der Wicklung (3) um Abschnitte (215) des toroidalen Spulenträgers (21) gewickelt sind.
2. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, wobei der Stator (2) eine Lamellenstruktur (22) mit einer Mehrzahl von Lamellen (221) aufweist, wobei die Spulen der Wicklung jeweils zwischen den Lamellen (221) um die Abschnitte (215) des toroidalen Spulenträgers (21) aufgebracht sind.
3. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 2, wobei sich die Lamellen (221) in Richtung der Rotationsachse (214) des toroidalen Spulenträgers (21) über eine grössere Länge erstrecken als der toroidale Spulenträger (21) .
4. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 3, wobei sich die Lamellen (221) in Richtung der Rotationsachse (214) des toroidalen Spulenträgers (21) über eine mindestens doppelt so lange Länge, insbesondere mindestens dreifach so lange Länge, erstrecken als der toroidale Spulenträger (21) .
5. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Lamellenstruktur (22) als toroidaler Körper ausgestaltet ist, und wobei die Lamel- len (221) Abschnitte des toroidalen Körpers sind und zwischen diesen Abschnitten Zwischenräume für die Spulen der Wicklung (3) vorhanden sind.
6. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 5, wobei die Rotationsachse (214) des toroidalen Spulenträgers (21) identisch ist mit der Rotationsachse (214) des toroidalen Körpers der Lamellenstruktur (22) .
7. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 5 oder
6, wobei der toroidale Körper eine Querschnittsfläche (222) aufweist, welche mindestens dreimal so gross, insbesondere mindestens fünfmal so gross ist, wie die Querschnittsfläche (211) des toroidalen Spulenträgers (21) .
8. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die maximale radiale Erstreckung (RI) des toroidalen Spulenträgers (21) gleich gross ist wie die maximale radiale Erstreckung (R2) des toroidalen Körpers der Lamellenstruktur (22) , jeweils ausgehend von der Rotationsachse (214) , oder wobei die minimale radiale Erstreckung (R3) des toroidalen Spulenträgers (21) gleich gross ist wie die minimale radiale Erstreckung (R4) des toroidalen Körpers der Lamellenstruktur (22) , jeweils ausgehend von der Rotationsachse (214) .
9. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wicklung sich in einen Bereich erstreckt, welcher radial weiter von der Rotationsachse (214) entfernt ist, als ein radial äusserster Bereich der Lamellenstruktur (22) , oder wobei die Wicklung sich in einen Bereich erstreckt, welcher radial weniger weit von der Rotationsachse (214) entfernt ist, als der radial innerste Bereich der Lamellenstruktur (22) .
10. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend
- genau einen Stator (2) und genau einen Rotor ( 1 ) , oder
- genau zwei Statoren und genau einen Rotor.
11. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der toroidale Spulenträger (21) einen maximalen Kreisringdurchmesser aufweist und der maximale Kreisringdurchmesser maximal 200 mm, insbesondere maximal 100 mm gross ist und/oder mindestens 60 mm, insbesondere mindestens 80 mm gross ist.
12. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Stator (2) den Rotor (1) umgibt oder wobei der Rotor (1) den Stator (2) umgibt.
13. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor (1) ein Radialflussflussrotor oder ein Axialflussrotor ist.
14. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ellipsenform der Querschnittsfläche des toroidalen Spulenträgers eine grosse Achse und eine kleine Achse aufweist, wobei die grosse Achse maximal 1.3-fach, insbesondere maximal 1.2-fach, so lang ist, wie die kleine Achse.
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