DE102004036368A1 - Elektromotor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator (10), der ein genutetes Blechpaket (16) aufweist, in dessen Nuten eine Mehrzahl von Teilsträngen angeordnet ist, wobei sich zwischen den Nuten Statorzähne (151) befinden, die an ihren Enden Zahnköpfe (153) aufweisen, wobei an mindestens einer Stirnseite des Blechpakets (16) Schaltringe (11, 12, 13) und ein Sternpunktring (114) angeordnet sind und der Sternpunktring radiale Fortsätze (141) aufweist, die sich an einem Ende des Statorblechpakets (16) längs vorgegebener Zähne (151) im wesentlichen bis zu deren Zahnköpfen (153) erstrecken, von diesen Zähnen isoliert sind und im Bereich ihrer freien Enden (142) zur Kontaktierung eines Strangendes ausgebildet sind.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Statoranordnung für einen Elektromotor.
- Bei bekannten Elektromotoren bereitet die Verschaltung der einzelnen Stränge nicht selten Probleme, da beispielsweise Verbindungsdrähte viel Platz einnehmen und schwierig zu montieren sind.
- Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Elektromotor bereitzustellen.
- Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
- Ein derartiger Elektromotor hat den Vorteil, dass die Montage über die ringförmigen Schaltringe und den Sternpunktring stark vereinfacht wird, und die dadurch erreichte Verschaltung der Teilstränge nur wenig Platz in Anspruch nimmt. Weiterhin bietet der Aufbau dem Strom eine hohe Symmetrie, und es werden Verluste durch unterschiedliche Gesamtwiderstände der Teilstränge vermieden.
- Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.
- Ein solcher Elektromotor ermöglicht eine Wicklung der Teilstränge, bei der das zweite Ende der Teilstränge einfach mit den Kontaktierungsfortsätzen verbunden wird.
- Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den übrigen Unteransprüchen. Es zeigen:
-
1 eine raumbildliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Stators, -
2 eine Draufsicht auf den Stator aus1 , -
3 eine Seitenansicht auf den Stator aus der Richtung II aus2 , -
4 eine Draufsicht auf einen Schaltring, -
5 eine Draufsicht auf einen Sternpunktring, -
6 eine Draufsicht auf einen Isolierring, -
7 eine Draufsicht auf einen Sternpunktring, -
8 eine raumbildliche Darstellung eines Hämmerchens mit einem Teilstrang, -
9 eine Draufsicht auf einen Elektromotor mit dem Stator aus2 und einem 12-poligen Permanentmagnetrotor, -
10 eine schematische Darstellung des Elektromotors aus9 in abgewickeltem Zustand, -
11 eine schematische Darstellung der Sternpunktanordnung des Stators aus elektrischer Sicht, und -
12 eine schematische Darstellung einer Endstufe in Form einer Vollbrückenschaltung. -
1 zeigt eine raumbildliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Stators10 . -
2 zeigt eine Draufsicht auf den Stator10 aus1 . - Der Stator
10 weist drei Schaltringe11 ,12 ,13 , einen Sternpunktring14 , ein aus mehreren Statorblechen15 bestehendes Statorblechpaket16 ,18 Hämmerchen (Statorpole)151 mit Polschenkeln152 und Polschuhen153 und18 Teilstränge17 (dargestellt in8 ) auf. - Der Schaltring
11 (4 ) weist sechs Kontakte111 bis116 sowie einen Anschluss119 auf, der Schaltring12 weist sechs Kontakte121 bis126 sowie einen Anschluss129 auf, und der Schaltring13 weist sechs Kontakte131 bis136 sowie einen Anschluss139 auf. - Der Sternpunktring
114 weist 18 Kontaktierungsfortsätze141 auf, welche jeweils im Bereich der Polschuhe153 ein Kontaktierungsende142 aufweisen. - Das Statorblechpaket
16 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus 28 konzentrisch angeordneten Statorblechen15 aufgebaut. - Der im wesentlichen hohlzylinderförmige Stator
10 hat beispielsweise eine Höhe H = 26 mm oder N = 30 mm und einen äußeren Durchmesser D = 80 mm. Die Darstellung in1 ist zur besseren Darstellung in der Höhe gedehnt. Die Breite des kreisförmigen (hohlzylinderförmigen) Teils155 (vgl.7 ) der Statorbleche15 , gemessen von dem inneren Radius r bis zum äußeren Radius R des Stators10 , beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 4,5 mm. -
3 zeigt eine Seitenansicht auf den Stator10 aus der Richtung II aus2 . - Der Stator
10 weist als Grundkörper das Statorblechpaket16 aus ferromagnetischem Material, beispielsweise Weicheisen, auf. - Auf dem Statorblechpaket
16 ist ein Isolierring24 , der Sternpunktring14 , ein Isolierring22 , der Schaltring13 , ein Isolierring22 , der Schaltring12 , ein Isolierring21 und der Schaltring10 angeordnet. - Die Isolierringe
21 bis24 bestehen aus einem Isolator aus einem elektrisch schlecht leitenden Material, beispielsweise Keramik, Harz oder Kunststoff. - Die Schaltringe
11 bis13 und der Sernpunktring14 sind aus einem elektrisch gut leitenden Material, beispielsweise Kupfer, gefertigt und sind untereinander und gegenüber dem Blechpaket16 durch die Isolierringe21 bis24 elektrisch isoliert. - Die Gesamthöhe H der Statoranordnung beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 30 mm. Die Höhe setzt sich wie folgt zusammen:
- • Höhe der Statorbleche: 28·0,86 mm = 24 mm
- • Höhe der Schaltringe: 3·1 mm = 3 mm
- • Höhe des Sternpunktrings: 1 mm
- • Höhe der Isolierringe: 4·0,5 mm = 2 mm
-
4 zeigt eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Schaltring11 . Der Schaltring11 weist einen hohlzylindrischen Bereich118 auf, von dem die sechs Kontakte111 bis116 radial nach innen und der Anschluss119 radial nach außen ragen. An den Kontakten111 bis116 wird jeweils ein Ende eines Teilstrangs17 befestigt. Hierfür bilden die Kontakte111 bis116 ein U, in dem der Wicklungsdraht befestigt werden kann. - Der Schaltring
11 ist zumindest in dem hohlzylindrischen Bereich118 eben, und er hat bevorzugt eine Höhe von 0,6 mm bis 1,3 mm. Der Schaltring11 weist in seinem ringförmigen (hohlzylindrischen) Bereich118 bevorzugt im wesentlichen die gleiche Breite wie der ringförmige Bereich155 (vgl.7 ) der Statorbleche15 auf. Dadurch hat der Schaltring einen großen Querschnitt und einen geringen Widerstand. - Die Schaltringe
12 und13 sind identisch aufgebaut. -
5 zeigt eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Sternpunktring14 . Der Sternpunktring14 bildet den elektrischen Sternpunkt für die Teilstränge17 und ist – dies ist unüblich für einen Sternpunkt – als Ring ausgebildet. Die Kontaktierungsfortsätze141 erstrecken sich auf dem Blechpaket bis zu den Polschuhen153 und dienen zur Kontaktierung eines Endes der um die Hämmerchen gewickelten Teilstränge. Hierzu weisen die Kontaktierungsfortsätze141 jeweils ein Kontaktierungsende142 auf, welches zur Kontaktierung geeignet und elektrisch nicht isoliert ist. Der übrige Teil der Kontaktierungsfortsätze ist bevorzugt elektrisch isoliert, um einen Kurzschluss des Wicklungsdrahts zu vermeiden. Zur Isolierung eignet sich insbesondere ein Schutzlack. - Bevorzugt weist auch der Sternpunktring
14 einen Anschluss149 auf, über den das Potential am Sternpunktring14 gemessen wird. Dies ermöglicht beispielsweise eine sogenannte Sensorless-Detektion, bei der die Rotorstellung ohne Rotorstellungssensoren gemessen wird. - Der Sternpunktring
14 ist zumindest in dem ringförmigen (hohlzylindrischen) Bereich145 eben, und er hat bevorzugt eine Höhe von 0,6 mm bis 1,3 mm. Der Sternpunktring14 weist in seinem ringförmigen Bereich145 bevorzugt im wesentlichen die gleiche Breite wie der ringförmige Bereich155 (vgl.7 ) der Statorbleche15 auf. Dadurch hat der Schaltring14 einen großen Querschnitt und einen geringen Widerstand -
6 zeigt eine Draufsicht auf den Isolierring21 . Dieser ist möglichst dünn, um die Höhe des Stators10 gering zu halten. - Bei einer bevorzugten Weiterbildung weisen der Isolierring
24 und/oder der Isolierring23 Fortsätze auf, welche den Fortsätzen141 des Sternpunktrings14 entsprechen und eine sichere Isolierung des Sternpunktrings14 von dem Statorblechpaket16 und/oder den Teilsträngen17 gewährleisten. -
7 zeigt eine Draufsicht auf eines der Statorbleche15 . Das Statorblech15 weist einen ringförmigen Bereich155 sowie – in Kombination mit den übrigen Statorblechen – 18 Hämmerchen151 auf, welche jeweils aus einem in die Mitte ragenden Polschenkel152 und einem Polschuh153 an dessen Ende bestehen. -
8 zeigt eine raumbildliche Darstellung eines Hämmerchens151 mit einem Teilstrang (Spule, Wicklung)17 . Die Spule17 besteht aus einem Wicklungsdraht179 , welcher ein erstes Ende171 und ein zweites Ende172 aufweist. - Das erste Ende
171 ist mit dem Kontakt132 des dritten Schaltrings13 verbunden, und das zweite Ende172 ist mit dem Kontaktierungsende142 des Sternpunktrings14 verbunden, z.B. durch Schweißen. - Die Spule
17 weist in diesem Ausführungsbeispiel 30 Windungen auf, und der Wicklungsdraht hat einen Durchmesser von ca. 0,7 mm. - Die Befestigung des ersten und/oder zweiten Endes
171 ,172 an den Kontakten der Schaltringe11 ,12 ,13 geschieht beispielsweise durch Schweißen, Löten, Einrasten oder Festklemmen (Festcrimpen). Bevorzugt ist auch eine Kontaktierung über Stecker möglich. -
9 zeigt eine Draufsicht auf einen Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen Stator10 und einem 12-poligen Rotor18 . Der Stator ist bereits in2 beschrieben. - Zwischen dem Rotor
18 und dem Stator10 befindet sich ein Luftspalt19 . -
10 zeigt eine schematische Darstellung des Elektromotors aus9 in abgewickeltem Zustand. Abgewickelt bezeichnet man eine Darstellung, bei der die runde Form des Stators10 und des Rotors18 auf eine Ebene projiziert werden. - Sämtliche Teilstränge
17 sind in diesem Ausführungsbeispiel gleichsinnig gewickelt. Die Statorpole sind mit S = 1 .. 18 und die Rotorpole mit R = 1 .. 12 durchnumeriert. Die Bestromung des Statorpols S = 1 erfolgt über den Schaltring11 , die Bestromung des Statorpols S = 2 erfolgt über den Schaltring12 , die Bestromung des Statorpols S = 3 erfolgt über den Schaltring13 , und die Bestromung des Statorpols S = 4 erfolgt wieder über den Schaltring11 . Dies setzt sich in regelmäßiger Reihenfolge bis zum letzten Statorpol S = 18 fort. -
11 zeigt eine schematische Darstellung der sternpunktförmigen Statorwicklung des Stators10 aus elektrischer Sicht. Das Zentrum bildet der Sternpunktring14 , und von diesem gehen drei Phasen (Stränge) zu den Schaltringen11 ,12 und13 . Jede Phase besteht jeweils aus sechs Teilsträngen, welche parallelgeschaltet sind. - Die Bestromung erfolgt, indem jeweils zwei der Phasen über die Schaltringe
11 ,12 und/oder13 bestromt werden. Beispielsweise wird durch Anlegen der Betriebsspannung + U_B an den Schaltring11 und Anlegen der Masse GND an den Schaltring13 die Statorwicklung zwischen den „Punkten"11 ,14 und13 bestromt. Der Strang zwischen den „Punkten"12 und14 wird dagegen nicht bestromt. - Die Parallelschaltung der Teilstränge ist insbesondere vorteilhaft bei niederspannungsbetriebenen Motoren, z.B. in Autos mit 12 V-Batterien. Die maximale Leistung des Motors wird bei fester Spannung insbesondere durch den ohmschen Widerstand R der Stränge begrenzt.
- Bei einem Motor mit drei Phasen, bei dem eine Phase nur einen Strang aufweist, wäre in solchen Fällen ein großer Drahtdurchmesser D (Drahtdicke), beispielsweise D = 2 mm, notwendig. Eine solche Drahtdicke D ist jedoch zum einen sehr schwer zu verarbeiten, insbesondere das für das Wickeln notwendige Biegen um die Hämmerchen ist kaum möglich. Zum anderen benötigt ein solcher Draht viel Platz, und man erhält einen Stator, der für seine Leistungsdichte viel Raum benötigt.
- Durch die Parallelschaltung von sechs gleichen Teilsträngen (Spulen) zu einem Strang (Phase) und einer Sternschaltung der Stränge (Phasen) wird der Gesamtwiderstand der einzelnen Phase im Vergleich zu dem Widerstand des einzelnen Teilstrangs auf 1/6 verringert. Damit kann der Motor auch bei geringen Spannungen trotz einer Drahtdicke D von beispielsweise 0,7 mm eine hohe Leistung bieten.
- Weitere Vorteile der Statoranordnung
- Durch die großen Querschnitte der Schaltring
11 ,12 ,13 und des Sternpunktrings14 ist der Stator10 auch für hohe Ströme (Hochstromtechnik) geeignet. - Die runde Grundform der Schaltringe
11 ,12 ,13 und des Sternpunktrings14 erhöht die Symmetrie in der Zuleitung von den Anschlüssen119 ,129 bzw.139 zu den einzelnen Kontakten. Unsymmetrien, welche zu Verlusten führen, werden weitgehend vermieden. - Da jeder Kontakt
112 –116 ,122 –126 und132 –136 , der nicht direkt an einem der Anschlüsse119 ,129 ,139 sitzt, aus der Sicht der Anschlüsse119 ,129 bzw.139 von beiden Seiten den Strom zugeführt bekommt, ist der Widerstand des Schaltrings11 ,12 ,13 bzw. des Sternpunktrings14 nochmals reduziert. - Der für die Verschaltung der einzelnen Wicklungen benötigte Schaltraum ist sehr gering. Es sind besonders flach bauende Motoren möglich. Eine Verschaltung über Drähte hat neben dem Problem des erhöhten Widerstands den großen Nachteil, dass viele Drähte übereinander liegen und damit in der Höhe einen großen Platz benötigen. Zusätzlich bereitet eine solche Verschaltung über Drähte in der Herstellung Schwierigkeiten und Kosten.
- Da die Kontakte
111 –116 ,121 –126 und131 –136 der Schaltringe11 ,12 und13 in Bezug auf die Statorpole151 radial außen liegen, und die Kontaktierungsenden142 des Sternpunktrings14 radial innen liegen, kann die Wicklung der einzelnen Teilstränge17 entweder von radial außen nach radial innen oder umgekehrt erfolgen. Es muss also radial nicht notwendigerweise in zwei Richtungen gewickelt werden. Es kann jedoch beispielsweise auch zuerst von radial außen nach radial innen, dann umgekehrt und daraufhin wieder von radial außen nach radial innen gewickelt werden. - Die Kontakte
111 –116 ,121 –126 und131 –136 der Schaltringe11 ,12 und13 sind die einzigen Bereiche der Schaltringe11 ,12 ,13 , die in das Innere des Stators10 ragen. Alle andere Bereich der Schaltringe11 ,12 ,13 liegen radial außerhalb. Dies ist vorteilhaft, da somit der gesamte innere Bereich des Stators10 den Statorpolen151 und dem Rotor18 zur Verfügung steht. Die Fertigung des Stators10 wird durch die Wicklungsart einfach und damit günstig. -
12 zeigt eine schematische Darstellung einer Endstufenanordnung200 . Die Endstufenanordnung weist drei obere Schalter201 ,202 und203 und drei untere Schalter204 ,205 ,206 auf, die von einer Endstufe210 gesteuert werden. Über die Endstufe210 wird bestimmt, ob an dem jeweiligen Anschluss119 ,129 ,139 des jeweiligen Schaltrings11 ,12 ,13 die Versorgungsspannung U_B, die Masse GND oder nichts angelegt wird. Diese Art der Schaltung wird als Vollbrückenschaltung bezeichnet. - Naturgemäß sind im Rahmen der Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.
Claims (14)
- Elektromotor mit einem Rotor (
18 ) und einem Stator (10 ), der ein genutetes Blechpaket (16 ) aufweist, in dessen Nuten eine Mehrzahl von Teilsträngen (17 ) angeordnet ist, wobei sich zwischen den Nuten Statorzähne (151 ) befinden, die an ihren Enden Zahnköpfe (153 ) aufweisen, wobei an mindestens einer Stirnseite des Blechpakets (16 ) Schaltringe (11 ,12 ,13 ) und einen Sternpunktring (114 ) angeordnet sind, und der Sternpunktring radiale Fortsätze (141 ) aufweist, die sich an einem Ende des Statorblechpakets (16 ) längs vorgegebener Zähne (151 ) im wesentlichen bis zu deren Zahnköpfen (153 ) erstrecken, von diesen Zähnen isoliert sind, und im Bereich ihrer freien Enden (142 ) zur Kontaktierung eines Strangendes (172 ) ausgebildet sind. - Elektromotor nach Anspruch 1, bei welchem die Teilstränge (
17 ) ein erstes Ende (171 ) und ein zweites Ende (172 ) aufweisen, wobei das erste Ende (171 ) der Teilstränge (17 ) jeweils mit einem zugeordneten Schaltring (11 ,12 ,13 ) und das zweite Ende (172 ) jeweils mit dem Sternpunktring (14 ) verbunden ist. - Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die radialen Fortsätze (
141 ) im Bereich ihrer freien Enden (142 ) einen Abschnitt aufweisen, welcher nicht elektrisch isoliert ist. - Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltringe (
11 ,12 ,13 ) eine Mehrzahl von Kontakten (111 –116 ,121 –126 ,131 –136 ) aufweisen, welche zur Kontaktierung eines Strangendes (171 ) ausgebildet ist. - Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils mehrere Teilstränge (
17 ) zu einem Strang einer mehrphasigen Wicklung parallelgeschaltet sind. - Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltringe (
11 ,12 ,13 ) und der Sternpunkring (14 ) jeweils aus einem elektrisch gut leitenden Stoff, insbesondere Kupfer, gefertigt sind. - Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltringe (
11 ,12 ,13 ) untereinander zur Vermeidung eines direkten Kontakts elektrisch isoliert sind, insbesondere durch eine Isolierschicht. - Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (
10 ) ein Statorblechpaket (16 ) aufweist, und wobei der Sternpunktring (14 ) von den Schaltringen (11 ,12 ,13 ) und dem Statorblechpaket (16 ) elektrisch isoliert ist, insbesondere durch eine Isolierschicht. - Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Strangende (
171 ,172 ) der Teilstränge (17 ) durch eine Lötverbindung mit dem zugeordneten Schaltring oder dem Sternpunktring verbunden ist. - Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Strangende (
171 ,172 ) der Teilstränge (17 ) durch eine Rastverbindung mit dem zugeordneten Schaltring oder dem Sternpunktring verbunden ist. - Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Strangende (
171 ,172 ) der Teilstränge (17 ) durch eine Klemmverbindung mit dem zugeordneten Schaltring oder dem Sternpunktring verbunden ist. - Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Strangende (
171 ,172 ) der Teilstränge (17 ) durch eine Crimpverbindung mit dem zugeordneten Schaltring und/oder dem Sternpunktring verbunden ist. - Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem jeder Schaltring (
11 ,12 ,13 ) einen hohlzylindrischen Bereich (118 ) und das Statorblechpaket (16 ) einen hohlzylindrischen Bereich (155 ) aufweist, und bei welchem der hohlzylindrische Bereich (118 ) jedes Schaltrings (11 ,12 ,13 ) im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der hohlzylindrische Bereich (155 ) des Statorblechpakets (16 ) aufweist. - Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltringe (
11 ,12 ,13 ) eine Mehrzahl von radial nach innen ragenden Kontakten (111 –116 ,121 –126 ,131 –136 ) zur Verbindung mit Strangenden (171 ) der Teilstränge (17 ) aufweisen, und wobei alle anderen Bereiche der Schaltringe radial weiter außen liegen.
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