DE102009034660A1

DE102009034660A1 - Elektrische Maschine, insbesondere elektronisch kommutierter Motor

Info

Publication number: DE102009034660A1
Application number: DE102009034660A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lukenich; Milorad Risticevic
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2010-02-04
Also published as: DE202009010072U1

Abstract

Eine elektrische Maschine hat einen Rotor (32), einen mit diesem zusammenwirkenden Stator (24) mit ausgeprägten Polen (30), welchen ein magnetischer Rückschluss (26) zugeordnet ist und welche jeweils einen Polkern (82) und - auf ihrer dem Rotor (32) zugewandten Seite - einen Polschuh (84) haben. Um den Polkern (82) herum erstreckt sich ein Wickelraum, der nach innen durch den Polkern, nach außen durch den magnetischen Rückschluss (26), den dem Polkern zugeordneten Polschuh (84) und die Wicklungen benachbarter Statorpole begrenzt ist. Auf den Polkernen befinden sich Statorwicklungen (20), welche den ihnen zugeordneten Wickelraum weitgehend ausfüllen und durch spiralförmig verlaufende Trennfugen (54, 56, 58, 60) in einem Metall-Formstück (36) gebildet sind, welche dieses Metall-Formstück in spiralförmig verlaufende Windungen unterteilen, deren Querschnitt auf dem überwiegenden Teil ihrer Längserstreckung mindestens nahezu konstant ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit ausgeprägten Polen, denen jeweils eine Spule zugeordnet ist.
Es ist bekannt, solche Spulen auf Wickelkörpern auszubilden, doch verringern diese den Nutfüllfaktor, der oft nur ca. 30% beträgt. Dieser Nachteil tritt besonders bei kleinen Maschinen auf, die mit Nadelwickelmaschinen gewickelt sind. Dadurch ergeben sich relativ hohe Kupferverluste.
Um bei niedrigen Betriebsspannungen, z. B. bei einem Kraftfahrzeug, trotzdem ausreichend hohe Ströme zu erhalten, oder, um den Wirkungsgrad zu verbessern, müssen Spulen parallel geschaltet werden, und wegen der intrinsischen Unterschiede zwischen Spulen, die nur selten exakt identisch sind, ergeben sich Ausgleichsströme, die den Wirkungsgrad verringern.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine neue elektrische Maschine, und insbesondere einen neuen elektronisch kommutierten Motor, bereit zu stellen.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Dadurch, dass die Windungen einer Spule unter Einhaltung bestimmter Bedingungen mittels einer spiralförmigen Trennfuge aus einem massiven Metallteil herausgearbeitet sind, ergibt sich eine äußerst kompakte Form dieser Spule mit einem sehr guten Nutfüllfaktor, der je nach den sonstigen Parametern der Maschine 70% und sogar mehr erreichen kann, wodurch sich ein guter Wirkungsgrad ergibt. Auch kann der Raum zwischen benachbarten Statorpolen optimal ausgenutzt werden, da es möglich ist, zwischen benachbarten Spulen einen sehr kleinen Abstand einzuhalten, der wesentlich niedriger ist als bei Spulen, die aus Draht gewickelt sind. Bei einem dreisträngigen Motor können die Spulen in einer Sternschaltung jeweils in Reihe geschaltet werden, wodurch Unsymmetrien und die hierdurch verursachten elektrischen Verluste entfallen.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
1 eine Draufsicht auf eine Statorspule für eine elektrische Maschine mit ausgeprägten Polen, gesehen in Richtung des Pfeiles I der 3,
2 einen Schnitt durch einen Rohling, der zur Herstellung der Statorspule nach 1 geeignet ist und dort etwa dem Schnitt nach der Linie III-III entspricht, aber vor der Bearbeitung,
3 einen Querschnitt durch die Statorspule der 1, gesehen längs der Linie III-III der 1,
4 einen Schnitt durch einen ausgeprägten Statorpol einer elektrischen Maschine, auf dem eine Spule gemäß 1 und 3 montiert ist,
5 einen Schnitt durch eine elektrische Maschine mit zwölf Statorpolen, von denen drei bereits montiert sind,
6 eine raumbildliche Darstellung eines Stators analog 5, bei dem aber nur ein einziger Statorpol dargestellt ist, und
7 eine Darstellung der zwölf Spulen der 5 in Sternschaltung, wobei jeweils vier Spulen in Reihe geschaltet sind.
1 zeigt eine Draufsicht auf eine Statorspule 20 der in 5 dargestellten elektrischen Maschine 22. Diese kann je nach Anwendung ein Generator und/oder ein elektronisch kommutierter Motor sein. Die Maschine 22 hat einen Außenstator 24 mit einem magnetischen Rückschluss 26, in dem an Schwalbenschwanznuten 28 insgesamt zwölf ausgeprägte Statorpole 30 befestigt sind. Die Befestigung mit Nuten 28 ist nur ein Beispiel für verschiedene mögliche Befestigungsarten.
Bei der Verwendung als Motor ist die Maschine 22 elektronisch kommutiert. Sie hat einen permanentmagnetischen Rotor 32 mit acht Rotorpolen, die wie üblich durch die Buchstaben S und N bezeichnet und nur schematisch angedeutet sind. Die Rotorwelle 34 ist ebenfalls nur schematisch angedeutet.
Naturgemäß kann eine solche Maschine verschiedene Polzahlen haben, z. B., wie dargestellt,
12 Statorpole und 8 Rotorpole, oder
15 Statorpole und 10 Rotorpole, oder
6 Statorpole und 4 Rotorpole
etc.
Die größten Vorteile ergeben sich nach derzeitiger Erkenntnis bei einer niedrigen Zahl von Statorpolen, da sich dann ein besonders hoher Kupferfüllfaktor erzielen lässt. Die vorstehenden Polzahlen beziehen sich auf einen dreisträngigen Motor, wie er in 7 dargestellt ist. Solche Motoren sind eine wichtige Anwendung der Erfindung, doch eignet sich die Erfindung in gleicher Weise z. B. für einsträngige oder zweisträngige Maschinen.
Die Spule 20 gemäß 1 und 3 ist aus einem massiven Metallkörper 36 herausgearbeitet, der in 2 im Schnitt dargestellt ist. Dieser Rohling 36 ist gewöhnlich aus Kupfer und kann z. B. ein Gussteil aus Elektrolytkupfer oder ein Formstück sein, das aus einem größeren Kupferbarren herausgearbeitet ist.
Dieser Rohling 36 (2) hat auf seiner Innenseite eine etwa rechteckförmige Ausnehmung 40. Diese ist bei der fertigen Spule (3) mit einem isolierenden Überzug 42 versehen.
Der Rohling 36 ist durch ein geeignetes Verfahren, z. B. durch Laserschneiden, unterteilt in (hier) fünf Windungen 44, 46, 48, 50, 52, vgl. 1 und 3. Diese Windungen haben jeweils etwa denselben Querschnitt und sind durch herausgearbeitete Spalte 54, 56, 58, 60 (3) voneinander getrennt. Diese Spalte können bevorzugt eine Größe d von etwa 0,1 bis 0,5 mm haben, wobei d möglichst klein sein sollte. Bei einer ausgeführten Maschine betrug z. B. die Höhe H (2) des Rohlings 36 sieben mm. Mit den üblichen Maschinen zum Laserschneiden sind Werte von H = 30 mm ohne weiteres erreichbar.
In 2 ist ein Laserstrahl 64 angedeutet, der an einer Steile 66 den Spalt 54 herausschneidet.
Wie sich aus 1 ergibt, hängen die Spalte 54 bis 60 ohne Unterbrechung zusammen, d. h. topologisch stellen sie eine Spirale dar. Dies ermöglicht eine einfache Fertigung, da die Spalte 54, 56, 58, 60 in einem Durchgang hergestellt werden können.
Die Spule 20, die in 1 dargestellt ist, hat einen äußeren Anschluss 70, in dem ein Loch 72 vorgesehen ist, und sie hat einen inneren Anschluss 74, in dem ein Loch 76 vorgesehen ist. Die Löcher 72, 76 dienen zum elektrischen Anschluss. Wie 1 zeigt, sind die Spalte 54, 56, 58, 60 um die Anschlüsse 70, 74 herum geführt, was eine einfache Bauweise ergibt.
Statt der Löcher 72, 76 können auch andere Arten von Anschlüssen vorgesehen werden, z. B. breite Kupferteile, die mit entsprechenden Stromschienen U, V, W und N (für den Sternpunkt N, der in 7 dargestellt ist), verschweißt oder verlötet werden. Hierfür gibt es im Stand der Technik viele Beispiele, z. B.

DE 10 2004 046 544 A1 (D328; DE-1037)
DE 20 2005 016 915 U1 (D334; DE-1039iG)
WO 2003/081755 A1 (EBM Werke)

Aus diesem Grund ist die Art der Verbindungen nicht näher dargestellt, denn es gibt hierfür sehr viele Möglichkeiten, die der Fachmann je nach den Bedürfnissen anwenden wird.
Wie 3 zeigt, werden die Spalte 54, 56, 58, 60 nach ihrer Herstellung mit einem geeigneten Isoliermaterial 80 gefüllt, das auch als Isolierschicht 42 die Innenseite 40 und die Außenseite der Spule 20 bedeckt.
Da die Spalte 54, 56, 58, 60 bevorzugt eine Abmessung d in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 mm haben können, ist die Isolation 80 auch wichtig, um Kurzschlüsse im Inneren der Spule zu verhindern, die dort sonst durch Wärmeverformung einer Windung entstehen könnten.
Zweckmäßig werden die Spulen 20 zusammen mit dem zugehörigen Statorpol isoliert.
Ein Statorpol 30 hat einen Polkern 82, einen Polschuh 84, und ein Verbindungsglied 86 zur Verbindung mit einer Schwalbenschwanznut 28 des magnetischen Rückschlusses 26. Als Alternative könnte z. B. der Polkern 82 einstückig mit dem Rückschluss 26 sein, und der Polschuh 84 könnte am Polkern 82 befestigt werden, nachdem die Spule 20 montiert wurde.
4 ist nur eine schematische Darstellung, d. h. die Isolation ist nicht dargestellt. Man sieht, dass die Spule 20 so ausgelegt werden kann, dass sie die ganze Nut 86 ausfüllt, wodurch ein sehr hoher Nutfüllfaktor möglich ist.
Unterstellt man z. B. eine Isolationsschicht 42 mit einer Dicke von 0,3 mm, und eine Dicke d (3) von 0,5 mm sowie einen Leiterquerschnitt einer Windung 44, 46, 48, 50 bzw. 52 von 6 mm², so ergibt sich bei fünf Windungen eine Kupferfläche von 10 × 6 = 60 mm². Daraus ergibt sich hier ein Nutfüllfaktor von 66%. Eine typische Drahtwicklung hat einen Nutfüllfaktor von etwa 30%, d. h. durch die beschriebene neuartige Technologie kann man die Kupferverluste um mehr als 50% reduzieren. Dies ist besonders wichtig bei Batteriebetrieb, da dann der Energieinhalt einer Batterie länger ausreicht.
6 zeigt in perspektivischer Darstellung die Befestigung eines ausgeprägten Pols am magnetischen Rückschluss 26. Sehr vorteilhaft ist, dass die Pole 30 als kompakte Einheiten so vorgefertigt werden können, dass der Spalt 90 zwischen benachbarten Spulen 20 nur z. B. 0,3 mm groß zu sein braucht, und dass der Raum in den Nuten 86 optimal für die Wicklung genutzt werden kann, da man die Spulen passgenau zuschneiden kann, so dass kein Platz vergeudet wird.
7 zeigt schematisch die Ausbildung als dreisträngiger elektronisch kommutierter Motor. In jedem Strang U, V, W sind vier Spulen 20 in Reihe geschaltet. Der Rotor 32 steuert drei Rotorstellungssensoren 100, 102, 104, die jeweils einen Abstand von 120°el. haben und deren Signale einem Steuergerät 106 zugeführt werden, das seinerseits die Ströme zu den drei Strängen U, V, W steuert. Das Steuergerät 106 ist bei 108 an die Betriebsspannung UB angeschlossen, z. B. an +100 V, und es ist bei 110 an Masse GND angeschlossen. Die drei Stränge sind im Stern geschaltet, doch ist in gleicher Weise auch eine Dreiecksschaltung möglich. Auch lässt sich die Erfindung in gleicher Weise bei anderen Motoren verwenden, die ausgeprägte Pole verwenden.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004046544 A1 [0024]
- DE 202005016915 U1 [0024]
- WO 2003/081755 A1 [0024]

Claims

Elektrische Maschine, insbesondere elektronisch kommutierter Motor, welche aufweist: Einen Rotor (32); einen mit dem Rotor (32) zusammenwirkenden Stator (24) mit ausgeprägten Polen (30), welchen ein magnetischer Rückschluss (26) zugeordnet ist und welche jeweils einen Polkern (82) und – auf ihrer dem Rotor (32) zugewandten Seite – einen Polschuh (84) aufweisen, wobei sich um einen Polkern herum ein Wickelraum erstreckt, der nach innen durch den Polkern, nach außen durch den magnetischen Rückschluss, den dem Polkern zugeordneten Polschuh und die Wicklung der benachbarten Pole begrenzt ist; Polwicklungen, welche auf den Polkernen ausgebildet sind und jeweils den ihnen zugeordneten Wickelraum weitgehend ausfüllen und durch spiralförmig verlaufende Trennfugen in einem Metall-Formstück gebildet sind, welche dieses Metall-Formstück in spiralförmig verlaufende Windungen unterteilen, deren Querschnitt auf dem überwiegenden Teil ihrer Längserstreckung mindestens nahezu konstant ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, bei welcher die äußerste Windung (52) einer Spule (20) in einem Teilbereich zwischen benachbarten Spulen einen etwa dreieckförmigen Querschnitt aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Windungsabstand (d) zumindest auf dem überwiegenden Teil der Längserstreckung der Windungen unter 0,6 mm und bevorzugt unter 0,2 mm liegt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Windungsabstand (d) überwiegend mindestens nahezu 0,1 mm beträgt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Abstand (90) zwischen zwei benachbarten Spulen kleiner als 0,5 mm ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, bei welcher der Abstand (90) zwischen zwei benachbarten Spulen etwa 0,3 mm beträgt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Windungen einer Spule (20) durch Umspritzen mit Kunststoff (80) voneinander isoliert sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher Windungen einer Spule (20) durch Vergießen mit Kunstharz (80) voneinander isoliert sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher sich die äußerste Windung (52) einer Spule (20) bis zu einem Eckbereich dieser Spule (20) erstreckt und an ihrem dortigen Ende einen verstärkten Anschlussabschnitt (70) aufweist, um welchen andere Windungen dieser Spule mit Abstand herum geführt sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die innerste Windung (44) einer Spule (20) bis zu einem Längsende dieser Spule (20) geführt ist und dort einen verstärkten Anschlussabschnitt (74) aufweist, um welchen andere Windungen dieser Spule (20) mit Abstand herum geführt sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die innerste Windung (44) einer Spule (20) bis zu einem Längsende dieser Spule (20) geführt ist und dort einen verstärkten Anschlussabschnitt (74) aufweist, und die äußerste Windung (52) einer Spule sich bis zu einem Endbereich dieser Spule (20) erstreckt und an demselben Längsende dieser Spule (20) einen verstärkten Anschlussabschnitt (70) aufweist, und andere Windungen (46, 48, 50) dieser Spule durch den Zwischenraum zwischen diesen verstärkten Anschlussabschnitten (70, 74) durchgeführt sind.