DE102010054847A1

DE102010054847A1 - Bürstenloser Elektromotor oder Generator in Schalenbauweise

Info

Publication number: DE102010054847A1
Application number: DE102010054847A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-05-16
Also published as: DE202010015364U1; US8710779B2; US20120126731A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor (22), der zumindest zwei koaxial zueinander angeordnete Statoren (2-1, 2-2) und einen Rotor (14) aufweist, wobei jeder Stator (14) 2·n Pole (8a, b) aufweist, mit n = 1, 2, 3, ..., wobei jeder Stator zumindest eine gemeinsame Spule oder Wicklung für alle Pole (8) aufweist, wobei jeder Stator (14) eine erste und eine zweite Teilschale (4) aufweist, wobei jede Teilschale (4) einen Schalenboden (6) und n Pole (8) aufweist, wobei jeder Pol (8) als in axiale Richtung oder im Wesentlichen in axiale Richtung verlaufender und am Schalenboden (6) ansetzender Zahn ausgebildet ist, wobei bei zusammengesetzten Teilschalen (4) eines Stators (2) in Umfangsrichtung der Zahn (n = 1) oder die Zähne (n > 1) der ersten Teilschale (4a) alternierend angeordnet sind zu dem Zahn (n = 1) oder den Zähnen (n > 1) der zweiten Teilschale (4b), und wobei bei zusammengesetzten Teilschalen (4) eines Stators die zumindest eine Spule (20) oder Wicklung zwischen den Teilschalen aufgenommen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen aus mindestens zwei Statormodulen aufgebauten, bürstenlosen Elektromotor oder Generator mit je einer Wicklung pro Statormodul zur Magnetisierung von zumindest zwei Zähnen des Statormoduls.
Aus der EP 1 289 097 A2 ist ein Elektromotor bekannt, bei dem axial zentriert und in axiale Richtung versetzt zueinander Ringspulen vorgesehen sind, die abwechselnd umgreifende Anker magnetisieren.
Aus der EP 1 708 338 A1 ist ein Elektromotor bekannt, bei dem Statormodule in Gleichbauweise axial versetzt hintereinander angeordnet sind, wobei die radial ausgerichteten Statorzähne eines jeden Moduls mit einer Wicklung versehen sind. Die Wicklungszähne der Statoren sind zueinander winkelversetzt angeordnet und jede Wicklung eines Moduls wird durch eine Brückenumrichterschaltung separat angesteuert. Durch die phasenversetzte, vorzugsweise rechteck-impulsförmige Ansteuerung der Spulen lässt sich das Drehmoment aufbauen und der Motor entwickelt bei kompakter Bauweise ein hohes Drehmoment. Beim als Innen- oder Außenläufer ausgebildeten Motor sind am Umfang des Rotors Permanentmagnete mit in Umfangsrichtung alternierender Polarität vorgesehen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor vorzusehen, der vorzugsweise auch als Generator arbeitet, bei dem bauartbedingt eine kostengünstige Herstellung erreicht wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß Anspruch 1 wird ein bürstenloser Elektromotor in Modulbauweise mit zumindest zwei koaxial zueinander angeordneten Statoren (die auch als Statormodule bezeichnet werden können) vorgesehen, wobei jeder Stator in Teilschalenbauweise ausgebildet ist. Dabei ist jeder Stator aus einer ersten und einer zweiten Teilschale zusammengesetzt, wobei vorzugsweise die erste und zweite Teilschale identisch zueinander aufgebaut sind. Vorzugsweise sind die Teilschalen jeweils als einteilige Einheit aufgebaut, beispielsweise in einem Stück aus einem einzigen Materialteil ausgebildet. Vorzugsweise ist jede Teilschale aus einem geschichteten System von untereinander möglichst isolierten Blechen ausgebildet, um Wirbelströme zu unterdrücken oder zu reduzieren. Jeder Stator hat zwei Pole oder ein Vielfaches von zwei Polen, wobei die bevorzugte Grundform eines Stators genau zwei Pole aufweist. Jede Teilschale trägt die Hälfte der Anzahl der Pole eines Stators und nach dem Zusammensetzen der beiden Teilschalen eines jeden Stators überlappen die Polzähne der beiden Teilschalen in axialer Richtung zumindest teilweise, wobei in Umfangsrichtung der oder die Zähne der ersten Teilschale alternieren mit dem oder den Zähnen der zweiten Teilschale. Zumindest die magnetisch zum Antreiben des Motors wirksamen Abschnitte der Polzähne verlaufen in axiale Richtung oder im Wesentlichen in axiale Richtung. Axiale Richtung bedeutet hier die Richtung der Drehachse nach dem Zusammensetzen der zumindest zwei Statoren zum Betrieb des Elektromotors. Jeder Stator hat zumindest eine gemeinsame Spule oder Wicklung für alle Pole, wobei nicht die Pole bzw. Polzähne an sich umwickelt sind, sondern die zumindest eine gemeinsame Spule oder Wicklung, die bei zusammengesetzten Teilschalen eines Stators zwischen diesen aufgenommen ist.
Dadurch, dass für alle Pole eines jeden Stators zumindest eine gemeinsame Spule oder Wicklung vorgesehen ist, die bei zusammengesetzten Teilschalen zwischen den Teilschalen aufgenommen ist, und dass das Zusammensetzen der Teilschalen mit der zumindest einen dazwischen liegenden Spule oder Wicklung die ”Bewicklung” aller Polzähne repräsentiert, ist ein auf einfache mechanische Weise zusammengesetzter Elektromotor vorgesehen, so dass sich dessen Herstellungskosten im Vergleich zur Einzelbewicklung von Zähnen reduzieren. Eine weitere Kostenreduktion ergibt sich, wenn vorzugsweise die Statoren gleich gebaut, also Gleichteile, sind.
Das ”Bewickeln” eines Stators kann beispielsweise so gestaltet sein, dass zumindest eine gemeinsame Spule oder Wicklung (vorzugsweise genau eine Spule oder Wicklung) als zunächst vormontiert vorliegendes, separates Bauteil zwischen die beiden zusammenzusetzenden Teilschalen eingesetzt wird. Oder es wird nur eine der beiden Teilschalen oder beide Teilschalen mit je einer Spule vorbewickelt und das Fertigstellen eines Stators erfolgt durch das Zusammensetzten der einen bewickelten Teilschale mit einer unbewickelten Teilschale oder durch das Zusammensetzen der beiden vorbewickelten Teilschalen.
Jede der Teilschalen weist einen Schalenboden auf, der bei zusammengesetztem Motor einen stirnseitigen Abschluss eines jeden Stators ausbildet. Das heißt, bei zusammengesetzten Teilschalen eines Stators bildet die erste Teilschale einen axialen Abschluss des Stators und die zweite Teilschale einen gegenüberliegenden axialen Abschluss des Stators aus. Axial dazwischen liegend ist die zumindest eine Spule oder Wicklung angeordnet. Vorzugsweise sind die Polzähne am Schalenboden angesetzt und verlaufen vom Schalenboden in axiale Richtung zur jeweils gegenüberliegenden Teilschale. Das heißt bei zusammengesetzten Teilschalen und bei seitlicher Draufsicht auf die Statoren verläuft vom Schalenboden der ersten Teilschale der oder die Statorzähne von links in axialer Richtung nach rechts. Und bei der zweiten Teilschale verlaufen der oder die Polzähne vom rechts angeordneten Schalenboden nach links in Richtung des Schalenbodens der ersten Teilschale.
Wenn im Folgenden auf ”die Spule” Bezug genommen wird, so ist darunter die zumindest eine gemeinsame Spule oder Wicklung umfasst, falls nicht anders angegeben. Vorzugsweise ist jedoch genau eine gemeinsame Spule je Stator vorgesehen.
Wird bei zusammengesetzten Teilschalen die Spule erregt, so verläuft der magnetische Fluss innerhalb der Teilschalen um die zwischen den Teilschalen aufgenommene Spule herum. Da die Pol- bzw. Statorzähne der ersten Teilschale die Spule ”links” herum umgreifen, während die Statorzähne der zweiten Teilschale die Spule ”rechts” herum umgreifen, bildet der Statorzahn oder die Statorzähne der ersten Teilschale die Magnetisierungsenden (Süd- oder Nordpol), die entgegensetzt magnetisiert sind zu dem Statorzahn oder den Statorzähnen der zweiten Teilschale, die das gegenüberliegende magnetische Ende (Nord- oder Südpol) darstellen.
Vorzugsweise ist bei Erregung der zumindest einen Spule oder Wicklung eines Stators in Umfangsrichtung die Magnetisierung der Pole alternierend polarisiert, wobei insbesondere der magnetische Fluss zwischen den Zähnen des Stators und den Polen des Rotors bei entgegengerichteter Polarität (Südpol/Nordpol; Nordpol/Südpol) radial oder im Wesentlichen radial ausgerichtet ist.
In Ausgestaltung weist jeder Stator genau 2 Pole auf und/oder jeder Stator weist genau eine Spule oder Wicklung für alle Statorpole auf und/oder der Rotor weist für jeden der Statoren oder für alle Statoren zusammen die gleiche Anzahl Pole bzw. Magnete auf wie jeder der Statoren.
Vorzugsweise ist für alle Statoren ein gemeinsamer Rotor vorgesehen. In Ausgestaltung hiervon erstrecken sich die Pole bzw. Magnete des Rotors über die gesamte Länge aller Statoren und/oder die Rotor- bzw. Magnetpole erstrecken sich ohne Winkelversatz über die gesamte Länge aller Statoren. Alternativ hierzu erstrecken sich die Pole bzw. Magnete des Rotors jeweils nur über die axiale Länge bzw. magnetisch aktive Länge der einzelnen Statoren. Vorzugsweise ohne Winkelversatz über die gesamte Länge aller Statoren.
Bei einem Außenläufer sind die zumindest zwei Statoren innerhalb des Rotors angeordnet und von den (vorzugsweise permanent-)magnetischen Elementen des Rotors umgeben, so dass ausgehend von den Polzähnen der magnetische Fluss radial in Richtung der Permanentmagnete ausgerichtet ist. Die radiale Flussrichtung der Polzähne der ersten Teilschale ist umgekehrt zur Flussrichtung der Polzähne der zweiten Teilschale. Da die Polzähne der Teilschalen alternierend angeordnet sind, ist somit die Flussrichtung bzw. Polarität der Polzähne ebenfalls in Umfangsrichtung alternierend.
In Ausgestaltung des Außenläufers bilden bei zusammengesetzten Teilschalen eines jeden Stators der Innenkranz oder die Innenteilkränze eine geschlossene Zylinderfläche zwischen den Schalenböden eines jeden Stators aus. Alternativ oder zusätzlich ist die zumindest eine gemeinsame Spule oder Wicklung in dem Volumen angeordnet, das begrenzt ist durch die beiden Schalenböden, den Innenkranz oder den Innenkränzen und den außen liegenden Kranz Volumen.
Bei einem Innenläufer ist der Rotor mit den (vorzugsweise permanent-)magnetischen Elementen innerhalb der Statoren angeordnet und der Fluss von den Polzähnen der Statoren verläuft radial, ebenfalls im Umfangsrichtung mit alternierender Flussrichtung, je nachdem, ob die Polzähne diejenigen der ersten oder der zweiten Teilschale sind. Vorzugsweise sind die Pole von zwei Statoren in Bezug auf die gemeinsame Achse zueinander um den Winkel 360°/(4·n) versetzt. Beispielsweise sind bei je zwei Polen je Stator und zwei Statoren die Polpaare des einen Stators um 90° zum Polpaar des anderen Stators versetzt. Durch den Winkelversatz der Pole der zumindest zwei Statoren wird erreicht, dass bei Stillstand des Motors in jedem Fall ein Drehmoment zum Anlaufen lassen des Motors entstehen kann und zum anderen werden beim Betrieb des Motors durch die zeitversetzte Ansteuerung der getrennten Spulen der beiden Statoren eine gleichmäßige Verteilung der Drehmomente über die Umfangsrichtung während eines Umlaufs des Rotors erreicht. Ebenso werden die Rastmomente reduziert.
In Ausgestaltung des Innenläufers bilden bei zusammengesetzten Teilschalen eines jeden Stators der Außenkranz oder die Außenteilkränze eine geschlossene Zylinderfläche zwischen den Schalenböden eines jeden Stators aus. Alternativ oder zusätzlich ist die zumindest eine gemeinsame Spule oder Wicklung in dem durch Volumen angeordnet, das begrenzt ist durch die beiden Schalenböden, den Außenkranz oder den Außenkränzen und den innen liegenden Zahnkranz.
Vorzugsweise sind bei zusammengesetzten Teilschalen die Zähne der Teilschalen in Umfangsrichtung interdigital so angeordnet oder greifen abwechselnd so ineinander, dass zwar im Umfangsrichtung dichte Zahnreihen entstehen, jedoch zwischen den alternierenden Polzähnen der beiden Teilschalen ein Abstand bzw. Spalt vorhanden ist. Der Abstand ist so, dass einerseits in Umfangsrichtung zwischen den alternierenden Polzähnen keine ”Berührung” stattfindet und andererseits zwischen dem Schalenboden der einen Teilschale eines Stators ein Abstand zur axialen Stirnseite des oder der Polzähne der anderen Teilschale eines Stators vorhanden ist. Der ”Abstand” zwischen den Polzähnen kann dabei durch einen Luftspalt gebildet sein oder ein Material ausgefüllt sein, das einen magnetischen Kurzschluss zwischen den Zähnen der Teilschalen verhindert.
Vorzugsweise ist für den bürstenlosen Elektromotor ein Rotor für alle Statoren vorgesehen, dass heißt, ein mechanischer einheitlich ausgestalteter Rotor, der sich axial über alle Statoren erstreckt. Alternativ kann der Rotor aus mechanisch miteinander gekoppelten und für jeden Stator separat vorgesehenen Rotormodulen ausgebildet sein. Jedes Rotormodul weist je Stator oder der vorzugsweise gemeinsame Rotor weist für alle Statoren zusammen die gleiche Anzahl von Polen auf wie die Anzahl der Polzähne eines einzelnen Stators. Beim zusammengesetzten, einheitlichen Rotor kann je Stator separat ein Rotorpolsatz (ein Magnetelementesatz) vorgesehen sein, der sich über die axiale Tiefe des jeweiligen Stators erstreckt. Oder es kann bei dem gemeinsamen einheitlichen Rotor ein Satz von Rotorpolen vorgesehen sein, wobei sich die Rotorpole über die gesamte axiale Tiefe aller Statoren erstreckt. In Umfangsrichtung sind die Rotorpole mit alternierender radialer Polarität angeordnet. Das heißt, entsprechend der alternierenden Polarität der Polzähne der Statoren ist auch die radiale Ausrichtung der Pole des Rotors in Umfangsrichtung alternierend. Vorzugsweise sind die Rotorpole aus magnetischen Elementen, vorzugsweise aus Permanentmagneten ausgebildet.
Bei einer Ausgestaltung des Motors als Außenläufer sind die Zähne eines jeden Stators als außenliegender Zahnkranz ausgebildet. Vorzugsweise sind hierbei die von links und rechts alternierend von der ersten und zweiten Teilschale verlaufenden Zähne an der Außenseite der Schalenböden der Teilschalen angesetzt. Vorzugsweise bilden die Schalenböden der Teilschalen einen Boden mit geschlossener Fläche aus oder die Schalenböden sind Ringflächen mit geschlossener Ringfläche, wobei beispielsweise in das zentrale Loch des Ringbodens eine Achse oder Welle einsetzbar ist. Der flächenmäßig geschlossene Schalenboden oder Ringschalenboden verbessert die Effizienz der Ableitung des magnetischen Flusses von der Umgebung um die Spule herum in Richtung Polzahn oder Polzähne. Vorzugsweise erfolgt der Rückschluss des Magnetfeldes im Rotor bzw. bei jedem der Rotoren im Rotor bzw. in den Rotoren selbst. Beim Außenläufer z. B. über die Rotorhülse und beim Innenläufer durch die Rotorachse bzw. den Rotorzylinder.
In Ausgestaltung des Außenläufers haben beide Teilschalen oder zumindest eine der Teilschalen einen Innenkranz oder Innenteilkranz, der oder die im zusammengesetzten Zustand der Teilschalen den magnetischen Fluss von der Innenseite der Spule zur Außenseite Richtung Polzähne leitet. Vorzugsweise ist bei zusammengesetzten Teilschalen eines Stators ein geschlossener Innenkranz zwischen den beiden Teilschalen ausgebildet, wobei der geschlossene Innenkranz aus Teilkränzen der beiden Teilschalen oder aus einem Innenkranz einer der Teilschalen ausgebildet ist. Alternativ ist der Innenkranz eine zwischen die beiden Teilschalen eingesetzte Hülse, die zwischen den Teilschalen verläuft. Bei geschlossener Innenfläche aufgrund des Innenkranzes wird ebenfalls die Effizienz der Ausrichtung des magnetischen Flusses in Richtung Polzähne erhöht. Vorzugsweise bilden der Innenkranz oder die Innenteilkränze der Teilschalen ein Achsenjoch aus.
Vorzugsweise ist die Spule als Ringspule oder Torus ausgebildet, die oder der bei dem Außenläufer in einem Volumen aufgenommen ist. Die Spule ist an der vorzugsweise zylindermantelförmigen Außenfläche durch die alternierenden Zahnpole aufgenommen, an den Stirnseiten durch je einen der Schalenböden der Teilschalen und an der Innenseite durch den Innenkranz oder die Innenteilkränze. Vorzugsweise ist der Innenkranz oder sind die Innenteilkränze und/oder die Schalenböden (Scheibenfläche oder Ringscheibenfläche) als geschlossene Flächen ausgebildet.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist der Elektromotor als Innenläufer ausgebildet, wobei der Rotor axial innenliegend angeordnet ist und von den zumindest zwei axial versetzten Statoren umgeben wird. Beim Innenläufer bilden die alternierend angeordneten Zähne der Teilschalen eines jeden Stators einen innenliegenden Zahnkranz. Vorzugsweise sind die Zähne am Innenrand der Schalenböden angesetzt. In Ausgestaltung ist an der Außenseite der Schalenböden zumindest einer der Teilschalen ein Außenkranz angesetzt, vorzugsweise ist aber an beiden Teilschalen eines Stators jeweils ein Außenteilkranz angesetzt. Vorzugsweise bilden der Außenkranz oder die Außenteilkränze eine geschlossene zylindermantelförmige Fläche aus. Vorzugsweise sind ebenfalls die beiden ringflächenförmigen Schalenböden der beiden Teilschalen eines jeden Stators flächig geschlossen. Vorzugsweise bildet der Außenkranz oder bilden die Außenteilkränze zusammen ein Außenjoch aus.
Bei zusammengesetzten Teilschalen eines Innenläufer-Stators ist die Spule im Volumen aufgenommen, die außenseitig durch den Teilkranz oder die Außenteilkränze gebildet wird, stirnseitig an den axialen Enden durch die Schalenböden und an der Innenseite durch den Zahnkranz der alternierend angeordneten Polzähne der Teilschalen.
Vorzugsweise ist (beispielsweise beim Außenläufer oder beim Innenläufer) die Spule (”die zumindest eine gemeinsame Spule oder Wicklung”) eine Ringspule, die axial zentriert zur Drehachse des Elektromotors ausgerichtet ist.
Eine, mehrere oder alle Teilschalen eines Elektromotors sind vorzugsweise monolithisch aus einem Element ausgebildet. Beispielsweise aus einem geschmiedeten oder gegossenen Volleisen(-kern). Weiterhin kann die oder können die Teilschalen (beispielsweise als Kern) aus einem Ferrit, einem Eisenpulver oder aus einem ähnlichen gesinterten, verklebten und/oder Verpressten magnetisch leitenden Material ausgebildet sein. Alternativ sind die eine, mehrere oder alle Teilschalen eines Elektromotors aus einem Stapel von zumindest zwei aufeinander gestapelten und vorzugsweise untereinander elektrisch isolierten Teilschalen wie unten beschrieben. Vorzugsweise ist oder sind eine, mehrere oder alle Teilschalen eines Elektromotors aus einem geschmiedeten oder gegossenen Volleisen ausgebildet, insbesondere als geschmiedeter oder gegossener Vollkern ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist oder sind eine, mehrere oder jede Teilschale des Elektromotors aus einem Ferrit, einem Eisenpulver oder aus einem ähnlichen gesinterten, verklebten und/oder verpressten magnetisch leitenden Material ausgebildet.
Bei den obigen Ausgestaltungen lassen sich die einzelnen Merkmale, Merkmalkombinationen oder ganze Unterbaugruppen bei einem der anderen Ausgestaltungen ohne weiteres integrieren oder austauschen. Diese möglichen Kombinationen sind im Offenbarungsgehalt mit inbegriffen.
Gemäß einem Verfahren zur Herstellung einer Teilschale eines Elektromotors wie oben oder im Folgenden beschrieben wird
ein Stapel von untereinander isolierten Blechen mittels Umformen oder Schmieden in einem Umform- oder Schmiedeschritt in die Form einer Teilschale umgeformt, oder
eine Anzahl von Blechen wird mittels Umformen oder Schmieden in Teilschalelemente umgeformt, die zur Ausbildung der Teilschale ineinander gesteckt werden, wobei die elektrische Isolierung zwischen den Teilschalelementen vor oder nach dem Umformen vorgesehen wird.
Vorteilhaft werden nach dem Umformen des Stapels von Blechen oder nach dem Ineinanderstecken der Teilschalelemente die Konturen der Teilschale geschlichtet oder zur endgültigen Teilschalenform bearbeitet.
Anhand von Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 verschiedene Ansichten eines einzelnen Statormoduls ohne Spule für einen Außenläufer,
2 verschiedene Ansichten eines aus zwei in 1 dargestellten Statormodulen zusammengesetzten Elektromotors,
3 eine perspektivische, auseinandergezogene Ansicht des Elektromotors von 2 mit je einer Ringspule pro Statormodul,
4 eine seitliche Ansicht und zwei Schnittansichten des Motors von 2,
5 eine perspektivische und eine Seitenansicht der zwei Statormodule des Motors von 2 mit einem der Permanentmagnete des Rotors,
6 eine perspektivische Ansicht eines Elektromotors mit einer alternativen Konfiguration der Permanentmagnete,
7 eine perspektivische Ansicht der Statormodule mit den exemplarisch dargestellten Permanentmagneten des Motors von 6,
8 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung eines als Innenläufer ausgebildeten Elektromotors mit zwei Statormodulen, und einer Stirnseitenansicht,
9 eine seitliche Ansicht und zwei zugehörige Schnittansichten des als Innenläufer ausgebildeten Motors von 8,
10 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines als Innenläufer ausgebildeten Elektromotors mit einem aus zwei Rotorzylinder zusammengesetzten Rotor,
11 einen als Außenläufer ausgebildeten Elektromotor mit 8 Polen je Statormodul,
12 eine weitere Ausführungsform eines Elektromotors mit 8 Polen je Statur, bei dem die Permanentmagnete des Rotors sich über die axiale Tiefe der beiden Staturen erstrecken,
13 den Aufbau einer Teilschale eines Außenläufers aus dünnen Blechschalen,
14 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung einer weiteren Ausführungsform, bei der sich die Polzähne über die gesamte Tiefe eines Innenläufer-Statormoduls erstrecken,
15 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung eines Motors mit Innenrotor und zwei Statormodulen nach 14,
16 ein Motor wie in 15, jedoch mit einem durchgängigen Innenrotor,
17 ein Motor wie in 15, jedoch bei zusammengefügten Statormodulen,
18 ein Motor wie in 16 – hier mit eingezeichneten Ringspulen,
19 eine Teilschale für einen Außenläufer gemäß einer weiteren Ausführungsform,
20 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung eines Außenläufer-Statormoduls mit Teilschalen wie in 19,
21 ein Motor mit Statormodulen wie in 20 mit hinten dargestellten halbzylindermantelförmigen Permanentmagneten,
22 der Motor ähnlich wie in 21 mit Außenhülse des Rotors und über beide Statormodule durchgängige Permanentmagnete,
23 zwei zusammengesetzte Statoren wie aus 20 mit halbzylindermantelförmigem Permanentmagnet,
24 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung eines Außenläufer-Statormoduls mit Teilschalen mit je vier durchgängigen Polzähnen gemäß einer weiteren Ausführungsform,
25 ein Motor mit zwei zusammengefügten Modulen aus 24 und einem durchgängigen, teilzylindermantelförmigen Permanentmagneten,
26 ein Motor wie in 25 mit Außenhülse und acht am Innenumfang der Hülse angeordneten Permanentmagneten, die sich axial jeweils nur über das Statormodul erstrecken,
27 eine Außenläufer-Teilschale wie in 19, wobei die Teilschale aus sich radial erstreckenden Keilen zusammengesetzt ist,
28 eine axiale Innenansicht der Teilschale von 27,
29 verschiedene Ansichten eines Radialkeils aus dem Bereich des Statorzahns von 27,
30 verschiedene Ansichten eines Radialkeils aus dem Bereich der Gegen-Statorzahnaufnahme von 27,
31 eine Statorteilschale in weiterer Ausgestaltung der Teilschale von 13 – hier mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Gegenstatorzahns, und
32 die Statorteilschale von 31 nach Einebnung der Kanten.
1 zeigt verschiedene Ansichten eines für einen Außenläufer vorgesehenen Statormoduls 2. Bei A ist eine perspektivische Ansicht zu sehen, bei B eine Seitenansicht und bei C ein stirnseitige Ansicht in axiale Richtung. In diesen Darstellungen ist keine Ringspule 20 eingezeichnet – vgl. die in der perspektivischen Ansicht von 3 eingezeichneten Ringspulen 20. Ein Statormodul 2 ist aus einer ersten Teilschale 4a und einer zweiten Teilschale 4b zusammengesetzt. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Teilschalen 4a, 4b Gleichteile, also identisch aufgebaut. Bei anderen Ausführungsformen können die Teilschalen abweichend voneinander aufgebaut sein. Beispielsweise kann die Innenhülse 10 oder die Außenhülse 60 bei einer der Teilschalen kürzer oder gar nicht ausgebildet sein, während bei der anderen Teilschale die Innenhülse 10 oder Außenhülse 60 langer oder vollständig ausgebildet ist. Oder die Innenhülse oder Außenhülse kann als ursprünglich eigenständiges Modulbauteil zwischen die Schalenböden eingefügt sein.
Die Teilschalen 4a, 4b haben jeweils einen ringscheibenförmigen Schalenboden 6, von dem aus sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils ein Polzahn 8a, bzw. 8b in axiale Richtung erstreckt. Die axiale Richtung ist die Rotationssymmetrieachse des Schalenbodens 6 bzw. die Rotationsachse des zusammengesetzten Statormoduls 2 und des daraus gebildeten Motors (siehe unten). Da 1 ein Statormodul 2 für einen Außenläufer darstellt, bei dem sich der Rotor um den Außenumfang des Statormoduls dreht, sind die Polzähne 8 am Außenumfang der Teilschalen 4 bzw. des Statormoduls 2 angeordnet. Am Innenumfang der Teilschalen 4a, 4b ist jeweils eine Innenhülse 10 angeordnet, durch die ein Wellenloch 12 verläuft. Wie in 1b dargestellt, stoßen die axialen Stirnseiten der Innenhülsen 10 der Schalen 4a, 4b beim zusammengesetzten Statormodul flächig aufeinander und bilden im zusammengesetzten Zustand eine spaltfrei zwischen den beiden Schalenböden 6a, 6b verlaufende, durchgehende Innenhülse 10. In diesem zusammengesetzten Zustand verläuft ein Luftspalt zwischen den Polzähnen 8a, 8b sowie zwischen der axialen Stirnseite eines Polzahns 8a, 8b und dem gegenüberliegenden Schalenboden 6b, 6a der jeweils gegenüberliegenden Teilschale 4b, 4a. Somit ist bei zusammengesetzten Teilschalen 4a, 4b das Volumen zwischen den Teilschalen innenseitig durch die geschlossen durchlaufende Hülse 10 und stirnseitig durch die geschlossenen Ringscheiben der Schalenböden 6a, 6b geschlossen, während der Außenumfang im radialen Umlauf abwechselnd einmal ein Polzahn 8a von der einen Teilschale 4a und dann ein Polzahn 8b von der zweiten Teilschale 4b mit dazwischen liegendem Luftspalt begrenzt ist.
Wird in ein solches Statormodul eine in 3 gezeigte Spule 20 eingesetzt und durch die Ringspule ein Gleichstrom geleitet, so führt der magnetische Fluss um die Ringspule zu einem magnetischen Fluss in den Teilschalen, wobei bei statischem Strom die Polzähne 8a der einen Teilschale 4a immer Nordpole (Südpole je nach Stromrichtung) und die anderen Polzähne 8b der zweiten Teilschale 4b immer Südpole (Nordpole) ausbilden. Dies gilt unabhängig von der Anzahl der Polzähne. Beispielsweise sind die Polzähne 88a der Teilschale 84a eines in 11 dargestellten Statormoduls 82 immer Nordpole, während die in Umfangsrichtung alternierend angeordneten Polzähne 88b der zweiten Teilschale 84b immer Südpole ausbilden.
2 zeigt bei A eine perspektivische Ansicht eines aus zwei Statormodulen 2-1, 2-2 zusammengesetzten Motors 22. Die Statormodule 2-1 und 2-2 sind identisch zum Statormodul 2 der 1 und sind in axiale Richtung versetzt hintereinander angeordnet. In Umfangsrichtung sind die Statormodule 2-1, 2-2 so zu einander verdreht, dass der Versatz zwischen den Polzähnen 8 des ersten Stators 2-1 zu denen des zweiten Stators 2-2 genau die Hälfte des Winkels beträgt, der zwischen zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Polzähnen eines Statormoduls vorhanden ist. Bei dem in 2 dargestellten Elektromotor beträgt die Polzahl je Stator 2 genau zwei (Polzahl n = 2) und der Winkel zwischen den beiden Polzähnen 8a, 8b eines Stators 2-1 oder 2-2 ist genau 180°. Der Winkelversatz zwischen den Polzähnen des Statormoduls 2-1 zu den Polzähnen des zweiten Statormoduls 2-2 beträgt daher 90° (Winkelversatz zwischen den Polzähnen 8 zweier Statormodule 2 ist 360°:(4 × n), wobei 'n' die halbe Polzahl je Stator ist. Also bei den in 1 und 2 dargestellten Statormodulen ist n = 1). Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl der Polzähne 88 je Stator 82 acht, wobei n = 4 und 360°:(4 × 4) = 22,5° Winkelversatz zwischen den beiden Statormodulen).
Zur Ausbildung des Motors werden die in 2 dargestellten Statormodule 2-1 und 2-2 in den Außenrotor 14 eingeschoben. Im eingeschobenen Zustand umgibt die Rotorhülse 16 des Rotors 14 die beiden Statormodule 2-1 und 2-2. An der Innenseite der Rotorhülse 16 sind zwei sich in axiale Richtung erstreckende Permanentmagnete 18a, 18b angeordnet. Die Permanentmagnete 18a, 18b sind in Umfangsrichtung der Rotorhülse 16 mit alternierender Polarität angeordnet. Auch bei Erhöhung der Anzahl der Pole des Statormoduls wird die Anzahl der Pole bzw. die Anzahl der Permanentmagnete erhöht und diese wiederum mit alternierender Polarität angeordnet. Die Polarität ist dabei in radialer Richtung ausgerichtet, so dass zur Innenseite der Rotorhülse 16 ein Permanentmagnet 18 entweder einen Nordpol oder einen Südpol darstellt.
Die Rotorhülse dient neben der mechanischen Aufnahme der Magnete auch als Polschlussring und ist daher magnetisch leitend ausgeführt. Bei B zeigt die 2 eine Stirnseitenansicht in axiale Richtung des zusammengesetzten Elektromotors 22, wobei die Stirnseite des Schalenbodens 6a zu sehen ist. Die Teilschale 4a des vorderen Statormoduls 2-1 wird von der Rotorhülse 16 umgeben, an deren Seite die in Umfangsrichtung versetzt angeordneten Permanentmagneten 18a und 18b angeordnet sind. Zwischen den Innenflächen der Permanentmagnete 18 und den Außenseiten der Polzähne 8a, 8b ist ein geringer Luftspalt vorhanden. Der Rotor 14 des Außenläufers ist drehbar gelagert und die Drehung des Rotors 14 wird auf eine Antriebswelle (nicht dargestellt) übertragen.
3 zeigt eine perspektivische, auseinandergezogene Ansicht des Motors 22 von 2. In dieser Darstellung sind die Ringspulen 20 eingezeichnet, die koaxial zur Mittelachse der Statormodule 2 bzw. der Drehachse des Motors 22 ausgerichtet sind. Je eine der Ringspulen 20 ist zwischen den beiden Teilschalen 4a, 4b eines Statormoduls 2-1, 2-2 aufgenommen.
4 zeigt rechts eine Seitenansicht des Motors 22 senkrecht zur Drehachse und die Schnittebenen für die Darstellung A-A und B-B. Der Schnitt A-A geht durch das erste Statormodul 2-1, während der zweite Schnitt B-B durch das zweite Statormodul 2-2 verläuft. Wie aus den Schnittansichten zu erkennen ist, sind die Polzähne 8 des ersten Statormoduls 2-1 um 90° in Umfangsrichtung winkelversetzt zu den Polzähnen 8 des zweiten Statormoduls 2-2. Die Magnetflusslinien von der Außenseite der Polzähne 8 verlaufen im Wesentlichen radial nach außen (oder innen – je nach Polarität), während die Magnetflusslinien von den Permanentmagneten 18 im Wesentlichen radial nach innen (oder außen) verlaufen. Je nach Polarität der sich gegenüber liegenden Permanentmagnete 18 und Polzähne 8 sind die Magnetflussrichtungen der Polzähne 8 und der Permanentmagnete 18 gleichgerichtet (anziehende Kraft) oder stehen sich entgegen (Abstoßung), wobei im letzteren Fall die Magnetflusslinien im Spalt in Umfangsrichtung oder axial abgelenkt sind. Wie oben erwähnt wird rotorseitig der magnetische Schluss über das Rotormaterial bereitgestellt (Rotorhülse beim Außenläufer).
Aus den Ansichten der 5 ist der Verlauf eines der Permanentmagnete 18a über die gesamte axiale Tiefe der beiden axial hintereinander versetzten Statormodule 2-1, 2-2 ersichtlich. Gesamte axiale Tiefe bedeutet wie dargestellt die bzgl. der Polzähne magnetisch aktive Tiefe vom mittleren Bereich bis zu den axialen Enden des Motors 22.
6 zeigt eine Ausführungsform des Elektromotors 22 von 3 als Elektromotor 22'. Der Unterschied besteht darin, dass bei dem Ausführungsbeispiel von 6 am Innenumfang des Rotors 14' in der Rotorhülse 16 die Permanentmagneten 18a' und 18b' nicht in axiale Richtung durchgängig ausgebildet sind, sondern sich nur im Bereich der jeweiligen axialen Ausdehnung der Polzähne 8 des jeweiligen Statormoduls 2-1 oder 2-2 erstrecken.
7 veranschaulicht im Vergleich zu 5 in einer offenen Darstellung ohne Rotorhülse die Anordnung von zwei in axialer Richtung versetzt zueinander angeordneter Permanentmagnete 18a' (die Magnete 18b' sind der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt) anstelle des durchgängigen Permanentmagneten 18a, wobei dann für jeden der Statoren 2-1, 2-2 die gleiche Anzahl von Permanentmagneten 18 vorgesehen ist wie die Anzahl von Polzähnen 8 je Statormodul.
Es ist selbstverständlich, dass bei Ausgestaltungen der Elektromotoren 22', 50' bzw. 80 anstelle des Winkelversatzes zwischen den Polzähnen 8a der beiden Statormodule 2-1, 2-2 die dem jeweiligen Statormodul zugeordneten Permanentmagnete zueinander den Winkelversatz aufweisen, den ansonsten die winkelversetzten Statormodulzähne aufweisen. Also 360°:(4 × n), wobei n die halbe Anzahl von Polzähnen 8 je Statormodul 2 ist. Die Erfindung ist auch dadurch implementierbar, dass in einer Mischform der Winkelversatz der den Statormodulen zugeordneten Rotormagnete und der Winkelversatz der Polzähne der beiden Statormodule zusammengerechnet den Winkelversatz von 360°:(4 × n) ergeben.
8 zeigt eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung eines Elektromotors 50, der als Innenläufer ausgebildet ist. Axial versetzt hintereinander angeordnet sind die Statormodule 52-1 und 52-2, wobei jedes Statormodul 52 aus zwei Teilschalen 54a und 54b zusammengesetzt ist. Der Schalenboden 56 einer Teilschale 54 ist wiederum als Ringscheibe ausgebildet, wobei hier das Innenloch gegenüber dem Außenläufer größer ausgebildet ist, um den innen liegenden Rotor 64 aufzunehmen. Die in axiale Richtung verlaufenden Polzähne 58 sind am Innenumfang des Schalenbodens 56 angeordnet. An der Außenseite des Schalenbodens 56 ist eine Außenhülse 60 angesetzt, wobei bei zusammengesetzten Teilschalen 54a, 54b je Statormodul 52 eine durchgängige Außenhülse gebildet ist. Wie beim Außenläufer sind vorteilhaft die Außenhülsen 60a, 60b der beiden Teilschalen 54a, 54b gleich hoch, so dass die Teilschalen 54 als Gleichteile ausgebildet sein können. In Abwandlung können die Außenhülsen 60 unterschiedliche Höhen aufweisen oder sogar nur eine der Teilschalen 54 mit einer bis zum Schalenboden der gegenüberliegenden Teilschale verlaufenden Außenhülse versehen sein.
Der Rotor 64 ist ein an einer Welle 62 gelagert. Ein Rotorzylinder 66 des Rotors 64 erstreckt sich über die axiale Tiefe aller Statormodule 52-1, 52-2, was bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Statormodule sind. In Ausgestaltung können statt zwei auch drei oder mehr Statormodule in axialer Richtung versetzt vorgesehen sein, wobei sich dann der Rotorzylinder 66 über die axiale Tiefe aller Statormodule 52 erstreckt. Der Rotorzylinder 66 kann als Axialmagnet ausgebildet sein, der die beiden Magnetpole außen aufweist. Oder er kann als Zylinder oder Hohlwelle ausgebildet die Magnete am Umfang aufnehmen und schließt den magnetischen Fluss zwischen den nach Innen gerichteten Polen aufgrund der magnetischen Leitfähigkeit kurz.
Am Außenumfang des Rotorzylinders 66 sind zwei axial verlaufende Permanentmagnete 68a, 68b mit im Wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtetem Magnetfeld angeordnet, wobei der eine Permanentmagnet 68a beispielsweise ein Südpol nach außen bildet, während der andere Permanentmagnet 68b ein Nordpol zur Außenseite hin ausbildet. Sind mehr als zwei Pole am Stator ausgebildet, so sind auch mehr als zwei Permanentmagnete 68 am Rotorzylinderumfang vorgesehen, wobei vorzugsweise die Anzahl der Polzähne eines Statormoduls identisch ist mit der Anzahl der Permanentmagnete 68. Die Anzahl von Permanentmagneten und Polzähnen je Statormodul ist ein Vielfaches von Zwei, so dass in Umfangsrichtung immer eine alternierende Ausrichtung von Polaritäten der Permanentmagnete 68 bzw. der Polzähne 58 und der Magnetisierung erreicht wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wie auch bei den anderen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Permanentmagnete am Außenumfang (Innenläufer) bzw. Innenumfang (Außenläufer) derart angeordnet, dass zwischen den Magneten nur ein geringer Spalt vorhanden ist, also der Abdeckungsgrad am Umfang des Rotors mit Permanentmagneten nahe 100% liegt, beispielsweise bei 90% oder 95%.
Wie beim Außenläufer ist auch beim Innenläufer zwischen den Teilschalen 54 eines jeden Statormoduls 52 eine Ringspule 70 aufgenommen. Es gilt hier das Gleiche wie beim Außenläufer bezüglich der Umschließung der Ringspule 70 (auch in entsprechenden Ausgestaltungen), mit dem Unterschied, dass die Polzähne 58 hier am Innenumfang liegen anstatt am Außenumfang wie die Polzähne 8 des Außenläufers.
9 zeigt eine Seitenansicht des Motors 50 senkrecht zur Drehachse, wobei die beiden Querschnittsdarstellungen die entsprechende Schnittfläche A-A und B-B repräsentieren. Wie im Vergleich der beiden Schnittebenen zu erkennen, sind auch hier die Polzähne 58 der beiden Statormodule 52-1, 52-2 um 90° zueinander winkelversetzt. Dagegen verlaufen bei diesem Ausführungsbeispiel die Permanentmagnete 68 über die gesamte axiale Tiefe der beiden Statormodule 52 ohne Winkelversatz.
10 zeigt eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines als Innenläufer ausgebildeten Motors 50' mit zwei Statormodulen 52-1 und 52-2. Die Statormodule sind gleich aufgebaut wie bei dem in 8 dargestellten Beispiel. Der Unterschied ist hier, dass auf der Welle 62 zwei voneinander getrennte Rotorzylinder 66' vorgesehen sind, die an ihrer Außenseite jeweils zwei Permanentmagnete 68a und 68b tragen. Der Unterschied zur 8 besteht also darin, dass sich die Rotorzylinder und Permanentmagnete 68 nicht über die gesamte axiale Tiefe der beiden Statormodule 52-1 und 52-2 erstrecken, sondern nur jeweils über die axiale Tiefe des jeweiligen Statormoduls. Wie oben bereits erwähnt, kann anstelle des Winkelversatzes zwischen den Statormodulen 52-1, 52-2 bei getrennten Rotorzylindern 66 bzw. genau genommen getrennten Permanentmagneten 68 der Winkelversatz statt zwischen den Polzähnen zweier Statormodule 52 zwischen den Permanentmagneten 68 der beiden Rotorzylinder vorliegen. Als weitere Alternative kann sich der Winkelversatz von 360°:(4 × n) aus der Addition des Winkelversatzes zwischen den Permanentmagneten zweier Rotorzylinder und der beiden Statormodule 52 zusammensetzen.
11 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Elektromotors 80, der als Außenläufer ausgebildet ist und bei dem jedes Statormodul 82-1, 82-2 anstelle von zwei Polzähnen (vergleiche z. B. 1) insgesamt 8 Polzähne 88 aufweist. Jede Teilschale 84a, 84b hat am Schalenboden 86a, 86b am Außenumfang ansetzend in axiale Richtung verlaufend vier Polzähne 88a, bzw. 88b. Die am Innenumfang des Schalenbodens 86 ansetzende Innenhülse 90 ist hier wiederum bei jeder Teilschale 84a, 84b über die Hälfte des Abstandes zwischen den Schalenböden 86a, 86b laufend ausgebildet. Die in Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Außenläufer bestehenden Ausgestaltungen der Innenhülse 90 sind hier ebenfalls anwendbar. Die Statormodule 82-1, 82-2 sind an einer starren Welle (nicht dargestellt) gelagert, die in das Wellenloch 92 eingesteckt ist. Entsprechend der Anzahl von Polzähnen 88 je Statormodul 82 sind an der Innenseite eines Rotorzylinders 96 des Rotors 94 eine entsprechende Anzahl von Permanentmagneten 98 vorgesehen (in diesem Beispiel Acht Stuck mit in Umfangsrichtung von Permanentmagnet zu Permanentmagnet alternierender Polarität, wobei die Polarität in radiale Richtung verläuft). Beim Ausführungsbeispiel der 11 sind für jedes Statormoduls 82-1, 82-2 jeweils acht Permanentmagnete 98 vorgesehen, die zwar in axiale Richtung versetzt zu einander angeordnet sind, jedoch radial ohne Winkelversatz zueinander ausgerichtet sind.
Bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Statormodule 82-1 und 82-2 identisch ausgestaltet (und jeweils ohne Ringspule dargestellt), jedoch sind am Innenumfang des Rotorzylinders 96' die Permanentmagnete 98 über die axiale Tiefe der beiden Statormodule 82 durchgängig ausgebildet.
13 zeigt eine Ausführungsform einer Teilschale 4, die bei den obigen Ausgestaltungen der Teilschalen 4, 54, 84 einsetzbar ist und bei der die Teilschale aus dünnen Blechen zusammengesetzt ist. In 13 ist die Teilschale eines Außenläufers dargestellt, die Bauweise und Fertigung ist aber ohne weiteres auch auf Aufbau und Fertigung einer Teilschale (z. B. 54) eines Innenläufers übertragbar.
13A und 13B veranschaulichen, wie eine Teilschale 4 durch das Aufeinanderstapeln dünner, vorgeformter Teilschalenlagen 4-1 bis 4-n zusammengesetzt wird. Bei der Darstellung sind die Teillagen 4-2 bis 4-n bereits aufeinander gestapelt und auf diesen Stapel wird die letzte Teillage 4-1 aufgesetzt, wie durch den Pfeil angedeutet. Die 13C und 13D zeigen die Schnittebenen A-A und B-B der 13B. Wie aus 13A und 13B zu erkennen ist, ergibt sich durch das Stapeln ein stufenweiser Versatz der axialen Stirnkanten des Polzahns 8, der Innenhülse 10 und beim Umfang des Schalenbodens 6 (vgl. 1). Durch Nachbearbeitung wird der Stufenversatz beseitigt, so dass die in 13E geschlichtete Teilschale 4 zur weiteren Verwendung bei den obigen Ausführungsformen entsteht. Die Nachbearbeitung kann durch Scheren, Sägen, Drehen, Wasserstrahlschneiden oder Laserschneiden erfolgen.
Die aufeinander zu setzenden Teillagen 4-1 bis 4-n werden durch Umformen oder Schmieden aus dünnen Blechen erzeugt. Die Bleche werden vor oder nach dem Umformen oder Schmieden einseitig oder beidseitig mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet, um bei Magnetfeldänderungen Wirbelströme in den Teilschalen 4, 54 oder 84) zu unterdrücken oder weitgehend zu unterdrücken. Das isolierende Material kann eine Lackbeschichtung, eine Oxidbeschichtung (z. B. Al₂O₃), eine Diamantartige Schicht (DLC) oder dergleichen sein. Die 'Beschichtung' kann auch durch Materialumwandlung des Blechmaterials erfolgen (z. B. Dotierung, Nitrierung, Silizierung oder Oxidation). Dabei kann auch die eine Seite des Blechs oder einer Teillage mit einem isolierenden Material beschichtet sein, das sich vom Material der anderen Seite unterscheidet.
Alternativ wird eine Teilschale 4 aus gestapelten Blechen dadurch gebildet, dass ein zunächst ebener Blechstapel mit den oben beschriebenen Isolierbeschichtungen in einem Umformprozess umgeformt wird, so dass die Teillagen 4-1 bis 4-n nicht einzeln zusammengesetzt werden müssen.
Bei den oben dargestellten Ausführungsbeispielen können die fertigen Teil- bzw. Halbschalen der Statormodule miteinander verklebt, verlötet oder verschweißt sein. Zwischen je zwei aneinandergrenzenden Statormodulen ist ein Luftspalt vorhanden, wobei dann die Statormodule auf einer gemeinsamen Welle oder Starrachse beabstandet voneinander gelagert sind (Außenläufer). Oder die Statormodule sind mittels einer Halterung voneinander beabstandet gehalten (Innenläufer). Bei beabstandeten Statormodulen kann der Spalt zwischen den Statormodulen auch mit einem diamagnetischen Material oder magnetisch nicht aktiven Material aufgefüllt sein.
Die oben beschriebenen Statormodule sind in Form eines Klauenstators aufgebaut. Jede der Klauenhalbschalen ist mit Statorzähnen und Statorausbuchtungen versehen, die beim gegenseitigen Zusammenfügen der Hälften ineinandergreifen. Die Statorzähne sind durch einen Zwischenraum (Luftspalt) magnetisch weitestgehend voneinander getrennt. Der durch den elektrischen Strom in der Spule generierte Magnetfluss wird, im Falle eines Außenläufers, axial über die Spulenaufnahme (Achsenjoch) geführt, dann über die Basisplatte bzw. den Schalenboden der Klauenhalbschalen und über die Zähne zu den Magneten des Rotors geleitet. Die Zähne der Klauenhalbschalen stellen hierbei die Statorpole dar. Je nach Stromfluss durch die Spule generiert der Magnetfluss in den Zähnen der einen Klauenhalbschale die magnetischen Pole (z. B. Südpole), in den Zähnen der anderen Klauenhalbschale die magnetischen Gegenpole (z. B. Nordpole). Bei Änderung der Stromrichtung ändern sich auch die magnetischen Pole der Statorzähne. Die magnetische Rückführung, zur Schließung des Magnetkreises, übernimmt beim Innerläuferstator der Klauenrand, beim Außenläuferstator das Achsenjoch. Diese Trägerelemente der Klauenhalbschalen liegen gegenseitig und ohne Luftspalt direkt aufeinander und können hier z. B. verklebt oder anderweitig mechanisch verbunden werden.
Der Innenraum der so ineinander verzahnten Klauenankerhalbschalen nimmt die axial bewickelte Statorwicklung oder -spule auf. Die Wicklung dieser ist als Einfachwicklung also als Spule ausgebildet und kann sowohl mit gelacktem Draht als auch mit Flachband gewickelt sein.
Auch in dieser Bauform sind, wie in der Patentschrift Elektrische Maschine EP 1 708 338 A1 beschrieben, zwei dieser in neuer Bauform ausgeführten Statoren im Winkel Statorpolzahl/2 versetzt positioniert, um eine kontrollierte Drehung des Rotors zu ermöglichen. In dieser Klauen-Bauform der Statoren ist es möglich, die Statorzahnzahl eines jeden Stators auf die Anzahl von Zwei zu reduzieren. Dabei trägt jede Klauenhalbschale nur noch einen einzigen Statorzahn. Zwei dieser Klauenankerhalbschalen sind beim Zusammenfügen entsprechend, z. B. im Falle von zwei Statorzähnen pro Stator, im 90 Grad Winkel axial versetzt (Winkel Statorzahl/2).
Vorteile der oben dargestellten Konstruktion aller Ausführungsbeispiele sind zum Ersten die 100% Kupfernutzung der Statorwicklung bei einfachster Wickeltechnik. Zum Zweiten führt eine geringe Anzahl von Statorzähnen durch die niedrigere Erregerstromfrequenz zu geringeren Umschalt- und Wirbelstromverlusten. Zum Dritten werden die Magnetfelder der zwei hintereinander im Zahnwinkel/2 versetzten Statoren ohne größere Streufelder zu den einzelnen Wicklungen geleitet. Die Streufelder zwischen den Zähnen werden durch die geringe Anzahl von Zähnen minimiert. Zum Vierten ist es sehr einfach die Klauenstatoren hintereinander zu positionieren und miteinander zu verkleben.
Die Klauenankerhalbschalen 4, 54, 84 können beispielsweise aus gesinterten Ferriten (Eisenoxid Hämatit Fe2O3) oder aus Eisenpulververbundstoffen (Pulverkern) auf der Basis von Eisenpulver oder Pulverlegierungen, durch Sintern, Verpressen oder Vergießen hergestellt werden.
Ein Motor 22, 22', 50, 50', 80, 80' dieser Bauart ist, mit Hilfe einer entsprechenden Elektronik mit Brückentransistorschaltung und Sensorik zur Erkennung der Magnetposition und mit Impulsweitenregelung oder mit Hilfe einer Frequenzumrichtung mit zwei Phasen, die einen an den Statorpolzahnversatz angepasste Phasenversatz aufweist, steuerbar durch Veränderung der Frequenz und Veränderung der Wechselspannungshöhe, zu betreiben. Beispielsweise wie dies in der EP 1 708 338 A1 beschrieben ist. Die aus dieser Offenlegung bekannte Ansteuerschaltung und Sensorik sowie die Betriebsverfahren sind für die hier beschriebenen Motorvarianten direkt und ohne Modifikation verwendbar.
Aufgrund der niedrigen Erregerstromfrequenz durch die geringe Polzahl dieser Motoren ist die Ausbildung der Statorteilschalen auch in Form eines geschmiedeten Weicheisenkerns aus Vollmaterial denkbar. Um aber die Wirbelstromverluste niedrig zu halten werden vorzugsweise wie oben beschrieben, die Statorteilschalen aus einzelnen geschmiedeten Teilsegmenten in Form von Einzelblechschalen 4-1 bis 4-n aus Dynamoblech zusammengefügt, welche ineinander geschoben dann die gewünschte Statorteilschale im Ganzen ergeben. Diese werden vor oder nach der Blechverformung mit einer dünnen elektrisch nichtleitenden Isolierschicht versehen, um die unerwünschten Wirbelstromverluste zu minimieren. Die Einzelblechschalen 4-1 bis 4-n können miteinander verklebt und/oder an den Außenstößen verschweißt werden. Die Ausnehmungen für die Pole können vor dem Schmiedevorgang ausgestanzt, gelasert oder nach dem Schmiedevorgang im Paket ausgefräst oder auf vielfach andere Art ausgenommen und geschlichtet werden. Die Blechstärke der Einzelblechschalen 4-1 bis 4-n sollte je nach Größe des Motors zwischen 0,3 mm und 2,0 mm liegen.
14 zeigt eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Innenläufer-Statormoduls 152 (vgl. 8) mit je einem Polzahn 158, bei der sich die Polzähne 158 über die gesamte Tiefe des Innenläufer-Statormoduls 152 erstrecken. Bei den gepaarten Teilschalen 154 erstrecken sich die Polzähne bis in eine Gegenzahn-Ausnehmung 159 der jeweils gegenüberliegenden Teilschale. Die Vorderkante des in die Ausnehmung eingreifenden Zahns endet vorzugsweise bündig mit der äußeren Schalenbodenfläche der Teilschale. Bei dieser Bauform wird die volle Tiefe eines Statormoduls 152 ausgenutzt, um an der Innenfläche eines Polzahns 158 in magnetische Wechselwirkung mit den Permanentmagneten zu treten. Neben einer erhöhten (großflächigeren) Ausnutzung des Magnetischen Flusses kommt auch eine kompaktere Bauform zum Tragen.
15 zeigt die perspektivische, auseinandergezogene Darstellung eines Motors 150 mit Innenrotor 164 und zwei Statormodulen 152a, b wie in 14 (Ringspulen 70 nicht dargestellt). Der Rotor 164 besteht aus zwei auf einer Welle 162 gelagerten Zylindern 166, an deren Außenseite Permanentmagnete 168 angeordnet sind (vgl. 10). Bei 17 ist der Motor 150 von 15 mit zusammengefügten Statormodulen dargestellt. In 16 ist der Motor von 15 so abgewandelt, dass der Innenrotor einen über beide Statormodule 152a, b durchgängigen Zylinder und durchgängige Permanentmagnete aufweist (vgl. 8). 18 zeigt den Motor 150 wie in 16, hier mit eingezeichneten Ringspulen 70.
19 stellt eine Teilschale 104 für einen Außenläufer gemäß einer weiteren Ausführungsform dar. Ein Außenläufer-Statormodul 102 aus zwei Teilschalen 104 der 19 und einer dazwischen aufgenommenen Spule 120 ist in 20 in perspektivischer, auseinandergezogener Darstellung gezeigt. Aus zwei Statormodulen 102 wie in 20 ergibt sich der (nur teilweise dargestellte) Motor 122 von 21, bei dem hinten halbzylindermantelförmige Permanentmagnete 118 jeweils separat für den entsprechenden Statormodulabschnitt dargestellt sind. 22 zeigt dann den Motor 122 ähnlich wie in 21 mit Außenhülse 116 des Rotors 114 und über beide Statormodule durchgängigen Permanentmagneten 118. Bei 23 sind die zwei Statormodule 102a, b (wie in 20 einzeln dargestellt) zusammengesetzt und mit halbzylindermantelförmigem, über beide Module durchgängigem Permanentmagnet 118 dargestellt.
24 zeigt eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung eines Außenläufer-Statormoduls 182 mit Teilschalen 184 mit je vier durchgängigen Polzähnen 188 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Wie bei den Ausführungsbeispielen der 14 bis 23 gehen die Zähne 188 ansetzend am Schalenboden 186 der einen Teilschale 184 bis zur Gegenzahn-Ausnehmung 189 der gegenüberliegenden, gepaarten Teilschale, greifen in deren Ausnehmung 189 ein und schließt dort vorzugsweise eben mit dem außenliegenden Schalenboden 186. 25 zeigt einen Motor 180 (teilweise – vgl. 26) mit zwei zusammengefügten Modulen 182a, b aus 24 und einem durchgängigen, teilzylindermantelförmigen Permanentmagneten 198. 26 zeigt den Motor 180 wie in 25 mit Außenhülse 196 des Rotors 194 und 2 × acht am Innenumfang der Hülse angeordnete Permanentmagnete 198, die sich axial nur über das jeweils zugeordnete Statormodul 182 erstrecken,
27 zeigt eine Außenläufer-Teilschale 104 wie in 19, wobei die Teilschale aus sich radial erstreckenden Keilen 202, 204 (genau genommen Trapeze, da das Wellenloch in der Mitte zur Lagerung der Teilschale ausgespart ist) zusammengesetzt ist. Bei dieser weiteren Variante werden durch die keilförmigen Trafobleche 202, 204 die Wirbelstromverluste in den Schalen 104 des Schalenmotors reduziert. Der Statorschalenkörper ist ein Stapel aus ringförmig um die Drehachse des Motors angeordneten, keilförmigen Trafoblechen 202, 204, welche in der Dicke des Materials trapezförmig ausgebildet sind. Diese Blecheinzelteile sind z. B. aus Trafo-Blechmaterial oder ähnlichem zum Bau von Statorelementen ausgebildet. Bei der Herstellung wird das magnetisch leitende Blechmaterial bei einem Walzprozess in einem definierten Winkel zugewalzt. Der Winkel beträgt vorzugsweise von 0,1–1,0 Grad, je nach Durchmesser des Statorelements. Die maximale Dicke der Storblechteile liegt dabei vorzugsweise nicht über 1 mm. Die gewünschte Blechform wird anschließend aus dem Blechstreifen ausgestanzt, so dass sich beim gewünschten Winkel auch die gewünschte maximale und minimale Dicke des Statorblechteils ergibt, um diese dann ringförmig stapeln zu können. Diese können auch unterschiedliche Formen haben, um nach dem Stapelprozess die vorgegebene Gesamtform der Schalenstator-Halbschale zu ergeben. Die Anzahl, die Dicke sowie der Walzwinkel der gestanzten und zuvor oder anschließend isolierten Einzelbleche muss so gewählt werden, dass sich hierbei der gewünschte zylinderförmige Schalenkörper im Ganzen ergibt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind es zwei gestapelte Blechvarianten 202, 204, welche zur Bildung der Statorhalbschale 104 eingesetzt wurden. Gestapelt wird in einer Form oder einem entsprechenden Stapelwerkzeug. Ein geringes Untermaß der Bleche ist von Vorteil, da sich die Bleche dann besser stapeln lassen und dadurch beim Zusammenfügen nicht klemmen. Die geringen Zwischenräume zwischen den Blechen (ca. 0,01–0,05 mm) können dann durch Harze oder Lacke ausgeglichen werden, z. B. beim Vakuum-Tränken und werden damit gleichzeitig zu einem Teil vergossen. Zudem können die Blechpakete 202, 204 an den Stirnseiten miteinander verschweißt werden.
28 zeigt eine Innenansicht der Teilschale von 27 – gesehen aus axialer Richtung längs der Drehachse (bezogen auf die axiale Blickrichtung nach dem Zusammensetzen des Motors). 29 zeigt verschiedene Ansichten eines Radialkeils bzw. Trafoblechs 202 aus dem Bereich des Statorzahns von 27 und 28. Der lange Schenkel am unsymmetrisch U-förmigen Keil 202 bildet einen schmalen Kreisbogenabschnitt 108' des Polzahns 108. Der kurze Schenkel bildet einen Ringbogenabschnitt 110' der Innenhülse 110. Der spätere Schalenboden 106 wird aus dem Ringbogenabschnitt 106' gebildet. Die beschriebenen Formen (ring- oder kreisbogenabschnittförmig) beziehen sich auf den Querschnitt senkrecht zur Drehachse des zusammengesetzten Motors.
30 zeigt verschiedene Ansichten eines Radialkeils 204 aus dem Bereich der Gegen-Statorzahnaufnahme der Teilschale von 27. Beim L-förmigen Keil 204 bildet der lange Schenkel den Ringbogenabschnitt 110' der Innenhülse 110 und der kurze Schenkel den Ringbogenabschnitt 106' des Schalenbodens 106. Um die Sichtbarkeit in den 29 und 30 zu verbessern, wurde die maximale Dicke der Bleche etwas dicker dargestellt (um etwa den Faktor 2 skaliert).
31 zeigt eine Außenläufer-Statorteilschale 104 in weiterer Ausgestaltung der Teilschale 4 von 13A–13D, jedoch mit der Ausnehmung 159 zur Aufnahme des Gegenstatorzahns. 32 zeigt die Statorteilschale mit der Gegenstatorzahn-Ausnehmung 159 von 31 nach Einebnung der Kanten entsprechend 13E. Bzgl. der Zusammensetzung aus Statorblechen und dem Schlichten an den Kanten wird auf die Beschreibung der 13A bis 13E verwiesen.
Es ist selbstverständlich, dass bei den oben dargestellten Ausführungsbeispielen einzelne Komponenten, Komponenten oder Baugruppen eines Ausführungsbeispiels ergänzend oder durch Ersetzung bei einem anderen Ausführungsbeispiel angewendet werden kann. Beispielsweise ist die Keilbauweise oder die Zwiebelschalenbauweise auch bei den Ausführungen betreffend einen Innenläufer ohne weiteres anwendbar.
Bezugszeichenliste

: Außenläufer
2: Statormodul
4: Teilschale
6: Schalenboden
8: Polzahn
10: Innenhülse
12: Wellenloch
14: Rotor
16: Rotorhülse
18: Permanentmagnet
20: Ringspule
22, 22': Motor
: Innenläufer
50, 50': Motor
52: Statormodul
54: Teilschale
56: Schalenboden
58: Polzahn
60: Außenhülse
62: Welle
64: Rotor
66: Rotorzylinder
68: Permanentmagnet
70: Ringspule
: Vielzahn Außenläufer
80, 80': Motor
82: Statormodul
84: Teilschale
86: Schalenboden
88: Polzahn
90: Innenhülse
92: Wellenloch
94: Rotor
96: Rotorzylinder
98: Permanentmagnet
102: Statormodul
104: Teilschale
106: Schalenboden
108: Polzahn
110: Innenhülse
112: Wellenloch
114: Rotor
116: Rotorhülse
118: Permanentmagnet
122: Motor Innenläufer
150: Motor
152: Statormodul
154: Teilschale
156: Schalenboden
158: Polzahn
159: Gegenzahn-Ausnehmung
160: Außenhülse
162: Welle
164: Rotor
166: Rotorzylinder
168: Permanentmagnet
180: Motor Vielzahn Außenläufer
182: Statormodul
184: Teilschale
186: Schalenboden
188: Polzahn
189: Gegenzahn-Ausnehmung
190: Innenhülse
192: Wellenloch
194: Rotor
196: Rotorzylinder
198: Permanentmagnet
202: Kreisbogenabschnitt Statorzahn
: Statorzahn
204: Kreisbogenabschnitt
: Ausnehmung

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

EP 1289097 A2 [0002]
EP 1708338 A1 [0003, 0091, 0094]

Claims

Elektromotor (22, 22', 50, 50', 80, 80'), insbesondere bürstenloser Elektromotor, der zumindest zwei koaxial zueinander angeordnete Statoren (2, 52, 82) und einen Rotor (14, 64, 94) aufweist, wobei jeder Stator (14, 64, 94) 2·n Pole (8, 58, 88) aufweist, mit n: 1, 2, 3, ..., wobei jeder Stator zumindest eine gemeinsame Spule (20, 70) oder Wicklung für alle Pole (8, 58, 88) aufweist, wobei jeder Stator (14, 64, 94) eine erste und eine zweite Teilschale (4, 54, 84) aufweist, wobei jede Teilschale (4, 54, 84) einen Schalenboden (6, 56, 86) und n Pole (8, 58, 88) aufweist, wobei jeder Pol (8, 58, 88) als in axiale Richtung oder im Wesentlichen in axiale Richtung verlaufender und am Schalenboden (6, 56, 86) ansetzender Zahn ausgebildet ist, wobei bei zusammengesetzten Teilschalen (4, 54, 84) eines Stators (2, 52, 82) in Umfangsrichtung der Zahn (n = 1) oder die Zähne (n > 1) der ersten Teilschale (4a, 54a, 84a) alternierend angeordnet sind zu dem Zahn (n = 1) oder den Zähnen (n > 1) der zweiten Teilschale (4b, 54b, 84b), und wobei bei zusammengesetzten Teilschalen (4, 54, 84) eines Stators die zumindest eine Spule (20, 70) oder Wicklung zwischen den Teilschalen aufgenommen ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, wobei die Pole (8, 58, 88) von zwei Statoren (2, 52, 82) in Bezug auf die gemeinsame Achse zueinander um den Winkel 360°/(4·n) versetzt sind, wobei insbesondere bei n = 1 und zwei Statoren das Polpaar des einen Stators (2-1, 2-2; 52-1, 52-2) um 90° zum Polpaar des anderen Stators versetzt ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, wobei die Pole bzw. Magnete des Rotors (14, 64, 94), die dem einem der Statoren zugeordnet sind, und die Pole bzw. Magnete des Rotors, die dem anderen der Statoren zugeordnet sind, in Bezug auf die gemeinsame Achse zueinander um den Winkel 360°/(4·n) versetzt sind, wobei insbesondere bei n = 1 und zwei Statoren das zugeordnete Pol- bzw. Magnetpaar des einen Stators um 90° zum zugeordneten Pol- bzw. Magnetpaar des anderen Stators versetzt ist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei zusammengesetzten Teilschalen (4, 54, 84) die Zähne (8, 58, 88) der Teilschalen in Umfangsrichtung interdigital angeordnet sind, mit dazwischen liegendem Abstand ineinander greifen oder mit dazwischen liegendem Abstand miteinander verzahnt sind, wobei insbesondere die Beabstandung der Teilschalen eines jeden Stators den magnetischen Fluss (zwischen benachbarten Zähnen) im Wesentlichen oder weitgehend verhindert.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einem Außenläufer die Zähne (8, 88) jeden Stators (2, 82) einen außen liegenden Zahnkranz des Stators bilden, insbesondere einen bzgl. der oder an den Schalenböden außen liegenden Zahnkranz.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einem Außenläufer an einer oder beiden Teilschalen (4, 84) eines jeden Stators (2, 82) ein Innenkranz oder Innenteilkranz (10, 90) ausgebildet ist, wobei bei zusammengesetzten Teilschalen eines Stators der Innenkranz oder die Innenteilkränze ein Achsenjoch ausbilden.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei bei einem Innenläufer die Zähne (58) jedes Stators (52) einen innen liegenden Zahnkranz des Stators bilden, insbesondere einen bzgl. der oder an den Schalenböden innen liegenden Zahnkranz.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 oder 7, wobei bei einem Innenläufer an einer oder beiden Teilschalen (54) eines jeden Stators (52) ein Außenkranz oder Außenteilkranz (60) ausgebildet ist, wobei bei zusammengesetzten Teilschalen eines Stators der Außenkranz oder die Außenteilkränze ein Außenjoch ausbilden.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine, mehrere oder jede Teilschale (4, 54, 84, 104) des Elektromotors aus einem Stapel von aufeinander liegenden Blechen (4-1 ... 4_n; 202, 204) ausgebildet ist, insbesondere aus untereinander elektrisch isolierten oder punktuell elektrische verbundenen, aufeinander liegenden Blechen.
Elektromotor nach Anspruch 9, wobei die aufeinanderliegenden Bleche zwiebelschalenartig aufeinanderliegende Bleche (4-1 ... 4_n) sind, oder zumindest teilweise kreisbogenabschnittförmige oder ringbogenabschnittförmige Bleche (202, 204) sind, insbesondere kreisbogenabschnittförmige oder ringbogenabschnittförmige Bleche, die sich nach dem Zusammenbau von einer Drehachse des Elektromotors in radiale Richtung nach Außen keilförmig erweitern.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schalenboden (106, 156, 186) einer Teilschale (104, 154, 184) entsprechend der Anzahl der Polzähne (108, 158, 188) eine oder mehrere Ausnehmungen bzw. Aufnahmen (159, 189) aufweist, in die bei mit zwei Teilschalen zusammengesetztem Statormodul (102, 152, 182) die (freistehenden) Vorder- oder Spitzenbereiche der Polzähne der gegenüberliegenden Teilschale eingreifen/eingreift oder eindringt/eindringen.
Elektromotor nach Anspruch 11, wobei die Vorderkante(n) des oder der Polzähne (108, 158, 188) bündig abschließen mit der außen gelegenen Schalenbodenfläche der gegenüberliegenden Teilschale (104, 154, 184), und/oder wobei die axiale Länge des oder der Polzähne (vom unteren Ansatz am Schalenboden (106, 156, 186)) gleich der axialen Länge des aus zwei Teilschalen zusammengesetzten Statormoduls (102, 152, 182) ist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (22, 22', 50, 50', 80, 80') als Generator einsetzbar ist.