Die Erfindung betrifft eine elektronisch kommutierte Gleich
strommaschine mit einem Permanentmagnet-Rotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (EP 0 178 380 A1).
Eine solche Gleich
strommaschine kann sowohl motorisch wie generatorisch be
trieben werden. Insbesondere betrifft die Erfindung einen
elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, der für höhere
Leistungen von beispielsweise 100 kW und mehr ausgelegt ist.
Dieser erfindungsgemäße Gleichstrommotor kann vorzugsweise
als Antriebsmotor von Kraftfahrzeugen, insbesondere Per
sonenkraftwagen, eingesetzt werden.
Mehr im einzelnen betrifft die Erfindung eine elektronisch
kommutierte Gleichstrommaschine, insbesondere Gleichstrom
motor, mit einer Rotationsachse, mit einer ersten, im we
sentlichen zylindrischen Antriebsebene, die aus einer ersten, eisenlosen,
mäanderförmigen Statoranordnung und einem ersten Permanent
magnet-Rotor gebildet ist, der eine Anzahl erste Permanent
magnet-Pole aufweist, die alternierend und im wesentlichen
senkrecht zur Rotationsachse bzw. radial polarisiert sind,
und mit einer zweiten, im wesentlichen zylindrischen An
triebsebene, die aus einer zweiten Statoranordnung und einer
Anzahl zweiter Permanentmagnet-Pole gebildet ist, die alter
nierend und im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse
bzw. radial polarisiert sind, wobei die beiden Antriebs
ebenen in einer gemeinsamen Rotationsebene konzentrisch um die gemein
same Rotationsachse herum ausgebildet sind.
Ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor dieser Art
ist aus dem Dokument EP 0 178 380 A1 bekannt, das ebenfalls
auf den zur vorliegenden Erfindung benannten Anmelder/Er
finder zurückgeht. Die vorliegende Erfindung betrifft Ver
besserungen an dem dort beschriebenen Motorkonzept. Um
Wiederholungen zu vermeiden, wird mit der Bezugnahme auf das
Dokument EP 0 178 380 A1 der Inhalt dieses Dokumentes zu
sätzlich zum Bestandteil der vorliegenden Erläuterung und
Beschreibung gemacht. Die in diesem Dokument beschriebenen
Motoren zeichnen sich u. a. dadurch aus, daß bei vorgegebenem
Motorvolumen ein Mehrfaches des Drehmomentes erzeugbar ist,
das mit herkömmlichen Motoren bei gleicher Baugröße erziel
bar ist.
Bei der bekannten Gleichstrommaschine sind mehrere, ring
förmige Permanentmagnet-Anordnungen konzentrisch zueinander
angeordnet und starr an einem gemeinsamen Rotor befestigt,
der starr an einer Welle angebracht ist. Die verschiedenen
konzentrischen Permanentmagnet-Anordnungen dienen zur Lei
stungssteigerung der Gleichstrommaschine bei beschränktem
Volumen derselben. Eine voneinander unabhängige, unter
schiedliche Rotation verschiedener ringförmiger Permanent
magnet-Anordnungen ist nicht möglich.
Davon ausgehend, besteht die Aufgabe der vorliegenden Er
findung darin, eine(n) elektronisch kommutierte(n) Gleich
strommaschine/Gleichstrommotor der gattungsgemäßen Art zu
schaffen, die/der bei geringem Gewicht und kompakter Bau
weise mit Hilfe der ersten Antriebsebene ein hohes Dreh
moment aufnimmt/liefert und deren/dessen zweite Antriebs
ebene unabhängig von der ersten Antriebsebene ansteuerbar
bzw. rotierbar ist. Ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung besteht darin, einen Gleichstrommotor dieser Art
bereitzustellen, der als Antriebsmotor für Kraftfahrzeuge
geeignet ist und der ein besonders hohes Spitzendrehmoment,
beispielsweise bis zu 280 Nm und mehr, sowie eine hohe Nenn
leistung, beispielsweise bis zu 100 kW und mehr liefert, und
bei dem auch bei hohen und stark wechselnden Belastungen
keine unzulässige Erwärmung stattfindet.
Ausgehend von einer elektronisch kommutierten Gleichstrom
maschine, insbesondere Gleichstrommotor
- - mit einer Rotationsachse,
- - einer ersten im wesentlichen zylindrischen An
triebsebene, die aus einer ersten, eisenlosen, mäanderförmigen
Statoranordnung und einem ersten Permanentmagnet-
Rotor gebildet ist, der eine Anzahl erste Permanent
magnet-Pole aufweist, die alternierend und im wesent
lichen senkrecht zur Rotationsachse bzw. radial
polarisiert sind,
- - mit einer zweiten, im wesentlichen zylindrischen An
triebsebene, die aus einer zweiten Statoranordnung und
einer Anzahl zweiter Permanentmagnet-Pole gebildet
ist, die alternierend und im wesentlichen senkrecht
zur Rotationsachse bzw. radial polarisiert sind,
- - wobei die beiden Antriebsebenen in einer gemeinsamen
Rotationsebene konzentrisch um die gemeinsame Rotationsachse herum
ausgebildet sind,
ist die erfindungsgemäße Lösung obiger Aufgabe dadurch ge
kennzeichnet, daß die zweiten Permanentmagnet-Pole an einem
zweiten Permanentmagnet-Rotor angebracht sind, der unab
hängig vom ersten Permanentmagnet-Rotor um die gemeinsame
Rotationsachse rotierbar ist.
Auf diese Weise wird eine von der ersten Antriebsebene un
abhängig ansteuerbare bzw. rotierbare zweite Antriebsebene
geschaffen. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung wird ein
Konzept "Motor-im-Motor" realisiert. Beispielsweise kann die
erste Antriebsebene als ausgesprochene Hochleistungs-An
triebsebene ausgebildet sein, und die zweite Antriebsebene
ist unabhängig davon für andere Zwecke ausgelegt.
Beispielsweise kann die zweite Antriebsebene zum Antrieb
einer Kühleinrichtung (Ventilator) ausgerüstet sein, die
innerhalb des Gehäuses der Gleichstrommaschine untergebracht
ist und die einen Kühlluftstrom erzeugt, mit welchem die
Einrichtungen der ersten (Hochleistungs-)Antriebsebene
gekühlt werden.
Bekanntlich ist gerade der Antriebsmotor eines Kraftfahr
zeuges häufig wechselnden Betriebszuständen ausgesetzt, wo
bei die Leistungsanforderungen in einem weiten Bereich vari
ieren. Gerade für einen solchen elektrisch angetriebenen An
triebsmotor ist es wünschenswert, auch eine elektrisch ange
triebene Kühleinrichtung zu schaffen, die unabhängig von der
aktuellen Drehzahl des Antriebsmotors arbeitet. Mit der er
findungsgemäßen Anordnung einer zweiten, unabhängig steuer
baren Antriebsebene innerhalb der ersten Antriebsebene für
den Antriebsmotor wird eine solche unabhängig regelbare
Kühleinrichtung geschaffen. Die Unterbringung der zweiten
Antriebsebene, deren Rotor starr mit einem Ventilator ge
koppelt sein kann, innerhalb des Gehäuses des Antriebsmo
tors ist besonders wirksam, weil die Kühlluft in den Innen
raum des Motors und dort insbesondere in den besonders be
lasteten Ringspalt der ersten Hochleistungs-Antriebsebene
eingeführt werden kann und dort eine unmittelbare und
direkte Kühlwirkung ausüben kann. Es entfallen zusätzliche
Aggregate, wie sie für die Kühlung herkömmlicher Verbren
nungsmotoren erforderlich sind.
Das vorstehend erläuterte Konzept des "Motor-im-Motor" ist
besonders wertvoll in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen
Gleichstrommaschine, bei der wenigstens eine Antriebsebene
als ausgesprochene Hochleistungs-Antriebsebene ausgebildet
ist. Nachstehend wird eine Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Gleichstrommaschine beschrieben, deren erste An
triebsebene als Hochleistungs-Antriebsebene ausgebildet ist,
wobei auch bei hoher bis höchste Leistungsaufnahme oder
-abgabe keine unzulässige Erwärmung der Statoranordnung der
ersten Antriebsebene stattfindet.
Diese Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gleichstrom
maschine weist einen ersten Permanentmagnet-Rotor auf mit
einem im wesentlichen zylindrischen Ringspalt mit homogenem
Magnetfeld mit geradlinigem, radialem Feldlinienverlauf und
ständig wechselnder Polarität. Die erste mäanderförmige
Statoranordnung weist gerade hin- oder herführende Mäander
abschnitte auf, die parallel zur Rotationsachse ausgerichtet
sind und sich innerhalb des Ringspaltes erstrecken, wobei
jeder gerade hin- oder herführende Mäanderabschnitt aus
einer Anzahl parallel angeordneter Leiterabschnitte besteht,
die im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die
Besonderheit besteht darin, daß jeder Leiterabschnitt inner
halb des Ringspaltes derart angeordnet ist, daß die längere
Seite des Leiterquerschnittes parallel zum Verlauf der Feld
linien ausgerichtet ist.
Typischerweise ist bei Motoren dieser Bauart bislang die
rechteckigen Querschnitt aufweisende Leiterbahn mit der
längeren Längsseite an einem ringförmigen stationären Rück
schlußteil oder an einem sonstigen Träger aus isolierendem
Material angelegt worden, das/der parallel zum magnetisch
aktiven Ringspalt ausgerichtet ist. Eine solche Anordnung
bietet sich zwanglos an, um die Leiter-Auflagefläche zu
erhöhen, um dadurch die Stabilität der Leiter-Anordnung zu
steigern.
Höhere Motorleistungen erfordern größere Leiterquerschnitte,
um die Verlustleistung möglichst gering zu halten. Bei der
bekannten Anordnung befinden sich notwendigerweise endliche
Abmessungen des Leiters in einem Feldabschnitt, der im
Leiterbereich unterschiedliche Feldstärken aufweist. Im
Rahmen der Erfindung ist festgestellt worden, daß bei dieser
Anordnung selbst in Kupferleitern endliche Wirbelströme auf
treten.
Demgegenüber wird mit dieser Ausgestaltung der Erfindung
eine um 90° gedrehte Anordnung der rechteckigen Querschnitt
aufweisenden Leiter innerhalb des magnetisch wirksamen Ring
spaltes gewählt, so daß innerhalb des Ringspaltes die länge
re Seite des Leiterquerschnittes parallel zum Feldlinienver
lauf ausgerichtet ist. Praktisch der gesamte Leiterquer
schnitt befindet sich stets in einem Feldabschnitt mit
gleichem homogenem Feld. Die Bildung von Wirbelströmen
innerhalb der im magnetischen Ringspalt befindlichen Lei
terabschnitte ist erheblich herabgesetzt.
Im Rahmen der Erfindung ist festgestellt worden, daß durch
diese bestimmte Anordnung der eckigen Querschnitt aufweisen
den Leiterabschnitte im magnetisch wirksamen Ringspalt die
Wirbelstromverluste in diesen Leiterabschnitten so weit
vermindert werden, daß bei einer gegebenen Motorabmessung
eine bis zu 100 Prozent höhere Motorleistung erzielt werden
kann.
Vorzugsweise sind bei dem erfindungsgemäßen Gleichstrommotor die Permanentmagnet-Pole
des ersten Permanentmagnet-Rotors
in einem äußeren Ring und in
einem inneren Ring derart angeordnet, daß ein Ringspalt
zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring gebildet ist.
An jedem Ring sind benachbarte Pole alternierend polari
siert. Jeweils einem Nord- oder Süd-Pol am Außenumfang des Ringspaltes
steht ein entgegengesetzter Pol am Innenumfang des Ringspaltes gegen
über. Mit dieser Anordnung wird ein Permanentmagnet-Rotor
erhalten, der einen Ringspalt mit homogenem Magnetfeld mit
geradlinigem, radialen Feldlinienverlauf und ständig wech
selnder Polarität aufweist.
Insbesondere bei teuren Permanentmagnet-Materialien, wie
etwa Sm/Co-Sintermaterial, kann es zweckmäßig sein, die
ringförmige Anordnung aus einzelnen, länglichen Elementen
aus Permanentmagnet-Material aufzubauen. Diese einzelnen
Elemente sind an ihrer Rückseite an einen Ring aus magne
tisch leitendem Material angebracht. Vorzugsweise kann jede
ringförmige Anordnung von Permanentmagnet-Polen aus einem
geschlossenen Ring aus Permanentmagnet-Material bestehen, an
dem benachbarte Zonen alternierend polarisiert worden sind.
Ein geschlossener Ring aus Permanentmagnet-Material erhöht
die Stabilität und verringert den Aufwand beim Zusammenbau
des Permanentmagnet-Rotors.
Vorzugsweise ist zusätzlich jede ringförmige Anordnung aus
Permanentmagnet-Material an der zum Ringspalt abgewandten
Seite an je einem weiteren Ring aus magnetisch leitendem
Material abgestützt, das den magnetischen Fluß schließt.
Die magnetische Feldstärke im Ringspalt wird erhöht und die
Homogenität des Feldes noch weiter gesteigert.
Die erfindungsgemäß vorgesehene erste mäanderförmige Stator
anordnung besteht pro Phase aus mehreren getrennten Leiter
bahnen, die untereinander geometrisch parallel und zusammen
mäanderförmig angeordnet sind. Jede Leiterbahn weist einen
vergleichweise großen Leiterquerschnitt auf, um die konduk
tive Verlustleistung möglichst gering zu halten. Zusätzlich
weist jede Leiterbahn einen rechteckigen Leiterquerschnitt
auf, bei welchem das Seitenverhältnis zwischen der Längs
seite und der Schmalseite mehr als 2 : 1 beträgt. Vorzugsweise
sind Leiterquerschnitte vorgesehen, bei welchen dieses Sei
tenverhältnis mehr als 4 : 1, beispielsweise 10 : 1 und mehr
beträgt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines er
findungsgemäßen Gleichstrommotors besteht die erste mäan
derförmige Statoranordnung aus mehreren parallel und im
Abstand zueinander geführten Kupferbändern, deren Quer
schnitt eine Länge von ca. 12 mm und eine Breite von ca.
1 mm aufweist.
Zwischen benachbarten Leiterbahnen der ersten mäanderför
migen Statoranordnung besteht ein ausreichender Zwischen
raum, um auch ohne zusätzliches Isoliermaterial eine ge
trennte Stromführung in jeder Leiterbahn zu gewährleisten,
beispielsweise auch, um in verschiedenen Leiterbahnen eine
Parallel- oder Reihenschaltung vorzusehen. Ferner erlauben
diese Zwischenräume einen ungehinderten Zutritt von Kühlluft
zu den Leiterbahnen, sowie ungehinderten Durchtritt von
Kühlluft zwischen diesen Leiterbahnen. Diese Zwischenräume
können beispielsweise durch isolierende Abstandshalter
gewährleistet werden, die regelmäßig zwischen benachbarte
Leiterbahnen eingesetzt sind. Zusätzlich kann jede Leiter
bahn mit einem isolierenden Belag versehen sein.
Die erste mäanderförmige Statoranordnung kann aus zwei ge
trennten mäanderförmigen Leiterbahnanordnungen aufgebaut
sein. Jede mäanderförmige Leiterbahnanordnung weist gerade
hinführende Mäanderabschnitte und gerade herführende Mäan
derabschnitte auf, zwischen denen ein Zwischenraum besteht.
In diesen Zwischenraum kann - ohne Berührung der benachbar
ten Mäanderabschnitte - ein gerader Mäanderabschnitt einer
weiteren, elektrisch getrennten, mäanderförmigen Leiterbahn
anordnung eingesetzt sein. Die beiden getrennten mäander
förmigen Leiterbahnanordnungen können beispielsweise mit
einer Phasenverschiebung von 90° angesteuert werden. Jede
dieser beiden, elektrisch getrennten, mäanderförmigen Lei
terbahnanordnungen kann wiederum aus einzelnen Leiterbahnen,
beispielsweise vier Leiterbahnen aufgebaut sein, wie das
vorstehend beschrieben ist.
Vorzugsweise wird die Anzahl der einzelnen Leiterbahnen in
Abhängigkeit vom Leiterbahnquerschnitt und vom Abstand zwi
schen benachbarten Leiterbahnen so gewählt, daß die gesamte
Breite eines Leiterbahnstapels die halbe Polbreite der Per
manentmagnet-Pole nicht übersteigt. Unter Einbeziehung der
Breite der neutralen Zone zwischen benachbarten Permanent
magnet-Polen kann mit einfachen Mitteln eine Kommutierung
durchgeführt werden, bei welcher sich ein gegebener Stapel
von Leiterbahnen stets in einem Feld einheitlicher Polari
tät befindet. Das bei Stromdurchgang durch die erste Stator
anordnung induzierte Magnetfeld wird optimal genutzt.
Es ist eine Schaltung vorgesehen, welche die einzelnen, ge
trennten Leiterbahnen, welche die erste mäanderförmige Sta
toranordnung bilden, untereinander parallel oder in Serie
schaltet. Durch eine solche Umschaltung zwischen Reihen
schaltung oder Parallelschaltung der einzelnen Leiterbahnen
kann eine weitere erhebliche Anpassung an den Betriebszu
stand bzw. Leistungsbedarf des Antriebsmotors eines Kraft
fahrzeuges vorgenommen werden. Beim Anfahren des Kraftfahr
zeugs wird bei geringen Umdrehungszahlen ein besonders hohes
Drehmoment benötigt. In diesem Falle wird eine Reihenschal
tung vorgenommen, die ein besonders hohes Drehmoment lie
fert. Wegen der geringen Umdrehungszahl ist die in der Sta
toranordnung induzierte Gegen-EMK klein und tolerierbar.
Nach Erreichen einer gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit
kann eine Parallelschaltung der Leiterbahnen vorgenommen
werden. Eine solche Parallelschaltung erlaubt eine höhere
Stromaufnahme und eine höhere Motorleistung, wie sie für
höhere Fahrzeuggeschwindigkeiten wünschenswert ist. Diese
Flexibilität in der Drehmoment- und Leistungsabgabe des
Motors verringert die Anforderungen an ein Schaltgetriebe
des Fahrzeugs. Der Motor und dessen Ansteuerelektronik kann
einen wesentlichen Teil der Funktionen eines herkömmlichen
Schaltgetriebes übernehmen oder ersetzen.
Die erste mäanderförmige Statoranordnung aus mehreren, geo
metrisch parallel und im Abstand zueinander geführten Lei
terbahnen bildet nacheinander
- - einen geraden hinführenden Mäanderabschnitt
(parallel zur Rotationsachse in einer Richtung);
- - einen ersten Wickelkopf (oberhalb des magnetisch
wirksamen Ringspaltes);
- - einen geraden herführenden Mäanderabschnitt
(parallel zur Rotationsachse in der entgegengesetzten
Richtung);
- - einen zweiten Wickelkopf (unterhalb des magnetisch
wirksamen Ringspaltes); und wiederum
- - einen geraden hinführenden Mäanderabschnitt; usw.
Vorzugsweise wird eine Anordnung gewählt, bei welcher die
geraden hin- oder herführenden Mäanderabschnitte vollständig
innerhalb des magnetisch wirksamen Ringspaltes am ersten
Permanentmagnet-Rotor verlaufen. Wie gesagt, ist jeder
gerade hinführende Leiterabschnitt mit dem benachbarten her
führenden Leiterabschnitt über einen Wickelkopf verbunden.
Vorzugsweise weisen die Leiterbahnen in jedem Wickelkopf im
wesentlichen den gleichen Querschnitt auf wie die Leiter
abschnitte in den benachbarten, geraden Mäanderabschnitten.
Weiterhin ist jeder Wickelkopf vorzugsweise oberhalb oder
unterhalb des magnetisch wirksamen Ringspaltes in radialer
Richtung aus einer gedachten Verlängerung des Ringspaltes
herausgeführt, dann rechtwinklig abgewinkelt, verläuft dann
im wesentlichen parallel zum Ringspalt, jedoch neben einer
gedachten Verlängerung des Ringspaltes, um nach einer er
neuten rechtwinkligen Abwinklung wieder in diese gedachte
Verlängerung des Ringspaltes einzutreten und in den nächsten
benachbarten geraden herführenden Leiterabschnitt überzu
gehen. Mit dieser Anordnung kann mit geringem Herstellungs
aufwand und einfachen Befestigungsmitteln eine stabile,
selbsttragende Anordnung aus mehreren untereinander ge
trennten, geometrisch parallel geführten Leiterbahnen
gebildet werden, die zusammen eine erste mäanderförmige
Statoranordnung bilden, welche der ersten Antriebsebene
zugeordnet ist.
Die Fußabschnitte der unterhalb des Ringspaltes befindlichen
Wickelköpfe können in passende Nuten eines Statorhalters
eingesetzt werden. In die Zwischenräume zwischen benachbar
ten Leiterabschnitten, die zusammen einen geraden, hin- oder
herführenden Mäanderabschnitt bilden, können kleine, isolie
rende Abstandshalter eingesetzt sein, welche den gewünschten
Abstand zwischen den benachbarten Leiterbahnen gewährlei
sten. Zwischen einem geraden hinführenden Mäanderabschnitt
und einem geraden herführenden Mäanderabschnitt der gleichen
oder einer weiteren ersten mäanderförmigen Leiterbahnanord
nung besteht ein größerer Zwischenraum, in den über die
gesamte Ringspaltlänge ein entsprechender größerer, isolie
render Abstandshalter eingesetzt sein kann. Diese Abstands
halter bestehen aus wärmebeständigem, elektrisch isolieren
dem keramischem und magnetisch inertem Material, wie bei
spielsweise keramischen Materialien, wie etwa Aluminium
oxid. Die Anwesenheit dieser isolierenden Abstandshalter
gewährleistet auch bei ganz erheblichen Feldstärken und ent
sprechenden Magnetkräften die erforderliche Stabilität einer
selbsttragenden ersten mäanderförmigen Statoranordnung.
Die erste Statoranordnung ist eisenlos ausge
führt und besteht lediglich aus dem Leiter bzw. Kupfer der
Leiterbahnen sowie den wahlweise vorgesehenen Abstandshal
tern. Trotz der erheblichen Leiterquerschnitte vermindert
die hier vorgesehene Leiterbahnanordnung - mit der Längs
seite der rechteckigen Leiterquerschnitte parallel zu den
Feldlinien im magnetisch wirksamen Ringspalt - die Wirbel
stromverluste erheblich. Bei motorischem Betrieb ist die
Erwärmung des Motors herabgesetzt. Der Motor kann in Phasen
hoher und höchster Leistungsanforderungen zeitlich länger
und/oder elektrisch höher belastet werden. Bei generatori
schem Betrieb werden die Verlustströme vermindert. Auch in
diesem Falle tritt eine geringere Erwärmung der Leiterbah
nen auf. Über die Temperaturabhängigkeit der spezifischen
Leitfähigkeit wird der Innenwiderstand beeinflußt. Weil der
Innenwiderstand des Generators geringer ist, kann bei glei
cher Spannung ein größerer Strom entnommen werden.
Eine solche Gleichstrommaschine wird im Regelfalle als An
triebsmotor im Kraftfahrzeug verwendet. Sofern das Kraft
fahrzeug "schiebt" (etwa bei Bergabfahrt oder Bremsung) kann
die gleiche Maschine generatorisch genutzt werden. Die bei
der Stromerzeugung entstehende Wechselspannung wird gleich
gerichtet. Der entstehende Gleichstrom wird nach entspre
chender Regelung als Ladestrom verwendet und der antreiben
den Batterie zugeführt.
Wie vorstehend erläutert, bilden der bestimmte erste Per
manentmagnet-Rotor und die bestimmte erste mäanderförmige
Statoranordnung zusammen eine erste Antriebsebene, die bei
spielsweise für eine Leistung bis zu 100 kW ausgelegt sein
kann.
Jedoch muß diese erste Antriebsebene nicht notwendigerweise
in der Art ausgebildet sein, wie das vorstehend im einzelnen
erläutert worden ist. Vielmehr kommen auch andere Ausgestal
tungen der ersten Antriebsebene in Betracht, wie sie mehr
im einzelnen in dem Dokument EP 0 178 380 A1 beschrieben
sind. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, diese erste An
triebsebene in der Weise auszubilden, wie das vorstehend
dargelegt ist, um eine möglichst hohe Antriebsleistung zu
erzielen.
Zusätzlich kann eine zwangsweise Kühlung der ersten Stator
anordnung und/oder des ersten Permanentmagnet-Rotors vorge
sehen werden. Vorzugsweise kann hierzu die innere und/oder
die äußere ringförmige Anordnung aus Permanentmagnet-Mate
rial und das angrenzende magnetische Rückschlußmaterial mit
fluchtenden Öffnungen versehen sein, durch die hindurch
Kühlluft in den Ringspalt einführbar ist. Vorzugsweise kann
eine entsprechende Kühlluftströmung unabhängig von einer
Rotation des ersten Permanentmagnet-Rotors innerhalb des
Motorgehäuses erzeugt werden, wie das nachstehend im ein
zelnen dargelegt wird.
Wie eingangs bereits gesagt, weist die erfindungsgemäße
Gleichstrommaschine zusätzlich zu der vorstehend im einzel
nen erläuterten ersten Antriebsebene eine zweite Antriebs
ebene auf, die unabhängig von der ersten Antriebsebene an
steuerbar bzw. rotierbar ist. Vorzugsweise dient diese
zweite Antriebsebene zum Antrieb eines Ventilators, der
Kühlluft erzeugt, die in den Ringspalt am ersten Permanent
magnet-Rotor einführbar ist.
Auch diese zweite Antriebsebene kann in der gleichen Weise
ausgebildet sein, wie die erste Antriebsebene, die vor
stehend im einzelnen erläutert worden ist. Gerade diese
Bauweise liefert bei geringem Platzbedarf ein besonders
großes Drehmoment und eignet sich daher für die Reali
sierung einer zweiten Antriebsebene innerhalb eines Ring
raumes, der von der ersten Antriebsebene umschlossen ist.
Vorzugsweise kann jedoch - wegen des wesentlich geringeren
Leistungsbedarfs zur Rotation des Ventilators - auf einfa
chere Anordnungen und/oder preiswertere Magnetmaterialien
zurückgegriffen werden. Insbesondere wird die zweite An
triebsebene mit Permanentmagnet-Rotor- und Stator-Anordnun
gen realisiert, wie sie in dem Dokument EP 0 178 380 A1 be
schrieben sind. Beispielsweise kann ein Stator mit ring
förmigem Eisenkern vorgesehen werden, der fortlaufend, senk
recht zum Ringumfang bewickelt ist. Ferner kann ein zylin
drischer Stator vorgesehen werden, wie er in dem Dokument
DE 36 29 423 C2 beschrieben ist. Ein solcher Stator befindet
sich in einem Ringspalt, der zwischen zwei ringförmigen Per
manentmagneten gebildet ist. Diese Permanentmagnet-Ringe
können aus pulverförmigem Permanentmagnet-Material bestehen,
das in einer Kunststoffmatrix dispergiert ist. Die Perma
nentmagnet-Ringe sind alternierend lateral derartig aufmagnetisiert,
daß sich jeweils gleichnamige Pole gegenüberstehen,
wie das mehr im einzelnen in dem Dokument
EP 0 178 380 A1 beschrieben ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gleichstrommotors weist ein relativ flaches, im wesent
lichen zylindrisches Gehäuse auf, das im wesentlichen aus
einer runden Bodenplatte und einer runden Deckelplatte be
steht, an deren Umfang eine abstehende, umlaufende Seiten
wand angesetzt ist. Im Zentrum der beiden Platten ist je ein
Motorlager eingesetzt und ortsfest gehalten. Beispielsweise
können Kugel-, Gleit- oder Wälzlager vorgesehen werden.
Diese beiden Motorlager halten drehbar eine Abtriebswelle,
mit welcher der erste Permanentmagnet-Rotor starr verbunden
ist. Beispielsweise kann die Abtriebswelle in eine mittige
Bohrung innerhalb eines scheibenförmigen Rotorhalters
eingesetzt und dort festgelegt sein. Der runde, scheiben
förmige Rotorhalter weist an seinem Umfang ein Profil mit
umlaufenden Nuten und/oder vorstehenden Flanschen auf,
welche die beiden Ringe aus Permanentmagnet-Material und die
angrenzenden Ringe aus magnetischem Rückschlußmaterial
halten, die im wesentlichen vertikal vom Rotorhalter
abstehen. Die gesamte Anordnung aus erstem Permanentmagnet-
Rotor, Rotorhalter und Abtriebswelle ist miteinander starr
verbunden und innerhalb des Motorgehäuses drehbar ange
ordnet.
Am Außenumfang der Abtriebswelle ist wenigstens ein Ventila
tor-Lager angeordnet, das einen scheibenförmigen Ventilator
träger drehbar hält. Am Außenumfang des runden Ventilator
trägers sind eine Anzahl abstehender Ventilatorflügel ange
bracht. Im Ringraum zwischen Ventilatorflügel und Ventila
tor-Lager sind am Ventilatorträger die Komponenten be
festigt, welche den zweiten Permanentmagnet-Rotor bilden.
Die Ventilatorflügel können einstückig mit dem Ventilator
träger ausgebildet sein und bestehen vorzugsweise aus
Profilstücken, die bezüglich der radialen Richtung schräg
gestellt sind und bei Rotation des Ventilatorträgers eine
radiale Luftströmung erzeugen. Diese Ventilatorflügel sind
vorzugsweise parallel zur Rotationsachse des Motors ausge
richtet und rotieren in einem Ringraum, der zwischen der
ersten Antriebsebene und der zweiten Antriebsebene ausge
bildet ist.
Die Aktivierung des mit dem zweiten Permanentmagnet-Rotor
starr gekoppelten Ventilators erfolgt bei Erreichung einer
Sollwerttemperatur. Hierzu sind Sensoren vorhanden, welche
die Temperatur der Umgebung bzw. der Leiterbahnen der ersten
Statoranordnung erfassen. Die Sensorsignale werden einem
Regelkreis zur Konstanthaltung der Motortemperatur zuge
führt. Der Regelkreis aktiviert die zweite Antriebsebene
nach Bedarf, und der Ventilator wird entsprechend angetrie
ben.
Typischerweise ist das Motorgehäuse im wesentlichen ge
schlossen ausgebildet und weist wenigstens eine Öffnung auf,
über welche vom rotierenden Ventilator Kühlluft angesaugt
wird. Dieser Kühlluft-Ansaugöffnung ist vorzugsweise ein
Partikelfilter zugeordnet, um Verunreinigungen aus der Kühl
luft abzutrennen, bevor diese in den vom Motorgehäuse um
schlossenen Innenraum eintritt. Für die vom rotierenden Ven
tilator zwangsweise erzeugte Kühlluftströmung ist ein be
stimmter Strömungspfad vorgesehen, der u. a. durch den magne
tisch wirksamen Ringspalt der ersten Antriebsebene führt,
und schließlich zu einer oder mehreren Kühlluft-Austritts
öffnungen führt, durch welche die angesaugte Kühlluft wieder
aus dem Motorgehäuse austreten kann.
Zusätzlich zu den oben im einzelnen beschriebenen Komponen
ten der Antriebsebene(n) und der Kühleinrichtung weist der
erfindungsgemäße Motor die üblichen und bekannten Einrich
tungen zur elektronischen Kommutierung auf, wie sie im ein
zelnen in dem Dokument EP 0 178 380 A1 beschrieben sind.
Hierzu gehört eine mit Sensoren ausgerüstete Einrichtung zur
Erfassung der Winkelposition des Permanentmagnet-Rotors
gegenüber den geraden hin- oder herführenden Mäanderab
schnitten der Statoranordnung. Weiterhin ist eine Ansteuer
elektronik vorhanden, die anhand der von der Erfassungsein
richtung gebildeten Signale den Stromfluß durch die erste
Statoranordnung der ersten (Leistungs-)Antriebsebene so
steuert, damit diese - bei motorischem Betrieb - ein den
Permanentmagnet-Rotor antreibendes Magnetfeld erzeugt. Die
Steuerung des Stromflusses kann vorzugsweise über eine Puls
breitenregelung erfolgen. Eine dafür geeignete Schaltung ist
beispielsweise in der U.S.-Patentschrift 4 309 675 beschrie
ben. Die Steuerung über eine Pulsbreitenregelung erlaubt in
einem weiten Bereich eine optimale Anpassung der Umdrehungs
geschwindigkeit und des Drehmomentes an die wechselnden
Betriebszustände eines Antriebsmotors in einem Kraftfahr
zeug.
Zur Erzeugung der Permanentmagnet-Pole an dem/den Permanent
magnet-Rotor(en) dienen vorzugsweise permanentmagnetisier
bare Materialien hoher Koerzitivkraft. Als Magnetmaterialien
kommen beispielsweise Ferrite, insbesondere Sr- oder Ba-Fer
rite, sowie Sm/Co- oder Nd/Fe/B-Materialien sowie ausgewähl
te Seltene Erd-Verbindungen in Betracht. Nach entsprechender
vielpoliger lateraler Aufmagnetisierung lassen sich im mag
netisch wirksamen Ringspalt magnetische Feldstärken von bis
zu 1,2 Tesla und mehr erzielen. Die Ausrichtung der Polpola
risierung im wesentlichen senkrecht auf die Rotationsachse
zu bzw. radial, erlaubt die Realisierung und optimale Aus
nutzung einer hohen Polzahl bei vergleichsweise geringem
Rotorumfang.
Eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gleichstrommotors, der für den Einsatz als einziger An
triebsmotor in einem Personenkraftwagen vorgesehen ist, ist
für eine Nennleistung von ca. 100 kW ausgelegt. Die erste
Antriebsebene dieses Motors hat einen Umfang von ca. 33 cm
und weist eine paarweise Anordnung von je 30 Permanentmag
net-Pole pro Ring am Permanentmagnet-Rotor auf. Diese Per
manentmagnet-Pole bestehen beispielsweise aus Sm/Co-Sinter
material. Die Permanentmagnet-Pole sind an je einem Ring aus
magnetisch leitendem Material abgestützt; hierfür kommt
beispielsweise St 37 in Betracht, eine C-haltige Eisenle
gierung mit hoher magnetischer Leitfähigkeit. Die mäander
förmige Statoranordnung besteht pro Phase aus vier unabhän
gigen Leiterbahnen mit einem Querschnitt von 1·12 mm. Mit
einem solchen Motor wurde ein Anlaufmoment von 280 Nm er
zielt. Auf Meßständen wurde ein Wirkungsgrad (unter Einbe
ziehung der Ansteuerelektronik) von 94% gemessen (zuge
führte U·J zur abgenommenen Leistung (Drehmoment·Dreh
zahl)). Aufgrund der vorzugsweise vorgesehenen Pulsbreiten
regelung (kein Chopper!) wird eine lineare Charakteristik
von Drehmoment und Drehzahl an praktisch jedem Arbeitspunkt
des Motors erhalten. Das höchste Anlaufmoment wird bereits
beim Einschalten des Stromes erreicht.
Sofern von einem Motor der hier beschriebenen Art eine noch
höhere Leistung gefordert wird, kann die Anzahl der Lei
stungsebenen, d. h. der ersten Antriebsebenen, erhöht werden.
Es ist möglich, bei einem Motor der hier beschriebenen Art
in einer Rotationsebene um die gemeinsame Rotationsachse
herum zwei erste Antriebsebenen vorzusehen. Die hierzu er
forderliche Anzahl ringförmiger Permanentmagnet-Anordnungen
ist starr an einem gemeinsamen Rotationsträger angebracht,
der starr mit der Abtriebswelle verbunden ist.
Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand
einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezugnahme auf die
Zeichnungen erläutert. Die letzteren zeigen:
Fig. 1 anhand einer schematischen Querschnittsdar
stellung - parallel zur Rotationsachse - eine
erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß
aufgebauten Gleichstrommotors, der eine erste
Leistungs-Antriebsebene aufweist, sowie eine
zweite Antriebsebene zum Antrieb eines Venti
lators, der innerhalb des Motorgehäuses unter
gebracht ist;
Fig. 2 in einer Querschnittsdarstellung längs der
Schnittlinie 2-2 aus Fig. 1 - schematisch und
ausschnittsweise - den Feldlinienverlauf und
die Leiteranordnung im Ringspalt des ersten
Permanentmagnet-Rotors;
Fig. 3 anhand einer perspektivischen Darstellung einen
Ausschnitt aus einer ersten mäanderförmigen
Statoranordnung, die aus zwei getrennten Lei
terbahnen besteht; und
Fig. 4a und 4b in Seitenansicht bzw. in Draufsicht
- schematisch und ausschnittsweise - den Ven
tilator im Motor nach Fig. 1.
Die Fig. 1 zeigt - schematisch und im Schnitt - einen er
findungsgemäßen Motor. Zu den wesentlichen Komponenten
dieses Motors gehören ein zweiteiliges Gehäuse 10, eine Ab
triebswelle 20 mit einem Rotorträger 26, an dem ein erster
Permanentmagnet-Rotor 30 angebracht ist, eine erste mäan
derförmige Statoranordnung 40, sowie einen Ventilator 60,
der mit Hilfe einer zweiten Antriebsebene 50 angetrieben
wird. Das Motorgehäuse 10 besteht im wesentlichen aus einer
Grundplatte 12 und einer Deckelplatte 16, an deren Umfang
einstückig eine umlaufende Seitenwand 18 angesetzt ist. Die
Seitenwand 18 kann in eine umlaufende Stufe 13 am Umfang der
Grundplatte 12 eingesetzt und dort mit Hilfe von Befesti
gungsmitteln 19 festgelegt werden. Im Zentrum der Grund
platte 12 ist eine Vertiefung ausgebildet, in welche ein
Motorlager 15 eingesetzt ist. Im Zentrum der Deckelplatte 16
ist eine Bohrung ausgespart, in welche ein weiteres Motor
lager 15′ eingesetzt ist.
Die beiden, im Abstand zueinander und miteinander fluchtend
angeordneten Motorlager 15 und 15′ halten drehbar eine Ab
triebswelle 20. Die Abtriebswelle 20 ist parallel und rota
tionssymmetrisch zur Rotationsachse 25 des Motors angeord
net. Ein scheibenförmiger Rotorträger 26 ist starr und fest
mit der Abtriebswelle 20 verbunden. Am Außenumfang des
Rotorträgers 26 ist ein im wesentlichen U-förmiges Profil 27
angebracht, an dem eine Innenstufe 28 und eine Außenstufe 29
ausgebildet sind.
In die Innenstufe 28 ist ein Innenring 34 aus magnetischem
Rückschlußmaterial eingesetzt. In die Außenstufe 29 ist ein
Außenring 38 aus magnetischem Rückschlußmaterial eingesetzt.
An der Außenumfangsfläche des Innenringes 34 ist eine innere
ringförmige Anordnung 32 aus Permanentmagneten abgestützt.
An der Innenumfangsfläche des Außenringes 38 ist eine äußere
ringförmige Anordnung 36 aus Permanentmagneten abgestützt.
Jede ringförmige Anordnung 32, 36 kann aus einzelnen Per
manentmagneten oder aus einem geschlossenen Ring aus Perma
nentmagnet-Material bestehen, der entsprechend aufmagneti
siert ist. Sämtliche Ringe 32, 34, 36 und 38 sind starr mit
dem U-Profil 27 des Rotorträgers 26 verbunden, und stehen im
wesentlichen vertikal von diesem ab. Die Ringe 32, 34, 36
und 38 bilden zusammen den ersten Permanentmagnet-Rotor 30.
Zwischen der inneren ringförmigen Anordnung 32 und der
äußeren ringförmigen Anordnung 36 ist der magnetisch aktive
Ringspalt 35 ausgebildet.
An der Grundplatte 12 ist eine erste mäanderförmige Stator
anordnung 40 abgestützt, deren gerade hinführende Mäander
abschnitte 44 und gerade herführende Mäanderabschnitte 48
sich durch diesen Ringspalt 35 hindurch erstrecken. Die
Breite des Ringspaltes 35 ist geringfügig größer als die
Breite der geraden Mäanderabschnitte 44, 48, so daß eine
freie Rotation des ersten Permanentmagnet-Rotors 30 gegen
über der ersten Statoranordnung 40 gegeben ist.
Innerhalb des Motorgehäuses 10 ist eine zweite, unabhängig
ansteuerbare Antriebsebene 50 ausgebildet, mit welcher ein
innerhalb des Motorgehäuses untergebrachter Ventilator 60
angetrieben wird, der zur Kühlung der ersten Antriebsebene
dient.
Mehr im einzelnen ist ein scheibenförmiger Ventilatorträger
64 vorhanden, der in seinem Zentrum eine Bohrung aufweist.
Um diese Bohrung herum steht vom Ventilatorträger 64 ein
Rohrabschnitt 65 vertikal ab, der einstückig mit dem Ven
tilatorträger 64 verbunden ist. Der Innenumfang dieses Rohr
abschnittes 65 kann als Gleitlager ausgebildet sein, das am
Außenumfang der Abtriebswelle 20 anliegt. Alternativ kann
- wie dargestellt - dieser Rohrabschnitt 65 über zwei im Ab
stand zueinander angeordnete Ventilatorlager 61, 61′ gegen
über dem Außenumfang der Abtriebswelle 20 abgestützt sein.
In jedem Falle ist eine freie und unabhängige Rotation des
Ventilatorträgers 64 gegenüber der Abtriebswelle 20 gegeben.
Benachbart zum Außenumfang des Ventilatorträgers 64 sind
dort einstückig angeformte und vertikal abstehende, profi
lierte Ventilatorflügel 68 angebracht, die bei Rotation des
Ventilators 60 einen radialen Kühlluftstrom erzeugen. Ein
zelheiten zur Anordnung und Ausbildung der Ventilatorflügel
lassen sich den Fig. 4a und 4b entnehmen. Die Kühlluft
wird über wenigstens eine Öffnung 14 in der Grundplatte 12
angesaugt, wird mit Hilfe des Ventilators 60 beschleunigt,
strömt daraufhin durch miteinander fluchtende, in regel
mäßigen Abständen angeordnete Öffnungen 33 im Innenring 34
und in der inneren ringförmigen Anordnung 32 aus Permanentmagnet-Material in den
Ringspalt 35. Dort strömt die Kühlluft durch die engen Zwi
schenräume 45/49 zwischen benachbarten Leiterbahnen 44′,
44′′; 48′, 48′′ usw. (vgl. Fig. 2) sowie durch die größeren
Zwischenräume 47 zwischen benachbarten Mäanderabschnitten
44, 48 und kühlt auf diesem Wege die Statoranordnung 40. Die
Kühlluft gelangt schließlich durch Öffnungen 17 innerhalb
der Deckelplatte 16 aus dem Inneren des Motorgehäuses 10
heraus in die umgebende Atmosphäre. Bei Bedarf kann die aus
dem Motorgehäuse austretende erwärmte Luft zur Temperierung
der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeuges verwendet werden. Vor
jeder Kühlluft-Ansaugöffnung 14 kann ein Staubfilter 11 oder
dergleichen angeordnet sein, um Feststoffpartikel und andere
Verunreinigungen aus der Kühlluft abzutrennen, bevor diese
in den Innenraum des Motorgehäuses 10 eintritt. Als Staub-
oder Partikelfilter 11 können übliche Luftfilter dienen.
Jede Ansaugöffnung 14 kann mit einem eigenen Partikelfilter
11 bedeckt sein, oder es ist eine ringförmige Filteranord
nung vorgesehen, die sämtliche Ansaugöffnungen 14 abdeckt.
Der Ventilator 60 wird von einer zweiten Antriebsebene an
getrieben, die unabhängig vom Betrieb des Motors ansteuer
bar ist. Diese zweite Antriebsebene 50 wird aus einer
zweiten Statoranordnung 52 und einem zweiten Permanent
magnet-Rotor 55 gebildet. Die zweite Statoranordnung 52 und
der zweite Permanentmagnet-Rotor 55 sind an den vergleichs
weise geringen Leistungsbedarf angepaßt, der zur Rotation
des Ventilators 60 erforderlich ist.
Anhand der Fig. 2 wird der erste Permanentmagnet-Rotor 30
und die Verhältnisse im Ringspalt 35 näher erläutert. Der
Außenring 38 und der Innenring 34 bestehen jeweils aus
magnetischem Rückschlußmaterial, beispielsweise aus ST 37.
Die äußere ringförmige Anordnung 36 aus Permanentmagnet-Material ist alter
nierend lateral aufmagnetisiert, so daß alternierend magne
tische Nord-Pole 36′ und magnetische Süd-Pole 36′′ am Ringspalt 35
anliegen. Entgegengesetzt ausgerichtete Pole 36′ und 36′′ sind durch schmale
neutrale Zonen 36′′′ voneinander getrennt. In gleicher Weise
ist die innere ringförmige Anordnung 32 aus Permanentmagnet-Material alter
nierend lateral aufmagnetisiert, so daß dort abwechselnd die
Nord-Pole 32′ und die Süd-Pole 32′′ am Ringspalt 35 anliegen. Wiederum be
stehen zwischen entgegengesetzt ausgerichteten Polen 32′ und 32′′ schmale
neutrale Zonen 32′′′. Als Permanentmagnet-Material dient bei
spielsweise Sm/Co-Sintermaterial.
Wie dargestellt, befindet sich gegenüber einem Nord-Pol 36′
am Außenumfang des Ringspaltes 35 stets ein Süd-Pol 32′′
am Innenumfang des Ringspaltes 35 und umgekehrt. Inner
halb des magnetisch aktiven Ringspaltes 35 resultiert ein
homogenes Magnetfeld mit geradlinigem, im wesentlichen
parallelen Feldlinienverlauf, wie das anhand der Feldlinien
37 angedeutet ist. Diese Feldlinien 37 sind über die als magne
tischen Rückschlußmaterialien dienenden Ringe 34 und 38 hinweg geschlossen,
so daß innerhalb des Ringspaltes 35 ein magnetisches Feld
hoher Feldstärke resultiert.
In der gewählten Ausführungsform besteht die erste mäander
förmige Statoranordnung 40 aus zwei ineinandergesetzten
mäanderförmigen Leiterbahnanordnungen 41 und 43. Jede
mäanderförmige Leiterbahnanordnung 41, 43 besteht aus vier
unabhängigen, elektrisch voneinander getrennten und geo
metrisch parallel geführten Leiterbahnen. Somit besteht - an
jeder mäanderförmigen Leiterbahnanordnung 41, 43 - jeder
gerade hinführende Mäanderabschnitt 44 aus vier geraden
Leiterabschnitten 44′, 44′′, 44′′′ und 44′′′′. In gleicher
Weise besteht jeder gerade herführende Mäanderabschnitt 48
aus vier geraden Leiterabschnitten 48′, 48′′, 48′′′ und 48′′′′.
Zwischen benachbarten hinführenden Leiterabschnitten, bei
spielsweise 44′ und 44′′, sowie zwischen benachbarten her
führenden Leiterabschnitten, beispielsweise 48′ und 48′′
besteht jeweils ein ausreichender Zwischenraum 45 bzw. 49,
um eine elektrische Trennung zwischen benachbarten Leiter
bahnen zu gewährleisten. In diese Zwischenräume 45 bzw. 49
können - nicht dargestellte - kleine isolierende Abstands
halter eingesetzt sein.
Zwischen einem geraden hinführenden Mäanderabschnitt 44 und
dem geraden herführenden Mäanderabschnitt 48 einer Leiter
bahnanordnung 41 besteht ein ausreichender Abstand, in den
ein gerader Mäanderabschnitt der anderen Leiterbahnanordnung
43 eingesetzt ist. Zwischen zwei benachbarten geraden Mäan
derabschnitten besteht ein größerer Zwischenraum 47. In
diese größeren Zwischenräume 47 können - nicht darge
stellte - große isolierende Abstandshalter eingesetzt sein,
die sich über die gesamte axiale Länge des Ringspaltes 35
erstrecken. Die kleinen und großen isolierenden Abstands
halter bestehen jeweils aus wärmebeständigem, elektrisch
isolierendem und magnetisch inertem Material wie beispiels
weise Al2O3.
Wie dargestellt, beträgt die Breite eines geraden hin- oder
herführenden Mäanderabschnittes 44 bzw. 48 weniger als die
halbe Polbreite "b" eines Permanentmagnet-Poles 32′, 32′′;
36′, 36′′.
Ersichtlich weist jeder Leiterabschnitt, beispielsweise 44′,
48′, einen rechteckigen Leiterquerschnitt auf. Der Leiter
querschnitt hat wenigstens eine Längsseite und eine Schmal
seite. Die Längsseite des Leiterquerschnittes ist parallel
den Feldlinien 37 im magnetisch wirksamen Ringspalt 35
ausgerichtet.
Mit Bezugnahme auf Fig. 3 wird die Ausbildung einer ersten
mäanderförmigen Statoranordnung 40 detaillierter erläutert.
Aus Gründen einer einfacheren Darstellung ist in diesem
Falle eine Statoranordnung 40 gewählt, die lediglich aus
einer mäanderförmigen Leiterbahnanordnung besteht, die aus
zwei Leiterbahnen 40′ und 40′′ aufgebaut ist. Die mäander
förmige Statoranordnung 40 besteht fortlaufend aus einem
geraden, hinführenden Mäanderabschnitt 44, einem oberen
(inneren) Wickelkopf 42, einem geraden, herführenden Mäan
derabschnitt 48, einem unteren (äußeren) Wickelkopf 46, er
neut einem geraden, hinführenden Mäanderabschnitt 44 usw.
Die geraden, hin- und herführenden Mäanderabschnitte 44, 48
befinden sich innerhalb des magnetisch wirksamen Ringspaltes
35. Oberhalb und unterhalb des Ringspaltes 35 sind die, die
Statoranordnung 40 bildenden Leiterbahnen 40′, 40′′ seitlich
bzw. radial aus einer gedachten Verlängerung des Ringspaltes
35 herausgeführt und bilden dort die Wickelköpfe 42, 46. Die
Wickelköpfe 42, 46 verlaufen im wesentlichen parallel zum
Ringspalt 35, jedoch - in radialer Richtung - außerhalb der
gedachten Verlängerung des Ringspaltes 35. Im Bereich der
Wickelköpfe 42, 46 weisen die Leiterbahnen 40′, 40′′ den
gleichen Querschnitt auf wie im Bereich der geraden, hin-
oder herführende Mäanderabschnitte 44, 48.
Zur Herstellung einer derartigen ersten mäanderförmigen Sta
toranordnung 40 kann von ebenem Flachmaterial ausgegangen
werden, aus welchem Bahnen der gewünschten Konfiguration
ausgestanzt oder ausgeschnitten werden. Diese ebenen Bahnen
werden daraufhin in einer Presse um geeignete Stempel herum
verformt, um die gewünschte dreidimensionale Struktur zu
bilden. Mit 1 mm starkem Kupferblech kann eine stabile,
selbsttragende, mäanderförmige Statoranordnung 40 der dar
gestellten Konfiguration erhalten werden.
Den Fig. 4a und 4b lassen sich Einzelheiten zum Aufbau
des Ventilators 60 und der zweiten Antriebsebene 50 ent
nehmen. Wie in Drauf- und Seitenansicht dargestellt, be
steht der Ventilator 60 im wesentlichen aus einem ringför
migen Ventilatorträger 64, der an seinem Innenumfang eine
einstückig angeformte, vertikal abstehende Hülse (Rohrabschnitt 65) zur
Aufnahme/Bildung eines Ventilatorlagers und an seinem Au
ßenumfang einstückig angeformte, vertikal abstehende Ven
tilatorflügel 68 aufweist. Zwischen zwei konzentrisch,
vertikal abstehende Flansche 62 und 63 sind die Komponenten
eines zweiten Permanentmagnet-Rotors 55 eingesetzt, welche
starr und fest mit dem Ventilator 60 verbunden sind. Zu
diesen Komponenten gehören ein Innenring 56 aus magneti
schem Rückschlußmaterial, eine innere ringförmige Permanent
magnetanordnung, eine äußere ringförmige Permanentmagnetanordnung 58
und ein Außenring 59 aus magnetischem Rückschluß
material. Die ringförmigen Permanentmagnetanordnungen 57, 58 können
preiswerte "Gummimagnete" (in einer Kunststoffmatrix dis
pergiertes Pulver aus Permanentmagnet-Material) sein und
sind alternierend lateral aufmagnetisiert. Es ist eine
Anordnung gewählt, bei welcher je ein Plus- oder Minus-Pol
58′, 58′′ des äußeren Ringes 58 einem gleichnamigen Pol 57′,
57′′ des inneren Ringes 57 gegenübersteht. In den Ringspalt
zwischen den beiden Permanentmagnetanordnungen 57, 58 ragt eine
zweite Statoranordnung 52 hinein, die im vorliegenden Fall
aus einem ringförmigen Eisenkern besteht, der mit einer Sta
torwicklung versehen ist. Der Stromfluß durch die Stator
wicklung wird von einer Regelschaltung nur dann aktiviert,
wenn - nicht dargestellte - Sensoren eine Überschreitung
einer vorgegebenen Motortemperatur erfaßt haben.