DE69836889T2 - Befestigung einer Quadratwicklung in einer dynamoelektrischen Maschine - Google Patents
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Description
- Gegenstand der Erfindung sind allgemein dynamoelektrische Maschinen und spezieller eine Quadraturwindungsbefestigungseinrichtung für eine dynamoelektrische Maschine.
- Dynamoelektrische Maschinen in Form von Elektromotoren haben viele Anwendungen, wie beispielsweise Lufthandhabungsgeräte, Waschmaschinen und Kompressormotoren. Ein bedeutender Teil der Vielseitigkeit solcher Motoren liegt in der Einfachheit der Herstellung. Hersteller fordern kostengünstige aber verlässliche und effiziente Motoren für Geräte und andere dicht gepackte Maschinen. Daher sehen Hersteller einen Bedarf für Motoren, die schnell und ökonomisch hergestellt werden können, ohne dass Platzbedarf, die Herstellkosteneffizienz oder die Betriebskosteneffizienz beeinträchtigt werden.
- Dynamoelektrische Maschinen müssen außerdem so kommutiert werden, dass der Controller die elektrische Stromrichtung abwechselnd ändert, um eine Rotordrehung hervorzurufen, wenn die elektromotorische Gegenkraft und der Motorstrom in der richtigen Phasenbeziehung zueinander stehen. Dies stellt sicher, dass die Maschine keine elektrische Energie verschwendet, indem sie die Stromrichtung zu früh oder zu spät umschaltet und gegen das Moment des Motors arbeitet. Um eine dynamoelektrische Maschine richtig zu kommutieren, ist die akkurate Rotorpositionsinformation wesentlich und über verschiedene Rotorpositionssensoren leicht verfügbar. Ohne Information von den Positionssensoren arbeiten elektrisch kommutierte dynamoelektrische Motoren nicht richtig.
- Die Quadraturwindungstechnologie bietet eine vielversprechende kostengünstige Alternative zu Hall-Effekt- Sensoren. Quadraturwindungen erfassen die Rotorposition zur Kommutierung jedoch sind sie besser als Hall-Effekt-Sensoren, weil sie eine genauere Information liefern, und an gekapselten Motorsystemen mit minimaler Anzahl von Verdrahtungsleitungen und Verbindern hinzugefügt werden können.
- Eine Quadraturwindung weist einen einzelnen isolierten Leiter auf, der in einem Kanal in dem Zentrum des radial inneren Endes eines Statorzahns angeordnet ist, bis zu einem benachbarten Zahnende gewunden und wiederum in einem Zentralkanal des benachbarten Statorzahnendes angeordnet ist. Es werden an den Statorzahnenden Kanäle vorgesehen, um den Rotor daran zu hindern, an dem Leiter anzuschlagen, und um die Spaltgröße zu minimieren, die durch Erfassungseinrichtungen zwischen dem Stator und dem Rotor verursacht wird. In der Vergangenheit haben Motoren in der Produktion die Quadraturwindungstechnologie wegen der schlechten Herstellbarkeit und der hohen Arbeitskosten nicht genutzt. Es ist für Bediener schwierig, die Quadraturwindung von Hand unterzubringen, weil der Draht eine konstante Spannung benötigt, während er gewickelt wird, um sicherzustellen, dass sich die verschiedenen Windungen nicht lösen. Für die Produktion von Motoren war die Handwicklung unattraktiv, weil automatische Wicklungstechniken schnellere, kostengünstigere und genauere Ergebnisse liefern.
- Die
JP 05 103454 A - Die vorliegende Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs definiert. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten abhängigen Ansprüchen definiert.
- Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung als Beispiel mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 eine Längsschnittansicht eines Elektromotors mit einer Quadraturwicklung und Drahtbefestigungsmitteln ist, -
2 eine Endansicht eines Stators mit Drahtbefestigungsmitteln ist, -
3 eine ausschnittsweise perspektivische Ansicht des Stators mit Drahtbefestigungsmitteln ist, -
4 eine ausschnittsweise Perspektivansicht eines einzelnen Statorzahns mit Drahtbefestigungsmitteln ist; -
5 eine Endansicht des Stators mit einem Drahtbefestigungsmittel und einer alternativen Windungskonfiguration ist, -
6 eine ausschnittsweise Perspektivansicht der oberen Motorendkappe ist, -
7 eine ausschnittsweise Perspektivansicht der unteren Motorendkappe ist. - In den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen entsprechende Bezugszeichen gleiche Teile.
- Es wird nun auf die Zeichnungen und speziell auf
1 Bezug genommen, in der eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Befestigung einer Quadraturwindung in einer dynamoelektrischen Maschine insgesamt mit dem Bezugszeichen21 bezeichnet ist. Die dynamoelektrische Maschine weist einen insgesamt mit23 bezeichneten Rotor, eine Welle25 , einen Stator, der im Ganzen mit27 bezeichnet ist, eine Quadraturwicklung29 und Statorendkappen31 auf, die als Drahtbefestigungsmittel dienen. - Der Rotor
23 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form und weist eine in einer Reihe angeordnete Gruppe von Permanentmagneten auf, die um den Umfang des Rotors äquidistant beabstandet angeordnet sind. Die Permanentmagnete sind in wechselnden magnetischen Orientierungen magnetisiert. Die Permanentmagnete sind so angeordnet, dass die Polarität des radial äußeren Teils jedes Magneten entweder nord- oder südpolarisiert ist. Der Rotor23 ist koaxial zu einer drehbaren Welle25 angeordnet. Die Welle25 und der Rotor23 haben die gleiche Längsmittelachse. Die Welle25 dreht in zwei Lageranordnungen33 , die an dem oberen Schild und an dem unteren Schild der dynamoelektrischen Maschine21 angeordnet sind. - Es wird nun auf die
2 bis5 Bezug genommen, wonach der Stator27 eine im Wesentlichen zylindrische Form und eine zentrale zylindrische Öffnung zur Aufnahme der aus dem Rotor23 und der Welle25 bestehenden Anordnung aufweist. Der Stator27 besteht aus vielen horizontalen Schichten35 aus ferromagnetischem Material. Die Schichten35 haben eine identische Form und bilden, wenn sie Flachseite auf Flachseite aufeinander liegen, den Körper des Stators27 . Der Körper des Stators27 hat Zähne37 , die sich von radial äußeren Abschnitten des Statorkerns radial nach innen erstrecken. Die Zähne37 sind entlang des Umfangs des Stators27 in regelmäßigen Winkelabständen angeordnet. - An dem radial inneren Abschnitt der Statorzähne
37 sind Kanäle39 ausgeformt. Die Kanäle39 verlaufen von oben nach unten jedes Zahns37 in Längsrichtung entlang seines Zentrums. Die Kanäle gestatten es der Quadraturwicklung29 , an der Vorderseite jedes Zahns37 gegen die radiale Innenseite des Zahns zurückgesetzt nach unten zu laufen, so dass die Quadraturwindung den Freiraum zwischen dem Rotor23 und dem Stator27 nicht vermindert. Eine adäquate Beabstandung zwischen den benachbarten Zähnen37 gibt der Hauptwicklung41 der dynamoelektrischen Maschine21 Raum, um jeden Statorzahn mehrmals zu umrunden. Wenn sie mit alternierenden elektrischen Strömen erregt werden, veranlasst die Hauptwicklung41 den Rotor23 in Bezug auf den Stator27 zu drehen. - Die Hauptwicklung
41 umfasst einen einzelnen Draht, der wiederholt um jeden Statorzahn37 gewickelt ist und dann zu dem benachbarten Statorzahn zu führen, der in umgekehrter Richtung umwickelt ist. Die Hauptwicklung41 führt entlang ihrer Länge einen Wechselstrom, was zwischen allen Statorzahnpaaren Magnetfelder erzeugt und somit die Drehung des Rotors24 induziert. Die Hauptwicklung41 ist um die Statorzähne37 gewickelt bevor die Quadraturwindung29 um den Stator geführt wird. Jedoch wird in Betracht gezogen, dass die Quadraturachsenwindung29 auch vor der Hauptwicklung41 an dem Stator angebracht werden kann. - Die Quadraturwicklung
29 umfasst einen einzelnen isolierten Leiter, durch den Strom fließt. Die Drehung des Rotors23 induziert in der Quadraturwicklung29 einen Strom. Wenn die alternierenden Magnetfelder der Magnete des Rotors23 über die Quadraturwicklung29 laufen, erzeugen die sich bewegenden Magnetfelder Ströme rechtwinklig zu dem Magnetfeld oder parallel zu der Quadraturwicklung. Weil die von jedem Zahn aus gesehene Polarität des Magneten des Rotors23 entsprechend der Rotordrehung zwischen Nord und Süd wechselt, kann die Position des Rotors aus dem induzierten alternierenden Strom in der Quadraturwicklung29 berechnet werden. - Die Quadraturwicklung
29 führt durch den Mittelkanal39 eines radial inneren Abschnitts jedes Statorzahns37 . Die Hauptwicklung41 und die Quadraturwicklung29 sind gegeneinander elektrisch isoliert, so dass der Strom in der Quadraturwicklung29 nur die Rotorposition repräsentiert. Der drehende Rotor23 erzeugt, indem er an jedem Segment der Quadraturwicklung29 vorbeiläuft, eine Anordnung sich bewegender elektromagnetischer Felder. Diese elektromagnetischen Felder induzieren den Strom in der Quadraturwicklung29 . Durch Überwachung des Stroms wird die Winkelposition des Rotors23 berechnet. - Von einem Statorzahn
39 zum nächsten benachbarten Zahn kann die Quadraturwicklung29 zwei vorbeschriebenen Pfaden folgen. Es wird nun auf die2 bis3 verwiesen, wonach die Quadraturwicklung29 in einer ersten Ausführungsform direkt von dem oberen radial inneren Ende eines Statorzahns37 zu dem oberen radial inneren Ende eines benachbarten Statorzahns verläuft. Die Quadraturwicklung29 verläuft dann zu dem radial inneren Ende an der Unterseite des Statorzahns37 , von wo sie direkt zu dem radial unteren Ende des nächsten Statorzahns geht. Dieses Wicklungsmuster setzt sich um den gesamten Innenumfang des Stators27 fort. - Es wird nun auf
5 Bezug genommen, wonach die Quadraturwicklung29 bei einer zweiten Ausführungsform von einem Statorzahn37 zu einem benachbarten Zahn gewickelt ist, in dem sie entlang der Oberseite des Zahns radial nach außen zu dem radial äußeren Abschnitt des Stators27 verläuft. Die Quadraturwicklung29 verläuft dann entlang des Außenumfangs des Stators27 zu der Position des nächsten Zahns37 . Schlussendlich verläuft die Quadraturwicklung29 entlang der Oberseite des Zahns37 radial nach innen zu dem inneren Ende des Zahns, von wo die Quadraturwicklung in den Zentralkanal39 des Statorzahns geht. Dieser Weg wird dann entlang des unteren Abschnitts zu dem nächsten benachbarten Statorzahn37 wiederholt. Dieses Wicklungsmuster setzt sich um den gesamten Umfang des Stators27 fort. Bei jedem Wicklungsmuster der Quadraturwicklung29 sind die Anschlussenden der Wicklung in Anschlusseinrichtungen51 aufgenommen, die in der Lage sind, die Isolierung durchdringende Konnektoren53 aufzunehmen und die Quadraturwicklung mit einer (nicht veranschaulichten) Motorsteuerung zu verbinden. Jedoch wird in Betracht gezogen, dass die Anschlussenden der Quadraturwicklung29 zusammen mit den Anschlussenden der Hauptwicklung41 in einem (nicht veranschaulichten) Kabelbaum zum Anschluss der Steuerung untergebracht werden können. - Es wird nun auf die
6 bis7 Bezug genommen, bevor die Hauptwicklung41 oder die Quadraturwicklung29 an dem Stator27 angebracht werden, wird eine Statorendkappe31 an der Oberseite und der Unterseite des Stators befestigt. Die Statorendkappen31 erleichtern die Verankerung der Quadraturwicklung29 an dem Stator27 und die Isolation der Quadraturwicklung gegen den Stator. Die Statorendkappe31 weist Drahthaltemittel43 auf, die die Quadraturwicklung29 an den radial inneren Ende jedes Zahns37 aufnehmen und festhalten. Weil beide längsseitigen Enden des Stators27 eine Endkappe31 und entsprechende Haltemittel aufweisen, ist die Quadraturwicklung39 festgehalten, wenn sie durch den Kanal39 in den Statorzahn37 verläuft. - Zu dem Drahthaltemittel
43 gehören Nasen45 , die voneinander um einen Abstand beabstandet sind, der geringer ist als der Durchmesser der Quadraturwicklung29 . Die Nasen45 sind so bemessen und geformt, dass sie die Quadraturwicklung29 reibschlüssig aufnehmen. Die Nasen45 sind um einen Abstand beabstandet, der geringer ist als der Durchmesser der Quadraturwicklung29 , so dass eine Presspassung vorliegt, wodurch die Quadraturwicklung bei automatischer (oder manueller) Verdrahtung und bei Betrieb der dynamoelektrische Maschine21 ortsfest gehalten ist. Verschiedene Ausnehmungen47 an dem radial inneren Abschnitt der Endkappe31 stehen in Ausrichtung zu den entsprechenden Kanälen39 an den Zähnen37 . Die Quadraturwicklung29 verläuft durch die Ausnehmung47 und ist durch die Nasen45 am Platz gehalten, die an einander gegenüber liegenden Seiten der Ausnehmung an dem Abschnitt der Endkappe31 angeordnet sind, die von dem Stator27 am weitesten entfernt ist. - Die Statorendkappe
31 besteht aus Polymermaterial, so dass die Nasen45 an der Endkappe einstückig ausgeformt sind. Das Polymermaterial wirkt außerdem als ein zusätzlicher Isolator zwischen dem Stator27 und der Hauptwicklung41 und der Quadraturwicklung29 . - Die übrigen Komponenten der dynamoelektrischen Maschine
21 weichen nicht wesentlich von denen einer herkömmlichen dynamoelektrischen Maschine ab, so dass deren Diskussion für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich ist.
Claims (10)
- Dynamoelektrische Maschine (
21 ), die: einen Rotor (23 ) mit wenigstens einem Permanentmagneten und des weiteren aufweist: einen Stator (27 ) mit einem Statorkern mit einer Zentralöffnung, von der der Rotor aufgenommen ist, wobei der Statorkern sich radial nach innen in die Zentralöffnung erstreckende Zähne (37 ) und eine Wicklung aufweist, die um wenigstens einen der Zähne (37 ) des Statorkerns gewickelt ist, eine Quadrantenwicklung (29 ), die so angeordnet ist, dass sie ein Ausgangssignal erzeugt, das für die Winkelposition des Rotors repräsentativ ist, wobei die Quadrantenwicklung (29 ) einen Draht aufweist, der sich längs des Statorkerns entlang der inneren Enden von wenigstens einigen der Statorzähne (37 ) erstreckt, sowie, kennzeichnenderweise, Drahthaltemittel (43 ), die wenigstens einigen der Statorzähne zugeordnet sind, um mit der Quadrantenwicklung in Eingriff zu kommen und diese festzuhalten, um die Quadrantenwicklung in dem Statorkern am Platz zu halten, wobei das Drahthaltemittel (43 ) ein Paar Nasen (45 ) aufweist, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der geringer ist als der Durchmesser des Quadrantenwick lungsdrahts, so dass der Draht zwischen den Nasen (45 ) in Presspassung aufgenommen ist, wobei das Drahthaltemittel im Wesentlichen an den radial inneren Enden der wenigstens einigen Statorzähne (37 ) angeordnet ist. - Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, bei der das Drahthaltemittel (
43 ) an beiden Längsenden des Statorkerns angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Draht der Quadrantenwicklung (29 ) im Wesentlichen an dem radial inneren Ende der wenigstens einigen Statorzähne (37 ) aufzunehmen und festzuhalten. - Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Paar Nasen (
45 ) ein erstes Nasenpaar bildet, wobei die dynamoelektrische Maschine außerdem ein zweites Nasenpaar für jedes erste Nasenpaar aufweist, wobei jedes zweite Nasenpaar im Wesentlichen benachbart zu den radial äußeren Enden der Zähne (37 ) und in radialer Übereinstimmung mit dem entsprechenden ersten Nasenpaar angeordnet ist. - Dynamoelektrische Maschine nach einem der vorausgehenden Ansprüche, außerdem aufweisend Endkappen (
32 ), die aus Polymermaterial ausgebildet sind, und Zähne aufweisen, die den Zähnen (37 ) des Statorkerns entsprechen, wobei die Endkappen an entsprechenden Enden des Statorkerns montiert sind, wobei die Nasen (45 ) mit den Endkappen einstückig ausgebildet sind. - Dynamoelektrische Maschine nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens einigen Zähne (
37 ) jeweils einen Kanal in ihren radialen inneren Enden auf weisen, der sich längs zu dem Statorkern erstreckt, wobei die Kanäle in sich die Quadrantenwicklung aufnehmen. - Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 4, bei der die Endkappen (
31 ) jeweils eine Ausnehmung aufweisen, die in Übereinstimmung mit einem entsprechenden Kanal von einem der wenigstens einigen Statorzähne (37 ) steht, wobei die Nasen (45 ) an einander gegenüber liegenden Seiten der Ausnehmung angeordnet sind. - Statorendkappe (
31 ) zur Verwendung in einer dynamoelektrische Maschine (21 ) nach einem der vorausgehenden Ansprüche zur Befestigung einer Quadrantenwicklung (29 ), die zur Erfassung der Drehposition eines permanentmagnetischen Rotors (23 ) genutzt und innerhalb eines Statorkerns der dynamoelektrischen Maschine angeordnet ist, wobei die Statorendkappe gekennzeichnet ist durch: einen Außenringabschnitt mit einem äußeren Durchmesser, der einem Außendurchmesser des Statorkerns entspricht, und mit einem Innenumfang und einer Zentralöffnung, Zähne (37 ), die von dem Innenumfang des Ringabschnitts radial nach innen in die Zentralöffnung der Endkappe hinein vorstehen, Drahtbefestigungsmittel (43 ), die im Wesentlichen an den radial inneren Enden der wenigstens einigen Zähne (37 ) angeordnet sind, um den Quadrantenwicklungsdraht, der die Quadrantenwicklung bildet, aufzunehmen und festzuhalten, wobei das Drahtbefestigungsmittel (43 ) aus einem Paar Nasen (45 ) besteht, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der kleiner ist als der Durchmesser des Quadrantenwicklungsdrahts, so dass der Draht zwischen den Nasen (45 ) in einem Presssitz aufgenommen ist, wobei das Drahtbefestigungsmittel (43 ) im Wesentlichen an den radial inneren Enden der wenigstens einigen Zähne angeordnet ist. - Statorendkappe nach Anspruch 7, wobei das Paar Nasen (
45 ) ein erstes Nasenpaar bildet, die Statorendkappe (31 ) außerdem ein zweites Nasenpaar für jedes erste Nasenpaar aufweist, wobei jedes zweite Nasenpaar an dem Ringabschnitt im Wesentlichen zu den radial äußeren Enden der Zähne (37 ) und in radialer Ausrichtung zu dem entsprechenden ersten Nasenpaar angeordnet ist. - Statorendkappe nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Endkappe (
31 ) aus Polymermaterial und die Nasen (45 ) mit der Endkappe einstückig ausgebildet sind. - Statorendkappe nach einem der Ansprüche 7 bis 9, außerdem aufweisend eine an dem radial inneren Ende jedes der wenigstens einigen Zähne (
37 ) angeordneten Ausnehmung, wobei die Nasen (45 ) an einander gegenüber liegenden Seiten der Ausnehmung angeordnet sind.
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