DE102004054898A1

DE102004054898A1 - Elektrische Maschine zur Wandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie

Info

Publication number: DE102004054898A1
Application number: DE200410054898
Authority: DE
Inventors: Peter Stauder; Tom Kaufmann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2006-05-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zur Wandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie oder umgekeht, umfassend einen Rotor, einen Stator, Magnete zur Erregung der Maschine sowie mit einem geblechten Wicklungsträger 1 aus mehreren paketierten Zahnsegmenten 10, 20, 30 oder mit ringförmig geschlossenen Blechlamellen mit relativ zu den Magneten parallel ausgebildeten elektrischen Wicklungen, die in nutenförmigen Ausnehmungen 11, 21, 31 der Blechlamellen 12, 22, 32 angeordnet sind, welche an einem Innen- oder Außenumfang des Wicklungsträgers 1 in Nutöffnungen übergehen. DOLLAR A Es besteht die Aufgabe, Rastmomente zu reduzieren, ohne negative Auswirkungen auf Wicklungsfüllgrade zu initiieren. DOLLAR A Der Kern der Erfindung liegt darin begründet, dass die Nutöffnungen 13, 23, 33 jeweils antiparallel in Relation zu parallel ausgerichteten Magneten vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zur Wandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, oder umgekehrt, umfassend einen Rotor, einen Stator, Magnete zur Erregung der Maschine sowie mit einem geblechten Wicklungsträger aus mehreren Blechlamellen mit Nuten zur Aufnahme von elektrischen Wicklungen.
Derartige Motoren oder Generatoren sind grundsätzlich bekannt. Zur Reduktion eines magnetischen Rastmomentes (cogging) im Niedrig- und Teillastbereich dieser Maschinen hat man in der Vergangenheit vielfach eine Nutschrägung vorgesehen. Eine relative Schrägung der Nuten und insbesondere der darin befindlichen Wicklungen in Relation zu den Magneten bewirkt einen vergleichmäßigten Eingriff magnetischer Kraftwirkungen, und damit eine Reduktion von Rastmomenten. Ein Wicklungsträger, der vielfach Bestandteil eines Rotors ist, besteht üblicherweise aus einstückigen, ankerförmigen Blechlamellen, die aufeinandergeschichtet werden, um einen kompakten Körper zu erhalten. Die Blechlamellen sind jeweils identisch mit Nuten und Zähnen aus magnetischem Blechwerkstoff ausgebildet, und werden zur Paketierung des Wicklungsträgers und zur Ausbildung der Nutschrägung jeweils geringfügig mit einem konstanten Winkel relativ zueinander verdreht. Im Ergebnis wird somit die gewünschte Nutschrägung erzielt.
Die derart erzielte Nutschrägung bewirkt gleichzeitig eine Veränderung in der Geometrie des Raumes, welcher den Wicklungen zur Verfügung steht (Wickelraum). Denn auch der Wickelraum wird entsprechend der Nutschrägung in Relation zu der MotorMotorachse A verdreht. Der Füllgrad des Wickelraumes, also derjenige Raumanteil, welcher mit dem Werkstoff der Wicklungen gefüllt ist, wird durch diesen Zusammenhang eingeschränkt. Die Wicklungen können nicht optimal geführt werden, und in der Folge erhöht sich die Länge der Leiterschleifen, der Wicklungswiderstand ist erhöht und der Füllgrad ist reduziert.
Alle diese Einflüsse gehen zu Lasten von Wirkungsgrad und Effektivität der Maschine.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei ungehemmter Reduktion des Rastmomentes einen verbesserten Füllgrad der Wicklungen zu erzielen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, indem die Nutöffnungen jeweils antiparallel in Relation zu zueinander parallel ausgerichteten Magneten vorgesehen sind. In vorteilhafter Weise werden magnetische Rastmomente reduziert, und gleichzeitig hohe Füllgrade ermöglicht. Der Wicklungswiderstand wird durch die Rastmomentenreduktion nicht erhöht, und die Wicklungen können ideal symmetrisch gewickelt werden.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Nutöffnungen linear geschrägt und mit einem vorbestimmten Winkel α geneigt vorgesehen. Allerdings sind die Ausnehmungen für die Wicklungen parallel zu den Magneten angeordnet.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung sind die Nutöffnungen fischgrätartig geschrägt ausgebildet sind. Auch eine Freiform lässt sich in vorteilhafter Weise anwenden.

Ganz wesentlich bei ringförmig geschlossenen Statoren ist, dass jede Nutöffnung eine Öffnungsbreite aufweist, die zumindest geringfügig größer ausgebildet ist, als ein Wicklungsdrahtdurchmesser. Für Statoren, die aus Zahnsegmenten ausgebildet sind, ist das genannte Merkmal sekundär.

Zusammenfassend wird der Kupferfüllfaktor erhöht, und die Wicklungslänge wird reduziert. Die Blechlamellen sind in Ihrer Formgebung gewissermaßen intelligent ausgebildet, so dass sich mit geringem Aufwand und ohne Wirkungsgradreduktion eine Rastmomentenreduktion erzielen lässt.

Die erfindungsgemäße Bauweise lässt sich einfach bei Innenläufermaschinen anwenden, wie auch auf Außenläufermaschinen übertragen, bei denen der Stator aus paketierten Zahnsegmenten bestehen kann.

Erfindungsgemäß wird auch ein Herstellungsverfahren für Blechlamellen beansprucht, welches die Möglichkeit besitzt, benachbarte Blechlamellen nichtidentisch auszubilden, indem zwar die Ausnehmung zur Aufnahme der Wicklungen bei jeder Lamelle an demselben Ort vorgesehen ist, aber der gebildete Polschuh eine Nutöffnung mit jeweils zumindest geringfügig gegenüber der benachbarten Lamelle veränderten Parametern aufweist, so dass die Nutöffnung zukzessive – zumindest von Lamelle zu Lamelle – zur Trennung der Polschuhe und zum Einfädeln der Wicklungen in Unfangsrichtung verschoben ist. Dieses Herstellungsverfahren kann auf der Berücksichtigung der Gegebenheiten bei der Herstellung jeder Lamelle beruhen, oder aber auf einer nachträglich-mechanischen Herstellung der Nütöffnung, wenn ringförmig geschlossene Lamellen Verwendung finden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung anhand der Zeichnung hervor. In der Zeichnung zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines paketierten Zahnsementes nach der Erfindung,
2 in perspektivischer Ansicht ein Wicklungsträger, welcher aus mehreren Zahnsegmenten nach 1 zusammengesetzt ist,
3 eine weitere Ausführungsform eines Wicklungsträgers.
Eine Maschine zur Wandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie findet bei vielfältigsten Anwendungen in einem Kraftfahrzeug Verwendung, beispielsweise als Antrieb für eine Pumpe, insbesondere Hydraulikpumpe in einem Fahrzeugsicherheitssystem (Bremse, Fahrwerk, Lenkung), als Lüftermotor oder für eine sonstige Anwendung.
Prinzipiell sind nicht nur Motoranwendungen denkbar. Denn es ist möglich, den Motor durch Umkehrung der Kinematik im Generatorbetrieb zu betreiben, ohne die Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist folglich für Motoren, wie auch für Generatoren in vorteilhafter Weise nutzbar, wenn Rastmomente – insbesondere während einem Teillastbetrieb – zu verringern sind.
Die elektrische Maschine basiert auf einem, üblicherweise auf einer Welle angeordneten, Rotor mit einem Wicklungsträger 1 für elektrische Wicklungen die beispielsweise über einen mechanischen oder elekronischen Stromwender (Kommutator) mit Strom versorgt werden.
Des weiteren ist üblicherweise ein Stator umfassend ein Gehäuse mit daran angeordneten (Permanent)Magneten zwecks Erregung der Maschine vorgesehen. Sonderformen wie beispielsweise Außenläufermaschinen, bei denen die Wicklungen im Stator angeordnet sind, bürstenlose Motoren, und prinzipiell auch eine elektromagnetische Erregung sind denkbar, ohne die Erfindung zu verlassen.
Die Maschine verfügt über einen geblechten Wicklungsträger 1 aus mehreren paketierten Zahnsegmenten 10, 20, 30 (insbesondere für Außenläuferanwendungen wie insbesondere Lüfterantriebe) oder alternativ (für Innenläuferanwendungen) über einen, geblechten Wicklungsträger aus ringförmig geschlossenen, gestapelten Blechlamellen.

Bei der bevorzugten Zahnsegmentbauweise greifen die Lamellen 12, 22, 32 von benachbarten Zahnsegmenten 10, 20, 30 nach Art einer Verzahnung abwechselnd ineinander und ermöglichen dadurch einen magnetischen Rückschluß bei einfacher Konstruktion. Diese Bauweise erlaubt es auch, einen Luftspalt zwischen Magnet und Polschuh 4, 40 besonders gering zu halten, weil entsprechende Durchmesserkalibriervorgänge ermöglicht werden. Im Zusammenhang mit der Verzahnung von Zahnsegmenten 10, 20, 30 wird der Offenbarungsgehalt der älteren Patentanmeldung DE 103 59 577 in vollem Umfang einbezogen.

Der Wicklungsträger 1 trägt nicht gezeichnete Wicklungen, die relativ zueinander parallel ausgebildet sind. Die Wicklungen sind ferner parallel zu nicht dargestellten Magneten sowie der Motorachse A ausgerichtet.

Die elektrischen Wicklungen sind in nutenförmigen Ausnehmungen 11, 21, 31 des Wicklungsträgers 1 angeordnet, wobei die Ausnehmungen 11, 21, 31 parallel zu den Magneten angeordnete Kanten aufweisen. Das Einfädeln des Wicklungsdrahtes erfolgt über eine Nutöffnung 13, 23, 33, welche sich am Innenumfang oder am Außenumfang des Wicklungsträgers 1 befindet.

Die Erstreckung einer Nutöffnung 13, 23, 33 ist in jedem Fall antiparallel zu der Erstreckung der Magnete. Dies bedeutet, dass die Nutöffnung 13, 23, 33 linear geneigt oder frischgrätartig geneigt oder prinzipiell feiformgeschwungen ausgebildet sein kann.

Üblicherweise werden alle Blechlamellen 12, 22, 32 zur Bildung von Zahnsegmenten 10, 20, 30 oder die ringförmigen Lamellen eines Wicklungsträgers identisch ausgebildet. Erfindungsgemäß wird von dieser Fertigungsmethode Abstand genommen, denn die einzelnen aufeinander geschichteten Blechlamellen weisen eine individuelle Form auf, damit sich nach der Montage die antiparallele Nutöffnung 13, 23, 33 ergibt. Bei den bevorzugten Ausführungsformen wird dies dadurch erzielt, dass der Bodenabschnitt 5 an einem Nutgrund unterschiedlich lang ausgebildet ist. Prinzipiell erfolgt dies durch ein entsprechendes Stanz- oder Laserschneidverfahren, wobei sich die Länge der einzelnen Bodenabschnitte 5 am Nutgrund von Lamelle zu Lamelle variieren lässt. Es versteht sich, dass ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung von Blechlamellen 12, 22, 32 und Wicklungsträgern 1 von der Erfindung mitumfasst ist.

Es ist jedoch prinzipiell genauso denkbar, die Nutöffnung 13, 23, 33 nach Paketierung eines Zahnsegmentes 10, 20, 30 mechanisch einzuarbeiten, ohne die Erfindung zu verlassen. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang jedoch, dass die Erstreckung der Nutöffnung antiparallel zu den Magneten erfolgt.

1: Wicklungsträger
4: Polschuh
5: Bodenabschnitt
10: Zahnsegment
11: Ausnehmung
12: Blechlamelle
13: Nutöffnung
20: Zahnsegment
21: Ausnehmung
22: Blechlamelle
23: Nutöffnung
30: Zahnsegment
31: Ausnehmung
32: Blechlamelle
33: Nutöffnung
40: Polschuh
t: Öffnungsbreite
A: Motorachse

Claims

Elektrische Maschine zur Wandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, oder umgekehrt, umfassend einen Rotor, einen Stator, Magnete zur Erregung der Maschine sowie mit einem geblechten Wicklungsträger (1) aus mehreren paketierten Zahnsegmenten (10, 20, 30) oder mit ringförmig geschlossenen Blechlamellen mit relativ zu den Magneten parallel ausgebildeten elektrischen Wicklungen, die in nutenförmigen Ausnehmungen (11, 21, 31) der Blechlamellen (12, 22, 32) angeordnet sind, welche an einem Innen- oder Außenumfang des Wicklungsträgers (1) in Nutöffnungen (13, 23, 33) übergehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutöffnungen (13, 23, 33) jeweils antiparallel in Relation zu zueinander parallel ausgerichteten Magneten vorgesehen sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutöffnungen (13, 23, 33) linear geschrägt und mit einem vorbestimmten Winkel α geneigt vorgesehen sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutöffnungen (13, 23, 33) fischgrätartig geschrägt ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutöffnungen (13, 23, 33) eine Freiform aufweisen.
Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Nutöffnung (13, 23, 33) eine Öffnungsbreite (t) aufweist, die zumindest geringfügig größer ausgebildet ist, als ein Wicklungsdrahtdurchmesser.