DE3704780A1 - System von verbesserungen fuer elektrische maschinen mit eisenlosem glockenanker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen mit eisenlosem Glockenanker und auch solche Ausführungen, bei denen das Magnetsystem rotiert und der Glockenanker stillsteht, so daß reibungslos elektronische Kommutierung mög­ lich ist (z. B. mittels optoelektronischer Sensoren für die Lage des Rotors) (z. B. für Schwungrad-Energiespeicher).

Elektromotoren mit eisenlosem Glockenanker sind bereits bekannt: Zum Beispiel der Faulhabermotor, s. AS 11 88 709, oder der japanische Gleichstrommotor ge­ mäß der OS 28 39 001. Ein besoderes Problem bei diesem Motortyp ist die Ausführung der Wicklung: Sie muß flach sein und sollte das vom Magnetsystem bereitgestellte Magnetfeld möglichst gut zur Kraftentwicklung nutzen. Dies tun die bekannten Ausführungen nur recht schlecht: Bei der Fauhalberwick­ lung ist jeweils nur knapp die Hälfte der Wicklung aktiv (← von einem Stück Wicklungsdraht zwischen zwei Knicken ist meist ein Teil der "falschen" Feld­ richtung ausgesetzt, wenn es nicht gerade genau mittig vor einem Pol liegt), und um einen weiteren Faktor von etwa ¹/₂ reduziert sich die "Feldausnutzung" dadurch, daß durch die Abweichung der Drahtrichtung von der axialen Richtung die Lorentzkraft nicht die gewünschte tangentiale Richtung hat (das ergibt z. B. für l = d u. p = 1 eine Drehmomentminderung auf 53,7%). Zudem ist der mag­ netische Gesamtfluß des Motors recht gering, was man schon an dem dünnen Weicheisen jedoch erkennt in Verbindung mit der Polpaarzahl p von nur 1. Bei dem japanischen Motor mit separat gewickelten Spulen ist die Feldaus­ nutzung noch schlechter, weil einzelne Teile der Wicklung noch öfter der "falschen" Feldrichtung ausgesetzt sind und weil im Inneren der Spulen viel Platz ungenutzt bleibt.

Der Gesamtstrom durch den Anker ist durch die Wärmeentwicklung begrenzt. So liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Wicklung, Magnetsystem und an­ dere Teile so zu gestalten, daß der begrenzte Strom möglichst weitgehend und effektiv in Kraft und Leistung umgesetzt wird bei minimalem Gewicht.

Dadurch wird auch die Zeitkonstante des Motors klein, was z. B. bei seiner An­ wendung als Stellmotor erwünscht ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt z. B. einen 737 g-Motor mit 4907 W Dauerleistung (6,66 kW/kg) und einem Wirkungsgrad von 98%, s. u.

Die erfindungsgemäße Wicklung ähnelt in ihrer Projektion auf den Zylinder­ mantel den gängigen Wicklungsschaltplänen für Schleifen- und Wellenwicklung, wie man sie finden kann z. B. bei J. Reiser: Elektrische Maschinen; allerdings abgesehen von dem besonderen Trick der "Leiterabflachung" (s. Anspruch 1 u. 2), mit dessen Hilfe die Wicklungsköpfe geordnet und dicht ausgeführt werden können, s. Abb. 1. Für Abknickwinkel und Abflachung günstige Werte sind 60°/0,5 (Anspruch 3): Zwar wird das Gewicht des Wicklungskopfes minimal für α → 90°, aber bei α = 60° ist es nur ca. 15% höher; dafür ist dann der Wick­ lungskopf nur doppelt so dick wie die Wicklung und man kann die Leiterabfla­ chung mit zwei parllelgeführten Runddrähten realisieren. Im übrigen ist die Wicklung gemäß den bekannten Wicklungsprinzipien für Schleifen- oder Wellen­ wicklung ausgeführt, wobei allerdings die einzelnen Spulen jeweils nur aus ei­ ner Windung bestehen (von denen auch nicht jede einen Kollektoranschluß haben muß) und mangels Nuten direkt nebeneinander liegen, wie üblich jeweils mit einer Seite in der "Unterschicht" und mit der anderen in der "Oberschicht". (Man kann natürlich auch mehrere dieser "Zweischichtwicklungen" übereinander anordnen).

Herstellen kann man eine solche Wicklung nicht nur durch Wickeln, sondern insbesondere bei größeren Ausführungen problemloser durch Zusammensetzen von in ihrer endgültigen Form vorgefertigten, gleichen Einzelwindungen (s. Abb. 2) gemäß Anspruch 4, 5 und 6 (vorzugsweise mit Fertigungsautomaten) (Her­ stellung der Windungen etwa durch Biegen aus Rechteckprofilstäben oder durch Gießen). Beim Wickeln realisiert man die "Leiterabflachung" vorteilhaft mittels zweier parallelgeführter Runddrähte (s. Anspruch 7), die man vorzugs­ weise mit einem Wickelarm führt, der auch um seine Längsachse drehbar ist für die Verwindung beim Übergang zum Wicklungskopf (die hier übrigens für dichtest mögliche Wicklung 60° statt 90° beträgt). Um auch von den ersten Windungen jeweils eine Seite in die Oberschicht zu bekommen, verwendet man vorteilhaft einen Hilfskörper mit Stufe gemäß Anspruch 8, s. Abb. 5. (Sonst kämen von den ersten Windungen beide Seiten in die Unterschicht, von den letzten beide in die Oberschicht; die so erforderliche Sonderbehandlung dieser Windungen würde Bau und Programmierung des Wickelautomaten erschweren und durch die asymmetrische Form ergäbe sich eine Unwucht.)

Das Magnetsystem unterscheidet sich von herkömmlichen Ausführungen schon durch seine relativ hohe Polpaarzahl. Die dadurch bedingten häufigeren Rich­ tungswechsel des Stromes im Anker schaden nicht, weil die Ummagnetisierungs­ verluste entfallen und auch die Stromwendung wegen der geringen Induktivität der Spulen relativ unproblematisch ist. Durch die hohe Polpaarzahl reduzieren sich die Einzelflüsse und brauchen nur noch über kürzere Wege geleitet werden, so daß man Weichen spart, ebenso wie durch das Merkmal gemäß Anspruch 11. Ersparnis am Magnetgewicht ergeben die Merkmale nach Anspruch 9 und 10. Besonders vorteilhaft ist das Merkmal des Anspruchs 10 bei Verwendung von Dauermagneten (Anspruch 12): Die Streuflüsse werden klein und ebenso die Induktivitäten der Spulen. Bei Aufbau mit Dauermagneten erzielt man eine wesentlich höhere Magnetisierung (und eine leichtere Montage: Im Ausführungs­ beispiel ziehen sich die Pole im magnetisierten Zustand mit einer Kraft von jeweils ca. 200 N an) dadurch, daß man das Magnetsystem erst nach der Mon­ tage magnetisiert, was mit dem Werkzeug gemäß Anspruch 13 und 14 schnell und billig geht.

Bei mechanischer Stromwendung führt man die Bürsten vorteilhaft gemäß An­ spruch Abb. 15 als Mehrschicht-Bürsten aus: Dadurch, daß die Lamellen gegen Ende der Stromwendung nur noch Kontakt mit schwach leitenden Bereichen der Bürsten haben, wird die Stromwendung unterstützt, so daß man bis zu hohen Leis­ tungen ohne Wendepole auskommt. Solche wird man erst ab einer Leistung zwi­ schen 10 und 100 kW brauchen, ab der dann auch Elektromagnete günstiger als Dauermagnete werden.

Um aus dem begrenzten Strom nicht nur viel Kraft, sondern auch viel Leistung zu "machen", bedarf es einer hohen Umfangsgeschwindigkeit. Hier ist der be­ grenzende Faktor die Festigkeit des Rotors gegen die Zentrifugalkraft. Um sie zu erhöhen, kann man ihn gemäß Anspruch 16 mit einem Fasermantel um­ geben. Zumindest in dem Fall, daß die stromführende Struktur der Rotor ist, sollte man dafür ein Material mit sehr hohem Elastizitätsmodul nehmen wie z. B. Si C-Whisker mit E≈500 GPa: Da die Leiter dicht zusammen liegen, sind die Klebstoffschichten zwischen ihnen sehr dünn, so daß der Rotor nur eine sehr geringe Dehnbarkeit aufweist. Zum Beispiel bei einem Glasfasermaterial mit einem E- Modul von nur ca. 70 GPa würde die dann stärkere Dehnung die Leiter ausein­ anderreißen, lange bevor die Festigkeitsgrenze des Glasfasermaterials erreicht wäre. Zu beachten ist ferner, daß der Fasermantel keine schädliche Leitfä­ higkeit aufweist, die ihn zur Wirbelstrombremse machen würde.

Zwecks besserer Wärmeabfuhr kann man den Rotor gemäß Anspruch 17 mit ei­ ner "Ventilationsspirale" versehen. Will man damit Luft von "außen" ansaugen, sollte man einen Filter vorschalten.

Für extrem hohe Belastung oder Drehzahl kann es günstig sein, die strom­ führende Struktur gemäß Anspruch 18 u. 19 an beiden Seiten abzustützen:
Radial mit enem "Ring" zwischen dem "offenen Ende" des Glockenankers und dem die inneren Magnete tragenden Rohr, der vorzugsweise mit ersterem fest ver­ bunden ist und auf letzterem drehbar gelagert ist, s. Abb. 8. Tangential (zur Minderung der Torsionsbelastung) mit einer zweiten Drehmomentabnahme an einem Zahnrad an obigem Ring z. B. über eine Vorlegewelle, s. Abb. 8.

Da man für die meisten Anwendungen deutlich niedrigere Drehzahlen braucht als die für diese Wandler typischen, wird man sie in der Regel serienmäßig mit einem Getriebe versehen, und zwar von vorzugsweise gemäß Anspruch 20 mit einem Planetengetriebe mit dem Sonnenrad auf der Wandlerachse: Dadurch wird diese nicht radial belastet, so daß ihre wegen der hohen Drehzahlen nicht ganz un­ problematische Lagerung vereinfacht wird.

Ein Ausführungsbeispiel zeigen die Abb. 3 und 4 im Maßstab 2 : 1:
Das Magnetsystem ist der stillstehende Teil und arbeitet mit Dauermagneten aus AlNiCO 60/11. Luftspalt: Breite: 1,17 mm Induktion: 0,85 T Rotor: Durchmesser: 43 mm Länge (ohne Wicklungsköpfe): 54 mm Wandstärke: 0,914 mm, davon Wicklung 0,49, Fasermantel (SiC) 0,424. Die Wicklung ist als Schleifenwicklung ausgeführt; jede 4. Windung ist an eine Kollektorlamelle angeschlossen. Netto-Abgabeleistung: 4907 W bei 56180 U/min. Gesamtwir­ kungsgrad: ca. 98%. Ohmsche Verluste: 34,4 W (Es handelt sich um eine ge­ schlosse Ausführung; eine offene Ausführung mit Kühlluftförderung gemäß Anspruch 17 würden eine 2-3mal höhere Leistungsabgabe ermöglichen). Spannung: 130 V Strom: 38 A. Gewicht: 737 g.

Die Zeitkonstante beträgt nur ca. 1 msec, wobei der Motor nicht daraufhin optimiert ist; durch spezielle Maßnahmen (z. B. Wicklung aus Al statt Cu) lie­ ße sich auf ca. 0,2 msec reduzieren.

Anmerkungen: Zum Anspruch 9: Man kann die äußeren Magnete nach Montage des Ankers z. B. in der Weise montieren, daß man sie an ihren kollektorseitigen Stirnflächen mit Gewindebohrungen versieht, mittels derer man sie mit einem kollektorseitig positionierten Haltering verbindet, der etwa den Durchmesser des Ankers hat. Sind dann alle Magnete an ihrem Platz, wird der Weicheisen­ mantel übergestreift.

Zu S. 2 Z. 32ff: Die hohe Polpaarzahl hat außerdem den Vorteil, daß die Wick­ lungsköpfe klein ausfallen.

Zur Stromwendung: Eventuell wird für die Abführung der durch die Stromwen­ dung bedingten Verlustleistung eine besondere Kühlung der Bürsten und des Kollektors notwendig, etwa mittels Kühlluftförderung durch deren Inneres.

Zu Abb. 2: Die Einzelwindung ist dargestellt in schräger Parallelprojektion mit einem Verzerrungswinkel von 45° und einem Verzerrungfaktor von 1 über ihrem "inneren Sechseck" (und drei Hilfslinien) als Grundriß. Der Leiterquer­ schnitt ist "übertrieben" und der größte Teil des axialen Bereichs ist wegge­ lassen.

Claims (20)

1. Elektromechanischer Wandler für rotierende Bewegungen mit einem Magnet­ system, das in einem zylindrischen Spalt ein radiales Magnetfeld erzeugt, und mit einem glockenförmigen Anker, welcher mit seinem zylindrischen Teil in dem Spalt des Magnetsystems angeordnet ist und hier in axialer Richtung Strom führen kann in von Pol zu Pol wechselnder Richtung, wobei das Magnetsystem und der Anker gegeneinander drehbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Anker die tangentialen Verbindungen ("Wick­ lungskopf") der etwa axialen Leiter realisiert sind in der Weise, daß sie in ihren Projektionen auf den Zylindermantel ein spitzdachförmiges Bild erge­ ben mit einem Abknickwinkel α gegen die axiale Richtung und daß die brei­ te der Leiter in der Pojektion auf den Zylindermantel im Wicklungskopf um den Faktor r _A = cos α kleiner ist als im "axialen Teil" der Wicklung, so daß die Leiter aufeinanderfolgender Windungen, wenn sie m Wicklungskopf dicht ne­ beneinander liegen, auch im axialen Teil dicht liegen (s. Abb. 1).

2. Elektromechanischer Wandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter in der Weise flach sind, daß sie etwa im "axialen" Bereich in radialer Richtung um den "Abflachungsfaktor" r _A = cos α weniger ausgedehnt sind als in tangentialer Richtung und daß ihre Profile beim Übergang zum Wicklungskopf um ca. 90° um ihre Achsen gedreht sind (→ Verwindung), so daß sie im Wicklungskopf ihre größte Ausdehnung in radialer Richtung haben (s. Abb. 2).

3. Elektromechanischer Wandler gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abknickwinkel α zu 60° gewählt wird und die Leiterabflachung dement­ sprechen zu ¹/₂.

4. Herstellungsverfahren für elektromechanischen Wandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung zur Zylinderform zusammengesetzt wird aus einzelnen, vorzugsweise gleichen, in ihrer endgültigen Form aus lei­ tendem Material vorgefertigten Windungen (s. Abb. 2), die dann verbunden werden.

5. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen vorgefertigten Windungen nacheinander nebeneinander aufgelegt werden auf einen zylindrischen Hilfskörper (vorzugsweise mit waagerechter Achse und um diese drehbar) mit einem Außendurchmesser, der etwa gleich dem Innendurchmesser der herzustellenden Wicklung ist, wobei einerseits unter den ersten Windungen Hilfsfäden in etwa tangentialer Richtung angebracht sind, damit diese Windungen später etwas angehoben werden können, um die Untersei­ te der letzten Windungen unter sie schieben zu können, und andererseits über den Oberseiten der schon aufgelegten Windungen Hilfsfäden in etwa tan­ gentialer Richtung gespannt werden, die diese am Zylinder halten.

6. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zylindrischen Hilfskörpers etwas veränderbar ist, z. B. mit Hilfe eines Schlitzes und einer Überlappung, so daß er gegen Ende des Zu­ sammensetzens der Wicklung etwas vergrößert werden kann zwecks Erleichterung des Unterschiebens der letzten Windungen.

7. Elektromechanischer Wandler gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus zwei parallelgeführten Runddrähten besteht.

8. Herstellungsverfahren für elektromechanischen Wandler gemäß Anspruch 7 mit Schleifenwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß jede Windung genau gleich geformt sein kann dadurch, daß die Wicklung zunächst auf einen Hilfskörper gewickelt wird, der für den Wicklungsbeginn eine ebensolche "Erhöhung/Stufe" hat, wie sie sich für die späteren Windungen aus den schon gewickelten Windun­ gen ergibt, s. Abb. 5, und erst nach der Wicklung zur Zylinderform "zu­ sammengefügt" wird, die auf diese Weise völlig gleichmäßig wird (.d h. rota­ tionssystemmetrisch bezüglich Drehwinkeln entsprechend der Leiterbreite und ganz­ zahliger Vielfacher davon).

9. Elektromechanischer Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt des Magnetsystems nur wenig dicker ist als der "axiale Teil" der Wicklung, so daß etwa der äußere Teil des Magnet­ systems erst nach Einsetzen des Ankers montiert wird, weil die etwa doppelt dicken Wicklungsköpfe nicht durch den Spalt passen.

10. Elektromechanischer Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem Magnete (d. h. Teile, die magne­ tische Spannung erzeugen), innerhalb und außerhalb der stromführenden Struk­ tur aufweist (s. Abb. 4).

11. Elektromechanischer Wandler für rotierende Bewegung mit einem Magnetsys­ tem, das in einem zylindrischen Spalt ein radiales Magnetfeld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die die magnetischen Kreise schließenden Weich­ eisenteile gewichtssparend ausgeführt sind mit entlang dem Umfang variieren­ der, dem lokalen magnetischen Fluß angepaßte Dicke, s. Abb. 4.

12. Elektromechanischer Wandler gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete Dauermagnete sind.

13. Herstellungsverfahren für elektromechanischen Wandler gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 11 mit Dauermagneten, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete erst nach der Montage des Wandlers magnetisiert werden mit Hilfe von durch die axialen Zwischenräume zwischen den Polen gesteckten elektrisch lei­ tenden Stäben, durch die für kurze Zeit ein hoher Magnetisierungsstrom gelei­ tet wird in von Pol zu Pol wechselnder Richtung.

14. Werkzeug für Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stäbe auf der einen Seite passend für den zu magnetisieren­ den Wandler fest in einem Träger (z. B. Platte) montiert sind und passend lei­ tend verbunden sind und zum Magnetisieren durch den Wandler geschoben werden durch passende Löcher in dessen Grundplatte und im "Deckel" der glock­ enförmigen Struktur und daß auf der anderen Seite des Wandlers eine 2. Platte auf die Stäbe aufgesetzt wird, mit der sie mäanderförmig leitend ver­ bunden werden, s. Abb. 6.

15. Elektromechanischer Wandler mit mechanischem Kollektor, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bürsten aus mehreren Schichten senkrecht zur tangentialen Richtung aufgebaut sind in der Weise, daß in tangentialer Richtung erst eine Schicht geringer Leitfähigkeit kommt, dann eine Schicht hoher Leitfähigkeit und schließlich wieder eine Schicht geringer Leitfähigkeit, s. Abb. 7.

16. Elektromechanischer Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor zwecks Aufnahme der Fliehkräfte mit einem Mantel aus Faserverbundwerkstoff mit sehr hohem E-Modul (z. B mit Si C-Whiskern) umgeben ist.

17. Elektromechanischer Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, da­ durch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor eine linienförmige Erhebung spiralför­ mig aufgebracht ist, die Kühlluft in axialer Richtung durch den Spalt fördert.

18. Elektromechanischer Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glockenanker eine zweite Abstützung hat an seinem sonst offenen Ende gegen das Rohr, das die inneren Magnete trägt, s. Abb. 8.

19. Elektromechanischer Wandler gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Glockenanker eine zweite Drehmomentabnahme hat über einen Zahnkranz an der zweiten Abstützung, s. Abb. 8.

20. Elektromechanischer Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Planetengetriebe angeflanscht ist mit dem Sonnenrad auf der Achse des Wandlers.