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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Luftspule sowie eine elektrische Maschine mit einer Luftspule hergestellt nach diesem Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit der
US 10,193,427 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten elektrischer Maschinen mit axialem oder radialem Magnetfluss bekannt geworden. Dabei werden mehrere Laminatschichten und/oder Materialpartikel mittels Laserschmelzen miteinander verbunden. Dieses Verfahren ist jedoch in der geometrischen Gestaltung der Komponenten und der Materialauswahl sehr eingeschränkt. Die
DE 1 188 709 A1 offenbart eine Luftspule, die mittels einer zick-zack-förmig hin- und herlaufenden Drahtwicklung hergestellt ist. Die
DE 10 2017 120 750 A1 beschreibt ein 3D-Multimaterial-Druckverfahren zur Herstellung einer Gitterstruktur und/oder eines Wärmetauschers. Dabei wird mit einer Kamera das schichtweise Auftragen der Materialien mittels einer Extrusionsdüse überwacht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Luftspule für eine elektrische Maschine herzustellen, die eine höhere Leistungsdichte und eine bessere mechanische Stabilität verglichen mit dem herkömmlichen Drahtwickeln aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Luftspule, sowie die elektrische Maschine mit einer Luftspule hergestellt nach diesem Verfahren, nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass mittels dem dreidimensionalen (3D) Druckverfahren in einem einzigen Prozess mit verringertem Fertigungsaufwand eine vollständige Luftspule hergestellt werden kann, die eine komplexe Anordnung von Windungen aufweist. Durch das additive Multi-Material-Druck-Verfahren kann die Luftspule aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, die mechanisch fest miteinander verbunden sind. So können hiermit mehrere Windungen in frei wählbaren geometrischen Formen gefertigt werden, die sich über die gesamte axiale Ausdehnung der zylindrischen Luftspule erstrecken, und dabei mechanisch starr, und elektrisch gut isoliert miteinander verbunden sind. Durch die Auswahl der Materialien und dem additiven Aneinanderfügen von Windungen und Isolation kann die thermische Leitfähigkeit und der Füllfaktor der Luftspule verbessert werden. Dadurch kann entweder der Bauraum der elektrischen Maschine verkleinert, oder bei gleichem Bauraum deren maximale Leistung vergrößert werden. Alternativ können dadurch auch kostengünstigere Magnetmaterialen für den Permanentmagnetzylinder verwendet werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Für die Ausbildung der einzelnen Windungen, die sich entlang einem Hohlzylinder erstrecken, kann bei dem additiven 3D-Drucken ein gut elektrisch leitendes Material verwendet werden, vorzugsweise Kupfer. Zwischen den einzelnen Windungen ist ein gut isolierendes Material angeordnet, vorzugsweise eine Keramik. Durch das 3D-Drucken können die einzelnen, gegeneinander isolierten Windungen mit einem optimierten Kupferfüllfaktor hergestellt werden, da sich zwischen den Windungen keine Luftspalte bilden. Vielmehr sind die Windungen mit dem dazwischen angeordneten isolierenden Material als ein kompakter Hohlzylinder ausgebildet, der in sich frei tragend und mechanisch stabil ist. Eine solche Luftspule ist daher über die gesamte Lebensdauer sehr robust gegenüber einer thermischen Beanspruchung und gegenüber Dauerlastschwingungen. Durch das Multimaterial-3D-Druckverfahren kann insbesondere auch die äußere Umfangswand und/oder die Innenwand des Hohlzylinders isolierend ausgebildet werden, so dass auf eine weitere Isolierung für die Luftspule verzichtet werden kann.
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Durch den großen Gestaltungsfreiraum beim 3D-Drucken können die elektrischen Windungen der Luftspule sehr kompakt einstückig mit der Isolierung ausgebildet werden. Dabei sind die Windungen mittels dem isolierenden Material zuverlässig gegenüber unerwünschten Kurzschlüssen isoliert. Dabei dient die Isolation auch direkt als mechanische Verbindung zwischen den Windungen, wodurch auch axiale Leiter der Windungen mit sehr großer Steigung mechanisch stabil als Hohlzylinder ausgebildet werden können. Der Materialquerschnitt der axialen Leiter kann dabei an die Geometrie des Hohlzylinders angepasst werden. Bei einem trapezförmigen Querschnitt können die axialen Leiter den Kreisring des Hohlzylinders optimal ausfüllen, wodurch der „Kupferfüllfaktor“ deutlich gegenüber einer herkömmlichen Drahtwicklung gesteigert wird. Näherungsweise kann der Materialquerschnitt auch rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein, wobei auch hier die Isolation flächig an den Außenseiten der Leiterquerschnitte anliegt. Durch den viereckigen Querschnitt kann die Schichtdicke der Isolation minimiert werden, wobei trotzdem keine Hohlräume zwischen den Windungen entstehen.
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Durch das 3D-Druckverfahren kann sehr einfach eine Luftspule mit einer sehr kleinen radialen Dicke hergestellt werden, bei der nur zwei Windungslagen radial nebeneinander angeordnet sind, wobei sich vorzugsweise genau eine einzelne Windung radial über zwei Windungslagen erstreckt. Es können mittels dem additiven Drucken jedoch auch beliebig mehr Windungslagen gedruckt werden, ohne dass dadurch der Aufwand steigt. Alternativ kann die Luftspule auch nur eine einzige oder eine ungerade Anzahl an Windungslagen aufweisen, wobei sich dann der Hin- und Rückleiter einer Windungsfläche in der gleichen Windungslage erstreckt. Über den gesamten Umfang des Hohlzylinders können die aneinandergereihten einzelnen Windungen eines Phasenstrangs auch viele Magnetpole bilden, beispielsweise 4, 6, 8, 10 oder 12 elektrische Magnetpole.
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Mittels dem Multi-Material-3D-Druckverfahren können in sehr einfacher Weise unterschiedliche Verschaltungen der Windungen, wie beispielsweise eine Dreiecksschaltung oder eine Sternschaltung realisiert werden. Die Luftspule wird dabei mittels einem einzigen 3D-Druck-Prozess vollständig mit den Stromanschlüssen der Verschaltungsanordnung ausgebildet, so dass keine weiteren Bauteile für die Verschaltung notwendig sind. Die Luftspule kann über Anschluss-Leitungen beispielsweise von einer benachbarten Elektronikeinheit direkt elektronisch kommutiert werden. Bei einer solchen elektrischen Maschine entfällt die Montage und Kontaktierung einer separat gefertigten Verschaltungsplatte, wodurch einerseits erheblich Montageaufwand gespart werden kann, und andererseits die elektrische Maschine deutlich robuster ausgeführt werden kann.
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Verlaufen die axialen Leiter der Windungen im axial mittleren Bereich der Luftspule mit einer größeren Steigung als in deren axialen Randbereiche, kann eine solche Windung mit einer größeren Windungsfläche mit dem Permanentmagnetpol des Magnetzylinders überlappen. Dabei können Bereiche der Windungsfläche mit negativem Flussbeitrag deutlich reduziert werden. Besonders günstig ist es, wenn die axialen Leiter näherungsweise entlang der Polgrenzen des Magnetzylinders - vorzugsweise entlang der Rotorachse - verlaufen, da hierdurch die bestmögliche Überlappung mit dem Permanentmagnetfeld erzielt werden kann, was den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine deutlich erhöht. Dabei weisen die axialen Leiter in den axialen Randbereichen eine deutlich geringere Steigung auf, als im axial mittleren Bereich, damit die einzelnen Windungen einen ausreichend großen Umfangswinkel des Hohlzylinders überdecken. Dieser Winkelbereich orientiert sich an der Anzahl der Permanentmagnetpole. Durch das 3D-Drucken kann eine sprunghafte Änderung der Steigung der axialen Leiter auf kleinem Raum (d.h., mathematisch unstetiger Verlauf) mit ausreichender mechanischer Stabilität im Hohlzylinder ausgeformt werden.
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Die Querschnittsfläche der axialen Leiter der Windungen kann mittels dem flexiblen 3D-Druckverfahren eine beliebige Form und einen beliebigen Betrag aufweisen. Im Gegensatz zur Drahtwickel-Technik kann durch das flexible 3D-Druckverfahren die Geometrie der einzelnen Windungen an verschiedenen axialen Bereichen des Hohlzylinders einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen. Dadurch ändert sich die wirksame Materialquerschnittsfläche der einzelnen Windungen entlang der axialen Erstreckung des Hohlzylinders. So kann beispielsweise der Querschnitt der einzelnen Windungen an der Stirnseite eine größere radiale Ausdehnung aufweisen, als im axial mittleren Bereich der Luftspule. Dabei kann sich das Material der Windungen entlang der Stirnseiten radial nach außen und/oder radial nach innen erstrecken. Dadurch kann der elektrische Widerstand der Windungen an den Stirnseiten reduziert werden und gleichzeitig die axiale Baulänge der Luftspule verringert werden. Außerdem kann die größere radiale Erstreckung des Materialquerschnitts der Windungen an den Stirnseiten zu deren Kühlung genutzt werden. Soll hingegen zum axialen auch der radialer Bauraum gespart werden, kann der Materialquerschnitt der Windungen an den axialen Randbereichen des Hohlzylinders auch gegenüber dem axial mittleren Bereich reduziert werden. Dies kann in bestimmten Fällen in Kauf genommen werden, wenn beispielsweise keine große Dauerbelastung des Elektromotors auftritt. Mit der Variation des Materialquerschnitts kann auch entsprechend beim 3D-Drucken die Form und/oder die Dicke der dazwischen liegenden Isolationsschichten einfach angepasst werden.
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Werden die einzelnen Windungen im axial mittleren Bereich mit einer deutlich höheren Steigung ausgebildet, als in den axialen Randbereichen, kann vorteilhaft auch die axiale Länge des Magnetzylinders reduziert werden. Di axiale Länge des Magnetzylinders entspricht dann bevorzugt der axialen Länge des axial mittleren Bereichs der Luftspule mit der größeren Steigung der axialen Leitern. Dabei stehen die axialen Randbereiche der Luftspule axial über den Magnetzylinder hinaus. Besonders bei der Verwendung von Seltene Erden Magneten können dadurch erheblich Kosten für das Magnetmaterial gespart werden.
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Durch die Anordnung der beiden axialen Leiter einer einzelnen Windung in unterschiedlichen Windungslagen können sehr viele identische axiale Leiter in jeder Windungslage bezüglich der Umfangsrichtung formschlüssig aneinander gereiht werden, wodurch der „Kupferfüllfaktor“ erhöht werden kann. Durch das 3D-Drucken kann der radiale Übergang von der ersten in die zweite Windungslage ohne den Biegeradius einer Drahtwicklung erfolgen, so dass die beiden Windungslagen auch an den axialen Randbereichen radial sehr eng aneinander anliegen, wodurch ein bauchiger Wickelkopf wie bei der Drahtwicklung verhindert wird. Dadurch kann der Bauraum optimal genutzt werden und eine kompakte elektrische Maschine mit hoher Leistungsdichte hergestellt werden.
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Beim Drahtwickeln einer „gestrickten Luftspule“ ist das Zusammenstricken der einzelnen Wicklungssegmente sehr aufwändig. Beim Multi-Material-3D-Drucken können auch komplexe Geometrien der einzelnen Windungen und der ganzen Phasenstränge ohne jeglichen Mehraufwand gedruckt werden, da die Materialien der Windungen und der Isolation axial schichtweise mittels der Düsen aufgetragen werden. Dadurch kann auch eine große Anzahl von Magnetpolen über den Umfang der Luftspule ausgebildet werden, weil die einzelnen axialen Leiter immer stoffschlüssig mechanisch fest zu dem Hohlzylinder verbunden werden. Somit können auch Elektromotoren mit sechs bis zwölf oder mehr Magnetpolen hergestellt werden. Dadurch kann das Rastmoment eines solchen Elektromotors minimiert werden.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine hat den Vorteil, dass diese aufgrund der 3D-gedruckten Luftspule eine geringere axiale Baulänge aufweist, als herkömmlich drahtgewickelte elektrische Maschinen mit vergleichbaren Materialquerschnitt. Durch das 3D-Drucken der Luftspule mit dem leitenden und isolierenden Material kann einerseits ein Hohlzylinder mit einem optimalen Kupferfüllfaktor ausgeführt werden, und gleichzeitig die axiale Bauhöhe des korrespondierenden Permanentmagnetzylinders der elektrischen Maschine minimiert werden. Dadurch kann die Leistungsdichte der elektrischen Maschine pro Baulängeneinheit erhöht werden. Der Hohlzylinder kann dabei als gehäusefester Stator ausgebildet werden, der mittels elektronischer Kommutierung einen Permanentmagnetzylinder als Rotor antreibt. Dabei kann der Permanentmagnetzylinder radial innerhalb oder außerhalb der Luftspule angeordnet sein und insbesondere mechanisch mit dem magnetischen Rückschluss verbunden sein, der radial auf der gegenüberliegend zum Magnetzylinder angeordnet ist, so dass die Luftspule radial nach innen und nach außen zu dem rotierenden Magnetzylinder und dem rotierenden Rückschluss aufweist. Alternativ kann der Hohlzylinder als drehbarer Rotor ausgebildet werden, der über einen mechanischen Kommutator bestromt wird, und von einem Permanentmagnetzylinder als drehfesten Stator angetrieben wird. Dabei kann die drehbare Luftspule auch radial innerhalb oder radial außerhalb des Magnetzylinders angeordnet sein.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ausführungen der Beschreibung und der Zeichnungen, wie diese in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben sind. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
- 2 ein Querschnitt durch eine Luftspule einer weiteren Ausführung,
- 3 eine schematische Darstellung des Windungsverlaufs Von weiteren Ausführungsbeispielen, und
- 4 eine weiteren Ausführung eines Windungsverlaufs einer Luftspule.
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In der 1 ist als Explosionszeichnung eine elektrische Maschine 28 dargestellt, bei der ein Magnetzylinder 34 als Rotor 33 innerhalb einer Luftspule 10 angeordnet ist. Die Luftspule 10 weist an einer ersten axialen Seite 31 Stromanschlüsse 17 auf, die mit einer Verschaltungsanordnung 16 verbunden sind. Um die Luftspule 10 herum ist ein magnetischer Rückschlussring 36 angeordnet, der beispielsweise als laminiertes Blechpaket 38 ausgebildet ist. Das Blechpaket 38 bildet zusammen mit der Luftspule 10 und der Verschaltungsanordnung 16 einen ortsfesten Stator 30. Der Rückschlussring 36 ist in ein Motorgehäuse 27 eingefügt, an dem die Lagerschilde 25 für den Rotor 33 angeordnet sind. Der Rotor 33 ist mittels einer Rotorwelle 73 in den Lagerschilden 25 gelagert. Die Rotorwelle 73 durchdringt mit einem freien Ende 39, an dem ein Abtriebselement 37 angeordnet ist, zumindest eines der Lagerschilde 25. Von der Verschaltungsanordnung 16 führen elektrische Anschluss-Leitungen 26 durch das Lagerschild 25 nach außen zu einer Steuerelektronik 40. Der Magnetzylinder 34 weist eine axiale Länge 35 auf, die insbesondere kürzer ist, als die axiale Abmessung 52 der Luftspule 10. Die Luftspule 10 ist als frei tragender Hohlzylinder 11 ausgebildet, bei dem sich mehrere Windungen 14 über die gesamte axiale Abmessung 52 des Hohlzylinders 11 erstrecken. Jede einzelne Windung 14 umschließt dabei eine Windungsfläche 94 entlang der Umfangsrichtung 7 des Hohlzylinders 11. Durch die elektronische Kommutierung der Windungen 14 wird ein wanderndes Magnetfeld in Radialrichtung 9 erzeugt, aufgrund dessen der Magnetzylinder 34 des Rotors 33 in Drehung versetzt wird. An der Verschaltungsanordnung 16 sind die Anschluss-Leitungen 26 angeordnet, die mit einer Steuerelektronik 40 verbunden sind. Mittels der Steuerelektronik 40 können die Windungen 14 über die Stromanschlüsse 17 bestromt werden, um beispielsweise die elektronische Kommutierung der elektrischen Maschine 28 zu realisieren. Die Stromanschlüsse 17 sind in diesem Ausführungsbeispiel ausschließlich an einer ersten axialen Seite 31 der Luftspule 10 ausgebildet. Somit ist diese elektrische Maschine 28 als EC-Innenläufer-Motor ausgebildet. Die Luftspule 10 ist mittels einem additiven Multi-Material-3D-Druckverfahren hergestellt, wobei die Windungen 14 aus einem elektrisch leitenden Material 21 - vorzugsweise Kupfer - gedruckt werden. Um die Windungen 14 gegeneinander zu isolieren, ist zwischen diesen als Isolierung 18 ein isolierendes Material 22 - vorzugsweise Keramik - angeformt. Das leitende Material 21 und das isolierende Material 22 werden mittels Düsen direkt aneinander angefügt, insbesondere axial schichtweise gedruckt, so dass zwischen den Windungen 14 bevorzugt keine Hohlräume entstehen.
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In einer nicht dargestellten Varianten der elektrischen Maschine 28 ist der Magnetzylinder 34 als Stator 30 ortsfest angeordnet, und die Luftspule 10 um den Rotorzylinder 34 drehbar angeordnet. Dabei ist an der ersten axialen Seite 31 der Luftspule 10 ein mechanischer Kommutator angeordnet, über den die Windungen 14 bestromt werden. Der Magnetzylinder 34 weist ein permanentes Magnetfeld in Radialrichtung 9 nach außen auf, das mit dem in den Windungen 14 induzierten Magnetfeld zusammen wirkt, und die Luftspule 10 in Drehung versetzt. Die Luftspule 10 wirkt hier als Rotor 33 und ist drehfest mit dem Kommutator auf der drehbaren Rotorwelle 73 angeordnet, die wiederum das Abtriebselement 37 aufweist. Somit ist diese elektrische Maschine 28 als DC-Außenläufer-Motor ausgebildet.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine „abgerollte“ Luftspule 10 über den gesamten Umfangsbereich 50 des Hohlzylinders 11 von 0° bis 360°. Die Luftspule 10 weist hier in Radialrichtung 9 genau zwei Windungslagen 15 auf. Die einzelnen Windungen 14 sind mit einem näherungswiesen rechteckigen Materialquerschnitt 24 ausgebildet, wobei die beiden Windungslagen 15 in Umfangsrichtung 7 des Hohlzylinders 11 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Durch den eckigen Materialquerschnitt 24 kann der „Kupferfüllfaktor“ der Luftspule 10 vergrößert werden. Die Windungen 14 sind aus dem elektrisch leitenden Material 21, bevorzugt Kupfer, gedruckt. Zwischen den Windungen 14 ist das elektrisch isolierende Material 22, bevorzugt Keramik, der Isolierung 18 gedruckt. Die Isolierung 18 liegt vollflächig an den Windungen 14 an, so dass zwischen den Windungen 14 keine Hohlräume entstehen. Dadurch weist die Isolierung 18 einen mechanisch formschlüssigen - und dadurch auch einen sehr guten thermischen - Kontakt zu den Windungen 14 auf. Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Windungen 14 und dem Isolator 18 beim 3D-Drucken wird die Luftspule 10 mechanisch besonders stabil freitragend ausgebildet. Die Anzahl der Windungslagen 15 bestimmt die radiale Dicke 85 der Zylinderwand des Hohlzylinders 11. Dabei kann über den radial äußeren Umfangsbereich 50 und/oder an der radialen Innenseite 86 des Holzylinders 11 ebenfalls isolierendes Material 22 aufgetragen werden. In 2 ist ein Schnitt an einer bestimmten axialen Stelle des Hohlzylinders 11 dargestellt. Der Materialquerschnitt 24 der Windungen 14 kann über die axiale Abmessung 35 des Hohlzylinders 11 optional auch variieren, wobei sich insbesondere die Maße des viereckigen Materialquerschnitts 24 ändern, und beispielsweise auch quadratisch oder trapezförmig ausgebildet sein können. Alle Windungen 14 werden zusammen mit der Isolierung 18 in einem Prozess mittels dem additivem 3D-Druck-Verfahren hergestellt. Dabei wird die gesamte Luftspule 10 nach dem Drucken gesintert, so dass Binderanteile der gedruckten Materialien 21, 22 ausgetrieben werden. Für die Endmaße ist beim 3D-Drucken zu berücksichtigen, dass beim Trocken der Luftspule 10 ein Materialschwund auftritt.
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In 3 sind Varianten des Verlaufs einzelner Windungen 14 über die axiale Abmessung 52 und über den Umfangsbereich 50 schematisch am „abgewickelten“ Hohlzylinder 11 dargestellt. Bei einer ersten Windungsvariante 71 (dicke Linie) startet die Windung 14 am Umfangsbereich 50 von 0° an der ersten axialen Seite 31 des Hohlzylinders 11 mit einer Steigung 48, die über die gesamte axiale Abmessung 52 des Hohlzylinders 11 konstant ist. Von der gegenüberliegenden zweiten axialen Seite 32 des Hohlzylinders 11 verläuft die Windung 14 wieder mit einer gleichbleibenden negativen Steigung 48 über der gesamten axialen Abmessung 52 zurück zur ersten Seite 31. Alle weiteren Windungen 14 der Windungsvariante 71 verlaufen dann entlang dieser einen dargestellten Windung 14. Bei dieser dargestellten, einfach geschrägten Windungsvariante 71 erstreckt sich eine Windung 14 über den gesamten Umfangsbereich 50 von 0° bis 360°, so dass die erste Windung 14 wieder an ihrem Anfangspunkt endet. In 3 ist des Weiteren ein Permanentmagnetpol 74 des korrespondierenden Magnetzylinders 34 eingezeichnet. Der Magnetzylinder 34 weist beispielsweise über den Umfangsbereich 50 genau zwei Permanentmagnetpole 74 auf, von denen einer mit seiner Ausdehnung über den Umfangsbereich 50 von 90° bis 270° in 3 (mit karierter Schraffur) eingezeichnet ist. Die axiale Abmessung 35 des Permanentmagnetpols 74 ist hier kürzer als die axiale Abmessung 52 der Luftspule 10. Die Windung 14 umschließt auf dem Hohlzylinder 11 eine Windungsfläche 94, die zu einem großen Teil mit der straffierten Fläche des Permanentmagnetpols 74 überlappt. Allerdings gibt es bei dieser Windungsvariante 71 auch Bereiche 75 der Windungsfläche 94 (einfach schraffiert dargestellt), die einen negativen Flussbeitrag für den Antrieb leisten.
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In 3 ist eine zweite Windungsvariante 72 in Form von zwei parallelen dünnen Linien dargestellt, die insbesondere auch den Materialquerschnitt 24 dieser Windung 14 repräsentieren sollen. Die Windung 14 dieser Windungsvariante 72 verläuft in einem unteren und einem oberen axialen Randbereich 54 des Hohlzylinders 11 mit geringerer Steigung 48, als in einem axial mittleren Bereich 53 des Hohlzylinders 11. Dadurch verläuft die Windung 14 im axial mittleren Bereich 53 mit der größeren Steigung 48 näherungsweise in Axialrichtung 8, entlang der Polgrenze 76 der Permanentmagnetpole 74, insbesondere etwa über die gesamte axiale Abmessung 35 der Permanentmagnetpole 74. Dadurch weist die zweite Windungsvariante 72 nur sehr kleine Bereiche 75 mit negativem Flussbeitrag auf. Die axialen Randbereiche 54 des Hohlzylinders 11 mit der niedrigeren Steigung 48 der zweiten Windungsvariante 72 liegen vorzugsweise weitgehend axial außerhalb der axialen Abmessung 35 des Magnetzylinders 34. Dadurch ist die Überlappung der Windungsfläche 94 mit den unterschiedlichen Steigungen 48 (zweite Windungsvariante 72) zum Permanentmagnetpol 74 deutlich größer, als bei der einfach geschrägten Windungsvariante 71. Im axial mittleren Bereich 53 mit der größeren Steigung 48 kann der Materialquerschnitt 24 der Windung 14 senkrecht zu deren Erstreckungsrichtung 46 der Windung 14 größer oder kleiner ausgebildet sein, als in den axialen Randbereichen 52 mit der geringeren Steigung 48 der Windung 14. Dabei kann sowohl der Betrag des Materialquerschnitts 24, als auch dessen Geometrie unterschiedlich sein, wobei insbesondere der Materialquerschnitt 24 im Bereich größerer Steigung 48 größer ausgebildet ist, als im Bereich mit kleinerer Steigung 48 (zur Axialrichtung 8 hin).
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In einer weiteren Windungsvariante 70 gemäß 4 sind schematisch über den Umfangsbereich 50 des Hohlzylinders 11 mehrere einzelne Windungen 44 in einem Phasenstrang 90 angeordnet. Die einzelnen Windungen 44 verlaufen aneinandergereiht ununterbrochen leitend als Wellenwicklung mehrmals über den gesamten Umfangsbereich 50. Die einzelnen Windungen 44 weisen erste axiale Leiter 64 auf, die in einer ersten Windungslage 15 - z.B. in der radial äußeren Windungslage 15 - in Axialrichtung 8 verlaufen. An den axialen Stirnseiten 31, 32 des Hohlzylinders 11 gehen die ersten axialen Leiter 64 in die zweiten axialen Leiter 65 über, die in der zweiten - insbesondere inneren - Windungslage 15 in die entgegengesetzte axiale Richtung verlaufen (mit entgegengesetzter Stromrichtung). Somit verläuft eine einzelne Windung 44, die eine bestimmte Windungsfläche 94 über der gesamten axialen Abmessung 52 des Hohlzylinders 11 umschließt, mit ihrem ersten und zweiten axialen Leiter 64, 65 in zwei unterschiedlichen Windungslagen 15. Mehrerer dieser Windungen 44 sind in Umfangsrichtung 7 unmittelbar nebeneinander angeordnet, und bilden einen radialen elektrischen Magnetpol 58 des Hohlzylinders 11. In 4 bildet ein Phasenstrang 90 beispielsweise zehn Magnetpole 58 aus, die jeweils durch beispielweise drei in Axialrichtung 8 parallel und unmittelbar benachbart zueinander verlaufenden einzelnen Windungen 44 gebildet werden. Die axialen Leiter 64, 65 verlaufen im axial mittleren Bereich 53 des Hohlzylinders 11 etwa parallel zu Rotorachse 29 (d. h, mit einer unendlichen Steigung 48). In den axialen Randbereichen 54 ist die Steigung 48 der axialen Leiter 64, 65 geringer, um eine gewisse Ausdehnung der Windungsfläche 94 in Umfangsrichtung 7 zu erzielen. Dabei kann sich die Steigung 48 auch stetig ändern, was einer Biegung der axialen Leiter 64, 65 entspricht. An den axialen Stirnseiten 31, 32 gehen die ersten axialen Leiter 64 einstückig in die zweiten axialen Leiter 65 über, die dann in entgegengesetzter Axialrichtung 8 verlaufen. Der Materialquerschnitt 24 der axialen Leiter 64, 65 ist dabei insbesondere trapezförmig, wobei die Ausdehnung in Tangentialrichtung 7 radial weiter außen größer ist, als radial weiter innen. Der Materialquerschnitt 24 kann sich in Form und Betrag in den Randbereichen 54 auch ändern, bevorzugt aufgrund der Verschränkung der axialen Leitern 64, 65 in den axialen Randbereichen 54. Soll die radiale Dicke 85 der Luftspule 10 an den Stirnseiten 31, 32 konstant bleiben, nimmt der Materialquerschnitt 24 der axialen Leiter 64, 65 in den Randbereichen 54 ab, da durch die Verschränkung weniger Volumen zur Verfügung steht. Steht jedoch an zumindest einer Stirnseite 31, 32 mehr radialer Bauraum zur Verfügung, kann die radiale Abmessung 84 der axialen Leiter 64, 65 in den Randbereichen 54 zunehmen. Dadurch kann entweder ein betragsmäßig konstanter Materialquerschnitt 24 entlang der Erstreckungsrichtung 46 der Windung 44 erzielt werden, oder es kann zur Kühlung und/oder Widerstandssenkung der einzelnen Windungen 44 der Materialquerschnitt 24 in den axialen Randbereichen 54 bewusst vergrößert werden. Zur Ausbildung einer vollständigen Luftspule 10 werden beispielsweise drei solcher Phasenstränge 90 zueinander versetzt ausgebildet. Mittels dem 3D-Drucken, werden dabei alle Phasenstränge 90 simultan Schicht für Schicht in Axialrichtung 8 aufeinander gedruckt. Dadurch werden die Magnetpole 58 der weiteren Phasenstränge 90 in Umfangsrichtung 7 gegeneinander versetzt ausgebildet. Die Phasenstränge 90 werden an der ersten Stirnseite 31 mittels einer Dreieckschaltung oder einer Sternschaltung miteinander verschaltet, so dass die Stromanschlüsse 17 der Verschaltungsanordnung 16 auch mittels additivem 3D-Drucken ausgebildet werden. Die Phasenanschlüsse bilden dann insbesondere direkt die Anschluss-Leitungen 26, die mit der Steuerelektronik 40 verbunden werden können.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So können die verwendeten Materialen 21, 22 für die Windungen 14 und die Isolation 18 entsprechen den Anforderungen der elektrischen Maschine 28 variiert werden. Bei dem 3D-Drucken der Luftspule 10 können die Windungen 14 ohne Luftspalt aneinander angrenzen, da die einzelnen Windungen 14 durch das isolierende Material 22 gegeneinander isoliert sind, und der Materialquerschnitt der Windungen 14 viereckig ausgebildet werden kann. Die Steigung 48 der Windungen 14 kann über bestimmte axiale Bereiche 53, 54 variieren, ebenso die maximale Erstreckung einer Windung 14 in Umfangsrichtung 7, bzw. die Anzahl der Magnetpole 58 der Windungen 14 über einen vollen Umfangsbereich 50 des Hohlzylinders 11. Auch das Längenverhältnis zwischen dem Magnetzylinder 34 und der Luftspule 10 kann ebenso wie der Durchmesser und/oder die radiale Dicke 85 der Luftspule 10 den Erfordernissen angepasst werden. Die erfinderische elektrische Maschine 28 eignet sich besonders als Ausführung eines EC-Motors zur Verstellung beweglicher Komponenten oder für Rotationsantriebe im Kraftfahrzeug. Dabei kann ein solcher erfindungsgemäßer Elektromotor besonders günstig für einen eingeschränkten axialen Bauraum eingesetzt werden, insbesondere bei der Fertigung von kleineren Stückzahlen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 10193427 B2 [0002]
- DE 1188709 A1 [0002]
- DE 102017120750 A1 [0002]