DE19503610A1 - Ständer und Läufer für eine mehrphasige und vielpolige, elektrisch kommutierbare Maschine und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ständer und einen Läufer für eine mehrphasige und vielpolige, elektrisch kommutierbare Maschine, wobei die Phasen zonenweise entlang des Ständers verteilt sind, sowie auf ein Verfahren zu deren Herstellung.

Herkömmliche elektrische Maschinen weisen üblicherweise Zwei­ schicht- oder Zweietagenwicklungen auf. Da sich dabei die Spulen im Wickelkopf kreuzen und aneinander vorbeigeführt werden müssen, sind die Wickelköpfe und dementsprechend auch die Kupferverluste derartiger Maschinen relativ groß.

Aus diesem Grund wurde in der Offenlegungsschrift DE 33 20 805 eine mehrphasige elektrische Synchronmaschine mit hoher Polzahl vorgeschlagen, bei der die Spulen derselben Phase ne­ beneinander angeordnet sind und zwei benachbarte Spulen in derselben Nut liegen. Die Phasen sind zonenweise am Umfang verteilt, wobei zwischen den Zonen ein Abstand, der der Win­ kelverschiebung zwischen den Zonen entspricht, eingefügt wurde.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel für die konstruktive Ausgestaltung einer derartigen Maschine. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus einer Außenpolmaschine, die vorzugsweise als Außenläuferma­ schine eingesetzt wird. Die Erregung wird durch radial magne­ tisierte Permanentmagnete 1 erzeugt, die auf ein Joch 2 des Läufers aufgesetzt sind. In Nuten des Ständerblechpaketes 3 des Ständers sind Spulen 4a, 4b und 4c der Ständerwicklung untergebracht. Die Zähne 5 des Blechpaketes 3 sind mit Pol­ schuhen 6 versehen, welche die Nuten teilweise schließen.

In Fig. 13 ist ein Ausschnitt aus der Wicklungsanordnung des Ständers dargestellt, der sechs nebeneinanderliegende Spulen S1 bis S6 mit wechselnder Stromflußrichtung R, -R einer er­ sten Zone Z1 (Phase R) und zwei nebeneinanderliegende Spulen S7 und S8 mit wechselnder Stromflußrichtung T, -T einer zwei­ ten Zone Z2 (Phase T) umfaßt, wobei ein räumlicher Abstand a am Übergang von der Wicklungszone Z1 zur Wicklungszone Z2 vorgesehen ist. Die Seiten zweier benachbarter Spulen 1 sind in derselben Nut angeordnet, wobei jeweils die Hälfte der Polnut durch die dem Pol am nächsten liegende Spule ausge­ füllt wird.

Pro Wicklungsstrang R, S, T sind am Umfang des Ständers eine oder mehrere Wicklungszonen gleicher Breite angeordnet. Der Abstand a zwischen zwei benachbarten Zonen wird bei vorzugs­ weise verwendeten sechs Zonen gleich einem Drittel der Pol­ teilung gewählt. Durch die Summe der räumlichen Abstände a bleibt demgemäß ein Teil des Umfangs unbewickelt, der der doppelten Polteilung entspricht. Somit ist die Polzahldiffe­ renz zwischen Läufer und Ständer gleich zwei.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der in der DE 33 20 805 vorgeschlagenen Synchronmaschine kann der Abstand a je­ doch auch gleichmäßig über jede Zone verteilt werden. Dabei ist die Polteilung der Ständerwicklung größer als die Poltei­ lung der Erregung, wodurch sich zwischen benachbarten Spulen eine kleine Phasenverschiebung ergibt, die sich innerhalb ei­ ner Zone zum Phasenwinkel zwischen benachbarten Wicklungs­ strängen addiert. Wegen der Phasenverschiebung müssen die Spulen einer Zone dabei allerdings in Reihe geschaltet wer­ den.

Beim vorstehend beschriebenen Stand der Technik wird der ge­ samte Läufer- bzw. Ständerquerschnitt aus einem Blech ge­ stanzt.

Dies hat bei der Herstellung einen hohen Materialverlust zur Folge und erfordert aufwendige Stanzformen.

Da der gesamte Läufer- und Ständerquerschnitt aus dem zur Ma­ gnetfeldkonzentration erforderlichen ferromagnetischen Mate­ rial wie beispielsweise Dynamoblech geformt ist, weisen der­ artig hergestellte Maschinen zudem ein relativ hohes Gewicht und damit ein hohes Trägheitsmoment auf.

Ferner ermöglicht die in Fig. 12 gezeigte Ausgestaltung der Ständerpole und zugehörigen Wicklungsspulen nur eine relativ geringe Polzahl und erfordert aufgrund des relativ großen Polquerschnitts ein entsprechend großes großes Rückflußvolumen im Joch des Ständers und des Läufers und damit ein relativ hohes Gewicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ständer und einen Läufer für eine mehrphasige und vielpolige, elek­ trisch kommutierbare Maschine sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, durch die eine einfache Herstel­ lung unter geringem Materialverlust sowie eine hohe Leistung der elektrischen Maschine bei geringer Massenträgheit ermög­ licht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Ständer bzw. einen Läufer für eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art mittels den kennzeichnenden Merkmalen der Pa­ tentansprüche 1, 12 bzw. 15.

Des weiteren wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Ständers bzw. eines Läufers für eine mehr­ phasige und vielpolige elektrische Maschine anhand der im Kennzeichnungsteil der Patentansprüche 19 bzw. 20 angege­ benen Schritte.

Gemäß der erfindungsgemäßen Ständerwicklungsanordnung ent­ spricht die Nutbreite zwischen benachbarten Ständerpolen der Breite eines Wicklungsleiters. Dies ermöglicht eine wesentli­ che Verringerung der Nutbreite und Erhöhung der Polzahl.

Dies wiederum hat zur Folge, daß der magnetische Rückschluß der Ständer- bzw. Läuferpole über ein wesentlich geringeres Volumen erfolgen kann, so daß das Verbindungsjoch der Stän­ der- bzw. Läuferpole durch einen relativ dünnen und damit flexiblen ferromagnetischen Mantel realisierbar ist, so daß das Volumen des aktiven magnetischen Materials drastisch re­ duziert wird.

Die mantelförmige Ausgestaltung des Verbindungsjochs der Ständerpole ermöglicht ein völlig neuartiges Herstellungsver­ fahren des Ständers, bei dem zunächst die Pole mit den dazwi­ schen befindlichen Wicklungsleitern durch Ausgießen auf einem Träger fixiert werden und erst anschließend die dem Läufer entgegengesetzten Polenden zur Gewährleistung des Rückflusses mittels dem ferromagnetischen Mantel magnetisch verbunden werden. Abschließend wird der innere Träger entfernt.

Ein Ausstanzen des gesamten Ständerquerschnitts und nachträg­ liches Umwickeln der Ständerpole von der Innenseite her ist somit nicht mehr erforderlich.

Beispielsweise können die zwischen den Blechpaketen befindli­ chen Wicklungsteile bereits vor dem Zusammenfügen der Blech­ pakete an diesen angebracht werden, so daß der Ständer aus einer Vielzahl identischer Einzelteile zusammensetzbar ist.

Auch ist es möglich, die Polblechpakete zunächst auf einem zylinderförmigen Körper als sternförmiges Gebilde anzuordnen und anschließend die Wickelleiter vom äußeren Umfang des Ständers her in die Polnuten einzubringen.

Bei radialer Ausrichtung der Bleche kann das sternförmige Ge­ bilde auch in herkömmlicher Weise gestanzt werden, wobei nach Einbringen der Wicklungen und anschließendem Fixieren, bei­ spielsweise durch Vergießen mittels Kunstharz o. ä., der inne­ re Teil des Stanzquerschnitts entfernt wird.

Auf diese Weise kann die Dicke des rohrförmigen Ständerkör­ pers und damit das Volumen des aktiven Materials gegenüber der in Fig. 12 gezeigten, bekannten Ausführungsform erheblich verringert werden, was zu einem geringeren Gewicht des Stän­ ders und zu einer besseren Materialnutzung bei gleichen Mate­ rialkosten führt.

Erfindungsgemäß kann der Läufer aufgrund der hohen Polzahl als Hybridläufer mit an der dem Ständer gegenüberliegenden Oberfläche befindlichen tangential magnetisierten Permanent­ magneten ausgebildet sein, wobei zwischen die Permanentmagne­ te Blechpakete geschichtet sind, die die Pole des Läufers bilden.

Dabei geschieht der magnetische Rückfluß im Läufer über die Permanentmagnete, so daß das in Fig. 12 gezeigte zusätzliche ferromagnetisches Joch 2 nicht erforderlich ist und daher das Gewicht des Läufers bedeutend verringerbar ist.

Wird der Läufer in derselben Weise wie der Ständer zu einem rohrförmigen Körper geschichtet, so kann der zylindrische In­ nenkörper des Läufers bei einer Innenläufermaschine hohl sein oder aus einem Material mit geringem spezifischen Gewicht wie beispielsweise Aluminium oder Kunststoff hergestellt werden, was zu einer weiteren Verringerung des Gewichts und der Mas­ senträgheit führt.

Durch Ausstattung des Läufers mit der erfindungsgemäßen Wick­ lungsart, ist eine elektrische Maschine realisierbar, die über den in der Läuferwicklung fließenden Erregerstrom regel­ bar ist.

Desweiteren ist ein Aufbau als Reluktanzmotor möglich, bei dem auf der dem Ständer gegenüberliegende Oberfläche des Läu­ fers eine dünne gezahnte ferromagnetische Schicht geformt ist.

Bei den vorstehend genannten erfindungsgemäßen Ausführungs­ formen werden bei der Herstellung lediglich rechteckförmige Blechstreifen benötigt, so daß der bisherige Materialverlust aufgrund des Stanzens der Querschnittsform des Läufers bzw. des Ständers vermieden wird.

Durch die verglichen mit dem vorgenannten Stand der Technik wesentlich höhere Polzahl kann die Polzahldifferenz zwischen Ständer und Läufer und damit auch die Anzahl der Zonen einer Phase vergrößert werden, wodurch die Kräfteverteilung in der Maschine gleichmäßiger ist.

Darüber hinaus ergeben sich aufgrund des geringeren Volumens des aktiven, vom Magnetfeld durchflossenen Materials gerin­ gere magnetische Verluste (Eisenverluste) und aufgrund der durch die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung ermöglichten geringen Wicklungsleiterlänge bzw. größeren Wicklungsleiter­ breite geringere ohmsche Verluste (Kupferverluste).

Auch kann die bei höheren Frequenzen im Wicklungsleiter auf­ tretende Stromverdrängung aufgrund des Skin-Effekts durch die erfindungsgemäße Wicklungsleiterausgestaltung verringert wer­ den.

Desweiteren kann die Maschine aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus mit höheren Frequenzen betrieben werden, da sich in­ nerhalb einer Polnut nur ein Wickelleiter befindet.

Der erfindungsgemäße Aufbau ist bei allen elektrisch kommu­ tierbaren Maschinen wie Asynchronmaschinen, Synchronmaschi­ nen, Reluktanzmotoren, Schrittmotoren, Linearmotoren etc. vorteilhaft einsetzbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen aufgeführt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten erfindungs­ gemäßen Ausführungsbeispiels als Synchronmaschine mit Innen­ läufer,

Fig. 2 eine Ständerwicklungsanordnung des ersten erfindungs­ gemäßen Ausführungsbeispiels mit drei Phasen und sechs Zonen,

Fig. 3 eine Läuferwicklungsanordnung für eine als Motor oder Generator betriebene Synchronmaschine.

Fig. 4 eine Schnittansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels als Synchronmaschine mit Innenläufer,

Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt der in Fig. 4 darge­ stellten Schnittansicht des zweiten erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsbeispiel,

Fig. 6 eine Schnittansicht von zerlegten Ständerpolen mit zu­ gehörigen Wicklungsleiterabschnitten nach dem zweiten erfin­ dungsgemäßen Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 eine Schnittansicht eines dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels als Synchronmaschine mit Außenläufer,

Fig. 8 eine Schnittansicht einer Antriebsvorrichtung, in der die Außenläufermaschine gemäß dem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eingesetzt ist,

Fig. 9A eine Schnittansicht eines vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels als Synchronmaschine mit Außenläufer,

Fig. 9B ein Ausschnitt einer Schnittansicht einer Abwandlung des vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei der der Ständer zur Reduzierung radialer Kräftekomponente zwei­ teilig ausgeführt ist,

Fig. 10 eine Schnittansicht eines fünften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels als Linearmotor,

Fig. 11 einen vergrößerten Ausschnitt der in Fig. 10 darge­ stellten Schnittansicht des fünften Ausführungsbeispiels in teilweise zerlegter Form,

Fig. 12 eine konstruktive Ausführung einer Außenläufer-Syn­ chronmaschine gemäß dem Stand der Technik, und

Fig. 13 einen Ausschnitt aus einer Ständerwicklungsanordnung gemäß Stand der Technik.

Das in Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel ist eine Synchronmaschine mit einem Innenläufer 20 und einem Ständer 3. Der Läufer 20 besteht aus einem Innenzylinder 10 und einem den Innenzylinder 10 umschließenden Rohrkörper, der aus Läu­ ferpolen 9, die aus axial ausgerichteten ferromagnetischen Blechstreifenpaketen gebildet sind, mit dazwischenliegenden tangential magnetisierten Permanentmagneten 1 aufgebaut ist.

Die Magnetisierung der Permanentmagnete 1 ist derart gerich­ tet, daß sich an den Läuferpolenden abwechselnd magnetische Nord- und Südpole ergeben, an denen die magnetischen Feldli­ nien austreten.

Der Innenzylinder 10 besteht aus Aluminium oder einem sonsti­ gen Material mit geringem spezifischen Gewicht und ausrei­ chender Festigkeit. Der Innenzylinder 10 kann aber auch voll­ ständig entfallen, so daß der Läufer 20 als Hohlkörper ausge­ bildet ist.

Die Herstellung des Läufers 20 kann beispielsweise derart er­ folgen, daß die stäbchenförmigen Permanentmagnete 1 zusammen mit den stäbchenförmigen Blechstreifenpaketen zunächst auf der Oberfläche eines zylindrischen Körpers an dessen Stirn­ seite festgeklemmt und anschließend mit einem Kunstharz o. dgl. vergossen werden. Abschließend wird der Läufer 20 durch Ab­ schleifen der Stirnseiten auf seine endgültigen Abmessungen gebracht.

Der Ständer 3 ist ebenfalls aus einem rohrförmigen Körper ge­ bildet, der axial ausgerichtete Blechstreifenpakete als Stän­ derpole 5 und dazwischen mäanderförmig um die Ständerpole 5 gewickelte isolierte Wicklungsleiter 8 aufweist. Die in Fig. 1 dargestellte Ansicht zeigt den Ständerwickelkopf mit den mehrlagigen Wicklungen einer Zone sowie dem herausgezogenen Läufer 20.

Bei der Herstellung werden die Blechstreifenpakete zunächst ebenfalls auf einem zylindrischen Körper befestigt, so daß ein sternförmiger Körper entsteht. Anschließend werden die Wickelleiter von der Außenseite des sternförmigen Körpers her eingebracht. Der so entstandene, zylindrische Ständerkörper kann mit einem Kunstharz oder dergleichen vergossen werden, worauf der zylindrische Innenkörper entfernt und die Innen­ seite des Ständers auf den endgültigen Innendurchmesser ge­ schliffen wird.

Um den so erhaltenen rohrförmigen Ständerkörper wird ein fer­ romagnetischer Mantel 7 gewickelt, der das Joch der Ständer­ pole 5 bildet.

Es ist jedoch auch eine radiale Ausrichtung der Ständerpol­ bleche möglich, wobei zunächst der Querschnitt des sternför­ migen Körpers aus einem Blech gestanzt und anschließend der Wicklungsleiter um die Enden der geschichteten Bleche gewik­ kelt wird. Nach dem Vergießen und Ummanteln des so entstande­ nen zylindrischen Körpers wird ein zylindrischer Innenteil des Körpers entfernt.

Im Betrieb verlaufen die Feldlinien eines Permanentmagneten 1 des Läufers 20 durch die benachbarten Läuferpole 9, von wo aus sie aus der Läuferoberfläche des Läufers 20 austreten und sich durch die gegenüberliegenden Ständerpole 5 und den als Joch und damit als Rückschluß für das magnetische Feld die­ nenden Teil des Mantels 7 schließen.

Vorzugsweise werden die Ständerpole 5 in gleichmäßige Zonen aufgeteilt, deren Wicklungen eine entsprechende Drehstrompha­ se zugeordnet ist. Aufgrund der realisierbaren hohen Polzahl ist, verglichen mit dem vorstehend genannten Stand der Tech­ nik, eine höhere Polzahldifferenz zwischen Ständer 3 und Läu­ fer 20 möglich, so daß die Anzahl der Zonen pro Phase erhöht werden kann.

Dadurch ergibt sich im Betrieb eine gleichmäßigere Kraftver­ teilung längs des Umfangs, wodurch die Unwucht der Maschine verringert wird und damit ein besserer Rundlauf und eine ge­ ringere Geräuschentwicklung erzielbar ist.

Fig. 2 zeigt eine Ständerwicklungsanordnung eines Ständers mit 48 Polen und 6 Zonen sowie den dazugehörigen Anschlüssen R, S, T, U, V und W. Innerhalb einer Zone ist der Wickellei­ ter mäanderförmig um die aufeinanderfolgenden Ständerpole 5 gewickelt.

Im Falle eines Generatorbetriebs weist der Läufer 20 anstelle der Permanentmagnete 1 eine Erregerwicklung auf. Der Wickel­ leiter der Erregerwicklung wird in gleicher Weise wie die Ständerwicklungen mäanderförmig um die aus Blechstreifenpake­ ten gebildeten Läuferpole 5 gewickelt, so daß ein rohrförmi­ ger Läuferkörper entsteht, der auf den in Fig. 1 gezeigten Innenzylinder 10 aufgesteckt wird.

Wird die Erregerwicklung von einem Erregergleichstrom durch­ flossen, so bilden sich an den Läuferpolenden abwechselnd ma­ gnetische Nord- und Südpole. Durch Drehung des Läufers 20 wird in den Ständerwicklungen eine sinusförmige Spannung in­ duziert, deren Höhe durch den Erregerstrom regelbar ist.

Fig. 3 zeigt eine abgewickelte Läuferwicklungsanordnung mit Anschlußpolen für eine Erregergleichstromquelle. Dabei wird der Wicklungsleiter entlang des gesamten Läuferumfangs mäan­ derförmig um die Läuferpole 9 gewickelt.

Der so aufgebaute Läufer 20 mit Erregerwicklung kann auch zur Realisierung einer Asynchronmaschine verwendet werden.

Fig. 4 zeigt ein Schnittbild eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit 78 Ständerpolen 5 und 80 Läuferpolen 9. Die dargestellte Innenläufer-Synchronmaschine weist an de­ ren Läuferoberfläche entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten er­ sten Ausführungsbeispiel Permanentmagnete 1 mit dazwischen befindlichen, in axialer Richtung ausgerichteten Blechstrei­ fenpaketen als Läuferpole 9 auf.

Zwischen den ebenfalls aus Blechstreifenpaketen gebildeten Ständerpolen 5 sind axial ausgerichtete, stabförmige Wick­ lungsleiterabschnitte 8 angeordnet, die an den jeweiligen Stirnseiten des Ständers 3 in der Weise leitend verbunden sind, daß sich der erfindungsgemäße mäanderförmige Wicklungs­ verlauf ergibt.

In vorbestimmten Zonen des Ständers 3 sind verkürzte Ständer­ pole 11 eingebracht, die nicht mit dem die Ständerpole 5 um­ gebenden ferromagnetischen Mantel 7 verbunden sind und zwi­ schen denen sich keine Wicklungsleiterabschnitte 8 befinden.

Anstelle der Wicklungsleiterabschnitte 8 können zwischen den verkürzten Ständerpole 11 Hall-Sensoren 12 oder andere Senso­ ren eingebracht werden, mittels denen die Drehzahl oder Win­ kelstellung des Läufers 20 feststellbar ist.

Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des zweiten Aus­ führungsbeispiels, wobei der Luftspalt 13 zwischen Ständer 3 und Läufer 20 erkennbar ist.

Eine Draufsicht auf einen Teil eines zerlegten Ständers 3 ge­ mäß dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt, wobei der Ständer 3 aus identischen Pol- Wicklungs-Komponenten aufgebaut ist. Dieser Aufbau führt zu einer wesentlich vereinfachten Herstellung des Ständers 3.

Bereits bei der Herstellung der Pol-Wicklungs-Komponenten werden die Wicklungsleiter elektrisch isoliert um die Stän­ derpole 5 gewickelt, wobei die an der einen Seite der Stän­ derpole 5 angeordneten Wicklungsleiterabschnitte 8 genau ge­ genüber dem Zwischenraum zwischen den Wicklungsleiterab­ schnitten 8 der anderen Seite angeordnet sind. An den Stirn­ seiten der Pol-Wicklungs-Komponenten sind die jeweiligen axialen Wicklungsleiterabschnitte 8 der beiden Seiten über schräg verlaufende Verbindungsabschnitte 15 miteinander ver­ bunden.

Auf diese Weise können die Pol-Wicklungs-Komponenten ineinan­ der eingreifend aneinandergeschichtet werden, so daß die Zwi­ schenräume zwischen den Ständerpolen 5 vollständig von den Wicklungsleiterabschnitten 8 ausgefüllt werden, wobei der Po­ labstand lediglich eine Wicklungsbreite beträgt.

Zwischen die aneinandergeschichteten Pol-Wicklungs-Komponen­ ten ist eine dünne Isolierfolie 14 zur elektrischen Isolie­ rung der Wicklungsleiterabschnitte 8 untereinander bzw. ge­ genüber den Ständerpolen 5 angeordnet.

Das Seitenverhältnis der Wicklungsleiterquerschnitte ändert sich in radialer Richtung, wobei die Querschnittsfläche kon­ stant bleibt. Diese Ausgestaltung dient der weiteren Verrin­ gerung der durch den Skineffekt hervorgerufenen Stromverdrän­ gung.

Der Wicklungsverlauf wird durch mittels Verlöten oder Metal­ lisieren hergestellte elektrische Verbindungen 17 zwischen den entsprechenden Enden der axial ausgerichteten Wicklungs­ leiterabschnitte 8 an den jeweiligen Stirnseiten der Pol- Wicklungs-Komponenten bestimmt.

Auch hierbei ergibt sich hinsichtlich der Stromrichtung ein mäanderförmiger Wicklungsverlauf um die Ständerpole 5.

Die Pfeilmarkierungen 16 zeigen den Verlauf des elektrischen Stroms durch die Wicklungsleiterabschnitte 8.

Die Herstellung des Ständers 3 erfolgt durch ineinander ein­ greifendes Schichten der Pol-Wicklungs-Komponenten gemäß Fig. 6 zu einem Hohlzylinder und anschließendem Vergießen mit ei­ nem Kunstharz o.a. Danach werden Innen- und Außendurchmesser sowie die Stirnseiten auf Maß gebracht. Abschließend wird der so gebildete Hohlzylinder mit dem ferromagnetischen Mantel 7 am Außenumfang ummantelt.

Fig. 7 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbei­ spiel der elektrischen Maschine, die in diesem Fall als Au­ ßenläufer-Synchronmaschine aufgebaut ist, wobei der außenlie­ gende Läufer 20 neunzig Pole und der innenliegende Ständer 3 neunundachtzig Pole aufweist.

Die Blechpaketstreifen der Ständerpole 5 sind bei diesem Aus­ führungsbeispiel U-formig ausgebildet und mit nach außen ge­ richteten Öffnungen auf der Außenoberfläche 19 eines Hohlzy­ linders 18 angebracht. Der Hohlzylinder 18 weist Bohrungen 22 auf, mittels denen er an einer den Motor beinhaltenden An­ triebsvorrichtung angeschraubt wird, wobei der Innendurchmes­ ser 21 gegen einen konischen Teil der Antriebsvorrichtung ge­ preßt wird.

Das Abschleifen des Innendurchmessers der U-förmigen Blechpa­ ketstreifen 5 entfällt im vorliegenden Fall.

Die jeweiligen Schenkel der Blechpaketstreifen bilden die Ständerpole 5, wobei zwischen den Schenkeln eines jeden U- förmigen Blechpaketstreifens die axial orientierten Wick­ lungsleiterabschnitte 8 eingebracht sind, so daß auch im vor­ liegenden Fall identische Pol-Wicklungs-Komponenten entste­ hen, aus denen der Ständer 3 durch Aneinanderschichten und anschließendes elektrisches Verbinden der Wicklungsleiterab­ schnitte 8 an den jeweiligen Enden hergestellt wird.

Der rohrförmige Außenläufer 20 besteht aus axial ausgerichte­ ten Blechpaketen als Läuferpole 9, die abwechselnd mit tan­ gential magnetisierten Permanentmagneten 1 zu einer Rohrform aneinandergeschichtet sind.

Aufgrund der tangentialen Magnetisierung der Permanentmagnete 1 schließen sich die aus den Läuferpolenden austretenden, den magnetischen Rückschluß bildenden, magnetischen Feldlinien über die Permanentmagnete 1. Daher ist die derart geschich­ tete Rohrform von einem nichtmagnetischen Mantel 2A umgeben.

Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht einer den Außenläufermotor gemäß Fig. 7 aufweisenden Antriebsvorrichtung.

Der Außenläufer 20 ist an der Innenseite eines glockenförmi­ gen Körpers 25 angebracht, der zur Kraftübertragung dient und der an einer drehbar gelagerten Antriebswelle 24 befestigt ist. Der Hohlzylinder 18 ist mittels Schrauben 23 am Gehäuse 27 der Antriebsvorrichtung befestigt. Weiterhin sind in die­ sem Schnittbild die Wicklungsleiterabschnitte 8 erkennbar, deren Enden 26 abwechselnd an einer der beiden Stirnseiten des Außenläufermotors hervorstehen, so daß sie mittels den in Fig. 6 gezeigten elektrischen Verbindungen 17 zur Festlegung des mäanderförmigen Wicklungsverlaufs miteinander verbunden werden können.

Ein viertes Ausführungsbeispiel als Außenläufer-Synchronma­ schine mit fünfzig Läuferpolen und achtundvierzig Ständerpo­ len ist in Fig. 9A dargestellt.

Der Außenläufer 20, der bei einem Einsatz des Motors gemäß Fig. 8 auch selbst glockenförmig sein kann, besteht hierbei aus einem ferromagnetischen Metallrohr 28 als Joch, auf des­ sen Innenseite radial magnetisierte Permanentmagnete 29 als Läuferpole angebracht sind, wobei die Magnetisierungsrichtung benachbarter Permanentmagnete 29 umgekehrt ist, so daß sich an den Läuferpolenden abwechselnd magnetische Nord- und Süd­ pole ergeben.

Der Ständer 3 ist in der in Fig. 7 gezeigten Weise aufgebaut, wobei die die. Ständerpole 5 bildenden Schenkel der Blech­ streifenpakete an deren äußeren Enden aufgebogen sind, so daß die Polenden vergrößert und an die Abmessung der Läuferpole 29 angepaßt sind.

Diese Ausgestaltung führt zu einer Verringerung der magneti­ schen Flußdichte an den Polenden des Ständers 3 und des Läu­ fers 20 und damit zu geringen Kräften, geringerer Geräusch­ entwicklung und der Möglichkeit einen größeren Luftspalt vor­ zusehen.

Eine derartige Ausgestaltung der Pol enden durch Aufbiegen der Polbleche ist auch bei allen anderen beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispielen möglich, um dadurch die vorstehend genannten Vorteile zu erzielen.

Der Ständer 3 des vierten Ausführungsbeispiels weist sechs Zonen auf, die durch einen vergrößerten Polabstand 30 vonein­ ander getrennt sind. Der Läufer 20 umfaßt 25 Polpaare. Da die Polteilung innerhalb der Ständerzonen der des Läufers 20 ent­ spricht, ergibt sich die Polzahldifferenz zwischen Ständer 3 und Läufer 20 aus der Summe der Polabstandsverbreiterungen entlang des Ständerumfangs.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wirken auf die Läuferpole und somit auch auf die Lager der Antriebs­ welle 24 radiale Kräfte, die zur Verringerung der Lebensdauer der Lager führen.

Durch die in Fig. 9B dargestellte Abwandlung des vierten Aus­ führungsbeispiels ist eine deutliche Verringerung der radia­ len Kräftekomponenten erzielbar.

Der Ständer besteht dabei aus einem, dem in Fig. 9A darge­ stellten Ständer 3 entsprechenden, inneren Ständerteil 3 und einem konzentrischen äußeren Ständerteil 3A mit identischer Polzahl, wobei die Wicklungen des inneren und des äußeren Ständerteils 3, 3A seriell geschaltet und die Größen der Pol­ nut-Querschnittsflächen gleich sind.

Die Polenden von sich entsprechenden Polen gleicher Phase der beiden Ständerteile 3, 3A sind gegenüberliegend angeord­ net, so daß die Magnetfeldlinien an einem Polende des einen Ständerteils austreten und durch den Permanentmagneten 29 des Läufers 20 hindurch zu dem gegenüberliegenden Polende des zweiten Ständerteils 3A verlaufen.

Da der magnetische Rückfluß hierbei über das äußere Ständer­ teil 3A erfolgt, entfällt das ferromagnetische Joch 28.

Der Läufer 20 kann auch in der in Fig. 4 dargestellten Weise mit tangential magnetisierten Permanentmagneten aufgebaut sein.

Aufgrund der seriellen Schaltung der Wicklungen sind die Ströme in den Wicklungen der beiden Ständerteile 3, 3A und damit auch die magnetischen Flüsse in den entsprechenden ge­ genüberliegenden Polen gleich, so daß sich die auf den Läufer 20 wirkenden, radialen Kräftekomponenten aufheben.

Die Stromflußrichtung in den mäanderförmig um die Pole gewik­ kelten Wicklungsleitern ist mittels in die Polnuten der bei­ den in Fig. 9B dargestellten Ständerteile 3, 3A eingezeichne­ ten Pfeilmarkierungen gekennzeichnet.

Ferner zeigt Fig. 9A einen Wechsel der Wicklungsphase von R nach S, der in beiden Ständerteilen an derselben Stelle ange­ ordnet ist.

Ein derartiger, zweiteiliger Ständeraufbau zur Verringerung der radialen Kräftekomponenten ist selbstverständlich auch bei den übrigen beschriebenen Ausführungsbeispielen des Stän­ ders 3 möglich.

Fig. 10 zeigt ein fünftes erfindungsgemäßes Ausführungsbei­ spiel als Linearmotor.

Die Ausgestaltung des dargestellten Linearmotors entspricht dem in Fig. 4 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel, wobei Läufer 20 und Ständer 3 in linearer ("abgewickelter") Form ausgebildet sind.

Der bandförmige Läufer 20 besteht aus abwechselnd aneinander geschichteten Permanentmagneten und Blechpaketen und kann durch Erzeugen eines Wanderfelds im Ständer 3 mittels den Phasenanschlüssen R, S, T auf dessen Oberfläche linear vor- und zurückbewegt werden, wobei die Anschlüsse U, V, W ein ge­ meinsames Bezugspotential aufweisen.

In vorliegendem Beispiel bewegt sich der Läufer 20 während einer Phasenänderung von 360° an den Phasenanschlüssen um ein Läuferpolpaar weiter.

Die Geschwindigkeit ergibt sich somit aus dem Polabstand des Läufers 20 und der Frequenz des durch den Ständer 3 fließen­ den Drehstroms.

Der Ständer 3 besteht aus ineinander eingreifend geschichte­ ten Pol-Wicklungs-Komponenten, die entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel aus quer zur Bewegungsrichtung des Läu­ fers 20 ausgerichteten Blechstreifenpaketen als Ständerpole 5 und daran befestigten Wicklungsleiterabschnitten 8 aufgebaut sind, wobei hier allerdings die Querschnittsabmessungen aller Wicklungsleiterabschnitte 8 gleich sind, da der Ständer 3 li­ near aufgebaut ist.

Ein teilweise zerlegter Ausschnitt des Linearmotors ist in Fig. 11 vergrößert dargestellt. Dabei weisen die den in Fig. 6 gezeigten Bestandteilen entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen auf.

Auch die übrigen, vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spielen sind entsprechend dem in Fig. 10 und 11 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel als Linearmotor ausführbar, wobei sich die nötigen Änderungen für den Fachmann in naheliegender Weise ergeben.

Mehrphasige und vielpolige, elektrisch kommutierbare Maschine mit einem Ständer und einem Läufer. Zur Vereinfachung der Herstellung und Erhöhung von Leistung und Drehmoment wird der Wicklungsleiter in mäanderförmiger Weise um die Ständerpole gewickelt, so daß der Polabstand benachbarter Ständerpole der Breite des Wicklungsleiters entspricht und damit stark ver­ ringert ist. Durch die daraus resultierende hohe Polzahl läßt sich der Ständer auf einfache Weise durch Aneinanderschichten von Ständerblechstreifen und dazwischen angeordneten Wick­ lungsleiterabschnitten herstellen, wobei die Ständerpole erst nach dem Einbringen der Wicklungsleiter mittels eines den Rückschluß bildenden ferromagnetischen Mantels an deren einem Polende magnetisch verbunden werden. Der Läufer kann in ähn­ licher Weise durch Aneinanderschichten von Läuferpolen und dazwischen angeordneten, tangential magnetisierten Perma­ nentmagneten hergestellt werden, wodurch auch dessen Gewicht beträchtlich reduzierbar ist. Durch den Aufbau wird eine ef­ fektivere Materialnutzung und eine wesentlich geringere Mas­ senträgheit der bewegten Teile erzielt. Das Aufbauprinzip ist für Asynchron-, Synchronmaschinen, Linearmotoren, Schrittmo­ toren sowie Reluktanzmotoren anwendbar.

Claims (20)

1. Ständer für eine mehrphasige und vielpolige, elektrisch kommutierbare Maschine, wobei die Phasen zonenweise entlang des Ständers (3) verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsleiter (8) einer Phase innerhalb einer Zone mäanderförmig um aufeinanderfolgende Ständerpole (5) gewik­ kelt ist, so daß die Nutbreite zwischen zwei benachbarten Ständerpolen (5) der Breite des Wicklungsleiters (8) ent­ spricht.

2. Ständer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerpole (5) aus Blechstreifen gebildet sind und an deren einem Läufer (20) entgegengesetzten Ende über einen ferromagnetischen Mantel (7) miteinander magnetisch leitend verbunden sind.

3. Ständer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen der Ständerpole (5) U-förmig ausgebildet sind und deren Schenkel die Ständerpole (5) bilden.

4. Ständer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen der Ständerpole (5) quer zur Bewegungsrich­ tung des Läufers (20) ausgerichtet sind.

5. Ständer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (3) einen sternförmigen Querschnitt aufweist und aus sternförmig gestanzten Blechen gebildet ist, wobei die dem Läufer (20) entgegengesetzten Polenden des Ständers (3) über einem ferromagnetischen Mantel (7) verbunden sind.

6. Ständer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsleiter (8) mehrlagig in abwechselnder Richtung um die Ständerpole (5) einer Zone gewickelt ist.

7. Ständer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsleiter stabförmige Wicklungsleiterabschnitte (8) aufweist, die parallel zur Ständeroberfläche übereinander und elektrisch voneinander isoliert zwischen den Ständerpolen (5) angeordnet sind, so daß der gesamte Zwischenraum zwischen den Ständerpolen (5) von den Wicklungsleiterabschnitten (8) aus­ gefüllt ist, wobei die Enden (26) der Wicklungsleiterab­ schnitte (8) eines Zwischenraums entsprechend dem Wicklungs­ verlaufs mit entsprechenden Enden der Wicklungsleiterab­ schnitte (8) benachbarter Zwischenräume über elektrisch lei­ tende Verbindungsstücke (15, 17) miteinander verbunden sind.

8. Ständer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in vorbestimmten Zonen des Ständers (3) verkürzte Ständerpole (11) eingebracht sind, deren Enden nicht mit dem ferromagne­ tischen Mantel (7) verbunden sind und zwischen denen Sensoren (12) angeordnet sind.

9. Ständer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (3) aus identischen Pol-Wicklungs-Komponenten zu­ sammengesetzt ist, die aus Ständerpolen (5) mit an deren Sei­ tenflächen versetzt angebrachten Wicklungsleiterabschnitten (8) bestehen, wobei die Wicklungsleiterabschnitte (8) der ei­ nen Seitenfläche gegenüber den Zwischenräumen der Wicklungs­ leiterabschnitte der anderen Polseite angeordnet sind.

10. Ständer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ständerpolzwischenraum nach außen hin verbreitert, wobei sich die Breite der Wicklungsleiterabschnitte (8) ent­ sprechend den Abmessungen des Ständerpolzwischenraums ändert, die Größe der Querschnittsfläche der Wicklungsleiterab­ schnitte (8) jedoch gleich bleibt.

11. Ständer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen läuferseitig aufgebogen sind, um dadurch die Polenden (29) der Ständerpole (5) zu verbreitern.

12. Läufer für eine mehrphasige und vielpolige, elektrisch kommutierbare Maschine, wobei die Phasen zonenweise entlang eines Ständers (3) verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferpole (9) aus Blechstreifen bestehen und daß zwi­ schen den Läuferpolen (9) tangential magnetisierte Permanent­ magnete (1) angeordnet sind, deren Magnetisierung derart ge­ richtet ist, daß sich an den Läuferpolenden abwechselnd ma­ gnetische Nord- und Südpole ergeben.

13. Läufer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen der Läuferpole (9) quer zur Bewegungsrich­ tung des Läufers (20) ausgerichtet sind.

14. Läufer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferpole (9) und die dazwischenliegenden Permanentma­ gnete (1) auf einem Körper (10) mit geringem spezifischen Ge­ wicht angeordnet sind.

15. Läufer für eine mehrphasige und vielpolige, elektrisch kommutierbare Maschine, wobei die Phasen entlang eines Stän­ ders (3) verteilt sind, gekennzeichnet durch eine Erregerwicklung (Fig. 3), die in gleicher Weise wie die Ständerwicklung nach Anspruch 1 aufgebaut ist, wobei die Wicklungsleiter seriell geschaltet sind.

16. Mehrphasige und vielpolige, elektrisch kommutierbare Ma­ schine mit einem Ständer (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 bis 9 und 11 und einem Läufer (20) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer und der Läufer (20) linear aufgebaut sind.

17. Mehrphasige und vielpolige, elektrisch kommutierbare Ma­ schine mit einem Ständer (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen Läufer (20), dessen Pole aus senkrecht zur Läuferober­ fläche magnetisierten Permanentmagneten (29) gebildet sind, die an deren den Statorpolenden entgegengesetzten Enden über ein ferromagnetisches Joch (28) miteinander verbunden sind.

18. Mehrphasige und vielpolige, elektrisch kommutierbare Ma­ schine mit einem Ständer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer aus zwei Ständerteilen (3, 3A) mit identischer Polzahl gebildet ist, deren einander entsprechende Wicklungen seriell geschaltet sind und die derart angeordnet sind, daß sich die entsprechenden Polenden der beiden Ständerteile (3, 3A) gleicher Phasen gegenüberliegen und daß sich zwischen den beiden Ständerteilen (3, 3A) der Läufer (20) befindet, wobei die Läuferpole in radialer Richtung derart magnetisiert sind, daß sich an den Läuferpolenden abwechselnd magnetische Nord- und Südpole ergeben.

19. Verfahren zur Herstellung eines Ständers für eine mehr­ phasige und vielpolige elektrische Maschine, gekennzeichnet durch die Schritte:
sternförmiges Anordnen von Ständerpolen,
Umwickeln der Ständerpole mit einem Wicklungsleiter,
Fixieren der so entstandenen Pol-Wicklungsanordnung, und
Verbinden der einem Läufer entgegengesetzten Ständerpolenden mittels eines das Ständerjoch bildenden ferromagnetischen Mantels.

20. Verfahren zur Herstellung eines Ständers für eine mehr­ phasige und vielpolige elektrische Maschine, gekennzeichnet durch die Schritte:
Herstellen von Pol-Wicklungskomponenten, die aus Ständerpolen und um diese gewickelten Wicklungsleiterabschnitten aufgebaut sind,
Aneinanderschichten der Pol-Wicklungskomponenten,
Fixieren der so entstandenen Pol-Wicklungsanordnung, und
Verbinden der einem Läufer entgegengesetzten Ständerpolenden mittels eines das Ständerjoch bildenden ferromagnetischen Mantels.