DE4130016A1 - Elektronisch kommutierte gleichstrommaschine - Google Patents

Description

Das Hauptpatent P 40 41 805.7 betrifft eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, insbesondere elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, mit

• - einer Rotationsachse,
• - einem Permanentmagnet-Rotor mit einem im wesentlichen zylindrischen Ringspalt mit homogenem Magnetfeld mit geradlinigem, radialen Feld­ linienverlauf und ständig wechselnder Polarität, und
• - einer meanderförmigen Statoranordnung, die gerade hin- oder herfüh­ rende Meanderabschnitte aufweist, die parallel zur Rotationsachse aus­ gerichtet sind und sich innerhalb des Ringspaltes erstrecken, wobei jeder gerade hin- oder herführende Meanderabschnitt aus einer Anzahl parallel angeordneter Leiterabschnitte besteht, die im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

Die Besonderheit besteht darin, daß jeder Leiterabschnitt innerhalb des Ringspaltes derart angeordnet ist, daß die längere Seite des Leiterquerschnittes parallel zum Verlauf der Feldlinien ausgerichtet ist.

Der Permanentmagnet-Rotor weist eine Anzahl Pemanentmagnet-Pole auf, die im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse bzw. radial polarisiert sind und in einem äußeren Ring und in einem inneren Ring derart angeordnet sind, daß ein Ringspalt zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring gebildet ist, wobei in jedem Ring benachbarte Pole alternierend polarisiert sind und jeweils ein Nordpol oder Südpol des äußeren Ringes einem entgegengesetzten Pol des inneren Ringes gegenübersteht.

Die im Hauptpatent näher beschriebene meanderförmige Statoranordnung besteht fortlaufend aus einem geraden, hinführenden Meanderabschnitt, einem oberen (inneren) Wickelkopf, einem geraden, herführenden Meanderabschnitt, einem unteren (äußeren) Wickelkopf, erneut einem geraden, hinführenden Meanderabschnitt usw. Die geraden, hin- und herführenden Meanderabschnitte befinden sich innerhalb des magnetisch wirksamen Ringspaltes. Oberhalb und unterhalb des Ringspaltes sind die die Statoranordnung bildenden Leiterbahnen seitlich bzw. radial aus einer gedachten Verlängerung des Ringspaltes herausgeführt und bilden dort die Wickelköpfe. Die Wickelköpfe verlaufen im wesentlichen parallel zum Ringspalt, jedoch - in radialer Richtung - außerhalb der gedachten Verlängerung des Ringspaltes.

Zur Herstellung der im Hauptpatent beschriebenen meanderförmigen Statoranordnung kann von ebenem Flachmaterial ausgegangen werden, aus welchem Bahnen der gewünschten Konfiguration ausgestanzt oder ausgeschnitten werden. Diese ebenen Bahnen werden daraufhin in einer Presse uni geeignete Stempel herum verformt, um die gewünschte dreidimensionale Struktur zu bilden. Mit 1 mm starkem Kupferblech kann eine stabile, selbsttragende meanderförmige Statoranordnung erhalten werden.

Bei gegebenen Permanentmagneten nimmt die magnetische Feldstärke im Ringspalt quadratisch zu mit der Abnahme der Ringspaltlänge (Abmessung in axialer Richtung). Es ist daher zweckmäßig, die Ringspaltlänge möglichst gering zu halten, und den Abstand zwischen gegenüberliegenden Permanentmagnet Polen so zu wählen, daß diese Pole gerade berührungsfrei an den Leiterbahnabschnitten vorbeirotieren. In Abhängigkeit von der Stabilität der Leiterbahnanordnung und der Präzision der Fertigungsmöglichkeiten beträgt der Abstand zwischen der Umlaufbahn der Permanentmagnet-Pole und den feststehenden Leiterbahnabschnitten lediglich einige 1/100 mm.

Die außerhalb des Ringspaltes befindlichen Wickelköpfe der meanderförmigen Statoranordnung erschweren den Zusammenbau der Gleichstrommaschine. Im Einzelfall kann der äußere Magnetring aus zwei Halbschalen gebildet werden, die zu einem geschlossenen Magnetring zusammengesetzt werden, nachdem die Statoranordnung in den Ringspalt eingebracht worden ist. Es ist jedoch auf jeden Fall wünschenswert, den inneren Magnetring von vornherein als geschlossenen Ring auszubilden. In einen solchen inneren geschlossenen Magnetring kann jedoch eine meanderförmige Statoranordnung dann nicht ohne weiteres eingesetzt werden, wenn sie innere Wickelköpfe aufweist, die außerhalb des Ringspaltes, nämlich zwischen Ringspalt und Rotationsachse angeordnet sind.

Die Aufgabe der Erfindung nach dem Zusatzpatent besteht darin, die Gleichstrommaschine nach dem Hauptpatent dahingehend zu verbessern, daß ein einfacherer und leichterer Zusammenbau von Rotor und Stator der Gleichstrommaschine möglich wird.

Nach einem weiteren Ziel der Erfindung nach dem Zusatzpatent soll eine meanderförmige Statoranordnung für die Gleichstrommaschine nach dem Hauptpatent bereitgestellt werden, die einfacher herstellbar ist, und die ohne weiteres in einen engen magnetisch wirksamen Ringspalt an der Rotoranordnung einführbar ist.

Ausgehend von einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine, insbesondere Gleichstrommotor

• - mit einer Rotationsachse,
• - mit einem Pemanentmagnet-Rotor mit einem im wesentlichen zylindrischen Ringspaltnut homogenem Magnetfeld mit geradlinigem, radialem Feldlinienverlauf und ständig wechselnder Polarität,
• - mit einer meanderförmigen Statoranordnung, die aus einer einzigen meanderförmigen Leiterbahnanordnung oder aus mehreren, meanderförmigen Leiterbahnanordnungs-Segmenten besteht, die gerade hin- oder herführende Meanderabschnitte aufweisen, die parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sind und sich innerhalb des Ringspaltes erstrecken, wobei jeder gerade hin- oder herführende Meanderabschnitt aus einer Anzahl parallel angeordneter Leiterabschnitte besteht, die im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen und die innerhalb des Ringspaltes derart angeordnet sind, daß die längere Seite des Leiterquerschnittes parallel zum Verlauf der Feldlinien ausgerichtet ist, und jeder gerade hinführende Meanderabschnitt mit dem folgenden herführenden Meanderabschnitt über je einen Wickelkopf verbunden ist, ist die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß
• - bei wenigstens einer ersten meanderförmigen Leiterbahnanordnung wenigstens die oberem Wickelköpfe innerhalb einer gedachten Verlängerung des Ringspaltes angeordnet sind, um ein axiales Einführen der ersten meanderförmigen Leiterbahnanordnung in den Ringspalt zu ermöglichen.

Diese erfindungsgemäße Ausbildung der Statoranordnung erlaubt eine wesentliche Vereinfachung des Zusammenbaus der Gleichstrommaschine. Die Rotoranordnung kann vorab fertiggestellt werden und weist sowohl für den inneren Magnetring, wie für den äußeren Magnetring einen geschlossenen Ring aus magnetischem Rückschlußmaterial auf. Solche geschlossenen Ringe können einfach am Rotorträger befestigt werden, beispielsweise unter Ausnutzung des Schrumpfes bei der thermischen Abkühlung auf ringförmige Vorsprünge am Rotorträger aufgeschrumpft werden. Es werden sonstige Schließ- und Befestigungsmittel vermieden, die eine Unwucht zur Folge haben konnten. Die Statoranordnung ist mechanisch stabil und selbsttragend ausgebildet und läßt sich mit einer Genauigkeit von einigen wenigen 1/100 mm im Umfangsbereich fertigen. Diese Statoranordnung wird an einer Bodenplatte der Gleich­ strommaschine befestigt und kann daraufhin in den magnetisch wirksamen Ringspalt am Permanentmagnet-Rotor eingeführt werden, wenn der feststehende Teil und der rotierende Teil der Gleichstrommaschine zusammengefügt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Gleichstrommaschine ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Gleichstrommaschine ist vorgesehen, daß die erste meanderförmige Leiterbahnanordnung ein erstes, im wesentlichen halbkreisförmiges Leiterbahnanordnungs-Segment und ein zweites, im wesentlichen halbkreisförmiges Leiterbahnanordnungs-Segment aufweist, das elektrisch vom ersten Leiterbahnanordnungs-Segment getrennt ist. Die beiden Leiterbahnanordnungs-Segmente weisen den gleichen Umfang auf und sind innerhalb des Ringspaltes angeordnet. Hierbei sind die geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitte des zweiten Leiterbahnanordnungs- Segmentes um etwa die halbe Pol-Breite der Permanentmagnet-Pole in Richtung des Ringspaltes räumlich versetzt angeordnet zu den geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitten des ersten Leiterbahnanordnungs-Segmentes.

"Breite" bezeichnet hier die Abmessung in Umfangsrichtung des Ringspaltes; in gleicher Weise bezeichnet "Länge" die Abmessung in radialer Richtung bezogen auf die Rotationsachse der Gleichstrommaschine.

Werden die beiden, so angeordneten Leiterbahnanordnungs-Segmente mit einer Phasenverschiebung von 90° angesteuert, so wird - beim motorischen Betrieb - ein Gleichstrommotor erhalten, der aus jeder Stellung ohne weiteres anläuft. Bei einem 100 kW-Motor mit 30 Permanentmagnet-Polen auf einem Rotorumfang von ca. 100 cm wird ein hervorragender Gleichlauf erhalten. Winkelabhängige Drehmomentsschwankungen sind weitestgehend beseitigt. Die beiden elektrisch getrennten, und räumlich versetzt angeordneten, halbkreisförmigen Leiterbahn­ anordnungs-Segmente haben jeweils die Wirkung einer zylinderförmigen Statorwicklung und ermöglichen eine hervorragende Steuerung des Anlaufzustandes und des Betriebszustandes bei motorischem Betrieb. Weil im Ringspalt lediglich eine einzige, einlagige zylinderförmige, aus den beiden Leiterbahnanordnungs-Segmenten bestehende Statoranordnung untergebracht werden muß, kann die Ringspaltlänge entsprechend verringert werden und benötigt nur wenig mehr als die Längserstreckung des Leiterbahnquerschnittes.

Bei der genannten Ausgestaltung der meanderförmigen Statoranordnung werden die Lücken zwischen benachbarten geraden, hin- oder herführenden Meanderabschnitten nicht genutzt, weil sich in diesen Lücken keine Leiterbahnabschnitte der Statoranordnung befinden. Im Falle eines vergleichsweise engen magnetisch wirksamen Ringspaltes, dessen Ringspaltlänge 6-8 mm nicht übersteigt, und bei Anwendung hochwirksamer Magnetmaterialien, wie beispielsweise Co/Sm-Sintermaterialien, ist dies tolerierbar, weil im Ringspalt eine hohe magnetische Flußdichte von beispielsweise 1,4 Teslar und mehr erhalten wird. Bei einer derartig hohen magnetischen Flußdichte im Ringspalt muß bereits die Leiteranzahl der Statoranordnung begrenzt werden, um bei motorischem Betrieb bei hohen Drehzahlen die Generatorspannung nicht übermäßig hoch ansteigen zu lassen. Jedoch kann es bei Verwendung weniger energiereicher Permanentmagnete, beispielsweise bei Anwendung herkömmlicher Ferritte wünschenswert sein, auch diese Lücken in der Statoranordnung auszunutzen.

Für diesen Fall kann eine Ausgestaltung der Gleichstrommaschine vorgesehen werden, deren erste meanderförmige Leiterbahnanordnung im wesentlichen als Vollkreis-Zylinder ausgebildet ist, die zwischen benachbarten geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitten Lücken einheitlicher Breite aufweist. Es ist eine zweite, meanderförmige Leiterbahnanordnung vorgesehen, die zweite, gerade, hin oder herführende Meanderabschnitte und zweite Wickelköpfe aufweist, wobei die zweiten Meanderabschnitte in die Lücken der ersten meanderförmigen Leiterbahnanordnung derartig ein gesetzt sind, daß die beiden Leiterbahnanordnungen ineinander angeordnet sind und den gleichen Umfang aufweisen. Die zweiten Wickelköpfe werden in radialer Richtung außerhalb einer gedachten Verlängerung des Ringspaltes angeordnet. In diesem Falle befinden sich sowohl die oberen wie die unteren Wickelköpfe der zweiten meanderförmigen Leiterbahnanordnung in radialer Richtung außerhalb einer gedachten Verlängerung des Ringspaltes.

In diesem Falle kann wenigstens für den inneren Magnetring am Rotor eine geschlossene Anordnung vorgesehen werden. Die Statoranordnung kann anschließend an diesen inneren Magnetring einfach in die Rotoranordnung eingesetzt werden. Für den äußeren Magnetring der Rotoranordnung wird eine Anordnung aus zwei halbkreisförmigen Halbschalen gewählt, die zu einem geschlossenen Magnetring zusammengesetzt und geschlossen werden, nachdem die Statoranordnung in den Ringspalt eingesetzt worden ist.

Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft die Bereitstellung einer einfacher fertigbaren meanderförmigen Statoranordnung für eine Gleichstrommaschine der beanspruchten Art. Die Statoranordnung soll mechanisch stabil und selbsttragend sein und nach Festlegung im Bereich des Statorfußes bzw. des unteren Wickelkopfes ohne weiteren zusätzlichen Träger in den Ringspalt hineinragen und dort ohne jegliche mechanische Verformung den erheblichen mechanischen Kräften standhalten.

Bei einer ersten Ausführungsform einer solchen Statoranordnung besteht die erste Leiterbahnanordnung oder jedes Leiterbahnanordnungs-Segment aus je einem einzigen Stück ununterbrochenem, bandförmigem Leitermaterial mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt. Beispielsweise wurde isoliertes Leiteimaterial aus Kupfer mit einem Querschnitt von 5×2 mm verwendet. Das praktisch endlos lange, anfanglich im wesentlichen gerade, bandförmige Leitermaterial wird fortlaufend nach vorgegebenen Abständen rechtwinkelig umgebogen, um eine meanderförmige Statorwicklung zu erhalten, wie sie schematisch mit den Fig. 1a und 1b dargestellt ist. Das fortlaufende rechtwin­ kelige Umbiegen kann beispielsweise mit Hilfe einer Vorrichtung vorgenommen werden, die wenigstens eine Nut zur Aufnahme eines geraden Stückes Leiter­ material aufweist. Diese Nut endet an einer Anlagefläche, die senkrecht zur Nut ausgerichtet ist. Eine drehbar gehaltene Walze ist längs der Anlagefläche verschiebbar angeordnet. Mit Hilfe dieser Walze wird jeweils ein über die Nut vorstehender Abschnitt bestimmter Länge des Leitermateriales rechtwinkelig umgebogen und zur Anlage an der Anlagefläche gebracht.

Eine praktische Ausführungsform einer solchen meanderförmigen Statoranordnung entspricht einem halbkreisförmigen, Leiterbahnanordnungs- Segment mit 14 geraden Meanderabschnitten und weist pro geradem Meanderabschnitt 5 räumlich im Abstand zueinander angeordnete und zusätzlich elektrisch gegeneinander isolierte Leiterbahnabschnitte auf. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Leiterbahnabschnitten eines Meanderabschnittes erlaubt den zwangsweisen Durchtritt von Kühlluft und vermindert die Selbstinduktion bei der Stromrichtungsumkehr.

Im Bereich der Wickelköpfe liegen die entsprechenden Leiterabschnitte aneinander an. Benachbart zu den unteren Wickelköpfen sind die Rückführabschnitte angeordnet. Die die unteren Wickelköpfe und die Rückführabschnitte bildenden Leiterbahnabschnitte sind miteinander verklebt; bei Bedarf können auch die die oberen Wickelköpfe bildenden Leiterbahnabschnitte miteinander verklebt werden; als Klebemittel kann ein elektrisch isolierendes, aushärtbares Kunstharz vorgesehen werden. Die Verklebung mit Hilfe des aushärtenden Kunstharzes erhöht die Stabilität. Nach einer wenigstens teilweisen Verklebung/Stabilisierung wird die noch ebene Statoranordnung in die Form eines Halbkreis-Zylindersegmentes oder eines Vollkreis-Zylinders gebracht. Das kann beispielsweise mit Hilfe einer Presse erfolgen, die passend gekrümmte Stempel aufweist, zwischen denen die anfänglich ebene Statorwicklung fortlaufend abschnittsweise verformt wird.

Es wird eine stabile, selbsttragende, meanderförmige Statoranordnung erhalten, die zweckmäßigerweise mit den Rückführabschnitten in eine ringförmige Nut oder in U- förmiges Profil an einer Bodenplatte der Gleichstrommaschine einge­ setzt und dort festgelegt wird. Die Maßgenauigkeit und die Stabilität der Statoranordnung sind so groß, daß die Umlaufbahn der Permanentmagnete an Rotor in einem Abstand von einigen wenigen 1/100 mm zur Statoranordnung vorgesehen werden kann.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die lichte Weite des magnetisch aktiven Ringspaltes (Luftspaltes) - das ist dessen Erstreckung in radialer Richtung bezogen auf die Rotationsachse - nur geringfügig mehr ausmacht, als die Längserstreckung eines Leiterquerschnittes der Statoranordnung. Es wird die bei gegebenem Leiterquerschnitt geringste Weite des Luftspaltes und damit bei gegebenen Permanentmagneten die größte magnetische Flußdichte erhalten. Dennoch wird bei Anwendung von zwei halbkreisförmigen Leiterbahnanordnungs-Segmenten, die bezüglich der Permanentmagnet-Pole räumlich versetzt angeordnet sind und die elektrisch phasenverschoben angesteuert werden, hinsichtlich Anlaufen aus jeder Rotorstellung und Gleichlaufeigenschaften die Wirkung von mehreren Statorwicklungen im Luftspalt erhalten.

Bei der mit den Fig. 1a, 1b dargestellten Statoranordnung sind sämtliche Leiterbahnabschnitte eines geraden Meanderabschnittes untereinander in Reihe geschaltet.

Bei einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen meanderförmigen Statoranordnung sind sämtliche Leiterbahnabschnitte jedes geraden Meanderabschnittes untereinander parallel geschaltet. Diese zusammengesetzte Leiterbahnanordnung besteht aus einer Anzahl Wickelkopfelemente und aus einer Anzahl Meanderabschnittelemente. Die Elemente sind einzeln vorgefertigt worden, beispielsweise aus einem Kupferblech gewünschter Stärke ausgestanzt worden. Die Meanderabschnittelemente weisen an den gegenüberliegenden Endabschnitten je eine abstehende Fahne auf, die mit einem Schlitz versehen ist. Die Wickelkopfelemente weisen einen an den vorgesehenen Stromdurchgang angepaßten Leiterquerschnitt auf, welcher den Querschnitt der Meanderabschnittelemente übersteigt. Die oberen Wickelkopfelemente und die Meanderabschnittelemente weisen die gleiche Längsabmessung auf. In den Wickelkopfelementen befinden sich passende Aussparungen, durch welche die Fahnen hindurchgesteckt werden. Die beiden Fahnenabschnitte werden darauf­ hin in entgegengesetzter Richtung umgebördelt. Das Umbördeln schafft eine zusammengesetzte, mechanisch stabile, selbsttragende Leiterbahnanordnung und gewährleistet zusätzlich auch die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Meanderabschnittelementen und den Wickelkopfelementen. Bei Bedarf kann zusätzlich eine Punktschweißung vorgesehen werden. Benachbarte Meanderabschnittelemente sind im Abstand zueinander angeordnet, um Spalte für den Durchtritt von Kühlluft zu schaffen. Die unteren Wickelkopfelemente können eine größere Breite aufweisen und können zusätzlich mit Bohrungen für die Durchführung von Befestigungsschrauben versehen sein. Mit Hilfe dieser Befestigungsschrauben können die unteren Wickelkopfelemente unmittelbar auf einer Bodenplatte der Gleichstrommaschine befestigt werden, so daß die vertikal abstehenden Meanderabschnittelemente und die oberen Wickelkopfelemente in den Ringspalt zwischen den beiden ringförmigen Permanentmagnetanordnungen am Rotor einführbar sind. Die Fertigung aus einzelnen vorgefertigten Stanzteilen erlaubt eine einfache, schnelle und preiswerte Fertigung einer solchen zusammengesetzten meanderförmigen Statoranordnung.

Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; die letzteren zeigen:

Fig. 1a anhand einer schematischen Schrägansicht ein halbkreiszylindri­ sches, meanderförmiges Leiterbahnanordnungs-Segment aus band­ förmigem Leitermaterial mit rechteckigem Querschnitt;

Fig. 1b einen Ausschnitt aus dem Leiterbahnanordnungs-Segment nach Fig. 1a, der insbesondere die beiden endständigen Meanderab­ schnitte und die Rückführabschnitte besser erkennen läßt;

Fig. 2 anhand einer Schnittdarstellung die räumlich versetzte Anordnung von zwei Leiterbahnanordnungs-Segmente gemäß Fig. 1a, 1b im zylindrischen Ringspalt zwischen zwei ringförmigen Magnetan­ ordnungen des Rotors;

Fig. 3a anhand einer schematischen Schrägansicht einen Ausschnitt einer zusammengesetzten, meanderförmigen Leiterbahnanordnung, die aus einzelnen Meanderabschnittelementen und einzelnen Wickel­ kopfelementen aufgebaut ist,

Fig. 3b ein Detail der zusammengesetzten Leiterbahnanordnung nach Fig. 3a, nämlich die Umbördelung der Fahnenabschnitte an den Meanderabschnittelementen, und

Fig. 4 anhand einer Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Gleich­ strommaschine mit einer meanderförmigen Leiterbahnanordnung gemäß Fig. 2.

Das in den Fig. 1a, 1b dargestellte meanderförmige Leiterbahnanordnungs- Segment 141 erstreckt sich über einen Umfangsabschnitt von 168° am kreisringförmigen Ringspalt. In einem weiteren Umfangsabschnitt von 12° werden Hallsensoren zur Erfassung der Nulldurchgänge zwischen benachbarten Permanentmagnet-Polen am Rotor angeordnet. Das Leiterbahnanordnungs- Segment 141 ist aus einem einzigen Stück ununterbrochenem, bandförmigem Leitermaterial 140′ mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt gefertigt und weist einen Eingangsanschluß 150 und einen Ausgangsanschluß 151 auf. Im Verlauf der Fertigung wurde das praktisch endlos lange, anfänglich im wesentlichen gerade, bandförmige Leitermaterial fortlaufend nach vorgegebenen Abständen rechtwinkelig umgebogen, um fortlaufend zu bilden:

• - gerade hinführende Meanderabschnitte 144,
• - obere Wickelköpfe 142,
• - gerade herführende Meanderabschnitte 148,
• - untere Wickelköpfe 146 und
• - Rückführabschnitte 149.

Die Breite eines geraden Meanderabschnittes 144 oder 148 - das ist die Abmessung in Umfangsrichtung - entspricht etwa der halben Pol-Breite eines Pemanentmagnet-Poles. Zwischen benachbarten geraden Meanderabschnitten 144 und 148 besteht eine Lücke 147, deren Breite etwa der Breite eines Meanderabschnittes 144 oder 148 entspricht. Jeder gerade Meanderabschnitt 144 oder 148 besteht aus jeweils 5 Leiterbahnabschnitten 144a, 144b, 144c, 144d und 144e, sowie 148a, 148b, 148c, 148d und 148e, die aufgrund der Herstel­ lung untereinander elektrisch in Reihe geschaltet sind. Je zwei benachbarte Leiterabschnitte wie beispielsweise 144a und 144b oder 148c und 148d sind je parallel und im Abstand zueinander angeordnet, so daß zwischen solchen Leiterbahnabschnitten je ein kleiner Zwischenraum 145 gebildet ist, durch den zwangsweise Kühlluft führbar ist. Im Bereich der oberen Wickelköpfe 142, der unteren Wickelköpfe 146 und der Rückführabschnitte 149 liegen benachbarte Leiterbahnabschnitte aneinander an. Ein unerwünschter Stromdurchgang wird dort durch Verwendung von allseitig isoliertem Leitermaterial 140′ vermieden. Zusätzlich befindet sich im Bereich der unteren Wickelköpfe 146 und der Rückführabschnitte 149 zwischen benachbarten Leiterbahnabschnitten ein elektrisch isolierendes, ausgehärtetes Kunstharz, das die Stabilität des selbsttragenden Leiterbahnanordnungs-Segmentes 141 erhöht.

Die Fig. 2 zeigt die räumlich versetzte Anordnung von zwei halbkreisförmigen Leiterbahnanordnungs-Segmenten 141 und 143 im zylindrischen Ringspalt 35 eines Permanentmagnet-Rotors 30. Jedes halbkreisförmige Leiterbahnanordnungs-Segment 141 und 143 weist den vorstehend mit Bezugnahme auf Fig. 1a, 1b erläuterten Aufbau auf. Der Permanentmagnet- Rotor 30 weist einen inneren Ring 34 aus magnetisch leitendem Material und einen äußeren Ring 38 aus magnetisch leitendem Material auf. An der Außenumfangsfläche des Innenringes 34 liegt eine innere ringförmige Anordnung 32 aus Permanentmagneten an. An der Innenumfangsfläche des Außenrings 38 liegt eine äußere ringförmige Anordnung 36 aus Permanentmagneten an. Jede ringförmige Magnetanordnung 32, 36 ist aus einzelnen, stückigen, Permanentmagnet-Polen 32′, 32′′; 36′, 36′′ aufgebaut, die entsprechend aufmagnetisiert sind. Die einzelnen Permanentmagnet-Pole 32 32′′; 36′, 36′′ bestehen aus Co/Sm Sintermaterial und sind mit ihrer Rückseite an dem jeweiligen Ring 34 oder 36 aus magnetischem Rückschlußmaterial angeklebt. Es ist eine solche Anordnung gewählt, daß jedem magnetischen Nord-Pol 32′ oder Süd-Pol 32′′ am Innenring 32 ein entgegengesetzter Süd-Pol 36′′ oder Nord-Pol 36′ am Außenring 36 gegenübersteht. Zwischen zwei benachbarten, ungleichnamigen Polen 32′ und 32′′, sowie 36 ′und 36′′ befindet sich eine neutrale Zone 32′′′ bzw. 36′′′. Innerhalb des magnetisch aktiven Ringspaltes 35 resultiert ein homogenes Magnetfeld mit geradlinigem, radialen, im wesentlichen parallelen Feldlinienverlauf und ständig wechselnder Polarität.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind über den gesamten Umfang pro ringförmiger Magnetanordnung 32 oder 36 je dreißig Permanentmagnet-Pole 32′ und 32′′; 36′ und 36′′ vorgesehen. Wie bereits gesagt, entspricht die Breite jedes geraden hin- oder herführenden Meanderabschnittes 144, 148 etwa der halben Pol-Breite eines Permanentmagnet-Poles 32′, 32′′; 36′, 36′′.

Für eine gegebene Rotorstellung ist eine solche Anordnung des ersten Leiterbahnanordnungs-Segmentes 141 gewählt, daß sich jeder gerade Meanderabschnitt 144, 148 etwa mittig zwischen zwei gegenüberstehenden, ungleichnamigen Permanentmagnet-Polen 32′ und 36′′ bzw. 32′′, 36′ befindet (vgl. rechte Hälfte der Abbildung 2). Demgegenüber ist - bei gleicher, festgehaltener Rotorstellung - das zweite Leiterbahnanordnungs-Segment 143 um etwa eine halbe Pol-Breite der Permanentmagnet-Pole in Richtung des Ringspaltes 35 räumlich versetzt angeordnet. Daraus resultiert eine Anordnung, bei der jeder gerade Meanderabschnitt 144, 148 des zweiten Leiterbahnanordnungs-Segmentes 143 sich im wesentlichen zwischen fluchtenden neutralen Zonen 32′′′ und 36′′′ und den angrenzenden Polabschnitten der inneren und äußeren Magnetanordnung 32 und 36 befindet. Die beiden, räumlich so versetzt angeordneten und elektrisch voneinander getrennten Leiterbahnanordnungs-Segmente 141 und 143 werden typischerweise mit einer elektrischen Phasenverschiebung von 90° angesteuert.

In der größeren Umfangslücke zwischen den beiden Leiterbahnanordnungs- Segmenten 141 und 143 ist ein Hallsensor 155 untergebracht, der am rotierenden Rotor 30 jeden Nulldurchgang zwischen zwei benachbarten Pemanentmagnet- Polen 32′, 32′′, bzw. 36′, 36′′ erfaßt.

Die Fig. 3a zeigt ausschnittsweise eine zusammengesetzte meanderförmige Leiterbahnanordnung 240, die aus einzelnen Meanderabschnittelementen 241 und oberen Wickelkopfelementen 242 sowie unteren Wickelkopfelementen 246 aufgebaut ist. Jedes Meanderabschnittelement 241 besteht aus einem länglichen, geraden Stück Leitermaterial mit rechteckigem Querschnitt, das an den gegenüberliegenden Endabschnitten je eine abstehende Fahne 241′ aufweist. Jede abstehende Fahne 241′ ist mit einem mittigen Schlitz oder Spalt 241′′ versehen, so daß die resultierenden Fahnenabschnitte bei Bedarf umbördelbar sind. Jedes Wickelkopfelement besteht aus einem gebogenen Stück Leitermaterial mit größerer Stärke als die Meanderabschnittelemente 241 und weist in passender Anordnung Aussparungen 242′, 246′ auf, durch welche je eine Fahne 241′ an den Meanderabschnittelementen 241 hindurchsteckbar ist. Durch anschließendes Umbördeln der Fahnenabschnitte (vgl. Fig. 3b) werden die Meanderabschnitte 241 mechanisch fest und elektrisch leitend mit dem jeweiligen oberen Wickelkopfelemente 242 und dem unteren Wickelkopfelement 246 verbunden. Es ist eine solche Anordnung der Aussparungen 242′ und 246′ gewählt, daß nach Zusammenbau der zusammengesetzten Leiterbahnanordnung 240 wiederum gerade hinführende Meanderabschnitte 244 und gerade herführende Meanderabschnitte 248 resultieren. Ersichtlich ist die Anzahl der Meanderabschnitte 241, die einen geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitt 244, 248 bildet, untereinander elektrisch parallel geschaltet.

Die unteren Wickelkopfelemente 246 können eine größere Längsabmessung aufweisen, um zusätzlich Platz für Bohrungen 246′′ zum Hindurchführen von Befestigungsschrauben zu schaffen. Diese unteren Wickelköpfe 246 können an einer Bodenplatte der Gleichstrommaschine angelegt und mit Hilfe von - nicht dargestellten - Befestigungsschrauben festgelegt werden. Die Längsabmessung der oberen Wickelkopfelemente 242 entspricht der Längsabmessung des Leiteiquerschnittes der Meanderabschnittelemente 241. Auch diese zusammengesetzte Leiterbahnanordnung 240 kann ohne weiteres in einen zy­ lindrischen Ringspalt zwischen zwei ringförmigen Magnetanordnungen an einem Permanentmagnet-Rotor eingeführt werden.

Die Fig. 4 zeigt - schematisch und im Schnitt - eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors. Zu den wesentlichen Komponenten dieses Motors gehören ein Gehäuse 10, eine Abtriebswelle 20 mit einem Rotorträger 26, an dem ein Permanentmagnet-Rotor 30 angebracht ist, sowie eine meanderförmige Statoranordnung 140. Das Motorgehäuse 10 besteht im wesentlichen aus einer Grundplatte 112, einem Lüftungsdeckel 111 und einer Deckelplatte 16, an deren Umfang einstückig eine umlaufende Seitenwand 18 angesetzt ist. Die Seitenwand 18 kann in eine umlaufende Stufe 13 am Umfang der Grundplatte 12 eingesetzt und dort mit Hilfe von Befestigungsmitteln 19 festgelegt werden. Im Zentrum der Grundplatte 12 ist eine Vertiefung ausgebildet, in welche ein Motorlager 15 eingesetzt ist. Im Zentrum der Deckelplatte 16 ist eine Bohrung ausgespart, in welche ein weiteres Motorlager 15′ eingesetzt ist.

Die beiden, im Abstand zueinander und miteinander fluchtend angeordneten Motorlager 15 und 15′ halten drehbar eine Abtriebswelle 20. Die Abtriebswelle 20 ist parallel und rotationssymmetrisch zur Rotationsachse 25 des Motors angeordnet. Ein scheibenförmiger Rotorträger 26 ist starr und fest mit der Abtriebswelle 20 verbunden. Am Außenumfang des Rotorträgers 26 ist ein im wesentlichen U-förmiges Profil 27 angebracht, an dem eine Innenstufe 28 und eine Außenstufe 29 ausgebildet sind.

In die Innenstufe 28 ist ein Innenring 34 aus magnetischem Rückschlußmaterial eingesetzt. In die Außenstufe 29 ist ein Außenring 38 aus magnetischem Rückschlußmaterial eingesetzt. An der Außenumfangsfläche des Innenringes 34 ist eine innere ringförmige Anordnung 32 aus Permanentmagneten abgestützt. An der Innenumfangsfläche des Außenringes 38 ist eine äußere ringförmige Anordnung 36 aus Permanentmagneten abgestützt. Jede ringförmige Anordnung 32,36 kann aus einzelnen stückigen Permanentmagneten aufgebaut sein, die in geringem Abstand zueinander am jeweiligen Ring 34, 48 aus magnetischem Rückschlußmaterial angeklebt sind. Sämtliche Ringe 32, 35, 36 und 38 sind starr mit dem U-Profil 27 des Rotorträgers 26 verbunden, und stehen im we­ sentlichen vertikal von diesem ab. Die Ringe 32, 35, 36 und 38 bilden zusammen den Permanentmagnet-Rotor 30. Zwischen der inneren ringförmigen Anordnung 32 und der äußeren ringförmigen Anordnung 36 ist der magnetisch aktive Ringspalt 35 ausgebildet.

An der Grundplatte 112 ist eine meanderförmige Statoranordnung 140 abgestützt, die aus zwei im wesentlichen halbkreisförmigen Leiterbahnanordnungs-Segmenten 141 und 143 besteht, wie sie vorstehend mit Bezugnahme auf Fig. 1a und 1b erläutert sind. Die gerade hinführenden Meanderabschnitte 144 und gerade herführenden Meanderabschnitte 148 erstrecken sich durch den Ringspalt 35 hindurch. Die Breite des Ringspaltes 35 ist geringfügig größer als die Breite der geraden Meanderabschnitte 144, 148, so daß eine freie Rotation des Permanentmagnet-Rotors 30 gegenüber der Statoranordnung 140 gegeben ist.

In der Umfangswand des dosenförmigen Lüftungsdeckels 111 sind eine Anzahl Luftansaugöffnungen 114 ausgespart, die in geringem Abstand nebeneinander um den gesamten Umfang herum angeordnet sind. Innerhalb des Lüftungsdeckels 111 und angrenzend an die Luftansaugöffnungen 114 befindet sich ein ringförmiges Luftfilter 115 aus gefaltetem Papiermaterial. Das Luftfilter 115 liegt mit seinem Innenumfang an einer Anzahl Luftleitplatten 116 an, die von der Grundplatte 112 vertikal abstehen. Zwischen benachbarten Luftleitplatten 116 sind in der Grundplatte 112 Luftdurchtrittsöffnungen 117 ausgespart, durch welche Luft hindurch in den Innenraum des Motors strömen kann. Innerhalb der ringförmigen Anordnung von Luftleitplatten 116 befindet sich eine Montageplatte 120, auf welcher die elektrischen und elektronischen Komponenten 122, 122′, 122′′, 122′′′ der Motorsteuerung untergebracht sind. Ersichtlich ragen diese Komponenten 122, 122′, 122′′, 122′′′ in den Kühlluftstrom hinein und werden fortlaufend gekühlt. In den Lüftungsdeckel 111 sind die beiden Stromanschlüsse 124 und 124′ sowie die Sockelplatte 126 eines vielpoligen Steckers eingesetzt. Ein Leiterbahnband 127 verbindet die Sockelplatte 126 mit der Montageplatte 120. Massive Stromleiter 125, 125′ verbinden die Stromanschlüsse 124, 124′ mit der Montageplatte 120.

Ein scheibenförmiger Ventilatorträger 64 weist in seinem Zentrum eine Bohrung auf, um die herum ein Rohrabschnitt 65 vertikal vom Ventilatorträger 64 absteht. Der Innenumfang dieses Rohrabschnittes 65 kann als Gleitlager ausgebildet sein, das am Außenumfang der Abtriebswelle 20 anliegt. Alternativ kann - wie in Fig. 4 dargestellt - dieser Rohrabschnitt 65 über zwei im Abstand zueinander angeordnete Ventilator-Lager 61, 61′ gegenüber dem Außenumfang der Abtriebswelle 20 abgestützt sein. In jedem Falle ist eine freie und unabhängige Rotation des Ventilatorträgers 64 gegenüber der Abtriebswelle 20 gegeben. Benachbart zum Außenumfang des Ventilatorträgers 64 sind dort einstückig angeformte und vertikal abstehende, profilierte Ventilatorflügel 68 angebracht, die bei Rotation des Ventilators 60 einen radialen Kühlluftstrom erzeugen. Die Kühlluft wird über die Luftansaugöffnungen 114, das Luftfilter 115 und die Luftdurchtrittsöffnungen 117 angesaugt, mit Hilfe des Ventilators 60 beschleunigt und strömt daraufhin durch den Ringspalt 35. Dort strömt die Kühlluft durch die engen Zwischenräume zwischen benachbarten Leiterbahnen sowie durch größeren Zwischenräume zwischen benachbarten Meanderabschnitten 144, 148 und kühlt auf diesem Wege die Statoranordnung 140. Die Kühlluft gelangt schließlich durch Öffnungen 26′ im Rotorträger 26 und durch Öffnungen 17 innerhalb der Deckelplatte 16 aus dem Inneren des Motorgehäuses 10 heraus in die umgebende Atmosphäre. Die Öffnungen 26′ sind in Verlängerung des Ringspaltes 35 im Abstand zueinander angeordnet. Die Bohrungen der Öffnungen 26′ sind gegenüber der Umfangsbahn schräg gestellt, so daß bei Rotation des Rotorträgers 26 ein zusätzlicher Sog erzeugt wird.

Der Ventilator 60 wird von einer zweiten Antriebsebene angetrieben, die unabhängig vom Betrieb des Motors ansteuerbar ist. Diese zweite Antriebsebene 50 wird aus einer zweiten Statoranordnung 52 und einem zweiten Permanentmagnet-Rotor 55 gebildet. Die zweite Statoranordnung 52 und der zweite Permanentmagnet-Rotor 55 sind an den vergleichsweise geringen Leistungsbedarf angepaßt, der zur Rotation des Ventilators 60 erforderlich ist. Der Stromfluß durch die zweite Statoranordnung 52 wird von einer Regelschaltung nur dann aktiviert, wenn - nicht dargestellte - Sensoren eine Überschreitung einer vorgegebenen Motortemperatur erfaßt haben.

Claims (8)

1. Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, insbesondere elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, mit

• - einer Rotationsachse (25),
• - einem Pennanentmagnet-Rotor (30), mit einem im wesentlichen zylindrischen Ringspalt (35), mit homogenem Magnetfeld mit geradlinigem, radialen Feldlinienverlauf und ständig wechselnder Polarität,
• - einer meanderförmigen Statoranordnung, die aus einer einzigen meanderförmigen Leiterbahnanordnung (140, 240) oder aus mehreren meanderförmigen Leiterbahnanordnungs-Segmenten (141, 143) besteht, die gerade hin- oder herführende Meanderab­ schnitte (144, 244; 148, 248) aufweisen, die parallel zur Rotationsachse (25) ausgerichtet sind und sich innerhalb des Ringspaltes (35) erstrecken, wobei jeder gerade hin- oder her­ führende Meanderabschnitt aus einer Anzahl parallel angeordneter Leiterabschnitte (144a-144e; 148a-148e; 241) besteht, die im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen und die inner­ halb des Ringspaltes (35) derart angeordnet sind, daß die längere Seite des Leiterquerschnittes parallel zum Verlauf der Feldlinien ausgerichtet ist, und jeder gerade hinführende Meanderabschnitt (144, 244) mit dem folgenden herführenden Meanderabschnitt (148, 248) über je einen Wickelkopf (142, 242) verbunden ist, nach Patent Nr. 40 41 805.7 dadurch gekennzeichnet, daß bei wenigstens einer ersten meanderförmigen Leiterbahnanordnung (140, 240) wenigstens die oberen Wickelköpfe (142, 242) innerhalb einer ge­ dachten Verlängerung des Ringspaltes (35) angeordnet sind, um ein axia­ les Einführen der ersten meanderförmigen Leiterbahnanordnung (140, 240) in den Ringspalt (35) zu ermöglichen.

2. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste meanderförmige Leiterbahnanordnung (140) ein erstes, im we­ sentlichen halbkreisförmiges Leiterbahnanordnungs-Segment (141) und ein zweites, im wesentlichen halbkreisförmiges Leiterbahnanordnungs­ Segment (143) aufweist, das elektrisch vom ersten Leiterbahnanord­ nungs-Segment (141) getrennt ist;
die beiden Leiterbahnanordnungs-Segmente (141, 143) den gleichen Um­ fang aufweisen und innerhalb des Ringspaltes (35) angeordnet sind; und
die geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitte (144, 148) des zweiten Leiterbahnanordnungs-Segmentes (143) um etwa die halbe Pol­ Breite der Permanentmagnet-Pole (32′, 32′′; 36′, 36′′) in Richtung des Ringspaltes (35) räumlich versetzt angeordnet sind zu den geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitten (144, 148) des ersten Leiterbahn­ anordnungs-Segmentes (141).

3. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, wobei die erste meanderförmige Leiterbahnanordnung (140, 240) im wesentlichen als Vollkreis-Zylinder ausgebildet ist und zwischen benach­ barten geraden hin- oder herführenden Meanderabschnitten (144, 244; 148, 248) Lücken (147, 247) einheitlicher Breite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
eine zweite meanderförmige Leiterbahnanordnung vorhanden ist, die zweite, gerade hin- oder herführende Meanderabschnitte und zweite Wickelköpfe aufweist;
die zweiten Meanderabschnitte in die Lücken (147, 247) der ersten me­ anderförmigen Leiterbahnanordnung (140, 240) derartig eingesetzt sind, daß die beiden Leiterbahnanordnungen ineinander angeordnet sind und den gleichen Umfang aufweisen; und
die zweiten Wickelköpfe in radialer Richtung außerhalb einer gedachten Verlängerung des Ringspaltes (35) angeordnet sind.

4. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leiterbahnanordnung (140) oder die ersten und zweiten Leiter­ bahnanordnungs-Segmente (141, 143) aus je einem einzigen Stück un­ unterbrochenem, bandförmigem Leitermaterial (140′) mit im wesentli­ chen rechteckigen Querschnitt gefeitigt sind, wobei das praktisch endlos lange, anfänglich im wesentlichen gerade, bandförmige Leitermaterial (140′) fortlaufend nach vorgegebenen Ab­ ständen rechtwinkelig umgebogen wurde, um eine stabile, selbsttra­ gende meanderförmige Anordnung zu erhalten, die fortlaufend gerade hinführende Meanderabschnitte (144), obere Wickelköpfe (142), gerade herführende Meanderabschnitte (148), untere Wickelköpfe (146) und erneut gerade hinführende Meanderabschnitte (144) usw., sowie Rückführabschnitte (149) zwischen dem endständigen geraden her­ führenden Meanderabschnitt und dem anfänglichen geraden hinführen­ den Meanderabschnitt aufweist.

5. Gleichstrommaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die meanderförmige Anordnung anfänglich in ebenem Zustand erzeugt wird;
daraufhin einhärtbares Kunstharz wenigstens im Bereich der unteren Wickelköpfe (146) und der angrenzenden Rückführabschnitte (149) auf­ gebracht wird; und
schließlich die ebene Anordnung zu einem Vollkreis-Zylinder- oder zu einem Teilkreis-Zylindersegment verformt wird.

6. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leiterbahnanordnung (240) oder die ersten und zweiten Lei­ terbahnanordnungs-Segmente aus je einer Anzahl einzelner Wickelkopf­ elemente (242, 246) und je einer Anzahl einzelner Meanderabschnitt­ elemente (241) aufgebaut sind, wobei die einen einzigen geraden Meanderabschnitt (244, 248) bildenden Meanderabschnittelemente (241) untereinander elektrisch parallel angeordnet und sowohl an einem oberen Wickelkopfelement (242) und an einem unteren Wickelkopfelement (246) befestigt sind.

7. Gleichstrommaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meanderabschnittelemente (241) im Bereich ihrer gegenüberliegenden Endabschnitte je eine abstehende, geschlitzte Fahne (241′) aufweisen, die durch passende Aussparungen (242′, 246′) in den Wickelkopfele­ menten (242, 246) hindurchsteckbar ist; und daraufhin die Fahnenab­ schnitte umgebördelt werden.

8. Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Permanentmagnet-Pole (32′, 32′′; 36′, 36′′) am Rotor (30) in einer inneren ringförmigen Anordnung (32) und in einer äußeren ringförmi­ gen Anordnung (36) angeordnet sind, zwischen denen der magnetisch aktive Ringspalt (35) ausgebildet ist; und
der Abstand zwischen diesen ringförmigen Anordnungen (32,36) nur geringfügig mehr als die Längserstreckung eines Leiterquerschnittes der Statoranordnung (140, 240) ausmacht.