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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Isolierlamelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie einen Elektromaschinenanker gemäß Anspruch 10.
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Bekannte
Elektromotoren oder Generatoren bestehen aus einem Stator und einem
radial innerhalb des Stators rotierbar angeordneten Anker mit einer
Ankerwelle. Der Anker umfasst dabei ein Ankerpaket, welches drehfest
auf der Ankerwelle sitzt. Zu beiden axialen Stirnseiten des Ankerpakets
ist eine sogenannte Isolierlamelle vorgesehen, die Beschädigungen
des Wicklungsdrahtes an den scharfkantigen Ankerblechen beim Wicklungsprozess
vorbeugen soll. Bekannte Isolierlamellen sind aus Kunststoff ausgebildet
und zeichnen sich daher durch diamagnetische Eigenschaften aus,
das heißt
die bekannten Isolierlamellen schwächen die Dichte der magnetischen
Feldlinien, wodurch die Leistung eines mit einer Isolierlamelle
ausgestatteten Elektromotors im Vergleich zu einem Elektromotor
ohne Isolierlamelle herabgesetzt ist. Bei Elektromotoren ohne Isolierlamelle
besteht jedoch die erwähnte
Gefahr einer Beschädigung
der Ankerwicklung. Es existieren auch elektrische Maschinen, bei
denen der Anker als Stator ausgebildet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Isolierlamelle
für einen
Elektromaschinenanker anzugeben, mit der negative Auswirkungen auf
das magnetische Feld und damit auf die Leistung der elektrischen
Maschine reduziert werden. Ferner besteht die Aufgabe darin, einen
Elektromaschinenanker anzugeben, mit dem der Wirkungsgrad einer
Elektromaschine erhöht
werden kann.
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Technische Lösung
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Hinsichtlich
der Isolierlamelle wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Hinsichtlich des Elektromaschinenankers wird die Aufgabe mit den
Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei der in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen
Merkmale.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den magnetischen Fluss durch
die Isolierlamelle hindurch dadurch zu verbessern, dass die Isolierlamelle derart
ausgebildet wird, dass sie ferromagnetische Eigenschaften aufweist.
Dies wird dadurch erreicht, dass die erfindungsgemäße Isolierlamelle ferromagnetisches
Material enthält.
Hierzu sind auch Isolierlamellen zu zählen, die vollständig aus
ferromagnetischem Material hergestellt sind. Bevorzugt wird als ferromagnetisches
Material weichmagnetisches Material eingesetzt, also ein Material,
das sich leicht ummagnetisieren lässt. Weichmagnetisches Werkstoffe zeichnen
sich durch eine niedrige Koerzitivfeldstärke (< 1000 A/m) aus. Im Gegensatz zu hartmagnetischen
Werkstoffen mit hoher Koerzitivfeldstärke wird somit der Hystereseverlust
beim Ummagnetisieren kleingehalten. Als weichmagnetische Materialien können sowohl
metallische als auch keramische Werkstoffe eingesetzt. Bevorzugt
basieren die metallischen weichmagnetischen Materialien auf den
ferromagnetischen Metallen: Eisen, Kobalt und Nickel. Keramische
weichmagnetische Materialien sind bevorzugt Ferrite auf Basis von
Metalloxiden. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines als Innenläufer ausgebildeten
Elektromotorankers beschrieben. Die Ausführungen gelten für einen
Generator entsprechend. Ebenso ist es möglich, die Erfindungsgedanken
bei einer Außenläufermaschine
zu realisieren. Weiterhin kann der Elektromotoranker auch als Stator
ausgebildet werden.
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Neben
der vollständigen
Ausbildung der Isolierlamelle aus ferromagnetischem, insbesondere weichmagnetischem
Material ist der Einsatz von ferromagnetischem Material, insbesondere
von weichmagnetischem Material als Füllstoff, insbesondere als Zusatz
in Kunststoffen bevorzugt. Dabei werden beispielsweise einem Kunststoffgranulat
Eisenpartikel zugesetzt und die Mischung aus Kunststoffgranulat
und Eisenpartikel wird dann beispielsweise im Spritzgussverfahren
verarbeitet. Von Vorteil ist dabei eine Ausführungsform, bei der die Isolierlamelle
vollständig
aus Kunststoff mit zuge setztem ferromagnetischem, insbesondere weichmagnetischem
Material besteht.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
Isolierlamelle ferromagnetisches, insbesondere weichmagnetisches
Ferrit enthält
bzw. vollständig
aus diesem ausgebildet ist. Das ferromagnetische, insbesondere weichmagnetische Ferrit
kann ebenso als Füllstoff,
insbesondere in einem Kunststoff eingesetzt werden.
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Aus
Stabilitätsgründen sowie
aus Gewichtseinsparungsgründen
ist es von Vorteil, wenn die Isolierlamelle einen Pulververbundwerkstoff
enthält
bzw. aus einem Pulververbundwerkstoff ausgebildet ist. Dabei enthält der Pulververbundwerkstoff
ferromagnetisches, insbesondere weichmagnetisches Material, um den
magnetischen Fluss zu verbessern. Als Pulververbundwerkstoff können beispielsweise
Eisenpartikel eingesetzt werden, die unter dem Einsatz von Druck
und Temperatur verpresst werden.
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Die
Isolierlamelle umfasst in Weiterbildung der Erfindung eine Vielzahl
von in Umfangsrichtung beabstandeter Zähne, die sich insbesondere
von einer zentrischen Nabe nach radial außen erstrecken. Dabei bildet
der radial innere Abschnitt eines Zahnes eines Zahnhals zur Aufnahme
einer Ankerwicklung, insbesondere eines Wicklungskopfes der Ankerwicklung.
Der Zahnkopf schließt
den Zahnhals außen
ab und ist bevorzugt in Umfangsrichtung breiter ausgebildet als
der Zahnhals. In Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Zähnen ist
jeweils eine Aufnahmenut zur Durchführung der Ankerwicklung in Richtung
des Blechpaketes (Lamellenpaket) gebildet. Um die magnetisch leitenden
Eigenschaften der Isolierlamelle mit ferromagnetischem Material,
insbesondere weichmagnetischem Material optimal auszunutzen, ist
in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Zahnköpfe der
Zähne den
jeweiligen Zahnhals bzw. zumindest einen radial inneren Abschnitt
des jeweiligen Zahnhalses in axialer Richtung überragen. Dabei sind die Zahnköpfe in axialer
Richtung bevorzugt derart bemessen, dass die Axialerstreckung mindestens
der axialen Erstreckung der Wicklungsköpfe der Ankerwicklung entspricht.
Dies bedeutet, dass die Zahnköpfe
in axialer Richtung mindestens bis an das axiale Ende der Ankerwicklung
reichen. Bevorzugt überragen
die Zahnköpfe
die Wicklungsköpfe
ein Stück
weit in axialer Richtung, wodurch der magnetische Fluss noch weiter
in axialer Richtung geführt
werden kann. Hierdurch ist es bei gleicher Baugröße eines Elektromotorankers möglich, Wicklungsdrahtmaterial
einzusparen, da die axiale Erstreckung des Wicklungsdrahtes aufgrund der
axial verlängerten
Zahnköpfe
bei gleicher Baugröße reduziert
ist. Im Regelfall wird die Leistung des Elektromotors bei gleicher
Baugröße zusätzlich erhöht sein.
Eine Leistungsanpassung (Verringerung der Leistung) kann beispielsweise
durch eine Reduzierung der Baulänge
erfolgen. Bevorzugt ragen die Zahnköpfe zusätzlich in Umfangsrichtung in
die zwischen den Zahnköpfen
ausgebildeten Wicklungsnuten hinein, um eine möglichst große Leitfläche für den magnetischen Fluss zu
bieten. Zur Vermeidung von magnetischen Kurzschlüssen sind die Zahnköpfe jedoch
bevorzugt in Umfangsrichtung voneinander beabstandet, oder anders
ausgedrückt
setzt sich die zwischen den Zähnen
gebildete Nut auch zwischen den Zahnköpfen in axialer Richtung fort.
Durch diese Nut kann der Wicklungsdraht (insbesondere isolierter Kupferdraht)
im Wicklungsprozess eingeführt
werden. Die beschriebene Weiterbildung kann beispielsweise auch
bei einem Außenläufer realisiert werden, wobei
sich dann die Zähne
nach radial Innen erstrecken.
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Wicklungsschäden können in
Weiterbildung der Erfindung dadurch reduziert werden, dass die Stirnseite
der Zahnhälse
gerundet ist, insbesondere derart, dass die Scheitellinie der Rundung
in radialer Richtung verläuft
und die Rundung sich in Umfangsrichtung erstreckt.
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Zusätzlich oder
alternativ ist es von Vorteil die Isolierlamelle krallenartig auszubilden.
Hierzu sind die Zähne
mit einer sich in radialer sowie axialer Richtung erstreckenden
Krümmung
zu versehen, so dass die Axialerstreckung der Zähne mit zunehmendem Radialabstand
zur Drehachse zunimmt. Hierdurch wird eine mechanische Stabilisierung
der Zahnköpfe
realisiert und gleichzeitig kann die Gefahr von Beschädigungen
des Wicklungsdrahtes minimiert werden. Durch die integrierten Rundungen
(sowohl die in axialer Richtung weisenden, als auch die in Umfangsrichtung
weisenden Rundungen und der damit verbundenen Querschnittsvergrößerungen
der Zahnköpfe
und/oder der Zahnhälse
wird zusätzlich Sättigungseffekten
des magnetischen Materials vorgebeugt.
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Ferner
betrifft die Erfindung einen Elektromotoranker mit einer Ankerwicklung,
wobei der Elektromotoranker mit mindestens einer, vorzugsweise mit zwei
Isolierlamellen ausgestattet ist, die das Ankerpaket in gegenüberliegende
Axialrichtungen begrenzen. Auf den Stirnseiten der Isolierlamellen
liegen dabei die Wicklungsköpfe
der Ankerwicklung an. Insbesondere befinden sich die Wicklungsköpfe in einem
radial inneren Abschnitt der Zahnhälse. Bevorzugt ist vorgesehen,
dass die Wickelköpfe
in axialer Richtung innerhalb der Isolierlamelle versenkt sind, das
heißt,
dass die Zahnköpfe
der Isolierlamelle in axialer Richtung mindestens bis an die maximale
Axialerstreckung der Wicklungsköpfe
heranragen. Der erfindungsgemäße Elektromaschinenanker
mit Isolierlamelle kann sowohl als Rotor, beispielsweise in mechanischen
Gleichstrommaschinen, oder auch als Stator, beispielsweise in elektronisch
kommutierten Maschinen eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Isolierlamelle
aus Kunststoff mit weichmagnetischen Füllstoffen und
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2:
eine geschnittene, schematische Teildarstellung eines Elektromotorankers
mit zwei in axialer Richtung beabstandeten Isolierlamellen, die
ferromagnetisches Material beinhalten.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
in einer perspektivischen Ansicht eine Isolierlamelle 1 für einen
Elektromotor dargestellt. Bei der gezeigten Isolierlamelle handelt
es sich um ein Kunststoff spritzgussteil, wobei dem Kunststoff weichmagnetische
Eisenpartikel als Füllstoff
zugesetzt sind, so dass die gezeigte Isolierlamelle 1 weichmagnetische
Eigenschaften besitzt, das heißt leicht
ummagnetisierbar ist und den magnetischen Fluss leitet.
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Die
Isolierlamelle 1 weist einen zentrischen Nabenabschnitt 2 mit
einer Durchgangsöffnung 3 zur Aufnahme
einer nicht gezeigten Ankerwelle auf. Die Isolierlamelle 1 kann
in an sich bekannter Weise drehfest auf der Ankerwelle festgelegt
werden. Es ist auch denkbar die Isolierlamelle 1 einstückig mit
der Ankerwelle auszubilden.
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An
den Nabenabschnitt 2 sind acht sich in radialer Richtung
erstreckende Zähne 4 angeformt.
Jeder Zahn 4 besteht aus einem unmittelbar an den Nabenabschnitt 2 angrenzenden
Zahnhals 6, der in einem radial äußeren Bereich in einen Zahnkopf 7 übergeht.
Zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Zahnhälsen 6 ist
eine im Wesentlichen V-förmige,
sich in axialer Richtung erstreckende Nut zur Aufnahme von Ankerwicklungen
gezeigt. Die Zahnköpfe 7 überragen
die Nuten 5 in Umfangsrichtung ein Stück weit und bilden somit eine
Art Nutdach. Zwischen jeweils zwei benachbarten Zahnköpfen 7 bleibt
jedoch ein Axialspalt 8 frei, durch den der Wicklungsdraht
beim Wicklungsprozess eingefädelt werden
kann.
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Der
Wicklungsdraht verläuft
in axialer Richtung innerhalb einer Nut 5 und wird im stirnseitigen Bereich
der Isolierlamelle umgelenkt und in entgegengesetzter Axialrichtung
durch eine andere Nut 5 zurückgeführt. Um eine Beschädigung des
Wicklungsdrahtes zu vermeiden ist jeder Zahnhals 6 stirnseitig
abgerundet ausgebildet, wobei sich die Scheitellinien 9 der
Rundungen in radialer Richtung erstrecken. Anders ausgedrückt werden
jeweils zwei parallele Zahnhalsseitenflächen 10, 11 der
Zahnhälse 6 über eine
stirnseitige Rundung 12 zusammengeführt.
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Wie
sich ebenfalls aus 1 ergibt, hat die Isolierlamelle 1 eine
krallenartige Ausformung. Dies wird dadurch erreicht, dass die Zahnhälse 6 radial außen in axialer
Richtung gebogen ausgeformt sind und in die radial äußeren Zahnköpfe 7 fließend übergehen.
Jeder Zahnkopf 7 überragt
dabei einen radial inneren Abschnitt 13 des zugehörigen Zahnhalses 6, an
dem im gewickelten Zustand der Wicklungsdraht anliegt. Wie später noch
erläutert
werden wird, ist die Axialerstreckung der Zahnköpfe 7 so bemessen, dass
sie den Wicklungsdraht in axialer Richtung überragen.
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In 2 ist
eine geschnittene Teilansicht eines Elektromotorankers 14 mit
Ankerwelle 15 gezeigt. Insbesondere bei Kleinmotoren ist
die Ankerwelle 15 drehbar in einem Permanentmagnete enthaltenden
Polgehäuse
abgeordnet.
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Der
Elektromotoranker 14 umfasst ein drehfest auf der Ankerwelle 15 sitzendes
Blechlamellenpaket 16, welches an beiden axialen Stirnseiten
von jeweils einer Isolierlamelle 1, wie diese in 1 im Detail
dargestellt ist, begrenzt ist. Zu erkennen ist, dass sich die Zahnhälse 6 der
Zähne 4 krallenartig gebogen
in axialer Richtung erstrecken. Zu ersehen ist ferner, dass die
Zahnköpfe 7 die
schematisch angedeuteten Wicklungsköpfe 17 der Ankerwicklung
in axialer Richtung überragen.