DE102009058346A1

DE102009058346A1 - Universalmotor

Info

Publication number: DE102009058346A1
Application number: DE102009058346A
Authority: DE
Inventors: Bao Ting Liu; Ji Dong Chai; Ji Cheng Pan
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2010-07-22
Also published as: JP2010154743A; JP5683103B2; US8680738B2; US20100156229A1

Abstract

Ein Universalmotor umfasst einen Stator 10 und einen in dem Stator drehbar montierten Rotor 12. Der Stator umfasst einen Statorkern 20 mit einem Joch, n Hauptpolen 26, die mit Wicklungen 30 versehen sind, und n Hilfspolen 28. Die Hauptpole und die Hilfspole sind in einer Umfangsrichtung des Jochs alternierend an dessen radialer Innenseite angeordnet. Wenn die Wicklungen 30 mit Strom versorgt werden, werden an den Hauptpolen 26 und an den Hilfspolen 28 jeweils n Hauptmagnetpole und n Hilfsmagnetpole gebildet, wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist. Alle Hauptmagnetpole haben jeweils die gleiche Polarität, und die Polarität der Hilfsmagnetpole ist entgegengesetzt zur Polarität der Hauptmagnetpole.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Universalmotor und insbesondere einen Stator für einen Universalmotor.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die 5 und 6 zeigen einen typischen Universalmotor bekannter Ausführung. 5 ist eine Querschnittdarstellung des Statorkerns, der Statorwicklungen und des Rotors (dessen Wicklungen weggelassen wurden), während 6 eine ähnliche Darstellung zeigt, jedoch ohne Statorwicklungen und stattdessen mit Linien zur Verdeutlichung des Magnetflussweges durch Motor. Der Motor umfasst einen Statorkern mit einem Joch in rechteckförmger Konfiguration und mit zwei vorspringenden Polen, die sich von den gegenüberliegenden Seiten des Jochs nach innen erstrecken. Zwei Spulen, die die Statorwicklungen bilden, sind an den Polen gewickelt. Wenn den Spulen Strom zugeführt wird, bilden die beiden Pole zwei Magnetpole mit entgegengesetzter Polarität, und es werden zwei Flusswege gebildet. Jeder Flussweg verläuft durch die beiden Pole, über den Motor und eine Hälfte des Jochs. Dadurch bilden die beiden Statorspulen zwei Magnetpole – einen für jede Spule – und der jeweilige Flussweg ist relativ lang.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es besteht daher der Wunsch nach einem verbesserten Universalmotor.
Demgemäß wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Universalmotor bereitgestellt, umfassend: einen Stator und einen in dem Stator drehbar montierten Rotor, wobei der Stator einen Statorkern mit einem Joch, n Hauptpolen mit Wicklungen an den Hauptpolen und n Hilfspolen aufweist, wobei die die Hauptpole und die Hilfspole in einer Umfangsrichtung des Jochs alternierend an dessen radialer Innenseite angeordnet sind und wobei bei Stromzufuhr zu den Wicklungen n Hauptmagnetpole und n Hilfsmagnetpole jeweils an den Hauptpolen und an den Hilfspolen gebildet werden, wobei die Hauptmagnetpole jeweils die gleiche Polarität haben und wobei die Hilfsmagnetpole jeweils die gleiche Polarität haben, die zur Polarität der Hauptmagnetpole entgegengesetzt ist, wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist.
Vorzugsweise ist das Verhältnis des Außendurchmessers D des Rotorkerns zu dem minimalen Außendurchmesser Y des Statorkerns, D/Y, größer als 0,7.
Vorzugsweise tragen die Hilfspole keine Wicklungen, und die Hilfsmagnetpole sind induzierte Magnetpole.
Vorzugsweise umfasst das Joch erste Abschnitte, von denen sich die Hauptpole erstrecken, und zweite Abschnitte, von denen sich die Hilfspole erstrecken, wobei die ersten Abschnitte schmaler sind als die zweiten Abschnitte.
Vorzugsweise sind in den zweiten Abschnitten Montageöffnungen gebildet.
Vorzugsweise umfasst bei Hauptpolen und Hilfspolen, die vorspringende Pole sind und die von dem Joch nach innen vorspringen, jeder Pol einen sich von dem Joch nach innen erstreckenden Hals und einen sich von dem Hals erstreckenden Polschuh, wobei der Abstand zwischen dem Joch und den Polschuhen der Hauptpole größer ist als der Abstand zwischen dem Joch und den Polschuhen der Hilfspole.
Vorzugsweise sind an den Hilfspolen zusätzliche Wicklungen angebracht, wobei die Windungszahl der zusätzlichen Wicklungen kleiner ist als die Windungszahl der Wicklungen an den Hauptpolen.
Vorzugsweise ist n gleich 2, 3 oder 4.
Vorzugsweise ist der radiale Spalt zwischen den Hauptpolen und dem Rotorkern gleich dem radialen Spalt zwischen den Hilfspolen und dem Rotorkern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen beschrieben. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur dargestellt sind, tragen in all diesen Figuren die gleichen Bezugszeichen. Abmessungen von Teilen und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind generell im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeigt. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
1 ist eine Schnittansicht eines Universalmotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Skizze, die den Magnetflussweg des Motors von 1 darstellt;
3 ist eine Schnittansicht eines Universalmotors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Schnittansicht eines Universalmotors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Schnittansicht eines konventionellen Universalmotors; und
6 ist eine Skizze des Magnetflussweges des Motors von 5.
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Universalmotor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Stator und einen Rotor, der hinsichtlich des Stators drehbar montiert ist. Der Stator umfasst einen Statorkern und an dem Statorkern abgebrachte Statorwicklungen. Der Statorkern hat ein Joch, n Hauptpole, an denen Spulen der Statorwicklungen gewickelt sind, und n Hilfspole, wobei die Hauptpole und die Hilfspole in einer Umfangsrichtung des Jochs alternierend an dessen Innenseite angeordnet sind. Wenn den an den Hauptpolen gewickelten Spulen Strom zugeführt wird, werden jeweils n Hauptmagnetpole und n Hilfsmagnetpole an den Hauptpolen und an den Hilfspolen gebildet. Die Hauptmagnetpole haben jeweils die gleiche Polarität, die umgekehrt zur Polarität der Hilfspole ist.
Die 1 und 2 zeigen einen 4-poligen Einphasen-Universalmotor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Motor umfasst einen Stator 10 und einen Rotor 12. 1 ist eine Schnittansicht, die einen Statorkern, Statorwicklungen und den Rotor (dessen Wicklungen weggelassen wurden) zeigt, während 2 eine ähnliche Ansicht ist, in der die Statorwicklungen weggelassen wurden, in der jedoch Linien den Magnetflussweg durch den Motor angeben.
Der Stator 10 umfasst einen Statorkern 20 und Statorwicklungen, die durch Spulen 30 gebildet werden. Der Statorkern 20 ist aus einer Vielzahl von übereinandergeschichteten Lamellen gebildet, die aus Elektrostahl ausgestanzt sind. Der Statorkern 20 hat ein Joch mit zwei ersten Abschnitten 22 und mit zwei zweiten Abschnitten 24, die einer Umfangsrichtung des Jochs alternierend angeordnet sind. Der Statorkern 20 umfasst ferner zwei Hauptpole 26, die sich jeweils von den beiden ersten Abschnitten 22 erstrecken, und zwei Hilfspole 28, die sich jeweils von den beiden zweiten Abschnitten 24 erstrecken. Die Hauptpole 26 und die Hilfspole 28 umgeben den Rotor 12. Die Spulen 30 sind an den Hauptpolen 26 gewickelt. Die Hilfspole 28 tragen keine Spulen. Die zweiten Abschnitte 24 können, wie dargestellt, Montageöffnungen aufweisen.
Wenn wie in 2 dargestellt die an den Hauptpolen 26 gewickelten Spulen 30 mit Strom versorgt werden, werden an den Hauptpolen 26 jeweils zwei Hauptmagnetpole gebildet. Beide Hauptmagnetpole haben gleiche Polarität. An jedem Hauptpol 26, an den entsprechenden Bereichen des Statorkerns, an den benachbarten Hilfspolen und an den entsprechenden Bereichen des Rotors werden zwei Magnetflusswege gebildet. Zwei induzierte Magnetpole werden jeweils an den Hilfspolen gebildet. Die Polarität der Hilfsmagnetpole ist zur Polarität der Hauptmagnetpole entgegengesetzt. Wenn die Hauptpole zum Beispiel magnetische Nordpole bilden, bilden die Hilfspole magnetische Südpole. Daher bildet der Stator 10 vier Magnetpole und vier Magnetkreise. Jeder Magnetkreis verläuft nur durch die Hälfte der beiden Seiten des Jochs des Statorkerns 20 oder durch ein Viertel des Jochs. Auf diese Weise wird die Länge jedes Magnetkreises im Vergleich zu einem Motor mit nur zwei Hauptpolen reduziert.
In der in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind sämtliche Pole 26, 28 vorspringende Pole, und jeder Pol hat einen sich von dem Joch radial nach innen erstreckenden Hals und einen sich von dem Hals erstreckenden Polschuh. Das heißt die Hauptpole 26 haben einen Polschuh 27, der durch einen Hals 32 mit dem ersten Abschnitt 22 des Jochs verbunden ist, und die Hilfspole 28 haben einen Polschuh, der durch einen Hals 33 mit dem zweiten Abschnitt 24 verbunden ist. Die Polschuhe bilden zusammenwirkend eine diskontinuierliche gekrümmte Fläche, die den Rotor 12 umschließt und diesem zugekehrt ist. In der Umfangsrichtung sind die Hälse 32 der Hauptpole 26 schmaler als die Hälse 33 der Hilfspole 28. Optional sind die ersten Abschnitte 22 des Jochs in der radialen Richtung schmaler als die zweiten Abschnitte 24 des Jochs, und der Abstand zwischen den ersten Abschnitten 22 und den Umfangskanten der Polschuhe 27 der Hauptpole 26 ist größer als der Abstand zwischen den zweiten Abschnitten 24 und den Umfangskanten der Polschuhe 29 der Hilfspole 28. Auf diese Weise wird zwischen den ersten Abschnitten 22 und den Hauptpolen 26 ein größerer Raum für die Aufnahme der Spulen 30 der Statorwicklungen gebildet. Vorzugsweise sind in den breiteren zweiten Abschnitten 24 Öffnungen 25 für die Montage von Endhalterungen gebildet, die Lager und Bürstenträger (nicht gezeigt) des Motors halten. Auf diese Weise haben die Montageöffnungen keine nachteilige Wirkung auf den Magnetflussweg des Jochs.
Bei vorliegender Erfindung sind die radiale Richtung und die Umfangsrichtung nicht auf ein Joch mit kreisförmiger oder zylindrischer Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann der Querschnitt des Statorkerns vorliegender Erfindung eine quadratische, rechteckige oder anderweitige nichtkreisrunde Form aufweisen.
Es wird erneut auf 1 Bezug genommen. Der Rotor 12 hat einen Außendurchmesser D. Der Stator 10 hat einen minimalen Außendurchmesser Y. Vorzugsweise ist das Verhältnis des Außendurchmessers D und der minimalen Außenabmessung Y, D/Y, größer als 0,7. Mit dem Außendurchmesser des Rotors 12 ist der Außendurchmesser des Rotorkerns gemeint. Mit dem minimalen Außendurchmesser des Stators 10 ist die Länge einer durch die axiale Mitte des Stators 10 verlaufenden Linie zwischen zwei Punkten der Peripherie des Statorkerns 20 gemeint. Der Außendurchmesser des Rotors 12 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser eines Zylinders, der durch die gekrümmte Fläche der Polschuhe der Pole 26, 28 gebildet wird, wenn der Rotorkern den Polschuhen über einen schmalen Luftspalt gegenüberliegt. Das bedeutet deshalb, dass bei einem Verhältnis des Innendurchmessers des Kreises zu dem Außendurchmesser des Rotors 12, D:Y, das größer als 7:10 ist, das durch den Motor erzeugte Drehmoment hoch ist für einen Statorkern vorgegebener Größe, da das Drehmoment des Motors von dem Durchmesser des Rotors abhängig ist.
Es versteht sich, dass der radiale Spalt zwischen den Hauptpolen und dem Rotorkern gleich dem radialen Spalt zwischen den Hilfspolen und dem Rotorkern sein kann. Alternativ dazu kann der radiale Spalt zwischen den Hauptpolen und dem Rotorkern ungleich dem radialen Spalt zwischen den Hilfspolen und dem Rotorkern sein.
Die Hilfsmagnetpole der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden an den Hilfspolen 28 gebildet, die von der Innenseite des zweiten Jochs 24 nach innen vorspringen. Dadurch sind die Hilfsmagnetpole vorspringende Pole. Alternativ dazu können die Hilfsmagnetpole nichtvorspringende Pole sein, die relativ zur Innenseite des zweiten Abschnitts 24 des Jochs versenkt sind. Wenn die Hilfspole vorspringende Pole sind, können an den Hilfspolen Hilfsspulen mit weniger Windungen als die der Spulen 30 gewickelt sein.
Bei vorliegender Erfindung verläuft jeder Magnetflusskreis durch einen Hauptmagnetpol und einen angrenzenden Hilfsmagnetpol. Die Länge des Magnetflussweges ist reduziert und optimiert. Deshalb erfordert der Universalmotor gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu bekannten Universalmotoren mit gleicher Leistung weniger Material für den Statorkern, wodurch Materialkosten gespart werden.
Gemäß alternativen Ausführungsformen kann der erfindungsgemäße Universalmotor Wicklungen mit drei Spulen aufweisen, um sechs Magnetpole zu bilden, wie in 3 gezeigt, mit vier Spulen, um acht Magnetpole zu bilden, wie in 4 gezeigt, oder mit n Spulen, um 2n Magnetpole zu bilden, wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist.
Die in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Variationen sind in einem einschließenden Sinn zu verstehen, das heißt sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass auch weitere Elemente vorhanden sind.
Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind. Der Schutzrahmen der Erfindung ist durch die anliegenden Ansprüche definiert.

Claims

Universalmotor, umfassend: einen Stator (10) und einen in dem Stator drehbar montierten Rotor (12), wobei der Stator einen Statorkern (20) mit einem Joch und n Hauptpolen (26) aufweist, die mit Wicklungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch n Hilfspole (28) hat, wobei die Hauptpole und die Hilfspole in einer Umfangsrichtung des Jochs alternierend an dessen radialer Innenseite angeordnet sind und wobei bei Stromzufuhr zu den Wickelungen n Hauptmagnetpole und n Hilfsmagnetpole jeweils an den Hauptpolen (26) und an den Hilfspolen (28) gebildet werden, wobei die Hauptmagnetpole jeweils gleiche Polarität haben und wobei die Hilfsmagnetpole jeweils gleiche Polarität haben, die zur Polarität der Hauptmagnetpole entgegengesetzt ist, und wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist.
Motor nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des Außendurchmessers D des Rotors (12) zu dem minimalen Außendurchmesser Y des Statorkerns (20), D/Y, größer als 0,7 ist.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hilfspole (28) keine Wicklungen tragen und die Hilfsmagnetpole induzierte Magnetpole sind.
Motor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Joch erste Abschnitte (22) aufweist, von denen sich die Hauptpole (26) erstrecken, und zweite Abschnitte (24), von denen sich die Hilfspole (28) erstrecken, wobei die ersten Abschnitte schmaler sind als die zweiten Abschnitte.
Motor nach Anspruch 4, wobei Montageöffnungen (25) in den zweiten Abschnitten (24) gebildet sind.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hauptpole (26) und die Hilfspole (28) vorspringende Pole sind, die von dem Joch nach innen vorspringen, wobei jeder Pol (26, 28) einen Hals (32, 33) aufweist, der sich von dem Joch nach innen erstreckt, und einen Polschuh (27, 29), der sich von dem Hals erstreckt, wobei der Abstand zwischen dem Joch und den Polschuhen (27) der Hauptpole (26) größer ist als der Abstand zwischen dem Joch und den Polschuhen (29) der Hilfspole (28).
Motor nach Anspruch 6, wobei zusätzliche Wicklungen an den Hilfspolen (28) hergestellt sind, deren Windungszahl kleiner ist als die Windungszahl der Wicklungen an den Hauptpolen (26).
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei n gleich 2, 3 oder 4 ist.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der radiale Spalt zwischen den Hauptpolen (26) und einem Kern des Rotors (12) gleich dem radialen Spalt zwischen den Hilfspolen (28) und dem Kern des Rotors ist.