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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kombination aus einem
Rotor und einer Statoranordnung, wie etwa auf einen Elektromotor
oder Generator. Insbesondere, allerdings nicht ausschließlich bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf einen Motor oder Generator mit
geschalteter Reduktanz.
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Alle
Bauarten von Elektromotoren erzeugen Vibrationen, wenn sie arbeiten,
und daher ein Geräusch.
In manchen Anwendungen kann das erzeugte Geräusch akzeptierbar sein, aber
in anderen Anwendungen kann es ein wesentliches Problem darstellen.
Wenn bspw. ein Motor mit geschalteter Reduktanz angewendet wird,
um eine Klimatisierungseinheit mit Luftumwälzung für einen Eisenbahnwaggon anzutreiben,
wird das Geräusch
typischerweise über
die Befestigungen in den Eisenbahnwagen übertragen, so daß ein nicht
hinnehmbares Geräuschniveau
für die
Insassen des Wagens erzeugt wird.
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Es
sind Anstrengungen unternommen worden, um die Übertragung des Geräuschs in
den Wagen durch die Verwendung von schalldichten Auskleidungen zu
reduzieren, aber es ist herausgefunden worden, daß dies allein
nicht wirksam ist, da in manchen Anwendungen kein genügender Platz
für ausreichende
Verkleidungen zur Verfügung
steht, um eine effektive Geräuschunterdrückung zu
schaffen. Außerdem
können
Geräusche
sich immer noch entlang von Luftkanälen und sonstigen Leitungen
fortpflanzen.
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Eine
alternative Vorgehensweise besteht darin, zu versuchen, die Schwingungen
zu reduzieren, die durch den Motor erzeugt werden, anstelle die Übertragung
von Geräusch
zu verhindern. Um dies zu erreichen, ist es nötig, die Prozesse zu verstehen, die
zu der Schwingung führen.
Es wird angenommen, daß die
folgenden Ausführungen
erklären,
wie die Schwingungen bzw. Vibrationen in einem Motor entstehen.
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Ein
Rotor weist eine Vielzahl von Rotorpolabschnitten auf, die nach
außen
in einer radialen Richtung vorstehen und sich in einer axialen Richtung
erstrecken. Der Rotor ist innerhalb einer Statoranordnung angeordnet,
die aus einer Vielzahl von Statorpolabschnitten besteht, die nach
innen in einer radialen Richtung vorstehen und sich in axialer Richtung erstrecken.
Beim Gebrauch des Motors dreht sich der Rotor, und jeder der Rotorpolabschnitte
bewegt sich in und außer
Ausrichtung mit jedem der Statorpolabschnitte, obwohl ein Zwischenraum
zwischen den Rotor- und Statorabschnitten eingehalten wird. Spulen
sind auf jeden der Statorpolabschnitte gewickelt, wobei Spulen auf
einander gegenüberliegenden Paaren
in Reihe miteinander verbunden sind. Wenn daher ein Strom an die
Spulen zugeführt
wird, wird ein magnetischer Fluß zwischen
jedem Paar von Statorpolabschnitten erzeugt. Dies führt zu einer
magnetischen Anziehungskraft zwischen den Rotorpolabschnitten und
den Statorpolabschnitten, wenn sie sich einander annähern, was
dadurch kontrolliert werden kann, daß die Stromzufuhr in Übereinstimmung
mit der drehungsmäßigen Orientierung
des Rotors umgeschaltet wird.
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Bei
einem Motor mit geschalteter Reduktanz wird der Strom, der einem
oder mehreren Paaren von Statorpolabschnitten zugeführt wird,
ein- und ausgeschaltet, oder pulsiert. Der Strom wird im allgemeinen eingeschaltet,
wenn sich ein Paar von Rotorpolabschnitten einer Ausrichtung mit
einem Paar von Statorpolabschnitten annähert, wird aber wieder ausgeschaltet,
unmittelbar bevor die Ausrichtung eintritt. Auf diese Weise wird
die magnetische Anziehungskraft vergrößert, wenn sich die Rotor-
und Statorpolabschnitte in Richtung auf ihre Ausrichtung bewegen, verschwindet
aber unmittelbar bevor die Ausrichtung eintritt. Diese Abfolge;
erzeugt das gewünschte Drehmoment
des Motors.
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Allerdings
erzeugt bzw. erzeugen der eine oder die mehreren Statorpolabschnitte,
die wie vorstehend beschrieben umgeschaltet werden, als ein Ergebnis
der magnetischen Anziehungskraft, durch die sie zu den Rotorpolabschnitten
gezogen werden, eine nach innen gerichtete Beanspruchung bzw. elastische
Verformung innerhalb der Statoranordnung und des Gehäuses. Wenn
der Strom abgeschaltet wird und die magnetische Anziehungskraft verschwindet,
hört die
nach innen gerichtete Anziehungskraft des Stators plötzlich auf,
und das Gehäuse
bewegt sich zurück
nach außen
in seine ursprüngliche
Position. Da der Schaltvorgang periodisch erfolgt, sind die Kräfte, die
auf das Gehäuse
wirken, ebenfalls periodisch, und das Gehäuse schwingt.
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Eine
bekannte Möglichkeit
zum Reduzieren der Schwingung und somit des Geräuschs besteht darin, den äußeren Durchmesser
des Gehäuses oder
der Statoranordnung oder von beiden zu vergrößern, wobei dadurch der Motor
allerdings ein zusätzliches
Gewicht und zusätzliche
Abmessungen erhält, die
in zahlreichen Anwendungsfällen
unerwünscht sind
und sich auch kostenmäßig auswirken
können.
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Eine
andere aus dem Stand der Technik bekannte Vorgehensweise zur Lösung dieses
Problems bei Motoren mit geschalteter Reduktanz ist in einer britischen
Patentanmeldung beschrieben, die unter der Nummer
GB 2 303 745 A veröffentlicht
ist. In diesem Fall verlaufen eine Anzahl von Versteifungsstangen
durch Abschnitte des Stators und gehen in endseitige Bügel durch,
die den Rotor abstützen.
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Eine
weitere bekannte Herangehensweise an dieses Problem bei Motoren
mit geschalteter Reluktanz setzt ein halbaktives System zum Vermindern von
Schwingungen ein. Mehrfache Impulse werden auf jede Phase des Motors
an einer Periode aufgebracht, wodurch gegenphasige Vibrationen in
dem Stator erzeugt werden und somit die insgesamt erzeugten Schwingungen
reduziert werden. Diese Vorgehensweise eignet sich allerdings nicht
für Motoren mit
einer hohen Betriebsdrehzahl, d.h. von mehr als 24000 Umdrehungen
pro Minute, da in solchen Fällen
nicht genügend
Zeit zur Verfügung
steht, um die Korrektursignale an die Spulen der Statorpole anzulegen.
Außerdem
verschlechtern halbaktive Systeme den optimalen Wirkungsgrad des
Motors, was in manchen Fällen
unerwünscht
sein kann.
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In
der EP-A-0240644 wird die Verwendung von festen Elementen zwischen
einem Stator und einem äußeren Gehäuse vorgeschlagen,
um den Stator in dem Gehäuse
zu montieren.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kombination aus
einem Rotor und einer Statoranordnung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
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Die
vorliegende Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß die Übertragung
von erzeugten elektromagnetischen Schwingungen reduziert wird, ohne daß das Leistungsverhalten
des Motors oder Generators verschlechtert wird.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, daß das
erste Teil der Statoranordnung einen im wesentlichen kreisförmigen inneren
Querschnitt aufweist, daß das
zweite Teil der Statoranordnung einen im wesentlichen kreisförmigen äußeren Querschnitt
aufweist, und daß die
sich axial erstreckenden elastischen Dämpfungselemente zwischen dem
ersten Teil und dem zweiten Teil in einem gegenseitigen Abstand
angeordnet sind, um den im wesentlichen ringförmigen Zwischenraum dazwischen
aufrechtzuerhalten.
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Zweckmäßigerweise
ist vorgesehen, daß die ersten
und zweiten Teile der Statoranordnung eine Anzahl von sich axial
erstreckenden Kanälen
bilden, von denen jeder dazu bestimmt ist, eines von den zumindest
drei elastischen Dämpfungselementen
aufzunehmen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, daß das erste
und/oder das zweite Teil der Statoranordnung innere bzw. äußere Oberflächen aufweist, die
eine Anzahl von sich axial erstreckenden Nuten aufweisen können, die
zusammen die Kanäle
bilden.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, daß die
langgestreckten elastischen Dämpfungselemente
in einem zusammengedrückten
Zustand zwischen dem ersten und zweiten Teil der Statoranordnung
gehalten sind, so daß diese
in ihrer Position gehalten ist, bspw. in den Kanälen, die die elastischen Dämpfungsmittel halten.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann die Kombination ein Haltemittel umfassen, um die elastischen Dämpfungselemente
in ihrer Stellung relativ zu dem ersten und dem zweiten Teil der
Statoranordnung zu halten. Beispielsweise kann das Haltemittel aus
Ausnehmungen in den Stirnplatten bestehen, die Enden der elastischen
Dämpfungsmittel
aufnehmen, um auf diese Weise die elastischen Dämpfungselemente an ihren Enden
abzustützen.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, daß die
langgestreckten Dämpfungselemente
im Querschnitt im wesentlichen kreisförmig sind. Alternativ kann
vorgesehen sein, daß die
langgestreckten Dämpfungselemente
einen im wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweisen, oder einen
polygonalen Querschnitt aufweisen.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, daß die
rohrförmigen
langgestreckten Dämpfungselemente
aus Metall oder einem faserverstärkten
Kunststoffmaterial hergestellt sind, wobei sie mit einem elastischen
Material gefüllt
sein können.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, daß die
Kombination drei elastische Dämpfungselemente
aufweist.
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Ein
Beispiel für
einen Elektromotor gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nachfolgend beschrieben, lediglich im Wege eines
Beispiels, wobei auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt, von dem der Rotor aus Gründen
der Deutlichkeit weggelassen worden ist;
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2 eine
seitliche Schnittansicht des Motors nach 1 zeigt,
wobei sich der Rotor an seinem Platz befindet.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in diesen ein Elektromotor 10 dargestellt,
der von der Bauart mit geschalteter Reluktanz ist. Der Motor 10 weist
eine Statoranordnung 11 auf, mit einem ersten Teil oder
Gehäuse 12,
und mit einem zweiten Teil oder Stator 16. Das Gehäuse 12 weist
eine innere Oberfläche 13 auf,
die einen im wesentlichen zylindrischen Durchmesser mit einer ersten
radialen Abmessung aufweist, wobei sich der Durchmesser in einer
axialen Richtung A erstreckt. Der Stator 16 weist eine äußere Oberfläche 17 auf
und hat einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, wobei eine zweite
radiale Abmessung kleiner ist als die erste radiale Abmessung der
Eigenschaft. Die äußere Oberfläche 17 des
Stators 12 ist mit drei sich in axialer Richtung erstreckenden
Nuten 18 versehen, die darin ausgebildet sind und entlang
des Umfangs einen gegenseitigen Abstand aufweisen, wobei entsprechende
Nuten 14 in der inneren Oberfläche 13 des Gehäuses 12 ausgebildet
sind. Jedes Paar von Nuten 18, 14 bildet einen
Kanal, in dem ein langgestrecktes elastisches Dämpfungselement 20 angeordnet
ist. Die Nuten 18, 14 und die langgestreckten elastischen
Dämpfungselemente 20 sind
so bemessen, daß sie
das Gehäuse 12 und
den Stator 16 in einen gegenseitigen Abstand bringen und
einen im wesentlichen ringförmigen
Zwischenraum 22 dazwischen aufrechterhalten.
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Die
langgestreckten elastischen Dämpfungselemente 20 weisen
in dieser Ausführungsform
die Form von metallischen Rohren von im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt
auf und haben im wesentlichen die gleiche Länge wie der Stator 12.
Der Kontakt zwischen den Rohren 20 und den inneren und äußeren Oberflächen 13, 17 des
Gehäuses 12 und des
Stators 16 ist ein tangentialer Punktkontakt entlang der
Länge der
Rohre 20.
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Die
Rohre 20 weisen eine Fedekonstante auf, die durch ihren äußeren Durchmesser,
ihre Wanddicke und das Material, aus dem sie hergestellt sind, festgelegt
ist. Die Form der Rohre 20, die in einem bestimmten Motor 10 eingesetzt
wird, wird so ausgewählt,
daß die
geeignete Federkonstante vorhanden ist, die erforderlich ist, um
die Dämpfungswirkung
zu erzeugen, die für
diesen Motor notwendig ist, bspw. dadurch, daß die axiale Länge der
Rohre 20 und die Anzahl der verwendeten Rohre 20 berücksichtigt
wird. Bei einer Anordnung mit drei Rohren, bei der jedes Rohr 20 einen äußeren Durchmesser von
10 mm und einen inneren Durchmesser von 9,1 mm und eine Länge von
100 mm aufweist, kann jedes Rohr eine Federkonstante von etwa 10
k N mm–1 aufweisen.
Jedes Rohr 20 kann aus einem kommerziell verfügbaren,
hoch zugfesten Stahl hergestellt sein.
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In
den Beispielen befinden sich die Rohre 20 in einem zusammengedrückten Zustand
zwischen dem Gehäuse 20 und
dem Stator 16 der Statoranordnung 11 und werden
als Ergebnis davon in ihrer Position gehalten. Die Nuten 18 und 14 in
den äußeren und
inneren Oberflächen 18, 14 sind
so dimensioniert, daß dies
sichergestellt ist. Der Querschnitt der Rohre 20 kann leicht
verformt werden, wenn der Motor 10 zusammengesetzt ist.
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Um
den Motor 10 zusammenzusetzen, so daß ein zusammengedrückter Zustand
der Rohre 20 erzielt wird, wird das Gehäuse 12 erwärmt, der
Stator 16 wird abgekühlt,
und dann wird der Stator 16 innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet
und die Rohre 20 werden zwischen die beiden Teile eingesetzt,
bevor das Ganze die Möglichkeit
hat, die Umgebungstemperatur zu erreichen. Die Tatsache, daß die Rohre 20 in
einem zusammengedrückten
Zustand gehalten werden, führt
zu einer nach innen gerichteten Kraft auf die Statoranordnung 16,
die den Stator 16 konzentrisch innerhalb des Gehäuses 12 positioniert. Dies
ist als solches vorteilhaft, da es bekannt ist, daß wirklich
konzentrische Anordnungen von Stator und Rotor weniger Vibrationen
erzeugen.
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Dieses
Montageverfahren reduziert im Gebrauch die Übertragung von elektromagnetisch
induzierten Schwingungen, bspw. Geräuschen, von dem Stator 16 an
das Gehäuse 12 und
auf diese Weise die Übertragung
von Geräuschen
aus dem Motor 10 heraus. Es bietet in dieser Ausführungsform
auch den Vorteil, daß der
ringförmige
Zwischenraum 22 für den
Durchgang eines Kühlfluids
genutzt werden kann, entweder Gas oder eine Flüssigkeit, je nach Zweckmäßigkeit,
um eine Kühlung
des Motors bereitzustellen, je nach Notwendigkeit.
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Der
Motor weist ferner Stirnplatten 30, 31 auf, die
Lagerungen 32 für
die Montage eines Rotors 34 bereitstellen, wie dies im
Stand der Technik bekannt ist.
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Obwohl
in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform drei elastische
Dämpfungselemente 20 vorgesehen
sind, können
in Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung unterschiedliche Anzahlen von mehr als drei verwendet
werden.
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Weiterhin,
während
in der beschriebenen Ausführungsform
die innere Oberfläche 13 des
Gehäuses 12 mit
Nuten 11 versehen ist, kann die innere Oberfläche 13 glatt
sein. Alternativ kann sowohl die innere Oberfläche 13 des Gehäuses 12 als
auch die äußere Oberfläche 17 des
Stators 16 glatt sein. In diesem Fall ist der Kontakt der
Rohre 20 auf beiden Oberflächen 13 und 17 lediglich
ein tangentialer Punktkontakt entlang der Länge der Rohre 20.
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Die
Rohre 20, die vorstehend beschrieben worden sind, weisen
einen im wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt auf, aber Rohre mit elliptischem oder polygonalem, d.h.
bspw. dreieckigem oder rechteckigem Querschnitt können an
deren Stelle verwendet werden. Das Material, aus dem die Rohre hergestellt
sind, kann Metall sein, oder in manchen Anwendungsfällen ein
faserverstärktes
Kunststoffmaterial, wobei die Faserverstärkung typischerweise aus Glas-
oder Karbonfasern besteht. Die Rohre 20 können mit
einem elastischen Material gefüllt
sein, um die Charakteristik der erzielten Dämpfung nach Maß einzustellen,
für eine
bestimmte Anwendung. Die Rohre 20 können aus einer Anordnung aus
einem äußeren Rohr,
bspw. aus Metall, und einem inneren, im allgemeinen konzentrischen
Rohr, bspw. aus Metall, bestehen, wobei ein Rohr von bspw. elastischem
Material zwischen dem inneren und äußeren Rohr angeordnet sein
kann.
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Wie
beschrieben, werden die Rohre 20 in dem Motor 10 in
ihrer Position gehalten, einfach dadurch, daß sie in einem zusammengedrückten Zustand
zwischen dem Gehäuse 12 und
dem Stator 16 zwischen den Stirnplatten 30 und 31 gehalten
werden. Allerdings kann, wenn gewünscht, ein Haltemittel wie
etwa Klammern, Zapfen, Schrauben oder ähnliches verwendet werden,
oder die Rohre können
einfach an ihren Enden abgestützt
sein, bspw. in Ausschnitten, die in den Stirnplatten 30, 31 des
Motors vorgesehen sind.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf einen Motor mit geschalteter
Reluktanz beschrieben worden ist, kann die Erfindung auf einen Generator mit
geschalteter Reluktanz angewendet werden, oder auf jegliche andere
Bauart eines Motors oder Generators, der einen Rotor und eine Statoranordnung
aufweist.
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Die
Merkmale, die in der vorangehenden Beschreibung oder in den folgenden
Ansprüchen
oder in den beigefügten
Zeichnungen offenbart sind und ihren speziellen Formen oder ausgedrückt durch
ein Mittel zum Ausführen
der offenbarten Funktion dargelegt sind, oder ein Verfahren oder
eine Vorgehensweise zum Erreichen des offenbarten Ergebnisses, je nachdem,
können
getrennt oder in einer beliebigen Kombination solcher Merkmale zur
Ausführung
der Erfindung in unterschiedlichen Formen davon eingesetzt werden.