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WO2014117881A1 - Drehfeldmaschine mit aussenläufer, insbesondere in modularer bauweise - Google Patents

Drehfeldmaschine mit aussenläufer, insbesondere in modularer bauweise Download PDF

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Publication number
WO2014117881A1
WO2014117881A1 PCT/EP2013/073274 EP2013073274W WO2014117881A1 WO 2014117881 A1 WO2014117881 A1 WO 2014117881A1 EP 2013073274 W EP2013073274 W EP 2013073274W WO 2014117881 A1 WO2014117881 A1 WO 2014117881A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
induction machine
stator
machine according
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/073274
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Leiber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CPM Compact Power Motors GmbH
Original Assignee
CPM Compact Power Motors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CPM Compact Power Motors GmbH filed Critical CPM Compact Power Motors GmbH
Publication of WO2014117881A1 publication Critical patent/WO2014117881A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2786—Outer rotors
    • H02K1/2787—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/2789—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2791—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33—Drive circuits, e.g. power electronics
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/04—Machines with one rotor and two stators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/12—Machines characterised by the modularity of some components

Definitions

  • Rotary field machine with external rotor in particular in modular design.
  • the invention relates to a rotating field machine with external rotor, according to the preamble of claim 1.
  • the control electronics are increasingly combined with the motor, especially at high power in low-voltage applications to the
  • the housing can be realized much easier with an internal rotor motor.
  • External rotor motors the following disadvantages: a) stator of the external rotor motor can be wound hard, b) external rotor motors usually have a thermal problem, since heat is generated primarily in the interior of the engine (in the wound stator) and can therefore be dissipated poorly (long heat path) c Rotors of external rotor motors are only supported on one side and therefore limited by the centrifugal load in length, while
  • a brushless external rotor motor with integrated electronics in the above-mentioned embodiment is shown as a fan drive.
  • the rotor of the motor is connected to a fan wheel, the electronics are integrated with the stator of the electric motor.
  • a compact unit can be built.
  • the disadvantage of such a construction is that the rotor is open and can be attracted to the rotor via the air flow and the attractive force of the magnets, in particular when permanent magnets are used in the rotor, and thus can block the air gap between the stator and rotor. This can lead to a failure of the engine and is not allowed, especially for traction drives for safety reasons.
  • stator Standard winding technology to achieve a high degree of copper filling. This is achieved by the fact that the stator is designed as a strip and can be bent flexibly and thus when winding the stator, for example with a needle winder almost the space between the stator teeth can be completely filled with copper. This problem is solved a).
  • the outer rotor is further developed in such a way that the excitation coils of the inner stator are encapsulated with a material of high thermal conductivity and spaced at a small distance from the stator flange.
  • the rotor is made of plastic and has inlaid magnets and an inserted laminated core. By inserting the laminated core, the losses in the rotor can be reduced, whereby the rotor has low temperatures and thus can be made of plastic.
  • the heat can be dissipated well.
  • This disadvantage b) of the external rotor motor is eliminated.
  • the invention is based on the object, a cost-effective
  • the task could be in the high voltage range with a
  • Winding number also the winding technique is very complex, since thick wires must be used in low-induction machines.
  • Power scaling can be from o. For physical reasons, therefore, only by an increase in diameter, which excludes the use of a sheet metal section.
  • An internal rotor motor is made of o. Reasons therefore for one
  • Torque request can be covered according to the invention by one or two coupled rotors with a Statorstanzblechrough.
  • the motor is advantageously modular and characterized in particular in that it consists of one or two stator / flange assemblies and a housing part takes over the function of the electronics and motor housing and air cooling by ribbing.
  • a housing part takes over the function of the electronics and motor housing and air cooling by ribbing.
  • Stator modules with separate punched grids and connections to the electronics which helps to increase inductance and increase performance.
  • Stator with punched grid and flange is an assembly in which the coils are positioned at a small distance from the radially occidentalden part of the flange and with a material with good heat conduction properties in particular (resins with material admixed with thermally conductive elements such as boron / nitride) potted or im Duroplastherstell compiler is encapsulated.
  • the rotor of the motor consists of a preferably deep-drawn
  • Rotor base carrier which formed at one end radially outwardly formed and U-shaped (axial extent in two directions with two
  • Rotor base are these, form-fitting z.
  • both rotors are additionally stiffened by the connections, as they can support each other and the motor can be scaled in length in addition to a one-sided rotor of an external rotor motor.
  • the contacting takes place in the flange region of the stator flange assembly, where a stamped grid is arranged, preferably via a screw connection with a circuit board of the power electronics.
  • the power electronics are modular, i. in the double-rotor design (FIG. 1), two modules are used, with the single rotor only one module.
  • the power electronics has a separate power and control part, wherein the power unit
  • This motor can be equipped with single rotor and double rotor with the same equipped motherboard of the power unit.
  • Figure 1 shows a longitudinal section (only the upper half) shown) by a first embodiment of a rotating field machine with double stator or double rotor;
  • Figure 2 is a longitudinal section (only the upper half) shown) by a second embodiment of a rotating field machine with a simple stator or rotor;
  • Figure 2a is a detail view of a rotor carrier part.
  • 1 shows an embodiment of a rotating field machine according to the invention with an external rotor with two flange-stator assemblies and a double rotor in the H-structure or double-T-carrier structure is shown.
  • the illustrated induction machine has a first (left)
  • a continuous motor shaft 8 is arranged in bores of Statormiker.
  • bearings 10, 12 are provided on the outside of the stator carriers 2 and 4 in corresponding recesses, in particular ball bearings for direct transmission of high radial forces.
  • the bearings 10, 12 are arranged in the axial direction far outboard, so that there is a high load capacity by radial forces.
  • the stator beams 4, 10 have flange-like, radially extending, stepped portions 2a, 4a, at least one of which may be provided with cooling fins, one of which is shown and designated 4b.
  • stator supports 2, 4 made of a material with good
  • the excitation coils 14 and 16 are at a short distance to the radially outwardly projecting part 2a, 4a of the stator and are cast with the stator lamination 1.3 and the stator with a material with high thermal conductivity 42 (eg Boron nitride filler) or injection-molded with this.
  • a material with high thermal conductivity 42 eg Boron nitride filler
  • the Applicant can be provided in one embodiment of the invention, that the potting compound, with which the excitation coils are encapsulated or encapsulated, up to the stator, in particular its radial extent, reaching and associated with this over a larger area area are .
  • the heat transfer in the axial direction in the stator and over this over the housing to the outside significantly improved over the prior art, in which the coil ends are arranged relatively far away from the stator.
  • This is further supported by the punched grid carrying the ends of the coil wires or contact pins is displaced radially outwards, so that space is created in the radially inner region and the contact area can be further increased and additionally by a casting material with high
  • Thermal conductivity is used.
  • the punched grid enclosed by the potting compound is connected via contact pins or alternatively contact lugs to the electronics or the printed circuit board and sealed in the region of the stator carrier via potting to the electronics. It is also possible, as in
  • DE102011111667.6 discloses to operate in the engine with oil cooling.
  • the rotor carrier parts 18,19 sit non-rotatably on a central holding portion 8a, 9a of the motor shaft 8. On both sides punched grid 15a, 15b and motor terminals 17a, 17b are provided for power output stage.
  • the lead frames 15a, 15b are arranged radially outboard between the rotor and the housing in order to make room for the end parts of the coils or the encapsulation.
  • the rotor carrier parts 18 and 19 are each U-shaped in longitudinal section, have a bottom wall 18a, 19a, and two cylindrical axially extending walls or sections 18b, 19b and 18c, 19c. in the End portion, the support members are formed radially outwardly 18d, 19d and stepped in the middle region 18e and 19e optionally inward.
  • the support structure is very resilient, especially for radial forces due to high speeds and magnetic forces.
  • Carrier parts is advantageously used a ferromagnetic material and chosen as a manufacturing process a thermoforming process.
  • the rotor carrier parts are arranged adjacent to one another in the radial section 18a, 19a and connected to one another in this area.
  • 19a not shown fan elements can be attached.
  • these can also be axial bores through the rotor carrier parts 18, 19.
  • axial channels can be designed by the stator 2 and 4, so that the air is sucked in on one end face and is guided on the other end side of the engine. These channels can also be deflected radially, so that the air in the engine is circulated through the rotor area.
  • laminated cores 21a, 21b extending legs of the support members are laminated cores 21a, 21b arranged, which can be designed appropriately as a revolving metal tube.
  • the laminated cores or sheet metal tubes extend axially over the length of the carrier parts.
  • fragmented permanent magnets 20a, 20b mounted and connected to the sheet metal tube in particular by means of suitable adhesive.
  • the individual magnetic elements are each arranged in a row axially one behind the other, wherein a plurality of such rows are distributed over the circumference of the rotor with gaps.
  • the magnets are glued to the laminated cores or sheet metal tubes on the surface or inserted into the sheet metal tube.
  • the laminated cores are shrunk into the rotor carrier parts and pressed.
  • the laminated core or sheet metal tube and the magnets can be arranged or inserted in accordance with a tool in the manufacture of the rotor and, if necessary, be encapsulated with plastic together with the fan elements described above.
  • the encapsulation is in particular two-sided, so that the magnets and rotor on the inside / outside are protected against corrosion.
  • the injection-molded ribbing produced in addition to the radial Forming the rotor carrier parts further reinforce the rotor and replace or supplement the radial deformation of the rotor in the end region 18d, 19d.
  • the housing 6 is in a region of its circumference
  • Flange portions of the stator 2 a and 4 a can be connected to the housing.
  • the housing 6 is expediently produced by the aluminum casting method, likewise preferably the stator supports 2 and 4.
  • a first printed circuit board 30 is arranged on protrusions or sockets 28a, 28b formed by the housing 6, which is used here in particular for the power electronics.
  • This circuit board can be divided into two circuit boards, the two circuit boards are in the area 30a either mechanically separated or separated in a form that the assembly of the circuit boards is identical left and right and with each circuit board, the current is controlled by a stator.
  • This division makes sense, in particular in terms of the modular design, so that the same design for the construction with a stator (see Fig. 2 embodiment)
  • a second circuit board 32 is disposed in a recess of the lid 26 and is here for the
  • Control electronics used Power electronics and control electronics can also be reversed in the arrangement. In an arrangement of
  • Corresponding connectors 34 and 36 for the power or control electronics are shown only schematically and can, for. B. also be arranged axially opposite one another.
  • a sensor target 33 is attached to the shaft and is scanned via a sensor circuit board 35 with preferably Hall element.
  • An oppositely arranged sensor circuit board is connected via a cable 37 via a passage in the flange or radial part 2a of the support member 2 with the lower circuit board 30. Alternatively, the cable can also be led to the upper circuit board and contacted.
  • a stator-flange assembly including a connected rotor and a bearing is preferably first inserted into the housing, in a second step, the second stator-flange assembly is inserted and ultimately the second bearing and the seal 41 is mounted.
  • Flange parts 2a and 4a are then for example via screws 9 with the housing 28th
  • Figure 2 shows an embodiment in which only a stator
  • Figure 2a shows a detailed view of the rotor, wherein along at least a portion of the radially extending portions a rib 7 or the like. Extends to further stiffen the rotor in this area. This stiffening can in particular gem.
  • the external rotor can also be made of plastic, in particular duroplastic, and replace the U-shaped rotor carrier parts completely or partially. In a partial replacement, much of the U-shaped Replaced rotor armature structure by plastic and if necessary reinforcing parts still inserted.
  • plastic variant is in the axially extending leg of the outer rotor is radially outboard a laminated core arranged that can be conveniently designed as a revolving metal tube.
  • the laminated core or sheet metal tube extends axially over the length of the rotor.
  • segmented magnets can be attached and connected to the metal tube in particular by means of suitable adhesive.
  • the individual magnetic elements are each arranged axially one behind the other in a row, wherein a plurality of such rows are distributed over the circumference of the rotor with gaps.
  • Sheet metal stack or sheet metal tube and the magnets are arranged or inserted in accordance with the manufacture of the rotor in a tool and, if necessary, together with the fan elements described above, encapsulated in plastic.
  • the encapsulation is especially on both sides, so that the magnets are protected on the inside against corrosion. Further, in the axial

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehfeldmaschine mit einem Gehäuse, in dem zumindest ein Stator, ein Rotor, insbesondere Außenläufer-Rotor und eine Welle angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Trägerteil (2, 4) vorgesehen, auf dem der Stator und zumindest ein Lager (10, 12) angeordnet ist und am Gehäuse (6) eine Aufnahme (24) für Elektronik.

Description

Bezeichnung
Drehfeldmaschine mit Außenläufer, insbesondere in modularer Bauweise.
Die Erfindung betrifft eine Drehfeldmaschine mit Außenläufer, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Drehfeldmaschinen werden als Elektromotoren oder
Elektrogeneratoren eingesetzt und weisen einen feststehenden Stator und einen drehbar gelagerten Rotor auf. Die Anforderungen an die Leistung, Dynamik und Regelbarkeit derartiger Motoren steigen ständig. Zudem wird zunehmend die Ansteuerelektronik mit dem Motor, insbesondere bei hohen Leistungen in Niederspannungsanwendungen kombiniert, um die
Leistungsdichte zu erhöhen und den Kontaktierungsaufwand zu reduzieren.
Außenläufermotoren haben den physikalischen Vorteil gegenüber
Innenläufermotoren, dass die Kraft der Drehfeldmaschine im Außenbereich erzeugt wird. Sie zeichnen sich daher im Vergleich zu Innenläufermotoren dadurch aus, dass sie eine hohe Kraft- bzw. Drehmomentdichte aufweisen. Nachteilig ist bei einem Außenläufer, dass das rotierende Teil von außen zugänglich ist und daher ein zusätzliches Gehäuse erfordert, welches das rotierende Teil schützt. Dies kann bei einer ungeeigneten Gesamtkonstruktion die Vorteile der Leistungsdichte wieder reduzieren. Daher werden
Außenläufermotoren in der Anwendung primär als Lüfterantriebe genutzt, bei dem der rotierende Rotor Kern eines Lüfters ist. Das Gehäuse kann bei einem Innenläufermotor deutlich leichter realisiert werden. Zudem haben
Außenläufermotoren folgende Nachteile : a) Stator des Außenläufermotors kann nur schwer bewickelt werden, b) Außenläufermotoren haben in der Regel ein thermisches Problem, da Wärme primär im Innenbereich des Motors entsteht(im bewickelten Stator) und kann daher schlecht abgeführt werden (langer Wärmepfad) c) Rotoren von Außenläufermotoren sind nur einseitig gelagert und daher durch die Fliehkraftbelastung in der Länge begrenzt, während
Innenläufermotoren in der Länge beliebig skaliert werden können.
In der WO2011/113522A3 ist ein bürstenloser Außenläufermotor mit integrierter Elektronik in der oben erwähnten Ausführung als Lüfterantrieb dargestellt. Der Rotor des Motors ist mit einem Lüfterrad verbunden, die Elektronik ist mit dem Stator des Elektromotors integriert. Somit kann eine kompakte Einheit gebaut werden. Nachteilig bei einem derartigen Aufbau ist, dass der Rotor offen ist und über den Luftstrom und die Anzugskraftwirkung der Magnete, insbesondere wenn Permanentmagnete im Rotor eingesetzt werden, metallische Partikel vom Rotor angezogen werden können und somit den Luftspalt zwischen Stator und Rotor blockieren können. Dies kann zu einem Ausfall des Motors führen und ist insbesondere bei Traktionsantrieben aus Sicherheitsgründen nicht zulässig .
In der EP 2179488B1 der Anmelderin ist ein vorteilhafter Statoraufbau eines Außenläufermotors dargestellt, der es ermöglicht, mit einer
Standardwickeltechnik einen hohen Kupferfüllgrad zu erreichen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Stator als Streifen ausgeführt ist und flexibel gebogen werden kann und somit beim Bewickeln des Stators beispielsweise mit einer Nadelwickelmaschine der Raum zwischen den Statorzähnen fast vollständig mit Kupfer gefüllt werden kann. Damit ist Problemstellung a) gelöst.
In der nicht vorveröffentlichten DE102011111667.6 der Anmelderin ist der Aussenläufer derart weiterentwickelt, dass die Erregerspulen des Innenstators mit einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergossen sind und im geringen Abstand zum Statorflansch beabstandet sind. Damit kann die im Stator entstehende Wärme gut abgeführt werden. Der Rotor ist aus Kunststoff ausgeführt und weist eingelegte Magnete und ein eingelegtes Blechpaket auf. Durch das eingelegte Blechpaket können die Verluste im Rotor reduziert werden, wodurch der Rotor geringe Temperaturen aufweist und somit auch aus Kunststoff hergestellt werden kann. Durch den Verguß mit einem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften und den geringen Abstand der Spulen zum Flansch kann zudem die Wärme gut abgeführt werden. Damit ist Nachteil b) des Außenläufermotors behoben.
In der US 7683515B2 des Erfinders ist ein Außenläufermotor mit zwei Statoren (Innen- und Außenstator) mit doppelten Luftspalt zwischen Rotor und beiden Statoren dargestellt. Der Rotor ist aus einem ferromagnetische Werkstoff ausgeführt ist und dünnwandig ist und an der Innenseite Magnete angebracht sind . Der Magnetische Fluss, der von einem oder mehreren bewickelten Stator erzeugt wird, durchdringt den Rotor radial vollständig und schließt sich über den zweiten Stator, auf der anderen Seite des Rotors über einem Luftspalt getrennt ist. Derartige Motoren weisen eine geringe Trägheitsmasse auf und sind für hochdynamische Antriebe geeignet. Aufgrund der Dünnwandigkeit der Rotoren ist der Rotor nur beschränkt strukturell belastbar.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige
Drehfeldmaschine für eine Anwendung als Traktionsantrieb im
Niederspannungsbereich (<60V) für eine breite Leistungsklasse von 4-18 kW zu generieren, mit der eine hohe Leistung und ein großes Drehmoment bei kompaktem Aufbau und geringem Gewicht erreicht wird .
Die Aufgabenstellung könnte im Hochspannungsbereich mit einem
längenskalierten Innenläufermotor gut gelöst werden. Im
Niederspannungsbereich ist jedoch die Leistung durch die Spannung, den Widerstand der Spulen, dem Permanentmagnetfluss und die Induktivität begrenzt. Zudem muss vermieden werden, dass die Induktivität zu klein wird, so dass die Anforderung an die Schaltfrequenzen der Leistungselektronik zu stark ansteigen, um Kostensteigerungen in der Elektronik und
Elektronikschaltverluste zu vermeiden. Zudem ist eine gute
Feldschwächbarkeit erwünscht, um die Drehzahl zu steigern bei geringen Momenten. Für eine gute Feldschwächbarkeit ist eine höhere Induktivität vorteilhaft. Da geringe Induktivitäten einhergehen mit einer geringen
Windungszahl, wird zudem die Wickeltechnik sehr aufwändig, da dicke Drähte bei niederinduktiven Maschinen eingesetzt werden müssen. Die
Leistungsskalierung kann aus o.g . physikalischen Gründen daher nur durch eine Durchmesservergrößerung erfolgen, was die Nutzung eines Blechschnittes ausschließt.
Ein Innenläufermotor ist aus o.g . Gründen daher für einen
Niederspannungsantrieb bis 20kW mit der Restriktion des maximal zulässigen Außendurchmessers nicht darstellbar, da eine Längenskalierung zu sehr geringen Induktivitäten führen würde. Auch eine fremderregte
Synchronmaschine hat den Vorteil der Feldschwächbarkeit über hohe
Induktivitäten nicht nutzen, da die Induktivität im Niederspannungsbereich physikalisch bedingt sehr gering ist. Auch mit anderen Motortypen (z.B.
Scheibenläufer) kann die Leistungsspreizung von 4-20 kW nur mit
unterschiedlichen Blechschnitten dargestellt werden.
Erfindungsgemäße Aufgabenlösung
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein eine kostengünstige Drehfeldmaschine für eine Anwendung als Traktionsantrieb im
Niederspannungsbereich (<60V) für eine breite Leistungsklasse von 4-18 kW geschaffen, mit der eine hohe Leistung und ein großes Drehmoment bei kompaktem Aufbau und geringem Gewicht erreicht wird .
Die weiteren Patentansprüche enthalten vorteilhafte Ausführungen bzw.
Weiterbildungen der Erfindung .
Da der Außenläufermotor eine geringere Aktivlänge als ein Innenläufermotor aufweist, ist die Induktivität höher und die Leistungs- und
Drehmomentanforderung kann erfindungsgemäß durch einen oder zwei gekoppelte Rotoren mit einem Statorstanzblechschnitt abgedeckt werden.
Der Motor ist vorteilhaft modular aufgebaut und insbesondere dadurch charakterisiert, dass er aus einem oder zwei Stator/Flanschbaugruppen besteht und ein Gehäuseteil die Funktion des Elektronik- und Motorgehäuses und der Luftkühlung durch Verrippung übernimmt. Vorteilhaft ist die
Möglichkeit der elektrischen Parallelschaltung der Erregerspulen der
Statormodule durch getrennte Stanzgitter und Anschlüsse zur Elektronik, was zur Induktivitätssteigerung und Leistungssteigerung beiträgt. Stator mit Stanzgitter und Flansch ist eine Baugruppe, in der die Spulen im geringen Abstand zum sich radial ersteckenden Teil des Flansches positioniert sind und mit einem Material mit insbesondere guten Wärmeleiteigenschaften (Harze mit Materialbeimischung mit wärmeleitfähigen Elementen z.B. mit Bor/Nitrid) vergossen bzw. im Duroplastherstellverfahren umspritzt ist.
Der Rotor des Motors besteht aus einem vorzugsweise tiefgezogenen
Rotorgrundträger, der an einem Ende radial nach außen umgeformt und U- förmig ausgeführt (axiale Erstreckung in zwei Richtungen mit zwei
zylindrischen Flächen mit einer Bodenwandung) und zusätzlich vorzugsweise noch radial abgestuft ist. Im Rotor eingelegt sind Blechpakete und gestückelte Magnete, die bedarfsweise noch umspritzt werden. Der Rotor ist damit insbesondere sehr steif und mit sehr hohen radialen Kräften belastbar und hat zudem sehr geringe Eisenverluste. Durch eine Kombination von zwei
Rotorgrundträger werden diese, formschlüssig z. B. durch Schweißen,
Schrauben oder Nieten, in eine Doppel-T-Träger-Struktur oder H-Struktur übergeführt. Damit werden beide Rotoren durch die Verbindungen zusätzlich noch versteift, da Sie sich gegenseitig abstützen können und der Motor kann in der Länge zusätzlich skaliert werden im Vergleich zu einem einseitigen Rotor eines Außenläufermotors.
Die Kontaktierung erfolgt im Flanschbereich der Stator-Flanschbaugruppe, wo ein Stanzgitter angeordnet ist, vorzugsweise über eine Schraubverbindung mit einer Platine der Leistungselektronik. Die Leistungselektronik ist modular aufgebaut, d.h. bei der Doppelrotorausführung (Fig . 1) werden zwei Module eingesetzt, beim Einzelrotor nur ein Modul. Die Leistungselektronik weist ein getrenntes Leistungs- und Steuerteil auf, wobei das Leistungsteil
vorteilhafterweise in zwei Module aufgeteilt wird . Damit können Motor mit Einfachrotor und Doppelrotor mit der gleich bestückten Grundplatine des Leistungsteiles ausgestattet werden.
Mit der Erfindung bzw. ihren vorteilhaften Ausführungen ergeben sich insbesondere folgende (weitere) Merkmale und Vorteile
- Leistungsskalierung über einen sehr breiten Bereich mit einem
Blechschnitt;
- Nutzung des hohen Wirkungsgrad und der Drehmomentdichte von
Außenläufermotoren;
- Wirkungsgradsteigung durch Rotoraufbau mit integriertem Blechmagnet und gestückelten Rotoren;
- Sehr steife Rotorstruktur insbesondere bei hohen Belastungen und
Drehzahlen;
- Sehr gutes Kurzschlussverhalten durch hohe Induktivität und
redundante Kontaktierung;
- Gute Feldschwächbarkeit durch hohe Induktivität, somit Reduzierung der Phasenströme in der Leistungselektronik; Ein kombiniertes Gehäuseteil für Motor- und Leistungselektronik; Redundanz des Antriebes durch redundante Kontaktierung (2
Stromkreise);
Gute Wärmeabfuhr durch Verguss mit Material mit geringer
Wärmeleitfähigkeit und direkter Kontakt Spule mit Flanschteil;
Gute Wärmeaufteilung durch räumlich getrennten Wärmeeintrag u Positionierung Elektronik in Mittenbereich des Gehäuses bzw. im Elektronikdeckel;
Kostengünstiger Aufbau durch Verwendung von Gleichteilen
(Rotorbaugruppen) und Werkzeugen;
Einfache Montage;
Modularer Aufbau sowohl von Motor als auch Leistungselektronik; Sehr hohe Belastbarkeit durch radiale Kräfte durch großen
Lagerabstand.
Fiqurenbeschreibunq
Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Ausgestaltungen sind in den Figuren dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen :
Figur 1 einen Längsschnitt (nur die obere Hälfte) dargestellt)durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Drehfeldmaschine mit Doppelstator bzw. Doppelläufer;
Figur 2 einen Längsschnitt (nur die obere Hälfte) dargestellt)durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Drehfeldmaschine mit einfachem Stator bzw. Läufer;
Figur 2a eine Detailansicht eines Läufer-Trägerteils. In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drehfeldmaschine mit einem Außenläufer mit zwei Flansch-Stator-Baugruppen und einem Doppelrotor in der H-Struktur bzw. Doppel-T-Träger-Struktur dargestellt. Die dargestellte Drehfeldmaschine weist ein erstes (linkes)
Statorträgerteil 2 und ein zweites (rechtes) Statorträgerteil 4 auf, die einander gegenüberliegend in einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 6, das insbesondere einstückig ausgeführt ist, angeordnet sind. In Bohrungen der Statorträgerteile ist eine durchgehende Motorwelle 8 angeordnet. Hierzu sind außen an den Statorträgern 2 bzw. 4 in entsprechenden Ausnehmungen Lager 10, 12 vorgesehen, insbesondere Kugellager zur direkten Übertragung hoher Radialkräfte. Die Lager 10, 12 sind, in axialer Richtung weit außenliegend angeordnet, so dass sich eine hohe Belastbarkeit durch radiale Kräfte ergibt. Die Stator-träger 4, 10 weisen flanschartige, sich radial erstreckende, gestufte Abschnitte 2a, 4a auf, von denen zumindest einer mit Kühlrippen versehen sein kann, von denen eine dargestellt und mit 4b bezeichnet ist.
Auf den Statorträgern 2, 4, die aus einem Material mit guter
Wärmeleitfähgikeit und niedrigem Gewicht (z. B. Aluminium, Magnesium) hergestellt sind, sitzen Statorblechpakete 1,3 mit ihren Erregerspulen 14, 16 auf Isolationskörpern 14a und 16a. Die Statorblechpakete sind auf den
Statorträger 2,4 aufgepresst bzw. aufgeschrumpft. Die Erregerspulen 14 und 16 stehen bzw. enden in kurzem Abstand zum radial nach außenragenden Teil 2a, 4a der Stator-Träger und sind mit dem Statorblechpaketen 1,3 und dem Statorträger mit einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vergossen 42 (z. B. Epoxidharz mit Bor-Nitrid-Füllstoff) bzw. im Spritzgussverfahren mit diesem umspritzt. Dadurch kann die Wärme der Statoren gut abgeführt werden, da die Wärmestrecke verkürzt wird, gleichzeitig wird die Wärme gut auf beiden Seiten des Motors aufgeteilt.
Wie dies in der genannten DE102011111667.6 der Anmelderin beschrieben bzw. dargestellt ist kann bei einer Ausführung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Vergussmasse, mit der die Erregerspulen umgössen bzw. umspritzt sind, bis an den Statorträger, insbesondere dessen radiale Erstreckung, heranreicht und mit diesem über einen größeren Flächenbereich in Verbindung sind . Mit dieser Maßnahme wird der Wärmeübergang in axialer Richtung in den Statorträger und über diesen über das Gehäuse nach außen signifikant verbessert gegenüber dem Stand der Technik, bei dem die Spulenenden relativ weit vom Statorträger entfernt angeordnet sind. Weiter unterstützt wird dieser, indem das die Enden der Spulendrähte bzw. Kontaktstifte tragenden Stanzgitter radial nach außen versetzt ist, so dass im radial innenliegenden Bereich Platz geschaffen wird und der Kontaktbereich weiter vergrößert werden kann und zusätzlich, indem ein Vergussmaterial mit hoher
Wärmeleitfähigkeit verwendet wird . Das von der Vergussmasse umschlossene Stanzgitter ist über Kontaktstifte bzw. alternativ Kontaktlaschen mit der Elektronik bzw. der Leiterplatte verbunden und im Bereich des Statorträgers über Verguss zur Elektronik abgedichtet. Zudem ist es möglich, wie in
DE102011111667.6 offenbart, im Motor mit Ölkühlung zu betreiben.
Ausreichend ist dabei bereits ein Ölnebel, er verbessert die Kühlung zwischen Rotor 18, 19 und Gehäuse 6, da die Wärme neben der Kühlung über den Flanschteile 2 und 4 über die Luft zudem an das Gehäuse radial abgeführt werden kann. Die Wärmeableitung wird durch interne Luftzirkulation
unterstützt, die durch die Lüfterelemente im Rotor im Bereich 18a, 19 angeregt wird . Damit ergibt sich eine sehr gleichmäßige Wärmeabführung an das Gehäuse und eine weitere Leistungssteigerung .
Zwischen den Statorblechpaketen 1,3 verbleibt ein schmaler Durchgang, in dem ein radialer Abschnitt 18a, 19a der Läuferträgerteile 18,19 verläuft.
Die Läuferträgerteile 18,19 sitzen drehfest auf einem zentralen Halteabschnitt 8a, 9a der Motorwelle 8. Auf beiden Seiten sind Stanzgitter 15a, 15b und Motoranschlüsse 17a, 17b zur Leistungsendstufe vorgesehen. Die
Verbindungen von bzw. zu diesen Teilen sind durch entsprechende Öffnungen bzw. Durchgänge im Gehäuse geführt. Die Stanzgitter 15a, 15b sind zwischen Läufer und Gehäuse radial außenliegend angeordnet, um Platz für die Endteile der Spulen bzw. den Verguss zu schaffen.
Die Läuferträgerteile 18 und 19 sind im Längsschnitt jeweils U-förmig ausgeführt, weisen eine Bodenwandung 18a, 19a, und zwei zylindrische sich axial erstreckende Wandungen bzw. Abschnitte 18b, 19b und 18c, 19c auf. Im Endbereich sind die Trägerteile radial nach außen umgeformt 18d, 19d und im Mittenbereich 18e und 19e optional nach innen abgestuft. Durch diese
Formgestaltung wird die Trägerstruktur sehr belastbar insbesondere für radiale Kräfte durch hohe Drehzahlen und Magnetkräfte. Als Material für die
Trägerteile wird vorteilhaft ein ferromagnetischer Werkstoff eingesetzt und als Herstellverfahren ein Tiefziehherstellprozess gewählt.
Die Läuferträgerteile sind im radialen Abschnitt 18a, 19a aneinander anliegend angeordnet und in diesem Bereich miteinander verbunden. Ergänzend können in diesem Bereich 18a, 19a nicht dargestellte Lüfterelemente angebracht werden. In einer einfachen Ausführung können dies auch axiale Bohrungen durch die Läuferträgerteile 18,19 sein . Ergänzend können axiale Kanäle durch die Statorträger 2 und 4 gestaltet werden, sodass die Luft auf der einen Stirnseite angesaugt wird und auf der anderen Stirnseite aus dem Motor geführt wird. Diese Kanäle können auch radial umgelenkt werden, sodass die Luft im Motor über den Rotorbereich umgewälzt wird . Im sich axial
erstreckenden Schenkel des der Trägerteile sind Blechpakete 21a, 21b angeordnet, die zweckmäßig als umlaufendes Blechrohr gestaltet sein können. Die Blechpakete bzw. Blechrohre erstrecken sich axial über die Länge der Trägerteile. Innen an diesem Blechpaket bzw. Blechrohr sind gestückelte Permanentmagnete 20a, 20b angebracht und mit dem Blechrohr insbesondere mittels geeigneten Klebstoffes verbunden. Die einzelnen Magnetelemente sind jeweils in einer Reihe axial hintereinander angeordnet, wobei mehrere solcher Reihen über den Umfang des Läufers mit Zwischenräumen verteilt sind. Die Magnete werden auf die Blechpakete bzw. Blechrohre auf die Oberfläche aufgeklebt bzw. in das Blechrohr eingeschoben. Die Blechpakete werden in die Läuferträgerteile eingeschrumpft und eingepresst. Alternativ bzw. ergänzend kann das Blechpaket bzw. Blechrohr und die Magnete bei der Herstellung des Rotors entsprechend in einem Werkzeug angeordnet bzw. eingelegt und, ggf. gemeinsam mit den oben beschriebenen Lüfterelementen mit Kunststoff umspritzt werden. Die Umspritzung ist insbesondere beidseitig, so dass die Magnete und Rotor an der Innenseite/Außenseite gegen Korrosion geschützt sind . Ferner kann im axialen Bereich der Rotorläuferteile bei Bedarf die spritzgusstechnische hergestellte Verrippung in Ergänzung zur radialen Umformung der Läuferträgerteile den Rotor weiter verstärken und die radiale Umformung des Rotors im Endbereich 18d, 19d ersetzen oder ergänzen.
Das Gehäuse 6 weist in einem Bereich seines Umfanges
radial vorspringende Seitenwände auf, von denen die in der Zeichnung geschnitten dargestellten mit 22a bzw. 22b bezeichnet sind . Weitere
Seitenwände sind vorne und hinten vorgesehen, so dass am Umfang des Gehäuses 6 ein kastenförmiger Gehäuseabschnitt bzw. Aufnahme 24 zur Aufnahme von Elektronik gebildet wird, der durch einen Deckel 26 gedichtet abgeschlossen ist. Auf der Unterseite des Motors ist die radiale nach außen ragende Seitenwand kürzer ausgeführt, ausreichend, damit die
Flanschbereiche der Statorträger 2a und 4a mit dem Gehäuse verbunden werden können. Das Gehäuse 6 wird zweckmäßig im Alugussverfahren hergestellt, ebenso vorzugsweise die Statorträger 2 und 4.
Im Inneren des Elektronik-Gehäuseabschnittes 24 ist auf vom Gehäuse 6 gebildeten Vorsprüngen bzw. Sockeln 28a, 28b eine erste Leiterplatte 30 angeordnet, die hier insbesondere für die Leistungselektronik verwendet wird. Diese Leiterplatte kann auf in zwei Leiterplatten aufgeteilt sein, die beiden Leiterplatten sind im Bereich 30a entweder mechanisch getrennt bzw. in einer Form getrennt, dass die Bestückung der Leiterplatten links und rechts identisch ist und mit jeder Leiterplatte der Strom ein Stator geregelt wird. Dies Aufteilung macht insbesondere im Sinne des modularen Aufbaus Sinn, damit für die Bauweise mit einem Stator (siehe Ausführung Fig .2) die gleiche
Leistungsplatine verwendet werden kann. Eine zweite Leiterplatte 32 ist in einer Ausnehmung des Deckels 26 angeordnet und wird hier für die
Steuerelektronik verwendet. Leistungselektronik und Steuerelektronik können auch vertauscht werden in der Anordnung . Bei einer Anordnung der
Leistungselektronik am Deckel ist die Motoranschlüsse 17a und 17b mit dem Motor entsprechend anzupassen. In bzw. um die Ausnehmung können zweckmäßig Kühlrippen vorgesehen sein. Entsprechende Steckverbindungen 34 bzw. 36 für die Leistungs- bzw. Steuerelektronik sind nur schematisch dargestellt und können z. B. auch axial gegenüberliegend angeordnet sein. Zusätzlich ist ein Sensortarget 33 an der Welle angebracht und wird über einen Sensorleiterplatte 35 mit vorzugsweise Hallelement abgetastet. Eine gegenüberliegend angeordnete Sensorleiterplatte ist über ein Kabel 37 über einen Durchgang im Flansch bzw. radialen Teil 2a des Trägerteils 2 mit der unteren Leiterplatte 30 verbunden. Alternativ kann das Kabel auch zur oberen Leiterplatte geführt und kontaktiert werden .
Zur Montage wird vorzugsweise zuerst eine Stator-Flansch-Baugruppe inklusive verbundenen Rotor und einer Lagerung in das Gehäuse eingesetzt, in einem zweiten Schritt wird die 2. Stator-Flansch-Baugruppe eingeführt und letztlich das 2. Lager und die Dichtung 41 montiert. Flanschteile 2a und 4a werden dann beispielsweise über Schrauben 9 mit dem Gehäuse 28
verbunden. Hierzu sind im Gehäuse beiderseits Ausnehmungen ausgebildet, in die Endabschnitte der sich radial erstreckenden Stator-Trägerteile
abgedichtet eingesetzt werden können.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform bei der nur ein Statorträger und
entsprechend nur ein glockenförmiges Rotorträgerteil vorgesehen ist. Hierbei ist auf der einen Seite (in der Zeichnung rechten) das Lager für die Welle in einem flanschartigen Abschlußteil 40 das hier ohne sich axial erstreckenden Trägerteil für die Spule ausgeführt ist, angeordnet. Im Übrigen entspricht der Aufbau im Wesentlichen dem der Figur 1.
Figur 2a zeigt eine Detailansicht des Läufers, wobei sich entlang zumindest eines Teils des radial verlaufenden Abschnitte eine Rippe 7 oder dgl. erstreckt zur weiteren Versteifung des Rotors in diesem Bereich. Diese Versteifung kann insbesondere bei einer Ausführung gem. Figur 2 zweckmäßig sein, bei der nur ein Läufer-Trägerteil vorgesehen ist.
Wie in der DE102011111667.6 der Anmelderin (auf die hiermit auch zu Offenbarungszwecken Bezug genommen wird) näher ausgeführt, kann der Außenläufer bei der Erfindung auch aus Kunststoff, insbesondere Duroplast bestehen und die U-Förmigen Rotorträgerteile vorständig oder teilweise ersetzen. In einem Teilweisen Ersatz wird ein Großteil der U-förmigen Rotorträgerstruktur durch Kunststoff ersetzt und bedarfsweise Verstärkungsteile noch eingelegt. In der Kunststoffvariante ist im sich axial erstreckenden Schenkel des Außenläufers ist dabei radial außenliegend ein Blechpaket angeordnet, dass zweckmäßig als umlaufendes Blechrohr gestaltet sein kann. Das Blechpaket bzw. Blechrohr erstreckt sich axial über die Länge des Läufers. Innen an diesem Blechpaket bzw. Blechrohr können gestückelte Magnete angebracht und mit dem Blechrohr insbesondere mittels geeigneten Klebstoffes verbunden sein. Die einzelnen Magnetelemente sind dabei jeweils in einer Reihe axial hintereinander angeordnet, wobei mehrere solcher Reihen über den Umfang des Läufers mit Zwischenräumen verteilt sind. Das
Blechpaket bzw. Blechrohr und die Magnete werden bei der Herstellung des Rotors entsprechend in einem Werkzeug angeordnet bzw. eingelegt und, ggf. gemeinsam mit den oben beschriebenen Lüfterelementen, mit Kunststoff umspritzt. Die Umspritzung ist insbesondere beidseitig, so dass die Magnete an der Innenseite gegen Korrosion geschützt sind. Ferner ist im axialen
Bereich bei Bedarf eine Verrippung mit integriert, welche die
Fliehkraftbelastung reduziert.
Bezuaszeichenliste
1 Statorblechpaket
2 Stator-Trägerteil
2a radialer Abschnitt des Statorträgerteils
3 Statorblechpaket
4 Stator-Trägerteil
4a radialer Abschnitt des Stator-Trägerteils
4b Kühlrippe
6 Gehäuse
7 Versteifung
8 Motorwelle
8a Halteabschnitt
9 Schraube
10 Lager
12 Lager
14 Spule
14a Spulenkörper
15a Stanzgitter
15b Stanzgitter
16 Spule
16a Spulenkörper
17a Motoranschluss
17b Motoranschluss
18 Läuferträgerteil
19 Läuferträgerteil
18a radialer Abschnitt
19a Rotor-Trägerteil
19b Rotor-Trägerteil
20a Permanentmagnete
20b Permanentmagnete
21a Blechpaket
21b Blechpaket a Seitenwand
b Seitenwand
Gehäuseabschnitt
Deckel
a Sockel
b Sockel
Leiterplatte
a Trennbereich zwischen 2 Leiterplatten Leiterplatte
Sensortarget
Steckverbindung
Sensorleiterplatte
Steckverbindung
Kabel
Durchgang
Abschlussteil
Dichtung
Verguss

Claims

Patentansprüche
1. Drehfeldmaschine mit einem Gehäuse, in dem zumindest ein Stator, ein Rotor, insbesondere Außenläufer-Rotor und eine Welle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Statorträgerteil (2, 4) vorgesehen ist, auf dem ein Stator (1,3) mit Erregerspulen (14,16) angeordnet und an dem Statorträgerteil (2,4) zumindest ein Lager (10, 12) angeordnet ist und dass am Gehäuse (6) eine Aufnahme (24) für Elektronik vorgesehen ist.
2. Drehfeldmaschine insbesondere nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass Stator-Trägerteil (2,4), Stator (1,3) und
Erregerspule (14,16) eine Baugruppe bilden für eine stirnseitige
Montage der Statorträgerteile.
3. Drehfeldmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Aufnahme (24) für Elektronik mit dem
Gehäuse einstückig ausgebildet ist.
4. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am bzw. im Gehäuse (6) Kühlrippen (4b) vorgesehen sind .
5. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Trägerteile (2,4) vorgesehen sind, an denen jeweils ein Lager (10,12) angeordnet ist.
6. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Trägerteil (2,4) einen sich radial erstreckende Abschnitt aufweist, der das im wesentlichen rohrförmige Gehäuse seitlich abschließt.
7. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mittels sich im Wesentlichen radial erstreckender, insbesondere einstückig mit dem Gehäuse ausgebildeten Wandabschnitten, eine Aufnahme (24) bildet, in der Elektronikelemente bzw. -Baugruppen und dergleichen untergebracht sind .
8. Drehfeldmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (24) mittels eines Deckels (26) dicht verschließbar ist.
9. Drehfeldmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im bzw. am Deckel (26) Elektronikbauteile bzw. - baugruppen angeordnet sind .
10. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer einen aus ferromagnetischen Material hergestellten glockenförmigen Träger (18, 19) , der eine Bodenwandung ausweist und eine oder zwei zylindrische Wandungen aufweist und im Endbereich radial nach aussen gebogen ist
11. Drehfeldmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Läufer-Träger (18, 19) vorgesehen sind, deren radial verlaufende Abschnitte (18a, 19a) zumindest teilweise aneinander anliegend bzw. abstützend angeordnet sind.
12. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (14, 16) mit dem Trägerteil zumindest teilweise mit einem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften vergossen oder umspritzt ist.
13. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im inneren des Gehäuses bzw. der Aufnahme zumindest eine Belüftungseinrichtung vorgesehen ist.
14. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer ein Trägerteil aus Kunststoff aufweist.
15. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik getrennte
Leistungs- und Steuerbereiche aufweist.
Drehfeldmaschine, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine einen modularen Aufbau, insbesondere des Motorteiles und /oder der
Elektronik aufweist.
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