DE4125044C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine als Scheibenläufer ausgebildete elektrische Maschine mit genutetem Blechpaket und einer mindestens zweiphasigen Wicklung, deren Nutstäbe im Bereich der Wickelköpfe durch quer zu den Nuten verlaufende Stege verbunden sind.

Aus der DE-OS 18 12 730 ist eine elektrische Maschine bekannt, in der eine eisenlose Wicklung in einem zylindrischen Luftspalt liegt. Durch den nutlosen Anker vergrößert die Wicklung die magnetische Luftspaltweite und schwächt so das Erregerfeld. Die Leiter werden seitlich in den Luftspalt eingeschoben. Hierfür und um den Raum im Luftspalt vollständig zur Stromleitung ausnutzen zu können, wird die Leiterhöhe in Teilbereichen des Luftspaltes verdoppelt. Die Stege in den Wickelköpfen liegen in Richtung der Nuttiefe übereinander. Bei mehr als zwei Phasen weisen die Wickelköpfe eine größere Ausdehnung in Richtung der Nuttiefe auf als der aktive Bereich im Luftspalt. Bei drei Phasen wird eine der drei Leiter­ stränge im Wickelkopf aufgespalten und die übrigen zwei Leiterstränge verlaufen zwischen den beiden parallelgeschalteten Leiterstranghälften. Dabei bestimmt die radiale Leiterhöhe einer Hälfte die zum nutlosen Anker hin erforderliche Isolierschichtdicke und die andere Hälfte die mechanische Luftspaltweite. Schränkt die dritte Phase somit bereits die Raumausnutzung im Luftspalt ein, so sind mehr als drei Phasen mit dieser Wicklungsbauform nicht realisierbar. Außerdem müssen die Leiterteile beim ineinanderschieben verbogen werden, wobei für einen stabilen Aufbau der Wicklung zu gewährleisten ist, daß diese Verbiegung elastisch erfolgt. Aus der Offenlegungsschrift geht weiterhin nicht hervor, wie bei hochpoligen Maschinen die Leiter­ teile unterschiedlicher Polteilungen miteinander verbunden werden.

In der dem Oberbegriff des Anspruch 1 zugrundegelegten US-PS 43 98 112 wird eine parallel zur Luftspaltebene eines Scheibenläufers angeordnete Leiterschicht beschrieben, die vom Luftspalt aus in Richtung der Nuttiefe in die Nuten eingesetzt wird. Hierbei bildet jeweils ein aus Leiterblechen herausgestanzter Leiterstrang eine Leiterschicht. Indem identische Leiterschichten mit konstanter Leiterhöhe eingesetzt werden, können alle Leiterteile kostengünstig aus einem Blech herausgestanzt werden. Dabei weist die aus der US-PS bekannte Wicklung zwar für alle Leiterstränge sehr kurze Längen auf. Da jedoch alle Leiterstränge einen unterschiedlichen Abstand vom Luftspalt aufweisen müssen, wird der Raum in den Nuten und Wickelköpfen bei mehrphasigen Maschinen nur zu einem Bruchteil ausgenutzt. Die bekannten Leiterschichten nutzen den Nutraum in zweiphasigen Maschinen nur noch zu 50%, in dreiphasigen Maschinen nur zu 33,3%, usw., aus. Hierdurch bleibt zwar das benötigte Leitervolumen gering, jedoch erhöht sich bei der aus der US-PS bekannten Wick­ lungsbauform das vom magnetischen Fluß durchflossene Eisenvolumen und mit den vergrößer­ ten Maschinenabmessungen auch das Volumen und Gewicht des Gehäuses.

Mit der Anzahl der Phasen steigt jedoch der Anteil der Maschine, der aktiv zur Drehmomen­ tenbildung beiträgt. Für Maschinen, die hohe Wirkungsgrade mit hohen Kraft- und Leistungs­ dichten verbinden sollen, ist daher, neben kurzen Leiterlängen, eine gute Raumausnutzung bei einer höheren Phasenanzahl notwendig. Weichen sich die überlappenden Leiterstränge unter­ schiedlicher Phase im Wickelkopfraum aus, indem sie axial in den dem Rückschluß des Blechpakets radial vorgelagerten Bereich verlaufen, erhöht sich die uneffektive Leiterlänge mit zunehmender Nuttiefe. Der Anteil des Gehäuses, der magnetischen Rückschlüsse, sowie der Erregerwicklung bzw. des Kurzschlußkäfigs, oder bei permanentmagneterregten Maschinen, der Magnete am Gesamtvolumen der elektrischen Maschine, nimmt mit steigender Nuttiefe jedoch ab. Daher sind tiefe Nuten mit einer großen Anzahl von Nutstäben zum Erreichen hoher Kraft- und Leistungsdichten in elektrischen Maschinen erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine als Scheibenläufer ausgebildete mehr­ phasige elektrische Maschine derart weiterzubilden, daß auch bei mehreren Phasen eine hohe Raumausnutzung in den Nuten und Wickelköpfen erreicht und dabei die Länge der Leiter­ stränge unabhängig von der Nuttiefe gering gehalten werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Dabei weisen die Leiterstränge im Wickelkopf Leiterquer­ schnittsänderungen auf, wobei durch eine axiale Verringerung des Leiterquerschnitts in radial verlaufenden Teilbereichen im Wickelkopf ein Raum gebildet wird, in dem die tangential verlaufenden Stege anderer Leiterstränge unterschiedlicher Phasen angeordnet sind.

Um das durch die axiale Leiterquerschnittsänderung im Wickelkopf verminderte Volumen des radial verlaufenden Leiterteilstückes zumindest teilweise zu kompensieren, wird der Leiterstrang in diesem Bereich tangential verbreitert. Das heißt, der Leitersrang reicht seitlich in den Raum hinein, der im Blechpaket durch den Zahn eingenommen wird.

Als Stege und Nutstäbe werden tangential und radial verlaufende Teilbereiche von Leiter­ strängen bezeichnet, wobei die quer zu den Nuten verlaufenden Stege Nutstäbe aus Nuten benachbarter Polteilungen verbinden. Die Nutstäbe einer Nut bzw. die Leiterstränge einer Phase sind axial in Richtung der Nuttiefe geschichtet. Die Stege von Leitersträngen, die in unterschiedlichen Nuten einer Polteilung den gleichen Abstand zum Luftspalt aufweisen, sind radial übereinander angeordnet. Hierdurch ist der Anteil der im Wickelkopf radial verlaufenden Teilbereiche an der Gesamtleiterlänge von der Anzahl der Nuten pro Polteilung abhängig.

Da die Stege unmittelbar tangential von den radial verlaufenden Teilstücken der Leiterstränge weggeführt werden, ist die Leiterlänge unabhängig von der Nuttiefe. Wird die Nuttiefe und damit die Anzahl der übereinander angeordneten Nutstäbe pro Nut vergrößert, verringert sich bei einer permanentmagneterregten Maschine das benötigte Magnetvolumen. Weiterhin vermindert sich mit den Außenabmessungen auch das Rückschlußvolumen, wodurch die Ummagnetisierungsver­ luste reduziert werden. Mit der Nuttiefe bzw. der Anzahl der übereinandergeschichteten Leiterstränge kann die Motorleistung unter Verwendung baugleicher Leiterstränge variiert werden. Durch die Identität der scheibenförmigen Einheiten untereinander wird der Fertigungs­ aufwand gering gehalten.

Eine weitere Verbesserung der Raumausnutzung im Wickelkopf wird erreicht, wenn aufein­ anderliegende scheibenförmige Einheiten um eine Polteilung tangential versetzt angeordnet und die Leiterhöhen entsprechend dem Raumangebot angepaßt werden, so daß keine Hohlräume zwischen den scheibenförmigen Einheiten vorhanden sind. Da alle im Wickelkopf radial ver­ laufenden Teilbereiche der Leiterstränge den gleichen Leiterquerschnitt aufweisen, wird hier­ durch insbesondere eine konstante Verteilung der Verlustwärme über den Umfang sichergestellt.

Nach einer besonderen Ausführungsform können zur Kühlung des Motors eine oder mehrere scheibenförmige Einheiten, gebildet jeweils aus Leitersträngen unterschiedlicher Phasen, durch eine scheibenförmige Kühleinheit ersetzt werden, ohne daß diese konstruktive Änderung in einer Erhöhung des Magnet- und Leitervolumens resultiert.

Ein derart ausgebildeter Scheibenläufer eignet sich insbesondere zum Einbau in die Radfelge eines Fahrzeuges. Hierbei kann der Rotor mit dem Felgenbett axial verschieblich verbunden sein, wodurch eine Beanspruchung des Rotors auf Biegung durch beispielsweise bei Kurvenfahr­ ten auftretende axiale Kräfte vermieden wird. Die Blechpakete und/oder die den Rückschlüssen axial vorgelagerten Kühlkörper können hierbei als tragende Elemente der Felge ausgebildet sein und der Rotor als Scheibe einer Bremseinrichtung dienen.

In den Zeichnungen ist eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektromotor eingebaut in eine Radfelge im Schnitt, wobei der Schnitt durch Nuten geführt ist.

Fig. 2 zeit einen Schnitt gemäß der Linie II-II aus Fig. 1, wobei eine vollständige scheiben­ förmige Einheit dargestellt ist;

Fig. 3 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie III-III aus Fig. 1.

Aus Fig. 1 ergibt sich der Aufbau eines in einer Radfelge eingebauten Scheibenläufers. Hierbei ist die Radfelge mit 1 bezeichnet und der vom Felgenhorn 1a aufgenommene Reifen mit 2. Unterhalb des Felgenbettes 1b befindet sich der Scheibenläufer. Der Scheibenläufer selbst besteht aus einer Rotorscheibe 3, die zu beiden Seiten Statorhälften 4 und 5 aufweist. Die Statorhälften 4 und 5 sind gegenüber der Felge bzw. dem Felgenbett 1b durch Lager 6 abgestützt. Eine jede Statorhälfte 4, 5 besteht aus einem Blechpaket 4a, 5a, von dem in Fig. 1 nur der Rückschluß 4b, 5b sichtbar ist, und einer geschichteten Wicklung. In der dargestellten Ausführungsform sind die axial aufeinanderliegenden Leiterschichten tangential um eine Polteilung zueinander versetzt angeordnet, so daß in den Wickelköpfen 4c, 4d und 5c, 5d, die sich radial oberhalb und unterhalb des Blechpaketes befinden, keine Hohlräume auftreten.

Die Rotorscheibe 3 ist mit dem Felgenbett 1b durch einen Zahntrieb derart verbunden, daß bei axialer Belastung die Felge axial wandern kann, um eine Beanspruchung des Rotors auf Biegung zu vermeiden. Hierbei kann das Felgenbett beispielsweise als Käfig mit axial ver­ laufenden Nuten ausgebildet sein, in die Zähne der Rotorscheibe eingreifen. Die axiale Er­ streckung der Zähne ist geringer als die der Nuten.

Die Blechpakete 4 und 5 sind umgeben vom Kühlkörper 8, der im wesentlichen als Träger des Felgenbettes 1b fungiert und mit der Nabe 9 in Verbindung steht.

Im Kühlkörper befinden sich in bekannter Weise die Stromzuführungen für die einzelnen scheibenförmigen Einheiten, wobei der Strom durch Kommutierungseinrichtungen, bestehend aus einer Stromverteilerplatte 10 und Leistungstransistoren 11, den scheibenförmigen Einheiten zugeführt wird. Im Kühlkörper selbst ist noch eine Scheibenbremseinrichtung 12 vorgesehen, wobei die Bremsbacken 12a der Scheibenbremseinrichtung auf die Rotorscheibe 3 wirken.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht gemäß der Linie II-II aus Fig. 1. Dargestellt ist hier wie in Fig. 1 ein Scheibenläufer mit vier Nuten pro Polteilung; die in den Nuten einsitzenden Nutstäbe sind mit 13a-13d bezeichnet. Die Nutstäbe 13a-13d sind mit den Nutstäben 13a′-13d′ in den Wickelköpfen durch ausschließlich radial verlaufende Teilbereiche 15a-15d und tangential verlaufende Stege 14a-14d der vier Leiterstränge verbunden, wobei der Steg 14a nicht sichtbar ist, da er hinter den radial verlaufenden Teilbereichen 15a-15c liegt.

Die im Wickelkopfradial verlaufenden Teilbereiche des Leiterstranges sind gegenüber den im Blechpaket liegenden Nutstäben tangential verbreitert. Die vier in Fig. 2 dargestellten Leiter­ stränge bilden zusammen eine scheibenförmige Einheit, deren axiale Höhe der Nutstabhöhe entspricht. Durch eine axiale Schichtung derartiger Scheiben hintereinander wird das gesamte Wicklungspaket für ein genutetes Blechpaket gebildet.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie III-III aus Fig. 1. Auch hier ist die Aufteilung wieder derart getroffen, daß vier Nuten pro Polteilung vorgesehen sind. Die zu einer Scheibe gemäß Fig. 2 gehörenden Nutstäbe sind wieder mit 13a-13d bezeichnet und die Nutstäbe der benachbarten Polteilung entsprechend mit 13a′-13d′. Zwischen den Magnetsegmenten 3a weist die Rotorscheibe Pollücken 3b auf, die vorzugsweise aus nichtmagnetischem Stahl oder faserverstärkten Kunststoffen bestehen.

Claims (8)

1. Als Scheibenläufer ausgebildete elektrische Maschine mit genutetem Blechpaket und einer mindestens zweiphasigen Wicklung, deren Nutstäbe im Bereich der Wickelköpfe durch quer zu den Nuten verlaufende Stege verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutstäbe (13a bis 13d) im Bereich der Wickelköpfe (4c, 4d bzw. 5c, 5d) Leiterquerschnittsänderungen aufweisen, wobei in den durch die Leiterquerschnittsänderungen gebildeten Räumen Stege (14a bis 14d) zur Verbindung der Nutstäbe anderer Phasen angeordnet sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutstäbe außerhalb des Blechpakets tangential breiter ausgeführt sind, derart, daß die Querschnittsfläche trotz Änderung des Querschnitts zumindest etwa gleich bleibt.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (14a-14d) verschiedener Phasen jeweils radial übereinander angeordnet sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (14a-14d) mit den Nutstäben (13a-13d), mit denen sie leitend verbunden sind, scheibenförmige Leiterstränge bilden, wobei Leiterstränge unterschiedlicher Phasen zusammen in einer parallel zum Luftspalt liegenden Ebene angeordnet sind.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der durch Leiterstränge unterschiedlicher Phasen gebildeten seheibenförmigen Einheiten durch ein scheibenförmiges Kühlelement ersetzt werden.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Einbau in eine Radfelge, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorscheibe (3) mit dem Felgenbett (1b) axial verschieblich verbunden ist.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechpakete (4a, 5a) und/oder gegebe­ nenfalls den Rückschlüssen (4b, 5b) axial vorgelagerte Kühlkörper (8) als tragende Elemente der Felge ausgebildet sind.

8. Elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorscheibe (3) gleichzeitig als Scheibe einer Bremseinrichtung (12) dient.