DE60032703T2

DE60032703T2 - Stator mit zähnen aus weichmagnetischem pulverförmigem material.

Info

Publication number: DE60032703T2
Application number: DE60032703T
Authority: DE
Inventors: Alan G. Hexham Jack; Barrie Whitley Bay MECROW; John Terence Gosforth EVANS; James Stonehouse Burdess; John Neville Fawcett; Dawn Heaton STEPHENSON; Phillip George Cramlington DICKINSON
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: JP2002544753A; AU4793900A; BR0005571A; CA2337042A1; DE60032703D1; SE9901745L; US6472792B1; TW496029B; KR100596901B1; CA2337042C; KR20010074671A; SE519302C2; SE9901745D0; ES2274789T3; EP1095442A1; RU2237335C2; CN1131583C; EP1095442B1; CN1304575A; WO2000069047A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektrische Maschinen, insbesondere Motoren, und genauer die Struktur ihrer Statoreinheit.
Hintergrund der Erfindung und des Stands der Technik Elektrische Maschinen funktionieren durch die Wechselwirkung von Magnetfeld und Strom. An den Betriebsgrenzen ist das Magnetfeld durch Sättigung des weichen magnetischen Materials und der Strom durch die aus der Ohm'schen Erwärmung resultierende Temperatur begrenzt. Wenn mehr Raum für den Leiter zum Verringern der Stromdichten und somit der Ohm'schen Erwärmung bereitgestellt wird, wird auch das Magnetfeld verringert und umgekehrt, wenn mehr weiches magnetisches Material eingeschlossen wird, wird das Magnetfeld verstärkt, aber die Leiterfläche wird verringert und die Ohm'sche Erwärmung erhöht sich. In JP-A-9215230 wird eine solche elektrische Maschine offenbart.
In den meisten Maschinen sind die Leiter in Slots enthalten. Es ist notwendig, die Slots halb zu verschließen, um einen glatten Drehmomentausstoß zu erhalten und das Ergebnis ist, dass das Platzieren der Windungen in den Slots eine schwierige Aufgabe ist, die zu einem ziemlich schlechten Verhältnis der Leiterfläche zu der Slotfläche führt. Verhältnisse in dem Bereich von 50 % werden als gut betrachtet. Dieses schlechte Verhältnis ist aus zwei Gründen schlecht, zunächst wird Platz verschwendet, der für den Leiter oder das weiche magnetische Material verwendet werden könnte, und zweitens wird der Raum in dem Schlitz als eine thermische Barriere wirken, die die Temperatur für einen gegebenen Ohm'schen Verlust erhöht.
Zusammenfassung
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Statorkern für eine elektrische Maschine bereitzustellen, der ein besseres Verhältnis der Leiterfläche zur Schlotfläche als Statoren des Stands der Technik bereitstellt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Stator in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale gekennzeichnet ist, die in dem angefügten Anspruch 1 spezifiziert sind. Bevorzugte Ausführungsformen des Stators sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
So betrifft die Erfindung das Ausnützen einer guten Oberflächenendbearbeitung, einer dichten Größentoleranz und dreidimensionaler Kraftfluss tragender Fähigkeiten weicher magnetischer Komposite, indem der Eisenkern eines Motors in separate Zahn- und rückwärtige Kernabschnitte gebrochen wird. Diese separaten Abschnitte ermöglichen separat hergestellte einfache Spulen vom einfachen gewundenem Spulentyp, der mit den Kernabschnitten einzubauen ist, um Einheiten herzustellen, die innerhalb des Motorrahmens miteinander verbunden und zusammengebaut sind.
Die Spulen, die fernab von den geometrischen Schwierigkeiten des Einbaus in die Slots hergestellt wurden, können ein weit höheres Verhältnis an Kupfer zu Slotfläche besitzen; unter Verwendung von Maschinenwindung wird 70 % leicht erreicht. Wenn die Spulen in einem weiteren Schritt in einer Form komprimiert werden, ist 81 % erreicht worden, was dem theoretischen Maximum nahe kommt (was durch den Bedarf nach Isolierung um die Leiter herum festgelegt wird).
Das Ergebnis dieses hohen Verhältnisses an Leiter zur Slotfläche ist eine größere Verringerung des Spulenwiderstands und somit der Ohm'schen Verluste und eine große Zunahme der thermischen Leitung. Im Ergebnis wird der Motor an seiner Belastungsgrenze eine weit höhere Leistung herstellen, was Kapitalkosten absenkt und Vorteile bezüglich Effizienzgröße und Gewicht bietet.
Zur gleichen Zeit werden die vorgeschlagenen Subkomponenten leicht durch billige und voll automatisierte Verfahren hergestellt, und die Anforderungen nach mechanischer Festigkeit, Widerstand gegenüber elektrischem Kurzschluss und Größentoleranz werden leicht erfüllt. Dies steht im Gegensatz zu einer herkömmlichen Maschine, deren Aufwindung entweder viel Handarbeit oder teure und schwer aufzustellende Aufwindemaschinen erfordert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen separaten Zahn- und einen separaten Kernrückabschnitt einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genau so wie eine separate Spule zeigt.
2 ist eine Grundansicht des separaten Kernrückabschnitts, der in 1 gezeigt wird.
3 ist eine Seitenansicht des separaten Zahns, der in 1 gezeigt wird.
4 ist eine Endansicht des separaten Zahns, der in 1 und 3 gezeigt wird.
5 ist eine Seitenansicht, die 3 entspricht, und die Komponenten von 1 in einem zusammengebauten Zustand veranschaulicht.
6 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI in 5.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die einen separaten Zahn- und einen separaten Kernrückabschnitt gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die die Komponenten von 7 in einem zusammengebauten Zustand zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Ein Statorzahn 1, der in 1 und 3–6 veranschaulicht wird, besitzt einen Stamm 2 mit konstanter Querschnittsfläche und einer distalen Spitze 3 mit einer größeren Querschnittsfläche als der Stamm 2. Vorzugsweise wird der Zahn 1 hergestellt, indem ein weiches pulverförmiges Material, wie etwa Somaloy 500, hergestellt von Höganäs AB aus Schweden, komprimiert wird.
Der Statorzahn 1 besitzt einen proximalen Endabschnitt 4 mit der gleichen Querschnittsfläche wie (oder geringern Querschnittsfläche als) der Stamm 2.
Ein Statorkernrückabschnitt 5, der in 1, 2, 5 und 6 veranschaulicht ist, besitzt eine herkömmliche Form bis auf ein radiales Durchloch 6 mit der gleichen Querschnittsfläche wie der proximale Endabschnitt 4 des Zahns 1 in 1 und 3–6. Der Kernrückabschnitt 5 kann aus dem gleichen Material wie der Zahn 1 hergestellt werden, wobei die Oberfläche des Loches 6 genau so wie dessen Größenabmessungen derart sinkt, dass sie einen engen Sitz mit dem proximalen Endabschnitt 4 des Zahns 1 ermöglichen.
1, 5 und 6 veranschaulichen zudem eine Spule 7, die mit dem Zahn 1 und dem Kernrückabschnitt 5 zusammenzubauen ist, um einen Statorabschnitt auszubilden, wie in 5 und 6 zusammengebaut gezeigt. Ferner können neun solcher Statorabschnitte zusammengebaut werden, um einen vollständigen Statorkern zu erzeugen, aber die Anzahl der verwendeten Abschnitte kann durch zweckmäßiges Ändern der Größenabmessungen und Winkel des Zahns 1 und des Kernrückabschnitts 5 geändert werden.
Beim Zusammenbauen eines einzelnen Statorabschnitts wird die Spule 7 zunächst auf dem Stamm 2 des Zahns 1 von dem proximalen Endabschnitt 4 und der distalen Spitze 3 geschoben. Damit es ohne irgendeinen wesentlichen Spalt, der zwischen der Spule 7 und dem Zahn 1 in dem zusammengebauten Zustand existiert, möglich sein sollte, sollte der Stamm 2 nicht abnehmende Querschnittsgrößenabmessungen besitzen, d.h. im Wesentlichen konstante oder zunehmende Querschnittsgrößenabmessungen von dem proximalen Endabschnitt 4 zu der distalen Spitze 3, d.h. entlang einer Länge des Zahns, die einem Aufwindeslot entspricht. Zudem sollte die Form des zentralen Lochs der Spule 7 der Form des Stamms 2 entsprechen.
Die zweite Ausführungsform eines Statorkerns, der in 7 und 8 veranschaulicht wird, umfasst einen Zahn 11 mit einem Stamm 12, einer distalen Zahnspitze 13, und einem proximalen Endabschnitt 14. Ferner besitzt dieser Statorkern einen Kernrückabschnitt 15, der in zwei symmetrische Hälften 15' und 15'' gespalten ist, die, wenn zusammengebaut, wie in 8 gezeigt, ein Loch 16', 16'' mit der gleichen Form wie der proximale Endabschnitt 14 des Zahns 11 besitzen. Als eine Folge des gespaltenen Kernrückabschnitts 15 können das Loch 16', 16'' und der proximale Endabschnitt 14 eine derartige Form besitzen, dass der Zahn 11 zwischen den zwei Hälften 15' und 15'' in dem zusammengebauten Zustand des Statorkernabschnitts fixiert ist.
Um einen kompletten Statorkern zu bilden, werden die in 7 und 8 gezeigten Komponenten verdoppelt und mit einer Spule auf jeder der zwei gegenüberliegenden Zähne zusammengebaut.
Während zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass einige Modifikationen möglich sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
So können die Kernrückabschnitte 5 der ersten Ausführungsform auf die gleiche Weise wie die Kernrückabschnitte 15 der zweiten Ausführungsform gespalten werden. Ferner können jede dieser Hälften mit der nächsten Hälfte eines angrenzenden Kernrückabschnitts 5 integriert werden, so dass jeder Kernrückabschnitt eine Hälfte von jeder der zwei Öffnungen einschließt.

Claims

Statorkern für eine elektrische Maschine, der umfasst: einen ringförmigen Bügel und eine Mehrzahl von Zähnen, die umlaufend auf dem ringförmigen Bügel angeordnet sind und sich hieraus radial erstrecken, wobei die Räume zwischen den Zähnen umlaufend angeordnete Aufwindeslots definieren, wobei die Zähne als separate Komponenten aus einem weichen magnetischen Pulvermaterial gebildet sind, jeder Zahn (1; 11) nicht-abnehmende Querschnittsabmessungen in einer Richtung zu einer distalen Spitze (3; 13) entlang einer Länge des Zahns besitzt, die einem Aufwindeslot entspricht, und die gleichen oder kleinere Querschnittsabmessungen entlang einem proximalen Ende (4; 14) des Zahns besitzt, um mit einem Abschnitt (5; 15) des kreisförmigen Bügels aufgebaut zu werden und eine Spule (7) vor dem Zusammenbau mit dem Bügel empfangen zu können, wobei jeder Kernrückabschnitt (5; 15) eine Öffnung (6; 16', 16'') einschließt, deren Öffnung das proximale Ende (4; 14) eines Zahns (1; 11) empfängt, und der Bügel so viele Kernrückabschnitte (5; 15) wie es Zähne (1; 11) gibt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen radiale Durchlöcher sind.
Statorkern für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, wobei jeder Kernrückabschnitt (15) in zwei Hälften (15', 15'') gespalten ist, die jeweils die Hälfte der Öffnung (16', 16'') einschließen.
Statorkern für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 2, wobei jeder Kernrückabschnitt eine Hälfte von jeder der zwei Öffnungen einschließt.
Statoreinheit für eine elektrische Maschine, die einen Statorkern wie in einem der Ansprüche 1–3 definiert, umfasst, und ferner Spulen umfasst, die direkt auf dem Zahn vor seinem Zusammenbau mit dem Bügel aufgewunden sind.
Statoreinheit für eine elektrische Maschine, die einen Statorkern wie in einem der Ansprüche 1–3 beansprucht, und separat aufgewundene Spulenkörper (7), die auf den Zahn (1) vor seinem Zusammenbau mit dem Bügel eingeschoben sind, umfasst.