Elektrische Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor, der eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist, die entlang einer Umfangsrichtung angeordnet sind und einer Statoranordnung mit einer Wicklungsanordnung, die die Permanentmagneten zumindest bereichsweise umgibt.

Elektrische Maschinen in Form von Kleinantrieben, die einen geringen Energieverbrauch aufweisen, gewinnen immer mehr an Bedeutung. Ein Anwendungsbereich für solche Kleinantriebe sind beispielsweise kleine Pumpen- und Lüfterantriebe in Au ^¬ tomatisierungsgeräten. Des Weiteren werden solche Kleinantriebe bevorzugt in der Medizintechnik eingesetzt. Die Pro ^¬ jektierung von Kleinantrieben erfolgt in der Regel für die maximal auftretenden Antriebsparameter. Üblicherweise werden diese Kleinantriebe jedoch im so genannten Teillastbereich betrieben. Für die oben genannten Applikationen dieser Kleinantriebe wird die Antriebsfunktion im Sinnen eines mechatro- nischen Systems direkt in den Prozess integriert. Die elekt ^¬ rische Maschine wird in diesem Fall zu einer integrierten Einbaukomponente .

Neben diesen konstruktiven Randbedingungen sollen diese

Kleinantriebe drehzahlveränderbar ausgebildet sein. So kann beispielsweise der Antrieb umrichtergespeist ausgebildet sein und einen Spannungszwischenkreis mit einem Pulsumrichter auf ^¬ weisen. Bei transportablen Geräten besteht zudem die Möglichkeit, den Spannungszwischenkreis durch eine Gleichspannungs ^¬ quelle, beispielsweise eine Batterie, zu ersetzen. Besonders für die Anwendungen in der Medizintechnik sind üblicherweise elektrische Maschinen erwünscht, die ein hohes Drehmoment be ^¬ reitstellen können und dabei gleichzeitig ein geringes Ge ^¬ wicht, eine hohe Energieeffizienz, eine geringe Erwärmung und eine hohe Laufruhe aufweisen. Um dies zu erreichen, werden heute üblicherweise permanenterregte Wechselspannungs-Servomotoren in Verbindung mit einem Pulsumrichter verwendet. Bei diesen elektrischen Maschinen sind die Statoren üblicherweise mit einem bewickelten Blechpaket ausgeführt, sodass mit steigender Drehzahl die Magneti ^¬ sierungsverluste bzw. Eisenverluste dominant ansteigen. Be ^¬ sonders im Teillastbetrieb führen die praktisch lastunabhängigen Eisenverluste zu einer deutlichen Verschlechterung der Energieeffizienz. Zudem umfassen die Aktivteile solcher elektrischen Maschinen üblicherweise Komponenten aus Eisen, die eine unerwünschte Gewichtskomponente darstellen und die zu Rastmomenten führen können.

Aus der EP 1 858 142 AI ist ein Linearmotor mit einem Sekundärteil mit Permanentmagneten und einem bewegbaren Primärteil mit stromdurchflossenen mehrphasigen Wicklungen bekannt. Zur Erhöhung der erzielbaren Antriebskräfte sind die Permanent ^¬ magneten derart angeordnet, dass ihre Nord- und Südpole in Bewegungsrichtung gleichnamig hintereinander angeordnet sind. Zudem sind die Spulen der mehrphasigen Wicklungen derart ausgebildet, dass sie die Permanentmagneten des Sekundärteils zumindest bereichsweise umgeben.

Das Prinzip des in der EP 1 858 142 AI beschriebenen Linearmotors kann ebenso auf einen rotatorischen Motor übertragen werden. Dabei weist der Rotor eine Mehrzahl von Permanentmag ^¬ neten auf, die in Umfangsrichtung angeordnet sind. Der Stator weist eine Wicklungsanordnung auf, die die Permanentmagneten zumindest bereichsweise umgibt. Zu diesem Zweck weist der Stator beispielsweise U-förmige gebogene Spulen auf. Eine Fertigung dieser Spulen ist jedoch insbesondere bei kleinen Rotordurchmessern sehr aufwändig.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, die energieeffizient betrieben werden kann und die einfach und kostengünstig gefertigt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Ma ^¬ schine gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil ^¬ dungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Ro ^¬ tor, der eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist, die entlang einer Umfangsrichtung angeordnet sind, eine Statora ^¬ nordnung mit einer Wicklungsanordnung, die die Permanentmagneten zumindest bereichsweise umgibt, wobei die Statoranord ^¬ nung einen ersten Stator mit einer Mehrzahl von Wicklungen aufweist und wobei die Statoranordnung einen zweiten Stator aufweist, die Wicklungen des ersten und des zweiten Stators jeweils als rahmenförmige Spulen ausgebildet sind, die Spulen des ersten Stators in radialer Richtung außenliegend zu den Permanentmagneten angeordnet sind, die Spulen des zweiten Stators in radialer Richtung innenliegend zu den Permanent ^¬ magneten angeordnet sind, die Spulen entlang ihrer Wickelachse in radialer Richtung angeordnet sind und die Permanentmag ^¬ neten entlang ihrer Magnetisierungsrichtung in radialer Richtung angeordnet sind.

Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor, bei dem die Permanentmagneten entlang der Umfangsrichtung der elektrischen Maschine nebeneinander angeordnet sind. Der Rotor kann mit einer entsprechenden Welle gekoppelt sein, an der das Drehmoment der elektrischen Maschine abgegriffen werden kann. Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine einen ersten, außenliegenden Stator und einen zweiten, innenliegenden Stator. Der erste und der zweite Stator umfassen entsprechende Wicklungen in Form von Spulen, die jeweils in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Somit sind die Permanentmagne ^¬ ten in dem Rotor von zwei Seiten mit Spulen umgeben. Somit kann eine hohe magnetische Kraft bereitgestellt werden.

Die elektrische Maschine kann auch derart ausgebildet sein, dass sie nur einen außenliegenden Stator oder einen innenlie- genden Stator mit den dazugehörigen Spulen aufweist. Alternativ dazu kann die elektrische Maschine zusätzlich zu den Spu ^¬ len des ersten und des zweiten Stators weitere Spulen aufwei ^¬ sen, die die Permanentmagneten zumindest bereichsweise umge ^¬ ben .

Die Spulen des ersten und des zweiten Stators weisen im Wesentlichen eine rahmenförmige Gestalt auf. Die Spulen beste ^¬ hen aus einer Drahtwicklung und sind insbesondere als Luft ^¬ spulen ausgebildet, wobei sie derart in der elektrischen Ma ^¬ schine angeordnet sind, dass sie entlang ihrer Wickelachse in radialer Richtung angeordnet sind. Mit anderen Worten weisen die Spulen Durchtrittsöffnungen auf, entlang derer die Spulen in radialer Richtung der elektrischen Maschine angeordnet sind. Diese Spulen können als separates Bauteil einfach ge ^¬ fertigt werden und in der elektrischen Maschine angeordnet werden. Diese Art der Spulen eignet sich insbesondere für die Verwendung elektrischer Maschinen mit einem geringen Durchmesser bzw. elektrische Kleinantriebe. Somit benötigt die elektrische Maschine keinen Nuten und kein Eisenjoch. Somit treten keine frequenzabhängigen Magnetisierungsverluste auf. Des Weiteren treten keine Rastmomente durch die Schwankung der magnetischen Leitfähigkeit des Stators auf.

Bevorzugt sind die Permanentmagnete derart angeordnet, dass die Magnetisierungsrichtungen nebeneinander angeordneter Permanentmagnete in radialer Richtung entgegengesetzt gerichtet sind. Die Magnetisierungsrichtung der jeweiligen Permanentmagneten erstreckt sich von deren Südpol zu deren Nordpol. Durch eine derartige Anordnung der Permanentmagneten kann auf einfache Weise eine kompakte Bauweise erreicht werden. Zudem können die Permanentmagneten als Einzelteile einfach und kostengünstig gefertigt werden und zudem wird somit ein einfa ^¬ cher Aufbau der elektrischen Maschine ermöglicht.

In einer Aus führungs form weisen die Spulen in eine Richtung senkrecht zur Wickelachse eine größere räumliche Erstreckung auf als in Richtung der Wickelachse. Mit anderen Worten wei- sen die jeweiligen Spulen m dem ersten und dem zweiten Stator eine flache Bauform auf. Die Spulen sind insbesondere als Flachspulen ausgebildet. Die Spulen weisen in die Richtung senkrecht zur Wickelachse eine möglichst große räumliche Aus ^¬ dehnung auf. Somit kann durch die Spulen eine erhöhte Kraft ^¬ wirkung auf die Permanentmagneten erzeugt werden. Insbesondere sollen die Spulen so ausgebildet sein, dass das Verhältnis von der elektrischen Leistung, die in die Wicklung eingebracht wird, zu der mechanischen Leistung, die von der elektrischen Maschine erzeugt wird, reduziert wird. Somit kann durch die höhere elektromagnetische Ausnutzung eine höhere Kraft und ein höheres Drehmoment bei konstanter Stromdichte erzeugt werden. Auf diese Weise kann mit der elektrischen Ma ^¬ schine ein hohes Drehmoment bereitgestellt werden.

In einer Ausgestaltung weisen die Spulen in dem ersten und/oder in dem zweiten Stator eine Krümmung entlang der Um- fangsrichtung der elektrischen Maschine auf. Dabei können die Spulen des zweiten Stators eine größere Krümmung in Umfangs- richtung aufweisen als die Spulen des ersten Stators. Durch die Krümmung der Spulen in Umfangsrichtung sind das elektrische Feld der Spulen und das magnetische Feld, das durch die Permanentmagneten des Rotors erzeugt wird, senkrecht zueinan ^¬ der angeordnet. Somit kann eine sehr hohe Kraftkomponente in Umfangsrichtung erzeugt werden, wodurch mit der elektrischen Maschine ein hohes Drehmoment erzeugt werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung unterscheiden sich eine Anzahl von Windungen und/oder eine Querschnittsfläche eines Drahts der Windungen der Spulen in dem ersten Stator von einer Anzahl von Windungen und/oder einer Querschnittsfläche eines Drahts der Windungen der Spulen in dem zweiten Stator. Somit kann in Abhängigkeit von der Windungszahl und/oder dem Drahtquerschnitt das von den Spulen erzeugte elektrische Feld auf einfache Weise angepasst werden. Ebenso kann die Anzahl an Windungen und/oder der Drahtquerschnitt der Spulen in dem ersten und dem zweiten Stator an die elektrische Stromstärke angepasst werden, mit der die Spule beaufschlagt wird. Bevorzugt sind die Permanentmagneten im Wesentlichen eine Form eines Hohlzylindersegments aufweisen. Wenn die elektri ^¬ sche Maschine als Linearmotor ausgebildet ist, können quader- förmige Permanentmagneten verwendet werden. Permanentmagnete, die eine solche Geometrie aufweisen, können einfach und kos ^¬ tengünstig hergestellt werden. Ebenso können die Permanent ^¬ magnete eine zylinderförmige Form aufweisen. Zudem ist es denkbar, dass die Permanentmagneten eine Krümmung in Umfangs- richtung aufweisen. Dies ermöglicht eine einfache und kosten ^¬ günstige Fertigung der elektrischen Maschine.

Bevorzugt ist die Anzahl der Spulen in dem ersten und dem zweiten Stator ein Vielfaches von Drei. Dabei sind eine Spule des ersten Stators und eine Spule des zweiten Stators, die in radialer Richtung der elektrischen Maschine zueinander fluchtend angeordnet sind, elektrisch in Reihe geschaltet. Alter ^¬ nativ dazu kann eine Spule des ersten Stators mit einer Spule des zweiten Stators elektrisch parallel geschaltet sein, da- mit sich im ersten und im zweiten Stator gleiche induzierte Spannungen ergeben. Dabei ist die Richtung der elektrischen Stromstärke, die in eine Spule des ersten Stators und in eine Spule des zweiten Stators, die dem gleichen Wicklungssegment zugeordnet sind, entgegengesetzt gerichtet einzuprägen. Somit können die Spulen auf einfache Weise mit einer dreiphasigen Spannungsversorgung betrieben werden.

In einer Aus führungs form weist der erste und/oder der zweite Stator eine Trägerstruktur mit einer Mehrzahl von Trägerele- menten auf, die zum Aufwickeln der Spulen ausgebildet sind. Durch die Trägerelemente wird eine Art Wickelhilfe bereitge ^¬ stellt. Somit kann der erste und der zweite Stator auf einfa ^¬ che Weise gefertigt werden. Bevorzugt sind die Trägerstruktur und die Trägerelemente aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus ei ^¬ nen Material, das eine relative Permeabilität von eins auf ^¬ weist, gefertigt. Durch das elektrisch isolierende Material, um das die Spulen bzw. die Wicklungen angeordnet sind, werden keine Wirbelstromverluste verursacht. Somit ein kann beson ^¬ ders energieeffizienter Betrieb der elektrischen Maschine ermöglicht werden. Wenn ein Material mit einer relativen Permeabilität von μ _Γ = 1 verwendet wird, treten zusätzlich keine Ummagnetisierungsverluste auf.

Das zuvor beschriebene Prinzip der elektrischen Maschine sowie deren Vorteile und Weiterbildungen können ebenso auf ei ^¬ nen Linearmotor übertragen werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

FIG 1 eine schematische Perspektivansicht einer Anordnung von Permanentmagneten eines Rotors und von Spulen eines ersten Stators einer elektrischen Maschine;

FIG 2 eine Darstellung der Anordnung der Permanentmagneten und der Spulen in einer Abwicklung;

FIG 3 eine geschnittene Seitenansicht der elektrischen

Maschine ;

FIG 4 eine Draufsicht auf die elektrische Maschine;

FIG 5 eine Perspektivdarstellung der elektrischen Maschine ;

FIG 6 eine Seitenansicht des zweiten Stators und des Ro ^¬ tors der elektrischen Maschine;

FIG 7 Perspektivdarstellung einer Anordnung der Spu des ersten und des zweiten Stators; und

FIG 8 eine Draufsicht auf eine Trägerstruktur des zweiten

Stator . Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Aus führungs formen der vorliegenden Erfindung dar.

FIG 1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht die An ^¬ ordnung von Permanentmagneten 16 eines Rotors in Bezug zu den Spulen 20 eines ersten Stators einer elektrischen Maschine. Die Permanentmagneten 16 weisen eine quaderförmige Form auf. Die Permanentmagneten 16 sind entlang der Umfangsrichtung 22 nebeneinander angeordnet. Dabei sind die Permanentmagnete 16 entlang ihrer Magnetisierungsrichtung 40, die sich von deren Südpol S zu deren Nordpol N erstreckt, entlang der radialen Richtung 24 angeordnet. Hierbei sind die Permanentmagnete 16 derart angeordnet, dass die Magnetisierungsrichtungen 40 ne ^¬ beneinander angeordneter Permanentmagneten 16 entgegengesetzt gerichtet sind.

Die Spulen 20 des ersten Stators weisen eine im Wesentlichen rahmenförmige Gestalt auf. Dabei sind die Spulen 20 in radia ^¬ ler Richtung 24 außenliegend zu den Permanentmagneten 16 angeordnet. Zudem sind die Spulen 20 derart angeordnet, dass ihre Wickelachsen 26 in radialer Richtung 24 der elektrischen Maschine angeordnet sind.

FIG 2 zeigt die Anordnung aus Permanentmagneten 16 und Spulen 20 in einer Abwicklung. Die elektrische Maschine ist so aus ^¬ gebildet, dass die Anzahl N* der Spulen 20 ein Vielfaches der Zahl Drei ist. Somit können die Spulen 20 mit einer dreipha ^¬ sigen Spannungsversorgung verbunden werden. Somit bildet sich eine elektrische Maschine mit der Grundpolzahl 2p aus. Dabei gelten folgende Gesetzmäßigkeiten:

Die Anzahl der Rahmenspulen N* muss durch drei teilbar sein:

n Für den Quotienten der Konstanten p/n muss gelten, dass p/n eine ganze Zahl ist, wobei zudem gelten muss, dass n Φ 3, 6, 9^ · · · ist» Wenn z eine gerade Zahl ist, dann besteht jede Wicklungsphase aus 2p/n Spulengruppen zu je z/2 Rahmenspulen.

Vorliegend seien die oben genannten Gesetzmäßigkeiten für eine 10-polige Ausführung der elektrischen Maschine darge- stellt. Damit beträgt die Grundpolzahl 2p = 10. Daraus ergibt sich aus den Quotienten der Konstanten z/n = 2/5. Jede Wicklungsseite besteht dann aus N* = ^ ^ ^Z = ^ ^ ^ = 6 Rahmenspulen.

n 5

Jede der drei Wicklungsphasen besteht aus 2p/n = 10/5 = 2 Spulengruppen mit je z/2 = 2/2 = 1 Rahmenspulen.

In den Darstellungen in den FIG 1 und 2 ist jeweils die Anordnung der Permanentmagneten 16 und der Spulen 20 von einer elektrischen Maschine gezeigt, die einen ersten, außenliegenden Stator aufweist. Bevorzugt umfasst die elektrische Ma- schine zudem einen zweiten, innenliegenden Stator, bei dem die Spulen in radialer Richtung 24 innenliegend zu dem Permanentmagneten 16 angeordnet sind.

FIG 3 zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht eine elekt- rische Maschine 10, die zehn Pole aufweist. Die elektrische Maschine 10 umfasst einen Rotor 12, der mit einer Welle 30 mechanisch verbunden ist. Überdies umfasst der Rotor 12 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 16, die auf einer radialen Scheibe und einem axialen Hohlzylinder angeordnet sind. Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine 10 einen ersten

Stator 14 mit einer Mehrzahl von Spulen 20. Zudem umfasst die elektrische Maschine einen zweiten Stator 18 mit einer Mehrzahl von Spulen 28. Die Spulen 20 des ersten Stators 14 und die Spulen 28 des zweiten Stators weisen eine Krümmung in Um- fangsrichtung 22 der elektrischen Maschine 10 auf. Ebenso können die Permanentmagneten eine Krümmung entlang der Um- fangsrichtung 22 aufweisen. FIG 4 zeigt die elektrische Maschine 10 gemäß FIG 3 in einer Draufsicht. Hierbei ist der Rotor 12 der elektrischen Maschine zu erkennen, der zehn Permanentmagneten 16 aufweist. Über- dies ist der erste Stator 14 gezeigt, der sechs Spulen 20 aufweist. Die Spulen 20 des ersten Stators 14 sind dabei in radialer Richtung 24 der elektrischen Maschine 10 außenliegend zu den Permanentmagneten 16 des Rotors 12 angeordnet. Ebenso umfasst der zweite Stator 18 sechs Spulen 28. Dabei sind die Spulen 28 des zweiten Stators 18 in radialer Richtung 24 innenliegen zu dem Rotor 12 angeordnet.

FIG 5 zeigt eine Perspektivdarstellung der elektrischen Maschine 10 von der Unterseite. Dabei sind insbesondere die Spulen 20 des ersten Stators 14 zu erkennen. FIG 6 zeigt eine Teildarstellung der elektrischen Maschine 10 ohne den ersten Stator 14. Dabei ist der Rotor 12 der elektrischen Maschine 10 mit dem Permanentmagneten 16 zu erkennen. Des Weiteren sind die Spulen 28 des zweiten Stators 14 dargestellt.

FIG 7 zeigt in einer Perspektivdarstellung die Anordnung der Spulen 20 des ersten Stators 14 und der Spulen 28 des zweiten Stators 18. Die Spulen 20, 28 weisen jeweils eine im Wesent ^¬ lichen rahmenförmige Struktur auf. Die Spulen 20, 28 sind durch einen aufgewickelten Draht gefertigt und bilden somit eine entsprechende Luftspule. Dabei weisen die Spulen entlang der Wickelachse 26 eine geringere räumliche Ausdehnung auf als in einer Richtung 32, die senkrecht zur Wickelachse 26 verläuft. Mit anderen Worten weisen die Spulen 20, 28 eine flache Bauform auf. Insbesondere sollen die Spulen 20, 28 so ausgebildet sein, dass das Verhältnis von der elektrischen Leistung, die in die Wicklung eingebracht wird, zu der mecha ^¬ nischen Leistung reduziert wird. Somit kann eine höhere Kraft und ein höheres Drehmoment bei konstanter Stromdichte erzeugt werden. Des Weiteren sind die Spulen 20, 28 entlang der Umfangsrich- tung der elektrischen Maschine 10 gekrümmt. Wie in FIG 7 dargestellt, können sich die Wicklungszahlen der Spulen 20, 28 unterscheiden. Die Spulen 28 des zweiten Stators 18 weisen in diesem Fall eine geringere Wicklungszahl auf als die Spulen 20 des ersten Stators 14. Dabei kann auch die Querschnitts ^¬ fläche der Drähte der Spulen 20 des ersten Stators 14 im Vergleich zu der Querschnittsfläche der Drähte der Spulen 28 in dem zweiten Stator 18 unterschiedlich ausgebildet sein.

FIG 8 zeigt eine Draufsicht auf die Trägerstruktur 34 des in ^¬ neren Stators 18. Dabei weist die Trägerstruktur 34 eine Mehrzahl von Trägerelementen 36 auf. Die Trägerelemente 36 sind durch einen Vorsprung in radialer Richtung gebildet, der eine zweiseitige Aussparung 38 aufweist. In diese Aussparung 38 kann der Draht eingebracht werden und somit die jeweiligen Spulen 28 gewickelt werden. Bevorzugt sind die Trägerstruktur 34 und die Trägerelemente 36 aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet, das insbesondere eine relative Permea- bilität von eins aufweist.

Bezugs zeichenliste

10 elektrische Maschine

12 Rotor

14 Stator

18 Stator

20 Spule

22 Umfangsrichtung

24 Richtung

26 Wickelachse

28 Spule

30 Welle

32 Richtung

34 Trägerstruktur

36 Trägerelernent

38 Aussparung

40 Magnetisierungsrichtung

N Nordpol

S Südpol