Elektrische Maschine

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Pumpe nach Anspruch 13.

Eine solche elektrische Maschine, die auch als synchrone Homopolar- oder Gleichpolmaschine bekannt ist, umfaßt einen Ro- tor, einen Stator, eine Drehfelderzeugungseinrichtung und eine PoIfelderzeugungseinrichtung, wobei der Rotor um eine Drehachse drehbar ist, die durch zwei gegenüberliegende Abschnitte des Rotors hindurchgeht, und wobei die Drehfelder- zeugungseinrichtung eingerichtet ist, ein im wesentlichen ra- diales Magnetfeld zu erzeugen, das sich um die Drehachse des Rotors dreht, und wobei die PoIfelderzeugungseinrichtung eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, welches den Rotor an den gegenüberliegenden Abschnitten entgegengesetzt polt. Die PoIfelderzeugungseinrichtung ist dabei als eine Spule ausgebildet, welche im Stator integriert ist.

Derartige elektrische Maschinen können sich schneller drehen als Maschinen, die einen Kommutator aufweisen, und können somit zum Beispiel zur Betätigung einer Pumpe verwendet werden, die pro Pumpzyklus ein kleineres Volumen als eine andere Pumpe pumpt und daher auch kleiner als die andere Pumpe ausgebildet werden kann, aber die gleiche Pumpleistung hat, da sie mit einer höheren Frequenz betrieben werden kann. Derartige elektrische Maschinen werden daher als Verdichterantrieb für Brennstoffzellen in Erwägung gezogen, um Bauraum und Gewicht einzusparen .

Ein Nachteil liegt darin, daß die elektrische Maschine zwar die platzsparende Ausbildung einer Pumpe ermöglicht, selbst aber viel Platz beansprucht.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Pumpe mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.

Offenbarung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine und eine Pumpe, für welche die Maschine verwendet wird, ohne Leistungseinbußen zu verkleinern.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des kennzeichnenden

Teils des Patentanspruchs 1 und eine Pumpe für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst .

Erfindungsgemäß umfaßt die PoIfelderzeugungseinrichtung mindestens einen Magnet.

Vorteilhafterweise wird Energie eingespart, da zur Erzeugung des Magnetfelds, welches den Rotor an den gegenüberliegenden Abschnitten entgegengesetzt polt, kein Strom erforderlich ist .

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Stator zwei Statorelemente, die entlang der Drehachse angeordnet sind, und ist der mindestens eine Magnet zwischen den zwei Statorelementen angeordnet.

Vorteilhafterweise kann der Raum, der zwischen den zwei Statorelementen vorhanden sein muß, genutzt werden, um den Mag- neten unterzubringen. Wärme kann von dem Magnet leicht zu den zwei Statorelementen des Stators abgeführt werden. Außerdem ist der Magnet vor Gegenfelder durch die zwei Statorelemente

geschützt, so daß eine Entmagnetisierung verhindert werden kann .

In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist ein Gehäuse vorgesehen, das nicht magnetisch ist.

Vorteilhafterweise kann ein magnetischer Kurzschluß durch das Gehäuse vermieden werden.

In noch einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Stator zwei Statorelemente, die entlang der Drehachse angeordnet sind, ist der mindestens eine Magnet als Holzylinder ausgebildet, welcher eines der zwei Statorelemente umgibt, und umgibt ein weiterer als Holzylinder ausgebildeter Magnet das andere der zwei Statorelemente.

Vorteilhafterweise kann Wärme von den Magneten leicht zu den Statorelementen abgeführt werden. Außerdem sind die Magnete vor Gegenfelder durch die Statorelemente geschützt, so daß eine Entmagnetisierung verhindert werden kann. Aufgrund der großen Berührungsfläche zwischen den Statorelementen und den Magneten können preisgünstige Ferritmagnete ein ausreichendes Magnetfeld erzeugen.

In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist ein Gehäuse vorgesehen, das magnetisch ist.

Vorteilhafterweise kann der magnetische Widerstand dadurch verringert werden, daß die magnetischen Feldlinien fast voll- kommen durch einen magnetischen Werkstoff verlaufen.

In noch einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Stator zwei Statorelemente, die entlang der Drehachse angeordnet sind, ist der mindestens eine Magnet quaderförmig ausgebildet und außen an einem der zwei Statorelemente angeordnet, und ist ein weiterer Magnet vorgesehen ist, der quaderförmig aus-

gebildet und außen an dem anderen der zwei Statorelemente angeordnet .

Vorteilhafterweise kann Wärme von den Magneten leicht zu den Statorelementen abgeführt werden. Außerdem sind die Magnete vor Gegenfelder durch die Statorelemente geschützt, so daß eine Entmagnetisierung verhindert werden kann. Eine quaderförmige Gestalt kann außerdem leicht und daher preisgünstig hergestellt werden. Toleranzen zwischen Statorelementen und den Magneten sind zudem kaum von Bedeutung.

In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die PoIfelderzeugungseinrichtung noch weitere quaderförmige Magnete, die außen an den Statorelementen vorgesehen sind.

Vorteilhafterweise kann durch mehrere quaderförmige Magnete ein zu der Drehachse symmetrisches Magnetfeld erzeugt werden.

In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist ein Gehäuse vorgesehen, das magnetisch ist.

Vorteilhafterweise kann der magnetische Widerstand dadurch verringert werden, daß die magnetischen Feldlinien fast vollkommen durch einen magnetischen Werkstoff verlaufen.

In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsformen besteht jedes Statorelement aus mehreren ringförmigen Teilen.

Vorteilhafterweise können die Abmessungen der Statorelemente bei hoher Leistungsfähigkeit der Maschine so weit verringert werden, daß diese durch Pressen von weichmagnetischem Material in ausreichender Qualität hergestellt werden können.

In noch einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Stator aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff.

Vorteilhafterweise können Wirbelstromverluste im Stator verringert werden. Ein solcher Stator weist außerdem in allen Richtungen annährend identische magnetische Eigenschaften auf. Gegenüber lamellierten Statoren ist der magnetische Wi- derstand in axialer Richtung quer zu den Lamellen zudem deutlich kleiner, was zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit führt.

In noch einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die elektri- sehe Maschine einen weiteren Rotor, einen weiteren Stator, eine weitere Drehfelderzeugungseinrichtung, und eine weitere PoIfelderzeugungseinrichtung, wobei der weitere Rotor um die Drehachse drehbar ist, die durch zwei weitere gegenüberliegende Abschnitte des weiteren Rotors hindurchgeht, wobei die weitere PoIfelderzeugungseinrichtung eingerichtet ist, ein weiteres Magnetfeld zu erzeugen, welches den weiteren Rotor an den weiteren gegenüberliegenden Abschnitten entgegengesetzt polt, und wobei die weitere PoIfelderzeugungseinrichtung mindestens einen Magnet umfaßt.

Vorteilhafterweise können die Abmessungen der Statorelemente bei hoher Leistungsfähigkeit der Maschine so weit verringert werden, daß diese durch Pressen von weichmagnetischem Material in ausreichender Qualität hergestellt werden können.

Die elektrische Maschine kann sowohl als elektrischer Motor als auch als Generator zur Abgabe elektrischer Energie verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

FIG. IA eine Ansicht einer elektrischen Maschine mit einem Magnet zwischen zwei Statorelementen eines Stators;

FIG. IB eine Schnittansicht der elektrischen Maschine aus FIG. IA entlang dessen Drehachse;

FIG. IC eine weitere Ansicht der elektrischen Maschine aus

FIG. IA und den Feldlinienverlauf des durch eine Polfelder- zeugungseinrichtung erzeugten Magnetfelds;

FIG. 2A eine Ansicht einer elektrischen Maschine mit hohlzy- lindrischen Magneten, welche den Stator umgeben;

FIG. 2B eine Schnittansicht der elektrischen Maschine aus

FIG. 2A entlang dessen Drehachse;

FIG. 3A eine Ansicht einer elektrischen Maschine mit mehreren

Magneten, welche den Stator umgeben; FIG. 3B eine Schnittansicht der elektrischen Maschine aus

FIG. 3A entlang dessen Drehachse;

FIG. 4 eine Schnittansicht einer elektrischen Doppelmaschine entlang dessen Drehachse; und

FIG. 5 eine Schnittansicht einer elektrischen Maschine, wobei jedes Statorelement aus mehreren Teilen besteht.

Ausführungsformen der Erfindung

FIG. IA zeigt eine Ansicht einer elektrischen Maschine mit einem Magnet zwischen zwei baugleichen Statorelementen eines Stators 1 senkrecht zu der Drehachse eines Rotors 4. Die zwei Statorelemente sind entlang der Drehachse übereinander angeordnet. In dieser Ansicht verdeckt das obere 7 der zwei Statorelemente das untere der zwei Statorelemente und den Mag- net, der als PoIfelderzeugungseinrichtung wirkt. Das Gehäuse ist nicht dargestellt. Die Statorelemente bestehen für diese und die weiteren Ausführungsformen aus einem weichmagnetischen Werkstoff, vorzugsweise einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff (soft magnetic composite, SMC) wie gepreßtem oxidierten Eisenpulver, um Wirbelströme zu unterdrücken. Die Statorelemente können direkt in die Form gepreßt werden oder nach dem Pressen durch Funkenerosion geformt werden. Die Statorelemente haben eine hohlzylindrische Form, wobei an ihren inneren Umfangen 12 Vorsprünge 2 radial nach innen hervorste- hen. Um jeweils 3 übereinander angeordnete Vorsprünge 2 der beiden Statorelemente (also insgesamt 6 Vorsprünge) ist eine Spule 3 gewickelt. Insgesamt sind der Einfachheit wegen 4

Spulen dargestellt, die dazu dienen, ein Magnetfeld zu erzeugen, welches sich um die Drehachse des Rotors 4 dreht. Gebräuchlich sind 12 Spulen, die jeweils um einen der 12 Vorsprünge versetzt um 3 Vorsprünge gewickelt sind, so daß jeder Vorsprung von 3 Spulen umgeben ist. Der Rotor 4 besteht ebenfalls aus einem weichmagnetischen Material, ist im Inneren des Stators 1 drehbar gelagert und umfaßt entlang seiner Drehachse einen oberen Abschnitt 5 und einen unteren Abschnitt 6. Jeder Abschnitt 5, 6 umfaßt zwei gegenüberliegende runde Außenflächen, die jeweils nahe bei den nach innen hervorstehenden Vorsprüngen 2 des oberen Statorelements 7 bzw. des unteren Statorelements liegen, so daß nur ein enger Spalt zwischen diesen Vorsprüngen 2 und den gegenüberliegenden Abschnitten 5, 6 ausgebildet ist. Zwischen den zwei gegenüber- liegenden runden Außenflächen eines jeden Abschnitts 5, 6 sind jeweils zwei gegenüberliegende ebene parallele Außenflächen ausgebildet. Die gegenüberliegenden Außenflächen des Abschnitts 6 sind relativ zu den gegenüberliegenden Außenflächen des Abschnitts 5 um 90 Grad gedreht. Statt der hier be- schriebenen vierpoligen Maschine kann eine Maschine mit einer beliebigen anderen Anzahl von Polen und Vorsprüngen verwendet werden wie aus dem Stand der Technik bekannt.

FIG. IB zeigt eine Schnittansicht der elektrischen Maschine aus FIG. IA entlang dessen Drehachse. Die entsprechende

Schnittlinie ist in FIG. IA als Linie 1B-1B dargestellt. Die Spulen 3 sind nicht dargestellt. Zwischen den zwei zylindrischen Statorelementen 7,8 des Stators 1 ist ein ringförmiger Magnet 9 angeordnet, der ein Magnetfeld erzeugt, welches den Rotor 4 an dem oberen Abschnitt 5 und dem unteren Abschnitt 6 entgegengesetzt polt. Der Magnet 9 kann aus mehreren Teilmagneten, z.B. zwei halbringförmigen Magnetschalen, zusammengesetzt sein. An dem Magnet 9 können auch Vorsprünge ausgebildet sein, die zwischen den Vorsprüngen 2 der beiden Statore- lemente ausgebildet sind. An den gegenüberliegenden Enden des Rotors 4 sind ein oberer Achszapfen 10 und ein unterer Achszapfen 11 einstückig mit dem Rotor 4 ausgebildet. Die Achs-

zapfen 10, 11 sind in einem oberen bzw. unteren Gehäusedeckel 12, 13 gelagert, die an den gegenüberliegenden Enden eines zylindrischen Gehäuses 14 befestigt sind. Das Gehäuse 14 ist nicht magnetisch, um einen magnetischen Kurzschluß durch das Gehäuse 14 zu verhindern. In der Mitte des oberen und unteren Gehäusedeckels 12, 13 sitzt jeweils eine obere bzw. untere Endkappe 15, 16, welche ein Lager abdeckt. Einer oder beide Achszapfen 10, 11 können auch in eine Welle (nicht gezeigt) übergehen, die außerhalb des Gehäuses 14 vorgesehen ist, um das Drehmoment der Maschine an eine Pumpe auf bekannte Weise zu übertragen. Die Pumpe wird beispielsweise in einer Turbine eines Verdichterantriebs für eine Brennstoffzelle verwendet. Der obere Abschnitt 5 ist entlang seines großen Querschnitts von einer abgerundeten Außenfläche zu der gegenüberliegenden abgerundeten Außenfläche dargestellt, während der untere Abschnitt 6 entlang seines kleinen Querschnitts von einer ebenen Außenfläche zu der gegenüberliegenden Außenfläche dargestellt ist. Entlang einer Line, die um 90 Grad gegenüber der Linie 1B-1B um die Drehachse gedreht ist, ergibt sich für den Rotor 4 ein Querschnitt, für den der obere Abschnitt 5 so ausgebildet ist wie der untere Abschnitt 6 in FIG. IB und für den der untere Abschnitt 5 so ausgebildet ist wie der obere Abschnitt 6 in FIG. IB.

FIG. IC zeigt eine weitere Ansicht der elektrischen Maschine aus FIG. IA und den Feldlinienverlauf des durch den Magneten 9 erzeugten Magnetfelds. Der Rotor 4 ist jedoch gegenüber der Position aus FIG. IA in einer gedrehten Position dargestellt. Es ist lediglich die Komponente des Magnetfelds senkrecht zu der Drehachse des Rotors 4 dargestellt. Die Magnetfeldlinien treten über die nach innen ragenden Vorsprünge 2 des Stators 1 in den unteren Abschnitt 5 des Rotors 4 ein, so daß am unteren Abschnitt 6 des Rotors 4 zwei gegenüberliegende Magnetpole S ausgebildet sind. Die Magnetfeldlinien treten über zwei gegenüberliegenden Enden des oberen Abschnitts 5 wieder in die nach innen ragenden Vorsprünge 2 des Stators 1 ein, so daß am oberen Ende des Rotors 4 zwei gegenüberliegende Mag-

netpole N ausgebildet sind. Der Magnetfluß verläuft fast ausschließlich durch die Vorsprünge 2, die nahe an den Stator 4 grenzen. Aufgrund des Aufbaus des Rotors 4 sind die Magnetpole S am unteren Abschnitt 6 des Rotors 4 dabei gegenüber den Magnetpolen N am oberen Abschnitt 5 des Rotors 4 um 90 Grad versetzt. Durch Anlegen eines Stroms mit geeigneter Richtung lassen sich auf den nach innen weisenden Seiten der Spulen 2 abwechselnd Magnetpole N und S ausbilden, die so angeordnet sind, daß sie die Magnetpole N, S des Rotors in Richtung des Uhrzeigersinns anziehen bzw. abstoßen. Wenn sich der Rotor 4 soweit im Uhrzeigersinn gedreht hat, daß ein Magnetpol S des Rotors 4 jeweils genau einem nach innen weisenden Magnetpol N einer Spule 3 gegenüberliegt und ein Magnetpol N des Rotors 4 jeweils genau einem nach innen weisenden Magnetpol S einer Spule 3 gegenüberliegt, wird die Stromrichtung in den Spulen 3 geändert. Dadurch werden die Magnetpole des Rotors 4 weiter abgestoßen bzw. angezogen, so daß sich der Rotor 4 weiter im Uhrzeigersinn dreht.

Die folgenden elektrischen Maschinen aus FIG. 2A, 2B bzw.

FIG. 3A, 3B unterscheiden sich von der elektrischen Maschine aus FIG. IA und FIG. IB durch den oder die Magnete, welche das Magnetfeld zum Polen des Rotors erzeugen. Im folgenden werden für identische Elemente identische Bezugszeichen ver- wendet, und werden für abgeänderte Elemente identische Bezugszeichen verwendet, die mit einem, zwei oder drei Strichen versehen sind.

FIG. 2A zeigt eine Ansicht einer elektrischen Maschine mit hohlzylindrischen Magneten 24, 25 (verdeckt), welche das Magnetfeld zum Polen des Rotors 4 erzeugen. Die Magnete 24, 25 können auch aus mehreren Teilmagneten, wie z.B. zwei Halbringen, zusammengesetzt sein. FIG. 2B zeigt eine Schnittansicht der elektrischen Maschine aus FIG. 2A entlang dessen Drehach- se. Die entsprechende Schnittlinie ist in FIG. 2A als Linie 2B-2B dargestellt. Die Spulen 3 sind nicht dargestellt. Der Stator 1' besteht aus zwei ringförmigen Statorelementen 7',

8', die jeweils von dem Magnet 24 bzw. 25 umgeben sind. Die Magnete 24, 25 sind radial und entgegengesetzt gepolt. Zwischen den zwei ringförmigen Statorelementen 7', 8' ist ein Luftspalt ausgebildet, um einen magnetischen Kurzschluß zwi- sehen den Statorelementen 7', 8' zu vermeiden. Das Gehäuse 14' besteht aus einem magnetischem Material, um den magnetischen Widerstand durch Bilden einer magnetischen Brücke durch das Gehäuse 14' zu verringern. Es ist möglich, nur einen der Magnete 24, 25 zu verwenden und auf den anderen Magnet zu verzichten.

FIG. 3A zeigt eine Ansicht einer elektrischen Maschine mit mehreren Magneten 26, 27 (verdeckt), welche das Magnetfeld zum Polen des Rotors 4 erzeugen. Die Magnete 26, 27 sind qua- derförmig ausgebildet. Die Stellen des ansonsten außen runden Statorelemente des Stators 1'', wo die Magnete 26, 27 an den Statorelementen des Stators 1'' anliegen, sind abgeflacht, um einen guten Kontakt zwischen dem Stator 1'' und den Magneten 26, 27 zu ermöglichen. Die Anzahl der Magnete 26, 27 ist be- liebig. Jedoch sollten die Magnete 26, 27 symmetrisch angeordnet sein, um ein entsprechendes symmetrisches Magnetfeld zu erzeugen. FIG. 3B zeigt Schnittansicht der elektrischen Maschine aus FIG. 3A entlang dessen Drehachse. Der Stator 1'' besteht aus zwei ringförmigen Statorelementen 7'', 8'', die jeweils von mehreren Magneten 26 bzw. 27 umgeben sind. Die

Magnete 26, 27 sind radial gepolt. Die Magnete 26 sind entgegengesetzt zu den Magneten 27 gepolt. Zwischen den zwei ringförmigen Statorelementen 7'', 8'' ist ein Luftspalt ausgebildet, um einen magnetischen Kurzschluß zwischen den Statorele- menten 7'', 8'' zu vermeiden. Das Gehäuse 14'' besteht aus einem magnetischen Material, um den magnetischen Widerstand durch Bilden einer magnetischen Brücke durch das Gehäuse 14'' zu verringern. Es ist möglich, nur einen der Magnete 26, 27 zu verwenden und auf den anderen Magnet zu verzichten.

FIG. 4 zeigt eine Schnittansicht einer elektrischen Doppelmaschine entlang deren Drehachse. Der Doppelrotor 17 besteht

aus zwei Rotoren 18 und 19, die einstückig ausgebildet sind und jeweils den gleichen Aufbau wie der Rotor 4 aus den vorhergehenden Figuren haben. Dabei sind die zwei Rotoren 18, 19 an so miteinander verbunden, daß die miteinander verbundenen Abschnitte gleich ausgerichtet sind und ein Statorelement 20 verwendet werden kann, um beide miteinander verbundenen Abschnitte zu polen. Der Stator umfaßt zwei weitere Statorelemente 21, die von dem Statorelement 20 jeweils durch Magnete 22 bzw. 23 getrennt sind. Alternativ können auch Statoren und Magnete verwendet werden, die aus den FIG. 2A, 2B bzw. 3A, 3B bekannt sind, wobei zwei aneinandergrenzende Statorelemente wie in FIG. 4 einstückig ausgebildet sind.

FIG. 5 zeigt eine Schnittansicht einer elektrischen Maschine, wobei jedes Statorelement 8''' aus mehreren ringförmigen Teilen 28 besteht.

Die in den Figuren 1 bis 5 gezeigten, elektrischen Maschinen können sowohl als Motor als auch als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden.