Beschreibung:

Die Erfindung betrifft einen Motor mit einer Einstrangluftspaltwickiung.

Die Erfindung betrifft rotierende Elektromaschinen, insbesondere rotierende Elektromaschinen mit Luftspaltwicklungen, bei denen die Statorspulen fest auf der Statorseite angeordnet sind. In der Vergangenheit haben rotierende Elektromaschinen mit Luftspaltwicklungen eine zunehmende Verbreitung erfahren. Das Hauptmerkmal bei Maschinen dieser Art besteht darin, dass die Statorspulen in dem Raum, d. h. dem Luftspalt, zwischen dem Statorkern und dem Rotor angeordnet sind. Zusätzlich zur wirksamen Nutzung des Raumes hat die Anordnung der Spulenwicklungen im Luftspalt den Vorteil, dass die Magnetflußdichte der Statorspulen stark erhöht und damit die Kapa zität oder Leistungsfähigkeit solcher Motoren und Maschinen erhöht wird. Ferner wird weniger Eisen im Motor benötigt, so dass die Eisenverluste ge- ringer werden. Da die Eisenverluste überproportional mit der Drehzahl an- steigen, wird bei diesen Maschinen der Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen erhöht.

Die Anordnung der Spulenwicklungen im Luftspalt ist besonders vorteilhaft bei rotierenden Elektromaschinen. Einsträngige permanenterregte rotierende Elektromaschinen mit Luftspaltwicklungen haben jedoch den Nachteil, dass ein selbständiger Anlauf nach dem Bestromen der Wicklung nicht ohne weiteres möglich ist.

Um einen definierten Anlauf eines solchen Motors und ein Fortschaltmoment unabhängig von der Rotorlage zu bewirken, ist es notwendig die stabilen Punkte des elektromagnetisch erzeugten Drehmoments und die Selbsthal- temomente gegeneinander zu verschieben, was in der Praxis üblicherweise durch den Einsatz bei einsträngigen Motoren dadurch erfolgt, dass die Statoren mit Nuten ausgeführt werden, in denen die Wicklung sitzt. Zur Sicherstellung des Anlaufs werden die Zähne bezogen auf ihre Mittelachse asymmetrisch ausgeführt, d. h. der Luftspalt ist über den Umfang nicht kon stant ausgebildet. Das dadurch entstehende Rastmoment bildet Vorzugspositionen (Selbsthaltepositionen) aus, in denen der Rotor nach Abschalten der Wicklungsbestromung und dem Auslaufen stehen bleibt. In jeder dieser Positionen kann die bestromte Wicklung ein Drehmoment erzeugen, sodass der Anlauf des Motors gewährleistet bleibt. Diese Lösung setzt voraus, dass der Stator genutet ist, um die Zähne asymmetrisch zu gestalten. Aufgrund der in den Zähnen entstehenden Eisenverlusten, die jedoch überproportional mit der Drehzahl ansteigen, sinkt der Wirkungsgrad bei hoher Drehzahl. Somit werden für hohe Drehzahlen daher zunehmend nutenlose Statoren eingesetzt, um die Eisenverluste zu reduzieren. Bei nutenlosen Motoren sind jedoch überhaupt keine Zähne vorhanden, die asymmetrisch ausgeführt werden könnten. Im Stand der Technik ist daher bekannt, dass solche Motoren mit einer Hilfswicklung oder mit einer Strangzahl >1 ausgeführt werden. Dies führt je doch zu einem erhöhten Aufwand und zu erhöhten Herstellungskosten bei der Spulenschalttechnik und der Leistungselektronik.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und einen permanenterregten Motor mit einer Einstrangluftspaltwicklung so weiter zu entwickeln, dass ein zuverlässiges, jedoch einfach zu realisierender Anlauf bei allen Rotorlagen möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 ge löst. Eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Luftspalt für die Luftspaltwicklung in Umfangsrichtung betrachtet asymmetrisch ausgebildet ist, wodurch sich ein Drehmoment für den Anlauf erzeugen lässt. Die vorliegende Erfindung führt hierzu den nutenlosen Stator, der aus einem ferromagnetischen Ring besteht, am Innendurchmesser unrund aus. Die bestimmungsgemäß dadurch erzeugte Asymmetrie führt zu einem Rast moment. Das Rastmoment überlagert sich mit dem durch die Wicklung er zeugten Drehmoment und führt im Ergebnis dazu, dass der Motor in jeder Rotorposition ein positives Drehmoment erzeugen kann, sodass der Motor aus dieser Position ohne eine Hiifswicklung oder andere Maßnahmen selbst- ständig anläuft.

Erfindungsgemäß wird hierzu ein einsträngiger permanenterregter Elektro- motor mit einer Luftspaltwicklung im Luftspalt zwischen einem ungenuteten Stator und einem Rotor ausgeführt, wobei der Rotor mit Permanentmagneten zur Ausbildung magnetischer Pole versehen ist, wobei der Luftspalt in Um fangsrichtung betrachtet asymmetrisch und/oder mit sich änderndem Spalt ausgebildet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Asymmetrie des Luftspalts eine Asymmetrie in Umfangsrichtung darstellt und sich der Luftspalt bzw, der Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor in Umfangsrichtung ändert.

Hierzu können in bevorzugten Ausführungsformen entsprechende Luftspalt- abschnitte vorgesehen werden, die sich jeweils aneinander anschließen.

So kann in einer Ausführungsform die Asymmetrie des Luftspalts durch we nigstens zwei in Umfangsrichtung ausgebildete Stufen an der Wandung am Stator erzielt werden. An diesen Stufen ändert sich der Luftspalt damit sprunghaft. Je nach Stufenhöhe und Luftspalt lässt sich ein Rastmoment passender Größe entsprechend erzeugen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Asymmetrie des Luftspalts dadurch erzielt wird, dass der Spalt zwi- schen dem Stator und dem Rotor in Umfangsrichtung wenigstens in zwei Spaltabschnitten kontinuierlich von einem jeweils ersten Abstand (Spaltmaß) zu einem zweiten, geringeren Abstand (Spaltmaß) abnimmt und sich dem nach Bereiche mit jeweils abnehmendem Luftspalt in Umfangsrichtung somit alternierend aneinander anschließen. Im einfachsten Fall besitzt der Luftspalt genau zwei solcher Abschnitte mit jeweils einem Bogenmaß von 180°.

Am jeweiligen Übergang von einem Luftspaltabschnitt zu seinem benachbar- ten (d. h. sich daran anschließenden) Luftspaltabschnitt kann eine Stufe an der Innenwand des Stators vorgesehen sein, an dem sich dadurch der Spalt- abstand sprunghaft ändert. Alternativ kann die Innenwand des Stators aber auch einen Übergangsabschnitt ausbilden, an dem sich der Spaltabstand zunächst stetig und dann vorzugsweise wieder sprunghaft ändert (somit über eine abgerundete Stufenkontur).

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Änderung des Spaltabstands in den jewei- ligen Spaltabschnitten dadurch erzielt wird, dass sich in den entsprechenden Spaltabschnitten die Wandstärke des ungenuteten Stators entsprechend ändert, wobei bei zunehmenden Spaltabstand die Wandstärke des Stators ab nimmt, während bei abnehmendem Spaltabstand die Wandstärke des Stators zunimmt. Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn sich in Umfangsrichtung betrachtet jeweils abwechselnd ein Spaltabschnitt mit größerem, jedoch in diesem Abschnitt konstantem Spaltabstand an einen Spaltabschnitt mit relativ dazu geringe rem, jedoch konstantem Spaltabstand anschließt, was durch entsprechend abwechselnd stark ausgeführte Wandstärken des ringförmigen Stators erzielt werden kann.

Die Länge der jeweiligen Spaltabschnitte in Umfangsrichtung betrachtet ist in den einzelnen Ausführungsformen bevorzugt jeweils gleich groß

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü- chen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Be- Schreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines asymmetrisch ausgebildeten Luftspalts in einer 2-poligen Ausführung mit je einem Nord - und Südpol,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines asymmetrisch ausgebil- deten Luftspalts in einer 4-poligen Ausführung mit je 2 Nord - und Südpole,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines asymmetrisch ausgebilde ten Luftspalts in einer 2-poligen Ausführung mit je einem Nord - und Südpol,

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines asymmetrisch ausgebildeten Luftspalts in einer 2-poligen Ausführung mit je einem Nord - und Südpol,

Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines asymmetrisch ausgebildeten Luftspalts in einer 2-poligen Ausführung mit je einem Nord - und Südpol.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren 1 bis 5 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinwei- sen.

In den Figuren 1 bis 5 ist das jeweils erfinderische Konzept des asymmet risch ausgebildeten Luftspalts schematisch gezeigt. In den Figuren 1 und 3 bis 5 ist jeweils eine 2-polige Ausführung mit je einem Nord- und Südpol dar gestellt, während in der Figur 2 eine 4-polige Ausführung mit je 2 Nord- und Südpolen gezeigt ist.

Es ist in den Figuren 1 bis 5 hierzu jeweils ein einsträngiger permanenterreg ter Elektromotor 1 mit einer Luftspaltwicklung 21 im Luftspalt 3, 4 zwischen einem ringförmigen Stator 10 und einem Rotor 20 dargestellt.

Der Rotor 20 trägt Permanentmagnete zur Ausbildung magnetischer Pole. Der Luftspait 3, 4 ändert sich bei allen Ausführungsformen jeweils in Um fangsrichtung betrachtet asymmetrisch. In den Ausführungen der Figuren 1 und 2 wird die Asymmetrie des Luftspaits 3, 4 durch zwei (in Figur 1) bzw. vier (in Figur 2) in Umfangsrichtung ausge bildete Luftspaltabschnitte 3A, 4A mit jeweils sich kontinuierlich änderndem Luftspalt realisiert, wobei der Übergang von jeweils einem Luftspaltabschnitt 3A zum sich direkt daran anschließenden Luftspaltabschnitt 4A über jeweils eine an der Innenwandung 1 1 ausgebildeten Stufe S am Stator 10 realisiert ist. Der Luftspalt ändert sich in dem jeweiligen Luftspaltabschnitt 3A, 4A ste tig von einem jeweils ersten Abstand D1 zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 20 zu einem zweiten, geringeren Abstand D2, wobei sich der Luftspalt an der Position der Stufe S dann wieder sprunghaft auf den Abstand D1 än dert, um danach kontinuierlich (in Umfangsrichtung betrachtet) bis zur nächsten Stufe S wieder auf den Abstand D2 abzunehmen.

Die Ausführung nach Figur 4 entspricht im Wesentlichen der Ausführung nach Figur 1 , wobei der Übergang nicht sprunghaft, sondern wie aus der Fi- gur ersichtlich, stetig abnehmend (über einen vergleichsweise kurzen Bereich von etwa 2% des Umfangs d. h im Bogenmaß über etwa 4°) erfolgt.

In den Ausführungen nach Figur 3 und 5 erfolgt die Änderung des Spaltab- stands in den jeweiligen Spaltabschnitten 3A, 4A dadurch, dass sich in den entsprechenden Spaltabschnitten 3A, 4A die Wandstärke des Stators 10 ent- sprechend ändert, wobei in dem einen Bereich 3A die Wandstärke des

Stators 10 geringer ist, während im Bereich 4A die Wandstärke des Stators 10 größer ist. Flierdurch ergibt sich in Umfangsrichtung betrachtet, jeweils abwechselnd ein Spaltabschnitt 3A mit größerem, jedoch in diesem Abschnitt konstantem Spaltabstand D1 und ein Spaltabschnitt 4A mit relativ dazu ge- ringerem, jedoch konstantem Spaltabstand D2.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung Gebrauch macht, wie z. B. die Kombination von einzelnen Merkmalen aus den zuvor genannten Ausfüh rungsbeispielen.