Beschreibungdescription
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer bürstenlosen Axialluftspalt-Synchronmaschinenach der Gattung des Anspruchs 1.The invention is based on a brushless axial air gap synchronous machineaccording to the preamble of claim 1.
Bei einer bekannten Synchronmaschine dieser Art sind die mit radial verlaufenden Nuten versehenen Ständerblechpaketederart mit der Ankerwicklung bewikkelt, daß die Elementseiten in einer oder mehreren Lagenin den Nuten liegen und die die Elementseiten verbindenden Wickelköpfe am Innen- und Außenrand derStänderblechpakete, vorzugsweise in Axialrichtung abgekröpft, angeordnet sind. Die bekannte Synchronmaschinewird als Antriebsmotor für Roboter eingesetzt, da sie durch die große Wärmekapazität ihrer Ständerblechpakete,in welchen die Ankerwicklungen unmittelbar eingelegt sind, eine hohe Überlastbarkeit aufweist.Allerdings treten durch die genuteten Ständerblechpakete unerwünschte Rastermomente auf und durch magnetischanregbare Zähne neigt diese Maschine je nachIn a known synchronous machine of this type, the laminated stator cores are provided with radially extending groovesso wound with the armature winding that the element sides in one or more layerslie in the grooves and the winding heads connecting the element sides on the inner and outer edge of theLaminated stator cores, preferably cranked in the axial direction, are arranged. The well-known synchronous machineis used as a drive motor for robots, because the large heat capacity of their stator core stacks,in which the armature windings are directly inserted, has a high overload capacity.However, undesired grid moments occur due to the grooved stator core and due to magneticThis machine tends depending on stimulable teeth
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
fe (26) vorzugsweise bogenartig derart geführt sind, 40 Drehzahl und Eigenresonanz zu einer mehr oder minderdaß in der gleichen Wicklungsschicht liegende ver- starken Geräuschentwicklung,schiedenen Wicklungselementen angehörende benachbarte Wickelköpfe (26) sich mindestens längseines Wickelkopfabschnittes berühren.
5. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 45 2—4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementseiten(25) in beiden Wicklungsschichten in zwei rechtwinklig zur Achse des Scheibenläufers (14)und parallel zueinander verlaufenden Ebenen liefe (26) are preferably arched in such a way, 40 speed and natural resonance to a more or less pronounced noise development in the same winding layer, adjacent winding heads (26) belonging to different winding elements touch at least along one winding head section.
5. Synchronous machine according to one of claims 45 2-4, characterized in that the element sides (25) in both winding layers lie in two planes extending at right angles to the axis of the disc armature (14) and parallel to one another
6. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche — 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerenWickelköpfe (26) zumindest teilweise auf der Stirnseite der Blechwickel (21,22) aufliegen.6. Synchronous machine according to one of claims - 5, characterized in that the outerWinding heads (26) rest at least partially on the end face of the sheet metal winding (21, 22).
7. Synchronmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im Bereich der äußeren Wikkelköpfe(26) vorhandenen Schichtübergänge von der unteren Wicklungsschicht in die obere Wicklungsschichtaußerhalb der Blech wickel (21,22) liegen.7. Synchronous machine according to claim 6, characterized in that in the area of the outer winding heads(26) existing layer transitions from the lower winding layer to the upper winding layeroutside the sheet metal wrap (21,22) lie.
8. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche — 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsstränge der Wellenwicklung (23,24) fortlaufend gewickeltsind.8. Synchronous machine according to one of claims - 7, characterized in that the winding phases of the wave winding (23,24) wound continuouslyare.
9. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche — 7, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Wicklungssträngeder Wellenwicklung (23, 24) getrennt vorgefertigt und anschließend ineinandergeschach-Dieerfindungsgemäße Axialluftspalt-Synchronmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs1 hat demgegenüber den Vorteil, daß bei unvermindert hoher Überlastbarkeit der Maschine durch dienutenlosen Ständerblechpakete die üblichen, stark ausgeprägten Rastermomente beseitigt sind. Magnetgeräuschewerden ebenfalls vermieden. Die erfindungsgemäße Synchronmaschine ist sowohl hinsichtlich ihres Statorsals auch ihres Rotors fertigungstechnisch sehr einfach herzustellen. Ankerwicklungen und Ständerblechpaketewerden getrennt vorgefertigt und durch einfaches Verkleben miteinander verbunden. Die fertigungstechnischaufwendige Nutung und Bewicklung der Ständerblechpakete entfällt. Durch die Vergußmasse ist außerdemeine gute Wärmeleitung von der als sog. Luftspaltwicklungausgebildeten Ankerwicklung zu dem Ständerblechpaket sichergestellt.9. Synchronous machine according to one of claims - 7, characterized in that the three winding phasesthe wave winding (23, 24) separately prefabricated and then interlocked dieAxial air gap synchronous machine according to the invention with the characterizing features of claim1 has the advantage that the machine can withstand high levels of overload due to theslotless stator cores the usual, strongly pronounced grid moments are eliminated. Magnetic noiseare also avoided. The synchronous machine according to the invention is both in terms of its statorand its rotor are very easy to manufacture in terms of manufacturing technology. Armature windings and stator core stacksare prefabricated separately and connected to one another by simply gluing. The manufacturing technologythere is no need for complex grooving and wrapping of the stator core. The potting compound is alsogood heat conduction from what is known as the air-gap windingtrained armature winding ensured to the stator core.
Die erfindungsgemäße Synchronmaschine kann sowohl als Robotermotor als auch als Kraftfahrzeug-Generatorgleichermaßen vorteilhaft eingesetzt werden.The synchronous machine according to the invention can be used both as a robot motor and as a motor vehicle generatorcan be used equally advantageously.
Die für den Kraftfahrzeug-Generator, der als Niederspannungsmaschineauszubilden ist, erforderlichen größeren Leistungsquerschnitte können durch Parallelschaltungvon Teilwicklungen realisiert werden, ohneThe one for the motor vehicle generator, which is used as a low-voltage machineis to be trained, the required larger power cross-sections can be achieved by connecting them in parallelcan be realized by partial windings without
daß sich dabei die axiale Bauhöhe der Ankerwicklung ändert. Die erfindungsgemäße Synchronmaschine hatdie für beide Anwendungsfälle erforderlichen geringen Schwungmassen und verfügt selbst bei hoher Umgebungstemperaturdurch gute Luftkühlung über eine ausreichend hohe Überlastbarkeit. Die erfindungsgemäßeSynchronmaschine ist weitgehend schüttelfest und für den Kraftfahrzeugbetrieb geeignet. Bei Verwendung alsKraftfahrzeug-Generator werden die erforderlichen Gleichrichter in das Maschinengehäuse integriert undim Kühlluftstrom angeordnet. Die Ausführung als flüssigkeitsgekühlteMaschine ist ohne konstruktive Änderung des elektrischen Teils möglich.that the axial height of the armature winding changes. The synchronous machine according to the invention hasthe low centrifugal mass required for both applications and has it even at high ambient temperaturesthrough good air cooling and a sufficiently high overload capacity. The inventiveSynchronous machine is largely resistant to shaking and suitable for motor vehicle operation. When used as aMotor vehicle generator, the necessary rectifiers are integrated into the machine housing andarranged in the cooling air flow. The liquid-cooled versionMachine is possible without constructive changes to the electrical part.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen undVerbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Axialluftspalt-Synchronmaschine möglich.The measures listed in the further claims are advantageous developments andImprovements to the axial air gap synchronous machine specified in claim 1 are possible.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei aus Anspruch 2. Durch diese Ausbildungweist die Luftspaltwicklung mit Ausnahme der inneren Wickelköpfe eine konstante axiale Dicke von nur zweiDrahtstärken auf. Damit können die äußeren Wickelköpfe gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 3teilweise noch innerhalb der Stirnseite der Ständerblechpakete angeordnet werden. Bei unveränderterLeistung der Synchronmaschine ergeben sich geringere Statoraußendurchmesser oder umgekehrt bei konstantemStatoraußendurchmesser wird eine größere elektrische Leistung erzielt.An advantageous embodiment of the invention results from claim 2. By this designWith the exception of the inner end turns, the air-gap winding has a constant axial thickness of only twoWire sizes. Thus, the outer winding heads according to the embodiment according to claim 3partially still be arranged within the end face of the stator core. With unchangedPerformance of the synchronous machine results in a smaller stator outer diameter or vice versa with a constantStator outer diameter, a greater electrical power is achieved.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 11. Durch diese Maßnahmenwerden zwischen den Permanentmagnetsegmenten radiale Luftkanäle geschaffen, durch welche bei Rotationdes Scheibenläufers Luft nach außen geschleudert wird, die ihrerseits eine verstärkte Kühlung derAnkerwicklungen und der Ständerblechpakete bewirkt.An advantageous embodiment of the invention also results from claim 11. By means of these measuresradial air channels are created between the permanent magnet segments, through which during rotationof the disc armature air is thrown outwards, which in turn increases the cooling of theArmature windings and the stator core causes.
Zeichnungdrawing
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgendenBeschreibung näher erläutert. Es zeigtThe invention is based on an embodiment shown in the drawing in the followingDescription explained in more detail. It shows
Fig.1 einen Längsschnitt einer als Robotermotor eingesetztenAxialluftspalt-Synchronmaschine,Fig. 1 is a longitudinal section of a motor used as a robot axial air gap synchronous machine,
Fig. 2 eine weitgehend schematische Darstellung einer dreiphasigen zweilagigen Wellenwicklung für die6polige Axialluftspalt-Synchronmaschine gemäßFig.1, beschränkt auf einen Wicklungsstrang und auf die Andeutungder beiden weiteren Wicklungsstränge.2 shows a largely schematic representation of a three-phase, two-layer wave winding for the 6-pole axial air gap synchronous machine according toFIG. 1, limited to one winding phase and to the indication of the two further winding phases.
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
Die inFig.1 im Längsschnitt zu sehende Axialluftspalt-Synchronmaschineweist ein zweiteiliges Maschinengehäuse 10 mit zwei Lagerschildern 11, 12 auf, inweichen eine Läuferwelle 13 drehbar gelagert ist Mit der Läuferwelle 13 ist drehfest ein Scheibenläufer 14verbunden, der das Erregersystem aus Permanentmagnetsegmenten 15 trägt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispielsind über den Umfang des Scheibenläufers 14 sechs Permanentmagnetsegmente 15 gleichmäßigverteilt angeordnet. Die Permanentmagnetsegmente 15 sind zwischen zwei Armierungsschichten 16, 17eingebettet. Wie in der unteren Hälfte des Scheibenläufers 14 inFig.1 zu erkennen ist, sind die Armierungsschichten 16, 17 in den Pollücken soweit nach innengezogen, daß sie aneinanderliegen. Dadurch entstehen radiale Luftkanäle 28 zur verbesserten Führung derKühlluft. Zur Aufnahme von Fliehkräften ist der Scheibenläufer 14 außen mit einem Wickel 18 aus hochfestemMaterial bandagiert. Ein solcher Wickel 18 besteht aus mehreren Lagen Glasrowing, die mit Vorspannung überdie Permanentmagnetsegmente 15 gewickelt werden. Als Material für die Armierungsschicht kommt entwederglasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) oder amagnetischer Stahl (V 2A) zur Anwendung.Theaxial air gap synchronous machine, which can be seen in longitudinal section in Fig. 1, has a two-part machine housing 10 with two bearing plates 11, 12, in which a rotor shaft 13 is rotatably mounted wearing. In the present exemplary embodiment, six permanent magnet segments 15 are arranged in a uniformly distributed manner over the circumference of the disc armature 14. The permanent magnet segments 15 are embedded between two reinforcement layers 16, 17. As can be seen in the lower half of the discarmature 14 in FIG. 1, the reinforcement layers 16, 17 are drawn inward in the pole gaps to such an extent that they lie against one another. This creates radial air channels 28 for improved guidance of the cooling air. In order to absorb centrifugal forces, the disc rotor 14 is bandaged on the outside with a winding 18 made of high-strength material. Such a winding 18 consists of several layers of glass rows, which are wound over the permanent magnet segments 15 with pretension. Either glass fiber reinforced plastic (GRP) or amagnetic steel (V 2A) is used as the material for the reinforcement layer.
Auf beiden Seiten des Scheibenläufers 14 ist jeweils ίο mit axialem Abstand ein ringförmiges Ständerblechpaket19 bzw. 20 im Maschinengehäuse 10 gehalten. Jedes Ständerblechpaket 19, 20 ist als nutenloser Blechwickel21, 22 aus Bandstahl mit konstanter Breite ausgebildet. Die Blechwickel 21, 22 sind durch Preßsitz im Maschinengehäuse10 gehalten und durch nicht dargestellte Sicherungsmittel, wie radiale Stifte oder Federelemente,gegen axiales Verschieben gesichert.On both sides of the disc rotor 14 there is an annular stator core with an axial spacing19 and 20 held in the machine housing 10. Each stator core 19, 20 is a slotless sheet metal coil21, 22 formed from steel strip with a constant width. The sheet metal coils 21, 22 are press fit in the machine housing10 and held by securing means, not shown, such as radial pins or spring elements,secured against axial displacement.
Jedes Ständerblechpaket 19,20 bzw. jeder Blechwikkel21, 22 trägt eine aus isoliertem Draht gewickelte Dreiphasen-Ankerwicklung 23, 24 mit radial sich erstreckendenElementseiten 25 und mit die Elementseiten verbindenden äußeren und inneren Wickelköpfen26,27. Wie ausFig.2 ersichtlich ist, ist jede Ankerwicklung23, 24 als selbsttragende zweilagige Wellenwicklung ausgebildet. Die vorgefertigten Ankerwicklungen23,24 sind als Luftspaltwicklungen auf der Stirnseite des zugehörigen Blechwickels 21 bzw. 22 aufgelegt und mitdiesem mittels einer wärmeleitenden Vergußmasse verklebt.Each stator core 19, 20 or each sheet metal winding 21, 22 carries a three-phase armature winding 23, 24 wound from insulated wire with radially extending element sides 25 and with outer and inner winding heads 26, 27 connecting the element sides. Ascan be seen from FIG. 2, each armature winding 23, 24 is designed as a self-supporting two-layer wave winding. The prefabricated armature windings 23, 24 are placed as air gap windings on the end face of the associated sheet metal coil 21 or 22 and glued to this by means of a thermally conductive potting compound.
Wie im einzelnen ausFig.2 ersichtlich, sind die Elementseiten25 und die äußeren Wickelköpfe 26 der jeweiligen Ankerwicklung 23, 24 in nur zwei übereinanderliegendenWicklungsschichten angeordnet, wobei die radial verlaufende Elementseiten 25 in jeder einzelnenWicklungsschicht an den Abwinkelungsstellen der inneren Wickelköpfen 27 dicht aneinanderliegenJnFig.2 ist nur ein Wicklungsstrang der dreiphasigen zweilagigen Wellenwicklung, dessen Anfang mitUunddessen Ende mitXbezeichnet ist, vollständig dargestellt, während die beiden anderen Wicklungssträngemit den WicklungsanfängenVbzw.Wund den WicklungsendenYbzw.Znur mit etwas mehr als einemWicklungselement zu sehen sind. InFig.2 sind auch die Elementseiten 25, die in der unteren Wicklungsschichtliegen, strichliniert und die Elementseiten 25, die in der oberen Wicklungsschicht liegen, ausgezogen dargestellt.Bei der Herstellung der Wellenwicklung gemäßFig.2 wird der isolierte Draht im Wicklungsverlauf jedesWicklungsstrangs vom Stranganfang [/bzw.Vbzw.As can be seen in detail fromFig. 2, the element sides 25 and the outer end windings 26 of the respective armature winding 23, 24 are arranged in only two superimposed winding layers, with the radially extending element sides 25 in each individual winding layer lying close to one another at the bend points of the inner winding heads 27Fig. 2 is only a winding phase of the three-phase two-layer wave winding, the beginning ofwhich is denoted by U and the end ofX , completely shown, while the other two winding phases with the winding startsV andW and the winding endsY andZ only slightly more can be seen as a winding element. InFIG. 2, the element sides 25 which lie in the lower winding layer are shown in broken lines and the element sides 25 which are in the upper winding layer are shown in solid lines. In the manufacture of the wave windingaccording to FIG.V or
Wzum StrangendeXbzw.Ybzw. Z so geführt, daß erausschließlich im Bereich der Drahtbelegung der im Wicklungsverlauf unteren Wicklungsschicht in der imWicklungsverlauf oberen Wicklungsschicht verläuft. Die Schichtübergänge von unterer Wicklungsschichtzur oberen Wicklungsschicht liegen ausschließlich im Bereich der äußeren Wickelköpfe 26. Die drei Wicklungssträngewerden dabei fortlaufend eingewickelt, wobei jeder Wicklungsstrang etwa ein Drittel einer Polteilungbelegt. Es ist auch möglich, die drei Wicklungsstränge getrennt vorzufertigen und anschließend in derbeschriebenen Weise ineinander zu schachteln. Die inFig.2 dargestellte zweilagige Wellenwicklung weist mitAusnahme der inneren Wicklungsköpfe 27 eine konstante axiale Dicke von nur zwei Isolierdrahtstärkenauf. Dadurch ist es möglich, ein Teil der äußeren Wickelköpfe 26 innerhalb der Stirnseite der ringförmigenBlechwickel 21 bzw. 22 anzuordnen, wie dies ausFig.1 ersichtlich ist.W to the strand endX orY or Z in such a way that it runs exclusively in the area of the wire coverage of the lower winding layer in the winding layer in the upper winding layer. The layer transitions from the lower winding layer to the upper winding layer lie exclusively in the area of the outer end windings 26. The three winding strands are wrapped continuously, with each winding strand occupying about a third of a pole pitch. It is also possible to prefabricate the three winding phases separately and then to nest them in one another in the manner described. Thetwo-layer wave winding shown in FIG. 2 has, with the exception of the inner winding heads 27, a constant axial thickness of only two insulating wire thicknesses. This makes it possible to arrange part of the outer end windings 26 within the end face of the annular sheet-metal winding 21 or 22, as can be seen fromFIG. 1.
Wie inFig.2 nur angedeutet dargestellt werden konnte, sind die äußeren Wickelköpfe 26 vorzugsweisebogenartig so geführt, daß in der gleichen Wicklungsschicht liegende, verschiedenen Wicklungselementenangehörende benachbarte Wickelköpfe 26 sich wenigstens längs eines Wickelkopfabschnittes berühren. DieElementseiten 25 in beiden Wicklungsschichten liegen in zwei rechtwinkelig zur Achse des Scheibenläufers 14und parallel zueinander verlaufenden Ebenen. Die in den äußeren Wickelköpfen 26 vorhandenen Schichtübergängevon der unteren Wicklungsschicht in die obere Wicklungsschicht sind so gelegt, daß sie bei aufdas Ständerblechpaket 19,20 bzw. auf den Blechwickel 21, 22 aufgeklebter zweilagiger Wellenwicklung 23, 24außerhalb des Ständerblechpaketes 19, 20 bzw. des Blechwickels 21,22 liegen.Ascould only be indicated in FIG. 2, the outer winding heads 26 are preferably arched so that adjacent winding heads 26 located in the same winding layer and belonging to different winding elements touch each other at least along one winding head section. The element sides 25 in both winding layers lie in two planes running at right angles to the axis of the disc armature 14 and parallel to one another. The layer transitions from the lower winding layer to the upper winding layer in the outer winding overhangs 26 are placed in such a way that when the two-layer wave winding 23, 24 is glued onto the stator core 19, 20 or onto the sheet metal winding 21, 22 outside of the stator core 19, 20 or respectively . of the sheet metal coil 21,22.
Die die Ständerblechpakete 19, 20 bildenden Blechwickel 21, 22 können zur Halterung im Maschinengehäuse10 auch teilweise mit Gehäusematerial umspritzt werden.The sheet metal coils 21, 22 forming the stator core stacks 19, 20 can be used for mounting in the machine housing10 can also be partially encapsulated with housing material.
Die Kühlung der beiden Ankerwicklungen 23, 24 erfolgt wie folgt:The two armature windings 23, 24 are cooled as follows:
Durch die radialen Luftkanäle 28 wird Luft bei Drehung des Scheibenläufers 14 radial nach außen geschleudertund gelangt durch Kühlschlitze 29 zwischen den Ständerblechpaketen 19 bzw. 20 und dem innenstärkt verrippten Maschinengehäuse wieder nach innen. Von der Innenverrippung sind inFig.1 zwei Innenrippen30 zu sehen. Ein weiterer Teil der Wärme gelangt von der Ankerwicklung über die wärmeleitende Vergußmassein die Ständerblechpakete 19, 20 zum außen ebenfalls stark verrippten Maschinengehäuse 10.When the disc rotor 14 rotates, air is thrown radially outward through the radial air ducts 28 and returns to the inside through cooling slots 29 between the stator core 19 or 20 and the machine housing, which is more strongly ribbed on the inside. Two inner ribs 30 of the inner ribs can be seen inFIG. 1. Another part of the heat arrives from the armature winding via the heat-conducting potting compound into the stator core 19, 20 to the machine housing 10, which is also heavily ribbed on the outside.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispieleiner für den Einsatz als Robotermotor vorgesehenen Axialluftspalt-Synchronmaschine beschränkt.So kann die Axialluftspalt-Synchronmaschine auch als Bordnetzgenerator bei einem KraftfahrzeugVerwendung finden. Solche Bordnetzgeneratoren werden als Niederspannungsmaschinen ausgelegt. Die hierzuerforderlichen größeren Leiterquerschnitte lassen sich durch Parallelschaltung von Teilwicklungen einesWicklungsstrangs erzielen, ohne daß die Wicklung dadurch eine größere axiale Bauhöhe erhält. Die bei Bordnetzgeneratorenerforderlichen Gleichrichter werden im Maschinengehäuse integriert und im Kühlluftstromangeordnet. Auch ist die Ausführung des Bordnetzgenerators mit Flüssigkeitskühlung möglich. Die Kühlflüssigkeitwird hierbei in Kanälen auf der Oberfläche des Maschinengehäuses geführt. Die Wärme aus den Ankerwicklungenwird zum Teil über die Luft im Innenraum der Synchronmaschine über das innen stärkt verripptenMaschinengehäuse an die Kühlflüssigkeit führenden Kanäle abgegeben.The invention is not limited to the exemplary embodiment describedan axial air gap synchronous machine intended for use as a robot motor.The axial air gap synchronous machine can also be used as an on-board power supply generator in a motor vehicleFind use. Such on-board power supply generators are designed as low-voltage machines. The for thisrequired larger conductor cross-sections can be achieved by connecting partial windings in parallelAchieve winding strand without the winding thereby acquiring a greater axial height. The one with on-board power supply generatorsnecessary rectifiers are integrated in the machine housing and in the cooling air flowarranged. The on-board power supply generator can also be designed with liquid cooling. The coolantis guided in channels on the surface of the machine housing. The heat from the armature windingsis partly via the air in the interior of the synchronous machine via the ribbed interiorMachine housing delivered to the channels leading to the cooling liquid.
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