DE112019006616T5

DE112019006616T5 - Flachstator mit mehrlagiger spule eines scheibenmotors

Info

Publication number: DE112019006616T5
Application number: DE112019006616.1T
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2021-10-07
Also published as: US11909284B2; AU2019456625B2; AU2019456625A1; US20210351652A1; WO2021003586A1; CN113544951A; CN113544951B

Abstract

Flachstator mit mehrlagiger Spule eines Scheibenmotors, mit einer Statorspule und einem flachen Statorfuß (1) versehen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Spulengruppen (2) vorgesehen sind, die ringförmig oder in langen Streifen auf dem Statorfuß (1) angeordnet sind; wobei jede Spulengruppe (2) aus einer geraden Anzahl von Einzelspulen (4) besteht, die vertikal mit dem Statorfuß (1) überlappend gestapelt sind; jede Einzelspule (4) besteht aus einer geraden Anzahl von Einzelschichtspulen (5), die mit einem einzigen Draht gewickelt sind; die Anzahl der axialen Drähte der Einzelschichtspulen (5) eins ist; die Einzelspulen (4) sind durch Metalldrähte in Reihe zu einer Spuleneinheit (3) verbunden, und jede Einzelspule (4) in der Spuleneinheit (3) hat die gleiche Bauform und überlappt sich in axialer Richtung nicht; jede Spulengruppe (2) hat die gleiche Anzahl von Lagen; jede Einzelschichtspule (5) in der gleichen Einzelspule (4) ist in der gleichen Richtung gewickelt.

Description

Querverweis
Die vorliegende Anmeldung ist eine Fortsetzungsanmeldung der internationalen (PCT) Patentanmeldung Nr. PCT/ CN2019/094798 , eingereicht am 05. Juni 2019, deren gesamter Inhalt hiermit durch Verweis aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf einen Scheibenmotor, insbesondere auf einen Flachstator mit mehrlagiger Spule eines Scheibenmotors.
Stand der Technik
Die Leistungsdichte herkömmlicher Scheibenmotoren ist gering. Die Erfinder haben durch Versuche eine technische Lösung für Scheibenmotoren gefunden, die den Engpass herkömmlicher Scheibenläufermotoren durchbrechen kann. Der Stator von Scheibengeneratoren nach dem Stand der Technik hat einen Eisenkern, der groß und schwer ist, wodurch die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad sehr gering und relativ groß sind. Daher ist der geringe Wirkungsgrad von Scheibenmotoren seit langem ein anerkannter Engpass, der eine breite Anwendung außerhalb einiger Spezialgebiete erschwert.
Inhalt der Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung zielt darauf ab, einen Flachstator mit mehrlagiger Spule eines Scheibenmotors bereitzustellen, der die volle Nutzung des Magnetfeldes durch die Permanentmagnete auf dem Rotor zur Verfügung gestellt, um die Ausgabe Effizienz und Leistungsdichte von kleinen Leistungsmotoren wesentlich zu erhöhen macht bereitzustellen.
Der Flachstator mit mehrlagiger Spule ist mit einer Statorspule und einem flachen Statorfuß aus isolierendem, nichtleitendem Material versehen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Spulengruppen in der Statorspule mit überlappenden Formen auf beiden Seiten senkrecht zur Richtung des Statorfußes vorgesehen sind; die radial benachbarte Spulengruppen, die ringförmig oder in langen Streifen auf dem Statorfuß angeordnet sind;
wobei jede Spulengruppe aus einer geraden Anzahl von Einzelspulen besteht, die vertikal mit dem Statorfuß überlappend gestapelt sind; jede Einzelspule besteht aus einer geraden Anzahl von Einzelschichtspulen, die mit einem einzigen Draht gewickelt sind; die Anzahl der axialen Drähte der Einzelschichtspulen eins ist und die axiale Abmessung der Einzelschichtspulen die Breite eines Spulendrahtes ist; die Einzelspulen auf einem Kreis, die in Querrichtung nebeneinander liegen, sind durch Metalldrähte in Reihe zu einer Spuleneinheit verbunden, und jede Einzelspule in der Spuleneinheit hat die gleiche Bauform und überlappt sich in axialer Richtung nicht; jede Spulengruppe hat die gleiche Anzahl von Lagen; jede Einzelschichtspule in der gleichen Einzelspule ist in der gleichen Richtung gewickelt; ein Wicklungsende und ein Abwicklungsende jeder Einzelspule befinden sich auf dem Außenring der Spule und führen nicht radial aber tangential über der Metalldrähte.
Vorzugsweise hat der Spulendraht im Querschnitt eine flache Form.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Außenumfangsdurchmesser zu Dicken der ringförmig angeordneten Statorspule 6 zu 60.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Breite zu Dicken der in langen Streifen angeordneten Statorspule 1,2 zu 50.
Vorzugsweise umfasst der Flachstator mit mehrlagiger Spule einer Vielzahl von individuellen Spuleneinheiten, die durch einen einzigen Satz von Spulendrähten verbunden sind; wobei jede Einzelspule jeder Spuleneinheit nur eine Schicht oder die gleiche Anzahl von Schichten hat.
In eine Ausführungsform ist jede Einzelspule in jedem Spuleneinheit desselben Statorfußes durch dieselbe Ebenen Anordnung parallel zum Statorfuß verbunden.
In andere Ausführungsform ist jede Einzelspule in jedem Spuleneinheit derselben Statorfußes in verschiedenen Ebenen in versetzter Anordnung angeschlossen.
Vorzugsweise wenn die Gesamtzahl der Lagen von Einzelschichtspule größer als 2 ist, hat die in der inneren Lage befindliche Einzelspule mehr Windungen als die in der äußeren Lage befindliche Einzelspule.
Die vorliegende Anmeldung geht von einer verbesserten Flussausnutzung aus, die bei Motoren mit kleiner Leistung unter 30 kW angewendet wird. Dabei wird die herkömmliche Bauweise mit Eisenkernspulen aufgegeben und der begrenzte Raum für das Magnetfeld genutzt, um so viele Kupferdrähte wie möglich in die magnetischen Leitungen einzuschneiden, wobei bei gleicher Ausgangsleistung das Volumen und das Gewicht des Motors nach Einsparung des Eisenkerns erheblich reduziert werden.
Der Stator des Motors der vorliegenden Anmeldung maximiert die Ausnutzung des Magnetfeldraumes durch eine sinnvolle Spulenanordnung, erhöht den Kupferanteil zur Reduzierung der Kupferverluste, reduziert die Magnetfeldasymmetrie, realisiert den Äquipotentialausgang, reduziert die Innenwiderstandsverluste, erhöht die Leistungsdichte und verbessert den Ausgangswirkungsgrad, der durch Experimente nachweislich deutlich verbessert wurde. Die Ausgangsleistungsdichte ist größer als 0,86 kW/kg, wenn die entsprechende Rotordrehzahl kleiner als 2000 U/min ist, und bis zu 1,72 kW/kg, wenn die Drehzahl kleiner als 4000 U/min ist. Der Stator-Kupferanteil kann mehr als 50 % erreichen, was fünfmal oder mehr als bei herkömmlichen Motoren ist. Die induktive Belastung von Scheibenläufermotoren mit Eisenkern ist gering und die Überlastfähigkeit ist schwach, während die Überlastfähigkeit des eisenfreien Spanscheibenmotors der vorliegenden Erfindung stark ist und die von Motoren mit Eisenkern um mehr als 50 % übersteigt. Nach der aktuellen Messung erreicht z.B. die Ausgangsleistung im Bereich von 2,5KW bis 6KW bei einem Motorgewicht von 4,2kg einen Wirkungsgrad von 90%.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung der dreidimensionalen Struktur der vorliegenden Anmeldung.
2 ist eine Spulenanordnung einer Einzelspule in der gleichen Ebene.
3 ist eine Spulenanordnung einer Einzelspule in verschiedenen Ebenen.

Auf den Bildern:

1-: Statorfuß,
2-: Spulengruppe,
3-: Spuleneinheit,
4-: Einzelspule,
5-: Einzelschichtspule,
6-: Spulendraht,
7-: Wicklungsende.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Die vorliegende Anmeldung wird weiter mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden: Wie in 1 gezeigt, ist der Flachstator mit mehrlagiger Spule eines Scheibenmotors mit einer Statorspule und einem flachen Statorfuß 1 aus isolierendem, nichtleitendem Material versehen, wobei die Statorspule auf beiden Seiten des flachen Statorfußes 1 festmontiert ist. Normalerweise sind die Statorspulen symmetrisch auf beiden Seiten des Statorfußes 1 montiert.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, sind eine Vielzahl von Spulengruppen 2 in der Statorspule mit überlappenden Formen auf beiden Seiten senkrecht zur Richtung des Statorfußes vorgesehen; die Spulengruppe 2 ist eine einzelne Spule, die senkrecht zum Statorfuß gesehen wird, und ist ein Stapel von sich überlappenden Spulen; die mehreren Spulengruppen 2 sind in einer Ringform oder in langen Streifen auf dem Statorfuß 1 angeordnet; wenn das Statorfuß 1 scheibenförmig ist, handelt es sich um einen normalen Scheibenmotor mit dem gleichmäßig kreisförmig angeordneten Spulengruppen 2; wenn der Statorfuß 1 langgestreckt ist, handelt es sich um einen Linearmotor und die Spulengruppen 2 sind gleichmäßig in einer geraden Linie angeordnet.
Die Spulengruppe 2 besteht aus einer geraden Anzahl von Einzelspulen 4, die vertikal mit dem Statorfuß überlappend gestapelt sind, wobei jede Einzelspule 4 aus einer geraden Anzahl von Einzelschichtspulen 5 besteht, die mit einem einzigen Draht gewickelt sind, wobei die Anzahl der axialen Drähte der Einzelschichtspulen 5 eins ist und die axiale Abmessung der Einzelschichtspulen 5 die Breite des Spulendrahtes 6 ist. Wie in den 2 und 3 gezeigt, sind die Spulengruppen 2 symmetrisch auf beiden Seiten des Statorfußes 1 angeordnet, wobei sich auf jeder Seite die Einzelspule 4 befindet, so dass eine gerade Anzahl von Einzelspulen 4 in derselben Spulengruppe 2 vorhanden sein muss. Jede Einzelspule 4 in den 2 und 3 besteht aus zwei Einzelschichtspulen 5, die mit demselben Spulendraht 6 gewickelt sind, und jede Einzelschichtspule 5 hat nur einen Spulendraht 6 in der Richtung senkrecht zum Statorfuß.
Der Spulendraht 6 hat im Querschnitt eine flache Form. Der Querschnitt ist idealerweise als Rechteck geformt, um den Magnetfeldraum bestmöglich auszunutzen, das Kupfertastverhältnis zu erhöhen und den vom Stator erzeugten Strom, der die magnetischen Kraftlinien schneidet, mit einem kleinen Innenwiderstand und möglichst viel Leistung abzugeben.
Um die Anzahl der Windungen bei gleichem Spulensatzdurchmesser der Einzelschichtspule 5 zu erhöhen, wird die flache Einzelschichtspule 5 axial in Richtung der Breite des Spulendrahtes 6 und radial in Richtung der Breite des Spulendrahtes 6 ausgerichtet.
In den 2 und 3 sind die beiden Einzelschichtspulen 5 der gleichen Einzelspule 4 mit dem gleichen Spulendraht 6 in der gleichen Drehrichtung gewickelt.
Mehrere Spulengruppen 2 sind durch Metalldrähte in Reihe geschaltet, um ein Spuleneinheit 3 zu bilden. Auf dem scheibenförmigen Statorfuß 1 ist eine Spuleneinheit 3 auf einem Kreis um den Statorfuß gewickelt. Jede Einzelspule 4 hat die gleiche Bauform und überlappt sich axial nicht. Es können mehrere Spuleneinheiten vorhanden sein. Die Lagenzahl jeder Spulengruppe 2 ist gleich. Die Wickelrichtung jeder Einzelschichtspule 5 in der gleichen Einzelspule 4 ist gleich. Das elektrische Ausgangspotenzial jeder Spuleneinheit 3 auf derselben bestimmten Statorfuß 1 ist im Wesentlichen gleich, um die Parallelverdrahtung jedes Eingangs und jedes Ausgangs zu erleichtern und die Ausgangsleistung zu erhöhen.
Das Wicklungsende 7 und das Abwicklungsende jeder Einzelspule 4 befinden sich auf dem Außenring der Spule und führen nicht radial aber tangential über den Metalldraht. Eine gerade Anzahl von Einzelschichtspulen 5 eignet sich zum fortschreitenden Aufwickeln des Spulendrahtes vom Außenumfang einer Einzelschichtspulen zur Mitte, und zur Mitte einer anderen Einzelschichtspulen, die sich zum Außenumfang hin aufwickeln und so von der Einzelschichtspule zur der anderen verbinden. Durch die Aufteilung in mehrere Lagen und die Wicklung in mehreren Windungen kann der Kupferanteil erhöht werden, um die Kupferverluste zu reduzieren, die Asymmetrie des Magnetfelds zu verringern, einen äquipotentiellen Ausgang zu erreichen, die Verluste des Innenwiderstands zu reduzieren, die Leistungsdichte zu erhöhen und den Ausgangswirkungsgrad zu verbessern.
Um die Anforderungen an die hohe Leistungsdichte zu erfüllen, beträgt das Verhältnis von Außenumfangsdurchmesser zu Dicken der ringförmig angeordneten Statorspule 6 zu 60. Das Verhältnis von Breite zu Dicken der in langen Streifen angeordneten Statorspule beträgt 1,2 zu 50. So dass die Permanentmagnete auf dem Rotor auf beiden Seiten des Spulenstators nahe genug beieinander liegen, um sicherzustellen, dass die Spulen innerhalb einer ausreichenden Magnetfeldstärke arbeiten, um die Vorteile eines kernlosen Scheibenmotors zu demonstrieren.
Eine Ausführungsform ist mit einer Vielzahl von individuellen Spuleneinheiten 3 versehen, die durch einen einzigen Satz von Spulendrähten 6 verbunden sind, wobei jede Spuleneinheit 3 die gleiche Anzahl von Schichten jeder Einzelspule 4 aufweist. Die Ausführungsform in den 2 und 3 zeigt zwei Spuleneinheiten. Jede Einzelschichtspule wird unidirektional von einem einzigen Spulendraht gewickelt und kann eine Reihe von unabhängigen Ausgängen erzeugen. Mit diesem Ansatz ist es möglich, den Magnetfeldraum voll auszunutzen und die Einschaltdauer des Kupfers zu erhöhen und trotzdem den Ausgangsstrom einzuhalten.
Wie in 2 dargestellt, ist jede Einzelspule 4 in jedem Spuleneinheit 3 desselben Statorfußes 1 durch dieselbe Ebenen Anordnung parallel zum Statorfuß 1 verbunden. Die Magnetfeldasymmetrie kann reduziert werden und die Innenwiderstandsverluste können verringert werden.
Wie in 3 gezeigt, ist jede Einzelspule 4 in jedem Spuleneinheit 3 derselben Statorfußes 1 in verschiedenen Ebenen in versetzter Anordnung angeschlossen. Da die magnetische Feldstärke an verschiedenen Stellen in axialer Richtung variiert, reduziert eine solche Anordnung die Asymmetrie des magnetischen Feldes und erreicht eine äquipotentielle Ausgabe für jeden Spuleneinheit 3, um die parallele Ausgabe verschiedener Spuleneinheiten zu erlei chtern.
Wenn die Anzahl der Lagen von der Einzelschichtspulen 5 größer als 4 ist, ist die magnetische Feldstärke in der Mitte aufgrund des größeren Abstands zwischen den Rotorpaaren schwächer, was zu einer Differenz des Ausgangspotentials führt, und die Anzahl der Windungen der Einzelspulen 4, die sich in der inneren Lage befinden, ist größer als die Anzahl der Windungen der Einzelspulen 4, die sich in der äußeren Lage befinden, um diese Potentialdifferenz auszugleichen.
Bei der Fertigung werden die Einzelspulen verschiedener Lagen separat als Halbzeug vorgefertigt und die Einzelspulen an ihren entsprechenden Positionen auf dem Stator Statorfuß befestigt, wonach die Anschlussdrähte jeder Einzelspule nach Bedarf angeschlossen werden.
Der Stator der vorliegenden Anmeldung wird auf beiden Seiten von einem Paar von Rotoren mit auf einen Kreis magnetischen Wechselfeld begleitet, um als Stromerzeugungsvorrichtung verwendet zu werden. Aufgrund der mehreren unabhängigen Spuleneinheiten ohne Phasendifferenzausgang kann erst bei einer Ausgangsfrequenz von über 300 Hz eine Kontinuität des Ausgangs erreicht werden, um eine bessere Qualität der Stromversorgung für das Wechselrichtermodul bereitzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CN 2019/094798 [0001]

Claims

Flachstator mit mehrlagiger Spule eines Scheibenmotors, mit einer Statorspule und einem flachen Statorfuß (1) aus isolierendem, nichtleitendem Material versehen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Spulengruppen (2) in der Statorspule mit überlappenden Formen auf beiden Seiten senkrecht zur Richtung des Statorfußes (1) vorgesehen sind; die radial benachbarte Spulengruppen (2), die ringförmig oder in langen Streifen auf dem Statorfuß (1) angeordnet sind; wobei jede Spulengruppe (2) aus einer geraden Anzahl von Einzelspulen (4) besteht, die vertikal mit dem Statorfuß (1) überlappend gestapelt sind; jede Einzelspule (4) besteht aus einer geraden Anzahl von Einzelschichtspulen (5), die mit einem einzigen Draht gewickelt sind; die Anzahl der axialen Drähte der Einzelschichtspulen (5) eins ist und die axiale Abmessung der Einzelschichtspulen (5) die Breite eines Spulendrahtes (6) ist; die Einzelspulen (4) auf einem Kreis, die in Querrichtung nebeneinander liegen, sind durch Metalldrähte in Reihe zu einer Spuleneinheit (3) verbunden, und jede Einzelspule (4) in der Spuleneinheit (3) hat die gleiche Bauform und überlappt sich in axialer Richtung nicht; jede Spulengruppe (2) hat die gleiche Anzahl von Lagen; jede Einzelschichtspule (5) in der gleichen Einzelspule (4) ist in der gleichen Richtung gewickelt; ein Wicklungsende (7) und ein Abwicklungsende jeder Einzelspule (4) befinden sich auf dem Außenring der Spule und führen nicht radial aber tangential über der Metalldrähte.
Flachstator mit mehrlagiger Spule nach Anspruch 1, wobei der Spulendraht (6) im Querschnitt eine flache Form hat.
Flachstator mit mehrlagiger Spule nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von Außenumfangsdurchmesser zu Dicken der ringförmig angeordneten Statorspule 6 zu 60 beträgt.
Flachstator mit mehrlagiger Spule nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von Breite zu Dicken der in langen Streifen angeordneten Statorspule 1,2 zu 50 beträgt.
Flachstator mit mehrlagiger Spule nach Anspruch 1, umfassend einer Vielzahl von individuellen Spuleneinheiten (3), die durch einen einzigen Satz von Spulendrähten (6) verbunden sind; wobei jede Einzelspule (4) jeder Spuleneinheit (3) nur eine Schicht oder die gleiche Anzahl von Schichten hat.
Flachstator mit mehrlagiger Spule nach Anspruch 1, wobei jede Einzelspule (4) in jedem Spuleneinheit (3) desselben Statorfußes (1) durch dieselbe Ebenen Anordnung parallel zum Statorfuß (1) verbunden ist.
Flachstator mit mehrlagiger Spule nach Anspruch 1, wobei jede Einzelspule (4) in jedem Spuleneinheit (3) derselben Statorfußes (1) in verschiedenen Ebenen in versetzter Anordnung angeschlossen ist.
Flachstator mit mehrlagiger Spule nach Anspruch 1, wobei wenn die Gesamtzahl der Lagen von Einzelschichtspule (5) größer als 2 ist, hat die in der inneren Lage befindliche Einzelspule (4) mehr Windungen als die in der äußeren Lage befindliche Einzelspule (4).