DE10031349A1 - Elementbauweise bei TFM - Google Patents

Abstract

Es wird eine verbesserte Bauform für Transversalflußmaschinen mit Rotorsammler beschrieben, die erhöhte Kompaktheit mit günstiger Herstellung verbindet. Die Kompaktheit wird durch gesteigerte Ausnützung des Magnetkreisvolumens erreicht, während sich die Herstellung durch Anwendung z. B. gestanzter ebener Bleche verbessert. Fig. 1 zeigt den Maschinen-Axialschnitt.

Description

Die der hohen Kraftdichte angepaßte Form des Magnetkreises für zwei- und mehrsträngige Transversalflußmaschinen weist das Merkmal auf, daß innerhalb des magnetflußführenden Teils außer der Wicklung nur ein Minimum an Raum für konstruktionsbedingte Elemente eingesetzt wird. In diesem Sinne ist z. B. die Auflösung des Rotors in mehrere Einheiten vor­ gesehen, so, daß die mechanischen Beanspruchungen der Magnetkreiselemente möglichst unmittelbar von den Rotorscheiben aufgenommen bzw. auf die Welle übertragen werden können. Eine flüssigkeitsgekühlte Verbindung zwischen äußeren und inneren Magnet kreisteilen ist als weiterer Schritt auf dem Wege zu einer sehr kompakten Anordnung zu se­ hen. Für die möglichst vollkommene Nutzung des Magnetkreisvolumens zur Strom- und Flußführung ist die Frage von Bedeutung, welches Teilvolumen den einzelnen Magnetkrei­ selementen zuzuordnen ist und welche Möglichkeit besteht, die vollständige Nutzung durch eine Aufteilung in gut herstellbare Einzelteile mit zweckmäßiger Montierbarkeit zu verbes­ sern. Es ist dabei zu beachten, daß die einfacheren Herstellungsverfahren zur Lamellierung der Bauelemente z. B. durch Stanzen verlangen, daß die Lamellierung auf ebene Bleche be­ schränkt wird. Dementsprechend ist weiter zu beachten, daß die Strukturierung der Bauele­ mente dem Verlauf des magnetischen Flusses entsprechend erfolgt und Abmessungen so ge­ wählt werden, daß in Anbetracht der Verwendung ebener Bleche ein Minimum an zusätzli­ chen Eisenverlusten entsteht.

Die bislang bekannt gewordenen Vorschläge für die Formgebung der Bauelemente des Ma­ gnetkreises entsprechen nur zum Teil der Bedingung einer hochkompakten Ausführung bei gleichzeitig günstiger fertigungstechnischer Voraussetzung.

Es besteht hiernach die erfindungsgemäß zu stellende Aufgabe, für hochkompakte Magnet­ kreise mit im Zentrum angeordneter Wicklung und im Rotor befestigten Permanentmagneten in Sammlerbauweise die flußführenden Magnetkreisteile des Stators so zu formen und auszu­ führen, daß sich die Elemente zur mechanischen Verbindung von Baugruppen auf einen möglichst kleinen Bruchteil des Querschnitts reduzieren lassen und die Flußführung in Bau­ teilen erfolgt, die aus ebenen Blechen hergestellt und so zusammengesetzt sind, daß sie sehr weitgehend in der Richtung des idealen Flußverlaufs liegen. Hierbei ist auch dem Gesichts­ punkt einer Montage in zweckmäßigen Schritten zu entsprechen, wobei möglichst vorgefer­ tigte Teile z. B. für die Wicklung einzusetzen sind. Erwünscht ist weiterhin die Eignung der Bauweise für Magnetkreise mit mehr als zwei Sammleranordnungen.

Der Erfindungsgedanke wird in einer ausführlichen Beschreibung mit Hinweisen auf die kon­ struktive Gestaltung und insgesamt sieben zeichnerischen Darstellungen erläutert:

Fig. 1 Axialschnitt einer Transversalflußmaschine mit zwei Sammlern je Magnetkreis,

Fig. 2 Ausschnitte aus der Querschnittsdarstellung zu Fig. 1; A1 Schnittebene im Bereich Sammler; A2 Schnittebene neben dem Sammler,

Fig. 3 Ein lamelliertes Paket entsprechend E1',

Fig. 3b ein Teil des ringförmigen gezahnten Pakets Z1',

Fig. 3c ein Teil des ringförmigen gezahnten Paketes Z1",

Fig. 3d ein Lamellenpaket entsprechend E1",

Fig. 4 Axialschnitt einer Transversalflußmaschine mit vier Sammlern je Magnetkreis und Außenrotor.

Eine gleichzeitig kompakte und herstellungstechnisch günstige Variante der Magnetkreiskon­ figuration kann auf Merkmale aufbauen, die in vorausgehenden Veröffentlichungen beschrie­ ben wurden. Es konnte für Transversalflußmaschinen mit Sammleranordnung der Perma­ nentmagnete im Rotor und für Anwendung bei kleiner und mittlerer Umfangsgeschwindigkeit der Weg gezeigt werden, wie innerhalb des Magnetkreises nur ganz wenig Raum für Kon­ struktionselemente angewendet wird. Mit einer Formgebung entsprechend Fig. 2b aus DE 198 48 123 C1 ist es möglich, fast das gesamte Innenvolumen zur Unterbringung der Wicklung zu nutzen und die äußeren Abmessungen damit zu beschränken. Von Bedeutung ist auch, die notwendigen Verbindungselemente V1 so auszuführen, daß die geforderte Festigkeit gesichert und mit einem Minimum an Volumen auch Kühlkanäle in enger Nachbarschaft zur Wicklung angeordnet werden können. Die Wicklungsteile W' und W" grenzen unmittelbar an das Verbindungselement V1, wobei letzteres mit rippenförmigen Ansätzen versehen die ge­ naue Justierung der Weicheisenelemente E1' und E1" ermöglicht. Diese sind im allgemeinen aus Schnittbandkernen hergestellt. Ihre Lamellierung entspricht damit der Regel, daß zur höchstmöglichen Vermeidung von Wirbelströmen (und Wirbelstromverlusten) die Blech­ ebene so zu wählen ist, daß die quer dazu verlaufenden Feldkomponenten verschwindend klein sind. Neben dem Verbindungselement V1 sind im Feld des Magnetkreisinnenraums nur noch die zur Sicherung der umlaufenden Permanentmagnete notwendigen Abschlußringe RS', die in axialer Richtung eine mechanische Vorspannung ermöglichen, welche über einzelne Spannelemente aufgebracht wird. Durch diese Verbindung gelingt es, Permanentmagnete und ferromagnetische Sammlerteile auch bei Bewegung gegen die auftretenden Kräfte zu sichern.

Fig. 1 zeigt eine Hälfte einer zweisträngigen Transversalflußmaschine im Axialschnitt. Der erfindungsbezogene Aufbau des magnetischen Kreises kann anhand dieser Figur mit seinen besonderen Merkmalen erläutert werden. Zur weiteren Erhöhung der Kompaktheit und der günstigen Herstellbarkeit bei gleichzeitig zweckmäßiger Montagefolge sind gegenüber der obenerwähnten Fig. 2b aus. DE 198 48 123 C1 verschiedene Veränderungen vorgesehen. Ähnlich wie oben finden sich die beiden Rotorsammler P1ℓ und P1r jeweils den Wicklungen W1' und W1" gegenüber, die ihrerseits an das Verbindungsteil V mit den Kühlkanälen Ku anschließen. Die Abschlußringe RS1' und RSm' ermöglichen die axiale Vorspannung der Sammlerelemente gegenüber den Rotorscheiben RS1 und RSm. Die Umfangskräfte werden auf die Welle W übertragen, die über die Lager L gegenüber dem inneren Gehäuseteil Hi fi­ xiert wird. Nach außen werden die Kräfte von den Magnetkreiselementen E1", die Verbin­ dung V und die äußeren Magnetkreiselemente E1' auf das Gehäuse Ha weitergeleitet. Die tangentiale Übertragbarkeit der Kraft wird durch eine Unterteilung der Elemente entsprechend der Polteilung sowie durch Rippen, die in den Zwischenraum der Elemente E hineinragen, gesichert. Ähnliche kleine Rippen befinden sich auch an dem Gehäuseteil Hi sowie am äuße­ ren Gehäuse Ha und am Verbindungselement V (gestrichelt gezeichnet).

Anstelle einer Klebeverbindung der Lamellenpakete E1', E1" gegenüber den Teilen Hi und V ist, wie gezeichnet, eine Verbindung durch radiale Vorspannung über Aufbringen von Banda­ gen B in entsprechenden Einschnitten von E1' zu erreichen. Sie sichern damit den Zusam­ menhalt der Statorteile des magnetischen Kreises und deren Verbindung zum Gehäuseteil. Die Komplettierung erfährt das Statorteil dadurch, daß nach dem Einbringen der vorgefertig­ ten ringförmigen Spulen W1', W1" die gezahnten ringförmigen Blechpakete Z1' und Z1" der linken und rechten Seite eingeschoben und seitlich gesichert werden.

Dem Gedanken der eisenverlustarmen Bemessung folgend sind die Paketeinheiten E1', E1" mit kleiner Umfangsausdehnung festzulegen. Sie ist hier kleiner als die Polteilung, wie Fig. 2 zu entnehmen ist. Damit wird sichergestellt, daß quer zur Blechebene nur eine sehr kleine Flußdichte wirksam ist. Günstig ist, daß die einzelnen Pakete durch ebene Bleche gleichartiger Form hergestellt werden können. Die Größe des Zwischenraums zwischen den Paketen ergibt sich aus der Notwendigkeit, die für die Positionierung und Kraftübertragung notwendige Rippe an den Paketkörpern Z1 mit minimaler Abmessung festzulegen. Im übrigen ist die Formgebung bei den Paketkörpern Z1' und Z1" ähnlich. Der Durchmesserverringerung beim inneren Paketteil entsprechend werden die Abmessungen der Lamellenpakete E1" ange­ paßt. Dem Grundsatz eines näherungsweise gleichgroßen Querschnitts kann durch die Er­ weiterung der radialen Abmessung bei E1" entsprochen werden. Die Querschnitte der einzel­ nen Elemente sind in beiden Darstellungen in den verschiedenen Schnittebenen, der Ebene A1 und A2 (nach Fig. 1) in der Darstellung von Fig. 2 zu entnehmen. Dem Schnittbild nach A2 von Fig. 2 kann auch entnommen werden, daß die radiale Abmessung der ringförmigen Blechteile von Z1' und Z1" verhältnismäßig klein gewählt wurde. Ihre Länge ist geringer als die Radialabmessung der Zähne Ze am Luftspalt und geringer als die Polteilung. Bei Wahl einer größeren Abmessung würden sich größere axial gerichtete Feldkomponenten ergeben, die dem Prinzip minimaler Wirbelstromverluste widersprechen.

Erwähnt sei, daß die jeweils auf der Innenseite der Körper Z1' und Z1" angeordneten Zähne Ze sich wie bei Transversalflußmaschinen geboten im Abstand der doppelten Polteilung be­ finden und die Zahnhöhe dabei etwa der halben Polteilung entspricht, so daß eine sehr wirk­ same Bildung von Umfangskräften erfolgt.

Zu erkennen ist weiter, daß die äußeren Lamellenpakete E1' eine kleinere radiale Höhe auf­ weisen, als die inneren Pakete E1". Der außerhalb des Spulenraums angeordnete Teil des ma­ gnetischen Kreises beansprucht durch die verhältnismäßig dichte Packung in Umfangsrich­ tung nur eine minimale Ausdehnung. Bei gleichem äußeren Durchmesser kann so ein verhält­ nismäßig großer mittlerer Rotordurchmesser und ein großes Drehmoment erzeugt werden. Gleichzeitig kann auch der im inneren Volumen der Maschine verfügbare Raum zur Flußfüh­ rung zweckmäßig genutzt werden. Es liegen somit günstigere Bedingungen für die Volumen­ nutzung und die kompakte Ausführung als bei der eingangs erwähnten Patentschrift vor.

Die für die Herstellung der Magnetkreiselemente des Stators relevante Blechung ist Fig. 3 zu entnehmen. Von oben nach unten werden dargestellt:
Ein lamelliertes Paket entsprechend E1' in Fig. 3a,
ein Teil des ringförmigen gezahnten Pakets Z1' in Fig. 3b,
ein Teil des ringförmigen gezahnten Paketes Z1" in Fig. 3c,
ein Lamellenpaket entsprechend E1" in Fig. 3d.

In allen vier Fällen werden zur Herstellung ebene Bleche verwendet, die z. B. durch Stanzen geformt werden.

Da die erfindungsgemäße Bauformbeschreibung zu einer erhöhten Vergleichmäßigung des magnetischen Flusses außerhalb des Luftspaltraumes führt, wird der Raum vorteilhafter ge­ nutzt und eine gesteigerte Kompaktheit insbesondere in radialer Richtung erreicht. Darüber hinaus werden auch Möglichkeiten eröffnet, größere axiale Längen der Magnetkreisabmes­ sung bei gegebenem Außendurchmesser zu verwirklichen und damit höhere Drehmoment­ dichten zu realisieren.

Es wird davon ausgegangen, daß der Übergang zwischen den Lamellenpaketen E und den zylindrischen Teilen Z ohne einen größeren zusätzlichen magnetischen Widerstand erfolgen kann. Dies erfordert einen nur sehr kleinen mechanischen Spalt. Hierbei ist allerdings zu er­ wähnten, daß die Begrenzung des Widerstandes durch die gegenüber der Zahnbreite von Ze am Luftspalt vergrößerte Übertrittsfläche begünstigt wird. Allerdings ist mit Blick auf die Vermeidung von zusätzlichen Wirbelströmen durch direkte Berührung der Körper E und Z die Anwendung isolierender Zwischenlagen erwägenswert, mit Blick auf den magnetischen Widerstand aber kontraproduktiv. Zweckentsprechend sind somit isolierende Oberflächenbe­ handlungen und die Realisierung kleinstmöglicher Restspalte anzustreben.

Ein weiterer Punkt der Verlustbegrenzung entsteht im Zusammenhang mit der Vermeidung von möglichen Umfangsströmen in den Blechpaketen Z. Eine wirksame Maßnahme besteht darin, die ringförmigen Blechpakete in Teilpakete zu gliedern und diese jeweils mit minde­ stens einem Schlitz je Umfang zu versehen. Eine elektrische Isolierung zwischen den Teilpa­ keten erscheint geboten.

In Fig. 4 ist eine Modifikation des Erfindungsgedankens wiedergegeben, die zu einer weiteren Steigerung der resultierenden Kraft- bzw. Drehmomentdichte führt. Der auf vier Sammler erweiterte Magnetkreis ermöglicht bei Maschinen mit größeren radialen Abmessungen eine Verdoppelung der Interaktionsflächen am Luftspalt und führt somit zu einer Verdoppelung der Kräfte, wenn der stromführende Querschnitt verstärkt ausgeführt wird und sich keine grö­ ßeren Einschränkungen durch die Magnetkreisgeometrie nach innen ergeben.

Mit der Vierfachvariante der Sammler entsteht die Aufgabe, im mittleren Bereich des Ma­ gnetkreises, also zwischen den Zylinderpaketen Z1' und Z1" ein weiteres Statorteil anzuord­ nen. Dieses ist in doppelt gezahnter Ausführung als Z1m mit geringen radialen Abmessungen in Fig. 4 eingeführt. Wie bisher sind die äußeren gezahnten Zylinderpakete mit den entspre­ chenden Querverbindungen in Gestalt der Lamellenpakete E1' und E1" verbunden. Im Innern des Magnetkreises wird wieder ein gekühltes Verbindungsteil V eingesetzt, dessen Verbin­ dung zu den mittleren Statorteilen über das Verbindungselement Vm erfolgt. Hierdurch ist eine gute Wärmeleitung und eine ausreichende Steifigkeit zur Übertragung der Umfangskräfte möglich.

Die Sammler P1a und P1i sind links mit dem Rotorteil R1 und rechts mit dem Rotorteil Rm verbunden. Die Befestigung des Stators erfolgt über das Innengehäuseteil Hi, das die Kräfte z. B. auf der rechten Seite der zweisträngigen Anordnung an Befestigungselemente weiter­ führt.

Die Lagerung des gezeichneten Außenrotors erfolgt über die Lager L am inneren Gehäuseteil, das z. B. noch ausreichend Platz läßt für die Durchführung einer Welle, die ihrerseits über eine elastische Verbindung gegenüber dem Rotor mit den Umfangskräften beaufschlagt wird.

Die Möglichkeiten der höheren Volumenausnutzung lassen sich am Beispiel des Vierfach­ sammlers besonders gut nachweisen. Die Anwendung ist, wie gezeigt, nicht ausschließlich auf Maschinen bestimmter Gehäuse- bzw. Läuferformen beschränkt. Sie läßt sich sinngemäß auf verschiedene Konstruktionsvarianten, Maschinen unterschiedlicher Strangzahlen, Stran­ ganordnungen, z. B. auch in konzentrischer Form und Maschinen mit unterschiedlicher Zahl von Sammlern je Magnetkreis anwenden.

Claims (8)

1. Elektrische Maschine mit im wesentlichen transversalen Magnetkreisen, umfassend
einen Stator mit Ankerspulen (W', W"), deren magnetisierende Wirkung von den in Umfangsrichtung verlaufenden Spulenseiten ausgeht und mit im Abstand der doppel­ ten Polteilung angeordneten Eisenzähnen (Ze', Ze"),
einem Rotor mit Rotorscheiben (RS), mit dem ringförmige Sammleranordnungen ver­ bunden sind, die ihrerseits sich aus Permanentmagneten wechselnder Polarität und Ei­ senelementen zusammensetzen,
dadurch gekennzeichnet, daß
das statorseitige Magnetkreisteil aus eben geblechten Bauteilen zusammengesetzt ist, wobei ringförmige Blechpakete Z', Z" mit den zum Luftspalt hin angesetzten Zähnen Ze', Ze" verwendet werden, und ebene Lamellenpakete E', E" den axialen Rückschluß über­ nehmen.

2. Elektrische Maschine nach obigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die geblechten Bauteile Z', Z" mit ihrem ringförmigen Teil eine radiale Abmessung be­ sitzen, die nicht größer ist als die radiale Zahnabmessung, die ihrerseits etwa halb so groß ist wie die Polteilung und auf der den Lamellenpaketen zugewendeten Seite rippenartige Ansätze geringer Umfangsbreite aufweisen.

3. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellenpakete E', E" im Polteilungsabstand zwischen den Rippen der ringförmigen Elemente Z', Z" positioniert sind und in der Umfangsbreite weitgehend den Raum der Polteilung einnehmen.

4. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Höhe der Lamellenpakete E" am inneren Magnetkreisteil gegenüber E' in dem Maße vergrößert ist, wie sich der Durchmesser der inneren gegenüber der äußeren Ele­ mentreihe verkleinert.

5. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Montierbarkeit der zylindrischen Paketteile die Spulen der Wicklung vorgefer­ tigt werden und nach dem Einsetzen an dem Verbindungsteil V und den Lamellenpaketen E anliegen.

6. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die gezahnten zylindrischen Blechpakete aus gegeneinander isolierten Teilpaketen beste­ hen, die einen Schlitz je Umfang aufweisen.

7. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetkreis mehr als zwei Sammler aufweist und durch entsprechende statorseitige ringförmige gezahnte Blechpakete ergänzt wird.

8. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorscheiben RS radial nach außen geführt und axial als Außenläufer verbunden werden.