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Hintergrund
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Nachstehend
ist eine permanenterregte elektrische Maschine beschrieben. Insbesondere geht
es um eine Transversalflussmaschine mit einem Ständer und einem Läufer, wobei
jeweils entweder der Ständer
eine Ständerspule
aufweist und der Läufer
mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist, oder der Läufer eine
Läuferspule
aufweist und der Ständer
mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist.
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Begriffsdefinitionen
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Unter
dem Begriff "Elektrische
Maschine" werden
sowohl Motoren als auch Generatoren verstanden. Dabei ist es unerheblich,
ob eine solche Maschine als rund laufende Maschine oder zum Beispiel als
Linearmotor ausgestaltet ist. Außerdem ist dieses Konzept sowohl
bei Innenläufermaschinen
als auch bei Außenläufermaschinen
einsetzbar.
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Zugrundeliegendes Problem
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Das
Ziel ist, eine kompakt bauende und hocheffiziente elektrische Maschine
bereit zu stellen, die eine hohe Leistungsdichte bei für die Serienfertigung
optimiertem Aufbau erlaubt.
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Lösung
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Als
Lösung
wird eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Läufer vrogeschlagen, wobei
entweder der Ständer
eine Spulenanordnung aufweist und der Läufer mit Permanentmagnet-Elementen
versehen ist, oder der Läufer
eine Spulenanordnung aufweist und der Ständer mit Permanentmagnet-Elementen
versehen ist. Zwischen dem Ständer und
dem Läufer
ist ein Luftspalt gebildet, der von den Permanentmagnet-Elementen
und mit auf diese in bestimmten Positionen ausgerichteten magnetisch leitenden
Zähne des
Ständers
begrenzt ist. Die Spulenanordnung weist wenigstens eine hohlzylindrische Wicklung
aus im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigem Bandmaterial auf,
die eine innere und eine äußere Mantelfläche sowie
zwei Stirnflächen
hat und in dem Ständer
zumindest teilweise aufgenommen ist. Der Ständer weist zumindest eine Unterbrechung weist,
die im Betrieb der Maschine in Umfangsrichtung des Ständers elektrischen
Stromfluß im
Wesentlichen unterbindet.
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Diese
Anordnung erreicht, dass eine zur Mittellängsachse rotationssymmetrische
Magnetflussführung – und somit
das Auftreten von Wirbelströmen – verhindert
ist.
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Damit
ist es möglich,
die magnetischen Eigenschaften des Materials des Ständers optimal
zu nutzen. Hierdurch wird eine maximale Ausnutzung des Ständervolumens
in der elektrischen Maschine mit sehr hoher Zuverlässigkeit
im Betrieb bei geringen Herstellungskosten erreicht. Durch die verbesserte
Raumausnutzung erhöht
sich außerdem
der Wirkungsgrad oder die Leistungsdichte der Maschine.
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Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der elektrische Maschine
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Der
Ständer
kann die Spulenanordnung mit den Magnetfluss-Leitstücken aufweisen
und der Läufer
ist mit den Permanentmagnet-Elementen versehen. Dies vermeidet die
Notwendigkeit bewegter (zum Beispiel rotierender) Stromübergänge auf
eine im Läufer
vorhandene Spulenanordnung.
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Der
Ständer
kann in einer Ausführungsform einen
Ständerrücken haben,
und die Unterbrechung kann sich in radialer oder tangentialer Richtung
zwischen dem Ständerrücken und
den Zähnen
erstrecken. Die Orientierung, den die Unterbrechung relativ zur
Mittellängsachse
des Ständers
oder dessen Begrenzungsflächen
hat, ist nicht kritisch. Es kommt nur darauf an, dass das Auftreten
von elektrischen Wirbelströmen
in Umfangsrichtung des Ständers
aufgrund von magnetischem Fluß so
gut wie vollständig ausgeschlossen
ist.
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In
einer Ausgestaltung der permanenterregten elektrischen Maschine
ist der Ständer
aus wenigstens zwei Zylindersegmenten gebildet ist, zwischen denen
sich die Unterbrechungen befinden. Mit anderen Worten ist der Ständer aus
zwei oder mehr – vorzugsweise
gleichen – Stücken zusammen
gesetzt.
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Dabei
kann der Ständer
wenigstens zwei jeweils eine hohlzylindrische Wicklung von deren
Stirnflächen
her umfassende Schalenteile aufweisen. Jedes der Schalenteile hat
an ihrer dem Luftspalt zugewandten Seite jeweils die Zähne haben.
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Die
einzelnen Zylindersegmente können
dabei Trennflächen
haben, die elektrisch isoliert sind.
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Jede
Wicklung der Spulenanordnung weist elektrische Anschlüsse auf,
die zwischen den Trennflächen
angeordnet sind und aus dem Ständer
herausreichen.
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Jede
Wicklung der Spulenanordnung weist an ihren Enden jeweils eine Anschlußfahne auf,
die von der inneren oder der äußeren Mantelfläche seitlich
abstehend und in Richtung einer der Stirnflächen des Ständers umgefaltet sind.
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Zwischen
den Zähnen
sind entlang des Umfangs des Ständers
Magnetflußleitstücke angeordnet sind.
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Die
Magnetfluss-Leitstücke
eine im Wesentlichen quaderförmige
Gestalt oder eine sich in Richtung zu den Zähnen in der Breite und/oder
der Höhe verjüngende Gestalt
haben.
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Der
Ständer
oder dessen Teile können
aus Blechen oder Blechabschnitten aufgebaut ist, oder aus zu der
entsprechenden Gestalt gepreßten und/oder
gesinterten Eisenpartikeln geformt ist. Gleichermaßen können auch
Mischformen aus diesen beiden Varianten verwendet werden, bei denen Übergangsbereiche
von radial orientierten Blechabschnitten zu axial orientierten Blechabschnitten
aus gepreßten
und gesinterten Eisenpartikeln geformt sind.
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Die
Magnetfluss-Leitstücke
können
aus massivem eisenhaltigem Metall, aus gestapelten Blechen oder
aus zu der entsprechenden Gestalt gepreßten und gesinterten Eisenpartikeln
geformt sein. Dies ist in erster Linie von der Betriebsfrequenz
des die Spulenanordnung durchfließenden Stromes abhängig, da
mit steigender Frequenz die Wirbelstromverluste in Magnetfluss-Leitstücken aus
massivem eisenhaltigem Metall zunehmen.
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Die
Magnetfluss-Leitstücke
können
eine im Wesentlichen quaderförmige
Gestalt haben. Es ist auch möglich,
ihnen eine sich zu ihren Enden hin in der Breite und/oder der Höhe verjüngende Gestalt
zu geben. Eine solche Formgebung verringert oder minimiert die magnetischen
Streuflüsse
zwischen benachbarten Magnetfluss-Leitstücken.
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Die
Permanentmagnet-Elemente können eine
im Wesentlichen quaderförmige
Gestalt haben; sie jedoch auch können
eine Gestalt aufweisen, die im Wesentlichen mit der Gestalt der
Magnetfluss-Leitstücke übereinstimmt;
sie können
also rechteckig, quadratisch, trapez- oder dreieck-, bzw. rautenförmig, oder
dergl. sein.
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Die
Spulenanordnung kann entweder mit Strom einer einzigen Phase betrieben
werden oder als Mehrphasenanordnung (vorzugsweise mehr als zwei)
ausgestaltet sein. Im letzteren Fall kann sie mehrere koaxial nebeneinander
angeordnete Wicklungen aufweisen, die dazu eingerichtet sind, phasenversetzt
zu einander betrieben zu werden.
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Die
Zähne und/oder
die Magnetfluss-Leitstücke
können
durch ein magnetisch unwirksames Rohr gehalten sein.
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Die
Zähne und/oder
die Magnetfluss-Leitstücke
können
durch ein magnetisch unwirksames Rohr gehalten sein. Dabei kann
das magnetisch unwirksame Rohr aus aluminiumhaltigem Metall, Kunststoff, oder
dergl. gebildet sein, in dem Ausnehmungen vorgesehen sind, in denen
entsprechend geformte Vorsprünge
der Zähne
und/oder der Magnetfluss-Leitstücke
aufgenommen sind.
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Der
Ständerrücken kann
auch ein magnetisch wirksames Rohr aufweisen, an dem die Zähne, vorzugsweise
durch Kleben, Schweißen,
oder durch formschlüssige
Verbindungen angebracht sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
hat das magnetisch wirksame Rohr wenigstens zwei ineinander zu steckende
entlang ihrer Mantelfläche
geschlitzte Teilrohre, die vorzugsweise eine im Querschnitt konische,
dreieckige oder trapezförmige
Gestalt haben. Dabei kann der Längsschlitz
gerade oder gekrümmt
(zum Beispiel schraubenförmig)
verlaufen.
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Die
Spulenanordnung hat mehrere koaxial beabstandet angeordnete Wicklungen,
die dazu eingerichtet sind, phasenversetzt zu einander betrieben zu
werden.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden
für einen
Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht, in
der auf die beigefügten
Zeichnung Bezug genommen ist.
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In 1 ist
eine seitliche schematische Ansicht eines Längsschnittes durch eine Ausführungsform
einer permanent erregten elektrischen Maschine veranschaulicht.
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In 2 ist
eine schematische Draufsicht auf einen Schnitt längs der Linie II-II in der 1 veranschaulicht.
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In 2a ist
eine seitliche Abwicklung eines Ständers einer permanent erregten
elektrischen Maschine veranschaulicht.
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In 2b ist
ein schematischer Längsschnitt durch
zwei einen Statorrücken
bildenden Rohre veranschaulicht.
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In 3 ist
eine perspektische Draufsicht auf eine Wicklung einer Spulenanordnung
mit ihren Anschlußfahnen
veranschaulicht.
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In 4 ist
eine vergrößerte perspektische Draufsicht
auf eine der Anschlußfahnen
der Wicklung aus 3 veranschaulicht.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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In 1 ist
ein Längsschnitt
durch eine Ausführungsform
einer permanent erregten elektrischen Maschine 10 in der
Ausgestaltung als Außenläufermaschine
gezeigt. Das veranschaulichte und nachstehend erläterte Konzept
ist jedoch auch für
eine Innenläufermaschine
einsetzbar. Die elektrische Maschine 10 hat einen Ständer 12 und
einen Läufer 14. Zwischen
dem Läufer 14 und
dem Ständer 12 ist
ein Luftspalt 16 gebildet. Der Ständer 12 ist – durch
den Luftspalt 16 getrennt – von dem topfförmigen Läufer 14 umgeben,
der an seiner einen Stirnfläche
eine Platte 18 mit einer Öffnung 18a aufweist,
in der eine nicht weiter veranschaulichte Abtriebswelle mit dem Läufer 14 drehfest
verbunden ist. Die Lagerung des Läufers mittels geeigneter Kugel-
oder Rollenlager ist ebenfalls nicht weiter veranschaulicht.
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Der
Ständer 12 hat
eine Spulenanordnung 28 mit zwei hohlzylindrischen Wicklungen 28a, 28b, die
koaxial zur Mittellängsachse
M der Transversalflussmaschine 10 angeordnet ist. Jede
der hohlzylindrischen Wicklungen 28a, 28b ist
aus im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigem Bandmaterial gewickelt
und hat eine innere und eine äußere Mantelfläche 30, 32 sowie
eine untere und eine obere Stirnfläche 34, 36.
Diese hohlzylindrischen Wicklungen 28a, 28b sind
in dem Ständer 12 aufgenommen.
Der Ständer 12 hat
eine etwa auf einer Durchmesserlinie liegende Unterbrechung 40 (siehe 2),
die im Betrieb der Maschine verhindert, dass in Umfangsrichtung
des Ständers 12 ein
komplett umlaufender elektrischer Strom, hervorgerufen durch das
axiale Magnetfeld fließen
kann.
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Der
Ständer 12 ist
in der vorliegenden Ausführungsform
mehrteilig aufgebaut, kann aber auch einstückig gestaltet sein. Dazu ist
die/jede Wicklung 28a, 28b der Spulenanordnung 28 von
Schalenteilen 30 eingefaßt, die als Magnetfluss-Joch 30 wirken
und in einer längs
der Mittellängsachse
M der Spulenanordnung gelegten Schnittansicht (siehe Schnittlinie
in 2) etwa C-förmig
gestaltet sind. Jedes Magnetfluss-Joch 30 hat an seiner
dem Läufer
zugewandten Flanke eine Vielzahl von Zähnen 32, die parallel
zur Mittellängsachse
M orientiert sind. Jeweils zwei Magnetfluss-Joche 30 umgreifen
eine Wicklung 28a, 28b von deren jeweiligen Stirnflächen 24, 26 her.
Damit sind die Zähne 32 der
Magnetfluss-Joche 30 bei einer Innenläufer-Maschine an der innenliegenden Mantelfläche der
hohlzylindrischen Wicklungen angeordnet und bei einer Außenläufer-Maschine
(wie das vorliegend gezeigte Beispiel) an der außenliegenden Mantelfläche der
hohlzylindrischen Wicklungen. Die ansonsten im Wesentlichen gegengleichen, einer
jeweiligen Wicklung 28 am 28b zugeordneten Magnetfluss- Joche 30 sind
mit ihren jeweiligen Zähnen 32 um
eine halbe Zahnteilung versetzt ineinander greifend angeordnet (siehe
auch 2a).
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Von
den Zähnen 32 um
den Luftspalt 16 in radialer Richtung beabstandet, sind
an dem Läufer 14 Permanentmagnet-Elemente 50 angeordnet,
deren magnetische Orientierung zu dem Luftspalt 16 hin
jeweils abwechselnd ist. Dies ist durch die abwechselnden Polungen
mit den radial nach innen bzw. radial nach außen zeigenden Dreiecken in 2 veranschaulicht.
In bestimmten Positionen des Läufers 14 relativ
zum Ständer 12 fluchten
die Permanentmagnet-Elemente 50 einer axialen Reihe des Läufers 14 mit
Zähnen 32 einer
axialen Reihe des Ständers 12.
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Wie
in den 1 und 2, 2a veranschaulicht,
haben die Zähne 32 oder
an deren Stelle vorgesehene Magnetfluss-Leitstücke eine im Wesentlichen trapezförmige Gestalt. 2a zeigt
anhand der Zähne 32,
dass diese eine sich in Richtung zu den Endabschnitten der beiden
Schenkel der Magetfluss-Joche 30 hin in der Breite verjüngende Gestalt
haben können.
Zusätzlich
zur Verjüngung
in der Breite können
die Magnetfluss-Leitstücke 38 sich auch
in der Höhe
zu ihren Enden 38a hin verjüngen. Dies ist in 1 in
einer seitlichen Schnittansicht für die Zähne 32 veranschaulicht.
Zwischen benachbarten Zähnen 32 können zur
Erhöhung
der mechanischen Stabilität
magnetisch im Wesentlichen unwirksame Verbinder angeordnet, welche
die relative Position der Zähne
zueinander ebenfalls festlegen. Diese Verbinder können entweder
dünne Stege
aus dem selben Material wie die Zähne 32 sein, welche
aufgrund ihrer geringen Abmessungen im Betrieb der Maschine sofort
in die magnetische Sättigung
gelangen und daher magnetisch praktisch nicht wirksam sind. Alternativ
dazu können
die Verbinder auch durch zwischen die Zähne 32 eingebrachtes
Kunststoff-Material gebildet sein.
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Die
Permanentmagnet-Elemente 50 können eine Gestalt aufweisen,
die im Wesentlichen mit der Gestalt der Zähne 32 übereinstimmt;
sie können
also rechteckig, trapez- oder dreieck-, bzw. rautenförmig, oder
dergl. sein. Die Permanentmagnet-Elemente 50 können in
Richtung der Mittellängsachse
M nur etwa halb so lang wie die mit ihnen fluchtenden Zähne 32. In
Richtung der Mittellängsachse
M zueinander benachbarte Permanentmagnet-Elemente 50 haben ebenfalls
eine unterschiedliche magnetische Orientierung. Hieraus resultiert
eine schachbrettartig sich abwechselnde Anordnung von gegensätzlich orientierten
Permanentmagnet-Elementen 50.
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Die
in 2 veranschaulichte Unterbrechung 40 des
Ständers 12 entlang
einer Durchmesserlinie hat effektiv zur Folge, dass der Ständer aus zwei
entlang der Mittellängsachse
geteilte Hohlzylinderhälften 12a, 12b gebildet
ist. Es versteht sich, dass der Ständer 12 auch aus mehr
als zwei (zum Beispiel drei oder vier, je nach Durchmesser des Ständers) Zylindersegmenten 12a, 12b gebildet
sein kann, zwischen denen sich die Unterbrechungen 40 befinden.
Die Zylindersegmente 12a, 12b haben damit Trennflächen – nämlich Wandungen 40', 40'' der schlitzförmigen Unterbrechungen 40.
Diese Trennflächen 40', 40'' können durch eine Kunststoffschicht oder
eine Lackierung oder dergl. elektrisch isoliert sein. Damit ist
es möglich,
die elektrischen Anschlüsse
der Wicklung/en der Spulenanordnung 28 zwischen diesen
Trennflächen 40', 40'' anzuordnen und in Richtung der
Mittellängsachse
M so lange zu dimensionieren, dass sie aus dem Ständer 12 zu
einer – im
Detail nicht weiter veranschaulichten Ansteuerelektronik 60 (siehe
das Bezugszeichen 60 in 1, welches
eine Platine bezeichnet) herausreichen. Bei der gezeigten elektrischen
Maschine reichen die elektrischen Anschlüsse der Wicklung/en der Spulenanordnung 28 zu
der Ansteuerelektronik 60, welche auf der von der Platte 18 des
Läufers
abliegenden Seite angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, die
Ansteuerelektronik 60 zwischen dem Ständer und der Platte 18 des
Läufers
anzuordnen. In diesem Fall könnte
auch eine Zwangsbelüftung/Kühlung der
Ansteuerelektronik 60 durch in der Platte 18 befindliche Öffnungen
und entsprechende Luftleitschaufeln erfolgen.
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Der
Ständer 12 hat
einen Ständerrücken 13 aus
zwei ineinander gesteckten und zum Beispiel miteinander verklebten
Eisenrohren 13a, 13b, die jeweils einen längs der
Mittellängsachse
M orientierten Schlitz haben. Die beiden Rohre 13a, 13b sind
so gegeneinander um die Mittellängsachse
M verdreht angeordnet, dass ihre jeweiligen Schlitze nicht übereinander
liegen. Wie in 2 gezeigt, sind die beiden Rohre 13a, 13b so
zueinander verdreht, dass die jeweiligen Schlitze einander gegenüber liegen.
Die beiden Rohre 13a, 13b sind durch den Klebstoff
zueinander isoliert. Gleichzeitig ist die Stabilität der Gesamtanordnung
durch die zueinander verdrehten Rohre sehr hoch. Effektiv erstreckt
sich die Unterbrechung 40 sich in radialer (oder tangentialer)
Richtung zwischen dem Ständerrücken und
den Zähnen
des Ständers.
Dabei kann die Unterbrechung in ihrer (radialen oder tangentialen)
Erstreckung auch – wie
im Zusammenhang mit den beiden Rohren 13a, 13b erläutert – Versetzungen
haben. Auch diese Variante stellt sicher, dass sich insgesamt eine
nicht rotationssymmetrische Magnetflußführung ergibt. Die beiden Rohre 13a, 13b können eine
im Längsschnitt
konische, dreieckige oder trapezförmige Gestalt haben (siehe 2b).
Dies kann das Zusammenfügen
erleichtern. Außerdem
kann an jeweils einem Ende der beiden Rohre 13a, 13b ein
Ringbund 13c, 13d angeformt sein, der radial nach
außen
(oder im Fall einer Innenläufermaschine
nach innen) ragt. Wenn die beiden Rohre 13a, 13b zusammengeschoben
und verklebt werden, bilden die beiden Ringbünde 13c, 13d jeweils
einen Abschluß,
zwischen denen die übrigen Komponenten
des Ständers
stabil aufgenommen sind.
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Ein
weiterer Aspekt der elektrischen Maschine besteht darin, dass die
Wicklung/en der Spulenanordnung 28 an ihren Anschluß-Enden
jeweils eine Anschlußfahne 62 aufweist/en,
die von der inneren oder der äußeren Mantelfläche 30, 32 seitlich
(radial oder abgewinkelt) unter Bildung eines Steges 62a abstehend
und in Richtung einer der Stirnflächen des Ständers 12 entlang einer
schrägen
Falzkante 62b umgefaltet sind. Dies ist in den 3 und 4 im Detail
veranschaulicht.
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Die
in den Fig. gezeigten Verhältnisse
der einzelnen Teile und Abschnitte hiervon zueinander und deren
Abmessungen und Proportionen sind nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr
können
einzelne Abmessungen und Proportionen auch von den gezeigten abweichen.