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Die
Erfindung betrifft eine Statoranordnung sowie eine Rotoranordnung
für eine
Transversalflußmaschine,
wobei die Statorpole und/oder Rotorpole nach Art von Klauenpolen
ausgebildet sind.
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Das
US-Patent 6,492,758 beschreibt einen elektronisch kommutierten Transversalflußmotor mit einem
mehrphasigen Stator. Der Stator wird aus zwei komplementären, einander
zuge wandten Teilen gebildet, die jeweils die Hälfte der Statorpole tragen, welche
nach Art von Klauenpolen ausgebildet sind. Die Statorwicklungen
sind zwischen diesen beiden Teilen eingefügt und werden von den sich
gegenüber liegenden
Klauenpolen umgriffen. In diese Schrift sind die Vorteile von Transversalflußmaschinen
kurz angesprochen. Eine Transversalflußmaschine kann Leistungsdichten
erzeugen, die um mehrere Faktoren höher liegen als die herkömmlicher
Radialflußmaschinen.
Dies ergibt sich aus der Geometrie der Transversalflußmaschinen,
welche die Realisierung einer größeren Anzahl
von Polen bei gleicher magnetomagnetischer Kraft pro Pol wie in
einer herkömmlichen
Maschine erlauben. Aufgrund ihrer drei-dimensionalen geometrischen
Form ist es jedoch schwierig, Transversalflußmaschinen mittels üblicher Kern-Laminationstechniken
aufzubauen, weil ein laminierter Statorkörper den notwendigen drei-dimensionalen
Magnetfluß behindern
würde.
Diese Schwierigkeit wird gemäß der
US 6,492,758 dadurch überwunden,
daß gesinterte
Pulver-Eisenkerne verwendet werden.
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Im
Stand der Technik ist es grundsätzlich
bekannt, in Transversalflußmaschinen
mit Klauenpolstator den Statorrückschluß sowie
die Klauenpole aus Eisen oder aus weichmagnetischen zusammengesetzten
Materialien, insbesondere Pulvern, herzustellen.
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Das
US-Patent 6,236,131 beschreibt eine andere Art einer Transversalflußmaschine
mit U- und I-förmigen Rückschlüssen und
einem Rotor, der wie in herkömmlichen
Radialflußmaschinen
mit einem Rotor-Rückschlußring und
darauf aufgebrachten Permanentmagneten aufgebaut ist. Die U-förmigen Rückschlüsse und
die I-förmigen
Rückschlüsse können mittels
bekannter Kern-Laminationstechniken aufgebaut werden, wobei es in
der Praxis jedoch schwierig ist, die einzelnen U- und I-Rückschlüsse zu verankern.
Hierfür
sind regelmäßig nicht-magnetische
Halterungsbauteile zum Befestigen der I-förmigen Rückschlüsse notwendig.
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In
Transversalflußmaschinen
gilt grundsätzlich,
daß die
Anzahl der Pole des Rotors gleich der Anzahl der Pole des Stators
ist. Wird ein Klauenpolstator oder ein Stator mit U- und I-förmigen Rückschlüssen mit hoher Polzahl vorgesehen,
so muß der zugehörige Rotor
einen Ringmagneten oder eine Anzahl von Einzelmagneten aufweisen,
die mit entsprechend gleicher Anzahl von Polübergängen magnetisiert sind. Dies
kann dazu führen,
daß der
Aufbau des Rotors aus einer Vielzahl Einzelmagnete oder die entsprechende
Magnetisierung eines Ringmagneten sehr aufwendig wird.
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Aus
dem US-Patent 6,211,596 ist eine Klauenpol-Synchronmaschine bekannt,
wobei eine Erregerspule auf einen Rotorkern gewickelt ist, der zwei sich
in radialer Richtung erstreckende Klauen-Magnetscheiben aufweist,
von denen jeweils eine Vielzahl von Klauenpolen ausgehen. Grundsätzlich besteht
der Rotor aus Vollmaterial, wobei die Klauenpole an ihren äußeren Enden
durch einen laminierten Blechstapel abgeschlossen sind, um Wirbelströme zu reduzieren.
Die Klauenpolanordnung wird in der
US
6,211,596 genutzt, um mit einer einzigen Erregerspule eine
Vielzahl von Rotorpolen zu erzeugen. Sie wird dann eingesetzt, wenn
die hohe Anzahl von Polen durch andere Konstruktionen nicht realisierbar wäre. Die
Anordnung hat unter anderen den Nachteil, daß ein Anschluß für die Erregerspule
vorgesehen werden muß.
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Die
DE 42 13 378 beschreibt
einen ähnlichen Stand
der Technik mit einem Klauenpolrotor, der einen Ringmagnet und zwei
parallele, ferromagnetische Scheiben aufweist, zwischen denen sich
der Ringmagnet befindet und die gleichmäßig am Umfang verteilte Klauen
tragen, wobei jeweils eine Klaue der einen Scheibe zwischen zwei
Klauen der anderen Scheibe greift und alle Klauen zusammen auf einem
gedachten Kreiszylindermantel um den Ringmagneten liegen.
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Die
DE 10 2004 029 442
A1 beschreibt eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine,
die aus radialen und tangentialen, einzelnen Segmenten zusammengesetzt
ist, wobei die tangentialen Segmente im wesentlichen den Statorrückschluß und die radialen
Segmente im we sentlichen Statorpole bilden. Die Segmente sind aus
stanz-paketierten Blechen hergestellt, wobei die Bleche derart angeordnet werden,
daß sie
jeweils eine magnetische Vorzugsrichtung aufweisen, die für sämtliche
Ringsegmente gleich ist.
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Weiterer
Stand der Technik, der das Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft,
findet sich beispielsweise in der
DE
100 62 073 und der
DE
37 05 089 .
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Statoranordnung und eine Rotoranordnung
für eine Transversalflußmaschine
anzugeben, die bei vergleichsweise hohen Polzahlen größer 40,
60 oder 80 einfach aufgebaut werden können und gute magnetische und
elektrische Eigenschaften haben.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Statoranordnung gemäß Patentanspruch 1 sowie durch
eine Rotoranordnung gemäß Patentanspruch
7 gelöst.
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Die
Erfindung betrifft eine Statoranordnung für eine Transversalflußmaschine,
mit einem ringförmigen
Statorrückschluß und einer
Anzahl von Statorpolen, die nach Art von Klauenpolen ausgebildet sind.
Eine Statorwicklung liegt zwischen dem Statorrückschluß und den Statorpolen. Erfindungsgemäß ist der
Statorrückschluß aus einem
ersten laminierten Blechstapel aufgebaut, dessen Bleche in axialer Richtung
der Statoranordnung gestapelt sind, und die Statorpole sind aus
zweiten laminierten Blechstapeln aufgebaut, deren Bleche in tangentialer
Richtung gestapelt sind. Vorzugsweise werden der Statorrückschluß und die
einzelnen Statorpole mittels Ausnehmungen und korrespondierenden
Fortsätzen durch
Stecken miteinander verbunden. Hierzu kann der Statorrückschluß an seinem
Umfang entsprechende Ausnehmungen aufweisen, die Statorpole sind
mit entsprechenden Fortsätzen
ausgebildet, die mit diesen Ausnehmungen in Eingriff kommen. Die Statorpole
sind beispielsweise mit Statorstegen ausgebildet, an deren einen
Enden Flußaufnehmer
oder Polschuhe (die Klauen) ausgebildet sind und an deren anderen
Enden die Fortsätze
zur Verbindung mit dem Statorrückschluß ausgebildet
sind.
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Abhängig davon,
ob die Statoranordnung für eine
Innenläufer-
oder eine Außenläufermaschine bestimmt
ist, kann auf den Außenumfang
bzw. den Innenumfang der Statoranordnung eine Statorhülse aufgebracht
werden, welche die Statorpole auf dem Rückschlußring fixiert.
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Die
Statorpole unterschiedlicher Polarität werden jeweils abwechselnd
von gegenüberliegenden
Stirnseiten über
den Statorrückschluß aufgebracht,
um eine Statoranordnung für
eine Phase der Transversalflußmaschine
zu bilden. Für
eine mehrphasige Maschine, werden mehrere Statoranordnungen entsprechend
der Anzahl der Phasen vorgesehen.
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Die
Polklauen oder Polschuhe der Statorpole unterschiedlicher Polarität können sich
in axialer Richtung vollständig
oder teilweise überlappen.
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Wie
eingangs erläutert,
wurden im Stand der Technik die Klauenpole und der Rückschluß eines Klauenpolstators
aus Volleisen oder weichmagnetischen Verbundmaterial, insbesondere
Pulvermaterialien, hergestellt.
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Die
Erfindung schlägt
somit eine Lösung
vor, bei der ein Klauenpolstator aus laminierten Blechstapeln hergestellt
werden kann, wobei die Klauenpole und der Statorrückschluß unterschiedliche
Laminationsrichtungen aufweisen. Die Laminationsrichtungen sind
so gewählt,
daß sie
eine optimale Führung
des Magnetflusses in den Statorpolen gewährleisten. Durch die Stapelung
der Bleche in tangentialer Richtung kann der durch die Statorwicklung
fließende Strom
ein umlaufendes Magnetfeld in den Statorpolen erzeugen, während die
Stapelung des Statorrückschlusses
in axialer Richtung die Ausbildung eines solchen Magnetfeldes verhindert.
Gleichzeitig erhält man
einen einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Statoranordnung, die mit
bekannten Blechstanz- und Laminationstechniken hergestellt werden
kann. Wegen der dreidimensionalen Gestalt des Stators kann dieser
zwar nicht aus einem einheitlichen Blechschnitt aufgebaut werden,
die Erfindung benötigt
jedoch lediglich zwei unterschiedliche Blechschnitte zu dessen Realisierung.
Die Statoranordnung wird aus einfachen Teilen aufgebaut, die ohne großen Verschnitt
hergestellt werden können,
und eignet sich daher für
die Massenproduktion. Sie benötigt
keine teuren Materialien und Herstellungsverfahren. Die praktische
Erprobung hat ferner gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Statordesign
höhere
Motorleistungen erreicht werden können als bei den bekannten
Klauenpolstatoren aus Vollmaterial.
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Die
erfindungsgemäße Statoranordnung wird
vorzugsweise wie folgt hergestellt: die Statorpole einer Polarität werden
in einem Montagewerkzeug gehalten, entweder an ihrem Außenumfang,
wenn eine Außenläufermaschine
hergestellt werden soll, oder an ihrem Innenumfang, wenn eine Innenläufermaschine
hergestellt werden soll. Der Statorrückschluß wird auf die Statorpole aufgesetzt,
indem die Fortsätze
in entsprechende Ausnehmungen auf dem Außenumfang bzw. Innenumfang
des Statorrückschlusses
eingefügt
werden. Erfolgt dies im Preßsitz, so
kann dadurch ein guter magnetischer Kontakt zwischen den Klauenpolen
und dem Statorrückschluß gewährleistet
werden. In die so gebildete Halbform wird die Wicklung einer Phase
eingelegt, und anschließend
werden die Klauenpole der anderen Polarität von der gegenüberliegenden
Seite des Statorrückschlusses
her auf diesen aufgebracht.
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Die
Statorpole können
an dem Statorrückschluß durch
Preßsitz
und/oder Verkleben oder Schweißen
permanent fixiert werden. Anschließend kann das Montagewerkzeug
entfernt werden. Zusätzlich
kann eine Statorhülse
auf den Innenumfang (bei einem Außenläufer) oder den Außenumfang
(bei einem Innenläufer)
des Statorrückschlusses
aufgebracht werden, um die Statorpole in den Ausnehmungen auf dem
Statorrückschluß zu fixieren.
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Die
Erfindung sieht auch eine Rotoranordnung für eine Transversalflußmaschine
vor, die zwei einander gegenüberliegende
Rotorkörper-Hälften aufweist,
wobei entsprechende Rotorpole nach Art von Klauenpolen ausgebildet
und derart miteinander verbunden sind, daß sie eine ringförmige Rotorkörper-Hälfte bilden.
Ein unipolarer, in axialer Richtung magnetisierter Ringmagnet liegt
zwischen den Rotorpolen des Rotorkörpers liegt. Erfindungsgemäß sind die
Rotorpole aus laminierten Blechstapeln aufgebaut, deren Bleche in
tangentialer Richtung gestapelt sind. In einer bevorzugten Ausführung werden
die Rotorpole über
Zwischenkeile mit einander verbunden. Die Rotoranordnung mit den
Rotorpolen und den Zwischenkeilen kann jedoch auch ein- oder mehrteilig
aus Vollmaterial hergestellt werden, wenn die Ökonomie des Herstellungsverfahrens
Vorrang hat. Ähnlich
wie bei der erfindungsgemäßen Statoranordnung
kann eine Rotorhülse
vorgesehen sein, die abhängig
davon, ob es sich um eine Rotoranordnung für eine Innenläufer- oder
Außenläufermaschine
handelt, auf den Innenumfang bzw. den Außenumfang des Rotorkörpers aufgebracht
ist. Ähnlich
wie bei der erfindungsgemäßen Statoranordnung
umgreifen die Rotorpole unterschiedlicher Polarität den Ringmagneten
jeweils abwechselnd von gegenüberliegenden Stirnseiten
der Rotoranordnung her. Die Polklauen der Rotorpole unterschiedlicher
Polarität
können
sich in axialer Richtung teilweise oder vollständig überlappen.
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Die
erfindungsgemäße Rotoranordnung
eignet sich besonders für
Transversalflußmaschinen, deren
Statoren aus U- und I-förmigen
Rückschlüssen aufgebaut
sind, oder die Klauenpolstatoren aufweisen. Bei solchen Statoren,
die eine hohe Polzahl größer z.B.
40, 60 oder sogar 80 haben können,
ist der Aufbau des Rotors schwierig, wenn die Permanentmagnete des
Rotors aus getrennten Segmenten oder Parallelepipeden bestehen.
Es wird daher eine Rotoranordnung vorgeschlagen, deren Rotorpole
nach Art von Klauenpolen aufgebaut sind, wobei zur optimalen Führung des
Magnetflusses, die Rotorpole aus laminierten Blechstapeln aufgebaut
sind, deren Bleche in tangentialer Richtung gestapelt sind. Die Rotorpole
der erfindungsgemäßen Rotoranordnung sind
somit im wesentlichen genauso aufgebaut wie die Statorpole der erfindungsgemäßen Statoranordnung.
Es ergeben sich auch im wesentlichen dieselben Vorteile, nämlich eine
optimale Führung
des Magnetflusses sowie ein einfacher Aufbau unter Verwendung bekannter
Blechstanz- und Laminationstechniken. Der Rotor kann aus einfachen
Teilen mit geringem Verschnitt hergestellt werden und eignet sich
daher, ebenso wie die erfindungsgemäße Statoranordnung, für die Massenproduktion.
Der Zusammenbau des Rotors kann auf einfache Weise, ähnlich wie
für die
Statoranordnung beschrieben, erfolgen. Anstelle des Rückschlußes werden
beispielsweise Keile zwischen die einzelnen Rotorpole gesetzt, um
diese zu einem Rotorring zu ergänzen.
Die Rotorhülse
zur Fixierung der Rotoranordnung sollte aus einem nichtmagnetischen
Material bestehen, um einen Kurzschluß zwischen den ein zelnen Rotorpolen
zu verhindern. Auch die Verbindungskeile können beispielsweise aus Kunststoff
bestehen; sie dienen der mechanischen Verbindung der einzelnen Rotorpole.
Sofern sie aus Metall, beispielsweise aus einem laminierten Blechstapel
bestehen, ist die Laminierungsrichtung nicht relevant, da diese
Verbindungskeile keinen magnetischen Fluß führen.
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Die
erfindungsgemäße Rotoranordnung
ermöglicht
das Realisieren eines Rotors auf der Grundlage eines unipolaren
Ringmagneten, der einfach zu magnetisieren ist. Die Remanenz des
Magnetmaterials kann optimal ausgenutzt werden, wobei ein großes Magnetvolumen
untergebracht werden kann, so daß eine Transversalflußmaschine
mit entsprechend großer
Leistung hergestellt werden kann. Insgesamt ist die Rotoranordnung
bezüglich
der Magnetisierung und der optimalen Ausnutzung des Magnetvolumens bekannten
Rotoranordnung für
Transversalflußmaschinen überlegen.
Durch die Klauenpolbauweise ist der Ringmagnet gleichzeitig geschützt und
fixiert.
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Die
Erfindung sieht auch eine Transversalflußmaschine vor, welche die beschriebene
Statoranordnung und die beschriebene Rotoranordnung kombiniert,
um jeweils eine Phase der Maschine zu bilden. Die Statoranordung
und die Rotoranordnung sind koaxial zueinander angeordnet, und die
Polklauen der Statorpole sowie die Polklauen der Rotorpole liegen
jeweils im gleichen Winkelabstand einander gegenüber. Dieses Design eignet sich
sowohl für
Innenläufer-
als auch für
Außenläufermaschinen.
Es kombinierte die Vorteile der erfindungsgemäßen Statoranordnung und der
erfindungsgemäßen Rotoranordnung,
insbesondere den einfachen Aufbau des Statorkörpers und des Rotorkörpers im
Vergleich zu herkömmlichen
Transversalflußmaschinen.
Mit der erfindungsgemäßen Transversalflußmaschine
können
hohe Energiedichten erreicht werden, wobei das magnetische Material
optimal ausgenutzt wird. Da die Laminationsrichtung der Klauenpole
jeweils für den
magnetischen Fluß optimiert
ist, können
Verluste aufgrund von magnetischer Pulsation vermieden werden. Es
sind Transversalflußmaschinen
mit hohen Polzahlen, größer 40,
60 oder sogar größer als 80
Pole, ohne Schwierigkeiten herstellbar.
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Die
Erfindung ist im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen mit weiteren
Einzelheiten erläutert. In
den Figuren zeigen:
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1 eine
perspektivische, auseinandergezogene Darstellung einer Statoranordnung
gemäß der Erfindung;
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2 eine
perspektivische Darstellung der Statoranordnung der 1 im
zusammengesetzten Zustand;
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3 eine
perspektivische Darstellung von drei Statoranordnungen gemäß der Erfindung
zum Aufbau einer dreiphasigen Transversalflußmaschine;
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4 eine
perspektivische Darstellung von drei Statoranordnungen gemäß der Erfindung
in Verbindung mit einem herkömmlichen
Rotor zum Aufbau einer dreiphasigen Transversalflußmaschine;
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5a, 5b, 5c und 5d Schnittdarstellungen
durch verschiedene Ausführungen
der Statoranordnung gemäß der Erfindung;
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6 eine
perspektivische, auseinandergezogene Darstellung einer Rotoranordnung
gemäß der Erfindung;
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7 eine
perspektivische schematische Darstellung von Teilen der Rotoranordnung
gemäß der Erfindung
in Verbindung mit einem Stator, der aus U- und I-Kernen aufgebaut
ist;
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8 perspektivische
schematische Darstellung eines Stators aus U- und I-Kernen zur Erläuterung
der Erfindung;
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9 eine
perspektivische Darstellung von zwei Rotoranordnungen gemäß der Erfindung,
welche in Verbindung mit dem Stator der 8 eingesetzt
werden können;
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10 eine
perspektivische schematische Darstellung einer Phase einer Transversalflußmaschine,
welche die erfindungsgemäße Rotoranordnung
verwendet;
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11a, 11b und 11c Schnittdarstellungen durch die erfindungsgemäße Rotoranordnung,
welche in Verbindung mit unterschiedlichen Statorformen verwendet
werden kann;
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12 eine
perspektivische, auseinandergezogene Darstellung einer Phase einer
Transversalflußmaschine
gemäß der Erfindung;
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13 eine
perspektivische Darstellung einer dreiphasigen Transversalflußmaschine
gemäß der Erfindung;
und
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14 eine
Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Transversalflußmaschine.
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1 zeigt
eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung einer vorteilhaften
Ausführung
der erfindungsgemäßen Statoranordnung.
Die Statoranordnung umfaßt
einen ringförmigen
Statorrückschluß 10 sowie
eine Vielzahl von Statorpolen 12, 14, die nach
Art von Klauenpolen ausgebildet sind, wobei die eine Hälfte der
Statorpole 12 von der einen Stirnseite des Statorrückschlusses 10 her
und die andere Hälfte
der Statorpole 14 von der gegenüberliegenden Stirnseite des
Statorrückschlusses 10 her
auf diesen aufgebracht werden. Hierzu sind in dem Außenumfang
des Statorrückschlusses 10 Ausnehmungen 16 ausgebildet,
in welche entsprechende Fortsätze 18 eingreifen,
die an den Statorpolen 12, 14 angeformt sind.
Die Verbindung erfolgt vorzugsweise im Preßsitz. Die Statorpole umgreifen eine
Wicklung 20, die in 1 schematisch
als Ring dargestellt ist. 2 zeigt
die erfindungsgemäße Statoranordnung,
nachdem die Statorpole 12, 14 von den gegenüberliegenden
Stirnseiten in den Statorrückschluß 10 eingesetzt
wurden.
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Erfindungsgemäß sind der
Statorrückschluß 10 und
die Statorpole 12, 14 jeweils aus laminierten Blechstapeln
aufgebaut, wobei die Laminierungsrichtung in den Figuren angedeutet
ist.
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Aus 2 ist
auch die sich im Betrieb der Maschine ergebende Richtung des Stromflusses
S durch die Wicklung 20 sowie des Magnetflusses M durch
die Statorpole 12, 14 eingezeichnet.
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Die
Bleche des Statorrückschlusses
sind in axialer Richtung gestapelt, und die Bleche der Statorpole
sind in tangentialer Richtung gestapelt. Dadurch wird die Führung der
Magnetfeldlinien durch die Statorpole optimiert, während eine
Ausbildung von Magnetpolen im Statorrückschluß 10 verhindert wird.
Die einzelnen Komponenten können
mittels bekannter Blechstanz- und Laminationstechniken hergestellt werden.
Die Statorpole 12, 14 werden in dem Statorrückschluß 10 vorzugsweise
im Preßsitz
gehalten, um einen guten magnetischen Kontakt herzustellen. Zusätzlich können sie
verklebt oder verschweißt
werden. Ferner ist es möglich,
die Statorpole in den Ausnehmungen 16 des Statorrückschlusses
mittels einer Statorhülse
(in den 1 und 2 nicht
gezeigt) zu sichern, die auf den Außenumfang der Statoranordnung
aufgeschoben wird. Diese Statorhülse
kann ein gesondertes Bauteil oder ein Teil des Gehäuses der Transversalflußmaschine
sein. Sie kann aus magnetischem oder unmagnetischem Material bestehen.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird die Statoranordnung wie folgt hergestellt: die
Statorpole 12 einer Polarität werden in einem Werkzeug
in kreisförmiger
Anordnung gehalten, etwa wie in 1 gezeigt.
Der Statorrückschluß 10 wird mit
seinen Ausnehmungen 16 in axialer Richtung auf die Fortsätze 18 aufgeschoben.
Anschließend
wird die Wicklung 20 in das so gebildete Wickelfenster eingelegt,
und die Statorpole 14 der anderen Polarität werden
auf den Statorrückschluß 10 aufgebracht. Anschließend können die
Statorpole an dem Statorrückschluß z.B. durch
Schweißen
fixiert werden, wobei auch eine Klebeverbindung möglich ist.
Das Werkzeug kann dann entfernt werden, wobei die Statoranordnung
zusätzlich
durch eine Statorhülse
fixiert werden kann, wie beschrieben.
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Für eine dreiphasige
Transversalflußmaschine
werden drei Statoranordnungen vorgesehen, die koaxial zueinander
angeordnet werden, um einen Stator aufzubauen, wie in 3 gezeigt.
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Dabei
werden die Statorpole jeweils einer Phase vorzugsweise um etwa 120° elektrisch
zur benachbarten Phase versetzt, um das Rastmoment zu minimieren.
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Die
Darstellung der 4 entspricht im wesentlichen
der 3, wobei ein herkömmlicher Rotor koaxial in den
Stator eingefügt
ist. Der Rotor kann wie im Stand der Technik bekannt mit einem Rotorrückschluß 22 und
einem Permanentmagnetring 24 oder mehreren einzelnen Permanentmagneten
aufgebaut sein. Der Rotor ist auf eine Welle 26 aufgebracht.
Für die
gezeigte Transversalflußmaschine
ist der Permanentmagnetring 24 in axialer Richtung in drei
Abschnitte aufgeteilt, welche den drei Statoranordnungen für eine dreiphase
Transversalflußmaschine
entsprechen. Jeder der axialen Abschnitte ist wiederum in tangentialer
Richtung in eine Anzahl von Magnetbereichen segmentiert, die der
Anzahl der Statorpole 12, 14 entspricht. Dies
ist in der Figur im einzelnen nicht gezeigt, dem Fachmann auf diesem
Gebiet jedoch grundsätzlich
bekannt.
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Die 5a, 5b, 5c und 5d zeigen
verschiedene Ausführungen
der erfindungsgemäßen Statoranordnung
für eine
Transversalflußmaschine
in Schnittdarstellung. Die Darstellung der 5a entspricht
im wesentlichen der Ausführung der 1 bis 4,
in der die Statoranordnung für eine
Innenläufermaschine
bestimmt ist. Korrespondierende Teile sind mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet. In der in 5a gezeigten Ausführung sind die
Statorpole 12, 14 derart ausgebildet, daß die Polschuhe
oder Klauen 28 der gegenüberliegenden Statorpole 12, 14 sich
bis zu einer gedachten Mittellinie erstrecken, einander in axialer
Richtung jedoch nicht überlappen.
(Die Rotationsachse der Transversalflußmaschine ist mit R gekennzeichnet).
Die Statorpole 12, 14 sind, wie in den 1 bis 4 gezeigt, auf
den Statorrückschlußring 10 aufgesteckt.
Sie werden zusätzlich
durch eine Hülse
bzw. in der Ausführung
der 5a durch das Gehäuse 30 der Transversalflußmaschine
fixiert.
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In
der Ausführung
der 5a ist der Rotor durch einen Rückschlußring 22 sowie einen
Permanentmagnetring 24 dargestellt. Der Perrmanentmagnetring 24 ist
in radialer Richtung ma gnetisiert, was durch Pfeile angedeutet ist.
Diese Magnetisierung wechselt um dem Umfang des Rotors in Segmenten entsprechend
der Anzahl der Statorpole.
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5b zeigt
eine alternative Ausführung
der erfindungsgemäßen Statoranordnung
für eine
Außenläufermaschine.
Korrespondierende Teile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
In der Ausführung
der 5b sind die Statorpole 12, 14 auf dem
Statorrückschluß 10 durch
eine innenliegende Statorhülse 32 fixiert,
die mit einem Flansch oder einem anderen gehäusefesten Bauteil (nicht gezeigt) der
Transversalflußmaschine
verbunden sein kann. Der Rotor umfaßt einen Rotorrückschluß 22 und
einen Permanentmagnetring 24 und umgibt die Statoranordnung
koaxial. Wie in der Ausführung
der 5b sind die Polschuhe oder Klauen so ausgebildet,
daß sie
einander in axialer Richtung nicht überlappen.
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5c und 5d zeigen
Abwandlungen der Ausführung
der 5a, bei denen die Polschuhe einander vollständig bzw.
teilweise in axialer Richtung überlappen.
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6 zeigt
eine schematische, auseinandergezogene Darstellung der Rotoranordnung
gemäß einer
Ausführung
der Erfindung. Die Rotoranordnung umfaßt eine Anzahl von Rotorpolen 34, 36, die
nach Art von Klauenpolen ausgebildet und derart miteinander verbunden
sind, daß sie
einen ringförmigen
Rotorkörper
bilden, der sich aus zwei Hälften 38', 38'' zusammensetzt. Die einzelnen Rotorpole 34, 36 sind über keilförmige Verbindungsabschnitte 40 miteinander
verbunden. In dem Raum zwischen den Klauen der Rotorkörper-Hälften 38', 38'' ist ein unipolarer Ringmagnet 42 eingefügt, der
auf der eine Seite, welche der Rotorkörper-Hälfte 38' zugewandt ist, beispielsweise
einen S-Pol aufweist und auf der gegenüberliegenden Seite einen N-Pol
aufweist.
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Die
Rotorkörper-Hälften 38', 38'' werden über dem Ringmagneten 42 so
zusammengefügt, daß jeweils
ein S-Rotorpol 34 zwischen zwei N-Rotorpolen 36 zu
liegen kommt. Die Rotoranordnung wird insgesamt mittels einer nichtmagnetischen
Hülse (in 6 nicht
gezeigt) fixiert.
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Erfindungsgemäß werden
die Rotorpole 34, 36 durch laminiert Blechstapel
gebildet, deren Bleche in tangentialer Richtung gestapelt sind.
Dadurch kann die Führung
des Magnetflusses durch die Rotorpole optimiert werden. Die Verbindungsabschnitte 40 können aus
Kunststoff oder einem anderen nicht-magnetischen Vollmaterial bestehen,
wobei es jedoch auch möglich
ist, sie ebenfalls aus einem Blechstapel zu bilden. Die Funktion
der Verbindungsabschnitte 40 ist die mechanische Kopplung
der einzelnen Rotorpole 34 bzw. 36, sie tragen
jedoch nicht zur Flußführung bei.
Ein Rückschluß ist nicht
notwendig, da der magnetische Fluß vollständig durch die Rotorpole 34, 36 und
den Ringmagneten 42 geführt wird,
wie sich besser aus der Darstellung der 7 ergibt.
Der erfindungsgemäße Aufbau
eignet sich besonders für
große
Maschinen mit hohen Polzahlen, z.B. > 40, 60 oder 80 Pole, u.a. auch um die
Herstellung der entsprechend schweren Rotorkörper-Hälften besser handhabbar zu
machen. Es ist auch möglich,
den Rotorkörper
teilweise oder vollständig
aus Vollmaterial herzustellen.
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7 zeigt
einen Teil der erfindungsgemäßen Rotoranordnung
in Verbindung mit einem Stator, der schematisch durch einen U-förmigen Rückschluß und einen
I-förmigen
Rückschluß 46 dargestellt
ist. Solche Statoranordnungen in Transversalflußmaschinen sind grundsätzlich bekannt.
Bei der in 7 gezeigten Ausführung der
Erfindung ist jedem der Schenkel des U-förmigen
Rückschlusses 44 eine
Rotoranordnung zugeordnet, deren Rotorpole 36, 34 erfindungsgemäß nach Art
von Klauenpolen ausgebildet sind. Zur Erhöhung des Induktionsflusses
und der nutzbaren Leistung sind die Polschuhe 48 des U-förmigen Rückschlusses 44 in
axialer Richtung vergrößert.
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Ein
Vergleich der 6 und 7 zeigt,
daß in
der Ausführung
der 6 die einander gegenüberliegenden Klauenpole etwa
aneinanderstoßen, ähnlich wie
in 5b, während
die Klauenpole in 7 einander vollständig überlappen.
Bei der Anordnung gemäß 7 ist
die Überlappung
der Klauenpole zweckmäßig, um
bei der gewählten
Statorkonfiguration die volle Pollänge für die Aufnahme des Magnetflusses
zur Verfügung
zu haben. Bei der Ausführung gemäß 6,
die nicht mit U- und I-förmigen
Statorelementen verwendet wird, fließt dagegen der Fluß von einer
Klaue über
den Stator zu einer anderen Klaue. Bei starker Überlap pung könnte es
zu einem direkten Fluß zwischen
den Polklauen kommen, was unerwünscht
ist. Bei großen
Polzahlen und entsprechend engen Klauenabständen wird daher eine möglichst
geringe Überlappung
gewählt.
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8 zeigt
zur Erläuterung
der Erfindung nochmals den Aufbau eines solchen Stators aus U-förmigen Rückschlüssen 44 und I-förmigen Rückschlüssen 46,
wobei dieser Stator nicht Gegenstand der Erfindung ist.
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9 zeigt
einen Rotor, der in Verbindung beispielsweise mit dem Stator der 8 verwendet werden
kann. Dieser Rotor umfaßt
zwei Rotoranordnungen, die den beiden Schenkeln der U-förmigen Rückschlüsse 44 zugeordnet
sind. In der Darstellung der 9 ist ferner
eine Rotorhülse 50 zu
erkennen, die der Fixierung der Rotoranordnungen dient. Die Rotorhülse 50 besteht
aus nichtmagnetischem Material, um einen Kurzschluß zwischen
den Nord- und Südpolen
der Rotoranordnungen zu verhindern.
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10 zeigt
nochmals eine perspektivische Darstellung einer Innenläufer-Transversalflußmaschine
im zusammengesetzten Zustand, wobei die Rotoranordnung erfindungsgemäß aufgebaut
ist und der Stator aus U- und I-förmigen Rückschlüssen 44, 46 gebildet
ist. Eine Wicklung 52 wird von den U- und I-förmigen Rückschlüssen 44, 46 umschlossen.
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Die 11a, 11b und 11c zeigen Schnittdarstellungen durch verschiedene
Ausführungen
einer Transversalflußmaschine,
welche die erfindungsgemäße Rotoranordnung
enthält.
In der Schnittdarstellung ist jeweils der U-förmige Rückschluß 44 des Stators dargestellt,
der in einem Gehäuse 54 fixiert
ist. Den beiden Schenkel des U-förmigen
Rückschlusses 44 ist
jeweils eine Rotoranordnung gemäß der Erfindung
zugeordnet, die auf einer Rotorhülse 50 gehalten
sind. Die Rotoranordnungen der 11a, 11c und 11c sind
weitgehend identisch. Die Statoren unterscheiden sich insbesondere
in bezug auf die Ausbildung der Polschuhe 48 an den freien
Enden der beiden Schenkel des U-förmigen Rückschlusses 44. Diese
Polschuhe können beidseitig
oder einseitig verbreitert sein, wobei der U-förmige Rückschluß 44 in den Ausführungen
der 11b und 11c zweiteilig
aufgebaut sein kann, um die Wicklung 52 einfacher einzubringen.
Denkbar ist eine Verbindung von zwei Abschnitten des U-förmigen Rückschlusses 44 mittels
Schrauben, Nieten oder Bolzen, eine Verzahnung und/oder Preßverbindung
mit einer Klammervorrichtung, oder eine andere geeignete Verbindung.
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In
der gezeigten Ausführung
ist die axiale Länge
der Polschuhe 38 geringer als die entsprechende Abmessung
der Klauen des Rotors, um das magnetische Material des Ringmagneten 42 optimal auszunutzen
und eine ausreichende Flußdichte
vorzusehen. Die axiale Erstreckung der Polschuhe könnte jedoch
auch geringfügig
größer sein
als die entsprechende Abmessung der Rotoranordnung.
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12 schließlich zeigt
in auseinandergezogener, perspektivischer Darstellung die Kombination der
erfindungsgemäßen Statoranordnung
mit der erfindungsgemäße Rotoranordnung
zum Aufbau einer Phase einer Transversalflußmaschine. 13 zeigt eine
entsprechende perspektivische Darstellung einer dreiphasigen Transversalflußmaschine
im zusammengesetzten Zustand. Dieselben Komponenten sind mit denselben
Bezugzeichen gekennzeichnet wie in den vorhergehenden Ausführungen
und hier nicht nochmals im einzelnen beschrieben. Die Kombination
der erfindungsgemäßen Rotoranordnung
und der erfindungsgemäßen Statoranordnung in
einer Transversalflußmaschine
hat den Vorteil, daß Aufbau
von Rotor und Stator einfacher sind als bei vergleichbaren Transversalflußmaschinen
mit hoher Polzahl. Durch die erfindungsgemäße Wahl der Laminationsrichtungen
der Statorpole bzw. der Rotorpole kann die Führung des Magnetflusses optimiert werden.
Das Klauenpoldesign von Stator und Rotor ermöglicht einer Erhöhung der
Energiedichte der Transversalflußmaschine. Die unipolare Ausgestaltung
des Ringmagneten des Rotors erlaubt eine ökonomische Nutzung des Magnetmaterials.
Die Verwendung von laminierten Klauenpolen reduziert magnetische
Verluste aufgrund von Pulsation.
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14 zeigt
eine Schnittdarstellung durch die Transversalflußmaschine der 13,
wobei die Statoranordnung in dem Gehäuse 30 in der Maschine
gehalten ist und die Rotoranordnung auf einer Rotorhülse 50 aufgenommen
ist.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
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- 10
- Statorrückschluß
- 12,
14
- Statorpole
- 16
- Ausnehmungen
- 18
- Fortsätze
- 20
- Wicklung
- 22
- Rotorrückschluß
- 24
- Permanentmagnetring
- 26
- Welle
- 28
- Polschuhe
- 30
- Gehäuse
- 32
- Statorhülse
- 34,
36
- Rotorpole
- 38', 38''
- Rotorkörper-Hälften
- 40
- Verbindungsabschnitte
- 42
- Ringmagnet
- 44
- U-förmiger Rückschluß
- 46
- I-förmiger Rückschluß
- 48
- Polschuhe
- 50
- Rotorhülse
- 52
- Wicklung
- 54
- Gehäuse
- M
- Magnetfluß
- S
- Stromfluß
- R
- Rotationsachse