DE102006036707B3

DE102006036707B3 - Trägheitsarmer Direktantrieb

Info

Publication number: DE102006036707B3
Application number: DE200610036707
Authority: DE
Inventors: Rainer Marquardt
Original assignee: Individual
Current assignee: Compound Disk Drives De GmbH
Priority date: 2006-08-05
Filing date: 2006-08-05
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-08-06

Abstract

Die Erfindung ermöglicht leistungselektronisch gespeiste elektrische Direktantriebe, die ein extrem niedriges Trägheitsmoment und Gewicht aufweisen sowie hohe Anforderungen bezüglich minimaler Drehmomentpulsationen erfüllen. Kennzeichnend sind unter anderem die vorteilhafte Fertigungsmöglichkeit aus in Formen gepressten Verbundwerkstoffen und die günstigen Voraussetzungen für direkt innenleitergekühlte Ausführungen.

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Antriebe, die bei äußerst geringem Trägheitsmoment und kurzer, axialer Baulänge hohe spezifische Drehmomente ermöglichen, sowie hohe Anforderungen an die Gleichförmigkeit des Drehmomentes erfüllen. Derartige Anforderungen treten u.a. bei Werkzeugmaschinen im oberen Leistungsbereich und bei Radnabenmotoren auf. Für letztere sind zusätzlich die axial kurze Bauform und minimale Geräuschemissionen von großer Bedeutung.
Stand der Technik:
Unter Berücksichtigung des Standes der Technik kann die Forderung nach hohem spezifischem Drehmoment am besten von permanenterregten Maschinen erfüllt werden. Entsprechende Maschinen sind entweder als polyphasige, permanenterregte Synchronmaschinen oder als Transversalflussmaschinen ausgeführt, weil diese kleine Polteilungen und hohe Kraftdichten ermöglichen. Die erstgenannte Bauform ist u.a. aus DE 10 2004 045 939 A1 , („Permanenterregte Synchronmaschine mit Unterdrückungsmitteln zur. Verbesserung der Drehmomentwelligkeit") und aus DE 103 04 030 A1 („Elektromotorischer Antrieb") bekannt. Letzterer weist sektorförmige Statorteile auf. Diese Ausführungen haben u.a. die folgenden ungünstigen Charakteristiken:

• Der Rotor benötigt zwecks Bildung eines magnetischen Rückschlusses erhebliche Mengen Weicheisenmaterial, die das Trägheitsmoment und das Gewicht erhöhen.
• Die Statorpole tragen jeweils einzelne Polspulen zur elektrischen Erregung. Dies führt bei den für hohe Kraftdichten notwendigen, hochpoligen Ausführungen zu hohem Wicklungsaufwand und hohen Kupferverlustleistungen im Stator.

Die zweitgenannte Bauform ist bezüglich dieses Punktes wesentlich günstiger, weil die Statorwicklung als einfache Ringwicklung ausgeführt werden kann und extrem hochpolige Ausführungen besser realisierbar sind.
Bauformen von Transversalflussmaschinen sind u.a. aus DE 101 10 719 A1 („Transversalflussmaschine mit mehreren einsträngigen Erregerteilen") und DE 198 48 123 C1 („Transversalflussmaschine mit Rotor-Sammler") und aus DE 3536 538 A1 („Transversalflussmaschine mit Permanenterregung") bekannt. Letzterer weist einzelne C-förmige Statorteile – am Umfang verteilt – auf. Eine geometrisch ähnliche Bauform, allerdings nach dem Reluktanzprinzip, ist aus US 3005 118 („Electric Motors") bekannt.
Eine weitere Bauform einer Transversalflussmaschine ist aus DE 102 40 704 B4 („Hochpolige, mehrphasige Wechselstrommaschine mit transversaler Flussführung") bekannt. Die Permanentmagnete sind hier dem Stator zugeordnet. Der Rotor besteht aus mehreren, einstückigen Ferritkernschalen.
Leider weisen diese Bauformen – neben einer komplizierten, vielteiligen Konstruktion – weitere problematische Eigenschaften auf:

• Die einfach realisierbare Ringwicklung erzeugt ein ausgeprägtes Streufeld, welches unerwünschte Verluste in benachbarten, metallischen Konstruktionsteilen hervorruft. Dies ist in beengten Einbausituationen ein schwerwiegendes Problem.
• Die Ringwicklung ermöglicht prinzipbedingt nur eine einsträngige Maschine mit hoher Momentenpulsation, so dass i.a. mehrere solcher Maschinen (phasenversetzt gespeist) in axialer Reihung auf einer Welle angeordnet werden müssen. Dadurch entstehen ein axial großer Raumbedarf und unerwünschte Torsionsschwingungen der Welle.
• Der Rotor benötigt zur Feldführung und Feldkonzentration („Rotor-Sammler") erhebliche Mengen Weicheisenmaterial zusätzlich zu den Permanentmagneten, wodurch das Trägheitsmoment und das Gewicht ungünstigerweise zunehmen.
• Die Gleichförmigkeit der erzeugten Vortriebskraft ist unbefriedigend, so dass zwecks Verminderung von Drehmomentpulsationen eine hohe Strangzahl (i.a. größer 3) und/oder eine elektronische, rotorwinkelabhängige Steuerung der Strangströme notwendig wird. Beide Maßnahmen haben einen ungünstigen Einfluss auf den technischen Aufwand für die zugehörige Leistungselektronik und den erzielbaren Wirkungsgrad. Diesbezüglich wünschenswert ist eine Anordnung, die bereits prinzipbedingt pro Strang in einem sehr weiten Rotorwinkelbereich ein hohes, weitgehend konstantes Nutzmoment liefert.

Um die Probleme der Ringwicklung zu vermeiden, sind auch Transversal flussmaschinen mit verteilter Wicklung angegeben worden. Eine entsprechende Ausführung ist aus der Patentschrift DE 10 2004 006 890 B3 („Mehrsträngige Transversalflussmaschine mit verteilter Wicklung") bekannt.
Die Polteilung der mehrsträngigen Wicklung lässt sich hier um ein Vielfaches größer als die durch die Permanentmagnete des Rotors vorgegebene Teilung wählen, so dass ein größerer Wicklungsquerschnitt – verglichen mit einer polyphasigen Synchronmaschine gleicher Polteilung verfügbar ist. Nachteilig ist hingegen der hohe Aufwand für die zugehörige Leistungselektronik (siehe 5 in DE 10 2004 006 890 B3 , der sich in der Zahl der benötigten Wechselrichter und in hohen Anforderungen bezüglich deren Schaltfrequenz und Spannungsreserve zeigt. Die genannten ungünstigen Punkte bzgl. mechanischer Konstruktion/Fertigung und des hohen Trägheitsmomentes des Rotors bleiben bestehen.
Ziel der Erfindung ist es, einen einfach zu fertigenden, axial kurzen Direktantrieb mit extrem geringem Trägheitsmoment und Gewicht zu ermöglichen. Die einfache Fertigung schließt die Einsetzbarkeit von in Formen preßbarem, weichmagnetischem Verbundmaterial ein. Die Nachteile der bekannten Ausführungen sollen vermieden werden, so dass als weitere Ziele der Erfindung zu nennen sind:

• Einfache Konstruktion mit einer minimalen Anzahl von Teilen – insbesondere ohne mechanisch mit pulsierenden Kräften belastete Fügestellen.
• Minimierung mechanischer Schwingungsanregungen, die durch pulsierende, axiale und radiale Kraftkomponenten zwischen Rotor und Stator entstehen und unerwünschte Geräuschemissionen und Lagerbelastungen verursachen.
• Vermeidung starker Streufelder, die unerwünschte Verluste in benachbarten, metallischen Konstruktionsteilen hervorrufen.
• Weitgehend gleichmäßige Vortriebskraft ohne die Notwendigkeit der rotorwinkelabhängigen Strangstromsteuerung oder hoher Strangzahlen/Phasenzahlen welche den Aufwand für die Leistungselektronik erhöhen – d.h.: Phasenzahlen ab zwei sollen sinnvoll realisierbar sein.
• Hohe Kraftdichte, die ähnlich hohe Werte wie Transversalflussmaschinen mit Ringwicklung erreicht.

Gemäß der Erfindung werden die oben genannten Ziele dadurch erreicht, dass der Stator entsprechend Anspruch 1 gestaltet wird. Die beiden letztgenannten Punkte lassen sich in Kombination mit einem permanentmagnetischen Rotor erzielen, der entsprechend Anspruch 2 bzw. 8 gestaltet wird.
Zwecks einfacherer Erläuterung der Erfindung seien zunächst die möglichen Ausgestaltungen der Rotoren angeführt:
1 zeigt einen Trägerring 3 aus amagnetischem Material – vorzugsweise faserverstärkter Kunststoff – mit Ausschnitten zum Einsetzen der Permanentmagnete 2. Die Dicke des Trägerringes, senkrecht zur Zeichenebene, ist an die Dicke der Permanentmagnete 2 angepasst. Die Befestigung der Permanentmagnete 2 kann z.B. durch eine Klebung erfolgen. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen liegt u.a. darin, dass die betragsmäßig großen Fliehkräfte bei drehendem Rotor direkt vom Trägerring 3 aufgenommen werden können und somit nicht durch zusätzliche Bandagen beherrscht werden müssen. Solche Bandagen sind z.B. von konventionellen, permanenterregten Maschinen mit Oberflächenmagneten bekannt und in der Serienfertigung problematisch.
Die Trägerringe 3 können zusätzlich beidseitig mit dünnen Deckscheiben 9 aus amagnetischem Material abgedeckt werden. Diese Material kann z.B. ein Kunststoff mit guter Gleitfähigkeit der Oberfläche sein. In den erfindungsgemäßen Anordnungen ist diese Maßnahme einfach und sinnvoll durchführbar. Sie bietet u.a. den Vorteil, dass bei gelegentlich auftretenden harten mechanischen Schockbeanspruchungen des Antriebes Beschädigungen durch Anstreifen des Rotors am Stator vermieden werden können.
Es ist weiterhin möglich, dass die Trägerringe 3 und die Deckscheibe 9 konstruktiv ein Kunststoffteil bilden, so dass dieses Teil taschenförmige Hohlräume aufweist in welche die Permanentmagnete radial von innen gesteckt werden. Auf diese Weise kann eine zusätzliche Klebung der Permanentmagnete 2 entbehrlich werden, weil – unter der Voraussetzung einer engen Passung- die Permanentmagnete 2 durch die Fliehkräfte positioniert werden.
Gemäß der Erfindung werden nun zwei oder mehrere dieser mit Permanentmagneten 2 bestückten Trägerringe 3 in einem frei wählbaren axialen Abstand in eine mechanische Rotorkonstruktion eingesetzt. Diese Rotorkonstruktion und die verwendeten Materialien können frei nach den konstruktiven Erfordernissen gewählt werden, da bei den erfindungsgemäßen Anordnungen keine nennenswerten Streufelder außerhalb der Trägerringe 3 und Statorklötze 1 auftreten.
Die Trägerringe 3 sind erfindungsgemäß im wesentlichen nur den Umfangskräften ausgesetzt, die zur Übertragung des Drehmomentes auf die mechanische Rotorkonstruktion auftreten. Die Umfangskräfte können beispielsweise nicht nur durch eine Verklebung sondern vorteilhafterweise auch durch eine Verzahnung der Trägerringe 3 übertragen werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht darin, dass die Permanentmagnete 2 – zwecks Minimierung parasitärer Verluste und resultierender, störender Erwärmung der Permanentmagnete 2 – problemlos segmentiert oder aufgeteilt werden können (siehe Anspruch 7). 2 zeigt, beispielhaft für den unteren Permanentmagnet 2, eine Aufteilung in radialer Richtung, die einfach realisierbar und wirkungsvoll ist. Weder die magnetischen Eigenschaften noch die mechanische Befestigung oder die Fliehkraftbeanspruchung werden dadurch nennenswert ungünstiger.
Alternativ ist eine Rotorversion (siehe Anspruch 3) ohne Permanentmagnete 2 möglich, die zu einem reinen Reluktanzantriebsprinzip führt. Die Permanentmagnete 2 werden dann durch weichmagnetische Teile 13 ersetzt. Das Reluktanzprinzip führt zu einer geringeren Kraftdichte, hat jedoch für Sonderanwendungen betriebliche Vorteile – wie allgemein aus der Literatur bekannt ist.
Um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen, ist der Stator des Direktantriebes gemäß Anspruch 1 zu gestalten. Als vorteilhaft hervorzuheben sind insbesondere die mechanisch einteiligen Statorklötze 1, die ohne jegliche Fügestellen auskommen. Dadurch werden Probleme der mechanischen Festigkeit der Konstruktion und potentiell auch Geräuschprobleme vermieden. Die einteilige Ausführung unter Verwendung von weichmagnetischem Verbundmaterial – welches bekanntlich nur eine geringe Permeabilität aufweist – wird in entscheidendem Maße durch die erfindungsgemäß kurze und günstige Flussführung ermöglicht. Ohne diese Voraussetzung wäre der Einsatz von Verbundmaterial an Stelle von üblichen Eisenblechen mit erheblichen Drehmomenteinbußen verbunden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Statorklötze 1 müssen diese als externe Kraftkomponente nur die zu nutzende Umfangskraft übertragen.
Prinzipbedingte und unerwünschte Kraftkomponenten in axialer oder radialer Richtung treten nicht in nennenswerter Größe auf.
Dieser Vorteil ermöglicht eine leichte und gewichtssparende mechanische Befestigung der Statorklötze 1 sowie ihre freizügige, räumliche Anordnung. Es sind Statorklötze 1 mit beliebig kurzer Umfangslänge einsetzbar, die nur einen geringen Winkelbereich des Rotors überdecken.
Weiterhin ist es nicht zwingend pro Strang mindestens zwei diametral gegenüberliegende Statorklötze 1 einzusetzen – eine derartige Aufteilung der Statorklötze 1 hat jedoch den Vorzug geringster Lagerbelastung, da symmetrische Kräftepaare gebildet werden. Des weiteren sind erfindungsgemäße Ausführungen mit innenliegendem Stator oder außenliegendem Stator möglich. Lediglich die Krümmung der Statorklötze 1 in Umfangsrichtung ist sinngemäß der Innen- oder Außenkontur des Rotors anzupassen. 4 zeigt beispielhaft eine Version der Statorklötze 1 für innenliegenden Stator.
Die Statorwicklung 4 selbst ist erfindungsgemäß so einfach gestaltet, dass eine Ausführung mit direkter Leiterkühlung technisch gut realisierbar wird (siehe Anspruch 5). Diese Möglichkeit ist äußerst vorteilhaft, weil die Statorwicklung 4 der erfindungsgemäßen Direktantriebe i.a. die einzige Komponente ist, die bei hoher Ausnutzung eine forcierte Kühlung benötigt. Weitere Erläuterungen zur Gestaltung der Statorwicklungen 4 werden im folgenden am Beispiel der zweiphasigen Ausführung (12, 13) gegeben.
Weitere Erläuterungen erfolgen an Hand der folgenden Bilder: Es stellen dar:
1: Einen der Trägerringe 3 des Rotors in Draufsicht. Dieser besteht aus amagnetischem Material - vorzugsweise faserverstärktem Kunststoff. Die Dicke, senkrecht zur Zeichenebene, ist an die Dicke der Permanentmagnete 2 angepasst. Der radial außenliegende Randbereich des Trägerringes 3 ist in seiner Stärke den auftretenden Fliehkräften angepasst. Dieser oder der andere Randbereich kann zusätzlich verbreitert, verstärkt und/oder mit einer Verzahnung versehen sein, um die zu übertragenden Drehmomente/Umfangskräfte aufzunehmen.
Die Trägerringe 3 können des weiteren mit Deckscheiben 9 versehen sein, die als zusätzliche Teile oder als integraler Bestandteil der Trägerringe 3 ausgeführt sind. Letzteres kann Vorteile bzgl. möglicher Beschädigungen der Permanentmagnete 2 oder bzgl. deren Befestigung bieten.
2: Ein mit Permanentmagneten 2 bestückter Trägerring 3. Der unterste Permanentmagnet ist beispielhaft in einzelne Teilmagnete aufgeteilt. Eine derartige Aufteilung der Permanentmagnete ist bei den erfindungsgemäßen Anordnungen ohne nennenswerte Nachteile durchführbar und bietet u.a. den Vorteil reduzierter Verlustleistung und Erwärmung der Permanentmagnete 2 (siehe Anspruch 7).
Die Permanentmagnete können alternativ auch durch geometrisch ähnliche Teile aus weichmagnetischem Material 13 ersetzt werden (siehe Anspruch 3).
3: Eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Statorklotzes 1. Die sichtbaren Kanten der vier radial genuteten Grenzflächen 5 sind schematisch in Schwarz hervorgehoben. Der Statorklotz 1 ist vorzugsweise einteilig aus einem in Formen preßbaren, weichmagnetischem Verbundwerkstoff hergestellt.
4: Eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Statorklotzes 1 mit detaillierter Ansicht auf die umlaufenden Einschnitte 7 und die genuteten Grenzflächen 5 mit den radial ausgerichteten Nuten 6. Der Abstand der Nuten gegeneinander innerhalb der selben Grenzfläche entspricht einem Teilungsmaß (c), welches hier Polteilung genannt wird (siehe auch 18). Dieses Teilungsmaß ist auf allen Grenzflächen gleich. Dieses Maß wäre – streng genommen in Form eines Winkelmaßes anzugeben – der einfacheren Erläuterung halber, wird jedoch im folgenden die in der Literatur übliche lineare Abwicklung verwendet.
Für die technische Ausführung der Statorklötze 1 sind sowohl rechteckige, „lineare" Nuten als auch sektorförmige, „winkeltreue" Nuten zulässig.
Für gewichtsoptimierte Ausführungen sind – infolge der geringen radialen Ausdehnung der Statorklötze 1 – diese Unterschiede nicht von wesentlicher Bedeutung.
Die kreisbogenförmige Krümmung des Statorklotzes 1 ist an die des Rotors angepasst. In 4 ist sie dargestellt für den Fall, dass die Statorklötze radial von innen über die Trägerringe 3 geschoben werden sollen. Eine gegenläufige Ausführung der Krümmung erlaubt es die Statorklötze 1 radial von außen über die Trägerringe 3, zu schieben.
5: Ein Querschnitt eines Statorklotzes 1 mit Blick in Umfangsrichtung – mit zusätzlicher Darstellung des Querschnittes der Statorwicklung 4. Der realisierbare Querschnitt ist hier durch die Breite der Einschnitte 7 eingeengt.
6: Wie 5, jedoch mit größerem Querschnitt der Statorwicklung 4.
Diese Variante hat keine nennenswerten Nachteile bzgl. der Güte der magnetischen Dimensionierung. Sie erfordert jedoch eine Vergrößerung der Statorklötze 1 in axialer Richtung, so dass das Gewicht der Statorklötze 1 geringfügig ansteigt.
7: Wie 6, jedoch zusätzlich mit radialer Vergrößerung der Statorklötze 1. Bezüglich der Vor- und Nachteile gelten sinngemäß die Anmerkungen zu 6.
8 bis 11 zeigen beispielhaft in schematischer Form mögliche Anordnungen der Statorklötze 1 relativ zum Rotor in Draufsicht. Die gestrichelte Linie auf den Statorklötzen 1 kennzeichnet jeweils die nicht sichtbare Kante der Einschnitte 7 der Statorklötze. In Nähe dieser Kante befindet sich jeweils die Statorwicklung 4.
Diese Kennzeichnung dient hier nur zur Vereinfachung der folgenden Erläuterungen und insbesondere zur Unterscheidung von radial innen und radial außenliegenden Statorklötzen. Bei allen folgenden Ausführungsformen können die elektrischen Anschlüsse der Statorwicklung 4 in den freien Winkelbereichen zwischen den Statorklötzen 1 herausgeführt werden. In diesem Freiraum kann auch die elektrische Verbindung der Leiter mit positiver Stromrichtung und der Leiter mit negativer Stromrichtung durchgeführt werden – siehe Anspruch 1. Dies ist jedoch nicht zwingend, da dies auch außerhalb dieses Raumes erfolgen kann. Letzteres kann insbesondere bei einer Ausführung der Statorwicklung 1 nach Anspruch 5 vorteilhaft sein. Die Größe des freien Winkelbereiches zwischen den Statorklötzen 1 ist frei wählbar – große Freiräume ergeben jedoch Einbußen bzgl. des maximal erreichbaren Drehmomentes.
Es zeigen im einzelnen:
8: Eine Ausführung mit 3 Statorklötzen 1 die innenliegend angeordnet sind. Soll diese Anordnung ein möglichst konstantes Drehmoment abgeben, ist sie mit drei um jeweils 120° versetzten Strömen zu speisen und die Statorklötze sind gegeneinander um ein Drittel der Polteilung zu versetzen. Dieses Vorgehen ist allgemein bekannt – z.B. von Reluktanzmaschinen.
9: Eine Ausführung mit 3 Statorklötzen 1, die außenliegend angeordnet sind. Des weiteren gelten die gleichen Gesichtspunkte wie bei 8 erläutert.
10: Eine Ausführung mit 2 Statorklötzen 1, die außenliegend angeordnet sind. Eine solche Anordnung ließe sich zweiphasig speisen- wäre jedoch bzgl. der Lagerkräfte ungünstig, da keine symmetrischen Kräftepaare gebildet werden.
11: Eine Ausführung mit 4 Statorklötzen 1, die hier beispielhaft außenliegend angeordnet sind. Eine solche Anordnung kann bereits mit einer geringen Anzahl von Statorklötzen 1 symmetrische Kräftepaare erzeugen und somit die Lagerbelastung minimieren. Die Erfindung ermöglicht es, diese Anordnung bereits mit der minimalen Phasenzahl von 2 sinnvoll einsetzen zu können, weil die Erfindung besonders weitgehende Freiheitsgrade bietet einen gewünschten Kraftverlauf der Nutzkraft als Funktion des Umfangsweges/Drehwinkels zu erzielen (siehe auch die Erläuterungen zu 18).
Deshalb ist bereits mit einem leistungselektronischen Umformer, der nur zwei (um 90°) phasenverschobene Ströme (i_A, i_B) einspeist, ein weitestgehend konstantes Drehmoment erreichbar. Weitere Vorteile dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen bezüglich der günstigen. Ausführungsmöglichkeiten der Statorwicklungen 4.
Die folgenden Bilder (12 und 13) dienen zur Erläuterung vorteilhafter Ausführungen der Statorwicklungen 4 am Beispiel einer zweiphasig – mit den Strömen (i_A, i_B) mit 90° relativem Phasenversatz – gespeisten Maschine.
Um die zeichnerische Darstellung übersichtlicher zu gestalten, ist es notwendig die beiden umlaufenden Einschnitte 7 der Statorklötze 1 sichtbar darzustellen. Die beiden Einschnitte 7 jedes Statorklotzes liegen senkrecht zur Zeichenebene hintereinander. Zwecks besserer Übersicht sind sie deshalb in 12 und 13 radial nebeneinander und als sichtbar dargestellt.
12: Eine Ausführung der Statorwicklungen 4, die sich auch für innenleitergekühlte Leiter eignet. Es ist beispielhaft die Windungszahl Eins dargestellt – höhere Windungszahlen pro Statorklotz 1 sind als selbstverständlich bekannt und sind ebenso ausführbar. Für die vorgesehene, zweiphasige Speisung (i_A, i_B) sind in bekannter Weise die Statorklötze 1.1 und 1.3 um ein Viertel einer Polteilung gegen die Statorklötze 1.2 und 1.4 zu versetzen:
13: Eine Ausführung der Statorwicklungen 4 die sich insbesondere für innenleitergekühlte Leiter eignet (siehe Anspruch 4). Es ergibt sich bei sehr günstiger und kurzer räumlicher Leiterführung eine höhere wirksame Induktivität sowie günstige Verhältnisse bezüglich der möglichen maximalen, elektrischen Erregung eines Statorklotzes 1. Die höhere Induktivität ist bekanntlich für eine bessere Auslegung des Feldsschwächbereiches erwünscht.
Das Kühlmedium kann vorteilhaft (in zwei hydraulisch parallelen oder seriellen Kreisen) von A1 nach A2 und von B1 nach B2 innerhalb der elektrischen Leiter geführt werden (siehe Anspruch 4).
14: Ein Querschnitt durch eine beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Direktantriebes mit außenliegenden Statorklötzen 1. Die Teile 11 bzw. 12 sind beispielhaft ein rotationssymmetrisches Gehäuse 11 und eine Hohlwelle 12. Die Lagerung kann mit Wälzlagern oder Gleitlagern in bekannter Weise erfolgen.
15: Wie 14, jedoch mit innenliegenden Statorklötzen 1. Verglichen mit 14 wird hier das Teil 11 rotieren, d.h. es bildet den glockenförmigen Rotor.
16: Ausführungsbeispiel analog 14, jedoch ist zusätzlich die vorteilhafte Anordnung der Lager 10 in dem weitgehend feldfreien Raum zwischen den Einschnitten 7 dargestellt. Diese Anordnung ergibt zusätzlich eine kompakte, raumsparende Bauweise und ermöglicht geringe Luftspalte und Toleranzen durch die räumliche Nähe der Lager 10 zu den Luftspalten (siehe Anspruch 9).
17: Ausführungsbeispiel analog 15, mit der bei 16 erläuterten, vorteilhaften Anordnung der Lager 10.
18: Eine Ansicht von außen auf einen Statorklotz 1 und die Anordnung der Permanentmagnete 2, die beispielsweise sichtbar wird, wenn in 15 das mechanische Teil 11 durchsichtig ist oder entfernt würde. Diese Ansicht dient hier nur der folgenden Erläuterung der Dimensionierung/Bemessung.
Die Trägerringe 3 sind der Übersicht halber weggelassen, da sie für die elektromagnetische Funktion ohne Bedeutung sind.
Um eine hohe Kraftdichte zu erzielen, wird bekanntlich eine kleine Polteilung (hier: c) angestrebt. Diese ist erfindungsgemäß frei wählbar; z.B. durch die Geometrie der Presswerkzeuge. Es ist jedoch günstig, das Maß (c) groß gegenüber dem Luftspalt zu halten, d.h.: beispielsweise das Zehnfache des Luftspaltes. Ein besonders kleiner Luftspalt ist jedoch in Verbindung mit der Maßnahme nach Anspruch 9 gut realisierbar, so dass besonders kleine Polteilungen möglich werden.
Die Permanentmagnete 2 sind im Gegensatz zu bekannten Anordnungen mit einem deutlich größeren Quotienten von Dicke in Magnetisierungsrichtung (b) zu Breite der Polfläche (a) zu dimensionieren, i.a. ist ein Quotient (b/a) größer Eins ausführbar und vorteilhaft. Auch die Gefahr einer Entmagnetisierung ist deutlich reduziert. Eine große Breite der Nuten (größer als c/2) ist ausführbar und ergibt einen großen Quotienten der Flussdichte in Luftspaltnähe zu der Flussdichte im Volumen der Statorklötze 1. Dies Maßnahme trägt wesentlich dazu bei den Einsatz von Verbundmaterial für die Statorklötze 1 gemäß der Erfindung sinnvoll zu ermöglichen.
Entsprechend dem Stand der Technik und Wissenschaft wird eine Optimierung der Bemessung und Geometrie durch numerische Feldberechnungsverfahren/3D-Simulation erfolgen. Die Erfindung bietet besonders weitgehende Freiheitsgrade die Geometrie so zu optimieren, dass ein gewünschter Kraftverlauf als Funktion des Umfangsweges/Drehwinkels erzielt wird. Insbesondere ist eine über sehr hohe Winkelbereiche weitgehend konstante Nutzkraft erreichbar.
19: Zeigt die Anordnung analog 18, jedoch mit zusätzlicher Aufteilung der Permanentmagnete 2 entsprechend Anspruch 8. Diese Maßnahme ist geeignet einen nochmals vergrößerten Winkelbereich weitgehend konstanter Nutzkraft zu erzielen sowie den Mittelwert der Nutzkraft weiter zu steigern.

Claims

Direktantrieb axial kurzer Baulänge mit einem Permanentmagnete tragenden Rotor oder einem rein weichmagnetischen Rotor, wobei der Stator aus einem oder mehreren, aus weichmagnetischem Verbundwerkstoff gefertigten Statorklötzen (1) besteht, die die Form eines sektorförmigen Hohlzylinderteiles mit zwei in Umfangsrichtung umlaufenden Einschnitten (7) aufweisen, die in die Außenbereiche des Rotors mit ihrem Umfang eintauchen, und von welchen der eine Einschnitt einen oder mehrere elektrische Leiter mit positiver Stromrichtung und der andere Einschnitt einen oder mehrere elektrische Leiter mit negativer Stromrichtung einer Statorwicklung (4) aufnimmt und des weiteren die vier zu den Außenbereichen des Rotors weisenden Grenzflächen (5) der zwei Einschnitte (7) mit radial ausgerichteten Nuten (6) versehen sind.
Direktantrieb nach Anspruch 1, wobei der scheibenförmige, zylinderförmige oder glockenförmige Rotor radial in seinem Außenbereich zwei oder mehrere, jeweils mit einer geraden Anzahl von Permanentmagneten (2) bestückte Trägerringe (3) aus amagnetischem Material besitzt, welche in die Einschnitte (7) des Stators eintauchen, wobei die Permanentmagnete (2) in jedem der Trägerringe (3) so orientiert sind, dass die Verbindungslinie ihrer magnetischen Nord- und Südpole in Umfangsrichtung zeigt, benachbarte Permanentmagnete (2) sich jeweils abstoßen, sowie die radial ausgerichteten Nuten (6) der Statorklötze (1) auf mindestens zwei der vier Grenzflächen (5) einen Winkelversatz relativ zu der gegenüberliegenden Grenzfläche aufweisen.
Direktantrieb nach Anspruch 1, wobei der scheibenförmige, zylinderförmige oder glockenförmige Rotor radial in einem Außenbereich zwei oder mehrere mit einer Anzahl von weichmagnetischen Teilen (13) bestückte Trägerringe (3) aus amagnetischem Material besitzt, welche in die Einschnitte (7) der Statorklötze (1) eintauchen.
Direktantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zugehörige leistungselektronische Umformer zweiphasig ausgeführt ist und/oder die Statorwicklungen (4) durch die umlaufenden Einschnitte (7) aller Statorklötze (1) geführt sind.
Direktantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Statorwicklung (4) als Hohlleiter ausgeführt ist, dessen Inneres von gasförmigen oder flüssigen Kühlmitteln durchströmt wird.
Direktantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trägerringe (3) und/oder die Grenzflächen (5) des/der Statorklötze (1) durch dünne Deckscheiben (9) aus amagnetischem Material abgedeckt sind, die zusätzlich oder als integraler Bestandteil der Trägerringe (3) oder der Statorklötze (1) ausgeführt sind.
Direktantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Permanentmagnete (2) in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung und/oder in axialer Richtung Trennfugen aufweisen oder vollständig in einzelne Teilmagnete aufgeteilt sind.
Direktantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Permanentmagnete (2) in axialer Richtung in mindestens je zwei Teilmagnete aufgeteilt sind, die in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind oder die Trägerringe (3) in axialer Richtung mindestens in zwei Teilträgerringe mit zugehörigen Permanentmagneten (2) aufgeteilt sind, die in Umfangsrichtung gegeneinander winkelversetzt sind oder die Permanentmagnete (2) schräge, nicht rechtwinklige Polflächen aufweisen.
Direktantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Lagerung eingesetzte Wälzlager oder Gleitlager (10) im weitgehend feldfreien Raum axial zwischen den Einschnitten (7) der Statorklötze (1) angeordnet sind.