DE102007013732B4

DE102007013732B4 - Trägheitsarmer Direktantrieb hoher Leistungsdichte

Info

Publication number: DE102007013732B4
Application number: DE102007013732A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Compound Disk Drives De GmbH
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: DE102007013732A1

Abstract

Direktantrieb axial kurzer Baulänge mit einem Permanentmagnete tragenden eisenlosen Rotor, welcher in zwei konzentrischen Ringen (7) angeordnete Permanentmagnete (2) trägt, die in jedem der konzentrischen Ringe (7) so orientiert sind, dass die Verbindungslinie ihrer magnetischen Nord- und Südpole in Umfangsrichtung zeigt und benachbarte Permanentmagnete (2) sich jeweils abstoßen, wobei ringförmige Statorklötze (1) aus einem in Formen gepressten, weichmagnetischen Verbundwerkstoff beidseitig axial neben dem Rotor angeordnet sind, die jeweils zwei konzentrisch ineinander liegende, zum Rotor hin radial genutete Grenzflächen (5) aufweisen, zwischen denen ein Winkelversatz der Nutung besteht und die radial durch eine umlaufende Nut mit einer darin versenkten ringförmigen Statorwicklung (4) getrennt sind.

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, 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 gute Kühlungsmöglichkeiten 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”) bekannt. Sie hat u. a. die folgenden, wesentlichen Nachteile:

• 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”) bekannt.
Leider weisen diese Bauformen – neben einer komplizierten, vielteiligen Konstruktion – andere wesentliche Nachteile 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.
• 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 Nachteile der Ringwicklung zu vermeiden, sind auch Transversalflussmaschinen mit verteilter Wicklung angegeben worden. Eine entsprechende Ausführung ist aus der Patentschrift DE 10 2004 006 890 A1 („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 A1 ), der sich in der Zahl der benötigten Wechselrichter und in hohen Anforderungen bezüglich deren Schaltfrequenz und Spannungsreserve zeigt. Die genannten Nachteile 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, Gewicht und hoher Leistungsdichte zu ermöglichen. 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, die sich vorzugsweise aus in Formen gepressten Verbundwerkstoffen herstellen lassen.
• Minimierung mechanischer Schwingungsanregungen, die durch pulsierende, axiale und radiale Kraftkomponenten zwischen Rotor und Stator entstehen und unerwünschte Geräuschemissionen und Lagerbelastungen verursachen.
• Möglichkeiten zur Reduktion von Streufeldern, 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 optimierte Transversalflussmaschinen bei geringerem Gewicht erreicht.

Gemäß der Erfindung werden die oben genannten Ziele dadurch erreicht, dass der Rotor und Stator entsprechend Anspruch 1 gestaltet wird. Vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten sind in den weiteren Ansprüchen aufgeführt. 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 Anordnung liegt u. a. darin, dass die betragsmäßig großen Fliehkräfte bei drehendem Rotor direkt von dem 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. Dieses 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 faserverstärktes Kunststoffteil bilden, in welches während dessen Herstellung die Permanentmagnete 2 integral eingefügt werden. Auf diese Weise kann eine zusätzliche Klebung der Permanentmagnete 2 entbehrlich werden. Des weiteren sind die Oberflächen der Permanentmagnete 2 gut vor Korrosion geschützt.
Gemäß der Erfindung werden nun einer 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 durch eine Verklebung, eine Verzahnung oder eine Verschraubung 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.
2 zeigt, beispielhaft für den unteren Permanentmagnet 2, eine Aufteilung in Umfangsrichtung, die einfach realisierbar und wirkungsvoll ist. Weder die magnetischen Eigenschaften noch die mechanische Befestigung oder die Fliehkraftbeanspruchung werden dadurch nennenswert ungünstiger.
Um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen, sind Rotor und Stator des Direktantriebes gemäß Anspruch 1 zu gestalten. Als vorteilhaft hervorzuheben sind insbesondere die einfach geformten Statorklötze 1, die fertigungstechnisch vorteilhaft in Formen gepresst werden können. Die 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, wie dies beispielsweise in der DE 693 09 444 T2 angeregt wird, mit erheblichen Drehmomenteinbußen verbunden.
Die Statorwicklung 4 selbst ist so einfach gestaltet, dass eine Ausführung mit direkter Leiterkühlung technisch gut realisierbar wird. 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 noch beispielhaft erläutert.
Die vorliegende Erfindung gibt vorteilhafte Weiterentwicklungen und wesentliche Verbesserungen zu dem trägheitsarmen Direktantrieb nach der nicht vorveröffentlichten DE 10 2006 036 707 B3 an. Eine wesentliche neue Maßnahme zur Erzielung dieser Verbesserungen stellt – ausgehend von der Rotorausführung nach DE 10 2006 036 707 B3 – die angeführte, aufgeteilte Anordnung der Permanentmagnete 2 des Rotors in zwei (oder mehrere) konzentrische Ringe 7 dar. Diese Maßnahme ermöglicht insbesondere erheblich vorteilhaftere Ausführungen der Statorklötze 1, weil der magnetische Fluss nun erfindungsgemäß im Verbundmaterial der Statorklötze 1 in radialer Richtung zwischen den konzentrischen Ringen 7 geführt werden kann. Dadurch werden folgende Vorteile erzielt:

• Der geometrische Weg des magnetischen Flusses wird kürzer (engl: „short flux path”), was höhere. Drehmomente und/oder Wirkungsgrade ermöglicht.
• Die Statorklötze 1 können axial geteilt werden, da der magnetische Fluss nicht mehr innerhalb der Statorklötze 1 von einer Seite des Trägerringes 3 des Rotors zur anderen geführt werden muss.
• Als Folge der beiden vorgenannten Punkte sinkt auch das Volumen und Gewicht der Statorklötze 1.
• Der verfügbare Raum für die Statorwicklungen 4 und das Einfügen (Montage) der Statorwicklungen 4 sind günstiger gestaltbar.
• Die Statorklötze 1 müssen nicht mehr sektorförmig sein, sondern können auch den vollen Umfang des Rotors – in Form eines Ringes – überdecken. Die Montierbarkeit und Demontierbarkeit ist (in axialer Richtung) immer gewährleistet.
• Die Statorklötze 1 sind aufgrund ihrer vereinfachten Form einfacher in Pressformen herstellbar.

Weitere Erläuterungen erfolgen an Hand der folgenden Bilder:
Es stellen dar:
1: Einer der Trägerringe 3 des Rotors in Draufsicht, der mit Permanentmagneten 2 bestückt ist. Dieser besteht aus amagnetischem Material – vorzugsweise faserverstärktem Kunststoff. Die Dicke, senkrecht zur Zeichenebene, ist an die Dicke der Permanentmagnete 2 angepasst. Zur weiteren Optimierung der Flussführung der Permanentmagnete können die Zwischenräume in Umfangsrichtung des Rotors mit einem weichmagnetischen Pulverwerkstoff gefüllt sein. Dieser wird vorteilhafterweise während der Herstellung der Trägerringe 3 in das Verbundmaterial eingebracht. Dieses Vorgehen ist u. a. bei einer „Naß in Naß” – Fertigung mit faserverstärkten Kunststoffen in geeigneten Pressformen möglich.
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; Darstellung analog 1.
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.
3: Ein mit Permanentmagneten 2 bestückter Trägerring 3; Darstellung analog 1.
Die benachbarten konzentrischen Ringe 7 weisen einen Winkelversatz der Permanentmagnete 2 gegeneinander auf.
4: Einen Schnitt durch den Außenbereich einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Direktantriebes (Blickrichtung senkrecht zur Drehachse des Antriebes).
Die Statorklötze (1) können den vollen Umfang des Rotors überstreichen und somit die Form eines kreisförmigen Ringes aufweisen. Sie können jedoch – wie in DE 10 2006 036 707 B3 – auch sektorförmig sein.
Die links – und rechtsseitigen Statorklötze 1 sind mechanisch zu verbinden, beispielsweise mit einem zylindrischen Rohr aus amagnetischem Material. Gemäß der Erfindung liegen radial im Raum zwischen den konzentrischen Ringen 7 die Statorwicklungen 4. Diese können in bekannter Form als Ringwicklung ausgeführt sein.
Durch die erfindungsgemäße Form der Statorklötze 1 ist es vorteilhaft möglich in den äußeren Randbereichen der Statorklötze 1 weitere Statorwicklungen 4a unterzubringen, da diese Bereiche für den magnetischen Fluss dort nicht benötigt werden. Dies kann beispielsweise genutzt werden um mit weiteren gegensinnig bestromten Wicklungen das große äußere Streufeld der inneren Ringwicklungen zu kompensieren. Zu diesem Zweck können diese weiteren Statorwicklungen 4a ebenfalls als Ringwicklungen ausgeführt und mit den Statorwicklungen 4 gegensinnig in Reihe geschaltet werden.
5: Analog 4; zwecks besserer Erläuterung sind die Bereiche der radial genuteten Grenzflächen 5 der Statorklötze 1 schwarz gekennzeichnet. Das Teilungsmaß der Nutung ist an das des Rotors angepasst – wie in DE 10 2006 036 707 B3 dargestellt. Die Nutungen des äußeren und inneren Ringes können mit einem Winkelversatz gegeneinander ausgeführt werden. Ein solcher Winkelversatz kann beispielsweise zur weiteren Vergleichmäßigung des Drehmomentes beitragen.
6: Eine Ansicht auf die radial genutete Seite eines Statorklotzes 1.
Die senkrecht zur Zeichenebene tiefer gelegenen, genuteten Bereiche sind grau dargestellt – die relativ dazu höheren Polflächen sind weiß dargestellt.
Die Statorwicklung 4 mit den Anschlussklemmen A1, A2 ist – vorzugsweise als Ringwicklung – zwischen den konzentrischen Ringen 7 in einer umlaufenden Nut verlegt. Beispielhaft dargestellt ist eine Windungszahl von Eins – höhere Windungszahlen sind in bekannter Form ebenfalls ausführbar.
Die erfindungsgemäßen Direktantriebe sind axial extrem kurz, so dass es sich anbietet mehrsträngige Ausführungen durch axiales Anreihen mehrer einsträngiger Anordnungen zu realisieren. Dieses Vorgehen ist von anderen elektrischen Maschinen (Transversalflussmaschinen, Reluktanzmaschinen, u. a.) allgemein bekannt.
Alternativ ist es – wie in DE 10 2006 036 707 B3 angegeben – auch möglich mehrere sektorförmige Statorklötze 1 mit jeweils eigenen Statorwicklungen 4 und weiteren Statorwicklungen 4a am Umfang eines Rotors anzuordnen und letztere mit phasenverschobenen Strömen zu speisen.

Claims

Direktantrieb axial kurzer Baulänge mit einem Permanentmagnete tragenden eisenlosen Rotor, welcher in zwei konzentrischen Ringen (7) angeordnete Permanentmagnete (2) trägt, die in jedem der konzentrischen Ringe (7) so orientiert sind, dass die Verbindungslinie ihrer magnetischen Nord- und Südpole in Umfangsrichtung zeigt und benachbarte Permanentmagnete (2) sich jeweils abstoßen, wobei ringförmige Statorklötze (1) aus einem in Formen gepressten, weichmagnetischen Verbundwerkstoff beidseitig axial neben dem Rotor angeordnet sind, die jeweils zwei konzentrisch ineinander liegende, zum Rotor hin radial genutete Grenzflächen (5) aufweisen, zwischen denen ein Winkelversatz der Nutung besteht und die radial durch eine umlaufende Nut mit einer darin versenkten ringförmigen Statorwicklung (4) getrennt sind.
Direktantrieb nach Anspruch 1, wobei die Zwischenräume zwischen den Permanentmagneten (2) des Rotors in jedem der konzentrischen Ringe (7) in Umfangsrichtung teilweise oder weitgehend vollständig mit einem weichmagnetischen Pulvermaterial gefüllt sind, welches während der Herstellung der Trägerringe (3) eingefügt wird.
Direktantrieb nach Anspruch 1 und 2, wobei zusätzlich zu den Statorwicklungen (4) weitere Statorwicklungen (4a) im Außenbereich der Statorklötze (1) angeordnet sind.