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Hintergrund
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Vorgestellt wird eine permanenterregte Synchronmaschine in Form einer elektrischen Maschine mit verbesserter Herstellbarkeit, höherer Effizienz und geringeren Kosten als bekannte permanenterregte Synchronmaschinen. Insbesondere geht es um eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Ständer und einem Läufer, von denen einer, zum Beispiel der Ständer, eine Spule zur Magnetfelderzeugung und der andere, zum Beispiel der Läufer, Permanentmagnet-Elemente zur Interaktion mit dem erzeugten Magnetfeld hat.
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Begriffsdefinitionen
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Unter dem Begriff ”elektrische Maschine” sind hier sowohl motorisch als auch generatorisch betriebene Maschinen verstanden, als auch Maschinen, die zwischen diesen beiden Betriebsarten wechselnd betrieben werden. Dabei ist es für die hier vorgestellte Anordnung unerheblich, ob eine solche Maschine als Innenläufermaschine oder als Außenläufermaschine ausgestaltet ist.
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Stand der Technik
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Dokument
US 2009/0001843 A1 offenbart eine elektrische Rotationsmaschine. Diese Rotationsmaschine umfasst einen Klauenpolständer, der eine Vielzahl von separaten Klauenpolpaaren und eine Ständerwicklung umfasst. Die Klauenpole eines Polpaares sind, wenn Strom durch die Ständerwicklung fließt unterschiedlich magnetisiert. Die separaten Klauenpolpaare sind durch Halteplatten aus Kunststoff fixiert.
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Dokument
DE 10 2006 027 819 A1 offenbart einen Ringspulenmotor. Dieser Ringspulenmotor weist einen Primärteil und einen Sekundärteil auf. Der Primärteil umfasst Ringspulen und Permanentmagneten. Dabei wird mittels der Ringspulen und der Permanentmagneten eine Kraft auf den Sekundärteil ausgeübt. Der Primärteil kann mehrere, axial hintereinander angeordnete Ringspulen aufweisen, die durch einen Zwischenring voneinander getrennt sind. Der Zwischenring kann aus einem magnetisch nicht leitenden Material, beispielsweise aus thermisch leitender Vergussmasse bestehen.
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Dokument
DE 10 2007 017 050 A1 offenbart einen Stator für einen Elektromotor. Dieser Stator besteht aus Mittelsegmenten und Endsegmenten. Insgesamt sind sechs Mittelsegmente und drei Spulen vorgesehen. Je zwei Mittelsegmente und eine Spule bilden eine Unterbaugruppe, so dass drei Unterbaugruppen gebildet werden können. Die drei Unterbaugruppen werden so zusammengefügt, dass sie eine ringförmige Baugruppe bilden.
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Die
DE 195 47 159 A1 zeigt eine Transversalflussmaschine mit Leiterringen, die von U-förmigen, weichmagnetischen Körpern von drei Seiten umschlossen sind, wobei ein magnetischer Kreis von weich- und/oder hartmagnetischen Teilen periodisch geschlossen wird. Diese Teile sind durch zwei, radial außerhalb der Leiterringe angeordnete Luftspalte vom jeweiligen U-förmigen, weichmagnetischen Körper getrennt. Die magnetisch aktiven Teile des Rotors oder Stators sind teilweise axial innerhalb der Enden der U-förmigen weichmagnetischen Körper angeordnet.
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Aus der
EP 0 952 657 A2 ist eine Transversalflussmaschine mit einer Statoranordnung in einem Statorgehäuse bekannt, in dem ein sich in Umlaufrichtung erstreckendes Polsystem mit U-förmigem Querschnitt angeordnet ist. In der Ausnehmung zwischen den Schenkeln des U-förmigen Querschnitts ist eine sich in Umlaufrichtung erstreckende Ringwicklung aufgenommen. Eine Rotoranordnung hat Reihen von abwechselnd angeordneten Permanentmagneten und Weicheisen-Rückflusselementen. Statorseitig ist jeweils zwischen der Ringwicklung und der Rotoranordnung ein Tragring vorgesehen, der an beiden Randbereichen Ausnehmungen zur Aufnahme von in Richtung der Rotoranordnung vorstehenden Zähnen des Polsystems aufweist. Der Tragring dient zur Stabilisierung des Polsystems und der Ringspule. Jedes Polsystem besteht aus einem ringförmigen Poljoch und zwei in dessen seitlichen Bereichen daran anschließenden Polringen. Die Polringe haben in ihren poljochseitigen Randbereichen Einschnitte oder Schlitze.
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Aus der
DE 39 04 516 C1 ist eine permanentmagnet-erregte elektrische Maschine bekannt, deren Polringe mit angeformten Polzähnen, Außenstator und Innenstator aus Segmentblechen zusammenzusetzen sind, die jeweils aus gegeneinander isolierten Blechen bestehen. Die Segmentbleche erstrecken sich beispielsweise über ein Sechstel des Umfangs.
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Aus der
DE 10 2005 036 041 A1 ist eine permanenterregte elektrische Maschine bekannt mit einem Ständer und einem Läufer, 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 Zähnen des Ständers begrenzt ist. Die Spulenanordnung hat wenigstens eine hohlzylindrische Wicklung. Dieser Ständer oder dessen Teile können aus Blechen oder Blechabschnitten aufgebaut sein, oder aus zu der entsprechenden Gestalt gepressten und/oder gesinterten Eisenpartikeln geformt sein. Auch Mischformen dieser beiden Varianten sind beschrieben, bei denen Übergangsbereiche von radial orientierten Blechabschnitten zu axial orientierten Blechabschnitten aus gepressten und gesinterten Eisenpartikeln geformt sind.
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Aus der
DE 699 27 564 T2 ist ein Klauenpol-Dynamo für ein Fahrrad bekannt, bei dem das Statorjoch aus Reineisen-Magnetstahlblechen geformt ist.
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Zugrunde liegendes Problem
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Ziel ist es, eine kompakt bauende und hocheffiziente elektrische Maschine bereit zu stellen, die eine hohe Leistungsdichte bei für die Serienfertigung optimiertem Aufbau hat.
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Lösung
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Um dieses Ziel zu erreichen wird hier eine elektrische, permanenterregte Synchronmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Diese permanenterregte Synchronmaschine hat einen Ständer und einen Läufer. Entweder hat der Ständer eine Spulenanordnung und der Läufer ist mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist oder der Läufer hat eine Spulenanordnung und der Ständer ist mit Permanentmagnet-Elementen versehen. Der Ständer ist unter Bildung eines Luftspaltes von dem Läufer beabstandet angeordnet. Jedes der Magnetfluss-Joche hat (innere oder äußere) Seitenbereiche mit Magnetfluss-Polen. Die Spulenanordnung kann wenigstens eine von Magnetfluss-Jochen zumindest teilweise umgriffene hohlzylindrische Wicklung haben. Die Wicklung kann eine oder mehrere Windungen haben. Die Magnetfluss-Pole haben jeweils eine zu den Permanentmagnet-Elementen jenseits des Luftspaltes hin orientierte Außen-(oder Innen-)seite. Zueinander in Umfangs- oder Umlaufrichtung des Läufers benachbarte Permanentmagnet-Elemente können jeweils zu dem Luftspalt hin magnetisch abwechselnd orientiert sein. In einigen Positionen des Läufers relativ zum Ständer können wenigstens einige der Magnetfluss-Pole zumindest teilweise mit den Permanentmagnet-Elementen fluchten. Die Magnetfluss-Joche sind aus wenigstens einem oder mehreren Ringzylindersegmenten gebildet. Jedes der Ringzylindersegmente weist eine (in axialer Richtung des Magnetfluss-Joches gerichtete) Stirnfläche auf, mit der es wenigstens einem anderen der Ringzylindersegmente zugewandt ist, wobei die/jede Stirnfläche eine Stufe aufweist, so dass bei einander zugewandten Ringzylindersegmenten zwischen deren jeweiligen Stirnflächen ein Zwischenraum gebildet ist. In Richtung einer Mittellängsachse der Magnetfluss-Joche zwischen einander benachbarten Magnetfluss-Jochen ist jeweils eine Tragscheibe aus thermisch gut leitendem Material vorgesehen. Die oder jede Tragscheibe weist Einrichtungen zur mechanischen Positionierung wenigstens zweier Ringzylindersegmente auf, ist als durchgehende kreisringförmige Scheibe gebildet, und bildet einen thermischen Pfad zu einer Wärmesenke. Zwischen der Tragscheibe und jedem an ihr positionierten Ringzylindersegment ist eine Isolierschicht zur elektrischen Isolierung angeordnet.
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Vorteile, Ausgestaltungen und Weiterbildungen
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Diese Anordnung hat gegenüber bekannten permanenterregten Synchronmaschinen den Vorteil, dass sie sehr kompakt, mechanisch sehr stabil und hoch effizient ist, da sie durch die Tragscheibe(n) die Magnetfluss leitenden Teile des Joches und indirekt auch die Spulenanordnung gut entwärmt. In die Tragscheibe können auch die durch die Magnetkraft hervorgerufenen Kräfte sowie die durch das Umlaufen des Rotors hervorgerufenen Drehmomente eingeleitet werden. Außerdem erfordern die segmentierten Ringteile des Magnetfluss-Joches für ihre Herstellung einen geringeren Aufwand als komplette Ringe mit großem Durchmesser. Durch die Segmentierung kann auch die Wirbelstrombildung verringert sein. Die Isolierschicht kann entweder an der Tragscheibe angebracht sein oder an dem Ringzylindersegment angebracht sein oder als zwischen den beiden Komponenten angeordnete, nicht an einer der beiden Komponenten anhaftende Schicht ausgestaltet sein.
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Bei Ringen kleinen Durchmessers (zum Beispiel im Bereich von wenigen Zentimetern bis etwa 15 cm oder 20 cm) ist es auch möglich das Magnetfluss-Joch als einen einzigen durchgehenden Ring, ggf. mit einer Unterbrechung entlang seines Umfangs auszugestalten.
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Die segmentierten Ringteile des Magnetfluss-Joches können an der Außenwand oder an der Innenwand eines magnetisch nicht wirksamen Rohres (zum Beispiel aus Aluminium) herum angeordnet sein. An der entsprechenden anderen Wand (also der Innenwand bzw. der Außenwand) kann die Wärmesenke zum Beispiel in Form einer Fluidkühlung vorgesehen sein, bei der Kohlenwasserstoff, (zum Beispiel Öl oder Alkohol), Wasser, Luft oder dergl. durch einen oder mehrere entsprechend geformte Kanäle strömt.
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Jede Tragscheibe kann als durchgehende kreisringförmige Scheibe aus einem Material mit guter Wärmeleitung, wie Aluminium oder dergl. gebildet sein. Ein Aspekt ist dabei, dass die Tragscheiben aus magnetisch nicht oder wenig wirksamem Material gebildet sind. Ein weiterer Aspekt kann sein, dass die Tragscheiben zwischen zwei Magnetfluss-Jochen angeordnet ist, die jeweils unterschiedliche Spulenanordnungen umgreifen. Weiterhin kann jeweils an beiden Stirnseiten der Magnetfluss-Joche ebenfalls eine Tragscheibe vorgesehen sein, die in diesem Fall nur mit einem Magnetfluss-Joch verbunden ist.
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Jede Tragscheibe kann – durch entsprechende Formgebung und/oder durch andere Maßnahmen – gegen Verdrehen gesichert an einem Träger angeordnet sein. Der Träger kann ein magnetisch nicht wirksames Rohr sein, auf das die (ebenfalls aus magnetisch nicht wirksamem Material bestehende) Tragscheibe aufgeschrumpft oder anders verdrehgesichert gehalten sein kann. Als Einrichtungen zur mechanischen Positionierung der Ringzylindersegmente an der Tragscheibe können Ausnehmungen, Erhebungen, oder Vertiefungen für kraft- und/oder formschlüssige Verbindung vorgesehen sein, die zum Zusammenwirken mit korrespondierend gestalteten Einrichtungen an den Ringzylindersegmenten ausgebildet sind. Die Tragscheibe kann in radialer Richtung, aber auch in Umfangsrichtung, profiliert sein. Bei einer Variante ist der Tragring an seinem dem Tragrohr näheren Rand dicker als an seinem dem Tragrohr ferneren Rand.
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Die Wärmesenke kann in einer Variante in dem Träger(rohr) angeordnet und als Fluidkühlung, als Peltieremelent-Anordnung, oder dergl. ausgebildet sein.
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Jedes der Ringzylindersegmente kann eine Aufnahmestelle für zumindest einen Abschnitt der jeweiligen Tragscheibe aufweisen. Die Aufnahmestelle ist in diesem Fall so dimensioniert und an dem Ringzylindersegment so angeordnet, dass ein Entwärmen des Ringzylindersegmentes ermöglicht ist. Ein magnetischer Fluss längs einer Richtung einer Mittellängsachse der Magnetfluss-Joche durch diese ist dabei zumindest weitgehend unbeeinträchtigt.
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Die Tragscheibe überdeckt in radialer Richtung etwa 10% bis etwa 80%, vorzugsweise etwa 25% bis etwa 40% der radialen Erstreckung des Ringzylindersegmentes.
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Weiterhin kann jedes der Ringzylindersegmente zwei (In Umfangsrichtung des Magnetfluss-Joches gerichtete) Seitenflächen aufweisen, mit denen es in Umfangsrichtung des Magnetfluss-Joches wenigstens einem anderen der Ringzylindersegmente zugewandt ist, wobei die Seitenflächen zweier aneinander angrenzender Ringzylindersegmente elektrisch gegeneinander isoliert sind.
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Zum zumindest teilweisen Umgreifen der Spulenanordnung können aufeinander zu gerichtete Ringzylindersegmente einander mit ihren jeweiligen Stirnflächen teilweise in Umfangsrichtung der Magnetfluss-Joche überlappen. Als aufeinander zu gerichtete Ringzylindersegmente sind dabei solche verstanden, deren jeweilige Magnetfluss-Pole versetzt zwischen einander greifen. Damit wird das Auftreten von induzierten Strömen in Umfangsrichtung des Ständers bzw. von nennenswertem axialem magnetischem Fluss durch die Tragscheiben so gut wie vollständig ausgeschlossen. Jedes Magnetfluss-Joch kann einteilig oder mehrteilig, zum Beispiel zweiteilig, dreiteilig, vierteilig, fünfteilig, sechsteilig, siebenteilig, achteilig, etc. aus einem Reineisenblech mit einer Materialdicke zwischen etwa 1.5 Millimeter und etwa 5 Millimeter hergestellt sein wobei alle dazwischen liegenden Werte als hier offenbart gelten. Die Magnetfluss-Joche können auch aus gepresstem, gesintertem Reineisenpulver oder aus eisenhaltigem Pulver hergestellt sein.
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Die Ringzylindersegmente können als Gleichteile gestaltet sein. Dies verringert den Fertigungsaufwand. Da die Segmente kompakter sind als ein vollständiger Magnet-Jochring, erfordert das Herstellen der Segmente im Pressverfahren auch nur Presseinrichtungen geringerer Presskraft.
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Wenn der Ständer die Spulenanordnung trägt und der Läufer mit den Permanentmagnet-Elementen versehen ist, vermeidet dies die Notwendigkeit bewegter (zum Beispiel rotierender) Stromübergänge auf eine im Läufer vorhandene Spulenanordnung.
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Der Luftspalt zwischen den Magnetfluss-Polen und den Permanentmagnet-Elementen kann zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 1,5 Millimeter oder mehr betragen, wobei auch alle dazwischen liegenden Werte als hier offenbart gelten.
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Die Seitenbereiche der Magnetfluss-Joche können voneinander beabstandete Stege haben, welche die Magnetfluss-Pole bilden. Stege eines Magnetfluss-Joches können dabei soweit von einander beabstandet sein, dass sie und entsprechend geformte Stege eines gegenüber befindlichen Magnetfluss-Joches wie Finger zweier Hände ineinander greifen. Stege eines Magnetfluss-Joches 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. Diese Formgebung verringert oder minimiert die magnetischen Streuflüsse zwischen benachbarten Stegen der Magnetfluss-Joche.
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Jedes Magnetfluss-Joch hat einen im Wesentlichen ebenen Bodenbereich mit einer zentralen Öffnung, um jedes Magnetfluss-Joch drehsicher auf einem Ständerträger anzuordnen. Dazu ist die Öffnung im Querschnitt nicht kreisrund und der Ständerträger als im Querschnitt annähernd gegengleich geformter Zylinder ausgestaltet. Der Ständerträger ist ein zylindrisches Rohr, das aus magnetisch nicht wirksamem Material (zum Beispiel Aluminium oder dergl.) geformt ist.
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Die Permanentmagnet-Elemente können als Press-, Guss- oder Schnitt-Teile aus einer AlNi- oder AlNiCo-Legierung, aus Barium- oder Strontiumferrit, aus einer SmCo-, oder NdFeB-Legierung gebildet sein. Damit sind Energieprodukte (BH)max von Permanentmagneten im Bereich von etwa 30 bis etwa 300 Kilojoule/Kubikmeter – auch im erhöhten Temperaturbereich von etwa 150 bis etwa 180 Grad Celsius – erreichbar.
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Die Permanentmagnet-Elemente können auch als Bauteile aus magnetischen Pulverteilchen eingebettet in temperaturbeständige Kunststoffbinder enthaltend zum Beispiel Polyamid, Polyphensulfid, Duroplast, Epoxidharz, oder dergl. gebildet sein. Es kann sich bei dem Kunststoffbinder auch um Methacrylatklebstoff, Epoxidharzklebstoff, Polyurethanklebstoff, Phenolharzklebstoff, Epoxidharz mit Faserverstärkung, oder hydrophobiertes Epoxidgießharz handeln.
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Des Weiteren können die Permanentmagnet-Elemente eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt haben. Sie können eine Gestalt haben, die im Wesentlichen mit der Gestalt der Stege der Magnetfluss-Joche übereinstimmt; sie können in der Draufsicht zum Luftspalt hin also rechteckig, trapez- oder dreieck-, bzw. rautenförmig, oder dergl. sein. Dabei kann zum Erreichen eines im Spaltmaß im Wesentlichen konstanten Luftspaltes die Kontur der Magnetfluss-Joche (konkav oder konvex) gegengleich in die Permanentmagnet-Elemente eingearbeitet sein.
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In dem Gehäuse der permanenterregten Synchronmaschine oder außen daran angebracht kann eine elektronische Steuereinheit vorgesehen sein, die mit einer Stromversorgung zu verbinden und mit einem Positions- oder Winkelsollsignal zu speisen ist, und die mit einem Drehbewegungen der permanenterregten Synchronmaschine erfassenden Drehpositions- oder Drehwinkelgeber zu verbinden ist, um die Spulenanordnung entsprechend anzusteuern. Auch eine sensorlose Pollageerfassung ist möglich.
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Zur Bildung der Spulenanordnung können Kupferlackdraht, Kupferflachbänder, oder Kupferlitzen bestehend aus lackisolierten Einzelleitern verwendet werden, die miteinander verdrillt oder verflochten sind. Mit derartigen Litzen kann der Erhöhung des Leiterwiderstandes bei höheren Frequenzen entgegengewirkt werden.
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Die Spulenanordnung kann in einem magnetisch nicht wirksamen Spulenkörper (zum Beispiel aus Kunststoff) aufgenommen sein, der einen bis zu einer Elektronikplatine im Innern oder außerhalb der permanenterregten Synchronmaschine reichenden Anschlusskanal aufweist. Dies erleichtert die Montage erheblich.
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Jedes der Magnetfluss-Joche kann mehrere zueinander benachbarte Magnetfluss-Pole aufweisen, die entlang des Umfangs, außer an einer Stelle, an der ein Magnetfluss-Pol fehlt, gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Anstatt eines fehlenden Magnetfluss-Pols können auch mehrere Magnetfluss-Pole und/oder Teile eines Magnetfluss-Pols weggelassen werden, je nachdem, welchen Raumbedarf der Anschlusskanal bzw. die Anschlussleitung in Umfangsrichtung hat. Durch diese Ausgestaltung kann an der Stelle, an der der Magnetfluss-Pol fehlt, der Anschlusskanal von dem Kunststoffspulenkörper zwischen den Magnetfluss-Polen zu der Elektronikplatine führen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auch auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.
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1 ist eine schematische Längsschnittdarstellung einer permanenterregten Synchronmaschine.
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2 ist eine schematische seitliche Teildarstellung von Magnetfluss-Jochen.
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3 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Ringzylindersegmentes eines Magnetfluss-Joches.
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4 ist eine schematische Darstellung eines Magnetfluss-Joches von oben.
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5 ist eine schematische Darstellung eines Magnetfluss-Joches von unten.
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6 zeigt eine schematische vergrößerte Schnittdarstellung eines Magnetfluss-Joches mit zwei ineinander gesetzten Segmenten und einer darin aufgenommenen Spulenanordnung.
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7 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Tragscheibe.
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8 ist eine schematische Schnittdarstellung durch zwei benachbarte Magnetfluss-Joche mit jeweils zwei ineinander gesetzten Segmenten und darin aufgenommenen Spulenanordnungen, wobei die Segmente der Magnetfluss-Joche durch Tragscheiben an einem Tragrohr gehalten sind.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine als permanenterregte Synchronmaschine ausgestaltete elektrische Maschine in Form einer Außenläufermaschine. Die permanenterregte Synchronmaschine 10 hat einen Ständer 12 und einen Läufer 14. Der Läufer 14 hat einen becherförmigen Träger 14a für Permanentmagnet-Elemente N, S. Der Ständer 12 hat mehrere (hier zwei) Spulenanordnungen 28. Jede Spulenanordnung 28 des Ständers 12 hat eine kreisringzylindrische Wicklung und ist von zwei im Wesentlichen kreisringförmigen Magnetfluss-Jochen 30 umgriffen. Jedes der kreisringförmigen Magnetfluss-Joche 30 hat Seitenbereiche mit Magnetfluss-Polen 32. Die Außenseiten der Magnetfluss-Pole 32 sind zu den in Permanentmagnet-Elementen N, S des Läufers 14 hin orientiert.
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Zwischen dem Läufer 14 und dem Ständer 12 ist ein ringzylindrischer Luftspalt 16 gebildet. Die magnetische Orientierung zueinander benachbarter Permanentmagnet-Elemente N, S des Läufers 14 ist zu dem Luftspalt 16 hin jeweils abwechselnd. In bestimmten Positionen des Läufers 12 relativ zum Ständer 14 sind die Permanentmagnet-Elemente N, S mit den Magnetfluss-Pole 32 des Läufers 12 fluchtend ausgerichtet. Die Permanentmagnet-Elemente sind hier zum Beispiel aus einer SmCo- oder NdFeB-Legierung gebildet. Die Magnetfluss-Joche 30 haben mehrere Segmente und sind als Press-/Sinterteile aus Reineisenpulver ausgebildet. Mit dem Läufer 14 ist eine Abtriebswelle 26 drehfest verbunden, zum Beispiel verschweißt.
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Wie in den Fig. zu sehen ist, haben die Magnetfluss-Joche 30 im Querschnitt eine etwa U-förmige Gestalt mit einem äußeren und einem inneren Seitenbereich 32, 34, die zusammen mit einem zwischen diesen befindlichen ebenen Verbindungsbereich 36 das U-förmige Profil ergeben. In der vorliegenden Variante sind die äußeren Seitenbereiche 34 der Magnetfluss-Joche 30 als an ihrem Umfang angeformte Vielzahl voneinander beabstandeter Stege ausgestaltet, welche die Magnetfluss-Pole 32 bilden. Die Stege 34 eines Magnetfluss-Joches 30 sind soweit voneinander beabstandet, dass sie und entsprechend geformte Stege 34 eines dagegen gerichteten Magnetfluss-Joches 30 finger- oder krallenartig ineinander greifen und so die Spulenanordnung 28 an ihrer Außenseite umgreifen und einfassen. Jedes Magnetfluss-Joch 30 hat so einen im Wesentlichen ebenen Bodenbereich 36 mit einer zentralen Öffnung 38. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Gesamtanordnung kann neben der Spulenanordnung 28 zwischen die Magnetfluss-Joche 30 ein keilförmiger Ring 48 aus elastisch verformbarem Kunststoff eingelegt sein, der bei der Montage in axialer Richtung zusammengepresst wird (siehe 6).
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Jedes der ringförmigen Magnetfluss-Joche 30 ist aus mehreren, hier sechs, Ringzylindersegmenten 30a, 30b, ... 30f gebildet (siehe 2, 3). Zwischen einander benachbarten Magnetfluss-Jochen 30 ist jeweils eine Tragscheibe 40 für die Ringzylindersegmente 30a, 30b, ... 30f der Magnetfluss-Joche angeordnet. Die Tragscheibe 40 hat Einrichtungen in Form von Ausnehmungen, Erhebungen 40' oder Vertiefungen 40''. In 7 sind nur einige der an jeder Tragscheibe 40 in regelmäßigen Abständen entlang des gesamten Umfangs an der Oberseite und der Unterseite vorgesehenen Erhebungen 40' oder Vertiefungen 40'' veranschaulicht. Sie reichen im montierten Zustand der Tragscheibe mit den Magnetfluss-Jochen in entsprechend dimensionierte Ausnehmungen 35 der Ringzylindersegmente 30a, 30b, ... 30f und dienen zur mechanischen Positionierung der Ringzylindersegmente 30a, 30b, ... 30f in radialer und in Umfangsrichtung. An den beiden Stirnseiten des Stapels aus Magnetfluss-Jochen 30 ist ebenfalls jeweils eine Tragscheibe 40 angeordnet.
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Jede Tragscheibe 40 ist zur Sicherstellung einer hohen mechanischen Stabilität der Gesamtanordnung der Magnetfluss-Joche 30 als durchgehende kreisringförmige Scheibe ausgestaltet. Um die Magnetfluss-Joche 30 – und die von ihnen eingefassten Spulenanordnungen 28 – während des Betriebes gut zu entwärmen, sind die Tragscheiben 40 aus einem Material mit guter Wärmeleitung, wie Aluminium oder dergl. gebildet ist. Weiterhin sind die Tragscheiben 40 aus magnetisch nicht oder wenig wirksamem Material gebildet – auch hierfür ist Aluminium gut geeignet. Schließlich sind die Tragscheiben 40 jeweils zwischen zwei Magnetfluss-Jochen 30 angeordnet, die jeweils unterschiedliche Spulenanordnungen 28 umgreifen. Da die Tragscheibe 40 aus Aluminium eloxiert ist, wirkt sie außerdem auch elektrisch isolierend. Die Tragscheibe 40 kann auch mit Kunststoff, Lack, Glas, oder einem anderen elektrisch isolierenden aber Wärme gut leitenden Stoff beschichtet sein. Es ist auch möglich, die Magnetfluss-Joche 30 mit einem dieser Stoffe zu beschichten, oder eine separate Isolierschicht zwischen die Magnetfluss-Joche 30 und die Tragscheibe 40 einzubringen.
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Jede Tragscheibe 40 ist gegen Verdrehen gesichert an einem Träger 42 angeordnet, der in den gezeigten Varianten ein Tragrohr 42 ist. Zum Sichern dient in der in 7 veranschaulichten Variante eine Nut 44 in der Tragscheibe 40, in die ein gegengleich geformter Vorsprung am (inneren oder äußeren) Umfang des Träger(rohr)s 42 eingreift. Alternativ dazu (siehe 1) kann auch eine Längsnut 44' in dem Träger 42 vorgesehen sein, in die ein gegengleich geformter Vorsprung 46' am (inneren oder äußeren) Umfang der Tragscheibe 40 eingreift.
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Das Tragrohr 42 ist mit Kanälen 50 zur Durchleitung von Kühlflüssigkeit ausgestattet, damit über die Tragscheiben 40 abgeleitete Verlustwärme aus den Magnetfluss-Jochen 30 abgeführt werden kann. Dazu ist die Tragscheibe 40 in engem Wärme leitendem Kontakt mit den Magnetfluss-Jochen 30 ohne dabei die Magnetflussführung durch die Magnetfluss-Joche 30 nennenswert zu beeinträchtigen. Die Tragscheibe 40 reicht in der gezeigten Variante in radialer Richtung etwa 1/3 der radialen Erstreckung des Ringzylindersegmentes 30a, 30b, ... 30f von der Tragrohrwand. In der hier veranschaulichten Variante hat die Tragscheibe einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs von der Tragscheibe zu der Tragrohrwand kann der Querschnitt der Tragscheibe auch keilförmig sein, wobei die der Tragrohrwand zugewandte Flanke der Tragscheibe größer ist als die zwischen die Magnetfluss-Joche 30 reichende Flanke (siehe 8).
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Jedes der Ringzylindersegmente 30a, 30b, ... 30f hat an seinem radial innen liegenden Seitenbereich 34 eine Stirnfläche 34a, in die an einem Ende eine Stufe 34b eingearbeitet ist (siehe 3). Wenn in montiertem Zustand der Ringzylindersegmente die Stirnflächen 34a einander zugewandt sind, entsteht zwischen deren jeweiligen Stirnflächen 34a ein Zwischenraum 37. Weiterhin hat jedes der Ringzylindersegmente zwei Seitenflächen 38a, 38b, mit denen es in Umfangsrichtung des Magnetfluss-Joches 30 jeweils einem anderen der Ringzylindersegmente zugewandt. Dabei sind die Seitenflächen 38a, 38b zweier aneinander angrenzender Ringzylindersegmente elektrisch gegeneinander isoliert, indem ein Luftspalt 39 zwischen ihnen vorgesehen ist. Nachdem die Ringzylindersegmente mit den in ihnen aufgenommenen Spulenanordnungen fertig montiert sind, können die Luftspalte und die Zwischenräume 37, aber auch andere Hohlstellen in der Anordnung mit Harz oder Klebstoff ausgefüllt werden.
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Die Ringzylindersegmente sind als Gleichteile gestaltet. Ringzylindersegmente, deren Magnetfluss-Joche fingerartig ineinander greifen sind einander mit ihren jeweiligen Stirnflächen teilweise in Umfangsrichtung der Magnetfluss-Joche überlappend (etwa nach Art einer Ziegelmauerung) angeordnet, was die mechanische Stabilität der Gesamtanordnung weiter erhöht.
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Die Permanentmagnet-Elemente N, S sind aus einem Magnetwerkstoff gebildet und haben eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt.
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Die Spulenanordnung ist als Ringzylinderspule aus Litzen, bestehend aus miteinander verdrillten oder verflochtenen lackisolierten Einzelleitern, in einem Spulenkörper 50 aus Kunststoff gewickelt. Der Spulenkörper 50 hat einen Anschlusskanal 52, der von der Außenseite des Spulenkörpers 50 bis zu einer Steuerungs-Elektronikplatine 54 außerhalb der permanenterregten Synchronmaschine reicht. Entlang des Umfangs der Magnetfluss-Joche fehlt jeweils an einer gleichen Stelle ein Magnetfluss-Pol. Dort führt der Anschlusskanal 52 von dem Kunststoffspulenkörper 50 zwischen den Magnetfluss-Polen zu der Steuerungs-Elektronikplatine 54.
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Zur Bildung der Spulenanordnung können Litzen bestehend aus lackisolierten, miteinander verdrillten oder verflochtenen Einzelleitern verwendet werden. Dies wirkt der Erhöhung des Leiterwiderstandes bei höheren Frequenzen entgegen. In einem elektrischen Leiter entstehen durch magnetische Felder des Wechselstromes Wirbelströme, die dem Stromfluss entgegenwirken. Diese Wirbelströme nehmen bei höheren Frequenzen zu. Zum Gleichstromwiderstand addiert sich demnach ein von der Frequenz abhängiger Wechselstrom-Wirkwiderstand. Die Wirbelstromverluste sind beim Grund der durch die Magnetfluss-Joche gebildeten Nut am größten und nehmen nach außen zum Luftspalt hin ab. Um die vorgenannten Verluste so gering wie möglich zu halten, wird der Leiterquerschnitt reduziert, was weniger Wirbelstromverluste hervorruft und führt dafür mehrere Leiter parallel. Um die Strom-Asymmetrie der einzelnen Leiter auszugleichen, werden die Leiter miteinander verdrillt oder verseilt. Die Verdrillung ist so gewählt, dass über die Länge der Litze gesehen die Position eines Drahtes gleichmäßig zwischen dem Nutgrund und der Nutöffnung abwechselt.
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Der Einzelleiterquerschnitt sollte mit steigender Frequenz abnehmen; im Bereich um 1 kHz sollte der Einzelleiterquerschnitt etwa 0.4 mm betragen. Zur Verbesserung des Füllfaktors (Rauminhalt des Wickelraumes bezogen auf den Rauminhalt der elektrischen Leiters) setzt man vorzugsweise Litzen mit rechteckigem Profil ein. Der Füllfaktorgewinn ergibt sich aus der Verdichtung der Litze, der besseren Füllung des Wickelraumes durch die Rechteckgeometrie. Der Einzelleiter kann eine oder mehrere Umspinnungen/Umflechtungen mit unterschiedlichen Garnen, z. B. Polyamid, Baumwolle, Glas, Polyester, Aramid, usw. haben. Auch können eine oder mehrere Bandagierungen mit Polyesterfolien, Polyimidfolien, Aramidpapier, Glasbänder, etc. eingesetzt sein. Isolationen aus klebebeschichteten Folien wie Polyester und Polyimid werden wärmebehandelt, um eine gut verklebte Isolation zu erreichen. Kombinationen der vorgenannten Maßnahmen sind ebenfalls einsetzbar. Anstelle der Litzen kann auch eine massive Kupferleitung aus einem Kupferband die Wicklung bilden. Auch hierbei kann die Leitung verdrillt werden. Das Kupferband sollte in Richtung der Nut dünn sein.
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Die vorstehend erläuterten Details sind zwar im Zusammenhang dargestellt; sie sind jedoch auch unabhängig von einander und auch frei miteinander kombinierbar.
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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.