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Die Erfindung betrifft eine Transversalflussmaschine.
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Transversalflussmaschinen können bei geringem Trägheitsmoment und kurzer, axialer Baulänge hohe spezifische Drehmomente erreichen. Des Weiteren erfüllen sie hohe Anforderungen an die Gleichförmigkeit des Drehmoments, wie sie beispielsweise bei Radnabenmotoren auftreten. Außerdem ermöglichen sie bei axial kurzer Bauform auch eine gute Kühlung. Transversalflussmaschinen können sehr einfach aufgebaut sein, da eine Spule für einen Stator als einfache Ringwicklung ausgeführt sein kann.
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Die
DE 10 2007 013 732 A1 offenbart einen Direktantrieb mit einem Permanentmagnete tragenden Rotor und einem Stator. Der Stator weist einen oder mehrere Trägerringe auf, welche in zwei oder mehreren konzentrischen Ringen angeordnete Permanentmagnete tragen und des weiteren ringförmige oder sektorförmige Statorklötze aus weichmagnetischem Verbundwerkstoff in axialer Richtung dergestalt neben den konzentrischen Ringen der Trägerringe angeordnet sind, dass ein magnetischer Fluss in radialer Richtung zwischen benachbarten konzentrischen Ringen ermöglicht wird. Eine Statorwicklung ist als Hohlleiter ausgeführt, dessen Inneres von gasförmigen oder flüssigen Kühlmitteln durchströmt wird.
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Die
WO 2009/115247 A1 offenbart einen Direktantrieb mit eisenlosen, scheibenförmigen Rotoren, welche in einem konzentrischen Kreis einreihig angeordnete Permanentmagnete tragen. Die Statoren bestehen aus zwei oder mehreren, aus weichmagnetischem Verbundwerkstoff gefertigten, Statorklötzen, die beidseitig der Rotorscheiben angeordnet sind, und die Form von Kreisringen mit radial genuteten äußeren beziehungsweise inneren Grenzflächen aufweisen, welche gegeneinander bezüglich der Nutteilung um ein halbes Teilungsmaß winkelversetzt und durch eine umlaufende Ringnut getrennt sind. Die rotorabgewandten Seiten der Statorklötze sind mit Kurzschlussringen bestückt, welche optional in ihrem Inneren von flüssigen Kühlmitteln durchströmt werden.
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Die
EP 1 045 505 B1 offenbart einen elektrischer Scheibenläufermotor mit einer Läuferscheibe und einem axial gegenüberliegenden Ständer, von welchen wenigstens der Ständer von einem Gehäuse sowohl an der Stirnseite quer zur Motor-Drehachse als auch an der Mantelseite parallel zur Motor-Drehachse umfasst oder umgeben ist. Der Statur hat einen oder mehrere mit Stromleitern umwickelte Eisenkerne. Das Gehäuse weist einen integrierten Fluid-Kühlkreislauf auf, der sich sowohl in einem oder beiden Stirnseitenteilen des Gehäuses als auch in dessen Mantelteil erstreckt.
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Die
EP 0 942 517 B1 offenbart eine Transversalflussmaschine, mit einem Statur und einem Rotor, mit über den Umfang des Rotors der Maschine auf weichmagnetischen und allenfalls voneinander magnetisch isolierten Rückschlussringen angeordneten Permanentmagneten, und mit über den Umfang des Stators der Maschine angeordneten weichmagnetischen Bestandteilen. An der Oberfläche der Statorachse oder des Gehäuserohrs ist mindestens ein Kühlkanal zur Führung eines Kühlmediums angeordnet und durch ein Kühlmantelrohr nach außen abgedichtet.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Transversalflussmaschine zu schaffen, die einen kompakten Aufbau hat und einen zuverlässigen Betrieb ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Transversalflussmaschine, mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der über seinen Umfang Permanentmagnete aufweist, einem axial von dem Rotor beabstandeten Stator, und mindestens einer elektrischen Ringwicklung. Der Stator weist eine ringförmig umlaufende nutförmige Ausnehmung und über seinen Umfang weichmagnetische Elemente auf, die parallel zu den Permanentmagneten des Rotors angeordnet sind. Die Ringwicklung ist in der nutförmigen Ausnehmung des Stators angeordnet, als Hohlleiter zum Durchströmen mit einem Kühlmedium ausgebildet und weist hydraulische Anschlusselemente zum Zu- und Abführen des Kühlmediums auf. Die hydraulischen Anschlusselemente sind derart angeordnet, dass sie von dem Kühlmedium parallel zu der Rotationsachse durchströmbar sind.
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Dies hat den Vorteil, dass die hydraulischen Anschlusselemente innerhalb eines Querschnitts des Stators angeordnet sein können, also nicht über den Querschnitt des Stators hinausragen. Damit kann die Transversalflussmaschine sehr kompakt aufgebaut sein und die hydraulischen Anschlusselemente können auch bei beschränktem Bauraum gut untergebracht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Stator Öffnungen auf, die sich in Richtung der Rotationsachse erstrecken. Die hydraulischen Anschlusselemente sind wenigstens teilweise in den Öffnungen angeordnet. Damit ist eine besonders kompakte und Platz sparende Anordnung der hydraulischen Anschlusselemente in dem Stator möglich. Des Weiteren ist eine direkte Kühlung des Stators ohne zusätzliche Kühlleitungen möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Transversalflussmaschine eine Trägerplatine auf, die zur Anordnung elektronischer Bauelemente oder Baugruppen ausgebildet und fest mit dem Stator gekoppelt ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Kühlung der elektronischen Bauelemente oder Baugruppen mittels des Kühlmediums in der als Hohlleiter ausgebildeten Ringwicklung möglich ist. Es ist keine separate Kühlung der elektronischen Bauelemente oder Baugruppen erforderlich. Die elektronischen Bauelemente oder Baugruppen können nahe der Ringwicklung angeordnet sein, so dass Leitungsverluste minimiert werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die mindestens eine Ringwicklung mehrere bezüglich des Umfangs des Stators benachbarte, hydraulisch separate Ringsegmente auf. Mittels der separaten Ringsegmente ist eine Vielzahl von elektrischen Verschaltungsmöglichkeiten der Ringwicklungen gegeben. Darüber hinaus können die zu kühlenden Bereiche mittels der hydraulischen Separation der Ringwicklung in Ringsegmente individuell mit Kühlmedium beaufschlagt werden. Des Weiteren können die Druckverluste des Kühlmediums in den Ringsegmenten klein gehalten werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Transversalflussmaschine, mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der über seinen Umfang Permanentmagnete aufweist, einem axial von dem Rotor beabstandeten Stator, der eine ringförmig umlaufende nutförmige Ausnehmung und über seinen Umfang weichmagnetische Elemente aufweist, die parallel zu den Permanentmagnete des Rotors angeordnet sind, und mindestens einer Ringwicklung. Die Ringwicklung ist in der nutförmigen Ausnehmung des Stators angeordnet, wobei die Ringwicklung als Hohlleiter zum Durchströmen mit einem Kühlmedium ausgebildet ist. Die mindestens eine Ringwicklung weist mehrere bezüglich des Umfangs des Stators benachbarte, hydraulisch separate Ringsegmente auf.
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Dies hat den Vorteil, dass mittels der hydraulischen Separation der Ringwicklung in Ringsegmente die zu kühlenden Bereiche individuell mit Kühlmedium beaufschlagt werden können. Des Weiteren können die Druckverluste des Kühlmediums in den Ringsegmenten klein gehalten werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Stator mehrere bezüglich des Umfangs des Stators benachbarte, separate Statorsegmente auf, und jeweils ein Ringsegment ist einem der Statorsegmente zugeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die einzelnen Statorsegmente mittels eines oder mehrerer Ringsegmente individuell mit Kühlmedium beaufschlagt und gekühlt werden können. Darüber hinaus können die Statorsegmente in einem Herstellungsverfahren jeweils mit einem Ringsegment oder mit mehreren Ringsegmenten gekoppelt werden, und anschließend die einzelnen Verbünde aus Statorsegment und Ringsegmenten zu einer Statoranordnung zusammengefügt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die weichmagnetischen Elemente die Ringwicklung weitgehend umfassen können, so dass ein großes Drehmoment der Transversalflussmaschine zur Verfügung gestellt werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch einen Teil einer Transversalflussmaschine,
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2 eine perspektivische Ansicht eines Stators und von Wicklungsringen der Transversalflussmaschine,
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3 eine weitere perspektivische Ansicht des Stators und der Wicklungsringe,
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4 eine weitere perspektivische Ansicht des Stators, und
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5 eine weitere perspektivische Ansicht des Stators und der Wicklungsringe.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Figuren zeigen eine Transversalflussmaschine 10 beziehungsweise Teile einer Transversalflussmaschine 10.
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Die Transversalflussmaschine 10 hat ein Gehäuse 12, in dem ein Statur 14 angeordnet ist. Der Statur 14 ist ringförmig. Der Statur 14 weist mehrere separate, bezüglich des Umfangs des Stators 14 benachbarte Statorsegmente 16 auf.
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Die Transversalflussmaschine 10 hat weiter einen Rotor 18, der um eine Rotationsachse A drehbar gelagert ist, und mehrere Ringwicklungen 20. Die Ringwicklungen 20 bilden zusammen eine Spule der Transversalflussmaschine 10.
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Wie in 1 zu sehen ist, weist der Statur 14 ein U-förmiges, als Joch ausgebildetes Teil 22 und weitere Teile 24 auf, die zusammen einen gemeinsamen Block weichmagnetischer Elemente 28 bilden. Die weichmagnetischen Elemente 28 sind bezüglich des Umfangs des Stators 14 benachbart angeordnet (5). Der Stator 14 hat eine nutförmige Ausnehmung 26, die ringförmig umlaufend um die Rotationsachse A zwischen den Teilen 22, 24 der weichmagnetischen Elemente 28 ausgebildet ist. Die Ringwicklungen 20 sind in der nutförmigen Ausnehmung 26 angeordnet. Die Ringwicklungen 20 sind mittels einer die nutförmige Ausnehmung 26 ausfüllenden Vergussmasse 29 relativ zu den weichmagnetischen Elementen 28 des Stators 14 festgelegt.
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Der Stator 14 hat eine oder mehrere sich in Richtung der Rotationsachse A erstreckende durchgehende Öffnungen 30.
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Der Rotor 18 weist Permanentmagnete 32 auf, die über den Umfang des Rotors 18 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 32 sind parallel zu den weichmagnetischen Elementen 28 des Stators 14 angeordnet. Zwischen dem Stator 14 und dem Rotor 18 ist ein Spalt 34 ausgebildet. Mittels des Spalts 34 sind die Permanentmagnete 32 von den weichmagnetischen Elementen 28 in Richtung der Rotationsachse A beabstandet (1).
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Die Ringwicklung 20 hat eine hohlzylinderförmige Wand 36. Innerhalb der Wand 36 ist ein Hohlraum 38 ausgebildet. Damit ist die Ringwicklung 20 als Hohlleiter ausgebildet. Die als Hohlleiter ausgebildete Ringwicklung 20 kann von einem Kühlmedium durchströmt werden. Jede Ringwicklung 20 ist aus mehreren bezüglich des Umfangs des Stators 14 benachbarten, hydraulisch separaten Ringsegmenten 40 aufgebaut. Jedes der Ringsegmente 40 hat einen sich über den Umfang des Stators 14 erstreckenden Rohrbogen 42, der in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse A angeordnet ist, und zwei hydraulische Anschlusselemente 44. Die hydraulischen Anschlusselemente 44 sind in einer Richtung angeordnet, derart, dass sie von dem Kühlmedium parallel zu der Rotationsachse A durchströmt werden können. Jedes Ringsegment 40 ist damit im Wesentlichen U-förmig ausgebildet. Über die hydraulischen Anschlusselemente 44 kann das Kühlmedium für die Ringwicklungen 20 zu- und abgeführt werden. Durch die Anordnung der hydraulischen Anschlusselemente 44 parallel zu der Rotationsachse A können diese innerhalb des Querschnitts des Stators 14 angeordnet sein, ohne dass sie über den Querschnitt des Stators 14 hinausragen. So kann auch für den Fall, dass die Transversalflussmaschine 10 einen beschränkten Bauraum insbesondere in radialer Richtung aufweist, wie dies beispielsweise in Kraftfahrzeugen der Fall sein kann, die Transversalflussmaschine 10 gut in dem beschränkten Bauraum untergebracht werden.
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Wie insbesondere in den 2 und 4 gut erkennbar ist, sind die hydraulischen Anschlusselemente 44 teilweise in den Öffnungen 30 angeordnet. Die hydraulischen Anschlusselemente 44 können so zu einer kompakten Ausbildung der Transversalflussmaschine 10 insbesondere in axialer Richtung angeordnet sein. Des Weiteren kann so über die hydraulischen Anschlusselemente 24 in direkter Weise eine Kühlung des Stators 14 erfolgen, ohne dass weitere Kühlleitungen benötigt werden.
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Wie insbesondere in den 2 und 3 zu sehen ist, ist jeweils ein Ringsegment 40 einem der Statorsegmente 16 zugeordnet. Da jedes der Ringsegmente 40 individuell mit dem Kühlmedium beaufschlagt werden kann, ist es so möglich, jedes Statorsegment 16 separat zu kühlen. Da die Ringsegmente 40 in beliebiger Weise seriell und/oder parallel miteinander verschaltet werden können, können so die Druckverluste des Kühlmediums in den Ringsegmenten 40 klein gehalten werden.
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Die Transversalflussmaschine 10 hat eine Trägerplatine 46, auf der elektronische Bauelemente und/oder Baugruppen 48 angeordnet sein können (1 und 4). Die Trägerplatine 46 ist fest mit dem Statur 14 gekoppelt. Damit können die elektronischen Bauelemente und/oder Baugruppen 48 mittels des Kühlmediums in der Ringwicklung 20 gekühlt werden, ohne dass eine separate Kühlung der elektronischen Bauelemente und/oder Baugruppen 48 erforderlich wäre. Des Weiteren können die elektronischen Bauelemente und/oder Baugruppen 48 nahe der Ringwicklung 20 angeordnet sein, und die elektrischen Leitungsverluste können minimiert werden.
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Für die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine 10 können sowohl der Statur 14 mit den Statorsegmenten 16 als auch die Ringwicklung 20 mit den Ringsegmenten 40 großindustriell hergestellt werden. Insbesondere können Einheiten aus Statorsegmenten 16, Ringsegmenten 40 und Teilen des Gehäuses 12 großindustriell hergestellt werden, sodass die Kosten für die Herstellung der Transversalflussmaschine 10 klein sein können. Da die weichmagnetischen Elemente 28 die Ringwicklung 20 weitgehend umfassen können, ist in dem vorgegebenen Bauraum ein maximales Drehmoment der Transversalflussmaschine 10 erreichbar. Aufgrund der Segmentierung der Ringwicklung 20 in Ringsegmente 40 ist eine parallele Durchströmung der Ringsegmente 40 mit Kühlmedium und damit ein geringer Druckverlust in der Ringwicklung 20 möglich. Die Ringsegmente 40 ermöglichen darüber hinaus eine einfache Führung des Kühlmediums und eine hohe Anzahl von Kombinationen zur hydraulischen Kopplung der Ringsegmente 40 zur Kühlung der Statorsegmente 16. Durch die Ausbildung der hydraulischen Anschlusselemente 44 nahe an den Statorsegmenten 16 ist darüber hinaus eine einfache Führung des Kühlmediums möglich. Durch die Ringsegmente 40 der Ringwicklung 20 ist des Weiteren eine große Variationsbreite der elektrischen Verschaltungsmöglichkeiten der Ringwicklung 20 auf der Trägerplatine 46 ermöglicht. Die elektrische Kantaktierung der Ringwicklung 20 auf der Trägerplatine 46 kann ebenso in einfacher Weise erfolgen, sodass eine großindustrielle Fertigung möglich ist.
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Die elektronischen Bauelemente und/oder Baugruppen 48 auf der Trägerplatine 46 können direkt im Kühlstrom der Ringwicklung 20 angeordnet werden, ohne dass hierzu weitere Komponenten erforderlich sind.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der Bauraum für die Transversalflussmaschine 10 durch die Anordnung der hydraulischen Anschlusselemente 44 parallel zu der Rotationsachse A maximal genutzt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Transversalflussmaschine
- 12
- Gehäuse
- 14
- Stator
- 16
- Statorsegment
- 18
- Rotor
- 20
- Ringwicklung
- 22
- U-förmiger Teil des Stators
- 24
- weitere Teile des Stators
- 26
- nutförmige Ausnehmung
- 28
- weichmagnetische Elemente
- 29
- Vergussmasse
- 30
- Öffnung von 14
- 32
- Permanentmagnete
- 34
- Spalt
- 36
- Wand von 20
- 38
- Hohlraum von 20
- 40
- Ringsegment
- 42
- Rohrbogen
- 44
- hydraulische Anschlusselemente
- 46
- Trägerplatine
- 48
- elektronisches Bauelement/Baugruppe
- A
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007013732 A1 [0003]
- WO 2009/115247 A1 [0004]
- EP 1045505 B1 [0005]
- EP 0942517 B1 [0006]
