DE102010015441A1

DE102010015441A1 - Transversalflussmaschine und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102010015441A1
Application number: DE201010015441
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Oberschelp; Markus Rüter; Andreas Grewing
Original assignee: OBITRONIK GmbH; Fachhochschule Gelsenkirchen
Current assignee: Obitronik De GmbH; Westfaelische Hochschule Gelsenkirchen Bochol De
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2011-10-20
Also published as: WO2011128095A2; WO2011128095A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Transversalflussmaschine (1) mit mindestens einem Stator (2) und einem eine Vielzahl von Permanentmagneten (5) tragenden Rotor (3). Der Stator (2) weist entlang seines Umfangs eine Vielzahl U-förmiger Kerne (4) aus weichmagnetischem Material auf, wobei die Schenkel (6) eines jeden Kerns (4) in axialer Richtung der Transversalflussmaschine (1) nebeneinander angeordnet sind und mit ihren offenen Schenkelenden (7) den Permanentmagneten (5) des Rotors (3) radial durch einen Luftspalt (9) beabstandet gegenüberstehen und an ihren geschlossenen Schenkelenden (8) in eine Basis (10) übergehen, die sich in axialer Richtung erstreckt und die Schenkel (6) zu einem geschlossenen magnetischen Rückschluss verbindet. Die Kerne (4) nehmen zwischen ihren Schenkeln (6) eine bestrombare Umfangswicklung (11) auf. Zwischen zwei benachbarten Kernen (4) liegen keilförmige erste Befestigungsmittel (12) derart kraftschlüssig ein, dass die Kerne (4) tangential gegeneinander verspannt sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage einer derartigen Transversalflussmaschine, bei der zwischen zwei benachbarten Kernen (4) keilförmige erste Befestigungsmittel (12) derart kraftschlüssig eingesetzt werden, dass die Kerne (4) tangential gegeneinander verspannt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Transversalflussmaschine mit mindestens einem Stator und einem eine Vielzahl von Permanentmagneten tragenden Rotor, wobei der Stator entlang seines Umfangs eine Vielzahl U-förmiger Kerne aus weichmagnetischem Material aufweist, wobei die Schenkel eines jeden Kerns in axialer Richtung der Transversalflussmaschine nebeneinander angeordnet sind und mit ihren offenen Schenkelenden den Permanentmagneten des Rotors radial durch einen Luftspalt beabstandet gegenüberstehen und an ihren geschlossenen Schenkelenden in eine Basis übergehen, die sich in axialer Richtung erstreckt und die Schenkel zu einem geschlossenen magnetischen Rückschluss verbindet, und wobei die Kerne zwischen ihren Schenkeln eine bestrombare Umfangswicklung aufnehmen.
Transversalflussmaschinen der genannten Gattung sind bekannt. Sie sind elektrische Maschinen, die im Gegensatz zu den konventionellen elektrischen, generatorisch oder motorisch betriebenen Maschinen nicht mit Durchmesserwicklungen sondern mit Umfangswicklungen ausgerüstet sind. Der magnetische Fluss bei einer Transversalflussmaschine verläuft transversal, d. h. teilweise parallel und teilweise radial zur Drehachse in jeweils voneinander unabhängigen magnetflussführenden Kernen. Während die geschlossenen Feldlinien einer konventionellen elektrischen Maschine nur in einer zur Drehachse radialen Ebene verlaufen, liegen die geschlossenen Feldlinien bei einer Transversalflussmaschine in einer die Drehachse der Maschine axial schneidenden Ebene. Der besondere Vorteil einer derartigen Konstruktion liegt darin, dass der elektrische und magnetische Kreis vollständig voneinander entkoppelt ist und damit die elektrische und die magnetische Auslegung der Maschine jeweils unabhängig voneinander erfolgen kann. Eine Transversalflussmaschine gewährleistet damit eine getrennte Optimierungsmöglichkeit der elektrischen und magnetischen Größen.
Da eine Transversalflussmaschine keine Wickelköpfe im konventionellen Sinne aufweist sondern vielmehr eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Wicklung pro Phase besitzt, kann eine gegenüber der konventionellen Maschinenbauart feinere Polteilung erreicht werden, die lediglich von der Anzahl der eine Wicklung umgreifenden Kerne abhängig ist. Transversalflussmaschinen liefern ein vergleichsweise großes Drehmoment, wohingegen die Drehzahl vergleichsweise klein ist. Hierdurch können Getriebe vermieden werden, die zu zusätzlichen Kosten und Reibungsverlusten führen. Da bei einer Transversalflussmaschine regelmäßig kein Getriebe notwendig ist, kann auch der hohe Wirkungsgrad, den die Transversalflussmaschine bereitstellt, vollständig ausgenutzt werden. Nachteilig bei Transversalflussmaschine ist ihr komplizierter technischer Aufbau.
Eine Transversalflussmaschine der erfindungsgemäßen Gattung ist aus der deutschen Patentschrift DE 197 80 317 B4 bekannt. Die Patentschrift beschreibt eine dreiphasige Transversalflussmaschine mit drei nebeneinander liegenden Umfangswicklungen, die jeweils von U-förmigen Schnittbandkernen aus weichmagnetischem Material umgriffen werden. Die Schenkel eines jeden U-förmigen Schnittbandkerns sind in axialer Richtung der Transversalflussmaschine nebeneinander angeordnet und stehen den Permanentmagneten des Rotors radial durch einen Luftspalt beabstandet gegenüber. Der Stator dieser Transversalflussmaschine weist erste und zweite Nuten auf, die sich radial öffnen und in axialer Richtung der Maschine erstrecken, wobei die ersten Nuten tiefer als die zweiten Nuten sind. Die U-förmigen Schnittbandkerne sind in die ersten Nuten und weichmagnetische Stege in Form von I-Kernen in die zweiten Nuten eingesetzt. Am Außenumfang des Stators wechseln sich die ersten und zweiten Nuten einander ab.
Eine ähnliche Struktur ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 942 517 A2 bekannt, die eine Transversalflussmaschine mit einem Stator und einem Rotor beschreibt, bei der der Stator über den Umfang angeordnete, weichmagnetische Bestandteile in Form von U-Jochen und zwischen diesen eingesetzte I-Joche aufweist, wobei die U-Joche zumindest eine Ringwicklung aufnehmen. Die U-Joche sind in axialen Nuten einer Trägernabe gehalten, die aus einem massiven Bauteil hergestellt ist. Die axialen Nuten sind in Umfangsrichtung durch Zähne voneinander getrennt, die einstückig mit der Trägernabe ausgebildet sind.
Zur festen Fixierung der U-Kerne, Schnittbandkerne oder U-Joche, wie sie in der genannten Patentliteratur bezeichnet sind, ist es bekannt, diese durch Aluminiumdruckgussverfahren mit der Nabe des Stators zu vergießen. Hierfür muss Aluminium in die Maschine eingebracht werden, wodurch zum einen das Gewicht der Maschine erheblich erhöht wird. Zum anderen werden durch das heiße Aluminium die Übrigen in der Transversalflussmaschine eingesetzten Bauelemente thermisch hoch belastet. Eine Beschädigung dieser, teilweise empfindlicher Bauteile, ist möglich, so dass diese Bauteile ersetzt werden müssen, was mit entsprechenden Kosten und Arbeitsaufwand verbunden ist. Zur Herstellung des Druckgusses ist ein entsprechend teures Werkzeug notwendig. Des Weiteren ist Aluminium ein elektrischer Leiter, in dem aufgrund der elektrischen Wechselfelder in der Maschine Spannungsinduktionen hervorgerufen werden, aufgrund derer Wirbelströme in dem Aluminium fließen, die zu ohmschen Verlusten führen. Dies setzt wiederum den Wirkungsgrad der Maschine herab.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine stabile, belastbare elektrische Maschine nach dem Transversalflussprinzip zu schaffen, die fertigungstechnisch einfach und mit herkömmlichen, auf dem Markt verfügbaren Materialien herstellbar ist und zugleich einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Transversalflussmaschine bereit zu stellen.
Diese Aufgaben werden durch die Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen formuliert.
Erfindungsgemäß wird eine Transversalflussmaschine mit mindestens einem Stator und einem eine Vielzahl von Permanentmagneten tragenden Rotor vorgeschlagen, wobei der Stator entlang seines Umfangs eine Vielzahl U-förmiger Kerne aus weichmagnetischem Material aufweist, wobei die Schenkel eines jeden Kerns in axialer Richtung der Transversalflussmaschine nebeneinander angeordnet sind und mit ihren offenen Schenkelenden den Permanentmagneten des Rotors radial durch einen Luftspalt beabstandet gegenüberstehen und an ihren geschlossenen Schenkelenden in eine Basis übergehen, die sich in axialer Richtung erstreckt und die Schenkel zu einem geschlossenen magnetischen Rückschluss verbindet, wobei die Kerne zwischen ihren Schenkeln eine bestrombare Umfangswicklung aufnehmen, und wobei zwischen zwei benachbarten Kernen keilförmige erste Befestigungsmittel derart kraftschlüssig einliegen, dass die Kerne tangential gegeneinander verspannt sind.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine sichere, stabile Montage der U-Kerne dadurch zu erreichen, dass diese durch keilförmige Befestigungsmittel zwischen zwei U-Kernen tangential gegeneinander verspannt werden. Die Befestigungsmittel weisen demgemäß bezogen auf eine Radialebene der Transversalflussmaschine einen keilförmigen Querschnitt, insbesondere die Querschnittsform eines Keilstumpfes auf. Dies erlaubt ein Maximum an Festigkeit. Ein Vergießen der U-Kerne mit dem sie tragenden Statorelement ist nicht notwendig. Die Verkeilung der U-Kerne gegeneinander wird ein einfacher und robuster Aufbau für unterschiedlich große Bauformen ermöglicht. Die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine kann dadurch auf einfache Weise und ohne teure Werkzeuge oder spezielle Materialien zu verwenden, stabil hergestellt werden.
Die ersten Befestigungsmittel können sich axial zur Maschine entlang der gesamten axialen Länge der U-Kerne erstrecken. Dies hat den Vorteil, dass die in Umfangsrichtung zur Verspannung und damit robusten Fixierung der U-Kerne aufgebrachte Kraft entlang der gesamten axialen Länge der U-Kerne im Wesentlichen gleich ist. Alternativ können einige oder auch alle ersten Befestigungsmittel jeweils aus zwei räumlich getrennten, axial voneinander beabstandeten Keilen gebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass bei der Ausgestaltung der ersten Befestigungsmittel Material und damit Gewicht eingespart werden kann. Ferner kann die Positionierung der Keile gezielt gewählt werden, vorzugsweise derart, dass jeweils an einem axialen Ende der U-Kerne ein Keil angeordnet wird bzw. ist, so dass eine Verspannung der U-Kerne gegeneinander entlang zweier Umfangsringe erfolgt. Damit erhält die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine maximale Stabilität.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die ersten Befestigungsmittel die Kerne jeweils zumindest teilweise an ihren Schenkeln gegeneinander verspannen, die Befestigungsmittel folglich derart zwischen zwei benachbarten U-Kerne angeordnet sind, dass sie auch an den zueinander gerichteten Seitenfläche der Schenkel anliegen und nicht lediglich an der Seitenfläche der Basis des jeweiligen U-Kerns. Hierdurch wird eine noch höhere Stabilität der Maschine erreicht. Bei der Verwendung von einteiligen Befestigungsmitteln, d. h. Befestigungsmitteln, die sich entlang der gesamten axialen Länge der U-Kerne erstrecken, müssten diese Befestigungsmittel dann an ihrer radial nach außen gerichteten Seite, zumindest im Bereich zwischen den Schenkeln der U-Kerne eine Ausnehmung aufweisen, um in radialer Richtung fluchtend mit der Basis der U-Kerne abzuschließen, d. h. um nicht in die Umfangswicklung hineinzuragen. Anderenfalls würde sich der für die Wicklung zur Verfügung stehende Querschnitt verengen.
Die Verwendung von zwei einzelnen Keilen als erste Befestigungsmittel hat hier den Vorteil, dass diese in radialer Richtung zwischen zwei U-Kernen grundsätzlich an beliebiger Stelle positioniert werden können, da sie zum Verspannen der Schenkel der U-Kerne gegeneinander in axialer Richtung der Maschine neben der Umfangswicklung anzuordnen sind. Das zwischen den Schenkeln der U-Kerne liegende Wickelfenster beleibt damit offen und unbeschränkt, so dass die Umfangswicklung nach der Montage der U-Kerne ungehindert in die U-Kerne eingebracht werden kann.
Ein weiterer Vorteil der einzelnen Keile ist auch, dass diese eine Länge in radialer Richtung der Transversflussmaschine aufweisen können, die bis zu einer Schenkellänge betragen kann. Vorzugsweise beträgt die Länge eines Keils in radialer Richtung zwischen einem Viertel und zwei Drittel der Schenkellänge. Je größer die radiale Länge gewählt wird, um so größer ist die Kontaktfläche eines Keils zu den Seitenflächen der benachbarten U-Kerne und umso größer die Fläche zur Übertragung von Kräften in tangentialer Richtung. Daher wird mit radial längeren Keilen eine stabilere Verspannung des Stators erzeugt als mit kürzeren Keilen.
Vorzugsweise kann der Stator eine Nabe aufweisen, in deren Außenumfang sich radial öffnende, axiale verlaufende Nuten eingebracht sind, in denen die Kerne mit ihrer Basis eingesetzt sind. Das Einsetzen kann formschlüssig und/oder kraftschlüssig erfolgen. Die Nuten dienen als Montagehilfe bei der Positionierung der U-Kerne entlang des Umfangs der Nabe. Durch ein formschlüssiges Einsetzen der U-Kerne werden diese zumindest leicht fixiert, so dass die ersten Befestigungsmittel ohne Verrutschen der U-Kerne zwischen diese gebracht werden können.
Für die Montage vorteilhaft ist es, wenn die Kerne mindestens eine tangential zur Transversalflussmaschine eingebrachte Bohrung aufweisen. Durch diese Bohrungen kann eine flexible Montagestange durchgeführt werden bzw. durchgeführt sein, so dass die Kerne, insbesondere zu einem Kreis, aufgereiht werden können. Dabei versteht es sich von selbst, dass die Bohrungen auf gleicher axialer Höhe liegen, damit die U-Kerne bei Einführung der Montagestange, in axialer Richtung zueinander ausgerichtet werden. Die Bohrung kann beispielsweise im Bereich der Basis eines jeden U-Kerns gesetzt sein, insbesondere im Bereich dessen axialer Mitte. Im Falle der einzelnen Keile als Befestigungsmittel ist die Montagestange daher nicht störend. Werden einteilige Befestigungsmittel verwendet, können diese Ausnehmungen, insbesondere im Bereich ihrer axialen Mitte sich radial zur Transversalflussmaschine nach Innen öffnende Langlöcher aufweisen, so dass die ersten Befestigungsmittel beim radialen Einbringen über die Montagestange geschoben werden. Alternativ können einzelne der ersten Befestigungsmittel ebenfalls jeweils zumindest eine tangentiale Bohrung, insbesondere ein Langloch aufweisen, durch die Montagestange ebenfalls geführt wird bzw. geführt ist.
Die zu einem Ring angeordneten und mittels der keilförmigen ersten Befestigungsmittel gegeneinander verspannten U-Kerne bilden bereits eine sich selbst tragende Konstruktion. Zur festen Verbindung miteinander und dem stationären Teil der Maschine ist es von Vorteil, wenn zumindest einzelne der ersten Befestigungsmittel, insbesondere in Umfangsrichtung jedes zweite der ersten Befestigungsmittel, vorzugsweise alle ersten Befestigungsmittel, jeweils eine sich in radialer Richtung zur Transversalflussmaschine durch ein Befestigungsmittel erstreckende Schraube aufweisen, die in eine in den Stator, insbesondere in die Nabe eingebrachte Gewindebohrung eingeschraubt ist. Das Anziehen der jeweiligen Schraube bewirkt, dass sich das entsprechende Befestigungsmittel tiefer in den Spalt zwischen zwei benachbarten U-Kernen hineinzieht und damit diese benachbarten Kerne auseinander drückt. Wird diese Verschraubung bei zumindest jedem zweiten in Umfangsrichtung angeordneten ersten Befestigungsmittel, vorzugsweise bei jedem der ersten Befestigungsmittel durchgeführt, kann eine sehr robuste und stabile Konstruktion des Stators der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine erreichet werden. Die Konstruktion erlaubt es die U-Kerne auf einem geeigneten Trägermaterial, insbesondere einer Stahlnabe, einfach und stabil zu fixieren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine können zwischen den offenen Schenkelenden der U-förmigen Kerne I-förmige Kerne angeordnet sein, wobei zwischen den I-Kernen und den benachbarten Schenkeln keilförmige zweite Befestigungsmittel derart kraftschlüssig einliegen, dass die I-Kerne und die jeweils benachbarten U-Kerne gegeneinander tangential verspannt sind. Die I-Kerne bewirken, dass störende magnetische Felder „eingefangen” werden. Hierzu stellen die I-Kerne dem magnetischen Fluss einen Weg zur Verfügung. Die Effizienz einer derart aufgebauten Transversalflussmaschine kann dadurch erhöht werden. Soll der I-Kern in der Konstruktion eingebunden werden ist dessen mechanische Stabilität sicherzustellen. Über das erfindungsgemäße Verkeilen der einzelnen U-Kerne und I-Kerne entlang des Umfangs mit den zweiten Befestigungsmitteln, ist eine stabile Fixierung der Kerne möglich. Die einzelnen Kerne werden hierbei gegeneinander verspannt und sorgen somit entlang des Umfangs für einen stabilen Aufbau. Es wird eine passgenaue Fixierung zwischen den U-Kernen ermöglicht, wobei die Stabilität des Gesamtaufbaus nicht eingeschränkt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann jeweils zumindest ein Ende der beiden offenen Schenkelenden eines jeden U-förmigen Kerns und I-förmigen Kerns mindestens eine tangentiale Bohrung zur Aufnahme einer flexiblen Montagestange aufweisen. Dies dient der Montagehilfe der I-Kerne, die bei der Montage mitsamt der U-Kerne auf die Montagestange aufgereiht werden bzw. sein können. Zu diesem Zweck ist es sinnvoll, dass die tangentialen Bohrungen in den U-Kernen und I-Kernen derart zueinander ausgerichtet sind, dass die I-Kerne am Außenumfang sowie stirnseitig mit den U-Kernen fluchten.
Erfindungsgemäß weisen zumindest einige der zweiten Befestigungsmittel eine tangential zur Transversalflussmaschine eingebrachte Bohrung zur Aufnahme der Montagestange auf. Hierdurch können beim Einfädeln der Montagestange, respektive beim Auffädeln der U-Kerne und I-Kerne auf die Montagestange sogleich auch einige der zweiten Befestigungsmittel positioniert werden. Vorzugsweise ist dies in Umfangsrichtung bei jedem zweiten der zweiten Befestigungsmittel vorgesehen, so dass abwechselnd ein Befestigungsmittel auf die Montagestange aufgereiht wird bzw. ist und ein Befestigungsmittel zwischen einen I-Kern und einen U-Kern radial eingetrieben wird. Der Montageaufwand wird dadurch erheblich erleichtert und reduziert. In entsprechender Weise können dann diejenigen Befestigungsmittel, die keine Bohrung aufweisen, im Querschnitt zu einer Axialebene der Maschine C-förmig oder U-förmig ausgebildet sein, d. h. ein sich zur Transversalflussmaschine radial nach Innen öffnendes Langloch aufweisen, das die Montagestange beim radialen Eintreiben des entsprechenden Befestigungsmittels umgreift. Gemäß einer U-Form ausgebildete Außenkeile weisen parallele zueinander verlaufende Schenkel auf, wohingegen gemäß einer C-Form ausgebildete Außenkeile bogenförmig zueinander gerichtete Schenkel aufweisen.
Erfindungsgemäß können auch die zweiten Befestigungsmittel jeweils aus zwei räumlich getrennten, axial voneinander beabstandeten Keilen gebildet sind. Nachfolgend wird bei den Keilen der zweiten Befestigungsmittel von Außenkeilen und bei den Keilen der ersten Befestigungsmittel von Innenkeilen gesprochen. Die Zweiteiligkeit der zweiten Befestigungsmittel hat auch hier den Vorteil, dass die radialen Enden der Schenkel der U-Kerne jeweils unabhängig von einander gegeneinander verspannt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei den zweiten Befestigungsmitteln an ihren radial zum Stator gerichteten Seiten keine Ausnehmungen für die Umfangswicklung vorgesehen sein müssen, da die Außenkeile jeweils axial neben, d. h. oberhalb und unterhalb der Umfangswicklung angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft ist es, die U-Kerne und/oder die I-Kerne aus einzelnen Blechen geschichtet sind, die insbesondere lose aneinander liegen. Dabei können preiswerte, handelsübliche Bleche verwendet werden, wie sie bei Transformatoren verwendet werden. Derartige Bleche haben einen geringen elektrischen Widerstand bei einer gleichzeitig hohen Permeabilität. Der Vorteil des losen Aneinanderliegens besteht insbesondere hinsichtlich der U-Kerne darin, dass diese leicht in eine tangentiale Richtung gebogen werden können. Dies ist hilfreich und an zumindest einer Stelle des Umfangs notwendig, um die flexible Montagestange von außen in die tangentialen Bohrungen der U-Kerne, I-Kerne und gegebenenfalls der Befestigungsmittel einzuführen.
Besonders vorteilhaft ist es des Weiteren, dass der Rotor entlang seines Umfangs eine Matrize trägt, in der Aussparungen vorgesehen sind, in denen die Permanentmagnete herausnehmbar formschlüssig einliegen. Diese konstruktive Ausgestaltung kann unabhängig von den übrigen erfindungsgemäßen Maßnahmen bei einer Transversalflussmaschine realisiert werden. Sie erleichtert das Einbringen bzw. Aufbringen der Permanentmagnete auf den Rotor. Im Falle eines Außenläufers liegt die Matrize an der Innenseite des Außenläufers umfänglich an. Im Fall eines Innenläufers liegt sie außen umfänglich auf dem Rotor auf.
Zur Positionierung von Magneten sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Gängig ist es, die Magnete fest zu verkleben oder diese in einer Bandagierung einzubinden. Diese werden jedoch meist bei niederpoligen Synchronmaschinen eingesetzt. Gerade das Bandagieren ist aufgrund des geringeren Durchmessers niederpoliger Synchronmaschinen vorteilhaft. Neben dieser Variante ist auch bekannt, dass die Magnete innerhalb des Rotors eingebettet werden. Vorrangig findet dies jedoch bei Innenläufern Anwendung. Eine weitere Variante der Magnetmontage im Außenläufer besteht darin, im Rotor Nuten einzubringen. Innerhalb dieser im Stahl gefertigten Nuten können letztlich die Magnete eingebettet werden. Das Verkleben der Magnete bringt diese unwiderruflich zusammen. Die Handhabung ist daher schwer. Zudem müssten die einzelnen Magnete nacheinander montiert werden, was sehr zeitaufwendig wäre. Eine Bandage macht aufgrund des großen Umfangs von Transversalflussmaschinen sowie allgemein bei Außenläufern technisch keinen Sinn. Der große Umfang hätte zur Folge, dass die auf den Magneten wirkende Kraft durch die Bandage sehr gering wird. Als Außenläufer wäre zudem die Konstruktion der Bandage aufwendig. Das Einbringen von Nuten im äußeren Rotor ist prinzipiell möglich. Nachteilig ist die aufwendige Herstellung der im äußeren Rand befindlichen Nuten. Zudem ist zu beachten, dass eine spätere Justierung von einzelnen Magneten bzw. dem gesamten Magnetsystem in tangentialer Richtung nicht mehr möglich ist.
Die Matrize erlaubt ein einfaches Positionieren der einzubringenden Magnete ohne aufwändige mechanische Bearbeitung des Rotors. Ein Zusammenhaften nebeneinander befindlicher Magnete kann auf diesem Wege umgangen werden. Hierdurch ist sowohl die Montage erleichtert, als dass im Betrieb auch ein „Verrutschen” in tangentialer und axialer Richtung der einzelnen Magnete verhindert werden kann, da diese formschlüssig in den Aussparungen der Matrize einliegen. Eine einfache Demontierbarkeit der einzelnen Magnete wird zudem ermöglicht. Ein flexibler Aufbau ist auf diesem Wege möglich.
Weiterhin ist es einer bei einer Transversalflussmaschine mit einem Außenläufer als Rotor, der den Stator glockenartig umgreift, von Vorteil, dass koaxial zum Stator eine Führungsstange an die Nabe des Stators angesetzt oder angeformt ist, wobei der Rotor an seiner Stirnseite einen Topf aufweist, der beim axialen Zusammenfügen oder beim Demontieren von Rotor und Stator auf der Führungsstange gleitend geführt ist. Auch diese konstruktive Ausgestaltung kann unabhängig von den übrigen erfindungsgemäßen Maßnahmen bei einer Transversalflussmaschine realisiert werden.
Die Führungsstange dient ebenfalls als Montagehilfe bei der Zusammenführung des Statorteils und Rotorteils der Maschine. Die rotorseitig eingebrachten Magnete üben eine Kraft auf den Stator aus. Bei der Zusammenführung beider Teilkomponenten muss zwingend verhindert werden, dass sich diese berühren. Die Kombination einer Führungsstange und einem darauf gleitend geführten Topf verhindert dies. Eine bisher eingesetzte Möglichkeit des Zusammenführens von Rotor und Stator bei einer permanentmagnetisierten Maschinen ist es, den Luftspalt zwischen Stator und Rotor mit einem nicht magnetisierbaren Abstandhalter, beispielsweise einem Aluminiumring auszufüllen. Eine gegenseitige Berührung des Rotors und Stators bei der Montage kann dadurch ausgeschlossen werden. Nach erfolgreicher Zusammenführung wird der hilfsweise benötigte Abstandhalter wieder aus der Maschine entfernt. Ein Nachteil dieser Technik besteht darin, dass das eingesetzte Material wieder aus der Maschine entnommen werden muss ohne eine Beschädigung innerhalb der Maschine zu hinterlassen. Dies erfordert besondere Anforderungen an der Konstruktion. Außerdem erfordert das Einbringen des Rings einen zusätzlichen Montageschritt und damit Aufwand.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung kann der Innendurchmesser des Topfes an den Außendurchmesser der Führungsstange derart passgenau angepasst sein, dass der Topf mit seiner Innenfläche zumindest teilweise auf der Führungsstange gleiten kann. In einer alternativen Ausführungsvariante ist der Topf hohlzylinderförmig ausgebildet und weist mindestens ein sich radial nach innen erstreckendes Führungsmittels auf, das gleitend an der Führungsstange anliegt. Der Topf ist Teil des Rotors und gleitet beim koaxialen Zusammenfügen von Rotor und Stator translatorisch auf der Führungsstange, beim Betrieb der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine rotatorisch um die Führungsstange. Der Rotor kann dadurch beim Zusammenfügen nicht verkanten, so dass weder seine Permanentmagnete noch Teile des Stators beschädigt werden. Das Führungsmittel kann beispielsweise ein ringförmiger Vorsprung an der Innenseite des Topfes sein, der einen Innendurchmesser einschließt, der im Wesentlichen minimal größer als der Außendurchmesser der Führungsstange ist. Vorzugsweise weist die Führungsstange eine axiale Länge auf, die mindestens der axialen Länge des magnetisch aktiven Teils des Rotors entspricht. Der magnetisch aktive Teil des Rotors ist derjenige Teil, der die Permanentmagnete trägt. Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Topf zwei oder mehr sich radial nach innen erstreckende Führungsmittel der genannten Art aufweist, die gleitend an der Führungsstange anliegen. Bei zwei Führungsmitteln können diese jeweils an den axialen Enden des Topfes angeordnet sein.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Verfahren zur Montage einer Transversalflussmaschine der vorbeschriebenen Art vorgeschlagen, mit mindestens einem Stator und einem eine Vielzahl von Permanentmagneten tragenden Rotor, wobei der Stator entlang seines Umfangs eine Vielzahl U-förmiger Kerne aus weichmagnetischem Material aufweist, wobei die Schenkel eines jeden Kerns in axialer Richtung der Transversalflussmaschine nebeneinander angeordnet sind und mit ihren offenen Schenkelenden den Permanentmagneten des Rotors radial durch einen Luftspalt beabstandet gegenüberstehen und an ihren geschlossenen Schenkelenden in eine Basis übergehen, die sich in axialer Richtung erstreckt und die Schenkel zu einem geschlossenen magnetischen Rückschluss verbindet, wobei die Kerne zwischen ihren Schenkeln eine bestrombare Umfangswicklung aufnehmen, und wobei zwischen zwei benachbarten Kernen keilförmige erste Befestigungsmittel in radialer Richtung derart kraftschlüssig eingetrieben werden, dass die Kerne tangential gegeneinander verspannt werden.
Die Verspannung der Kerne gegeneinander kann vorzugsweise dadurch erfolgen, dass einzelne der ersten Befestigungsmittel, insbesondere in Umfangsrichtung jedes zweite der ersten Befestigungsmittel, vorzugsweise jedes der zweiten Befestigungsmittel, mittels Verschraubung einer sich in radialer Richtung zur Transversalflussmaschine durch ein entsprechendes Befestigungsmittel erstreckenden Schraube in eine in den Stator, insbesondere in die Nabe, eingebrachte Gewindebohrung, an den Stator herangezogen werden. Aufgrund der Keilform der ersten Befestigungsmittel werden dadurch zwei benachbarte Kerne tangential auseinandergedrückt und drücken wiederum gegen das oder die Befestigungsmittel zwischen den in Umfangsrichtung nächsten Kernen, so dass alle Kerne gegeneinander verspannt werden.
Zwischen den offenen Schenkelenden der Schenkel der U-förmigen Kerne können I-förmige Kerne angeordnet werden, wobei zwischen den I-Kernen und den benachbarten Schenkeln keilförmige zweite Befestigungsmittel derart kraftschlüssig eingesetzt werden können, dass die I-Kerne und die jeweils benachbarten U-Kerne gegeneinander tangential verspannt werden.
Weiterhin können die U-förmigen Kerne und die I-förmigen Kerne und zumindest einige der zweiten Befestigungselemente, vorzugsweise jedes zweite der zweiten Befestigungselemente, insbesondere jedes des der zweiten Befestigungselemente jeweils durch tangentiale Bohrungen auf eine flexible Monatestange aufgefädelt werden und anschließend die übrigen, C-förmigen oder U-förmigen zweiten Befestigungsmittel zwischen die U-förmigen Kerne und I-förmigen Kerne radial getrieben werden, so dass sich auch am Außenumfang des Stators ein stabiler und robuster Halt der einzelnen Statorkomponenten ergibt.
Die genannten und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine als Außenläufervariante und der beigefügten Figuren erläutert.
Es zeigen:
1: schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Transversalflussmaschine mit U-Kernen und I-Kernen nach dem Stand der Technik
2: Schnitt entlang einer Radialebene der Drehachse einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine
3: Schnitt entlang einer Radialebene der Drehachse einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine mit Montagestange
4 einzelner Innenkeil der ersten Befestigungsmittel
5 einzelner Außenkeil der zweiten Befestigungsmittel gemäß einer ersten Ausführungsvariante mit Bohrung
6 einzelner Außenkeil der zweiten Befestigungsmittel gemäß einer zweiten Ausführungsvariante in U-Form
7 Matrize für Permanentmagnete
8a: schematische Darstellung der Zusammenfügung von Rotor und Stator bei einer Transversalflussmaschine ohne Führungselemente
8b: schematische Darstellung der Zusammenfügung von Rotor und Stator bei einer Transversalflussmaschine mit Führungselemente
Die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine 1 besteht aus mehreren technischen konstruktiven Merkmalen die im Wesentlichen den einfachen Aufbau einer Transversalflussmaschine 1 ermöglichen. Mit der vorgeschlagenen Lösung wird ein einfacher und robuster Aufbau für unterschiedlich große Bauformen ermöglicht. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine 1 ist es, dass mit herkömmlichen, auf dem Markt verfügbaren Materialien ausgekommen werden kann. Hierdurch ist auch eine Massenproduktion möglich, wobei die Maschine 1 kostengünstig gefertigt werden kann, ohne teure Werkzeuge oder spezielle Materialien zu verwenden.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einer gattungsgemäßen Transversalflussmaschine 1 als Außenläufer nach dem Stand der Technik. Gezeigt ist ein Segment eines Stators 2 mit einer Phase und ein Segment eines Rotors 3, der eine Vielzahl von Permanentmagneten 5 trägt. Die Magnete 5 sind entlang des Innenumfangs des Rotors 3 auf diesem aufgebracht. Der Stator 2 weist entlang seines Umfangs eine Vielzahl U-förmiger Kerne 4 aus weichmagnetischem Material auf, von denen lediglich exemplarisch drei solcher U-Kerne 4 in 1 gezeigt sind, da die Transversalflussmaschine 1 entlang ihres Umfangs symmetrisch ist. Die Schenkel 6 eines jeden Kerns 4 sind in axialer Richtung der Transversalflussmaschine 1 nebeneinander angeordnet und stehen mit ihren offenen Schenkelenden 7 den Permanentmagneten 5 des Rotors 3 radial durch einen Luftspalt 9 beabstandet gegenüber. An ihren geschlossenen Schenkelenden 8 gehen sie in eine Basis 10 über, die sich in axialer Richtung erstreckt und die Schenkel 6 zu einem geschlossenen magnetischen Rückschluss verbindet. Die Kerne 4 nehmen zwischen ihren Schenkeln 6 eine bestrombare Umfangswicklung 11 auf, die in 2 und 3 erkennbar ist. Zwischen den offenen Schenkelenden 7 der Schenkel 6 benachbarter U-förmiger Kerne sind I-förmige Kerne 19 angeordnet, die ebenfalls einen magnetischen Rückschluss bilden.
Ein Ausschnitt eines Schnitts entlang einer Radialebene zur Drehachse der Transversalflussmaschine 1 gemäß der Erfindung ist in 2 dargestellt. Zwischen zwei benachbarten Kernen 4 liegen keilförmige erste Befestigungsmittel 12 derart kraftschlüssig ein, dass die Kerne 4 tangential gegeneinander verspannt sind. Dies wird dadurch erreicht, dass sich durch die ersten Befestigungselemente 12 in radialer Richtung zur Transversalflussmaschine 1 eine Schraube 17 erstreckt, die in eine in die Nabe 13 des Stators 2 eingebrachte Gewindebohrung 18, siehe 3, eingeschraubt ist. Der Kopf 31 der Schraube 17 liegt dabei am radial äußeren Ende des Befestigungsmittels 12 an. Durch das Einschrauben der Schaube 17 wird das Befestigungsmittel 12 an die Nabe 13 herangezogen und die U-Kerne gegeneinander sowohl radial als auch tangential verspannt. In 2 sind alle ersten Befestigungsmittel 12 mittels Verschraubung zwischen zwei benachbarte U-Kerne 4 eingetrieben. Je weiter die Schrauben 17 eingedreht werden, desto höher ist die Verspannung. Alternativ können jedoch auch einzelne der ersten Befestigungsmittel 12, insbesondere jedes zweite der ersten Befestigungsmittel 12 nur kraftschlüssig zwischen zwei benachbarte U-Kerne 4 getrieben sein.
In 2 nicht zu erkennen ist, dass die ersten Befestigungsmittel 12 jeweils aus zwei räumlich getrennten, axial voneinander beabstandeten Innenkeilen 23 gebildet sind, wie nachfolgend noch erläutert wird. Das Funktionsprinzip der Verspannung über radial eingepresste, am Außenumfang des Stators 2 verteilte Innenkeile 12, 23 wird anhand von 2 deutlich. Die über den Umfang des Stators 2 verteilten Innenkeile 12, 23 ergeben in Ihrer Gesamtheit wieder ein geschlossenes System. Entsprechend kann eine hohe mechanische Belastbarkeit realisiert werden. Die U-Kerne 4 sind über Nuten 14 an die Nabe 13 geführt, wobei in die U-Kerne 4 mit ihrer Basis 10 in die Nuten 14 eingesetzt sind. Des Weiteren sind die U-Kerne 4 aus vielen einzelnen Elektroblechen zu einem Paket geschichtet, wobei die einzelnen Bleche lose aneinander liegen.
Zwischen den offenen Enden 7 der Schenkel 6 zweier benachbarter U-Kerne 4 ist jeweils ein I-Kern 19 angeordnet. Die I-Kerne entsprechen in der Geometrie länglichen Quadern, deren Längsachse parallel zur Drehachse der Transversalflussmaschine 1 verläuft. Auch die I-Kerne 19 sind aus einzelnen, lose einander liegenden Elektroblechen gebildet. Zwischen den I-Kernen 19 und den benachbarten Schenkeln 6 liegen keilförmige zweite Befestigungsmittel 20 derart kraftschlüssig ein, dass die I-Kerne 19 und die jeweils benachbarten U-Kerne 4 gegeneinander tangential verspannt sind.
Des Weiteren ist in 2 der Rotor 3 gezeigt, der aus einem ringförmigen Träger 30 besteht, an dessen Innenumfang eine Matrize 24 angelegt ist. Die Matrize 24 weist in Umfangsrichtung eine Vielzahl äquidistant beabstandete Ausnehmungen 25 (siehe 7) auf, in denen jeweils ein Permanentmagnet 5 einliegt. Zwischen den Permanentmagneten 5 und den offenen Schenkelenden 7 der U-Kerne 4 sowie den I-Kernen ist ein radialer Luftspalt 9 ausgebildet.
3 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Radialebene der Drehachse der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine 1 während eines Montageschritts. Die ersten Befestigungsmittel 12 sind bereits mittels Schrauben 17 in entsprechende Gewindebohrungen 18 der Nabe 13 eingeschraubt und angezogen. Die Schraube erstreckt sich dabei durch eine radial verlaufende Bohrung 32 in jedem der ersten Befestigungsmittel 12. Diese Bohrung 32 sowie die Gewindebohrung 18 sind durch gestrichelte Linien angedeutet. Ebenfalls durch gestrichelte Linien angedeutet, ist wie weit sich die einzelnen Schrauben 17 in den entsprechenden Gewindebohrungen 18 hinein erstrecken.
Jeweils zumindest ein Ende der beiden offenen Schenkelenden 7 eines jeden U-förmigen Kerns 4 und I-förmigen Kerns 19 weist eine tangentiale Bohrung 15 zur Aufnahme einer flexiblen Montagestange 16 auf. Eine Positionierung der I-Kerne wird über die eingebrachte Stange 16 erreicht, auf der die U- und I-Kerne 4, 19 aufgefädelt werden bzw. sind. Die vorstehende 3 zeigt die grundsätzliche Montage der I-Kerne 19 durch Einfügen von Außenkeilen 22a, 22b. Dabei sind zwischen den I-Kernen 19 und den benachbarten Schenkeln 6 der U-Kerne 4 keilförmige zweite Befestigungsmittel 20, 22a, 22b derart kraftschlüssig eingebracht, dass die I-Kerne 19 und die jeweils benachbarten U-Kerne 4 gegeneinander tangential verspannt sind. Die zweiten Befestigungsmittel 20 werden von den genannten Außenkeilen 22a, 22b gebildet. Wie der Figur zu entnehmen ist, wird jeweils zwischen zwei U-Kernen 4 ein I-Kern 19 eingebunden. Umrahmt ist dieser I-Kern 19 von jeweils zwei Keilen 22a, 22b, welche an diesem äußeren Umfang eingebracht werden. Die in der Figur dargestellten I-Kern-Keile 22a, 22b sind in der Mitte mit einer Öffnung 21 versehen, welche die Durchführung der Stange ermöglicht. Die Keile 22a, 22b werden gleichmäßig von außen in radialer Richtung eingeschlagen. In Analogie zur vorherigen Betrachtung wird auf diesem Wege ein Kraftschluss über den gesamten Umfang erzielt, indem alle Außenkeile 23 gleichmäßig eingeschlagen werden.
Die ersten Befestigungsmittel 12 verspannen die U-Kerne 4 jeweils im Wesentlichen an ihren Schenkeln 6 gegeneinander, da sie kurz vor der Basis 10 enden. Die ersten Befestigungsmittel 12 liegen daher in axialer Richtung oberhalb und – nicht dargestellt – unterhalb der Umfangswicklung 11.
In 3 ist durch gestrichelte Linien ferner angedeutet, dass in das offene Schenkelende 7 des oberen Schenkels 6 eines jeden U-förmigen Kerns 4 und auch die I-förmigen Kerne 19 eine tangentiale Bohrung 15 zur Aufnahme einer flexiblen Montagestange 16 aufweisen. Diese Montagestange 16 ist durch die entsprechenden Bohrungen 15 durchgefädelt und hält die I-Kerne 19 in Position. Eine derartige Montagestange ist auch an dem axial anderen Ende der I-Kerne 19 durch entsprechende tangentiale Bohrungen in den I-Kernen 19 und in den entsprechenden offenen Schenkelenden 7 der unteren Schenkel 6 eingefädelt. Auf den beiden Montagestangen sind sowohl die einzelnen I-Kerne 19 als auch die Hälfte der zweiten Befestigungsmittel 20, 22a aufgebracht. Im Anschluss werden gemäß obiger Beschreibung die zweiten Befestigungsmittel 20, 22b am Außenring eingeschlagen. Die zweiten Befestigungsmittel 20 sind jeweils aus zwei räumlich getrennten, axial voneinander beabstandeten Außenkeilen 22a, 22b gebildet.
4 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Innenkeils 23, der Teil der ersten Befestigungsmittel 12 ist und im axialen Querschnitt keilstumpfförmig ist. Der Innenkeil weist eine Bohrung 32 auf, die sich in radialer Richtung zur Maschine 1 erstreckt. Die Seitenflächen 34 des Innenkeils 23 liegen in zwei Ebenen, die sich in einem Winkel α schneiden. Die Seitenflächen 34 liegen im montierten Zustand des Innenkeils 23 an den U-Kernen 4 an.
5 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines ersten Außenkeils 22a, der Teil der zweiten Befestigungsmittel 20 ist und im axialen Querschnitt vergleichsweise schmal keilstumpfförmig ist. Der Außenkeil 22a weist eine Bohrung 21 auf, die sich in tangentialer Richtung zur Transversalflussmaschine 1 erstreckt und in die die genannte Montagestange 16 einführbar ist. Die Seitenflächen 35 des Außenkeils 22a liegen in zwei Ebenen, die sich in einem Winkel β schneiden. Die Seitenflächen 35 liegen im montierten Zustand des Außenkeils 22a an den U-Kernen 4 einerseits und an den I-Kernen 19 andererseits an.
6 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Außenkeils 22b in einer zweiten Ausführungsvariante, der Teil der zweiten Befestigungsmittel 20 ist und im axialen Querschnitt identisch dem ersten Außenkeil 22b ausgebildet ist. Dieser zweite Außenkeil 22b ist im radialen Querschnitt U-förmig derart ausgebildet, dass er im eingesetzten Zustand ein sich zur Transversalflussmaschine 1 radial nach innen öffnendes Langloch 33 aufweist. Beim einpressen dieses Außenkeils 22b wird dieser über die Montagestange 16 geschoben, so dass die Montagestange in dem Langloch 33 einliegt. Die Seitenflächen 35 des Außenkeils 22b liegen ebenfalls in zwei Ebenen, die sich in einem Winkel β schneiden. Die Seitenflächen 35 liegen im montierten Zustand des Außenkeils 22b an den U-Kernen 4 einerseits und an den I-Kernen 19 andererseits an.
7 zeigt die Matrize 24 in ebener Form. Sie weist vier parallele Reihen a1, a2, a3, a4 von Aussparungen 25, 25a auf, in die Permanentmagnete 5 eingelegt werden können. Zwei nebeneinanderliegende Reihenpaare a, b von Aussparungen nehmen jeweils die Permanentmagnete 5 von einer Phase auf. Die in 7 gezeigte Matrize 24 ist daher für eine zweiphasige Transversalflussmaschine 1 geeignet. Die Aussparungen 25 eines Reihenpaars a sind gegenüber den Aussparungen 25a des benachbarten Reihenpaars b um eine halbe Polteilung in Umfangsrichtung versetzt. Mehrerer, beispielsweise vier derartiger Matrizen können aneinandergelegt werden und sich entlang des Innenumfangs des Rotors 3 erstrecken. Die Matrize 24 dient der einfachen Positionierung der an der Innenseite des Rotors 3 aufzubringenden Permanentmagnete 5. Mithilfe der Matrize 24 können die Permanentmagnete 5 genau und schnell positioniert werden.
Die in der 7 abgebildete Matrize 24 besteht insgesamt aus vier Einzelteilen. Über den gesamten Umfang ist die Matrize 24 auf der Innenseite des Rotors 3 gelegt worden. Eine Verklebung oder ähnliches ist nicht notwendig. Lediglich über die gesamte Verspannung des Umfangs wird die Matrize 24 zunächst fixiert. Nach der Montage der Matrize 24 werden die einzelnen Magnete 5 eingefügt. Diese werden von der Matrize 24 gehalten. Weiterhin halten jedoch auch die Magnete 5 wiederum die Matrize 24 durch ihr magnetisches Haften an dem ringförmigen Träger 30. Die Magnete 5 sind lediglich auf den ringförmigen Träger 30 aufgesetzt worden. Eine Verklebung oder ähnliches ist nicht notwendig. Lediglich die Anziehungskräfte zum Eisen des Trägers 30 reichen aus, um die Magnete 5 fest und sicher zu fixieren.
8b zeigt einen Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine 1. Koaxial zum Stator 2, insbesondere zur Nabe 13 ist eine Führungsstange 26 an die Nabe 13 angeformt. Der Rotor 3 umgreift den Stator 2 glockenartig und weist an seiner Stirnseite 27 einen Topf 28 auf, der zur Verhinderung einer Berührung zwischen den Permanentmagneten 5 und den U-Kernen 4 oder I-Kernen 19 beim axialen Zusammenfügen oder beim Demontieren von Rotor 3 und Stator 2 auf der Führungsstange 26 gleitend geführt ist. Hierfür ist der Topf 28 hohlzylinderförmig ausgebildet weist zwei sich radial nach innen erstreckende Führungsmittel 29 auf, die im Wesentlichen gleitend an der Führungsstange 26 anliegen, siehe Einzelheit B. Ein Berühren des Rotors 3 und Stators 2 wird somit verhindert und der Luftspalt 9 wird über den Umfang bei der Montage konstant gehalten. Dabei werden die Permanentmagnete 5 auf Abstand zu den offenen Enden 7 der Schenkel 6 und auch der I-Kerne gehalten, siehe Einzelheit C. Die maschinenbauliche Konstruktion ist derart eng zu tolerieren, dass ein „Anhaften” des Rotors 3 am Stator 2 ausgeschlossen werden kann.
Der Topf 28 ist Bestandteil des rotierenden Teils der Maschine, wohingegen die Führungsstange 26 fest steht. Die Führungsstange 26 hat eine axiale Länge, die mindestens der axialen Länge des magnetisch aktiven Teils des Rotors 3 entspricht. Die Führungsmittel 29 sind dabei jeweils an den axialen Enden des Topfes angeordnet und durch ringförmige Vorsprünge gebildet, die sich radial zur Führungsstange hin erstrecken. Demgegenüber zeigt 8a einen Rotor 3 ohne Führungselemente. Einzelheit A veranschaulicht, dass der Rotor 3 mit seinen Permanentmagneten 5 an die Schenkelenden 7 anstößt.
Bei dem entwickelten Maschinentyp gemäß den 2 bis 8b handelt es sich um eine Transversalflussmaschine 1. Dieser Maschinetyp erlaubt es prinzipbedingt höhere Kraftdichten zu erzeugen, als dies bei herkömmlichen Maschinen der Fall ist.
Ein weiterer Vorteil der Konstruktion ist, dass diese sehr hochpolig ausgeführt werden kann, hier beispielhaft mit einer Polpaarzahl 48. Zudem wird bei der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine 1 ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Ohne die Verwendung eines Getriebes kann auf diesem Wege ein Direktantrieb erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, ein Windrad (H-Darrieus-Rotor) getriebelos anzutreiben. Für diesen Anwendungsfall ist die erfindungsgemäße Maschine ausgelegt worden. Durch den Wegfall des Getriebes kann die Ausfallwahrscheinlichkeit deutlich reduziert werden und somit das Gesamtsystem der Kleinwindkraftanlage deutlich robuster ausgeführt werden. Neben dem Anwendungsfall der Windkraftanlage sind noch viele weitere Einsatzfälle denkbar, beispielsweise als Radnabenantrieb elektrischer Triebfahrzeuge, etc.
Bezugszeichenliste

1: Transversalflussmaschine
2: Stator
3: Rotor
4: U-Kerne
5: Permanentmagnete
6: Schenkel
7: offenes Schenkelende
8: geschlossenes Schenkelende
9: Luftspalt
10: Basis
11: Umfangswicklung
12: erste Befestigungsmittel
13: Nabe
14: Nuten
15: Bohrung
16: Montagestange
17: Schraube
18: Gewindebohrung
19: I-Kerne
20: zweite Befestigungsmittel
21: tangentiale Bohrung in den zweiten Befestigungsmitteln
22a: Außenkeil mit tangentialer Bohrung
22b: Außenkeil mit Langloch
23: Innenkeil
24: Matrize
25, 25a: Aussparungen
26: Führungsstange
27: Stirnseite
28: Topf
29: Führungsmittel
30: ringförmiger Träger
31: Schraubenkopf
32: radiale Bohrung durch Innenkeil 23
33: radial offenes Langloch
34: Seitenflächen Innenkeil
35: Seitenflächen Außenkeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19780317 B4 [0004]
EP 0942517 A2 [0005]

Claims

Transversalflussmaschine (1) mit mindestens einem Stator (2) und einem eine Vielzahl von Permanentmagneten (5) tragenden Rotor (3), wobei der Stator (2) entlang seines Umfangs eine Vielzahl U-förmiger Kerne (4) aus weichmagnetischem Material aufweist, wobei die Schenkel (6) eines jeden Kerns (4) in axialer Richtung der Transversalflussmaschine (1) nebeneinander angeordnet sind und mit ihren offenen Schenkelenden (7) den Permanentmagneten (5) des Rotors (3) radial durch einen Luftspalt (9) beabstandet gegenüberstehen und an ihren geschlossenen Schenkelenden (8) in eine Basis (10) übergehen, die sich in axialer Richtung erstreckt und die Schenkel (6) zu einem geschlossenen magnetischen Rückschluss verbindet, und wobei die Kerne (4) zwischen ihren Schenkeln (6) eine bestrombare Umfangswicklung (11) aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Kernen (4) keilförmige erste Befestigungsmittel (12, 23) derart kraftschlüssig einliegen, dass die Kerne (4) tangential gegeneinander verspannt sind.
Transversalflussmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Befestigungsmittel (12, 23) jeweils aus zwei räumlich getrennten, axial voneinander beabstandeten Keilen (23) gebildet sind.
Transversalflussmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Befestigungsmittel (12, 23) die Kerne (4) jeweils zumindest teilweise an ihren Schenkeln (6) gegeneinander verspannen.
Transversalflussmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) eine Nabe (13) aufweist, in deren Außenumfang axiale Nuten (14) eingebracht sind, in denen die Kerne (4) mit ihrer Basis (10), insbesondere formschlüssig und/oder kraftschlüssig, eingesetzt sind.
Transversalflussmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (4) mindestens eine tangential zur Transversalflussmaschine (1) verlaufende Bohrung zur Aufnahme einer flexiblen Montagestange aufweisen.
Transversalflussmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der ersten Befestigungsmittel (12, 23), vorzugsweise in Umfangsrichtung jedes zweite der ersten Befestigungsmittel (12, 23), insbesondere jedes der ersten Befestigungsmittel (12, 23), jeweils eine sich in radialer Richtung zur Transversalflussmaschine (1) durch ein entsprechendes Befestigungsmittel (12, 23) erstreckende Schraube (17) aufweist, die in eine in den Stator (2), insbesondere in die Nabe (13) eingebrachte Gewindebohrung (18) eingeschraubt ist.
Transversalflussmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den offenen Schenkelenden (7) der Schenkel (6) der U-förmigen Kerne (4) I-förmige Kerne (19) angeordnet sind, wobei zwischen den I-Kernen (19) und den benachbarten Schenkeln (6) keilförmige zweite Befestigungsmittel (20, 22a, 22b) derart kraftschlüssig einliegen, dass die I-Kerne (19) und die jeweils benachbarten U-Kerne (4) gegeneinander tangential verspannt sind.
Transversalflussmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zumindest ein Ende der beiden offenen Schenkelenden (7) eines jeden U-förmigen Kerns (4) und I-förmigen Kerns (19) mindestens eine tangentiale Bohrung (15) zur Aufnahme einer flexiblen Montagestange (16) aufweist.
Transversalflussmaschine (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der ersten Befestigungsmittel (12, 23) und/oder zumindest einige der zweiten Befestigungsmittel (20, 22a, 22b) eine tangential zur Transversalflussmaschine (1) eingebrachte Bohrung (21) zur Aufnahme der Montagestange (16) aufweisen.
Transversalflussmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Befestigungsmittel (20, 22a, 22b) jeweils aus zwei räumlich getrennten, axial voneinander beabstandeten Außenkeilen (22a, 22b) gebildet sind.
Transversalflussmaschine (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der zweiten Befestigungsmittel (20, 22b) C-förmig oder U-förmig ausgebildet sind.
Transversalflussmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die U-Kerne (4) und/oder die I-Kerne (19) aus einzelnen Blechen geschichtet sind, die insbesondere lose aneinander liegen.
Transversalflussmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) entlang seines Umfangs eine Matrize (24) trägt, in der Aussparungen (25) vorgesehen sind, in denen die Permanentmagnete (5) herausnehmbar formschlüssig einliegen.
Transversalflussmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial zum Stator (2) eine Führungsstange (26) an die Nabe (13) angesetzt oder angeformt ist, wobei der Rotor (3) als Außenläufer ausgebildet ist und den Stator (2) glockenartig umgreift, und wobei der Rotor (3) an seiner Stirnseite (27) einen Topf (28) aufweist, der zur Verhinderung einer Berührung zwischen den Permanentmagneten (5) und den U-Kernen (4) oder I-Kernen (19) beim axialen Zusammenfügen oder beim Demontieren von Rotor (3) und Stator (2) auf der Führungsstange (26) gleitend geführt ist.
Transversalflussmaschine (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Topf (28) hohlzylinderförmig ausgebildet ist und mindestens zwei sich radial nach innen erstreckende Führungsmittel (29) aufweist, die gleitend an der Führungsstange (26) anliegen.
Transversalflussmaschine (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsstange (26) eine axiale Länge aufweist, die mindestens der axialen Länge des magnetisch aktiven Teils des Rotors (3) entspricht, wobei die Führungsmittel (29) jeweils an den axialen Enden des Topfes angeordnet sind.
Verfahren zur Montage einer Transversalflussmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens einem Stator (2) und einem eine Vielzahl von Permanentmagneten (5) tragenden Rotor (3), wobei der Stator (2) entlang seines Umfangs eine Vielzahl U-förmiger Kerne (4) aus weichmagnetischem Material aufweist, wobei die Schenkel (6) eines jeden Kerns (4) in axialer Richtung der Transversalflussmaschine (1) nebeneinander angeordnet sind und mit ihren offenen Schenkelenden (7) den Permanentmagneten (5) des Rotors (3) radial durch einen Luftspalt (9) beabstandet gegenüberstehen und an ihren geschlossenen Schenkelenden (8) in eine Basis (10) übergehen, die sich in axialer Richtung erstreckt und die Schenkel (6) zu einem geschlossenen magnetischen Rückschluss verbindet, und wobei die Kerne (4) zwischen ihren Schenkeln (6) eine bestrombare Umfangswicklung (11) aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Kernen (4) keilförmige erste Befestigungsmittel (12, 23) in radialer Richtung derart kraftschlüssig eingetrieben werden, dass die Kerne (4) tangential gegeneinander verspannt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der ersten Befestigungsmittel (12, 23), vorzugsweise in Umfangsrichtung jedes zweite der ersten Befestigungsmittel (12, 23), insbesondere jedes der ersten Befestigungsmittel (12, 23), jeweils mittels einer sich in radialer Richtung zur Transversalflussmaschine (1) durch ein Befestigungsmittel (12, 23) erstreckenden Schraube (17), die in einer in den Stator (2), insbesondere in eine Nabe (13), eingebrachte Gewindebohrung (18) einlieget, an den Stator (2) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den offenen Schenkelenden (7) der Schenkel (6) der U-förmigen Kerne (4) I-förmige Kerne (19) angeordnet werden, und zwischen den I-Kernen (19) und den benachbarten Schenkeln (6) keilförmige zweite Befestigungsmittel (20, 22a, 22b) derart kraftschlüssig eingesetzt werden, dass die I-Kerne (19) und die jeweils benachbarten U-Kerne (4) gegeneinander tangential verspannt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die U-förmigen Kerne (4) und die I-förmigen Kerne (19) und zumindest einige der zweiten Befestigungselemente (20, 22a, 22b), vorzugsweise jedes zweite Befestigungselement (20, 22a, 22b), jeweils durch tangentiale Bohrungen auf eine flexible Monatestange (16) aufgefädelt werden und anschließend die übrigen, C-förmigen oder U-förmigen zweiten Befestigungsmittel (20, 22a, 22b) zwischen die U-förmigen Kerne (4) und I-förmigen Kerne (19) radial getrieben werden.