DE102010046309A1

DE102010046309A1 - Hochleistungs-Synchronmotor/Generator mit transversaler Flussführung, hohem Drehmoment und kleiner Massenträgkeit

Info

Publication number: DE102010046309A1
Application number: DE201010046309
Authority: DE
Inventors: Peter Orloff
Original assignee: Helene Ortloff
Current assignee: ORTLOFF, HELENE, CH
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2011-09-29
Also published as: WO2011103869A2; WO2011103869A3

Abstract

Das Patent beschreibt eine mehrphasige Hochleistungssyncron-Maschine, mit transversaler Flussführung mit am Rotor in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten entsprechend der Polzahl und mit einer Welle oder Hohlwelle, so dass die Magnete so angeordnet sind, das von 2 Phasen ein Magnetring genutzt wird und dabei 50% Magnetmaterial einspart wird wobei gleichzeitig eine Einsparung der Flussleitmaterials stattfindet durch die Magnetkonzentratoren. Die magnetischen Flussmaterialen können durch gespritzte MIM-Technologie als grüne Materialien und gesinderte Materialien eingesetzt werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen bürstenlosen Gleichstrommotor bzw. Generator und insbesondere einen bürstenlosen hochpolige, mehrphasige Transversalfluss Generator/Motor mit Permanentmagneten, die sich auf einem Rotor befinden. Die Erfindung beschreibt einen Motor/Generator mit hohem Wirkungsgrad und hoher Effizienz. Der Hochleistungssynchron-Motor/Generator mit transversaler Flussführung, hohem Drehmoment und kleiner Massenträgheit.
Die Hochleistungssynchronmotoren haben gegenüber normalen EC-Motoren eine um 2/3 kleineren Wicklungsbedarf und durch die doppelte Nutzung der Permanentmagnete eine um 50% niedrigere Magnetmasse. Dieser Aufbau reduziert gleichzeitig die notwendigen Magnetflussleitmaterialien und damit das Gewicht. Die Transversalfluss Generatoren/Motoren mit einem doppelten Drehmoment verringern durch die Zweifachnutzung des Magnetmaterials das Volumen erheblich.
Die doppelte Kraftwirkung an einem Rotor durch das Fehlen des Leertaktes verringert den Materialbedarf deutlich. Die Materialeinsparung bei erhöhtem Wirkungsgrad erniedrigt zusätzlich das Massenträgheitsmoment. Die Erfindung betrifft rationell herstellbare Transversalfluss Motoren/Generatoren mit reduziertem Materialbedarf, deutlich verringertem Gewicht und erhöhtem Wirkungsgrad.
Hintergrund der Erfindung
Mit Transversalflussmaschinen ist es möglich, gegenüber herkömmlichen Maschinen gleichen Bauvolumens eine wesentlich höhere Drehmomentdichte zu erzielen. Dies rührt daher, dass bei Transversalflussmaschinen eine Erhöhung des Drehmomentes durch Erhöhung der Polzahl erreicht werden kann. Bei den Transversalflussmaschinen ist der magnetische Fluss im Gegensatz zu herkömmlichen elektrischen Maschinen nicht longitudinal sondern transversal gerichtet, wie der Name sagt.
Je nach Konstruktion unterscheidet man zwischen einseitigen Transversalflussmaschinen, wo nur auf einer Seite der Permanentmagnete die Wicklung umschliessenden Joche zum Führen des magnetischen Flusses angeordnet sind und zweiseitige Transversalflussmaschinen, wo beiderseits der Permanentmagnete Joche angeordnet sind.
Problemstellung
Die Aufgabe war einen preisgünstigen Motor mit hohem Wirkungsgrad und hohem Drehmoment zu entwickeln. Schwerpunkt der Entwicklungsaufgabe war es den Fertigungsprozess zu vereinfachen und die Herstellungskosten zu reduzieren. In einer Anwendung ist ein geringer Bauraum vorhanden und es wird ein hohes Drehmoment verlangt.
Anwendungen:
Die Supersynchronmotoren sind besonders zum Einbau in Rohren mit kleinem Durchmesser, ähnlich Pneumatikzylinder oder als Spindelmotoren geeignet, wobei die Länge der Motoren weniger Bedeutung hat. Wichtigstes Ziel ist möglichst eine niedrige Drehzahl mit einem hohen Drehmoment und das kein Getriebe benötigt wird.
Eine weitere Anwendung ist in Windkraftanlagen, wobei hier der Schwerpunkt auf langsamen Drehzahlen ohne Getriebe und geringeres Gewicht. Weitere Ausführungen sind Außenläufermotoren und Kleinmotoren, welche direkt mit Netzspannung betrieben werden können.
Supersynchronmotoren als Außenläufermotor zum antreiben von Tragrollen in Förderbändern usw.
Stand der Technik
Eine einseitige Transversalflussmaschine wird beispielsweise in der EP 1005136 (A1) beschrieben, wo durch eine spezielle Ausgestaltung der U-förmigen und I-förmigen Joche die Streuwege reduziert wurden, sodass der Drehschub höher ist.
Eine andere Ausführungsform einer Transversalflussmaschine, welche fertigungstechnisch einfacher herstellbar ist und zugleich einen möglichst hohen Wirkungsgrad sowie ein möglichst hohes Drehmoment besitzt, ist auch aus der DE 102006038576 bekannt.
Grundlagen
Erkauft wird das höhere Drehmoment bei Transversalflussmaschinen durch eine Konstruktion, welche aus sehr vielen Einzelteilen besteht. Durch die leicht herstellbaren Ringwicklungen und der möglichen automatisierbaren Montage der vielen Einzelteile überwiegen aber die Vorteile.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Drehmoment der Transversalflussmaschine gegenüber bekannten Konstruktionen weiter zu steigern, wobei gleichzeitig die Konstruktion möglichst nicht komplizierter und teurer werden soll. Dies hat zur Folge, dass die Konstruktionen dieser Erkenntnis angepasst werden müssen.
Entwicklungsaufgabe
Aus den genannten Gründen bestand die Aufgaben darin, elektrische Maschinen zu entwickeln, welche folgende Verbesserungen aufweisen:
niedrige Drehzahl
wird erreicht durch eine hohe Polzahl mit kleinen Wegen pro Step.
hohes Drehmoment und eine hohe Leistung pro Gewichtseinheit
wird erreicht durch eine hohe Polzahl mit kleinen Magneten
wird erreicht durch eine bessere Ausnutzung der Magnetfläche.
wird erreicht durch eine hohe Luftspaltinduktion
Hoher Wirkungsgrad bei langsamem Lauf
wird erreicht durch hohe Polzahl
einen hohen Wirkungsgrad, wenig Stromwärme- wenig Eisenverluste
ein großer Rotordurchmesser im Verhältnis zum Aussendurchmesser
Dies wird erreicht durch die doppelte Ausnutzung der Magnetfläche was einer Verdoppelung des nutzbaren Magnetfeldes entspricht. vereinfachte Produktion
wird erreicht durch Spritzgiesen von Magnetflussmaterialien
wird erreicht durch eine automatisierte Wickeltechnik
ein geringer Verdrahtungsaufwand trotz hoher Polpaarzahl
wird erreicht durch nur eine Wicklung pro Phase
Der Motor soll ein geringes Trägheitsmoment haben ein kleines Rotormassenträgheitsmoment mit einer höheren Flussstärke durch Verringerung der Magnetmasse
Der Motor soll eine höhere Leistung und Drehmoment haben Durch den kompakten Aufbau der Spule, wie Rechteck und Blech Material wird der Kupferfüllgrad erhöht und damit die Leistungsdichte.
Durch NdFeB-Magnete und den Gewinn der Magnetfläche erhöht sich der Wirkungsgrad deutlich.
Ausführung der Erfindung

• Kupferfüllgraderhöhung gegenüber runden Drähten von ca. 65% auf 96% erhöht die Leistung.
• Doppelseitiger Aufbau der Magnetstruktur bringt 100% durch Verdoppelung der nutzbaren Magnetfläche,
• Verluste entstehen durch den Widerstand der Spule, da der Widerstand durch die starke Erhöhung der nutzbaren Leitungslänge niedriger ist verringern sich die ohmschen Verluste.

Ausführungsbeispiel
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, die nur beispielhaft angegeben werden und somit die Offenbarung nicht beschränken sollen.
Zeichnung 1 zeigt einen Schnitt durch einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor/Generator wobei das Flussmaterial (1) um die Transversalspule (4), der Magnetring (2) mit Konzentratoraufbau (3) wird von beiden Phasen genutzt. Die Maschine kann als Außenläufer (5) wobei der Magnetring den Rotor darstellt. Die Maschine kann als Innenläufer ebenfalls ausgeführt werden, wobei der Magnetring oder als Scheibe, und als Welle im Inneren wirkt.
Zeichnung 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Transversalspule mit der Umhüllung für die Flüssigkeitskühlung. Wobei (1) die Litze darstellt, (2) die Umhüllung für die Flüssigkeitsführung, (3) die Zwischenräume für die Flüssigkeit.
Zeichnung 3 zeigt den möglichen Aufbau der Doppelnutzung als vereinfachte Skizze. Die Konzentratortechnik ermöglicht hierbei höhere Feldstärken.
Zeichnung 4 zeigt einen Schnitt durch einen mehrpoligen Aufbau mit (1) zwei Magnetringen und einer Scheibe (4) als Rotor. Dabei sind (2) die Magnetleitmaterialen und (3) die Transversalspulen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1005136 (A1) [0010]
DE 102006038576 [0011]

Claims

Mehrphasige Hochleistungssyncron-Maschine, mit transversaler Flussführung mit am Rotor in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten entsprechend der Polzahl und mit einer Welle oder Hohlwelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete so angeordnet sind, das von 2 Phasen ein Magnetring genutzt wird und dabei 50% Magnetmaterial einspart wird wobei gleichzeitig eine Einsparung der Flussleitmaterials stattfindet durch die Magnetkonzentratoren. Die magnetischen Flussmaterialen können durch gespritzte MIM-Technologie als grüne Materialien und gesinderte Materialien eingesetzt werden.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung des Flussleitmaterials eine Erhöhung des Magnetflußes bewirkt, Material einspart und die Ummagnetisierungsverluste klein gehalten werden.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung so ausgeführt ist das die Isolation gleichzeitig als Flussführung für ein Kühlmittel dient (z. B. Trafoöl).
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung des Skineffekts das Wicklungmaterial aus Rechtecklitze besteht.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitmaterialien aus weichmagnetischen Bändern mit Bindemittel bestehen, wobei diese mit einem Kunststoff zur Stabilisierung und Schutz umhüllt sind und der Stator mit einem wärmeleitenden Kunststoff umspritzt wird.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke in den Flussleitmaterialien durch Magnetkonzentratoren verstärkt wird.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz bei mehrphasigen Maschinen so angeordnet ist dass das Rastmoment und die Drehmomenteinbrüche sehr stark verringert sind.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass durch die gemeinsame Nutzung des Magnetrings die Kraft sich verdoppelt.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb aus 2 oder mehr miteinander verbundenen Rotorringen mit Magnetpolen besteht, die durch ihren Aufbau eine besonders große aktive und nutzbare Magnetfläche haben.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeführten Massnahmen eine Gewichtseinsparung bei Windkraftanlagen im MW-Bereich in beträchtlichem Umfang darstellen.