DE102013206017A1

DE102013206017A1 - Asynchron-Transversalflussmaschine

Info

Publication number: DE102013206017A1
Application number: DE102013206017.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Braun; Holger Rapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2014-05-22
Also published as: WO2014076054A1

Abstract

Asynchron-Transversalflussmaschine (2), aufweisend ein Rotorelement (4); wobei das Rotorelement (4) im Wesentlichen eine Scheibenform und eine Rotationsache aufweist, die senkrecht zur Scheibenform angeordnet ist; und zwei Statorelemente (6), jeweils angeordnet auf einer Seite des Rotorelementes (4) und definiert beabstandet von Rotorelement (4); wobei die Statorelemente (6) jeweils eine Statorwicklung (14) aufweisen; die Statorwicklungen (14) unterschiedliche elektrische Phase aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement (4) aus einem weichmagnetischen Material (28) aufgebaut ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Antriebstechnik in Fahrzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Transversalflussmaschine für Fahrzeuge, insbesondere Automobile. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Transversalflussmaschine in Asynchron-Ausführung sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine.
Stand der Technik
Elektromotoren, welche als Transversalflussmaschinen ausgebildet sind, zeichnen sich durch eine hohe Drehmomentdichte und damit hohe Leistungsdichte bei vergleichsweise geringem Gewicht sowie einen hohen Wirkungsgrad aus.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Transversalflussmaschine ist die Anordnung von Rotor und Stator als Scheibenläufer. In dieser Ausführungsform lässt sich die verfügbare aktive Fläche gegenüber herkömmlichen Ausführungsformen vergrößern, wodurch ein solcher Scheibenläufer-Elektromotor z.B. sehr geeignet ist für den Einsatz in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen. Bei selber Baugröße wie vergleichbare andere Motortechnologien kann dabei zum Beispiel der Einsatz von kostenintensivem Permanentmagnetmaterial reduziert werden.
Ein Beispiel für eine Transversalflussmaschine als Scheibenläufer beschreibt die Druckschrift WO 2009/115247 . Dort ist zu beiden Seiten des Rotorelementes je ein Statorelement der Transversalflussmaschine angeordnet, wobei der Rotor segmentierte Permanentmagnete aufweist, welche in einer Tragekonstruktion aus faserverstärktem Material eingebettet sind.
Eine Ausführung mit zwei Statorelementen links und rechts vom Rotorelement stellt sich auch deshalb als besonders vorteilhaft dar, da die Drehmomentanteile der einzelnen Statorelemente sich zu einem Gesamtdrehmoment aufsummieren.
Herkömmlich wird ein im Wesentlichen scheibenförmiges Rotorelement, welches beispielsweise eine Mehrzahl von Magnetelementen aufweisen kann, zu beiden Seiten von je einem Statorelement umgeben. Ein solcher Rotor ist exemplarisch in 1a dargestellt.
Das Trägermaterial des abgebildeten Rotorelementes 4 kann beispielsweise ein faserverstärkter Kunststoff, beispielsweise CFK, sein. Das Rotorelement 4 weist Aufnahmemöglichkeiten für Magnetelemente 8 auf, welche mit ihren Magnetpolen in Umfangsrichtung des Rotorelementes 4 orientiert sind. Die Magnetelemente 8 weisen dabei jeweils gleichen axialen Abstand zueinander auf, benachbarte Magnetelemente 8 zeigen jeweils mit gleichartigem Pol zueinander, sind somit in jeweils umgekehrter Richtung magnetisiert. In anderen Worten ist die Anordnung der Pole der Magnetelemente 8 alternierend.
Während in der 1a die Öffnungen zur Aufnahme der Magnetelemente 8 durchgehend dargestellt sind, ist im Detailausschnitt der 1b eine radiale Teilung der Magnetelemente 8 zu erkennen. Eine Hälfte bzw. ein Teil des jeweiligen Magnetelementes 8 liegt dabei radial außenliegend r₂, während die weitere Hälfte bzw. der weitere Teil des Magnetelementes 8 radial innenliegend r₁ angeordnet ist. Die radialen Lagen r₁/r₂ korrespondieren dabei mit denjenigen radialen Lagen r₁/r₂ der Zähne eines Statorelementes 6, wie z.B. zu 4 ausgeführt wird. Jeweils zwei gleichartig orientierte Magnetelemente 8 sind durch einen Winkelabstand 22 getrennt angeordnet. Ein andersgepoltes Magnetelement 8 liegt jeweils zwischen zwei gleichgepolten Magnetelementen 8 und weist zu diesen jeweils die Hälfte des Winkelabstandes 22 auf.
Der generelle Aufbau einer solchen Transversalflussmaschine als Scheibenläufer kann der 2 entnommen werden.
Zu beiden Seiten des Rotorelementes 4 ist jeweils ein Statorelement 6 angeordnet; die in 1a durchgehende Öffnung zur Aufnahme eines Magnetelementes 8 ist ebenfalls in 2 dargestellt. Gemäß 1b kann diese jedoch auch zweigeteilt und insbesondere im Bereich der Statorwicklungen 14 aus Trägermaterial des Rotorelementes 4 aufgebaut sein.
Der Stator kann aus weichmagnetischem Material gefertigt sein, z.B. Soft Magnetic Components (SMC) Material, gepresst und wärmebehandelt ausgeführt. Die beiden Statorwicklungen 14 der 2 sind der selben elektrischen Phase zugeordnet und sind z.B. seriell verschaltet. Um hierbei eine Rotation zu ermöglichen, sind die Statorelemente 6 gemäß 3 ausgebildet.
In 3 wird die in 2 dargestellte Anordnung von oben betrachtet und offenbart hierbei eine Winkelverschiebung des linken und des rechten Statorelementes 6 um eine Polteilung gegeneinander, was einem elektrischen Winkelabstand von 180° entspricht. Mit 22 ist in der Zeichnung die Ausdehnung eines Polpaars in Umfangsrichtung gekennzeichnet, welche sich naturgemäß stets über das Doppelte einer Polteilung erstreckt. Trägermaterial des Rotors ist in 3 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Die Statorelemente 6 weisen radial alternierende Zähne 16 auf, vgl. 4, welche in unterschiedlicher radialer Lage r₁, r₂ ausgebildet sind, beispielsweise einmal radial außenliegend r₂ und einmal radial innenliegend r₁ der Statorwicklung 14 liegend. Exemplarisch sind die radial außenliegenden r₂ Zähne 16 in 3 durchgehend gezeichnet, während die radial innenliegenden r₁ Zähne strichliert dargestellt sind. Der Abstand zwischen zwei Zähnen derselben radialen Lage r₁/r₂ ist wiederum der Winkelabstand 22, so dass der Winkelabstand zweier benachbarter, aber in radial unterschiedlicher Lage liegender Zähne den halben Winkelabstand 22 aufweist. Der halbe Winkelabstand 22 ist gleichzeitig der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Magnetelementen 8.
Für eine 1-phasige Transversalflussmaschine sind somit die beiden Statorelemente 6 auf gegenüberliegenden Seiten des Rotorelementes 4 um eine Polteilung bzw. die Hälfte des Winkelabstandes 22 versetzt angeordnet. Die Darstellung in 3 ist hierbei nicht perspektivisch, vielmehr wurde die gekrümmte, kreisförmige Ausgestaltung linear gestreckt. Aus diesem Grund ergibt sich der Winkelabstand 22 zu einer Länge.
Hierbei stellt sich dar, dass die Statorelemente 6 jeweils außerhalb und innerhalb der konzentrisch um die Achse angeordneten Statorwicklung 14 dem Rotorelement 4 zugewandte Statorzähne 16 bzw. Nuten 16 aufweisen, wobei die innerhalb der Statorwicklung 14 liegenden Nuten 16 gegenüber den außerhalb liegenden Nuten 16 desselben Statorelementes 6 jeweils um eine Polteilung versetzt sind. Die Nuten 16 sind beispielsweise auf einem radial äußeren (bezüglich der Statorwicklung 14) Ring und einem radial inneren Ring angeordnet. Zudem sind die einander gegenüberliegenden Statornuten 16 der beiden Statorelemente 6 ebenfalls um eine Polteilung gegeneinander versetzt. Hierdurch wird bei Bestromung der beiden Statorwicklungen 14 mit demselben Strom, beispielsweise aufgrund einer Reihenschaltung der Statorwicklungen 14, von beiden Statorelementen 6 dasselbe Drehmoment erzeugt, somit mögen sich die beiden Statorelement-Drehmomentanteile in idealer Weise zu einem Gesamtdrehmoment bei gleichzeitigem Erhalt einer streuungsarmen Anordnung überlagern bzw. addieren.
Die in 3 dargestellten Nuten 16 ragen von den Statorelementen 6 abstehend in den Zwischenraum zwischen Statorelementen 6 und Rotorelement 4 hinein. Denkbar ist jedoch auch, dass die Nuten 16 in einem nicht-leitfähigem Material eingebettet sind, so dass sich in Richtung des Rotorelementes 4 eine im Wesentlichen ebene, durchgehende Oberfläche der Statorelemente 6 ergibt. Insbesondere kann das nicht-leitfähige Material im Wesentlichen vollständig im Bereich zwischen Statorelementen 6 und Rotorelement 4 ausgebildet sein, soll dabei jedoch nicht die Rotation des Rotorelementes 4 einschränken.
4 zeigt eine exemplarische Ausgestaltung eines Statorelementes 6 mit Statorwicklung 14 sowie exemplarisch 60 radial alternierend ausgebildeten Nuten und radial alternierend ausgebildeten Zähnen 16, welche jeweils in einer radial äußeren r₂ Lage außerhalb der Statorwicklung 14 und einmal in einer radial innenliegenden r₁ Lage innerhalb der Statorwicklung 14 angeordnet sind. Die Zähne 16 liegen somit abwechselnd auf der ersten radialen Lage r₁ und der zweiten radialen Lage r₂. 4 stellt hierbei die Statorwicklung mit beispielhaft nur einer Windung dar, wobei auch mehrere Windungen realisierbar sind.
Das Statorelement 6 ist dabei als ein ringförmiges Kreis-Element ausgebildet, dessen Zentrum mit der Rotationsachse der elektrischen Maschine zusammenfällt. Von diesem Zentrum ausgehend ist ein erster bzw. innerer Ring von Zähnen 16 mit einem Abstand vom Zentrum entsprechend Radius r₁ ausgebildet, gemessen zur Mitte der Zähne 16. Dieser Radius r₁ entspricht damit der ersten radialen Lage r₁. Weiter radial außerhalb ist ein weiterer, zweiter bzw. äußerer Ring von Zähnen 16 mit einem Abstand vom Zentrum entsprechend Radius r₂ ausgebildet, wieder gemessen zur Mitte der Zähne 16. Dieser Radius r₂ entspricht damit der zweiten radialen Lage r₂. Zwischen dem ersten, inneren Ring von Zähnen 16 und dem zweiten, äußeren Ring von Zähnen 16, somit zwischen der ersten radialen Lage r₁ und der zweiten radialen Lage r₂ ist die Statorwicklung 14 angeordnet. Bezogen auf die Radien r₁, r₂ weist die Statorwicklung im Wesentlichen einen radialen Abstand (r₁ + r₂)/2 vom Zentrum des Statorelementes 6 auf.
Wird eine Anordnung gemäß WO 2009/115247 mit einem Wechselstrom angeregt, so verläuft das vom Statorstrom erzeugte Magnetfeld im Rotorelement in Form einer stehenden Welle. 6a zeigt eine derartige stehende Welle. Das in Umfangsrichtung verlaufende Magnetfeld bildet dabei seine Wellenbäuche zwischen den Statorzähnen und seine Knoten auf Höhe der Statorzähne aus.
Eine solche stehende Welle gemäß 6a lässt sich dabei in zwei in einander entgegengesetzter Richtung sich ausbreitenden, gleichartigen fortlaufenden Wellen aufspalten. In anderen Worten überlagern sich eine rechtsdrehende sowie eine linksdrehende um die Maschinenachse fortlaufende Welle zu einer stehenden Welle. Da es sich um eine Synchronmaschine handelt, wird die Grundfrequenz des Statorstromes stets gleich der aktuellen Maschinendrehzahl multipliziert mit deren Polpaarzahl eingestellt. Hierdurch wird erreicht, dass eine der beiden fortlaufenden Wellen, aus denen sich die stehende Welle zusammensetzt, synchron zu dem von dem Permanentmagneten im Rotorelement erzeugten Magnetfeld umläuft und zusammen mit diesem Feld ein nahezu konstantes Drehmoment erzeugt.
Die gegen die Rotordrehrichtung umlaufende Welle wiederum erzeugt ein mit der doppelten Statorgrundfrequenz pulsierendes Drehmoment, das jedoch keinen Gleichanteil aufweist und dessen Amplitude gleich dem Drehmoment ist, das durch die synchron zum Rotorelement umlaufende Magnetfeldwelle erzeugt wird.
Hierdurch resultiert in Summe ein stark pulsierendes, auf null aufsitzendes Drehmoment, wobei insbesondere im Stillstand der Maschine in manchen Winkelpositionen des Rotorelementes gar kein Drehmoment erzeugt werden kann.
Dadurch kann in manchen Winkelpositionen die Maschine nicht oder nur erschwert anlaufen. Dies lässt sich dadurch umgehen, dass beispielsweise zwei einphasige Maschinen auf einer Achse kombiniert werden und diese beiden Maschinen derart ausgebildet sind, dass sich die Wechselanteile ihrer Drehmomente möglichst gegenphasig verhalten, so dass diese Momente gegenseitig kompensierbar sind. Dies lässt sich durch die Verwendung zweier separater Rotorelemente mit zugehörigen Statorelementen auf einer Achse realisieren oder aber die Kombination der beiden Maschinen auf einem gemeinsamen Rotorelement.
Eine bevorzugte elektrische Ansteuerung eines solchen Elektromotors erfolgt somit unter Verwendung von zwei getrennten elektrischen Phasen.
Eine 2-phasige Anordnung wird in vielen praktischen Anwendungen verwendet und benötigt, um den Elektromotor in einer beliebigen Winkelposition mit einem nennenswerten Drehmoment zu beaufschlagen bzw. den Elektromotor überhaupt aus dem Stillstand sicher in eine Drehbewegung versetzen zu können.
Die WO 2009/115247 beschreibt auch Transversalflussmaschinen, ausgebildet als Scheibenläufer mit mehr als einer Phase, insbesondere mit zwei Phasen, wobei die dortigen Implementierungen jedoch als permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine ausgeführt sind.
Offenbarung der Erfindung
Im Weiteren werden sowohl mechanische als auch elektrische Winkelversätze verwendet. Mechanische Winkelversätze entsprechen dabei realen, z.B. aus einer Konstruktionszeichnung entnehmbaren oder an einer erfindungsgemäßen Anordnung messbaren Winkelversätze. Elektrische Winkelversätze bestimmen sich aus mechanischen Winkelversätzen jeweils durch Multiplikation mit der Polpaarzahl der Maschine und umgekehrt. Beispielhaft korrespondiert ein Winkel von 360° elektrisch stets mit dem mechanischen Umfangswinkel, über den sich ein Polpaar der Maschine erstreckt.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung mag somit darin gesehen werden, eine Transversalfluss-Maschine in Asynchrontechnologie ohne Permanentmagnetelemente bereitzustellen.
Demgemäß wird eine Transversalflussmaschine sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, aufweisend eine solche Transversalflussmaschine gemäß den unabhängigen Patentansprüchen, angezeigt. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Transversalfluss-Scheibenläufer in Asynchrontechnologie.
Bekannt sind bisher nur Transversalflussmaschinen mit permanent-magnetisch erregtem Rotor in Form einer Synchronmaschine, eine Ausführung als Asynchronmaschine ist hierbei nicht möglich. Dies begründet sich darin, dass das von den Statorströmen hervorgerufene Magnetfeld stets die Form einer stehenden Welle aufweist. Eine Asynchronmaschine benötigt jedoch für eine korrekte Funktion im gesamten Drehzahlbereich ein Statorfeld in Form einer fortlaufenden Welle.
In bekannten Synchronmaschinen werden Permanentmagnete verwendet, die entweder aus Werkstofflegierungen der Metalle der seltenen Erden (z.B. Ne, Feb oder SmCo) oder aber aus Ferriten hergestellt sind. Letztere sind aufgrund ihres geringen Energieproduktes (BxH) weniger geeignet, bieten jedoch Kostenvorteile. Magnete der seltenen Erden stellen sich dagegen teuer und aufwendig in der Handhabung und Verarbeitung dar, z.B. da diese Magnete sehr spröde sind und nach einem Herstellungsprozess nur aufwendig und teuer mechanisch bearbeitet werden können.
Zur Realisierung einer Transversalfluss-Asynchronmaschine wird erfindungsgemäß zunächst ein Rotorelement bereitgestellt, das keine Permanentmagnete verwendet. Vielmehr wird als motorisch aktives Bauteil ein Ring aus weichmagnetischem Material bereitgestellt. Ein solcher Ring kann im Weiteren elektrische Kurzschlusspfade aufweisen, die einen Stromfluss im Wesentlichen in axialer/radialer Richtung erlauben. Diese Kurzschlusspfade können als Kurzschlussringe auf der Oberfläche des Rotorelementes ausgebildet oder aber aus Draht gewickelt bzw. als eine Spulenwicklung ausgeführt sein. Auch denkbar sind schlauchförmige Kurzschlusspfade, die den Ring aus weichmagnetischem Material abschnittsweise umgeben. Die Anzahl der Kurzschlussringe sollte hierbei größer oder zumindest gleich der Anzahl der Statorpole eines Statorelementes sein. In Ausnahmefällen mag eine geringfügige kleinere Anzahl von Kurzschlusspfaden genügen.
Weiterhin mögen die Kurzschlusspfade nicht diskret ausgeführt werden, sondern sich dadurch ausbilden, dass im weichmagnetischen Material aufgrund dessen elektrischer Leitfähigkeit ein Stromfluss senkrecht zur Umfangsrichtung auftritt. Die Kurzschlusspfade mögen somit elektrisch leitfähig und insbesondere magnetisch nicht leitfähig sein. Die Kurzschlusspfade mögen bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sein.
Hierzu wird zunächst eine Realisierung einer 2-phasigen Ausführung eines Transversalfluss-Scheibenläufer-Elektromotors beschrieben.
Erfindungsgemäß werden zunächst die beiden Statorelemente 6, wie in 2 dargestellt bzw. deren Statorwicklungen (links bzw. rechts in 2) jeweils mit einer unterschiedlichen elektrischen Phase bestromt. Dabei dürfen die beiden Statorelemente nun nicht mehr genau um 180 elektrisch, was mechanisch einer Polteilung entspricht, gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt sein wie in 3 dargestellt, sondern benötigen eine Phasenverschiebung >0° und <180° elektrisch. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Verdrehung um 90°. Dies bedeutet einen mechanischen Winkelabstand zwischen den beiden Statorelementen 6, der von null verschieden, aber kleiner als eine Polteilung ist. Besonders vorteilhaft ist ein Winkelabstand um ½ Polteilung.
Die vorliegende Erfindung realisiert somit zunächst eine effiziente 2-phasige Ausführung einer Transversalflussmaschine, welche gleichzeitig aufgrund nur einer Rotorscheibe robust ist. Eine Reduzierung der Leistungsdichte gegenüber einer 1-phasigen Ausführung tritt nicht auf, die Statorwicklungen können wie bei einer 1-phasigen Anordnung als einfache Ringwicklungen ausgeführt werden.
Insbesondere entsprechen die beiden Statorelemente 6 im Wesentlichen einander und werden nur, wie zuvor beschrieben, verdreht gegeneinander angeordnet. Bei der 2-phasigen Ausführung werden die Statorwicklungen 14 der beiden Statorelemente 6 nicht (wie bei einer 1-phasigen Ausgestaltung) in Reihe geschaltet, sondern können separat mit Energie versorgt werden. Herkömmliche Herstellungsverfahren für Statorelemente aus SMC-Material können in gewohnter Weise verwendet werden.
Wenn in der vorliegenden Anmeldung von Nuten bzw. Zähnen gesprochen wird, so ist dies als synonymer Ausdruck bzw. Bezeichnung desselben Elements aufzufassen.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1a, b axiale Sichten auf ein Rotorelement;
2 ein exemplarisches Schnittbild einer Transversalflussmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine exemplarische Anordnung von Rotorelement und Statorelementen einer 1-phasigen Transversalflussmaschine;
4 eine exemplarische Ausgestaltung eines Statorelementes;
5 eine exemplarische Anordnung von Rotorelement und Statorelementen gemäß der vorliegenden Erfindung;
6a, b exemplarische Wellenausbildungsdiagramme gemäß der vorliegenden Erfindung; und
7a–e exemplarische Ausführungsbeispiele eines Asynchron-Maschinenrotors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Weiter Bezug nehmend auf 5 wird eine exemplarische Anordnung von Rotorelement und Statorelementen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Die Abbildung der 5 entspricht hierbei im Wesentlichen der Anordnung gemäß 3, wobei die beiden Statorelemente 6 um einem Winkelabstand 22a gegeneinander versetzt angeordnet sind. Dieser Winkelabstand 22a der Statorelemente 6 entspricht dabei nicht 180° elektrischer bzw. um eine Polteilung mechanisch gegeneinander versetzter Anordnung, sondern 90° elektrisch bzw. eine ½-Polteilung. Wenn somit eine doppelte Polteilung 22 bzw. ein Winkelabstand 22 dem Maß x entspricht, sind die Statorelemente 6 gemäß 5 um x/4 zueinander versetzt angeordnet. Zur besseren Darstellung ist die Anordnung in 5 planar dargestellt, die Ausführungen greifen aber in gleicher Weise für eine runde Anordnung.
Der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen 2-phasigen Transversalflussmaschine mit Statorelementen 6 und Rotorelement 4, entspricht der Darstellung der 2, abgesehen von dem veränderten Winkelabstand x/4 sowie der Bestromung der Ständerwicklungen 14 mit zwei Phasen anstatt mit einer Phase.
Die Statorelemente weisen wiederum eine innere und äußere Nutung, bestehend aus Zähnen 16 und zwischen benachbarten Zähnen 16 liegenden Nuten auf, welche, gemäß 5 durchgehend (radial außenliegende Zähne) sowie strichliert (radial innliegende Zähne) dargestellt ist. Dabei ist jeweils eine benachbarter äußerer und innerer Zahn um jeweils die Hälfte des Winkelabstandes 22, also um eine Polteilung gegeneinander verschoben. Jeweils eine obere und eine untere Nut bzw. die zugehörigen Zähne 16 bilden dabei zusammen ein elektrisches Polpaar des Elektromotors und bestimmen damit die mechanische Polteilung x/2 bzw. den mechanischen Winkelabstand 22 zwischen zwei Polpaaren.
Die vorliegende Erfindung realisiert die 2-Phasigkeit der Transversalflussmaschine nun derart, dass ein Statorelement gegenüber dem weiteren Statorelement verdreht angeordnet ist, jedoch maximal geringer verdreht als eine Polteilung (x/2) bzw. <180° elektrisch. Besonders vorteilhaft ist die Verdrehung um exakt 90° elektrisch, was einer Verdrehung um ½ Polteilung (x/4) entspricht.
Hieraus lässt sich nun eine 2-phasige Ausführung der Transversalflussmaschine 2 realisieren indem der Statorversatz der 5 in einer Vorrichtung gemäß 2 implementiert wird. Eine Statorwicklung 14 der 2, z.B. die links vom Rotorelement 4 dargestellte, wird somit mit einer ersten Phase bestromt, während die zweite Statorwicklung 14, beispielsweise die rechts des Rotorelementes 4 dargestellte, mit einer zweiten, unterschiedlichen Phase bestromt wird. Die Windungszahl der Statorwicklungen 14 kann beliebig sein, insbesondere auch unterschiedlich, bevorzugt jedoch gleich. Die Statorwicklungen sind, wie in 4 ausgeführt, als Ringleiter ausgebildet.
Die Statorwicklungen können auch als Hohlleiter ausgebildet sein, somit als ein Leiter mit einer innenliegenden, durchgehenden Öffnung, durch welche eine Kühlung der Anordnung realisierbar ist. So lässt sich mittels der Öffnung in Längserstreckung des Hohlleiters ein Kühlmittel, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit bzw. ein Kühlfluid oder ein gasförmiges Kühlmittel, einleiten.
Die Bestromung der Statorwicklungen von erster Phase und zweiter Phase mögen besonders vorteilhaft mit um 90° versetzten elektrischen Größen erfolgen.
Der Winkelabstand δ zwischen den beiden Statorelementen 6 kann zwischen 0 < δ < x/2, also zwischen null und einer Polteilung beliebig variiert werden, wobei lediglich die Bestromung der Statorwicklungen 6 unter Berücksichtigung des entsprechenden Winkelabstandes angepasst werden muss. Erfindungsgemäß ist auch ein Winkelabstand von x > δ > x/2, ein solcher kann aber durch einfache Umkehr der Pfeilung des Umfangswinkels wieder in einen Versatz von 0 < δ < x/2 überführt werden. Somit stellt die Ausführung mit einem Winkelabstand von x > δ > x/2 keine echte Erweiterung des Wirkungsbereichs der Erfindung dar.
Wie zuvor dargelegt, erfolgt die Bestromung der Statorwicklungen von Phase 1 und Phase 2 in besonders vorteilhafter Weise mit um 90° versetzten elektrischen Größen. Hierdurch überlagern sich im Rotorelement zwei um 90° sowohl räumlich als auch zeitlich versetzte stehende Magnetfeldwellen, wobei sich die beiden stehenden Wellen wiederum gemäß 6a jeweils aus zwei gegenläufigen, fortlaufenden Wellen zusammensetzen.
Diese Überlagerung bewirkt nun, dass sich die in einer Richtung fortlaufenden Magnetfeldwellen gegenseitig auslöschen, während die in der anderen Richtung fortlaufenden Wellen einander verstärken. Somit entsteht in Summe ein Magnetfeld in Form einer in eine definierte Richtung fortlaufenden Welle, wie dies in 6b dargestellt ist. Hierdurch realisiert sich in der Maschine ein Wanderfeld, welches zunächst zum Antrieb eines Rotorelementes einer permanent erregten Synchronmaschine verwendet werden kann. Das so erzeugte Transversalwanderfeld kann aber auch derart verwendet werden, um einen Rotor anzutreiben, der nach dem Prinzip einer Asynchronmaschine arbeitet.
Exemplarische Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Rotorelementes sind in 7a–e dargestellt.
Ein solches Rotorelement 4, insbesondere aufgrund der Anwendung in einer Scheibenläufermaschine, ist scheibenförmig ausgeführt und besteht dabei im Wesentlichen aus einem Kreisring aus weichmagnetischem Material. Beispielsweise kann hierfür massives Eisen, geblechtes Eisen, vorzugsweise aber SMC-Material verwendet werden.
Das Rotorelement 4 kann einstückig ausgeführt sein, wie in 7a dargestellt, oder aber aus mehreren getrennten Ringsegmenten 24 gemäß 7b zusammengesetzt sein.
Ein solches Ringelement 4 muss nicht als idealer Ring ausgeführt sein, sondern kann in seiner radialen Position und Ausdehnung über den Umfang hinweg variieren. Zur Verbesserung der Stabilität kann das Rotorelement beispielsweise mit Trägermaterial 30 verstärkt sein, beispielsweise mit faserverstärktem Kunststoff bandagiert sein. Bei einer Ausführung gemäß 7b aus einer Mehrzahl von Segmenten 24 mag die Aufnahme dieser Segmente 24 in eine Matrix aus z.B. kohlfaserverstärktem Kunststoff sogar notwendig sein.
Das weichmagnetische Ringelement 4 mag sich räumlich zumindest teilweise zwischen den Statorelementen 6 der 5 befinden. Ein erfindungsgemäßer weichmagnetischer Rotorring 4 sollte nun in radialer und axialer Richtung vollständig von Kurzschlussringen 26 umschlossen sein, wie in 7a–d dargestellt. Der Flächenvektor der von einem Kurzschlussring umschlossenen Fläche zeigt dabei jeweils im Wesentlichen in Umfangsrichtung. Die Kurzschlussringe 26 können entweder aus Draht als Spulenwicklung mit einer beliebigen Anzahl an Windungen bzw. besonders vorteilhaft mit einer Windung oder aber aus einem leitfähigen Material wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer hergestellt sein, das auf die Oberfläche des Rings 4 aufgebracht oder in dafür vorgesehene Nuten im Ring 4 eingebracht ist.
Bevorzugt entspricht die Anzahl der Kurzschlussringe mindestens bzw. genau der Anzahl der Pole der Statorelemente 6. Auch denkbar ist eine Ausführungsform mit einer geringfügig kleineren Anzahl von Kurzschlussringen 26. Die Kurzschlussringe 26 können in Umfangsrichtung zueinander äquidistant oder mit wechselnden Abständen angeordnet sein.
Rotiert eine Rotorscheibe 4 gemäß einer der 7a–d nun synchron zu der durch ein 2-phasiges erfindungsgemäßes Statorstromsystem hervorgerufenen Magnetfeldwelle, so fließen in den Kurzschlussringen 26 keine Ströme, somit entsteht kein Drehmoment, und die Maschine befindet sich im Leerlauf. Wird das Statorstromsystem verändert, so dass sich die dadurch verursachte Magnetfeldwelle relativ zum Rotorelement 4 verschiebt, so werden in den Kurzschlussringen Ströme induziert, die eine Veränderung der Magnetfeldwelle relativ zum Rotorelement 4 zunächst zu verhindern versuchen.
Hierdurch entsteht ein Drehmoment auf das Rotorelement 4, wobei die Magnetkräfte hauptsächlich am weichmagnetischen Werkstoff 28 angreifen und nur in geringem Maße an den Kurzschlussringen 26 selbst. Infolge des Spannungsabfalls am Ohm-Widerstand der Kurzschlussringe 26 wird in diesen eine entsprechende, geringe induzierte Spannung eingeprägt. Hierdurch verschiebt sich die Magnetfeldwelle langsam über das Rotorelement 4 hinweg in die Richtung, in die auch das Drehmoment weist.
Wird die von den Statorströmen hervorgerufene Welle nun in ihrer Frequenz derart erhöht, dass sich die Relativgeschwindigkeit der fortlaufenden Welle gegenüber dem Rotorelement 4 dieser durch die Rotorströme bedingten Schlupfgeschwindigkeit entspricht, so bleibt das Drehmoment erhalten, und die Maschine befindet sich in einem eingeschwungenen Zustand. Das Verhalten der Maschine entspricht somit sowohl in ihrem stationären wie auch in ihrem dynamischen Verhalten einer Asynchronmaschine.
Gemäß 7b ist ein Rotorelement 4 mit einem mehrstückig ausgeführten Weicheisenring dargestellt, eine derartige segmentierte Ausgestaltung ist beispielsweise einfacher montierbar. Die Kurzschlussringe 26 können wiederum als Draht ausgeführt und hierbei auch mit mehreren Windungen pro Kurzschlussring 26 ausgebildet sein. Die Kurzschlussringe 26 können aufgetrennt und mit anderen, ebenfalls aufgetrennten Ringen 26, die Strom vergleichbarer Stärke und gleicher Stromrichtung führen, in Reihe geschaltet sein.
Bei einer Ausführung mit genau einem Kurzschlussring 26 je Pol des Statorelementes 6 können die Kurzschlussringe 26 aufgetrennt und derart zu einer Rotorwicklung in Reihe geschaltet sein, dass sich die Stromrichtung in zwei benachbarten Kurzschlussringen 26 jeweils umkehrt, wodurch sich die lokale Magnetfeld umkehrt. Eine entsprechende Darstellung findet sich in den 7c und 7d, die jeweils eine Sicht von einer Seite auf die gleiche Rotorscheibe 4 darstellen. Die Kurzschlussleitung 6 stellt sich somit als eine mäanderförmig über die gesamte Umfangsfläche des Rotorelementes 4 laufende Kurzschlussleitung 26 dar.
Diese Variante des Rotorelementes 4 lässt sich auch auf Ausführungen mit mehr als einem Kurzschlussring pro Pol übertragen, indem dann benachbarte Kurzschlussringe 26 teilweise auch gleichsinnig in Reihe geschaltet werden dergestalt, dass sich im Mittel pro Pol eine Stromrichtungsumkehr ergibt. Eine solche Ausgestaltung ist exemplarisch in 7e dargestellt. Je Segment 40 ist die jeweilige Stromrichtung gleichbleibend, während sie in zwei benachbarten Segmenten 40 entgegengesetzt verläuft. Die Rückseite einer Rotorelementes 4 gemäß 7e stellt sich im Wesentlichen als geradlinige Leiterabschnitte aufweisend, vergleichbar mit 7c dar. Ist somit P die Anzahl der Pole der Statorelemente 6 und K die Anzahl der Kurzschlussringe 26, so kommt es (K-P) mal zur Reihenschaltung benachbarter Kurzschlussringe, jedoch ohne Stromrichtungsumkehr. Die Rotorleitersegmente übersteigt hierbei die Anzahl der Statorpole.
Wird der weichmagnetische Rotorring 4 aus einem elektrisch leitfähigen, massiven Material hergestellt, so kann auf die Ausbildung von Kurzschlussringen 26 auch verzichtet werden. Die Kurzschlusspfade bilden sich dann bei jeder Änderung des Magnetfeldes relativ zum Rotorelement 4 automatisch auf der Oberfläche des weichmagnetischen Ringes aus. Dabei gelten auch in Metal Injection Molding-Technik (MIM) Technik hergestellte Ringe oder Ringsegmente als massiv.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/115247 [0004, 0019, 0026]

Claims

Asynchron-Transversalflussmaschine (2), aufweisend zumindest ein Rotorelement (4), aufweisend eine Rotationsache; und zwei Statorelemente (6) je Rotorelement (4), jeweils angeordnet auf einer Seite des Rotorelementes (4) und definiert beabstandet von Rotorelement (4); wobei die Statorelemente (6) jeweils eine Statorwicklung (14) aufweisen; die Statorwicklungen (14) unterschiedliche elektrische Phasen aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement (4) aus einem weichmagnetischen Material (28) aufgebaut ist.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das weichmagnetische Material (28) des Rotorelementes (4) von zumindest einer Kurzschlussleitung (26) umgeben ist; insbesondere wobei das Rotorelement (4) von einer Mehrzahl von Kurzschlussleitungen (26) umgeben ist, wobei die Anzahl der Kurzschlussleitungen (26) mindestens einer Polzahl der Statorelemente (6) entspricht.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine Kurzschlussleitung (26) das Rotorelement (4) in Umfangsrichtung umgibt; insbesondere wobei die Gesamtheit der Mehrzahl von Kurzschlussleitungen (26) das Rotorelement (4) umgibt.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rotorelement (4) aus einer Mehrzahl von Segmenten (24) ausgebildet ist.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Statorwicklungen (14) als ringförmiger Stromleiter ausgebildet sind; und/oder wobei zumindest eine der Statorwicklungen (14) als ein Hohlleiter ausgebildet ist.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest auf der dem Rotorelement (4) zugewandten Seite jedes der Statorelemente (6) eine Mehrzahl von Nuten (16) ausgebildet ist, wobei die Nuten (16) abwechselnd zumindest eine erste radiale Lage (r₁) und eine zweite radiale Lage (r₂) aufweisen; wobei die Nuten (16) gleicher radialer Lage (r₁/r₂) eines Statorelementes (6) jeweils einen Winkelabstand (22) aufweisen; wobei die Statorelemente (6) je Rotorelement (4) um einen Winkelabstand (22a) zueinander versetzt sind, wobei der Winkelabstand (22a) der Statorelemente (6) ungleich 180° elektrischer Phasenversatz ist.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Statorelemente (6) im Wesentlichen baugleich ausgeführt sind.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Winkelabstand (22a) größer 0° und kleiner 180° elektrischem Phasenversatz beträgt, insbesondere wobei der Winkelabstand (22a) genau 90° elektrischem Phasenversatz beträgt.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Unterschied der elektrischen Phasen der Statorwicklungen (14) 90° beträgt.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Kurzschlussleitung (26) als Draht, als Spulenwicklung oder schlauchförmig ausgeführt ist.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Kurzschlussleitungen (26) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei die Enden der Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Durchflussrichtung der Kurzschlussleitungen (26) innerhalb eines Statorpols gleich ist und beim Übergang in den nächsten Statorpol wechselt, wobei insbesondere die Enden der zumindest einen Kurzschlussleitung (26) miteinander verbunden sind.
Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen zwei Segmenten (24) in Umfangsrichtung gesehen jeweils gleich oder unterschiedlich ausgeführt ist.
Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rotorelement (4) und/oder die Statorelemente (6) eine Scheibenform aufweisend ausgebildet sind.
Transversalflussmaschine (2) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nuten (16) in einem nicht-leitfähigem Material eingebettet sind, insbesondere wobei das nicht-leitfähige Material im Wesentlichen vollständig im Bereich zwischen Statorelementen (6) und Rotorelement (4) ausgebildet ist, ohne die Rotation des Rotorelementes (4) einzuschränken.
Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, aufweisend eine Asynchron-Transversalflussmaschine (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.