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Die Erfindung betrifft einen Leiterring einer als Transversalflussmaschine ausgebildeten dynamoelektrischen Maschine sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Der erfindungsgemäße Leiterring eignet sich für eine Transversalflussmaschine, die als permanenterregte oder elektrisch erregte Maschine oder als Reluktanzmaschine ausgebildet ist.
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Transversalflussmaschinen werden beispielsweise im Umfeld der Elektromobilität als Traktionsmaschine eingesetzt werden. Darüber hinaus ist aber auch eine Anwendung bei stationären Anwendungen insbesondere im industriellen Umfeld denkbar.
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Transversalflussmaschinen und insbesondere Transversalfluss-Reluktanzmotoren zeichnen sich durch eine Bauweise mit günstigen Materialien aus. Derartige Motoren erreichen bei akzeptablem Gewicht eine ausreichende Leistungsdichte und sind bei niedriger und mittlerer Drehzahl sehr drehmomentstark.
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Aus der
EP 0 799 519 B1 ist eine Transversalflussmaschine mit Leiterring bekannt, die von U-förmigen, weichmagnetischen Körpern von drei Seiten umschlossen ist, wobei ein magnetischer Kreis von weich- und/oder hartmagnetischen Teilen periodisch geschlossen wird, die durch zwei radial außerhalb der Leiterringe angeordnete Luftspalte vom jeweiligen U-förmigen, weichmagnetischen Körper getrennt sind. Ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte werden bei dieser Maschine mit geringem Herstellungsaufwand dadurch erreicht, dass die magnetisch aktiven Teile des Rotors oder Stators teilweise axial innerhalb der Enden der U-förmigen weichmagnetischen Körper angeordnet sind. Ferner zeigt die Schrift einen Radnabenantrieb mit einer dreiphasigen Transversalflussmaschine der zuvor beschriebenen Art, deren Drehmomentbildung durch Permanenterregung unterstützt wird. Ebenfalls ist dieser Schrift eine fünfphasige Transversalflussmaschine zu entnehmen, die als Reluktanzmotor ausgebildet ist.
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Generell besteht bei diesem Motorkonzept das Problem, dass typbedingt nur sehr geringe Toleranzen in der Fertigung akzeptabel sind. Dies führt zu hohen Investitionen in die Fertigung und hohen Bauteilkosten. Ferner sind Veränderungen in der Leistungsklasse derartiger Motoren oft nur durch eine vollständige Neuauslegung zu realiseren, für die neue Fertigungseinrichtungen bereitgestellt werden müssen. Damit herrscht das Bedürfnis, Herstellung und Montage noch weiter zu vereinfachen und kostengünstiger zu gestalten.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Transversalflussmaschinen durch eine verbesserte Fertigungsstrategie zu erleichtern bzw. eine einfach zu fertigende Transversalflussmaschine bereitzustellen. Gleichzeitig soll das Einsatzgebiet erweitert und dafür die Flexibilität hinsichtlich Drehmoment und Drehmomentwelligkeit verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Leiterring gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer Transversalflussmaschine mit den Verfahrensschritten gemäß Patentanspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung eines Leiterring bzw. bei der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Transversalflussmaschine handelt sich um eine fertigungsoptimierte Auslegung, die in Innen- und Außenläufer-Bauformen für jeglichen Einsatz geeignet sind. Eine besondere Eignung ergibt sich für den Einsatz als Radnabenmotor, radnaher Motor und Mittelmotor in zwei-, drei- oder vierrädrigen Fahrzeugen.
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Vorzugsweise wird ein Leiterring für jede Phase einer Transversalflussmaschine benötigt. Bei bekannten Leiterringen handelt es sich um eine vorgewickelte Phasenspule, die beispielsweise aus einem isolierten Kupferlackdraht gefertigt sein kann. Bekannt ist auch eine Ausbildung des Leiterringes als Aluminiumspule, wobei durch die Verwendung von Aluminium als Leitermaterial etwa 50 % bis 60 % an Gewicht gegenüber Kupferspulen mit gleichem ohmschen Widerstand eingespart werden kann.
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Als Primärteil wird im Folgenden, wie im Elektromaschinenbau üblich, das Element der dynamoelektrischen Maschine bezeichnet, das die felderregenden Spulen trägt. Es kann sich bei dem Primärteil also sowohl um den Stator als auch um den Rotor handeln. Damit auf eine Kontaktierung mittels Schleifringe verzichtet werden kann, bietet sich vorteilhafterweise die Gestaltung des Primärteils als Stator an. Bei einer derartigen Ausführungsform ist folglich das Sekundärteil als Rotor ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Ausführung des Leiterrings wird durch eine axiale Wicklung vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminiumflachband gebildet. MIt einer derartigen Wicklungsanordnung befinden sich die Pole seitlich entlang der gewissermaßen ringscheibenförmigen Ausbildung des Leiterringes.
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Dies hat den Vorteil, dass bei der Montage größerer Stückzahlen für kostengünstige Motoren keine aufwändige Kabelführung von radial außerhalb des Leiterringes nach innen gelegt werden muss. Vielmehr können beide Pole auf einfache Weise kontaktiert werden und zum Mittelpunkt des Motors zusammengeführt werden. Ein Verlöten oder Verschweißen der Anschlüsse ist nicht erforderlich und die Gefahr der Beschädigung der Spulenbeschichtung wird verringert.
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Ein den erfindungsgemäßen Leiterring nutzendes Primärteil wird im Folgenden erläutert: Ein derartiges als Stator wirkendes Primärteil kann durch eine axiale Stapelung von Vollkreisringen mit am Außenumfang umlaufenden und zueinander in umlaufender Richtung beabstandeten Zähnen ausgebildet sein.. Jeweils zwei axial aufeinander gestapelte Vollkreisringe werden so aneinander ausgerichtet, dass jeweils zwei Zähne so nebeneinander angeordnet sind, dass sie unter Formschluss gemeinsam ein U-förmiges Flussleitstück ausbilden.
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Ein derartig ausgebildetes Flussleitstück weist also zwei radialflussleitende Schenkeln auf, wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Schenkeln für die Aufnahme des erfindungsgemäßen Leiterringes vorgesehen ist. Zu diesem Zweck sind zwei nebeneinander anzuordnende Flussleitstückteile beispielsweise L-förmig oder T-förmig ausgebildet. Dies gewährleistet, dass zwei axial aufeinander gestapelte Vollkreisringe einen Primärkreisring ausbilden, auf welchem im wesentlichen U-förmige Flußleitstücke umlaufend ausgebildet sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausbildung weisen diese U-förmigen Flussleitstücke ein axialflussleitendes Basiselement auf, das sich je nach dem, ob zwei L-förmige Flussleitstückteile oder zwei T-förmige Flussleitstückteile aneinander anliegen, aus dem Grundabschnitt der L-Form oder aus den beiden T-Armen zweier benachbarter Flussleitstückteile ausbildet.
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Zwischen zwei derartig ausgebildeten Vollkreisringen wird der Leiterring derart angeordnet, dass die Basiselemente radial an dem Leiterring anliegen.
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Demnach befindet sich der Leiterring bestimmungsgemäß im Inneren eines vorzugsweise U-förmigen Flussleitstücks. Die radialflussleitenden Schenkel dieses U ragen über den Gesamtquerschnitt des erfindungsgemäßen Leiterrings hinaus. Das über den Leiterring hinausragende Stück jedes Schenkels dient zur Umlenkung des durch die Schenkel in erster Linie radial fließenden Flusses in einer Axialrichtung. Der axiale Fluss schließt sich somit zwischen den beiden Schenkeln über eine Luftstrecke, die radial betrachtet außerhalb des erfindungsgemäßen Leiterringes liegt. Innerhalb dieses Luftspaltes wird das Drehmoment zum Antrieb der dynamoelektrischen Maschine gebildet. Dieser Luftspalt zwischen Rotor und Stator beeinflusst direkt den Wirkungsgrad.
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Zum Aufbau einer Transversalflussmaschine wird mindestens ein Leiterring pro Phase benötigt. Entsprechend werden für eine besonders einfache Modulbauweise auch mindestens m Primärteilringe zur Ausbildung einer m-phasigen Transversalflussmaschine benötigt. Ferner ist diese Zahl mit der Polpaarzahl zu multiplizieren, sodass sich für eine m-phasige Maschine mit der Polpaarzahl p also p*m notwendige Primärteilringe und Leiterring ergeben.
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Da zur Ausbildung eines Primärteils also mehrere Primärteilringe axial aufeinandergestapelt werden, ergibt sich eine Art Baukastensystem, bei dem unter Verwendung mehrerer Primärteilringe bzw. Leiterringe verschiedene Phasenund Polpaarzahlen ermöglicht werden können. Ferner ist es auch möglich, höhere Leistungsanforderungen durch Aufeinanderstapeln mehrerer Primärteilringe derselben Phase und desselben Polpaares zu erfüllen.
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Zur Minimierung von Wirbelstromverlusten ist es vorteilhaft, Vollkreisringe aus Elektroblechpaket oder SMC (Soft Magnetic Composites) zu verwenden. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Leiterringes sind dann auch die Durchführungen in den Elektroblechpaketen kostengünstig herstellbar.
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Ein Sekundärteil der Transversalflussmaschine bildet in einer bevorzugten Ausführungsform den Rotor der Maschine, da es keine mit Strom zu versorgenden Spulen trägt.
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Handelt es sich bei der Transversalflussmaschine beispielsweise um eine permanenterregte Maschine, wären die Sekundärteilelemente mit Permanentmagneten auszubilden. Es ist aber auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine denkbar, bei der die Sekundärteilelemente lediglich als Weicheisenstücke ausgeführt sind. Bei einem solchen Maschinentyp handelt es sich um eine Transversalflussreluktanzmaschine, bei der das von der Maschine gebildete Drehmoment lediglich durch in Umfangsrichtung betrachtet wechselnde magnetische Leitwerte verursacht wird.
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Die hier vorgeschlagene Fertigung des Sekundärteils orientiert sich stark an der bekannten Fertigung eines Nadellagerkäfigs, wie sie beispielsweise in der
DE 198 81 885 C1 beschrieben wird. Hierzu wird zunächst das Sekundärteilband beispielsweise von einem Endlosband auf entsprechende Länge abgeschnitten. Die einzelnen Sekundärteilelemente, die beispielsweise aus Elektroblechen, Ferriten oder mit Kunststoff ummantelten Seltenerdmagneten gefertigt sein können, werden anschließend auf das Sekundärteilband in hoher Anzahl und mit hoher Genauigkeit positioniert. Danach wird das Sekundärteil um das Primärteil herumgebogen. Denkbar ist, dass erst beim Biegevorgang eine ausreichende formschlüssige Verbindung zwischen den Sekundärteilelementen und dem Sekundärteilband geschaffen wird, ähnlich wie es bei der bereits genannten Nadellagerkäfigfertigung der Fall ist. Die Sekundärteilelemente sind im Anschluss an diesen Fertigungsschritt radial oberhalb des Leiterrings angeordnet. Beim Drehen des Rotors bewegen sich die Sekundärteilelemente in dem Zwischenraum zwischen den Zähnen benachbarter Vollkreisringe, die im Formschluss die U-förmigen Flussleitstücke ausbilden.
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Bei der Fertigung der Transversalflussmaschine ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Primärteilringe mit den Sekundärteilringen zu Motorringen verbunden werden und diese anschließend entsprechend der Phasen- und Polpaarzahl der Transversalflussmaschine zusammengefügt werden. Hierbei wird also zunächst für jede Phase ein vollständiger Motorring gefertigt. Entsprechend einem Baukastenprinzip können nunmehr verschiedene Ausführungsformen einer Transversalflussmaschine durch Wahl einer beliebigen Anzahl von Motorringen ausgebildet werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der 1 dargestellten Ausführungsform näher beschrieben.
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Dabei zeigt 1 eine Ausschnittsdarstellung eines Leiterringes 1 mit einer axialen Wicklung vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminiumflachband. MIt einer derartigen Wicklungsanordnung befinden sich Pluspol und Minuspol 2a, 2b seitlich entlang der gewissermaßen ringscheibenförmigen Ausbildung des Leiterringes.
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Dies hat den Vorteil, dass bei der Montage größerer Stückzahlen für kostengünstige Motoren keine aufwändige Kabelführung von radial außerhalb des Leiterringes nach innen gelegt werden muss. Vielmehr können beide Pole auf einfache Weise kontaktiert werden und zum Mittelpunkt des Motors zusammengeführt werden.
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2 zeigt einen Primärteilring, der aus zwei aufeinander gestapelten Vollkreisringen ausgebildet ist. Diese sind so aneinander ausgerichtet, dass jeweils zwei Zähne nebeneinander angeordnet sind, so dass ein im wesentlichen U-förmiges Flussleitstück mit zwei radialflussleitenden Schenkeln ausgebildet ist, wobei der Zwischenraum für die Aufnahme des Leiterrings 1 vorgesehen ist. Jedes Flussleitstück umfasst vorzugsweise ein Basiselement und zwei daran angrenzende Schenkel.
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Die 2a und 2b zeigen ausschnittsweise zwei aneinanderliegende Vollkreisringe mit nebeneinander angeördneten L-förmigen bzw. T-förmigen Flussleitstückteilen. Diese L-förmige oder T-förmige Ausbildung gewährleistet unter Formschluss die im wesentlichen U-förmige Anordnung als Flussleitstück mit einem axialflussleitenden Basiselement.
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Zwischen den derartig ausgebildeten Vollkreisringen wird der Leiterring 1 derart angeordnet, dass die Basiselemente radial an dem Leiterring 1 anliegen.
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Wird der Leiterring 1 bestromt, wird ein magnetischer Fluss innerhalb des Basiselements jedes Flussleitstückes zunächst in axialer Richtung geführt und anschließend in die radiale Richtung durch die hochpermeablen Schenkel des U-förmigen Flussleitstücks geführt. Der magnetische Fluss schließt sich zwischen den Schenkeln jedes Flussleitstückes in dem über den Leiterring 1 hinausragenden Bereich.
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Mit einem Leiterring 1 und damit einem Primärteilring kann nur eine Phase einer Transversalflussmaschine bedient werden. Zur Ausbildung eines vollständigen Primärteils ist also mindestens ein Primärteilring bzw. mindestens ein Leiterring 1 pro Phase notwendig.
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Zur Ausbildung eines kompletten Primärteils werden beispielsweise mehrere Primärteilringe, umfassend jeweils einen erfindungsgemäßen Leiterring 1, axial aufeinandergestapelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterring
- 2a, 2b
- Pluspol und Minuspol
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0799519 B1 [0004]
- DE 19881885 C1 [0023]
