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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere Transversalflussmaschinen, mit einem mit Permanentmagneten versehenen Scheibenrotor. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zum Reduzieren von Eigenschwingungs- und Geräuschentwicklungen in elektrischen Maschinen.
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Stand der Technik
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Als Transversalflussmaschinen ausgebildete elektrische Maschinen zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte bei einem vergleichsweise geringen Gewicht aus.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 2009/115247 A1 eine Transversalflussmaschine mit einem Scheibenrotor bekannt. In eine Rotorscheibe des Scheibenrotors sind in konstantem Abstand von einer Drehachse Permanentmagnete eingebettet, die in Umfangsrichtung magnetisiert sind. Benachbarte Permanentmagnete sind zueinander entgegengesetzt magnetisiert, so dass die einander zugewandten Pole zweier benachbarter Permanentmagnete jeweils gleichartig sind. Die Feldlinien zwischen diesen gleichartigen Polen werden damit so überlagert, dass ein sich in axialer und radialer Richtung von dem Polzwischenraum ausbreitendes Rotormagnetfeld erzeugt wird.
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Der Scheibenrotor wird axial zwischen zwei Statoreinheiten angeordnet, die jeweils eine konzentrisch um eine Motorachse verlaufende Statorwicklung aufweisen. Zu jeder der Statorwicklungen radial nach innen und außen versetzt weist jede der Statoreinheiten sich in Umfangsrichtung erstreckende und in Richtung des Scheibenrotors hervorstehende innere und äußere Statorzähne auf. Die äußeren und inneren Statorzähne weisen den jeweils gleichen Winkelabstand zueinander auf, der dem Abstand von zwei einander benachbarten Permanentmagneten im Scheibenrotor entspricht. Weiterhin sind die äußeren und inneren Statorzähne jeder der Statoreinheiten in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet.
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Bei der Bestromung der Statorwicklung einer Statoreinheit mit einem Gleichstrom werden alle äußeren und alle inneren Statorzähne gleichartig magnetisiert. Die Bestromung der jeweiligen Statorwicklung erfolgt entsprechend der Rotorlage des Scheibenrotors. Die Frequenz des an die Statorwicklungen angelegten pulsierenden Statorstroms entspricht dabei der mit der Polpaarzahl multiplizierten Drehzahl des Scheibenrotors. Da sich in Umfangsrichtung stets ein innerer und ein äußerer Statorzahn abwechseln, kommt es über den Umfang hinweg betrachtet zu einer Folge von wechselweise angeordneten magnetischen Nord- und Südpolen. Auf die Magnetpole des Scheibenrotors wirkt nun in Richtung des in Umfangsrichtung am nächsten gelegenen Magnetpols der Statoreinheiten mit entgegengesetzter Magnetisierung eine Kraft. So kann ein von der Rotorposition sowie vom Betrag und Vorzeichen des Statorstroms abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
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Bei dieser Betriebsweise entstehen neben den drehmomentbildenden pulsierenden Kräften in Umfangsrichtung, die den Scheibenrotor antreiben, auch erhebliche Kräfte in axialer Richtung auf die Statorzähne und die Permanentmagnete des Scheibenrotors. Diese pulsierenden axialen Kräfte können insbesondere in den Statoreinheiten Biegeschwingungen erzeugen. Entspricht die Frequenz dieser Schwingungen, die üblicherweise der mit der doppelten Polpaarzahl multiplizierten Drehzahl der elektrischen Maschine entspricht, einer mechanischen Resonanzfrequenz der Statoreinheiten bzw. des Scheibenrotors, so kommt es üblicherweise zu einer erheblichen Geräuschentwicklung.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine, insbesondere eine Transversalflussmaschine mit Scheibenrotor, zur Verfügung zu stellen, bei der die Entstehung von Eigenschwingungen und Betriebsgeräuschen reduziert bzw. vermieden werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Statoreinheit für eine Transversalflussmaschine gemäß Anspruch 1 sowie durch den Scheibenrotor und die Transversalflussmaschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Statoreinheit für eine Transversalflussmaschine mit einem Rückschlussbereich mit in einer inneren und einer dazu konzentrischen äußeren Statorzahnreihe angeordneten hervorstehenden Statorzähnen vorgesehen, wobei die Statorzähne so ausgebildet sind, dass die Statorpole mindestens einer der Statorzahnreihen ungleichmäßig voneinander beabstandet sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Scheibenrotor für eine Transversalflussmaschine mit einer Rotorscheibe, in der tangential polarisierte Permanentmagnete angeordnet sind, vorgesehen. Gleichartige Magnetpole sind gegeneinander gerichtet, wobei die Rotorscheibe Rotorpole ausbildet, die ungleichmäßig voneinander beabstandet sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Transversalflussmaschine mit einer oder zwei der obigen Statoreinheiten und dem obigen Scheibenrotor vorgesehen, wobei die Statorzahnreihen koaxial zu dem Scheibenrotor angeordnet sind.
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Eine Idee der obigen Transversalflussmaschine bzw. der Statoreinheit und des Scheibenrotors besteht darin, durch Variation der Geometrie der Anordnung der Permanentmagnete in dem Scheibenrotor und/oder der Geometrie der Anordnung der Statorzähne an den Statoreinheiten die bei herkömmlicher Ausbildung einheitlichen und zueinander zeitlich synchronen Kraftverläufe an den einzelnen Statorzähnen bzw. den einzelnen Permanentmagneten des Rotors voneinander verschieden und/oder zeitlich zueinander versetzt auftreten zulassen. Dadurch werden die Pulsationen der axialen Kräfte verzerrt und deren Maxima im Vergleich zu einer herkömmlichen Transversalflussmaschine abgeschwächt. Zudem wird eine einheitliche Schwingungsanregung der Statorelemente an allen Statorzähnen bzw. des Rotors an allen Permanentmagneten vermieden, wodurch dem Auftreten von Resonanzen entgegen gewirkt wird. Weiterhin wird der Oberwellenanteil der axialen Kräfte derart verändert, dass sich dessen Energieanteil über einen größeren Frequenzbereich verteilt. Auf diese Weise kann eine Anregung von Maschinenkomponenten bei einer Frequenz, die zu erheblichen Geräuschentwicklungen führt, vermieden werden.
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Weiterhin können für die Statoreinheit die Breiten von mindestens zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen in der inneren, der äußeren oder in beiden Statorzahnreihen variieren.
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Es kann vorgesehen sein, dass für die Statoreinheit die Abstände zwischen mindestens zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen in der inneren, der äußeren oder in beiden Statorzahnreihen variieren.
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Weiterhin können für die Statoreinheit die Querschnittsgeometrien von benachbarten Statorzähnen in der inneren, der äußeren oder in beiden Statorzahnreihen variiert sein.
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Weiterhin kann für den Scheibenrotor die tangentiale Länge von zwei benachbarten Permanentmagneten variieren.
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Gemäß einer Ausführungsform können für den Scheibenrotor die Abstände zwischen jeweils zwei benachbarten Permanentmagneten variieren.
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Es kann vorgesehen sein, dass für den Scheibenrotor in einem oder mehreren der Zwischenräume zwischen jeweils zwei benachbarten Permanentmagneten Flussleitelemente so angeordnet sind, dass sich unterschiedliche Abstände zwischen jeweils zwei benachbarten Rotorpolen ergeben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a und b Querschnittsdarstellungen einer Transversalflussmaschine mit einem Scheibenrotor mit variabler Permanentmagnetgeometrie; und
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2 eine Querschnittsdarstellung einer Transversalflussmaschine mit variabler Statorzahngeometrie.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die 1a und 1b zeigen Querschnittsdarstellungen einer herkömmlichen Transversalflussmaschine 1 mit einem Scheibenrotor 2. Die Transversalflussmaschine 1 umfasst zwei Statoreinheiten 3, zwischen denen der Scheibenrotor 2 drehbeweglich um eine Drehachse angeordnet ist.
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Der Scheibenrotor 2 ist aus einem magnetisch und elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet, wie beispielsweise aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff oder dergleichen, und enthält eingebettete Permanentmagnete 4. Die Permanentmagnete 4 sind in Umfangsrichtung R voneinander beabstandet angeordnet. Die Polarisierung der Permanentmagnete 4 ist in Umfangsrichtung ausgerichtet, wobei die Polarisierungen von jeweils zwei benachbarten der Permanentmagnete 4 zueinander entgegengesetzt sind, so dass gleichartige Magnetpole jeweils einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die einander gegenüberliegend angeordneten Magnetpole der Permanentmagnete 4 bilden ein resultierendes Magnetfeld aus, das sich von dem Bereich zwischen jeweils zwei Magnetpolen der Permanentmagnete 4 in radialer und axialer Richtung erstreckt.
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Die Statoreinheiten 3 sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei der Scheibenrotor 2 frei drehbeweglich so zwischen den Statoreinheiten 3 angeordnet ist, dass die durch die Permanentmagnete 4 ausgebildeten Rotorpole zwischen Statorzähnen 31 der Statoreinheiten 3 verlaufen. Die Statorzähne 31 sind an einem Statorkörper 35 aus magnetisch leitfähigem Material angebracht bzw. einstückig mit diesem ausgebildet. Die Statorzähne 31 sind jeweils von dem Statorkörper 35 hervorstehend, d. h. als Vorsprünge, ausgebildet. Jede der Statoreinheiten 3 weist jeweils eine sich in Umfangsrichtung erstreckende (radial) innere Reihe 33 und eine (radial) äußere Reihe 32 von Statorzähnen 31 auf. Zwischen den inneren Reihen 33 und den äußeren Reihen 32 von Statorzähnen 31 jeder der Statoreinheiten 3 ist eine Statorwicklung 34 vorgesehen, die konzentrisch um die Drehachse des Scheibenrotors 2 angeordnet ist.
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Wie in 1a dargestellt ist, sind die Statorzähne 31 der äußeren Statorzahnreihe 32 und die Statorzähne 31 der inneren Statorzahnreihe 33 jeder der Statoreinheiten 3 in Umfangsrichtung angeordnet. Weiterhin sind die Statorzähne 31 der äußeren Statorzahnreihen 32 der beiden Statoreinheiten 3 und die Statorzähne 31 der inneren Statorzahnreihen 33 der Statoreinheiten 3 in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet. Dadurch ergibt sich bezüglich jeder Statoreinheit 3 bei einer Bestromung der jeweiligen Statorwicklung 34 eine erste magnetische Polarisierung der Statorzähne 31 der äußeren Statorzahnreihe 32 und eine zweite entgegengesetzte magnetische Polarisierung der Statorzähne 31 der inneren Statorzahnreihe 33. Man erkennt, dass für die einander gegenüberliegenden Statoreinheiten 3 jedem der Statorzähne 31 eine entsprechende Vertiefung zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 31 der jeweils in axialer Richtung gegenüberliegenden Statoreinheit 3 gegenüberliegt.
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Die Feldlinien im Luftspalt, die sich aus der Überlagerung der von den Permanentmagneten 4 im Scheibenrotor 2 und von den Statorwicklungen 34 in den Statoreinheiten 3 erzeugten Magnetfelder ergeben und die die Bildung des Motormoments verursachen, verlaufen im Wesentlichen in axialer bzw. leicht geneigt zur axialen Richtung, also quer zur Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 4.
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Die Bestromungen der Statorwicklungen 34 der gegenüberliegenden Statoreinheiten 3 sind stets zueinander entgegengesetzt vorgesehen. Da in Umfangsrichtung stets ein Statorzahn 31 der inneren Statorzahnreihe 33 und ein Statorzahn 31 der äußeren Statorzahnreihe 32 wechselweise angeordnet sind, kommt es in der Umfangsrichtung zu einer abwechselnden Aneinanderreihung von magnetischen Nord- und Südpolen. Die durch die Permanentmagnete 4 des Scheibenrotors 2 ausgebildeten Magnetpole werden nun in Umfangsrichtung zu dem am nächsten gelegenen magnetischen Pol der Statorzähne 31 gezogen, der eine jeweils entgegengesetzte Polarisierung aufweist. Somit kann ein von der Rotorposition sowie von dem Vorzeichen und Betrag des Stroms durch die Statorwicklungen 34 abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
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Wie in 1a dargestellt ist, variieren die tangentialen Längen der Permanentmagnete 4 in Umfangsrichtung. Durch die einander zugewandten gleichartigen Magnetpole werden sich in radialer und axialer Richtung erstreckende Rotormagnetpole ausgebildet, die einen variierenden Abstand zueinander aufweisen.
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Allgemein können Rotormagnetpole mit variierendem Abstand durch eine oder eine Kombination der folgenden Maßnahmen erreicht werden:
- – Variation der tangentialen Länge von zwei benachbarten Permanentmagneten 4;
- – Variation der Abstände zwischen jeweils zwei benachbarten Permanentmagneten 4; und
- – Anbringen von Flussleitelementen in einem oder mehreren der Zwischenräume zwischen jeweils zwei benachbarten Permanentmagneten 4, so dass die Abstände zwischen jeweils zwei benachbarten Rotorpolen unterschiedlich sind.
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In 2 ist eine Querschnittsdarstellung einer Transversalflussmaschine 1 gezeigt, bei der die Statorzähne 31 eine variierende Geometrie, unterschiedliche tangentiale Breiten in Umfangsrichtung und unterschiedliche Abstände in Umfangsrichtung zueinander aufweisen. Dadurch werden Statorpole ausgebildet, die einen variierenden Abstand zueinander aufweisen. Die unterschiedlich beabstandeten Statorpole können unabhängig davon vorgesehen werden, ob der Scheibenrotor 2 ebenfalls mit unterschiedlich beabstandeten Rotorpolen ausgebildet ist oder nicht. Allgemein können die Statorpole mit variierendem Abstand durch eine oder eine Kombination der folgenden Maßnahmen erreicht werden:
- – Variation der in Umfangsrichtung gemessenen Breite von mindestens zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen 31 in der inneren, der äußeren oder in beiden Statorzahnreihen 32, 33;
- – Variation der Abstände zwischen mindestens zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen 31 in der inneren, der äußeren oder in beiden Statorzahnreihen 32, 33; und
- – Variation der Querschnittsgeometrien von benachbarten Statorzähnen 31 in der inneren, der äußeren oder in beiden Statorzahnreihen 32, 33.
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Die obigen Maßnahmen können sowohl für die Statorzähne 31 einer der Statoreinheiten 3 als auch für die Statorzähne 31 beider Statoreinheiten 3 angewandt werden. Ziel ist es, das sich zwischen den Statorzähnen 31 ausbildende Statormagnetfeld entlang der Umfangsrichtung mit variierenden Magnetfeldausprägungen vorzusehen, um in Bewegungsrichtung der Permanentmagnete 4 bei einem sich drehenden Scheibenrotor 2 einen Verlauf der resultierenden axialen Kräfte zu erreichen, der von Statorzahn zu Statorzahn und damit auch von Rotorpol zu Rotorpol variiert, um so die zur Schwinganregung bereitstehende Anregungsenergie über einen großen Frequenzbereich zu verteilen. Dadurch können Schwinganregungen bei bestimmten Frequenzen, wie beispielsweise bei Resonanzfrequenzen der Statoreinheiten 3 bzw. des Scheibenrotors 2, verringert bzw. vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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