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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere Transversalflussmaschinen mit Scheibenrotoren. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zum Verringern von Drehmomentschwankungen von elektrischen Maschinen, insbesondere von Transversalflussmaschinen.
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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. 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 Feld 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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Die bei den Transversalflussmaschinen der obigen Druckschrift verwendeten Statorzähne bewirken aufgrund der konstruktionsbedingt gleichen Anzahl von Rotorpolen sowie entlang eines Umfangs angeordneter Statorzähnen im Betrieb eine ausgeprägte Drehmomentschwankung, die zudem eine erhöhte Geräuschentwicklung im Betrieb hervorruft.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Transversalflussmaschine zur Verfügung zu stellen, die im Betrieb reduzierte Drehmomentschwankungen aufweist.
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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 die Transversalflussmaschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch 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 vorgesehen, von dem in einer inneren und einer dazu konzentrischen äußeren Statorzahnreihe von dem Rückschlussbereich in axialer Richtung hervorstehende Statorzähne angeordnet sind, wobei mindestens einer, mehrere oder alle Statorzähne eine dem Rückschlussbereich abgewandte Oberseite jeweils mit einer periodischen Kontur versehen sind, die mehrere lokale Maxima in einer dem Rückschlussbereich abgewandten Richtung aufweist. Die Maxima sind beispielsweise durch Vorsprünge oder vorstehende Elemente gebildet.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Querschnittsgeometrie der Statorzähne (quer zur radialen Richtung) in einer von der Trapezform abweichenden Form auszubilden, um Oberschwingungen zu vermeiden und so einen oberschwingungsärmeren Magnetfeldlinienverlauf im Luftspalt zwischen den Statorzähne und dem Scheibenrotor zu erreichen. Dies ermöglicht eine erhebliche Erhöhung der Leistungsdichte. Für den Scheibenrotor kann zudem aufgrund geringerer mechanischer Belastung der Permanentmagnete ein einfacherer Aufbau gewählt werden. Des Weiteren können Wirbelstromverluste in den Rotormagneten reduziert werden, so dass auf eine etwaige Segmentierung der Rotormagneten verzichtet werden kann.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Statorzähne mit gegenüber trapezförmigen Statorzähnen variierter Geometrie in einfacherer Weise aus gepresstem SMC-Pulver (SMC = Soft Magnetic Compound) hergestellt werden können, da bei sinusförmiger bzw. gezackter Statorzahnkontur deutlich reduzierte Presskräfte möglich sind.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Konturierung der Kontur in Umfangsrichtung der ringförmigen Statorzahnreihen verläuft und insbesondere sich gleichförmig in radialer Richtung erstreckt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Anzahl der Maxima drei oder eine ungerade Anzahl größer als drei beträgt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Kontur sich wiederholend ausgebildet sein. Insbesondere kann die Kontur eine Sägezahnstruktur oder eine sinusförmige Struktur aufweisen.
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Insbesondere können mindestens einer, mehrere oder alle Statorzähne einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt bezüglich der radialen Richtung aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Kontur stegförmigen sich in radialer Richtung erstreckenden Vorsprüngen an der Oberseite entsprechen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Transversalflussmaschine mit einer oder zwei der obigen Statoreinheiten vorgesehen, wobei die Statoreinheiten jeweils mit einer Statorwicklung versehen sind und wobei an der bzw. den Statoreinheiten axial versetzt ein drehbarer Scheibenrotor angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einer Steuereinheit und der obigen Transversalflussmaschine vorgesehen, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um die mindestens eine Statorwicklung mit einem Statorstrom mit einer Stromform anzusteuern, deren zeitlicher Verlauf der geometrischen Kontur der betreffenden Statorzähne entspricht.
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Weiterhin können die Statorzähne jeweils eine Sinuskontur als Kontur aufweisen, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um die Transversalflussmaschine mit sinusförmigen Statorströmen anzusteuern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben der obigen Transversalflussmaschine vorgesehen, wobei die mindestens eine Statorwicklung mit einem Statorstrom mit einer Stromform angesteuert wird, deren zeitlicher Verlauf der geometrischen Kontur der betreffenden Statorzähne entspricht.
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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 gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine Darstellung einer Kontur der Statorzähne für eine Transversalflussmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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3a und 3 Ansichten einer Kontur der Statorzähne für eine Transversalflussmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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4 eine Darstellung einer Kontur der Statorzähne für eine Transversalflussmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
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5 eine Darstellung einer Kontur der Statorzähne für eine Transversalflussmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die 1a und 1b zeigen Querschnittsdarstellungen einer 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 U voneinander beabstandet angeordnet. Die Polarisierung der Permanentmagnete 4 ist in Umfangsrichtung U ausgerichtet, wobei die Polarisierungen von jeweils zwei benachbarten der Permanentmagnete 4 zueinander entgegengesetzt sind, so dass jeweils gleichartige Magnetpole einander zugewandt angeordnet sind. Die einander zugewandt angeordneten Magnetpole der Permanentmagnete 4 bilden ein resultierendes Magnetfeld aus, das sich von dem Bereich zwischen jeweils zwei Magnetpolen der Permanentmagnete 4 in radialer R und axialer Richtung A 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, wobei der Statorkörper 35 einen magnetischen Rückschlussbereich bildet. 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 U erstreckende (radial) innere Reihe 33 und eine (radial) äußere Reihe 32 von Statorzähnen 31 auf, die zueinander konzentrisch sind. 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 U angeordnet. Weiterhin sind die Statorzähne 31 der äußeren Statorzahnreihen 32 der beiden Statoreinheiten 3 und die Statorzähne 31 der innere Statorzahnreihen 33 der Statoreinheiten 3 in Umfangsrichtung U 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 inneren Statorzahnreihe 33 der Statorzähne 31. Man erkennt, dass für die einander gegenüberliegenden Statoreinheiten 3 jedem der Statorzähne 31 eine entsprechende Vertiefung bzw. ein entsprechender Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 31 der jeweils in axialer Richtung A 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 A, also quer zur Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 4.
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Die Bestromungen der Statorwicklungen 34 der einander gegenüberliegenden Statoreinheiten 3 sind in der Regel zueinander entgegengesetzt vorgesehen. Da in Umfangsrichtung U stets ein Statorzahn 31 der inneren Statorzahnreihe 33 und ein Statorzahn 31 der äußeren Statorzahnreihe 32 wechselweise angeordnet sind, kommt es in der Umfangsrichtung U bezüglich beider Statorzahnreihen 32, 33 zu einer abwechselnden Aneinanderreihung von magnetischen Nord- und Südpolen. Durch die durch die Permanentmagnete 4 des Scheibenrotors 2 ausgebildeten Magnetpole wirkt nun in Umfangsrichtung U in Richtung des am nächsten gelegenen magnetischen Pols der Statorzähne 31, der eine jeweils entgegengesetzte Polarisierung aufweist, eine Kraft. Somit kann ein von der Rotorposition und von dem Vorzeichen und Betrag des Stroms durch die Statorwicklungen 34 abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
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In 1a weisen die vorstehenden Statorzähne 31 quer zur radialen Richtung R eine Sinuskontur auf, bei das Maß des Hervorstehens entlang der Umfangsrichtung einer Sinusfunktion folgt. Die Sinuskontur steht somit von dem Statorkörper 35 (Rückschlussbereich) in axialer Richtung hervorsteht. Die Sinuskontur ermöglicht eine Ansteuerung der Transversalflussmaschine 1 mit sinusförmigen Statorströmen, wobei nur ein sehr geringer Anteil von Oberwellen entsteht.
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Die Ansteuerung kann, wie in dem Diagramm der 2 dargestellt ist, mithilfe einer Steuereinheit 11 erfolgen, die eine Inverterschaltung 12 in geeigneter Weise ansteuert, so dass eine Formung der Statorspannungen bzw. Statorströme erfolgen kann. Die Steuereinheit 11 erhält dazu eine Vorgabe V, die eine Angabe über ein gewünschtes Solldrehmoment enthält. Die Inverterschaltung 12 kann als eine H-Brückenschaltung oder dergleichen ausgebildet sein.
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Allgemein können Statorzahnkonturen an dem Rückschlussbereich 35 gegenüberliegenden Oberseiten 38 der Statorzähne 31 geometrisch entweder der gewünschten Stromform angepasst werden oder aber die Ausführung wird so gewählt, dass möglichst nur sehr geringe Drehmomentschwankungen an der Abtriebswelle bzw. auf den Scheibenrotor 2 wirken. Die Stromform in den Statorwicklungen 34 wird dabei durch die verwendete Steuereinheit 11 und das darin implementierte Modulations- oder Regelverfahren bestimmt.
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In den 3a und 3b sind eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf die Oberseite 38 der Statorzähne 31 bei einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Die 3a zeigt eine Kontur der Statorzähne 31 anhand einer Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts zweier gegenüberliegender Statoreinheiten 3. Die Statorzähne 31 weisen im Wesentlichen eine rechteckige Form auf, deren zum Scheibenrotor 2 gerichtete Oberseite 38 mit einem Profil einer, insbesondere gleichförmigen, Sägezahnkontur versehen ist. Die Sägezähne erstrecken sich dabei insbesondere stegförmig in radialer Richtung R, wobei sich die Konturierung in Umfangsrichtung U erstreckt.
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Die Sägezahnkontur erhöht die Frequenz der durch den Statorzahn 31 bewirkten Oberwellen, so dass die Auswirkungen auf Drehmomentschwankungen und die Geräuschentwicklung reduziert sind. Die Ansteuerung einer Transversalflussmaschine 1 mit derartig ausgebildeten Statorzähnen 31 erfolgt in der Regel durch pulsierende Statorspannungen bzw. -ströme, da die Grundstruktur der Statorzähne 31 rechteckig ist. Die Anzahl der Maxima der Sägezahnkontur kann frei gewählt werden und beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel fünf. Im Prinzip kann jede Anzahl von Maxima der Sägezahnkontur pro Statorzahn 31 gewählt werden.
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In 4 ist anhand einer Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts zweier gegenüberliegender Statoreinheiten 3 eine weitere Ausführungsform der Kontur der Statorzähne 31 dargestellt. Die generelle Kontur der Statorzähne 31 ist im Wesentlichen trapezförmig, wobei die dem Scheibenrotor 2 zugewandte Oberfläche 38 der Statorzähne 31 mit einem Profil einer Sägezahnstruktur versehen ist. Die Sägezähne erstrecken sich wie bei den vorangehenden Ausführungsformen in radialer Richtung R. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Maxima der Sägezahnstruktur drei, fünf oder mehr, um eine möglichst hohe Frequenz der etwaig entstehenden Oberwellen zu bewirken. Insbesondere kann eine ungerade Anzahl von Maxima der Sägezahnstruktur pro Statorzahn 31 gewählt werden.
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In 5 ist anhand einer Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts zweier gegenüberliegender Statoreinheiten 3 eine weitere Ausführungsform der Kontur der Statorzähne 31 dargestellt. Die Ausführungsform der 5 ähnelt der Ausführungsform der 4, wobei die Oberseite 38 der Statorzähne 31 anstatt mit einem Sägezahnprofil mit einem überlagerten Sinusprofil ausgebildet ist. Die Wellen des Sinusprofils erstrecken sich wie bei den Sägezähnen der vorangehenden Ausführungsformen in radialer Richtung R.
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Allgemein kann vorgesehen sein, eine generell rechteckige bzw. trapezförmige Kontur der Statorzähne 31 mit einem überlagerten Profil für die Oberseite 38, die in Richtung des Scheibenrotors 2 ausgerichtet ist, zu versehen. Das Profil sollte eine periodische oder zufällige Konturvariation und mindestens drei Maxima in Richtung des Scheibenrotors 2 aufweisen. Die Gesamthöhe des überlagerten Profils entspricht etwa bis zu einem Viertel der Gesamthöhe des Statorzahns 31 an der Statoreinheit 3.
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Zur Ansteuerung eines mit derartigen Statorzähnen 31 aufgebauten Statoreinheiten 3 wird eine Stromform gewählt, die der Konturform der Konturierung bzw. dem Profil der Statorzähne 31 entspricht. D.h. bei einer Konturierung der Kontur in Dreiecksform, in Sägezahnform oder in Sinusform sollte die Stromform zur Ansteuerung der Transversalflussmaschine entsprechend eine Dreiecksform, Sägezahnform bzw. Sinusform aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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