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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektroarbeitsmaschine hoher Leistungsdichte in Form eines elektromechanischen Wandlers mit wenigstens einem scheiben- oder ringförmigen Rotor, in und/oder auf dem eine dauerhafte Polung aufweisende Rotormagnete in konzentrischen, radial äußeren und radial inneren Rotormagnetringen angeordnet sind, und wenigstens zwei beidseitig des Rotors vorgesehenen Statoren mit im Querschnitt U-förmigen Statorklötzen, deren die beiden Längsabschnitte des U-förmigen Querschnittes ausbildenden Statorpole jeweils eine Wicklungsnut radial von außen und von innen begrenzen und radial äußere und radial innere Statorpolstirnflächen aufweisen, die jeweils einem Rotormagnetring gegenüber liegen.
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In der vorliegenden Erfindung kann ein elektromechanischer Wandler ein Motor oder ein Generator sein.
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In der Druckschrift
DE 10 2007 013 732 A1 ist ein Direktantrieb mit einem scheibenförmigen Rotor und beidseitig des Rotors vorgesehenen, im Querschnitt U-förmigen Statorklötzen beschrieben, in dem zwischen im Rotor eingelassenen, benachbarten, konzentrischen Ringen von Permanentmagneten ein magnetischer Fluss in radialer Richtung ausgebildet wird. Hierzu sind sowohl die sich radial gegenüber liegenden Magnetpole der Permanentmagneten im Rotor als auch die den Permanentmagneten in axialer Richtung gegenüber befindlichen magnetischen Aktivflächen der U-förmigen Statorklötze ohne Winkelversatz zueinander vorgesehen.
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Transversalflussmaschinen zeichnen sich im Unterschied zu Maschinen klassischer Bauweise dadurch aus, dass die auf die magnetischen Aktivflächen bezogene Kraftdichte außerordentlich groß sein kann. Um dies zu erreichen, waren jedoch, wie bei dem beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2007 014 732 A1 bekannten Direktantrieb, in der Vergangenheit relativ komplexe Magnetkreisgeometrien notwendig, ferner war der Aufwand für die Herstellung von Gehäuse und Trägerkonstruktion von Transversalflussmaschinen im Vergleich zur klassischen Bauweise ungleich höher. Dadurch wurde oft der Vorteil der höheren Kraftdichte wieder aufgehoben.
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So ist zum Beispiel aus der Druckschrift
WO 2014/033677 A2 ein vorzugsweise als Transversalflussmotor eingesetzter elektromechanischer Wandler der oben genannten Gattung bekannt. Um einen magnetischen Transversalfluss zu ermöglichen, weist der bekannte elektromechanische Wandler zwischen den radial außen und radial innen liegenden magnetischen Aktivflächen von Statorklötzen der Statoren jeweils einen Winkelversatz um ein halbes Teilungsmaß auf. Dabei umschließen die Statorklötze teilweise eine in dem jeweiligen Stator ausgebildete Wicklungsnut. Um dieses Umschließen der Ringwicklung praktisch realisieren zu können, bestehen die Statorklötze im radialen Schnitt aus mehreren Einzelteilen. Diese Einzelteile werden beispielsweise mittels Klebeverbindungen zusammengefügt, wodurch ein ungewollter Luftspalt im Magnetkreis entsteht. Außerdem ist der damit verbundene technologische Aufwand recht hoch.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromechanischen Wandler der oben genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, der einfach und kostengünstig herstellbar ist und mit dem dennoch eine hohe Kraftdichte realisiert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Wandler mit wenigstens einem scheiben- oder ringförmigen Rotor, in und/oder auf dem eine dauerhafte Polung aufweisende Rotormagnete in konzentrischen, radial äußeren und radial inneren bei der vorliegenden Erfindung angeordnet sind, und wenigstens zwei beidseitig des Rotors vorgesehenen Statoren mit im Querschnitt U-förmigen Statorklötzen, deren die beiden Längsabschnitte des U-förmigen Querschnittes ausbildenden Statorpole jeweils eine Wicklungsnut radial von außen und von innen begrenzen und radial äußere und radial innere Statorpolstirnflächen aufweisen, die jeweils einem Rotormagnetring gegenüber liegen, gelöst, wobei die Statorpolstirnflächen Paare von jeweils auf demselben Radius liegenden radial äußeren und radial inneren Statorpolstirnflächen ausbilden, die Rotormagneten der Rotormagnetringe Paare von jeweils auf demselben Radius liegenden radial äußeren und radial inneren Rotormagneten ausbilden, die Polung einander radial gegenüber und in Umfangsrichtung nebeneinander liegender Rotormagnete alterniert und die Polteilung der Rotormagnete dem halben Teilungsmaß der Polteilung der Statorpole entspricht.
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Bei dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler sind die Statoren im Querschnitt U-förmig ausgebildet und beidseitig des scheiben- oder ringförmigen Rotors angeordnet. Dabei besteht zwischen den zum Rotor hin gerichteten Stirnflächen, also den radial äußeren und radial inneren Statorpolstirnflächen, der Statoren kein Winkelversatz. Bei dem Rotor des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers sind zwar die Rotormagnete, ähnlich wie in der Druckschrift
DE 10 2007 013 732 B4 , in konzentrischen Ringen angeordnet, aber im Gegensatz zu der bekannten Anordnung im Umfang mit alternierender Polung vorgesehen. Zudem entspricht die Polteilung der Rotormagnete bei der vorliegenden Erfindung dem halben Teilungsmaß der Polteilung der Statorklötze. Als Rotormagnete werden bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt Permanentmagnete eingesetzt. Durch die alternierende Anordnung und die Magnetisierungsrichtung der Rotormagnete sind bei der vorliegenden Erfindung auch Ausführungen realisierbar, bei welchen der wenigstens eine Rotor nachträglich magnetisiert werden kann, wodurch sich die Herstellung des elektromechanischen Wandlers vereinfachen lässt und die Herstellungskosten reduzieren lassen.
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Der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler arbeitet nach dem Transversalflussprinzip, ohne dass es eines Winkelversatzes zwischen den magnetischen Aktivflächen der Statoren, wie in der Druckschrift
WO 2014/033677 A2 , bedarf. Der nicht vorhandene Winkelversatz wird bei der vorliegenden Erfindung dadurch kompensiert, dass einerseits die Rotormagneten in den beiden konzentrischen Rotormagnetringen abwechselnde Magnetisierungsrichtungen aufweisen und andererseits im Rotor doppelt so viele Paare von Rotormagneten vorhanden sind, wie es im Stator Paare von Statorpolstirnflächen gibt.
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Die U-förmige Ausführung der Statoren des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers ermöglicht deren einfache Herstellung. Beispielsweise können die Statorklötze der Statoren in einem Pressverfahren hergestellt werden, ohne dass die Statorklötze aus Einzelteilen hergestellt werden müssen. Die Ringwicklung des elektromechanischen Wandlers kann nach der Montage aller Statorklötze einer Statorebene in die durch die Öffnung im U-förmigen Querschnitt der Statorklötze ausgebildete Wicklungsnut gelegt und darin, wenn nötig, fixiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Statoren aus in Umfangsrichtung der Statoren magnetisch nicht verbundenen Stator-U-Elementen aus weichmagnetischem Material ausgebildet. Dadurch kann weichmagnetisches Material, welches nur zu hohen Kosten erhältlich ist, eingespart werden. Ferner verringert sich durch eine solche Bauweise das Gewicht der Aktivteile des elektromechanischen Wandlers. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Stator-U-Elementen können zum Beispiel mit Kunststoff aufgefüllt werden.
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Um die Baulänge des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers zu reduzieren und Gewicht einzusparen, sind gemäß einer weiteren Variante der Erfindung dann, wenn der elektromechanische Wandler wenigstens zwei Rotoren aufweist, wenigstens zwei Statoren benachbarter Wandlerebenen oder -phasen zu einem im Querschnitt H-förmigen Statorteil verbunden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden die Statorrückenelemente der im Querschnitt U-förmigen Statorklötze benachbarter Wandlerebenen oder -phasen, das heißt, bei einer Ausführung des elektromechanischen Wandlers als Transversalflussmotor benachbarter Motorebenen oder -phasen, gemeinsam verwendet. Dadurch ergeben sich mit Blick in Umfangsrichtung H-förmige Statorteile für die inneren Statorebenen.
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Da der nach dem Transversalflussprinzip arbeitende erfindungsgemäße elektromechanische Wandler typischerweise hochpolig ausgeführt wird, können unter anderem in einem Rotorträger des elektromechanischen Wandlers starke Wirbelströme auftreten. Zur Verringerung solcher Wirbelströme sind in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zwischen den Paaren von Rotormagneten der radial äußeren und radial inneren Rotormagnetringe radiale Schlitze im Trägermaterial des Rotors vorgesehen. Dadurch werden Wirbelstrompfade unterbrochen, die Verluste verringert und der Wirkungsgrad des elektromechanischen Wandlers erhöht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei,
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1 schematisch einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit Blick auf einen Rotorausschnitt und einen darunter befindlichen Statorausschnitt in einer perspektivischen Darstellung zeigt;
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2 schematisch einen Rotor einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers in einer Draufsicht zeigt;
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3 schematisch einen U-förmigen Statorklotz einer äußeren Wandlerebene und ein H-förmiges Statorteil einer inneren Wandlerebene einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers in einer perspektivischen Darstellung zeigt; und
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4 schematisch einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit drei Rotoren, außen angeordneten U-förmigen Statoren und innen angeordneten H-förmigen Statoren in einer perspektivischen Darstellung zeigt.
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1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers, welcher in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Transversalflussmotor ist, in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung jedoch auch beispielsweise ein Generator sein kann.
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Der elektromechanische Wandler besitzt einen Rotormagnete 3 aufweisenden, beispielsweise in 2 in einer Draufsicht gezeigten Rotor 1 und beidseitig des Rotors 1 vorgesehenen Statoren 2, von welchen in der gezeigten Darstellung der besseren Übersichtlichkeit halber nur ein Ausschnitt eines Stators 2 zu sehen ist. Ferner ist in 1 ebenfalls für einen besseren Überblick das Rotorträgermaterial 13 des Rotors 1, in oder auf dem die Rotormagnete 11, 12 vorgesehen sind, nicht dargestellt.
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Wie es in 2 zu sehen ist, ist der Rotor 1 scheiben- oder ringförmig ausgebildet. Auch die beidseitig des Rotors 1 vorgesehenen Statoren 1 sind scheiben- oder ringförmig ausgebildet.
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Die Rotormagnete 11 sind beabstandet nebeneinander in Form eines radial äußeren Rotormagnetringes angeordnet, während die Rotormagneten 12 beabstandet nebeneinander in Form eines radial inneren Rotormagnetringes angeordnet sind. Der radial äußere und der radial innere Rotormagnetring sind konzentrisch zueinander.
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Die jeweils benachbarten Rotormagneten 11, 11‘ des radial äußeren Rotormagnetringes als auch die jeweils benachbarten Rotormagneten 12, 12‘ des radial inneren Rotormagnetringes sind mit jeweils abwechselnder Polung vorgesehen. Ferner alterniert die Polung der in radialer Ausrichtung r einander gegenüber liegender Paare 11, 12 bzw. 11‘, 12‘ von Rotormagneten.
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Die Rotormagnete 11 und 12 bzw. 11‘ und 12‘ der äußeren und inneren Rotormagnetringe bilden jeweils Paare von jeweils auf demselben Radius r liegenden radial äußeren und radial inneren Rotormagneten aus.
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Die Rotormagnete 11, 11‘, 12, 12‘ sind in dem Ausführungsbeispiel von 1 Permanentmagneten, können jedoch in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch magnetisierte Bereiche des Rotors sein. Werden Permanentmagneten in den Rotor 1 eingebaut, können diese beispielsweise eingeklebt oder auch in entsprechend vorgefertigten Nuten im Rotor 1 eingeklemmt sein.
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In dem Ausführungsbeispiel des Rotors 1 aus 2 weist dieser zwischen jeweils einem Paar eines radial äußeren Rotormagneten 11 und eines radial inneren Rotormagneten 12 einen radialen Schlitz 14 auf. Mit Hilfe der zwischen den Rotormagnetringen vorgesehenen radialen Schlitze 14 werden Wirbelstrompfade unterbrochen und dadurch der Wirkungsgrad eines mit dem Rotor 1 ausgestatteten elektromechanischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung erhöht.
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Der Stator 2 aus 1 weist im Querschnitt U-förmige, voneinander in Umfangsrichtung beabstandete Statorklötze 21 auf. Die beiden Längsabschnitte des U-förmigen Querschnittes der Statorklötze 21 bilden Statorpole 211, 212, die jeweils eine Wicklungsnut des elektromechanischen Wandlers radial von außen und von innen begrenzen.
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Die Statorpole 211, 212 weisen radial äußere und radial innere Statorpolstirnflächen 213, 214 als magnetische Aktivflächen auf, die jeweils einem Rotormagnetring gegenüber liegen. Die Statorpolstirnflächen 213, 214 bilden Paare von jeweils auf demselben Radius R liegenden radial äußeren und radial inneren Statorpolstirnflächen 213, 214 aus.
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Die Polteilung c der Statorpole 211, 212 ist genau doppelt so groß wie die Polteilung c/2 der Rotormagneten 11, 11‘ des äußeren Rotormagnetringes und die Polteilung c/2 der Rotormagneten 12, 12‘ des inneren Rotormagnetringes. Das heißt, jedem Paar von Statorpolen 211, 212 bzw. Statorpolstirnflächen 213, 214 sind nicht nur auf der Rotorseite Rotormagneten 11, 12 gegenüber, sondern es ist auch zwischen jedem Paar von Statorpolen 211, 212 bzw. jedem Paar von Statorpolstirmflächen 213, 214 eine Lücke, in der auf der dem Stator 2 gegenüber liegenden Rotorseite nochmals Rotormagneten 11‘, 12‘ um eine halbe Polteilung c/2 versetzt vorgesehen sind.
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Die Statorklötze 21 sind Stator-U-Elemente, die aus weichmagnetischem Material ausgebildet sind. Die Statorklötze 21 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels zwischen den Stator-U-Elementen vorgesehenem nichtmagnetischen Material, wie beispielsweise mittels nichtmagnetischem Faserverbundwerkstoff, zu dem scheiben- oder ringförmigen Stator 21 verbunden. Dadurch kann der Stator 21 trotz sehr guter magnetischer Flussleitung insgesamt mit relativ niedrigem Gewicht zur Verfügung gestellt werden.
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Die Statorpole 211, 212 sind jeweils durch ein Statorrückenelement 213 zu dem U-förmigen Querschnitt verbunden.
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3 zeigt schematisch einen U-förmigen Statorklotz 21 einer äußeren Wandlerebene und ein H-förmiges Statorteil 23 einer inneren Wandlerebene einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers in einer perspektivischen Darstellung. Das H-förmige Statorteil 23 setzt sich aus zwei U-Förmigen Statorklötzen zusammen, deren Statorrückenelemente miteinander verbunden sind.
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4 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit mehreren Wandlerebenen bzw. Wandlerphasen in einer perspektivischen Darstellung. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der elektromechanische Wandler drei Rotoren 1, von welchen der Übersichtlichkeit halber nur jeweils ein Paar äußerer und innerer Rotormagnete 11, 12 dargestellt ist, außen angeordnete U-förmige Statoren 21 und innen, zwischen den Wandlerebenen bzw. -phasen angeordnete H-förmigen Statoren 23 auf.
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Die Zusammenfassung zweier benachbarten Stator-U-Elemente zu einen H-förmigen Statorteil 23 bietet sich bei der vorliegenden Erfindung an, da es hier keinen Winkelversatz zwischen den Statorpolstirnflächen 213, 214 gibt.
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Hat der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler drei Phasen, sind die Rotoren 1 jeweils um 120° elektrisch zueinander versetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007013732 A1 [0003]
- DE 102007014732 A1 [0004]
- WO 2014/033677 A2 [0005, 0009]
- DE 102007013732 B4 [0008]
