DE102017101962B4

DE102017101962B4 - Permanenterregte Synchronmaschine mit Scheibenrotor

Info

Publication number: DE102017101962B4
Application number: DE102017101962.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Kleimaier
Original assignee: Hochschule Landshut
Current assignee: Hochschule Landshut
Priority date: 2017-02-01
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: DE102017101962A1

Abstract

Permanenterregte Synchronmaschine in Axialflussbauweise, umfassend wenigstens einen kreisscheibenförmigen Stator (10), der auf seinem Umfang mit Statorelementen (12) bestückt ist und dem koaxial ein Scheibenrotor (14) zugeordnet ist, der auf seinem Umfang Permanentmagnetelemente (26) trägt, wobei:
- die Statorelemente (12) als vorgefertigte Einzeljoche (42) ausgebildet sind, die auf dem Umfang des Stators (10) lösbar befestigt sind,
- jedes Statorelement (12) aus einem Stapel eng aneinanderliegender, U-förmig gestanzter Standard-Kernbleche (30) und einer Spule (34) besteht, die auf einen der beiden U-Schenkel (32) aufgesetzt ist,
- der Scheibenrotor (14) aus nicht leitfähigem Material besteht und an seinem Umfang Aussparungen (28) hat, in die die flach ausgebildeten Permanentmagnetkörper (26) eingepresst sind, und
- Rotor- und Magnetdicke so gewährleistet ist, dass zur Realisierung einer unbegrenzten magnetischen Feldschwächbarkeit ein Idealverhältnis Nennstrom = Kurzschlussstrom einstellbar ist.

Description

Gegenstand von DE 10 2014 205 034 A1 ist eine Statoreinheit für eine mehrphasige elektrische Maschine mit einem Statorkörper aus magnetisch leitfähigem Werkstoff, von dessen Fläche einstückig damit ausgebildete Statorzähne abstehen, auf die Statorspulen gewickelt sind. Für die Herstellung sind daher teure Werkzeuge erforderlich, z. B. Laser- oder Stanzmaschinen zur Bildung der Statorzähne oder Presswerkzeuge im Fall von Pulvereisenelementen. Hinzu kommt eine komplizierte und zeitaufwendige Bewicklung der Statorzähne auf engstem Raum. Damit ist eine wirtschaftliche Produktion derartiger Statoren nur möglich, wenn eine große Stückzahl erreicht werden soll.
Aus US 2011/0 109 185 A1 ist eine Synchronmaschine bekannt, die als einphasige Maschine ausgebildet ist, bei der die Anzahl der Statorzähne mit der Anzahl der Rotormagnete übereinstimmt. Die Joche sind C-förmig ausgebildet und auf jedem ihrer beiden Schenkel mit einer Spule bestückt. Wie die 1-3 zeigen, sind die Joche der gegenüberliegenden Statorhälften in Umfangsrichtung zueinander versetzt, was nur bei einphasigen Maschinen möglich ist.
Eine ähnliche einphasige Synchronmaschine ist in DE 10 2010 002 185 A1 beschrieben und dargestellt. Bei dieser sind die Statorzähne, auf die die Statorspulen gewickelt sind, einstückig mit dem Statorkörper ausgebildet, wobei auch hier die Anzahl der Statorzähne gleich der Anzahl der Rotormagnete ist.
Schließlich ist aus WO 2016/011454 A1 entsprechend dem US-Patent US 9 803 623 B2 ein Motor für eine Windkraftmaschine bekannt, bei dem die Statorelemente aus C-förmig aufgeschnittenen Schnittbandkernen (C-core inductors, vgl. 2E) bestehen, nicht jedoch aus beliebig stapelbaren und verschraubbaren, U-förmigen Einzelblechen. Es ist daher nicht möglich, variierbare Blechpaket-Stapellängen herzustellen, um Drehmoment und Leistung des Motors auf einfache Weise anpassen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrphasige Synchronmaschine zu entwickeln, die sich auch bei Kleinserien mit geringen Stückzahlen einfach und kostengünstig herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, wonach der bisher übliche, massive Statoreisenkreis in einphasige Statorelemente mit jeweils separater Flussführung aufgeteilt ist und jedes Statorelement aus einem Stapel eng aneinanderliegender, U-förmiger Kernbleche und einer Spule besteht, die auf einen der beiden U-Schenkel aufgesetzt ist.
Der Vorteil dieser Lösung besteht einerseits darin, dass für den Stator mit seinen Statorelementen kein durchgehender, massiver Eisenkern oder Pulverkern benötigt wird, sondern lediglich eine Statorträgerplatte, auf der vorgefertigte Einzeljoche befestigt werden, die aus käuflichen Standardbauteilen, den U-förmigen Kernblechen bestehen. Hinzu kommt, dass die Statorelemente nicht im eingebauten Zustand bewickelt werden müssen, sondern dass vielmehr gesondert Steckspulen hergestellt werden, die dann auf die vorgefertigten Einzeljoche aufgesetzt werden, um diese dann auf dem Statorträger zu befestigen, beispielsweise durch Schrauben.
Auf diese Weise ergibt sich ein flexibler, modularer Aufbau, der problemlos zu fertigen ist und zudem eine individuelle Anpassung an jede gewünschte Geometrie und Nenndaten erlaubt.
Da nach einem Merkmal der Erfindung der Scheibenrotor aus nicht leitfähigem Material besteht, beispielsweise einer GFK-Platte, und an seinem Umfang Aussparungen hat, in die die als flache, zylindrisch oder quaderförmig ausgebildeten Permanentmagnetkörper eingepresst sind, vermeidet der eisenlose Rotor mit einem geringen Trägheitsmoment entsprechende Wirbelstromverluste durch nichtsynchrone Oberwellen des Statorfeldes, so dass eine hohe Maximaldrehzahl bei geringen Eisenverlusten realisierbar ist.
Durch die bei diesem Konzept verhältnismäßig hohe Statordurchflutung ergibt sich darüber hinaus ein relativ kleiner Kurzschlussstrom, der sehr einfach über die Rotordicke (entspricht der Magnetdicke) einstellbar ist. Ist ein großer Konstantleistungsbereich gewünscht, kann man auf diese Weise das dafür erforderliche Idealverhältnis Nennstrom = Kurzschlussstrom einstellen, womit die Maschine magnetisch unbegrenzt feldschwächbar und ab einer bestimmten Drehzahl mit Nennscheinleistung bei Leistungsfaktor 1 betreibbar ist. Allerdings muss das mit einem hohen Blindleistungsbedarf im Grunddrehzahlbereich erkauft werden, was bei der Einstellung des Kurzschlussstromes abzuwägen ist.
In Weiterbildung der Erfindung besteht der Stator aus zwei koaxialen Statorhälften, die in axialer Richtung einen Luftspalt einschließen, in dem der Scheibenrotor drehbar angeordnet ist.
Mit der Erfindung lässt sich in einfacher Weise eine Synchronmaschine aus Standardbauteilen modular herstellen, mit der bei sehr großer Ausnutzung des eingesetzten Permanentmagnetmaterials hohe Flächenschübe bis zu etwa 100 kN/m² erzeugt werden können. Geeignete Einsatzgebiete sind spezielle Traktionsantriebe, beispielsweise für Elektrostraßenfahrzeuge, Schienenfahrzeuge, Starter-Generatorsysteme für Automobile, Sondermaschinen oder Windkraftanlagen mit sehr großem Statordurchmesser.
Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen:

1 die Ansicht einer Axialfluss-Synchronmaschine gemäß der Erfindung,
2 ein Phasen- oder Statorelement des Eisenkreises mit Rotor,
3 die abgewickelte Darstellung der Axialflussmaschine analog zur Anordnung in 1 mit Doppelstator,
4 die Draufsicht auf den in der Maschine gemäß der Erfindung eingesetzten Scheibenrotor,
5 die Draufsicht auf den kreisscheibenförmigen Stator mit seinen Statorelementen,
6 eine Teildraufsicht ähnlich der 5 mit Trägerplatte und einem Ausschnitt aus dem zugeordneten Scheibenrotor,
7 die Ansicht eines U-förmigen Kernblechs,
8 ein aus den Kernblechen der 7 zusammengesetztes Joch mit aufgesteckter Spule und
9 die Seitenansicht eines auf dem Stator befestigten Einzeljochs mit Kernblechstapel.

1 zeigt einen Axialfluss-Motor 40 gemäß der Erfindung, dessen Stator 10 als Doppelstator mit zwei Statorhälften 10', 10" ausgebildet ist, deren Grundplatten 18 die Statorträger bilden, welche durch Verbindungsbolzen 24 miteinander verschraubt sind. Die Statorhälften 10', 10" schließen in axialer Richtung einen Luftspalt 22 (2) ein, in dem ein Scheibenrotor 14 mit Welle 16 drehbar angeordnet ist. Der Doppelstator 10 hat im Vergleich zu einem einseitigen Stator den Vorteil kleiner axialer Zugkräfte im Luftspalt 22, wodurch sich eine geringe Belastung der Lager der Rotorscheibe 14 ergibt. Außerdem ist beim Doppelstator die Statordurchflutung größer als bei einer Einzelstatorbauweise.
Der kreisförmige Stator 10 ist auf seinem Umfang mit Phasen- oder Statorelementen 12 bestückt, die auf jeweils einer Grundplatte (Statorträger 18) befestigt sind. 2 zeigt ein aus zwei Statorelementen bestehendes Phasenelement des Eisenkreises mit Rotor 14 und zwei gegenüberliegenden, U-förmigen Jochen 42 (8), die in Umfangsrichtung versetzt zueinander auf dem jeweiligen Statorträger 18 befestigt sind.
3 zeigt eine Abwicklung des Doppelstators 10 gemäß 2 mit dem im Luftspalt 22 drehbar angeordneten Scheibenrotor 14. Es ist klar zu erkennen, dass gegenüberliegende Schenkel 32 der Joche 42 mit Spulen 34 desselben Stranges bewickelt sind. Die jeweils gegenüberliegenden Joche 42 bilden den Eisenkreis, wobei jede der drei Phasen eine separate Flussführung hat, so dass, ausgehend von einer Grundmaschine mit zwei gegenüberliegenden U-Jochpaaren, eine Vervielfachung dieser Anordnung über den Umfang möglich ist.
Die Darstellung der 3, in der die magnetische Axialflussrichtung 20 eingezeichnet ist, läßt erkennen, dass die permanenterregte Synchronmaschine gemäß der Erfindung - bei entsprechender Konfiguration des Rotors 14 - auch als Linearantrieb konzipiert werden kann.
In 5 ist eine Draufsicht auf den Stator 10 zu erkennen, der teilweise nochmals in 6 dargestellt ist. Der Stator 10 hat eine Grundplatte als Statorträger 18 (vgl. auch 9), auf dem kreisförmig nebeneinander die Statorelemente 12 befestigt sind. Der zugeordnete Scheibenrotor 14 ist in 4 und zum Teil auch in 6 zu erkennen, der an seinem Umfang mit Permanentmagnetelementen 26 bestückt ist, und zwar abwechselnd S und N. Die Permanentmagnetelemente 26 sind hier als flache Zylinder ausgebildet, deren Höhe der Stärke des Scheibenrotors 14 entspricht. Sie sind in entsprechend kreisförmige Aussparungen 28 des Scheibenrotors 14 eingepresst oder eingeklebt, die in den Scheibenrotor 14 aus nicht leitfähigem Material durchgehend gebohrt sind, so dass sie bündig mit den beiden Stirnseiten des Scheibenrotors 14 abschließen.
Alternativ besteht die Möglichkeit, die Permanentmagnetelemente 26 quaderförmig auszubilden und in entsprechend rechteckige Aussparungen 28 des Scheibenrotors 14 einzusetzen.
Gemäß der Erfindung besteht jedes Statorelement 12 aus einem vorgefertigten Einzeljoch 42, das durch einen Stapel eng aneinanderliegender, U-förmiger Kernbleche 30 (vgl. 7 bis 9) zusammengesetzt ist, wobei auf einen der beiden U-Schenkel 32 eine vorgefertigte Spule 34 aufgesteckt ist. Die Anzahl Z der U-Schenkel 32, d. h. der Statorzähne muss von der Magnetzahl oder Polpaarzahl 2p verschieden sein, z. B. Z = 12 und 2p = 14 oder 10. Daraus ergibt sich, dass es sich bei der Synchronmaschine gemäß der Erfindung um eine mehrphasige, beispielsweise dreiphasige Maschine handelt.
In 9 ist zu erkennen, dass die Kernbleche 30 jedes Jochs 42 des Statorelementes 12 durch eine Schraube 36 fest aneinander gedrückt werden und dadurch ein Blechpaket aus Siliziumeisen bilden, das mit Hilfe von nur zwei Schrauben 38 auf dem Statorträger 18 befestigt ist.

Claims

Permanenterregte Synchronmaschine in Axialflussbauweise, umfassend wenigstens einen kreisscheibenförmigen Stator (10), der auf seinem Umfang mit Statorelementen (12) bestückt ist und dem koaxial ein Scheibenrotor (14) zugeordnet ist, der auf seinem Umfang Permanentmagnetelemente (26) trägt, wobei: - die Statorelemente (12) als vorgefertigte Einzeljoche (42) ausgebildet sind, die auf dem Umfang des Stators (10) lösbar befestigt sind, - jedes Statorelement (12) aus einem Stapel eng aneinanderliegender, U-förmig gestanzter Standard-Kernbleche (30) und einer Spule (34) besteht, die auf einen der beiden U-Schenkel (32) aufgesetzt ist, - der Scheibenrotor (14) aus nicht leitfähigem Material besteht und an seinem Umfang Aussparungen (28) hat, in die die flach ausgebildeten Permanentmagnetkörper (26) eingepresst sind, und - Rotor- und Magnetdicke so gewährleistet ist, dass zur Realisierung einer unbegrenzten magnetischen Feldschwächbarkeit ein Idealverhältnis Nennstrom = Kurzschlussstrom einstellbar ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (34) auf den jeweiligen U-Schenkel (32) aufgesteckt sind.
Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetkörper (26) zylindrisch oder quaderförmig ausgebildet sind.
Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (10) aus zwei koaxialen Statorhälften (10', 10") besteht, die zwischen sich den Scheibenrotor (14) einschließen.
Synchronmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils gegenüberliegenden Joche (42) mit Spulen (34) desselben Stranges bewickelt sind.