DE102017117017A1 - Transverse flux machine with U-profile - Google Patents
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Abstract
U-Profil, für eine Transversalflussmaschine, wobei das U-Profil bei der Herstellung mit einem Eisenpulver oder einer Kobaltlegierung extrudiert und bei Raumtemperatur mit einer flüssigen Siliziumkeramik gebunden wird und eine Transversalflussmaschine, in der U-Profile mit unterschiedlicher Polarität wechselweise angeordnet sind, wobei die Seitenkanten den Magneten gegenüberstehen. U-profile, for a transverse flux machine, wherein the U-profile is extruded in the production with an iron powder or a cobalt alloy and bonded at room temperature with a liquid silicon ceramic and a transverse flux machine, are arranged in the U-profiles with different polarity alternately, wherein the Side edges facing the magnet.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung des weichmagnetischen Materials der U-Profile verbunden mit einer optimierten Anordnung der U-Profile für eine Transversalflussmaschine.The present invention relates to a further development of the soft magnetic material of the U-profiles associated with an optimized arrangement of the U-profiles for a transverse flux machine.
Stand der TechnikState of the art
Mit Transversalflussmaschinen ist es möglich, gegenüber herkömmlichen Maschinen gleichen Bauvolumens, eine wesentlich höhere Drehmomentdichte zu erzielen. Dies rührt daher, dass im Gegensatz zu Asynchronmaschinen bei Transversalflussmaschinen eine Erhöhung des Drehmomentes durch Erhöhung der Polzahl erreicht werden kann. Bei den Transversalflussmaschinen ist der magnetische Fluss im Gegensatz zu herkömmlichen elektrischen Maschinen nicht longitudinal, sondern transversal gerichtet.With transversal flux machines, it is possible to achieve a much higher torque density compared to conventional machines of the same construction volume. This is due to the fact that, in contrast to asynchronous machines in transverse flux machines, an increase of the torque can be achieved by increasing the number of poles. In the case of transversal flux machines, in contrast to conventional electric machines, the magnetic flux is not directed longitudinally, but transversely.
Eine einseitige Transversalflussmaschine wird beispielsweise in der
Eine andere Ausführungsform einer Transversalflussmaschine, welche fertigungstechnisch einfacher herstellbar ist und zugleich einen möglichst hohen Wirkungsgrad sowie ein möglichst hohes Drehmoment besitzt, ist auch aus der
Erkauft wird das höhere Drehmoment bei Transversalflussmaschinen durch eine Konstruktion, welche aus sehr vielen Einzelteilen besteht. Durch die leicht herstellbaren Ringwicklungen und der möglichen automatisierbaren Montage der vielen Einzelteile überwiegen aber die Vorteile.The higher torque is bought in transversal flux machines by a construction, which consists of very many individual parts. Due to the easily manufacturable ring windings and the possible automatable assembly of many items but outweigh the benefits.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Drehmoment der Transversatflussmaschine gegenüber bekannten Konstruktionen weiter zu steigern, wobei gleichzeitig die Konstruktion möglichst nicht komplizierter und teurer werden soll.The object of the present invention is to further increase the torque of the transversal flux machine over known constructions, while at the same time the construction should not be as complicated and expensive as possible.
Der erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein U-Profil, für eine Transversalflussmaschine. Das U-Profil wird bei der Herstellung mit einem Eisenpulver oder einer Kobaltlegierung extrudiert und bei Raumtemperatur mit einer flüssigen Siliziumkeramik gebunden.The object of the invention is achieved by a U-profile, for a transverse flux machine. The U-profile is extruded during production with an iron powder or a cobalt alloy and bonded at room temperature with a liquid silicon ceramic.
Bei Eisenpulver wird die magnetische Sättigung erst bei 2,15 Tesla erreicht. Bei einer Kobaltlegierung erfolgt die magnetische Sättigung erst bei 2,4 Tesla. Durch die Verbesserung der Materialien des U-Profils kann die Feldstärke in den Flussleitmaterialien durch Magnetkonzentratoren bis 2,15 Tesla und mit Kobalt bis 2,4 Tesla verstärkt werden kann.For iron powder, the magnetic saturation is reached only at 2.15 Tesla. For a cobalt alloy, the magnetic saturation occurs only at 2.4 Tesla. By improving the materials of the U-profile, the field strength in the flux-conducting materials can be increased by magnetic concentrators up to 2.15 Tesla and with cobalt up to 2.4 Tesla.
In einer Ausführungsform des U-Profils beträgt die Korngröße des Pulvers oder der Pulverlegierung 5 µm. Dabei kann eine Toleranz von z. B. ±1 %, ±5 %, ±10 % oder ±20 % zulässig sein.In one embodiment of the U-profile, the grain size of the powder or powder alloy is 5 μm. In this case, a tolerance of z. Eg ± 1%, ± 5%, ± 10% or ± 20%.
Pulver mit z. B. 5 µm Korngröße bringt eine deutliche Reduzierung der Wirbelstromverluste mit sich.Powder with z. B. 5 microns grain size brings a significant reduction in eddy current losses with it.
Vorteil des Pulvers mit z. B. 5 µm Korngröße ist die Anwendung in Hochfrequenz-Steuerungen, da durch die hochohmige Siliziumkeramik die Wirbelstromverluste gering sind.Advantage of the powder with z. B. 5 .mu.m grain size is the application in high-frequency controllers, since the eddy current losses are low due to the high-resistance silicon ceramic.
Vorteil der Pulverversion ist, dass die Herstellungskosten sehr niedrig sind, da die Produktionstechnik sehr einfach ist. Durch das neue Material, das extrudiert wird, vereinfacht sich Produktion und reduziert deutlich die Kosten.Advantage of the powder version is that the production costs are very low, since the production technology is very simple. The new material being extruded simplifies production and significantly reduces costs.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Transversalflussmaschine, in der U-Profile mit unterschiedlicher Polarität wechselweise angeordnet sind, wobei die Seitenkanten den Magneten gegenüberstehen.The object according to the invention is furthermore achieved by a transverse flux machine in which U-profiles with different polarity are arranged alternately, the side edges facing the magnet.
Bei Transversalflussmaschinen sind am Rotor entlang des Umfangs Permanentmagnete in einer Anzahl entsprechend der Anzahl der Polzahl der Maschine angeordnet. Am Stator der Maschine sind sogenannte U-Joche aus magnetisch gut leitendem Material, beispielsweise aus Blechen oder wie hier aus weichmagnetischem Pulver mit einer Silizium-Keramikbindung.In transverse flux machines, permanent magnets are arranged on the rotor along the circumference in a number corresponding to the number of poles of the machine. At the stator of the machine are so-called U-yokes made of magnetically good conductive material, for example, from sheets or as here of soft magnetic powder with a silicon-ceramic bond.
Neu ist die Vergrößerung der nutzbaren Magnetfläche verbunden mit einer hohen Leistungssteigerung und geringeren Verlusten. Der optimierte Transversalflussmotor mit einem U-Profilaufbau nutzt die vorhandene Magnetfläche optimal.New is the increase in usable magnetic surface associated with a high performance and lower losses. The optimized transverse flux motor with a U-profile construction optimally utilizes the existing magnetic surface.
Eine mögliche Herstellungsvariante ist im Folgenden beschrieben:One possible manufacturing variant is described below:
Der Motor/Generator besteht aus Rotor und Stator, beim Außenläufer baut man einen Glockenmotor. Die Möglichkeit für den Bau eines Innen- und Außenläufers ist ebenfalls vorhanden.The motor / generator consists of rotor and stator, the external rotor builds a bell motor. The possibility for the construction of an indoor and outdoor runner is also available.
Der Rotor kann montiert werden, indem Magnete auf einen Träger gesetzt werden, dann eine Glockenform darüber gestülpt wird und die Glocke extrudiert wird Der Stator kann montiert werden, indem die Spule gewickelt wird, ein Umspritzen mit einem Träger für die weichmagnetischen Teile stattfindet und Kavitäten mit weichmagnetischem Material durch Extrudieren gefüllt werden.The rotor can be mounted by placing magnets on a support, then placing a bell-shaped over it and extruding the bell. The stator can be mounted by winding the coil, overmolding with a support for the soft-magnetic parts, and with cavities soft magnetic material are filled by extrusion.
Es gibt diverse im Folgenden aufgeführte bevorzugte Anwendungen der Erfindung: There are several preferred applications of the invention listed below:
Das U-Profil und/oder die Transversalflussmaschine kann Anwendung in einer Hochfrequenz-Steuerung finden.The U-profile and / or the transverse flux machine can be used in a high-frequency control.
Durch die Reduzierung der Wirbelstromverluste aufgrund des Materials, ermöglicht die Anwendung in Hochfrequenz-Steuerungen, da durch die hochohmige Siliziumkeramik die Wirbelstromverluste gering sind.By reducing the eddy current losses due to the material, the use in high-frequency control systems, since the eddy current losses are low due to the high-resistance silicon ceramic.
Die Supersynchronmotoren sind besonders zum Einbau in Rohren mit kleinem Durchmesser, ähnlich Pneumatikzylinder oder als Spindelmotoren geeignet, wobei die Länge der Motoren weniger Bedeutung hat. Wichtigstes Ziel ist möglichst eine niedrige Drehzahl mit einem hohen Drehmoment und das kein Getriebe benötigt wird.The super synchronous motors are particularly suitable for installation in small diameter pipes, similar to pneumatic cylinders or as spindle motors, the length of the motors has less importance. The most important goal is possible a low speed with a high torque and no gear is needed.
Eine weitere Anwendung ist in Windkraftanlagen, wobei hier der Schwerpunkt auf langsamen Drehzahlen ohne Getriebe und geringeres Gewicht. Weitere Ausführungen sind Außenläufermotoren und Kleinmotoren, welche direkt mit Netzspannung betrieben werden können.Another application is in wind turbines, with a focus on slow speeds without gears and lighter weight. Other versions are external rotor motors and small motors, which can be operated directly with mains voltage.
Supersynchronmotoren als Außenläufermotor zum Antreiben von E-Fahrzeugen mit hohem Drehmoment bereits beim Start und gutem Wirkungsgrad bei Stau.Supersynchronous motors as external rotor motor for driving electric vehicles with high torque already at start and good efficiency in traffic jam.
Eine Anwendung im Automobilbereich ist besonders geeignet, da der Motor sehr günstig in der Produktion ist und das Drehmoment höher ist, was Getriebestufen einspart. Beispiele sind Fensterheber mit Spindel, Lüftungsklappen und Stellglieder.An application in the automotive field is particularly suitable, since the engine is very low in production and the torque is higher, which saves gear stages. Examples are window regulators with spindle, ventilation flaps and actuators.
Die Maschine kann weiterhin durch folgende Maßnahmen verbessert werden:The machine can be further improved by the following measures:
Eine niedrige Drehzahl wird erreicht durch eine hohe Polzahl mit kleinen Wegen pro Step.A low speed is achieved by a high number of poles with small paths per step.
Ein hohes Drehmoment und eine hohe Leistung pro Gewichtseinheit wird erreicht durch eine hohe Polzahl mit kleinen Magneten oder durch eine bessere Ausnutzung der Magnetfläche oder durch eine hohe Luftspaltinduktion.A high torque and a high power per unit weight is achieved by a high number of poles with small magnets or by a better utilization of the magnetic surface or by a high air gap induction.
Ein hoher Wirkungsgrad bei langsamem Lauf wird erreicht durch hohe Polzahl.High efficiency during slow running is achieved by a high number of poles.
Ein hoher Wirkungsgrad mit wenig Stromwärme- und wenig Eisenverlusten wird erreicht durch einen großen Rotordurchmesser im Verhältnis zum Außendurchmesser. Ein solcher kann durch die doppelseitige Magnetreihe erreicht werden, wie in
Die Aufgabe der Erfindung wird zusätzlich oder alternativ mit anderen Worten gelöst durch eine mehrphasige Hochleistungssynchron-Maschine, mit transversaler Flussführung gekennzeichnet durch wechselweise angeordnete U-Profile wobei die Seitenkanten den Magneten gegenüberstehen. Die U-Profile werden mit einem Eisenpulver mit z. B.: 5 µm Korngröße extrudiert, bei Raumtemperatur mit einer flüssigen Siliziumkeramik gebunden, dabei wird die magnetische Sättigung erst bei 2,15 Tesla erreicht. Desweiteren kann die Pulverlegierung mit Kobalt verbunden sein so das, die magnetische Sättigung erst bei 2,4 Tesla erfolgt. Die Motoren/Generatoren können in segmentierter Bauweise erstellt werden wobei sich die Segmente beliebig oft wiederholen.The object of the invention is additionally or alternatively solved in other words by a multi-phase high-performance synchronous machine, characterized by transverse flux guide by alternately arranged U-profiles with the side edges facing the magnet. The U-profiles are filled with an iron powder with z. B: extruded 5 μm grain size, bound at room temperature with a liquid silicon ceramic, while the magnetic saturation is reached only at 2.15 Tesla. Furthermore, the powder alloy can be connected to cobalt so that, the magnetic saturation takes place only at 2.4 Tesla. The motor / generators can be created in a segmented design, with the segments repeating as often as desired.
Figurenlistelist of figures
Die Erfindung wird aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen illustriert, die nur beispielhaft angegeben werden und somit die Offenbarung nicht beschränken sollen.The invention will be more fully understood from the following description and the accompanying drawings, which are given by way of example only, and thus are not intended to limit the disclosure.
Es zeigen:
-
1 ein Grundprinzip, -
2 einen einfachen Aufbau mit zwei U-Profilen, -
3 einen Aufbau mit vereinigten U-Profilen (Schale), -
4 zwei verbundene Schalen ohne Wicklung, -
5 einen Aufbau als Segment, -
6 einen Aufbau als Radnabenmotor.
-
1 a basic principle -
2 a simple structure with two U-profiles, -
3 a structure with united U-profiles (shell), -
4 two connected shells without winding, -
5 a structure as a segment, -
6 a structure as a hub motor.
Analog zu den Figuren mit 2 mal 8 Schenkeln sind auch andere Aufbauten mit einer anderen geradzahligen Anzahl an Schenkeln möglich.Analogous to the figures with 2
Die gegeneinander versetzten und alternierenden U-Profile 10 und 11 sind hier mit ihren Schenkeln parallel angeordnet. Die Wicklungen
Gleichzeitig kann ein Modul bzw. Segment auch in einem Vielfachen der Phasenanzahl, z. B. 30 mal eingesetzt werden, wobei durch parallele Schaltung der Segmente jeder Phase ebenfalls eine 3 Phasenmaschine entsteht, mit dem Vorteil, dass einfache Steuerungen mit kleinen Leistungen als Treiber eingesetzt werden können.At the same time, a module or segment can also be in a multiple of the number of phases, z. B. be used 30 times, which also creates a 3-phase machine by parallel circuit of the segments of each phase, with the advantage that simple controls with low power can be used as a driver.
In der Zeichnung sind links im radialen Schnitt die Wicklungen
In der Zeichnung darunter sind anstatt den Rundprofil-Wicklungen
Im rechten, großen Teil der Zeichnung ist ein axialer Schnitt gezeigt, in dem die Wicklungen
Es existiert ein gegenüber der beschriebenen Anordnung aus weichmagnetischen U-Profilen 14 und Wicklungen
Die Außenhaut dieser Maschine kann aus einem paramagnetischem Material (z. B. Aluminium) bestehen. Die Maschine ist mit gedrehten Magneten in der Anzahl U-Profile bestückt und die Zwischenräume sind mit einem extrudierten weichmagnetischem hochohmigen Material bestückt.The outer skin of this machine may consist of a paramagnetic material (eg aluminum). The machine is equipped with turned magnets in the number of U-profiles and the spaces are equipped with an extruded soft magnetic high-resistance material.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1005136 A1 [0003]EP 1005136 A1 [0003]
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