DE102019002806B4

DE102019002806B4 - Transversalflussmaschinen mit Zweirichtungsmagneten

Info

Publication number: DE102019002806B4
Application number: DE102019002806.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: DE102019002806A1

Abstract

Für Transversalflussmaschinen mit Permanentmagnet-Erregung im Läufer wird mit dem Einsatz von zwei Richtungsmagneten der effektive Betrieb mit hoher Kraftdichte bei günstigen Baubedingungen beschrieben. Die Gleichstromvariante ermöglicht hierbei weitere Vorteile,

Description

Stand der Technik
Transversalflussmaschinen zeichnen sich besonders in der Bauform mit Permanentmagneten in Sammleranordnung durch Kompaktheit aus und können dabei auch hohen Wirkungsgrad erreichen. Die seit Ende der Achtzigerjahre bekannt gewordenen Ausführungen können in verschiedenen Anwendungen für Elektroautos und bei Solarflugzeugen durch günstige Ergebnisse überzeugen; gleichwohl sind Anwendungen in größerem Umfang ausgeblieben. Sowohl in der Herstellung der Maschinen als auch bezüglich der Anpassung ihrer Elektronik und der schwingungsarmen Ausführung werden neue Anforderungen gestellt. Besonders überzeugend waren im Vergleich zu mehr herkömmlichen Maschinenvarianten die erreichbare Leistungsdichte und der Wirkungsgrad. Die bislang erprobten Maschinenmodelle wurden als Wechselstrommotoren mit Permanentmagnet-Ausstattung im Rotor eingesetzt, wobei verhältnismäßig hohe Frequenzen zur Anwendung kamen. Um die Besonderheiten zu verdeutlichen, wird der Stand der Technik mit Hilfe der Bilder nach 1, 2 bis 2c verdeutlicht. Es wird dabei auf die für Fertigung und Verluste bestehende Problematik im Zusammenhang mit der Wirkungsweise eingegangen. 1 stellt hierzu einen vereinfachten, linearisierten Ausschnitt aus der Anordnung einer Maschine nach 2 dar, wobei die Bauteile des Stators S mit dem Läufer L dargestellt sind. Im Stator wird von den ferromagnetischen Bauteilen Se die Erregerwicklung W teilweise umschlossen, wo der Erregerstrom I_f einen magnetischen Fluss erzeugt, der im Luftspalt δ eine Flussdichte B_f hervorruft. Im Läufer L von 1 sind die Permanentmagneten P mit ihren Randströmen Θ_m in Spaltnähe von 1 deutlich gemacht. Die Interaktion mit ihnen bringt für die Flussdichte B_f die gezeichnete Formverwandlung in B'_f zustande und verursacht die Kraft F, die auf den Läufer L wirkt.
Sie ist proportional dem Produkt B_f · Θ_m, das zugleich der Kraft je Längeneinheit entspricht. Denkt man sich die gezeichnete Feldlinie B'_f als elastische Struktur, so zeigt deren Eintritt in den Bereich Le (ferromagnetischer Teil von L), dass dort eine Zugkraft auf L entsteht.
Die in den Läufer L integrierten Magneten P sind formgebend für B'_f. und bestimmen den Zutrittsbereich für B_f; sie erzeugen aber auch die Flusskomponente B_fe. Im Gegensatz zu B_f ist B_fe allerdings durch die Läufer bedingte Erregung bewegungsabhängig und wirkt folglich auf ihrem Pfad durch den Stator im Wicklungsbereich spannungsbeeinflussend. Über den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Entwurfsgrößen mechanischer Art und den Flussdichten sind in der Tabelle 2c Angaben gemacht und auch die Kraftdichte F_A angeführt. In 1a wird zeichnerisch verdeutlicht, dass bei inverser Richtung von B_f gegenüber 1 auch die gegensinnige Kraftrichtung für F_m entsteht. Größe und Richtung von B_f sind also Steuerungsgrößen, die proportional über den Strom I_f für die Kraft auf den Läufer L bestimmend sind.
Dass trotz der auf Lücke stehenden Statorelemente Se auch bei Weiterbewegung von Läufer L eine gleichgerichtete Kraft F entstehen kann, deutet das obere Stromdiagramm 2b für I_f an. Es zeigt, dass nach einer positiven Phase, die der Verschiebung einer Polteilung τ in 1 entspricht, eine gleich große negative Halbperiode folgt und der Stromverlauf dem des Wechselstroms entspricht. Dies ist die Folge der Anwendung von Permanentmagneten mit alternierender Polarität im Läufer L. Letzteres ist auch Voraussetzung für die Vermeidung einer (starken) magnetischen Longitudinalfluss-Komponente. Die Kraft F beider Seiten setzt sich aus zwei symmetrischen Anteilen zusammen. Durch die Hinzunahme der zweiten Seite und deren Betrieb mit einem Se-Versatz von τ entsteht die doppelte Summenkraft und eine Fastvermeidung von Kraftschwankungen. Es erscheint sehr vorteilhaft, dass die Statorwicklungen als reine Ringwicklungen, ohne Rückleiter und ausschließlich in Ringform, also dem absoluten Minimum an Wicklungsmasse und Verlusten gestaltbar sind. Vorteilhaft ist auch, dass mit dem die Wicklung W und den Rotor L teilumschließenden Se-Teil, im Gegensatz zu anderen Vorschlägen, z.B. auch bei DE 37 050 89 A1 die durch Flussdichteschwankungen von B_f entstehende Normalkraftanregung durch die Eigensteifigkeit von Se aufgefangen wird und (wenn überhaupt) nur noch ein kleiner Teil an das Gehäuse weitergegeben wird. Die Körperschallanregung ist hierdurch kein Gegenstand der weiteren Eindämmung durch zusätzliche Maßnahmen.
Wie in 2a in einer begrenzten Draufsicht auf 2 dargestellt ist, sind allerdings die geschränkten Se-Teile auf beiden Maschinenseiten nicht zu vermeiden. Ihre, bezüglich der Eisenverluste, insbesondere bei sehr kleiner Polteilung, anspruchsvolle Herstellung, ist ein Problemthema. Der Zusammenhang zwischen hohen Betriebsfrequenzen und baulichen Nachteilen erschwert die Anwendung. Der durchaus gegebene Vorteil hoher Kraftdichten kann nicht in vollem Umfange der Anwendung zugutekommen. Es wird natürlich auch als Nachteil empfunden, dass die Wechselwirkung zwischen Magnetfeld der Stärke B_f und den durch Permanentmagneten ins Spiel gebrachten Randströmen Θ_m angesichts der noch nicht zur Kraftbildung genutzten Oberflächen des Läufers L (sh. 1) nur zur Hälfte genutzt wird.
In 2 von DE 10 2009 054 267 A1 sind zwei am Spalt antipolare Magneten in axial versetzten Ebenen zur gemeinsamen Flussführung und getrennten Kraftbildung am Spalt angeordnet.
Im Vergleich zu 3 der Anmeldung zeigt sich, dass dabei die Kraftverdopplung mit einer Verdopplung des Maschinenvolumens erkauft wird, was beim Magnetkreis von 3 der Anmeldung günstiger ist.
In einer eingehenden Beschreibung mit weiteren Bildern und einem bildbezogenen Text zur Erklärung werden weitere Merkmale zur gezielten Effizienzsteigerung des Transversalflussmotors in Spiel gebracht und verdeutlicht.
Beschreibung
Wenn das vom Statorbereich S aus erzeugte magnetische Feld der Flussdichte B_f mit einer möglichst großen Zahl von Randströmen Θ_m der Permanentmagneten interagieren soll, so ist mit Beibehaltung der Polteilung τ die Zahl der zur Verfügung gestellten Randströme gegenüber 1 zu erhöhen. Die Bedingung dabei muss sein, dass die bei Interaktion auftretende Kraftwirkung sich dabei ergänzt und die gewünschte Richtung aufweist. In 3 sind die neuen Voraussetzungen für die Maschinentopologie vereinfacht dargestellt. Bei gleicher Gesamtausdehnung gegenüber 1, die Einrichtungsmagneten aufweist, sind nun durch Zweirichtungsmagneten an beiden Oberflächen von L1 Randströme Θ_m gleicher Richtung im Einsatz. In der Mittelebene der Magneten P addieren sich ihre beiden Randströme auf den doppelten Betrag. Die zur Zu- und Abführung von B_f benötigten ferromagnetischen Arme von Se liegen nun in einer Ebene und bringen die erwarteten baulichen Vorteile im Hinblick auf Herstellung und Verluste bei hohen Frequenzen. Die Wicklungsausführung behält eine einfache Form, indem nun den benachbarten Se-Teilen eine Hälfte als Zuleitung, die andere Hälfte als abgeleiteter Strom genutzt wird. Dies ist in 3 oben vereinfacht dargestellt. Die magnetischen Flüsse benachbarter Se-Körper erfahren auf diese Weise Flussdichten gleicher Größe bei unterschiedlicher Richtung. Die Wicklungsteile W1 und W1' liegen, wie in 4 gezeichnet, übereinander als zwei Teile im gleichen Wicklungsfenster, wobei ihre Krümmungen um die Se-Teile in Längsrichtung versetzt sind. Durch die Verdoppelung der Interaktionen zwischen Magnetfeld und Randströmen tritt bei Annahme gleicher Größe für Felddichte und Randstrom die doppelte Kraft bei gleicher Oberfläche, also auch doppelte Kraftdichte F_A auf. Durch die beim Doppelmagnet gewählte gegenteilige Ausrichtung in einer Ebene zeigt der für B'_f in 3 gezeichnete geschlängelte Verlauf der Feldlinie, dass bei den gewählten Verhältnissen für Magnetbreite und Breite des Eisenteils Le die magnetische Flussführung transversaler Art auch in diesem Fall möglich ist. Die Ausführung kleiner Polteilungen τ ist auch bei dieser Magnetform ein Merkmal. In 3a sind weitere Formänderungen für die Permanentmagneten P und die angrenzenden Eisenteile Le gezeichnet. In letzterem Fall dienen sie einer zusätzlichen Streuflussunterdrückung im Mittelbereich der Magnete durch Einschränkung der Eisenangrenzung. Bezüglich der Magnetverbreiterung im Randbereich ist darauf hinzuweisen, dass die Größe des Randstroms Θ_m proportional der relevanten Magnetbreite ist. Also kommt eine Verbreiterung, auch wenn sie nur ein begrenztes Magnetteil betrifft, der Randstromvergrößerung von Θ_m zugute. Die Kraftdichte kann dadurch gesteigert werden. Mit Blick auf eine zweckmäßige Herstellung ist es auch möglich, in der Mittelebene von L (im Teilungsbereich der Magneten P) einen Steg des ferromagnetischen Materials von Le als Verbindung der angrenzenden Teile zu akzeptieren. 4 zeigt, dass der Maschinenquerschnitt gegenüber 1 als wesentliche Änderung hauptsächlich die Aufspaltung der Wicklung, z.B. links in eine zweilagige Ausführung W1 und W1' heraushebt. Mit 4a wird deutlich gemacht, dass auch andere Maschinenausführungen, wie z.B. die hier gezeigte mit einem außenliegenden Statorteil zweckmäßig eingesetzt werden können. Bereits für eine Maschinenhalbseite mit einem Statorteil S1 werden dabei zwei Läuferteile L1 und L1' in der linken Läuferhälfte gebraucht, wobei für den Stator noch zusätzlich ein Rückführelement Su eingesetzt wird, das im Gehäuseteil G verankert ist. Gegen Normalkraftschwingungen sind Maßnahmen erforderlich. Die Vorteile einer Bauform nach 4 werden sichtbar.
Da die Ausführung überlappter Mehrphasenwicklungen mit dem Transversalflussprinzip der Flussführung kaum vereinbar ist, kommt hier die Wicklung in der Form separierter Mehrphasigkeit in Betracht. Die Einzelbereiche der Statorphasen (Wicklung mit Se-Teilen) sind dabei identisch. Sie sind gegeneinander in dem Maße versetzt, wie dies die Phasenverschiebung der Ströme vorgibt. Für die Wicklung W zur Erzeugung der Feldkomponente F_f kommen bei mehr als einer Phase je Umfang dann keine Ringwicklungen ohne Rückführung mehr in Betracht. Bei 5 handelt es sich z.B. um 4-Phasenbereiche, die zu je zwei verschiedenen Phasen a, b mit einer Phasenverschiebung gehören, die einer Größe von 45° entspricht. Ein solches System wird jeder der beiden Maschinenseiten zugeordnet, wobei wie dargestellt dasjenige der zweiten Maschinenseite S2 gegenüber der Maschinenseite S1 zusätzlich eine Verschiebung um 22,5° zugeordnet wird. Damit entsteht, insgesamt gesehen, ein symmetrisches 4-Phasensystem in der Form nicht überlappter separierter Wicklungen. Da die Kraftdichte gegenüber bisherigen Ausführungsformen dem doppelten Wert entspricht, lassen sich Maschinen dieser Art mit kleineren Abmessungen und erhöhter Leistungsdichte konzipieren. Es verringert sich so die Wicklungsmasse und die Verluste, auch in den Fällen, wo mäanderförmige Wicklungen eingesetzt werden, um der Mehrphasigkeit entsprechen zu können.
In der erfolgten Beschreibung für das Rotorteil L mit sich gegenüberstehenden antipolaren Magneten P kann die transversale Magnetflussführung auch bei kleinen Polteilungen gut zur Wirkung gebracht werden. Die Magneten entwickeln dabei einen selbsterregten Flussanteil B_fe, stellen Eintrittsbereiche für die Fremdkomponente der Flussdichte B_f zur Verfügung und geben damit der Interaktion die gewünschte Richtung. Die Wechselflussgeometrie nach 3 nutzt dabei die höchstmögliche Zahl der spaltnahen Randströme Θ_m für den Maximalwert der Kraftdichte F_A. Der Betrieb der Wechselstrommaschine gründet auf wenigstens 2 Phasen, lässt aber für größere Maschinen auch den Übergang auf 4 Phasen als zweckmäßig erscheinen. Durch die beschriebene Kraftdichtesteigerung (Faktor 2 gegenüber bisherigen Entwürfen) ergeben sich kleinere Maschinenabmessungen, so dass auch auf geometrisch komplexere Wicklungsformen eingeschwenkt werden darf. Der dabei mit entstehende höhere Elektronikaufwand scheint vertretbar.
Im Sinne hoher Zweckmäßigkeit bei begrenzter Komplexität wirkt der Übergang auf die Gleichstromvariante der Transversalflussmaschine ebenfalls wünschenswert. Er gelingt durch die Anpassung der Magnetfunktion im Läufer L. Eine Gleichflussanordnung anstrebend wird davon ausgegangen, dass mit 6 jeder gegenpolare Nachbarmagnet P (in Doppelanordnung) für die Kraftbildung in Spaltnähe durch einen Steg Ls geringer Dicke deaktiviert wird. Die kraftbildende Wirkung mit B_f wird verhindert, weil nun ein Streuflussanteil des Magneten die Interaktion mit B_f blockiert. Der Verbleib des deaktivierten Magneten bleibt dennoch berechtigt, da seine longitudinale Wirkung (Längsflussverhinderung) benötigt wird. Bezüglich der Bemessung von Ls sollte gesagt werden, dass sich diese Abmessung so bestimmen lässt, dass der dort erzielte Magnetfluss den Sättigungszustand des ferromagnetischen Materials von Ls erreicht und damit in dieser Zone ein hoher magnetischer Widerstand gegeben ist. Die zur Erzeugung von B_f benötigten Ströme I_f lassen sich zur Begrenzung der Wicklungsverluste wie in 6a dargestellt, in gleichförmigen Pulsen erzeugen, so dass entsprechende Lücken der Kraft F_m1 genauso groß sind wie die positiven Anteile von F_m2. Der im dritten Diagramm 6a gezeichnete Kraftverlauf kommt ohne Schwankungen aus. Außerdem ist dabei vorausgesetzt, dass die einzelnen Kraftbeiträge durch den Versatz S2 gegenüber S1 genau eine Polteilung beträgt. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, Wicklungsbereiche mit gegenseitigem Versatz auch längs eines bestimmten Maschinenumfangs auszustatten und entsprechend mit zeitlichem Versatz der stromerregten Magnetpulse B_f zu versorgen. Die Gesamtkraft ergibt sich dann als Summe der einzelnen Abschnitte, deren gegenseitige Symmetrie eine gute Voraussetzung für schwingungsarmen Betrieb ist.
In 7 ist erkennbar, dass -wie sich in der linerarisierten Teilansicht 6 zeigt- die Eisenelemente Se des Statorteils S1 als ferromagnetisch ebene Teile in paralleler Anordnung (unverschränkt) einbauen lassen. 8 deutet darauf hin, dass auch für die Gleichstromvariante verschiedene Abwandlungen der Maschinenbauform zur Anpassung an die Einsatzbedingungen möglich sind. Es handelt sich hier um eine sogenannte Außenläuferversion. Stator und Läufer sind jeweils zweiteilig; die beiden Läuferteile von L stellen in ihrem aktiven Teil einen Zweirichtungsmagneten dar, der in Flussrichtung zusammengesetzt ist. Die Eisenteile Se der Statorhälften S1 und S2 sind eben ausgeführt und dabei radial positioniert. Die Tabellen nach 9 führen oben die Gleichungen zur Bestimmung der Flussdichtekomponenten B_f und B_fe im Zusammenhang mit Strömen und Abmessungen auf und geben unten Zusammenhänge dieser Größen und dem jeweiligen Strom bezüglich Kraft F und Leistung P an.
Der Verzicht auf die Wechselstromspeisung entsprechend 6, 7 ermöglicht einen einfacheren Maschinenaufbau bezüglich des Stators S, dessen ferromagnetische Elemente Se, die Wicklung W und ihre Speiseelektronik. Auch der Läufer L folgt einer einfachen Konzeption. Die auf die beiden Maschinenseiten wirkenden Kraftpulse addieren sich zu einer konstanten Gesamtkraft doppelter Größe. Auch für andere Maschinenbauformen, wie etwa der Außenläuferkonzeption nach 8, gelten Vorteile des einfachen Aufbaus. Der Verzicht auf die Anwendung des magnetischen Wechselflusses reduziert die Eisenverluste und ermöglicht den Betrieb der Maschinen auch bei hohen Drehzahlen, bzw. Frequenzen.
Für den Einsatz der Zweirichtungsmagnete bei Linearanwendungen sind die verwirklichbaren hohen Kraftdichten ein besonders geschätztes Merkmal. Hinzu kommt die für einige Varianten (auch in mehrsträngiger Ausführung) günstige Formgebung für die Wicklung. Sie ermöglicht mit der geringen Masse kleine Verluste im Vergleich zu konventionellen Konzepten. Auch die Heranziehung der durch die Magneten erzeugten zusätzlichen Feldkomponente B_fe erscheint vorteilhaft. Dies gilt auch für den Sonderfall einer Gleichstromvariante.

Claims

Transversalflussmaschine für lineare und rotierende Anwendungen, bestehend aus einem wicklungstragenden Maschinenteil S (Stator) und einem Permanentmagneten tragenden Maschinenteil L (Läufer), deren Wechselwirkungen zur Krafterzeugung genutzt werden und wobei die in Längsrichtung in quer zur Bewegung stehenden Ebenen angeordneten Magnete P aus zwei gleichgroßen antipolaren Teilen bestehen und in Längsrichtung ebenfalls antipolaren Nachbarn in gleichem Abstand, der mit ferromagnetischen Teilen besetzt ist, gegenüberstehen.
Transversalflussmaschine nach obigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Läuferteil den alternierenden Randströmen Θ_m der Magnete P das vom Stator S erzeugte magnetische Feld jeweils in gleicher Ebene von ferromagnetischen Teilen Se über den Luftspalt δ zugeleitet und im Stator S von einer stromführenden Wicklung W, die in Längsrichtung verläuft, erzeugt wird.
Transversalflussmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder zweite Magnet P am Luftspaltrand mit einem ferromagnetischen Steg Ls abgedeckt ist und die Felderregung des Stators S sich auf Gleichstrom- oder Gleichstrompulse beschränkt.
Transversalflussmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung in separat gespeiste Abschnitte gleicher Länge geteilt ist und mit Strömen unterschiedlicher Phasenlage, die dem gegenseitigen Versatz entsprechen, gespeist und betrieben wird.
Transversalflussmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass (benachbarte) Permanentmagnete zur Interaktion mit dem magnetischen Feld Ströme von Wicklungssträngen beziehen, die den Rückstrom der Wicklungsteile ihrer Nachbarn tragen.
Transversalflussmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass flussführende ferromagnetische Teile Se ohne räumliche Verschränkung eingesetzt sind.
Transversalflussmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass flussführende ferromagnetische Teile Se zweiseitig so eingesetzt werden, dass die gegensätzlichen Normalkräfte durch deren C-Form aufgenommen werden.