DE102019134652A1

DE102019134652A1 - Transverse flux machine and method for operating a transverse flux machine

Info

Publication number: DE102019134652A1
Application number: DE102019134652.5A
Authority: DE
Inventors: György Farkas
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: DE102019134652B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Transversalflussmaschine (1), welche nach einem Fluss-Schalt-Prinzip betreibbar ist, mit einem Permanentmagnete (5) aufweisenden um eine Rotationsachse (4) rotierbaren Rotor (3), und mit einem wenigstens eine mehrere Windungen (9) aufweisende Ringspule (8) umfassenden Stator (2), wobei eine gemeinsame Mittelachse der Windungen (9) mit der Rotationsachse (4) des Rotors (3) zusammenfällt, wobei wenigstens einen sich in Windungsrichtung (10) der Ringspule (8) erstreckenden, von einem Kühlfluid durchströmbaren Kühlkanal (16), welcher in die Windungen (9) der Ringspule (8) eingebettet ist und mittels welchem die Ringspule (8) kühlbar ist.The invention relates to a transverse flux machine (1) which can be operated according to a flux switching principle, with a rotor (3) that can rotate around an axis of rotation (4) and that has at least one rotor (9) that has a plurality of windings (9) Stator (2) comprising a toroidal coil (8), a common central axis of the windings (9) coinciding with the axis of rotation (4) of the rotor (3), at least one of which extends in the winding direction (10) of the toroidal coil (8) Cooling fluid can flow through the cooling channel (16) which is embedded in the turns (9) of the ring coil (8) and by means of which the ring coil (8) can be cooled.

Description

Die Erfindung betrifft ein Transversalflussmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Transversalflussmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a transverse flux machine and a method for operating a transverse flux machine according to the preambles of the independent claims.

Aus der WO 94/02984 A1 ist bereits eine elektrische Maschine mit einem sich um eine Achse drehenden Läufer und einem Stator bekannt. Der Stator umfasst einen Satz mit einer Vielzahl von um die Achse herum in gleichen Winkelabständen angeordneten C-förmigen Polelementen, von denen jedes mit einem Basissteg und zwei von diesen abstehenden Polfingern eine Statorwicklung umgreift. Die Statorwicklung umläuft ringförmig die Achse und ist von einem Kühlmedium durchströmt. Hierfür weist die Statorwicklung einen sich innerhalb derselben Wicklungsrichtung erstreckenden Kühlkanal auf. Jedem Satz von C-förmigen Polelementen ist ein Satz in Azimutalrichtung aufeinanderfolgend angeordneter einzelner Magnetkreiselemente zugeordnet, wobei die Magnetkreiselemente als Permanentmagneten ausgebildet sein können.From the WO 94/02984 A1 an electrical machine with a rotor rotating about an axis and a stator is already known. The stator comprises a set with a multiplicity of C-shaped pole elements which are arranged around the axis at equal angular intervals, each of which with a base web and two pole fingers protruding from these surrounds a stator winding. The stator winding runs around the axis in a ring shape and a cooling medium flows through it. For this purpose, the stator winding has a cooling channel extending within the same winding direction. Each set of C-shaped pole elements is assigned a set of individual magnetic circuit elements arranged one after the other in the azimuthal direction, it being possible for the magnetic circuit elements to be designed as permanent magnets.

Des Weiteren offenbart die EP 1 953 902 A2 eine geschaltete Transversalflussreluktanzmaschine, bestehend aus einem Stator mit mehreren Phasen, und einem Rotor, der zur Drehung relativ zu dem Stator um eine Achse montiert ist, wobei Phasen axial entlang der Achse beabstandet sind. In dem Stator ist ein Kühlkreislauf vorgesehen. Der eingebettete Kühlkreislauf ermöglicht ein Pumpen eines Kältemittels durch die Spule während die geschaltete Transversalflussreluktanzmaschine in Betrieb ist. Während das Kältemittel durch die Spule gepumpt wird, wird Wärme von den Spulen an das Kältemittel übertragen, wodurch die Transversalflussreluktanzmaschine gekühlt wird.Furthermore, the EP 1 953 902 A2 a switched transverse flux reluctance machine comprised of a multi-phase stator and a rotor mounted for rotation relative to the stator about an axis, with phases axially spaced along the axis. A cooling circuit is provided in the stator. The embedded cooling circuit enables refrigerant to be pumped through the coil while the switched transverse flux reluctance machine is in operation. As the refrigerant is pumped through the coil, heat is transferred from the coils to the refrigerant, thereby cooling the transverse flux reluctance machine.

Darüber hinaus offenbart die US 5 117 142 A1 eine permanentmagnetisierte Synchronmaschine, welche nach dem Transversalflussprinzip betrieben wird. Diese Synchronmaschine wird nach dem Fluss-Schalt-Prinzip betrieben.In addition, the US 5 117 142 A1 a permanently magnetized synchronous machine, which is operated according to the transverse flux principle. This synchronous machine is operated according to the flux switching principle.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Transversalflussmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Transversalflussmaschine bereitzustellen, welche ein besonders effizientes Betreiben der Transversalflussmaschine ermöglichen.The object of the present invention is to provide a transverse flux machine and a method for operating a transverse flux machine which enable particularly efficient operation of the transverse flux machine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Transversalflussmaschine sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Transversalflussmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen sowie in der folgenden Beschreibung angegeben.According to the invention, this object is achieved by a transverse flux machine and by a method for operating a transverse flux machine with the features of the independent claims. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the respective dependent claims and in the following description.

Die Erfindung betrifft eine Transversalflussmaschine, welche nach einem Fluss-Schalt-Prinzip betreibbar ist. Eine nach dem Fluss-Schalt-Prinzip betreibbare Transversalflussmaschine ist bereits aus der anfangs zitierten US 5 117 142 A1 bekannt. Hierbei erfolgt eine Flussrichtungsschaltung eines Magnetflusses in jeweiligen, eine Ringspule der Transversalflussmaschine umschließenden Eisenkernen, wodurch diese jeweilige Permanentmagnete eines Rotors der Transversalflussmaschine anziehen oder abstoßen.The invention relates to a transverse flux machine which can be operated according to a flux switching principle. A transverse flux machine that can be operated according to the flux switching principle is already from the initially cited US 5 117 142 A1 known. In this case, a magnetic flux is switched in the direction of flow in respective iron cores surrounding a toroidal coil of the transverse flux machine, as a result of which these respective permanent magnets of a rotor of the transverse flux machine attract or repel.

Die Transversalflussmaschine umfasst den mehrere Permanentmagnete aufweisenden und um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor. Darüber hinaus umfasst die Transversalflussmaschine einen Stator, welcher wenigstens eine mehrere Windungen aufweisende Ringspule umfasst. Eine gemeinsame Mittelachse sämtlicher Windungen der jeweiligen Ringspule fällt mit der Rotationsachse des Rotors zusammen. Um ein besonders effizienter Betreiben der Transversalflussmaschine zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass insbesondere während eines Betriebs der Transversalflussmaschine die Ringspule des Stators gekühlt wird. Hierfür ist erfindungsgemäß wenigstens ein sich in Windungsrichtung der Ringspule erstreckender, von einem Kühlfluid durchströmbarer Kühlkanal vorgesehen. Der Kühlkanal ist in die Windungen der Ringspule eingebettet. Mittels des Kühlkanals ist die Ringspule kühlbar. Insbesondere liegen mehrere Windungen der Ringspule außenseitig an einer Wandung des Kühlkanals an, wodurch ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang zwischen dem Kühlkanal und insbesondere dem Kühlfluid und den Windungen der Ringspule erreicht werden kann. Aufgrund des besonders vorteilhaften Wärmeübergangs zwischen dem wenigstens einen Kühlkanal und der Ringspule ist die Ringspule besonders effizient kühlbar. Aufgrund der Kühlung können Leistungsverluste in der Ringspule besonders gering gehalten werden.The transverse flux machine comprises the rotor, which has a plurality of permanent magnets and is rotatable about an axis of rotation. In addition, the transverse flux machine comprises a stator, which comprises at least one ring coil having a plurality of turns. A common center axis of all turns of the respective ring coil coincides with the axis of rotation of the rotor. In order to enable particularly efficient operation of the transverse flux machine, it is provided that the ring coil of the stator is cooled, in particular during operation of the transverse flux machine. For this purpose, according to the invention, at least one cooling channel is provided which extends in the winding direction of the ring coil and through which a cooling fluid can flow. The cooling channel is embedded in the turns of the ring coil. The ring coil can be cooled by means of the cooling channel. In particular, several turns of the ring coil rest on the outside of a wall of the cooling channel, whereby a particularly advantageous heat transfer between the cooling channel and in particular the cooling fluid and the turns of the ring coil can be achieved. Due to the particularly advantageous heat transfer between the at least one cooling channel and the ring coil, the ring coil can be cooled particularly efficiently. Due to the cooling, power losses in the ring coil can be kept particularly low.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Kühlkanal umfangsseitig von Windungen der Ringspule vollständig umschlossen ist. Mit anderen Worten ist der Kühlkanal vollständig in die Ringspule eingebettet, wodurch ein besonders effizientes Kühlen der Ringspule erreicht werden kann. Das vollständige Einbetten des wenigstens einen Kühlkanals in den Windungen der Ringspule ermöglicht, dass von besonders vielen Windungen der Ringspule besonders viel Wärme mittels des in den Kühlkanal strömenden Kühlfluids aufnehmbar und von der Ringspule weg transportierbar ist, wodurch die Ringspule besonders effizient kühlbar ist.It has proven to be particularly advantageous if the cooling channel is completely enclosed on the circumferential side by turns of the ring coil. In other words, the cooling channel is completely embedded in the ring coil, so that particularly efficient cooling of the ring coil can be achieved. The complete embedding of the at least one cooling channel in the turns of the ring coil enables a particularly large amount of heat to be absorbed from a particularly large number of turns of the ring coil by means of the cooling fluid flowing into the cooling channel and transported away from the ring coil, whereby the ring coil can be cooled particularly efficiently.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn mehrere Eisenkerne vorgesehen sind, welche die Ringspule zumindest zu einer dem Rotor abgewandten Seite radial nach außen überdecken. Eine Permeabilität der Eisenkerne führt zu einer Vervielfachung des Magnetflusses in der Ringspule und ermöglicht hierdurch besonders hohe Antriebskräfte und Drehmomente des Rotors.In a further embodiment of the invention, it has been shown to be advantageous if several iron cores are provided which cover the ring coil radially outward at least on a side facing away from the rotor. A permeability of the Iron cores lead to a multiplication of the magnetic flux in the toroidal coil and thereby enable particularly high drive forces and torques of the rotor.

In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn jedem Permanentmagneten ein Eisenkern zugeordnet ist. Aufgrund des Betreibens der Transversalflussmaschine in dem Fluss-Schalt-Prinzip verläuft ein magnetischer Fluss in sämtlichen Eisenkernen entlang der Ringspule in jeweils gleicher Richtung relativ zur Ringspule. Die Transversalflussmaschine umfasst genauso viele Permanentmagnete wie Eisenkerne. In Abhängigkeit von einer jeweiligen Magnetflussrichtung in den Eisenkernen kann eine Anziehungskraft zwischen einem jeweiligen Permanentmagneten und einem Eisenkern resultieren oder eine Abstoßungskraft. Über ein gezieltes Einstellen des magnetischen Flusses in den jeweiligen Eisenkernen kann somit der Rotor relativ zum Stator um die Rotationsachse rotiert werden. Aufgrund der Zuordnung je eines Eisenkerns zu jedem Permanentmagneten kann eine besonders hohe Leistungsdichte pro Volumen für die Permanentmagnete erreicht werden.In this context, it has proven to be particularly advantageous if an iron core is assigned to each permanent magnet. Due to the operation of the transverse flux machine in the flux-switching principle, a magnetic flux runs in all iron cores along the ring coil in the same direction relative to the ring coil. The transverse flux machine includes as many permanent magnets as there are iron cores. Depending on a respective magnetic flux direction in the iron cores, an attractive force between a respective permanent magnet and an iron core or a repulsive force can result. The rotor can thus be rotated around the axis of rotation relative to the stator by means of a targeted setting of the magnetic flux in the respective iron cores. Due to the assignment of an iron core to each permanent magnet, a particularly high power density per volume can be achieved for the permanent magnets.

Es hat sich hierbei als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Eisenkerne einen P-förmigen Querschnitt aufweisen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Ringspule in dem Bogen der P-Form von dem Eisenkern zumindest bereichsweise umfangsseitig umschlossen wird. Die Eisenkerne umschließen die Ringspule gemeinsam mit dem Rotor umfangsseitig vollständig. Jeweilige entlang einer Umfangsrichtung der Ringspule zueinander benachbarte P-Kerne können gespiegelt zueinander angeordnet sein, wodurch die jeweiligen Bögen des P-förmigen Querschnitts entlang der Axialrichtung des Stators in unterschiedliche Richtungen weisen. Hierdurch kann bei einer Bestromung der Ringspule sowohl ein gleicher Magnetfluss in sämtlichen Eisenelementen entlang der Ringspule ermöglicht werden, als auch eine entgegengesetzte Anziehungswirkung nebeneinander angeordneter Eisenkerne auf jeweilige zugeordnete Permanentmagneten ausgeübt werden.It has proven to be particularly advantageous here if the iron cores have a P-shaped cross section. In particular, it is provided that the ring coil in the arc of the P-shape is surrounded by the iron core at least in some areas on the circumferential side. The iron cores completely enclose the ring coil together with the rotor on the circumferential side. P cores adjacent to one another along a circumferential direction of the toroidal coil can be arranged in a mirrored manner, so that the respective arcs of the P-shaped cross section point in different directions along the axial direction of the stator. In this way, when the toroidal coil is energized, both the same magnetic flux can be made possible in all iron elements along the toroidal coil and an opposing attraction of iron cores arranged next to one another can be exerted on the respective associated permanent magnets.

In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Eisenkerne aus einem länglichen, zu dem P geformten Eisenelement gebildet sind, deren jeweilige Enden beabstandet voneinander angeordnet sind. Das bedeutet, dass die Enden des Eisenelements kontaktfrei zueinander angeordnet sind. Hierbei ist ein jeweiliges den Bogen der P-Form abschließendes erstes Ende des Eisenelements dem Permanentmagneten zugewandt. Von diesem den Bogen der P-Form schließenden ersten Endes des Eisenelements geht eine Anziehungskraft oder eine Abstoßungskraft auf den Permanentmagneten aus, wodurch der Rotor um die Rotationsachse relativ zu dem Stator drehbar ist. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das erste Ende der jeweiligen Eisenkerne mit dem zugeordneten Permanentmagneten gekoppelt ist und das zweite Ende kontaktfrei zu dem Permanentmagneten angeordnet ist. Über dieses erste Ende wird die Anziehungskraft beziehungsweise die Abstoßungskraft auf den jeweiligen zugeordneten Permanentmagneten ausgeübt, wodurch der Rotor um die Rotationsachse relativ zum Stator rotierbar ist. Die P-Form der Eisenelemente ermöglicht das Betreiben der Transversalflussmaschine nach dem Fluss-Schalt-Prinzip, wobei jedem der Permanentmagnete genau ein Eisenkern zugeordnet ist, wodurch eine besonders hohe Leistungsdichte pro Volumen erzielbar ist.In this context, it has proven to be particularly advantageous if the iron cores are formed from an elongated iron element shaped to form the P, the respective ends of which are arranged at a distance from one another. This means that the ends of the iron element are arranged without contact with one another. Here, a respective first end of the iron element which closes the arc of the P-shape faces the permanent magnet. This first end of the iron element, which closes the arc of the P-shape, emits an attractive force or a repulsive force on the permanent magnet, as a result of which the rotor can be rotated about the axis of rotation relative to the stator. It has proven to be particularly advantageous here if the first end of the respective iron cores is coupled to the associated permanent magnet and the second end is arranged without contact with the permanent magnet. The attractive force or the repulsive force is exerted on the respective associated permanent magnet via this first end, whereby the rotor can be rotated about the axis of rotation relative to the stator. The P-shape of the iron elements enables the transverse flux machine to be operated according to the flux switching principle, with precisely one iron core being assigned to each of the permanent magnets, whereby a particularly high power density per volume can be achieved.

In einer Weiterbildung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Permanentmagnete mit ihrer Polausrichtung strahlenförmig zur Rotationsachse des Rotors angeordnet sind, wodurch ein erster Magnetpol der jeweiligen Permanentmagnete der Rotationsachse zugewandt ist und der zweite Magnetpol des Permanentmagneten der Rotationsachse abgewandt ist. Somit ist der erste Magnetpol radial nach außen dem nahsten Eisenkern zugewandt und der zweite Magnetpol radial zur Rotationsachse hin und dem nahsten Eisenkern abgewandt. Der erste Magnetpol ist somit von dem ersten Ende des Eisenkerns anziehbar oder abstoßbar um den Rotor in Rotation um die Rotationsachse relativ zu dem Stator zu bringen. Das strahlenförmige Ausrichten der Permanentmagnete ermöglicht eine besonders große Anziehungskraft beziehungsweise eine besonders große Abstoßungskraft zwischen den jeweiligen ersten Enden der Eisenkerne und den Permanentmagneten, wodurch der Rotor besonders sicher gegenüber dem Stator mit besonders großer Leistung antreibbar ist.In a further development of the invention, it has been shown to be advantageous if the permanent magnets are arranged with their pole alignment radially to the axis of rotation of the rotor, whereby a first magnetic pole of the respective permanent magnets faces the axis of rotation and the second magnetic pole of the permanent magnet faces away from the axis of rotation. Thus, the first magnetic pole faces radially outwards towards the closest iron core and the second magnetic pole faces radially towards the axis of rotation and away from the closest iron core. The first magnetic pole can thus be attracted or repelled by the first end of the iron core in order to bring the rotor into rotation about the axis of rotation relative to the stator. The radial alignment of the permanent magnets enables a particularly large force of attraction or a particularly large force of repulsion between the respective first ends of the iron cores and the permanent magnets, as a result of which the rotor can be driven particularly safely with respect to the stator with particularly high power.

Es hat sich in diesem Zusammenhang als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn jeweilige entlang einer Umfangsrichtung des Rotors benachbart angeordnete Permanentmagnete in ihrer Polausrichtung diametral entgegengesetzt angeordnet sind. Das bedeutet, dass bei einem ersten Permanentmagneten der Nordpol als erster Magnetpol der Rotationsachse zugewandt ist und der Südpol als zweiter Magnetpol dem jeweils nächstgelegenen Eisenkern zugewandt ist. Bei einem zweiten, direkt zum ersten Permanentmagneten benachbarten Permanentmagneten ist der Südpol als erster Magnetpol der Rotationsachse zugewandt und der Nordpol ist als zweiter Magnetpol dem nächstgelegenen Eisenkern zugewandt. Bei einer gleichen Magnetflussrichtung in den benachbarten Eisenkernen üben die benachbarten Eisenkerne aufgrund der gespiegelten Ausrichtung der P-Form auf jeweils unterschiedliche Magnetpole eine Anziehungskraft aus. Somit kann ein erster Eisenkern mit seinem ersten Ende einen Südpol anziehen und der zu dem ersten Eisenkern benachbarte zweite Eisenkern aufgrund seiner gespiegelten P-Form mit seinem ersten Ende einen Nordpol anziehen. Wird eine Magnetflussrichtung in sämtlichen Eisenkernen gleichzeitig umgekehrt, beispielsweise aufgrund eines an die Ringspule angelegten Wechselstroms, dann ändert sich die Anziehungskraft in den jeweiligen Enden für die jeweiligen Pole in eine Abstoßungskraft für die jeweiligen Magnetpole, wodurch der Rotor relativ zu dem Stator um die Rotationsachse rotiert wird. Beispielsweise wird bei Änderung der Magnetflussrichtung in den Eisenkernen der Rotor so weit gedreht, dass ein Permanentmagnet, welcher vor der Umschaltung der Magnetflussrichtung von dem ersten Ende des ersten Eisenkerns angezogen worden ist, nach der Flussumschaltung von dem ersten Ende des zu dem ersten Eisenkern benachbarten zweiten Eisenkerns angezogen und von dem ersten Ende des ersten Eisenkerns abgestoßen. Die Transversalflussmaschine kann aufgrund dessen, dass jeder Permanentmagnet gleichzeitig von jeweils einem Eisenkern angezogen wird, ein besonders großes Drehmoment erzeugen.In this context, it has proven to be particularly advantageous if respective permanent magnets arranged adjacently along a circumferential direction of the rotor are arranged diametrically opposite in their pole alignment. This means that in the case of a first permanent magnet, the north pole as the first magnetic pole faces the axis of rotation and the south pole as the second magnetic pole faces the respective closest iron core. In the case of a second permanent magnet, which is directly adjacent to the first permanent magnet, the south pole as the first magnetic pole faces the axis of rotation and the north pole faces the closest iron core as the second magnetic pole. With the same magnetic flux direction in the adjacent iron cores, the adjacent iron cores exert an attractive force on different magnetic poles due to the mirrored orientation of the P-shape. Thus, a first iron core can attract a south pole with its first end and that to the first iron core neighboring second iron core attracts a north pole with its first end due to its mirrored P-shape. If a magnetic flux direction is reversed in all iron cores at the same time, for example due to an alternating current applied to the toroidal coil, then the attractive force in the respective ends for the respective poles changes into a repulsive force for the respective magnetic poles, whereby the rotor rotates around the axis of rotation relative to the stator becomes. For example, when the direction of the magnetic flux in the iron cores is changed, the rotor is rotated so far that a permanent magnet, which was attracted to the first end of the first iron core before the direction of magnetic flux was switched, after the flux switched from the first end of the second iron core adjacent to the first Iron core attracted and repelled from the first end of the first iron core. The transverse flux machine can generate a particularly high torque due to the fact that each permanent magnet is attracted by an iron core at the same time.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer Transversalflussmaschine. Die Transversalflussmaschine umfasst einen Permanentmagnete aufweisenden Rotor sowie einen Stator, welcher wenigstens eine mehrere Windungen aufweisende Ringspule umfasst. Eine gemeinsame Mittelachse sämtlicher Windungen der Ringspule fällt mit einer Rotationsachse des Rotors zusammen. Bei dem Verfahren ist es vorgesehen, dass die Transversalflussmaschine flussgeschaltet betrieben wird. Um die Transversalflussmaschine besonders effizient betreiben zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein sich in Windungsrichtung der Ringspule erstreckender Kühlkanal, welcher in die Windungen der Ringspule eingebettet ist, von einem Kühlfluid durchströmt wird, wodurch die Ringspule gekühlt wird.The invention also relates to a method for operating a transverse flux machine. The transverse flux machine comprises a rotor having permanent magnets and a stator which comprises at least one ring coil having a plurality of turns. A common central axis of all turns of the ring coil coincides with an axis of rotation of the rotor. In the method it is provided that the transverse flux machine is operated in a flow-switched manner. In order to be able to operate the transverse flux machine particularly efficiently, it is provided according to the invention that a cooling fluid flows through at least one cooling channel which extends in the winding direction of the ring coil and is embedded in the turns of the ring coil, whereby the ring coil is cooled.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Transversalflussmaschine beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the method according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the transverse flow machine according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1a-b jeweilige schematische Schnittansichten eines Stators sowie eines Ausschnitts eines Rotors einer Transversalflussmaschine wobei 1a entlang einer Ringspule des Stators nebeneinander angeordnete Eisenkerne zu einem ersten Zeitpunkt mit einer ersten Magnetflussrichtung zeigt und 1b die nebeneinander angeordneten Eisenkernelemente zu einem zu dem ersten Zeitpunkt unterschiedlichen zweiten Zeitpunkt, in welchem der Magnetfluss in den Eisenkernen in einer zu der ersten Magnetflussrichtung entgegengesetzten zweiten Magnetflussrichtung fließt; und
2 einen schematischen Längsschnitt der Ringspule des Stators mit einem in Windungen der Spule eingebetteten Kühlkanal, welcher von einem Kühlfluid durchströmbar ist um die Ringspule zu kühlen.

Exemplary embodiments of the invention are described below. This shows:

1a-b respective schematic sectional views of a stator and a section of a rotor of a transverse flux machine wherein 1a shows iron cores arranged next to one another along a ring coil of the stator at a first point in time with a first magnetic flux direction and 1b the juxtaposed iron core elements at a second point in time different from the first point in time at which the magnetic flux flows in the iron cores in a second magnetic flux direction opposite to the first magnetic flux direction; and
2 a schematic longitudinal section of the ring coil of the stator with a cooling channel embedded in turns of the coil through which a cooling fluid can flow in order to cool the ring coil.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention which are to be considered independently of one another and which also further develop the invention in each case independently of one another. Therefore, the disclosure is intended to include combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.

In den 1a und 1b ist eine Transversalflussmaschine 1 ausschnittsweise dargestellt. Bei der Transversalflussmaschine 1 handelt es sich um eine elektrische Maschine, also einen Elektromotor, vorliegend für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Mittels der Transversalflussmaschine 1 ist das Kraftfahrzeug elektrisch antreibbar.In the 1a and 1b is a transverse flux machine 1 shown in detail. With the transverse flux machine 1 it is an electric machine, that is to say an electric motor, in the present case for a motor vehicle, in particular a motor vehicle, in particular a passenger car. By means of the transverse flow machine 1 the motor vehicle can be driven electrically.

Die Transversalflussmaschine 1 umfasst einen Stator 2 sowie einen Rotor 3. Der Rotor 3 ist um eine Rotationsachse 4 relativ zum Stator 2 rotierbar, wodurch das den Elektromotor aufweisende Kraftfahrzeug antreibbar ist. Umfangsseitig weist der Rotor 3 eine Vielzahl an Permanentmagneten 5 auf. Die Permanentmagnete 5 weisen jeweils einen Nordpol N und einen Südpol S als Magnetpole auf. Mit ihrer Polausrichtung sind die Permanentmagnete 5 strahlenförmig zu der Rotationsachse 4 angeordnet, welche eine Mittelachse des Rotors 3 darstellt. Das bedeutet, dass ein erster der Magnetpole der Rotationsachse 4 zugewandt und der zweite Magnetpol der Rotationsachse 4 abgewandt und somit radial nach außen weisend außenseitig des Rotors 3 angeordnet ist. Hierbei sind jeweilige entlang einer Umfangsrichtung des Rotors 3 direkt nebeneinander angeordnete Permanentmagnete 5 diametral entgegengesetzt in ihrer Polausrichtung ausgerichtet. Derartige direkt nebeneinander entlang der Umfangsrichtung des Rotors 3 angeordnete Permanentmagnete 5 sind in sowohl 1a als auch in 1b übereinander dargestellt. Die jeweiligen oberen Darstellungen in 1a und 1b zeigen denselben Permanentmagneten 5. Die jeweiligen unteren Darstellungen in den 1a und 1b zeigen ebenfalls jeweils denselben Permanentmagneten 5. Der erste Permanentmagnet 6 ist mit seinem Nordpol N zur Rotationsachse 4 des Rotors 3 zugewandt ausgerichtet und mit seinem Südpol S der Rotationsachse 4 des Rotors 3 abgewandt ausgerichtet. Der zu dem ersten Permanentmagneten 6 direkt benachbarte zweite Permanentmagnet 7 ist mit seinem Südpol S der Rotationsachse 4 des Rotors 3 zugewandt und mit seinem Nordpol N der Rotationsachse 4 des Rotors 3 abgewandt ausgerichtet.The transverse flow machine 1 includes a stator 2 as well as a rotor 3 . The rotor 3 is around an axis of rotation 4th relative to the stator 2 rotatable, whereby the motor vehicle having the electric motor can be driven. The rotor faces on the circumference 3 a variety of permanent magnets 5 on. The permanent magnets 5 each have a north pole N and a south pole S as magnetic poles. With their pole alignment, the permanent magnets are 5 radiating to the axis of rotation 4th arranged, which is a central axis of the rotor 3 represents. This means that a first of the magnetic poles is the axis of rotation 4th facing and the second magnetic pole of the axis of rotation 4th facing away and thus facing radially outward on the outside of the rotor 3 is arranged. Here, each are along a circumferential direction of the rotor 3 permanent magnets arranged directly next to each other 5 aligned diametrically opposite in their polar alignment. Such directly next to each other along the circumferential direction of the rotor 3 arranged permanent magnets 5 are in both 1a as well as in 1b shown one above the other. The respective images above in 1a and 1b show the same permanent magnet 5 . The respective lower representations in the 1a and 1b also each show the same permanent magnet 5 . The first permanent magnet 6th is with its north pole N to the axis of rotation 4th of the rotor 3 oriented facing and with its south pole S of the axis of rotation 4th of the rotor 3 facing away. The one to the first permanent magnet 6th directly adjacent second permanent magnet 7th is with its south pole S the axis of rotation 4th of the rotor 3 facing and with its north pole N the axis of rotation 4th of the rotor 3 facing away.

Der Stator 2 der Transversalflussmaschine 1 umfasst wenigstens eine Ringspule 8, welche aus mehreren Windungen 9 gebildet ist. Die jeweiligen Windungen 9 der Ringspule 8 sind um eine mit der Rotationsachse 4 des Rotors 3 zusammenfallende Mittelachse der Ringspule 8 zusammenfallend angeordnet. Das bedeutet, dass sich die Windungen 9 entlang einer Umfangsrichtung 10 der Ringspule 8 erstrecken. Um die Ringspule 8 herum sind mehrere Eisenkerne 11 die Ringspule 8 umschließend angeordnet. Die Eisenkerne 11 weisen einen P-förmigen Querschnitt mit einem ersten Ende 12 und einem zweiten Ende 13 auf, welche kontaktfrei zueinander angeordnet sind. Jeweilige zueinander benachbarte Eisenkerne 11 sind um 180 Grad gedreht relativ zueinander angeordnet. Das bedeutet, dass die den Bogen der P-Form des Eisenkerns 11 abschließenden ersten Enden 12 bei den benachbarten Eisenkernen 11 in Axialrichtung der Transversalflussmaschine 1 in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind. Bei einer gleichen Anzahl an Eisenkernen 11 zu Permanentmagneten 5 kann hierdurch die Transversalflussmaschine 1 flussgeschaltet betrieben werden. Das bedeutet, dass jedem Permanentmagneten 5 ein Eisenkern 11 zugeordnet ist und in sämtlichen Eisenkernen 11 eine Magnetflussrichtung relativ zur Ringspule 8 gleich verläuft.The stator 2 the transverse flux machine 1 comprises at least one toroidal coil 8th which consists of several turns 9 is formed. The respective turns 9 the ring coil 8th are around one with the axis of rotation 4th of the rotor 3 coincident central axis of the toroidal coil 8th arranged coincidentally. That means the turns 9 along a circumferential direction 10 the ring coil 8th extend. Around the ring coil 8th around there are several iron cores 11 the ring coil 8th arranged encircling. The iron cores 11 have a P-shaped cross section with a first end 12th and a second end 13th which are arranged without contact to one another. Corresponding iron cores adjacent to one another 11 are arranged rotated by 180 degrees relative to each other. That means that the the arc of the P-shape of the iron core 11 final first ends 12th at the neighboring iron cores 11 in the axial direction of the transverse flux machine 1 oriented in opposite directions. With the same number of iron cores 11 to permanent magnets 5 can thereby the transverse flux machine 1 can be operated on a flow-switched basis. That means every permanent magnet 5 an iron core 11 is assigned and in all iron cores 11 a magnetic flux direction relative to the toroidal coil 8th runs the same.

In 1a sind die benachbarten Eisenkerne 11 zu einem ersten Zeitpunkt mit einer ersten Magnetflussrichtung 14 dargestellt. In 1b sind die benachbarten Eisenkerne 11 zu einem zu dem ersten Zeitpunkt unterschiedlichen zweiten Zeitpunkt mit einer zweiten Magnetflussrichtung 15 dargestellt, wobei die zweite Magnetflussrichtung 15 entgegengesetzt zur ersten Magnetflussrichtung 14 verläuft. Bei einem Beaufschlagen der Ringspule 8 mit Wechselstrom wird somit eine Anziehung zwischen den jeweiligen ersten Enden 12 und den Permanentmagneten 5 mit einer Abstoßung abgewechselt, wodurch der Rotor 3 relativ zum Stator 2 um die Rotationsachse 4 rotiert wird. Die P-förmige Ausgestaltung der Eisenkerne 11 ermöglicht dabei, dass zu jedem Zeitpunkt jeder der Permanentmagnete 5 mit einem Eisenkern 11 gekoppelt sein kann. Hierdurch kann ein besonders großes Drehmoment mittels der Rotors 3 bereitgestellt werden. Bei der Ausgestaltung der Eisenkerne 11 ist es vorgesehen, dass lediglich das erste Ende 12 in Kontakt mit dem jeweiligen zugeordneten Permanentmagneten 5 tritt, wohingegen das zweite Ende 13 des Eisenkerns 11 beabstandet zu dem jeweiligen Permanentmagneten 5 angeordnet ist. Bei einem ersten der Eisenkerne 11 strömt der Magnetfluss zu dem ersten Zeitpunkt über das erste Ende 12 in diesen Eisenkern 11 ein, wohingegen bei einem zu dem ersten Eisenkern 11 beabstandeten zweiten Eisenkern 11 der Magnetfluss zu dem ersten Zeitpunkt über das erste Ende 12 aus dem Eisenkern 11 ausströmt. Hierdurch wird zu dem ersten Zeitpunkt von dem ersten Ende 12 des ersten Eisenkerns 11 ein Südpol S eines Permanentmagneten 5 angezogen und von dem ersten Ende 12 des zweiten Eisenkerns 11 ein Nordpol N eines Permanentmagneten 5 angezogen.In 1a are the neighboring iron cores 11 at a first point in time with a first magnetic flux direction 14th shown. In 1b are the neighboring iron cores 11 at a second point in time different from the first point in time with a second magnetic flux direction 15th shown, the second magnetic flux direction 15th opposite to the first magnetic flux direction 14th runs. When the toroidal coil is acted upon 8th with alternating current there is thus an attraction between the respective first ends 12th and the permanent magnet 5 alternated with a repulsion, causing the rotor 3 relative to the stator 2 around the axis of rotation 4th is rotated. The P-shaped design of the iron cores 11 allows each of the permanent magnets at any point in time 5 with an iron core 11 can be coupled. This allows a particularly large torque by means of the rotor 3 to be provided. In the design of the iron cores 11 it is intended that only the first end 12th in contact with the respective associated permanent magnet 5 occurs, whereas the second end 13th of the iron core 11 at a distance from the respective permanent magnet 5 is arranged. In a first one of the iron cores 11 the magnetic flux flows over the first end at the first point in time 12th in this iron core 11 one, whereas with one to the first iron core 11 spaced second iron core 11 the magnetic flux at the first point in time across the first end 12th from the iron core 11 emanates. This will end at the first point in time from the first 12th of the first iron core 11 a south pole S of a permanent magnet 5 attracted and from the first end 12th of the second iron core 11 a north pole N of a permanent magnet 5 dressed.

Um die Transversalflussmaschine 1 besonders effizient betreiben zu können und eine Überhitzung der Ringspule 8 vermeiden zu können, ist es vorgesehen, dass insbesondere im Betrieb der Transversalflussmaschine 1 die Ringspule 8 gekühlt wird. Hierfür ist in die Windungen 9 der Ringspule 8 wenigstens ein Kühlkanal 16 eingebettet. Der Kühlkanal 16 ist von einem Kühlfluid, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, durchströmbar, wobei mittels des Kühlfluids Wärme von den Windungen 9 der Ringspule 8 aufnehmbar ist, wodurch wiederum die Ringspule 8 kühlbar ist. Der Kühlkanal 16 ist vorliegend über seine gesamte an der Ringspule 8 anliegende Länge umfangsseitig vollständig von den Windungen 9 der Ringspule 8 umschlossen. Hierdurch kann ein besonders effizienter Wärmeübergang zwischen den Windungen 9 und dem Kühlkanal 16 gewährleistet werden, wodurch die Ringspule 8 besonders effizient mittels des wenigstens einen Kühlkanals 16 kühlbar ist.To the transverse flux machine 1 to be able to operate particularly efficiently and overheating of the ring coil 8th to be able to avoid, it is provided that in particular during operation of the transverse flux machine 1 the ring coil 8th is cooled. This is in the windings 9 the ring coil 8th at least one cooling channel 16 embedded. The cooling duct 16 can be flowed through by a cooling fluid, in particular a cooling liquid, with heat from the windings by means of the cooling fluid 9 the ring coil 8th can be picked up, which in turn creates the toroidal coil 8th is coolable. The cooling duct 16 is present over its entire on the ring coil 8th adjacent length on the circumferential side completely from the windings 9 the ring coil 8th enclosed. This enables a particularly efficient heat transfer between the windings 9 and the cooling duct 16 guaranteed, making the toroidal coil 8th particularly efficient by means of the at least one cooling channel 16 is coolable.

In 2 ist die Ringspule 8 quer zu deren Mittelachse geschnitten dargestellt, wodurch erkannt werden kann, dass sich der Kühlkanal 16 zumindest im Wesentlichen über einen gesamten Umfang der Ringspule 8 erstreckt. Hierdurch kann eine besonders gleichmäßige Kühlung der Ringspule 8 über deren Umfang erreicht werden. Der Kühlkanal 16 ist insbesondere mittig in einem Querschnitt der Ringspule 8 angeordnet. Der Kühlkanal 16 weist ein Eintrittsende 17 und ein Austrittsende 18 auf. Über das Eintrittsende 17 kann das Kühlfluid in den Kühlkanal 16 ein strömen und über das Austrittsende 18 kann das Kühlfluid aus dem Kühlkanal 16 ausströmen. Aus dem Kühlkanal 16 ausgeströmtes Kühlfluid kann außerhalb der Transversalflussmaschine 1 rückgekühlt werden, insbesondere mittels eines externen Wärmetauschers. Eine Wandung des Kühlkanals 16 berührt die aus Kupferdraht gebildeten Windungen 9 der Ringspule 8, wodurch ein besonders guter Wärmeübergangskoeffizient des Kühlkanals 16 im Vergleich zu einer umfangsseitig der Ringspule 8 angeordneten Wassermantelkühlung erreicht werden kann. Mittels des Kühlkanals 16 ist eine besonders effiziente Kühlung und eine besonders hohe Strombelastung der Ringspule 8 möglich, wodurch eine besonders hohe Leistungsdichte der Transversalflussmaschine 1 erreicht werden kann.In 2 is the ring coil 8th Shown cut transversely to its central axis, whereby it can be seen that the cooling channel 16 at least substantially over an entire circumference of the ring coil 8th extends. This enables particularly uniform cooling of the ring coil 8th can be achieved beyond their scope. The cooling duct 16 is in particular centered in a cross section of the ring coil 8th arranged. The cooling duct 16 indicates an entry end 17th and an exit end 18th on. About the entry end 17th can the cooling fluid in the cooling channel 16 a stream and over the exit end 18th can the cooling fluid from the cooling channel 16 emanate. From the cooling duct 16 Leaked cooling fluid can be outside the transverse flow machine 1 be re-cooled, in particular by means of an external Heat exchanger. A wall of the cooling channel 16 touches the turns formed from copper wire 9 the ring coil 8th , whereby a particularly good heat transfer coefficient of the cooling channel 16 compared to a circumferential side of the ring coil 8th arranged water jacket cooling can be achieved. By means of the cooling channel 16 is a particularly efficient cooling and a particularly high current load on the ring coil 8th possible, whereby a particularly high power density of the transverse flux machine 1 can be reached.

Jeweilige Magnetfelder der Eisenkerne 11 sind stromerregt erzeugt. Über ein Schalten der Magnetflussrichtung 14, 15 in den Eisenkernen 11 über eine jeweilige Stromrichtung in den Windungen 9 der Ringspule 8 können die jeweiligen ersten Enden 12 der jeweiligen Eisenkerne 11 nacheinander mit jeweils nebeneinander angeordneten in ihrer Polausrichtung diametral entgegen gesetzt ausgerichteten Permanentmagneten 5 magnetisch gekoppelt werden, wodurch der Rotor 3 relativ zum Stator 2 um die Rotationsachse 4 rotiert wird. Aufgrund der speziellen P-Form der Eisenkerne 11 werden alle Permanentmagnete 5 des Rotors 3 in einem gemeinsamen Zeitschritt jeweils mit einem Eisenkern 11 magnetisch gekoppelt, wodurch alle Magnete in einem einzigen Zeitschritt gemeinsam arbeiten. Hierdurch kann ein besonders geringes Streufeld sowie ein besonders starkes genutztes Magnetfeld erreicht werden, wodurch ein besonders hohes Drehmoment mittels der Transversalflussmaschine 1 erzeugt werden kann. Darüber hinaus kann ein besonders vorteilhafter Leistungsfaktor sowie eine besonders hohe Leistungsdichte der Transversalflussmaschine 1 bei deren Betrieb mit Flussrichtungsschaltung erreicht werden. Darüber hinaus kann ein besonders vorteilhaftes Verhältnis von erzeugtem Drehmoment zu einem Gewicht der Transversalflussmaschine 1 erreicht werden, wenn diese dazu eingerichtet ist, nach dem Fluss-Schalt-Prinzip betrieben zu werden.Respective magnetic fields of the iron cores 11 are generated in an energized manner. By switching the direction of the magnetic flux 14th , 15th in the iron cores 11 via a respective current direction in the windings 9 the ring coil 8th can the respective first ends 12th of the respective iron cores 11 one after the other with permanent magnets arranged next to one another in their pole alignment diametrically opposed 5 be magnetically coupled, making the rotor 3 relative to the stator 2 around the axis of rotation 4th is rotated. Due to the special P-shape of the iron cores 11 all become permanent magnets 5 of the rotor 3 in a common time step each with an iron core 11 magnetically coupled, which means that all magnets work together in a single time step. In this way, a particularly low stray field and a particularly strong magnetic field can be achieved, whereby a particularly high torque by means of the transverse flux machine 1 can be generated. In addition, a particularly advantageous power factor and a particularly high power density of the transverse flux machine 1 can be achieved when operated with flow direction switching. In addition, a particularly advantageous ratio of the torque generated to the weight of the transverse flux machine can be achieved 1 can be achieved if this is set up to be operated according to the flow-switching principle.

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Kühlkonzept für Transversalflussmaschinen 1 mit Permanentmagneten 5 und Toroidspule bereitgestellt werden kann.Overall, the examples show how the invention creates a cooling concept for transverse flow machines 1 with permanent magnets 5 and toroidal coil can be provided.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

WO 9402984 A1 [0002]
EP 1953902 A2 [0003]
US 5117142 A1 [0004, 0007]

Claims

Transverse flux machine (1), which can be operated according to a flux switching principle, with a rotor (3) which has permanent magnets (5) and can rotate about an axis of rotation (4), and with a ring coil (8) having at least one several turns (9) comprehensive stator (2), a common central axis of the windings (9) coinciding with the axis of rotation (4) of the rotor (3), characterized by at least one cooling duct extending in the winding direction (10) of the annular coil (8) and through which a cooling fluid can flow (16), which is embedded in the turns (9) of the ring coil (8) and by means of which the ring coil (8) can be cooled.

Transverse flux machine (1) according to Claim 1 , the cooling channel (16) being completely enclosed on the circumferential side by turns (9) of the ring coil (8).

Transverse flux machine (1) according to one of the preceding claims, wherein several iron cores (11) are provided which cover the ring coil (8) radially outward at least on a side facing away from the rotor (3).

Transverse flux machine (1) according to Claim 3 , an iron core (11) being assigned to each permanent magnet (5).

Transverse flux machine (1) according to Claim 3 or 4th wherein the iron cores (11) have a P-shaped cross section.

Transverse flux machine (1) according to Claim 5 wherein the iron cores (11) are formed from an elongated P-shaped iron member, the respective ends of which are spaced apart from each other.

Transverse flux machine (1) according to Claim 6 , wherein a first end (12) of the respective iron cores (11) is connected to an associated permanent magnet (5) and the second end (13) is arranged without contact with the permanent magnet (5).

Transverse flux machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the permanent magnets (5) are arranged with their pole alignment in a radial manner to the axis of rotation (4) of the rotor (3), whereby a first magnetic pole of the respective permanent magnets (5) faces the axis of rotation (4) and the second magnetic pole of the permanent magnet (5) faces away from the axis of rotation (4).

Transverse flux machine (1) according to Claim 8 wherein respective permanent magnets (5) arranged adjacently along a circumferential direction of the rotor (3) are arranged diametrically opposite in their pole alignment.

Method for operating a transverse flux machine (1), with a rotor (3) having permanent magnets (5), with a stator (2) comprising at least one annular coil (8) having a plurality of turns (9), with a common central axis of the turns (9) coincides with an axis of rotation (4) of the rotor (3) in which the transverse flux machine (1) is operated in a flow-switched manner, characterized in that at least one cooling channel (16) extending in the winding direction (10) of the ring coil (8), which into the Windings (9) of the ring coil (8) is embedded, is flowed through by a cooling fluid, whereby the ring coil (8) is cooled.