DE19524543C2 - Permanentmagneterregte Transversalflußmaschine und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Transversalflußmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Maschine.

Der Rotor bekannter permanentmagneterregter Transversalflußmaschinen weist eine Vielzahl hart- und weichmagnetischer Segmente auf, deren Vorfertigung und Montage aufwendig ist. Durch die feingliedrige Struktur erhöht sich der Herstellungsaufwand, insbesondere wenn trotz der hohen Magnetkräfte ein schwingungsfreier Aufbau erreicht werden soll.

In der DE 35 36 538 A1 wird eine permanentmagneterregte Transversalflußmaschine beschrieben, in der der von einem Permanentmagneten erzeugte Fluß immer nur einen Leiterring umschließt. Die den Leiterring umgebenden weichmagnetischen Körper weisen in Bewegungsrichtung einen großen Abstand auf, so daß das teure Magnetmaterial nur unzureichend ausgenutzt wird.

Aus der DE 37 05 089 A1 (Oberbegriff des Anspruchs 1) ist eine Rotorbauform einer Transversalflußmaschine bekannt, in der Magnete in Sammleranordnung eingesetzt werden, deren Magnetisierung in der Richtung parallel zur Luftspaltebene erfolgt. Der Fluß wird in den Weicheisenelementen des Rotors um 90° zum Stator hin umgelenkt, und aufgrund der großen Magnetdicke wird das Magnetmaterial energetisch ungünstig ausgenutzt. Die Stabilität der schachbrettartig zusammengesetzten Rotorstruktur wird nur durch Klebeverbindungen gewährleistet.

Weiterhin ist aus der DE 43 25 740 C1 eine Bauform einer Transversalflußmaschine mit günstiger Querschnittsgestaltung bekannt, in denen der Fluß eines Permanentmagneten in C-förmigen Polelementen mit hoher Eigensteifigkeit jewils nur den ihm zugeordneten Leiterring umschließt. Die aufwendig ausgestalteten Weicheisenelemente vergrößern ihre tangentiale Breite überproportional mit dem Radius, wodurch das Material ungleichmäßig ausgenutzt wird. Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete im Rotor steht in der Sammleranordnung ebenfalls senkrecht auf der Magnetflußrichtung im Luftspalt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine permanentmagneterregte Transversalflußmaschine der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu ihrer Herstellung derart weiterzubilden, daß mit geringem Material- und Herstellungsaufwand ein stabiler Maschinenaufbau erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 gelöst.

Erfindungsgemäß durchflutet der von einem Permanentmagnetsegment erzeugte magnetische Fluß abwechselnd die weichmagnetischen Körper von zwei auf unterschiedlichen Seiten des Magneten angeordneten Leiterringen einer Transversalflußmaschine, wobei die Flußrichtung im Magneten mit der Flußrichtung in den beiden von ihm durchfluteten Luftspalten übereinstimmt. Vorzugsweise sind die Magnetsegmente zwischen zwei u-förmigen Hälften eines quadratisch gewickelten Schnittbandkernes angeordnet und auch die Statorkerne werden als u-förmige Schnittbandkerne aus kornorientiertem Material vorgefertigt.

Der gesamte Maschinenaufbau zeichnet sich durch wenige unterschiedliche, einfach gestalte­ te und vorzufertigende Bauteile aus, wobei mit geringem Aufwand eine hohe Stabilität im magnetischen aktiven Maschinenvolumen - insbesondere gegenüber den schwankenden Luft­ spaltkräften - gewährleistet wird.

Die Erfindung wird in den Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsformen dargestellt.

Fig. 1 zeigt den Längsschnitt einer dreiphasigen, permanentmagneterregten Transversalfluß­ maschine als Innenläufer mit radialem Luftspaltfluß;

Fig. 2 zeigt Querschnitte entsprechend den Linien I-I und II-II der 24-poligen Trans­ versalflußmaschine aus Fig. 1;

Fig. 3 zeigt den Längsschnitt einer zweiphasigen, permanentmagneterregten Transversalfluß­ maschine als Innenläufer mit axialem Luftspaltfluß.

Die in Fig. 1 dargestellte Transversalflußmaschine 1 weist drei baugleiche Rotorscheiben 2 auf, in die Permanentmagnete 3 integriert sind, wobei die Magnete pro Phase nur einen in Umfangs­ richtung verlaufenden Ring mit abwechselnder Polarität bilden und die Richtung des Flusses im Magneten der radialen Flußrichtung im Luftspalt 4 entspricht. Die Magnete 3 sind zwischen zwei u-förmigen, weichmagnetischen Rotorkörpern 5 angeordnet, die vorzugsweise durch Halbieren eines quadratisch aufgewickelten Schnittbandkernes aus kornorientiertem Elektroband hergestellt werden. Der von einem Magneten 3 erzeugte magnetische Kreis wird beim Drehen des Rotors abwechselnd von einem axial links und rechts von der Rotorscheibe 2 angeordneten u-förmigen weichmagnetischen Statorkörpern 6 geschlossen, wobei diese Körper ebenfalls als Schnittbandkerne durch quadratisches Aufwickeln eines kornorientierten Elektrobandes herstellbar sind. Innerhalb dieser u-förmigen weichmagnetischen Statorkörper 6 befinden sich in Umfangsrichtung verlaufende Leiterringe 7 aus Profildraht. Die im Luftspalt 4 radial wirkenden Magnetkräfte sind innerhalb jedes Magnetkreises durch die Zweiluftspaltanordnung kompensiert. Ein radiales Schwingen der Enden der weichmagnetischen Statorkörper 5 wird durch eine stabile Ausführung des Leiterrings 7 und durch eine starre Verstärkungsplatte 8 verhindert. Im Rotor nimmt ein im Mittelteil des radial äußeren Rotorkörpers 5 angeordneter Bandagering 9 die radial wirksamen Kräfte auf. Zusätzlich werden die weich- und hartmagneti­ schen Teile 3, 5 der Rotorscheibe 2 miteinander verklebt, wobei axial angebrachte Ring­ scheiben 10 aus einem Faserverbundwerkstoff die mechanische Stabilität, eine gleichmäßige Verteilung des Klebstoffes und eine Kapselung der Magnet 3 gegen Umwelteinflüsse gewähr­ leisten. In mehrphasigen Transversalflußmaschinen werden mehrere baugleiche Anordnungen durch Schrauben 11 - in Umfangsrichtung um den Bruchteil einer Polteilung zueinander versetzt - aneinandergefügt. Hierzu besteht der magnetisch passive Statorteil aus vier bauglei­ chen inneren Gehäuseelementen 12 und zwei baugleichen Motorschildern 13, die vorzugsweise aus einer Leichtmetallgußlegierung bestehen. Die baugleichen Rotorscheiben stecken auf einer Vierkantwelle 14. An den axial äußeren Enden sind Kugellager 15 angeordnet und zwischen den Rotorscheiben vermeiden Wälzlager 16 radiale Schwingungen.

In Fig. 2 sind Querschnitte gemäß den Schnittlinien I-I und II-II aus Fig. 1 dargestellt. Beide 24-polige Statorhälften 17a, b sind baugleich und lediglich in Umfangsrichtung um eine Polteilung versetzt zueinander angeordnet. Die Anzahl der Statorkörper 6 pro Statorhälfte entspricht der halben Rotorpolzahl.

Wird eine axial kürzere Baulänge gewünscht, empfiehlt sich die in Fig. 3 dargestellte Transversalflußmaschine 20 mit axialem Luftspalt als Alternative. Die Magnetkreisanordnung aus Fig. 1 wird um 90° gedreht, wobei die vorteilhafte Materialausnutzung sowie der geringe Bauteilaufwand erhalten bleibt. Für die Maschinenmontage besteht der Stator 21 vorzugsweise aus zwei baugleichen Hälften 21a, b, die wiederum zwei unterschiedliche, druckgegossene Statorschalen 22, 23 aufweisen.

Auch die u-förmigen, weichmagnetischen Statorkörper 24 bestehen hierbei vorzugsweise aus zwei Schnittkernteilen 25, 26, wobei die in den inneren Statorschalen 22 befestigten Stator­ körperteile 25 vor dem axialen Befestigen der aus den Permanentmagneten 27 und u-förmigen, weichmagnetischen Rotorkörpern 28 vorgefertigten Rotorringe 29 positioniert werden. Anschließend werden die mit den restlichen Statorkörperteilen 26 bestückten äußeren Stator­ schalen 23 axial mit den Lagern 30 aufgeschoben. Zur Kompensation der Magnetkräfte bzgl. der inneren Statorhälften erfolgen alle Axialbewegungen beidseitig synchron.

Wie in der Radialflußausführung in Fig. 1 können die Magnete 27 blockförmig ausgeführt sein. Die zum Luftspalt 31 weisenden Oberflächen müssen nun nicht nachgeschliffen werden und die Flußänderungen verlaufen kontinuierlicher, was zur Verminderung der magnetischen Geräusche beiträgt. Die aus einem Leiterflachband 32 mit einmaliger Falzung an der radial inneren Seite vorgefertigten Leiterringe 33 können zusammen mit ihrer auf der Luftspaltseite angeordneten Verstärkungshülse 34 separat oder mit der inneren oder äußeren Statorschale montiert werden. Anstatt einstückig mit der Welle kann die T-förmige Rotorscheibe 35 auch aus mehreren Teilen vorgefertigt werden. Dies würde auch dem Konstruktionsziel eines modularen, automationsfreundlichen Maschinenaufbaus entsprechen.

Ebenfalls möglich sind Varianten mit rotierenden Leiterringen und ortsfesten Magneten sowie Außenläuferbauformen.

Claims (10)

1. Permanentmagneterregte Transversalflußmaschine (1, 20) mit Leiterringen (7, 33), die von u-förmigen, weichmagnetischen Körpern (6, 26) von drei Seiten umschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der von einem Permanentmagnet (3, 27) erzeugte magnetische Fluß abwechselnd die weichmagnetischen Körper von zwei auf unterschiedlichen Seiten des Magneten angeordneten Leiterringen (7, 33) durchflutet, wobei die Flußrichtung in Permanentmagneten (3, 27) mit der Flußrichtung in den von ihm durchfluteten Luftspalten (4, 31) übereinstimmt.

2. Permanentmagneterregte Transversalflußmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Permanentmagnete (3, 27) magnetische Kreise bilden, die unterschiedliche Leiterringe (7, 33) umschließen.

3. Permanentmagneterregte Transversalflußmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (3, 27) zwischen baugleichen, u-förmigen, weichmagnetischen Rotorkörpern (5, 28) angeordnet sind.

4. Permanentmagneterregte Transversalflußmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterringe (7, 33) an ihrer dem Luftspalt (4, 31) zugewandten Seite jeweils eine Verstärkungsplatte (8) oder Ver­ stärkungshülse (34) aus einem elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Werkstoff aufweisen.

5. Permanentmagneterregte Transversalflußmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (3, 27) flächig an den Mittelteilen von zwei u-förmigen, weichmagnetischen Körpern (5, 28) angeordnet sind, wobei die Enden der beiden U-Körper (5, 28) durch Luftspalte (4, 31) getrennt abwechselnd zwischen den Enden von um zwei Leiterringe (7, 33) angeordneten u-förmigen, weichmagnetischen Körpern (6, 25, 26) angeordnet sind, wobei die beiden Leiterringe (7, 33) auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Permanentmagneten (3, 27) angeordnet sind.

6. Verfahren zur Herstellung einer permanenterregten Transversalflußmaschine mit Leiterringen, die von u-förmigen weichmagnetischen Körpern von drei Seiten umschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf den beiden Polseiten der Permanentmagnete jeweils die Mittelteile von zwei u-förmigen, weichmagnetischen Körpern flächig angefügt werden, und nach dem Positionieren und Verfestigen in einem Kreisring um Leiterringe angeordnete u-förmige, weichmagnetische Körper von zwei entgegengesetzten Seiten an den Kreisring herangeführt werden, wobei der Kreisring zum Teil innerhalb der Öffnungen der u-förmigen, weichmagnetischen Körper liegt.

7. Verfahren zur Herstellung einer permanentmagneterregten Transversalflußmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete zusammen mit den beiden flächig an ihnen anliegenden weichmagnetischen Körpern in die Aussparungen eines ringförmigen Körpers aus magnetisch und elektrisch nicht leitfähigem Material eingesetzt und dabei endgültig positioniert werden.

8. Verfahren zur Herstellung einer permanentmagneterregten Transversalflußmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsetzen ein Bindemittel hin­ zugefügt und anschließend ein Bandagering angefügt wird, der die Seite, von der die Teile eingesetzt wurden, stabilisiert.

9. Verfahren zur Herstellung einer permanentmagneterregten Transversalflußmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Montage mehrphasiger Maschinen abwechselnd rotierende und stationäre Teile in ihre Endposition gebracht werden, wobei die magnetisch und elektrisch passiven Gehäuse- und Rotorelemente aus zum Teil baugleichen, spanlos vorgefertigten Elementen bestehen.

10. Verfahren zur Herstellung einer permanentmagneterregten Transversalflußmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisringe mit den hart- und weichmagnetischen Segmenten durch Schrauben, die im Raum zwischen den magnetisch aktiven Segmenten angeordnet sind, an einer Rotorscheibe befestigt werden.