DE19525346C2 - Ringkern-Synchronmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine mit scheibenförmigen Stator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (US 5 334 899).

Rotierende Synchronmaschinen werden bekanntlich häufig so ausgebildet, daß die ein Drehmo­ ment bildenden Kräfte an einer Mantelfläche entstehen welche konzentrisch zur Achse der Welle angeordnet ist. Zur Führung des magnetischen Flusses wird im allgemeinen Eisen eingesetzt, um eine möglichst hohe Induktion und damit verbunden auch eine möglichst hohe Kraftdichte im Luftspalt der Maschine zu erzielen. Da das Eisen oberhalb einer Flußdichte von etwa 2T seine gute magnetische Leitfähigkeit verliert, ergibt sich, daß die Umfangskraft und damit das Drehmoment einer solchen Maschine nur dadurch erhöht werden kann, daß die axiale Baulänge oder aber der Durchmesser an die gestellten Anforderungen angepaßt wird.

Zur Bereitstellung einer Erregerinduktion können Permanentmagnete eingesetzt werden, die ent­ weder mit radialer Magnetisierung am innen rotierenden Polrad oder am äußeren Mantel ange­ ordnet werden oder aber in Sammleranordnung eine Magnetisierung in Umfangsrichtung aufwei­ sen. Die Ankerwicklung wird bei diesen Anordnungen in Nuten des nicht rotierenden Maschinen­ teiles eingelegt. Bedingt durch die hierbei erforderliche Nutung ergeben sich jedoch Reluktanz­ kräfte, die sich den Umfangskräften als Wechselanteil überlagern und zu einer unerwünschten dynamischen Beanspruchung der Maschinenteile sowie zu einem nicht gleichförmigen Drehmo­ ment an der Welle der Maschine führen.

Eine bekannte, permanentmagneterregte Synchronmaschine der eingangs bezeichneten Gattung (US 5 334 899) weist einen scheibenförmigen Rotor und einen mit einer Ring­ wicklung versehenen Stator auf, dessen Blechpacket in axialer Richtung geteilt ist, wobei zwischen den beiden Blechpackethälften ein Kühlkanal angeordnet ist. Da die Wicklungen in Nuten des Stators angeordnet sind, ergibt sich zusätzlich zu den durch die Nuten bedingten Problemen der Nachteil eines geringen Füllfaktors für das Leitermaterial.

Dieselben Probleme ergeben sich bei Anwendung von Ringwicklungen (DE-PS 888 578), bei der die am Magnetrücken liegenden Spulenseiten in der Umfangsrichtung einen breiteren Querschnitt als die Spulenelemente der am Luftspalt liegenden Spulenseiten haben, indem z. B. rechteckige Wicklungsstäbe am Luftspalt übereinander, am Magne­ trücken dagegen nebeneinander liegen. Dadurch soll vermieden werden, daß die Spulen über den Rücken des Magnetkörpers hervorragen und dadurch den Maschinendurchmesser vergrößern.

Schließlich ist es bekannt (WO 94/18741 A1), bei elektrischen Maschinen den zur Verfügung stehenden Wickelraum dadurch voll auszunutzen, daß rechteckförmige Profilleiter durch Stanzen oder Verpressen mit konisch zulaufenden Querschnitten versehen und mäanderförmig verlegt werden.

Bei der als Transversalflußmaschine bekannten Anordnung wird durch Anordnung der Permanent­ magnete als Sammler in Verbindung mit einer in Statorelemente eingelegten Ringwicklung eine bezogen auf die aktive Polfläche hohe Kraftdichte erreicht. Da diese Anordnung jedoch als Ein­ phasenmaschine anzusehen ist, ergeben sich hohe Kraft- bzw. Drehmomentwechselanteile, verbun­ den mit einer hohen Geräuschentwicklung. Die Bereitstellung eines zeitlich gleichförmigeren Drehmomentes an der Welle der Maschine erfordert die Anordnung eines zweiten Einphasenmo­ tors innerhalb einer Maschine. Der Nachteil hoher dynamischer Wechselkräfte innerhalb der Ma­ schine bleibt bestehen.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, bei einer syn­ chronen Maschine der eingangs bezeichneten Gattung das auf das Gesamtvolumen der Maschine bezogene Drehmoment zu steigern und gleichzeitig dabei die durch Nutung in Erscheinung tretenden Wechselkräfte zu vermeiden. Zugleich sollen die mit einer hohen, auf die aktive Fläche bezogenen Kraftdichte verbundenen Nachteile in Form innerer Wechselkräfte und Geräuschentwicklung vermieden werden.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen des Patentanspruches sind in des Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die für eine Energieumsetzung herangezogene aktive Fläche gegenüber den bekannten Ausführungsformen von Synchronmaschinen zu vergrößern, hierbei jedoch nur ein geringes Gesamtvolumen der Maschine in Anspruch zu nehmen. Zudem sollen die durch Nutung der Eisenteile entstehenden Reluktanzkräfte vermieden werden, um inne­ re Wechselkräfte gering zu halten und ein zeitlich gleichförmiges Drehmoment an der Welle der Maschine zur Verfügung zu stellen, indem auf eine Nutung vollständig verzichtet wird. Eine Steigerung der Motorleistung und des Motordrehmomentes gegenüber bekannten Ausfüh­ rungsformen erfolgt somit durch Vergrößerung der aktiven an der Energieumsetzung beteiligten Fläche. Die Nachteile des infolge fehlender Nutung größeren Luftspaltes werden durch Ausfüh­ rung der Wicklung mit günstigem Füllfaktur des Leitermateriales sowie geeignete Kühlmaßnah­ men zur Abfuhr erhöhter Stromwärmeverluste ausgeglichen.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand der Figuren Fig. 1 bis Fig. 4 erläu­ tert.

Die Darstellungen der Fig. 1 bis 4 zeigen im einzelnen:

Fig. 1: Seitenschnittansicht einer Ringkern-Synchronmaschine mit 5 in axialer Richtung aufeinan­ derfolgenden Scheiben.

Fig. 2: Verschiedene Ansichten von durch Permanentmagnete erregten Rotorscheiben.

Fig. 3: Seitenschnittansicht einer Motorstatorscheibe.

Fig. 4: Axiale Aufsicht auf einen Strang und einen Pol einer mehrsträngigen Ringwicklung.

Die Erfindung betrifft eine rotierende Anordnung zur Umformung elektrischer in mechanische Energie mit, bezogen auf das Gesamtvolumen, hoher Kraft- bzw. Leistungsdichte.

Fig. 1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Seitenschnittansicht einer aus insgesamt fünf Stator­ scheiben 1 und vier Permanentmagnet-Doppelrotorscheiben 2 sowie zwei Permanentmagnet- Einzelrotorscheiben 4a, 4b bestehenden Motoranordnung. Jede Statorscheibe 1 bildet zusammen mit den zugehörigen Rotorscheiben einen funktionsfähigen Motor. Bei verringertem Gesamt­ drehmoment ist somit auch eine Anordnung bestehend aus einer Statorscheibe 1 sowie zwei Per­ manentmagnet-Einzelrotorscheiben 4a, 4b denkbar. Jede Statorscheibe 1 besteht aus einem Ge­ häuse 14, einer Ringkernanordnung 6a, 6b, einer diese Ringkernanordnung umschließenden Ringwicklung 7, sowie einem zwischen den Ringkernen 6a, 6b in Umfangsrichtung ausgedehnten Kühlkanal 8, der von einem flüssigen Kühlmedium wie z. B. Wasser durchströmt wird. Weitere Kühlkanäle 9 sind in dem Gehäuse 14 in axialer Richtung angeordnet. Die Kühlkanäle dienen dazu die in der Wicklung 7 umgesetzten Stromwärmeverluste abzuführen. Jede Statoranordnung 6a, 6b trägt eine mehrsträngige und mehrpolige Ringwicklung 7, wobei die Wicklungen einzelner Pole durch die Verbindungen 11 elektrisch untereinander ver­ bunden sind. Die Kühlkanäle 9 sind in weiteren Ringkühlkanälen 10a, 10b zusammengeführt, welche in Umfangsrichtung ausgedehnt sind und sich in den Lagerschilden 13a und 13b befinden. Die Rotorscheiben 2, 4a, 4b sind auf der Welle 12 mit einem durch die Distanzhülsen 18 vorgege­ benem Abstand befestigt. Das Drehmoment wirkt auf die Rotorscheiben 2, 4a, 4b und wird über die Paßfedern 15 auf die Welle 12 übertragen. Die Lagerung der Welle 12 erfolgt durch das Lager 16 im Lagerschild 13a und durch das Lager 17 im Lagerschild 13b. Entsprechend Fig. 2 sind die Rotor­ scheiben 2 mit axial magnetisierten Permanentmagneten 3a, 3b, 3c belegt. Die Magnetisierung zweier in Umfangsrichtung aufeinanderfolgender Magnete weist ein wechselndes Vorzeichen auf. Die Permanentmagnete 3a sind in axialer Richtung entgegengesetzt zu den Permanentmagneten 3c magnetisiert. Gleiches gilt für die Rotorscheiben 4a, 4b mit den Permanentmagneten 5a, 5b, 5c, 5d.

Die Funktion des Motors beruht darauf, daß sich durch die Wechselwirkungen der von den Per­ manentmagneten erzeugten Erregerfelder mit in den einzelnen Strängen der Ringwicklungen 7 fließenden Wechselströmen bei geeigneter Stromvorgabe gleichsinnige, das Drehmoment bildende Kräfte ergeben.

In Fig. 3 sind die radial herausgeführten Wicklungsanschlüsse 19, 20 eines Stranges der Ringwick­ lung 7 dargestellt. Die anderen Stränge der mehrsträngigen Wicklung 7 sind in entsprechender Weise am Umfang versetzt radial herausgeführt, in Fig. 3 jedoch nicht dargestellt. Der Kühlkanal 8 wird über das Kühlmittelanschlußrohr 21 mit Kühlmittel versorgt. Ein weiteres radial austreten­ des Kühlmittelrohr befindet sich am Umfang versetzt, ist jedoch nicht dargestellt.

In Fig. 4 ist die Anordnung eines Stranges 7a der Ringwicklung 7 im Bereich eines Poles darge­ stellt. Der Leiter hat einen rechteckigen Querschnitt mit einem Seitenverhältnis, welches dem Durchmesserverhältnis von Innendurchmesser und Außendurchmesser der Ringkerne 6a, 6b ent­ spricht. In Verbindung mit der radial verlaufenden Schrägung der Ringkernaußenflächen 22 wird durch Drehen des Leiterquerschnittes um 90° sowohl am Innendurchmesser als auch am Außen­ durchmesser der Ringkerne 6a, 6b ein günstiger Füllfaktor für das Leitermaterial erzielt.

Claims (5)

1. Synchronmaschine mit einem scheibenförmigen Stator (1), der aus zwei axial hintereinander angeordneten, ringförmigen, ferromagnetischen Statorscheiben (6a, 6b), zwischen denen ein Kühlkanal (8) angeordnet ist, sowie aus einer die Sta­ torscheiben umschließenden Wicklung (7) besteht, und mit mindestens einem scheibenförmigen, permanentmagneterregten Rotor (2), der dem Stator (1) axial unter Bildung eines Luftspaltes gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. die Statorscheiben (6a, 6b) als Ringkerne ausgeführt sind und jeweils an ihrer dem Luftspalt zugewandten Außenflä­ che eine radial verlaufende Schrägung aufweisen, so daß sie am Innendurchmesser eine geringere axiale Tiefe als am Außendurchmesser besitzen,
• 2. die Wicklung (7) aus massivem oder gelitzten Leitermate­ rial mit rechteckigem Querschnitt besteht, dessen Seiten­ verhältnis etwa dem Verhältnis von Außen- und Innendurch­ messer der Statorscheiben (6a, 6b) entspricht und die Wicklung (7) auf den dem Luftspalt zugewandten Abschnit­ ten durch Drehen des Leitermaterials so auf die Stator­ scheiben (6a, 6b) aufgebracht wird, daß sowohl am Außen­ durchmesser als auch am Innendurchmesser die Seiten der aneinandergrenzenden Windungen ohne Zwischenraum neben­ einander liegen.

2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorscheiben (6a, 6b) aus einem in Umfangsrich­ tung aufgewickeltem Band aus Dynamoblech bestehen und keine Nutung aufweisen.

3. Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wicklung (7) aus mindestens zwei Strängen besteht.

4. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichartige Statoren (1) und Rotoren (2) axial hintereinander angeordnet werden, um die Motorgesamtleistung an unterschiedliche Anforderungen anzu­ passen.

5. Synchronmaschine nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (7) keine besonderen Befestigungselemente aufweist und zusammen mit den Statorscheiben (6a, 6b) und dem Kühlkanal (8) mit einem Harz in einen Gehäusering (14) eingegossen wird.