DE19547159A1 - Transversalflußmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Transversalflußmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Transversalflußmaschine besticht durch die Einfachheit ihrer Wicklung. Dagegen entstehen bei der Herstellung des weichmagnetischen Körpers erheblich höhere Kosten.

Durch anfallenden Verschnitt beim Stanzen der Elektrobleche werden die Materialkosten, durch große und komplizierte Schnittformen die Werkzeugkosten und durch die Handhabung schwerer Einzelteile die Montagekosten erhöht. Der erreichbare Wirkungsgrad und/oder die Leistungsdichte der Maschine sind infolge der Sättigungsflußdichte des weichmagnetischen Materials und der Ausnutzbarkeit der Luftspaltflächen begrenzt.

In der DE 42 23 831 A1 wird eine Transversalflußmaschine beschrieben, die vier Wick­ lungsringe aufweist, wobei jeweils zwei Wicklungsringe unterschiedliche Durchmesser besitzen. Die Rotorelemente werden axial in die vier Ringnuten des Stators eingeschoben, so daß die Maschine acht Luftspalte aufweist, in denen der magnetische Fluß in radialer Richtung fließt.

Aus der GB-PS 1 363 979 ist eine Transversalflußmaschine bekannt, deren Rotoren axial zwischen den Statoren mit den Leiterringen angeordnet sind, so daß in jedem Magnetkreis zwei Luftspalte mit unterschiedlichen Radien existieren.

Aus der DE-PS 5 97 597 ist eine einphasige Transversalflußmaschine bekannt, deren u-förmig um den Leiterring angeordnete weichmagnetische Kerne aus zwei Teilen zusammengesetzt sind. Die Luftspalte befinden sich radial innerhalb des Leiterrings und die Kraftwirkung des Magnet­ feldes weist in allen Luftspalten die gleiche radiale Richtung auf. Die pulsierenden radialen Luftspaltkräfte wirken auf das ringförmige Läufergehäuse und erzeugen Schwingungen, Geräusche und Verluste. Daher muß das Gehäuse stabil und schwer ausgeführt werden.

Auch in der aus der DE 43 14 513 A1 bekannte Außenläuferbauform addieren sich die senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkenden Magnetkräfte der beiden Luftspalte eines Magnet­ kreises, wodurch das Ziel einer maximalen Kraftdichte verfehlt wird.

In der GB 2 161 992 A wird ein nur in eine Richtung arbeitender Motor beschrieben, wobei dessen u-förmigen Statorkerne aus drei Teilen bestehen. Die den magnetischen Fluß der beiden Phasen leitenden Bauteile sind durch ein Distanzstück voneinander getrennt. Die im Luftspalt radial wirkenden Magnetkräfte addieren sich.

Aus der DE 43 14 513 A1 sind Außenläuferbauformen von Transversalflußmaschinen bekannt, in denen der magnetische Fluß radial innerhalb der magnetisch aktiven Rotorelemente den Luftspalt in radialer Richtung durchfließt. Die Kraftdichte soll durch mehr als zwei Luftspalte auf jeder Seite der Wicklungsanordnung gesteigert werden. Diese Luftspaltanordnungen erlauben jederzeit ein axiales Ineinanderschieben von Rotor und Stator.

Es sind noch zahlreiche weitere Bauformen von Transversalflußmaschinen bekannt, die jedoch das eingesetzte weichmagnetische Material nur unzureichend ausnutzen und fertigungs­ technisch aufwendige Blechschnitte benötigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Transversalflußmaschine derart weiter zu bilden, daß hohe Wirkungsgrade und Leistungsdichten mit möglichst geringem Her­ stellungsaufwand erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Erfindungsgemäß weisen die um die Leiterringe angeordneten, magnetisch aktiven Körper jeweils zwei Luftspalte auf, die beide radial außerhalb des Leiterrings angeordnet sind, wobei die magnetisch aktiven Rotorteile axial innerhalb der Enden der weichmagnetischen Statorteile liegen. Hierdurch kompensieren sich die pulsierenden magnetischen Normalkräfte innerhalb des Magnetkreises und das Gehäuse wird entlastet. Rotor und Stator sind hierdurch ineinander verzahnt. Entweder die Stator- und Rotorringe werden bei der Montage abwechselnd in Posi­ tion gebracht oder der Rotorring besteht aus mehreren baugleichen Teilen, z. B. zwei Hälften. Die Kombination, Anordnung beider Luftspalte eines magnetischen Kreises radial außerhalb des Leiterrings mit dem maximalen Abstand zur Rotationsachse und Kompensation der Luftspalt­ kräfte durch innerhalb der U-Teilenden liegende Rückschlußteile, führt zu erstaunlich hohen Leistungsdichten und Wirkungsgraden.

Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung stellt die Mehrfachausnutzung von weichmagneti­ schen Bauteilen eines Magnetkreises durch Magnetfelder benachbarter Leiterringe unterschied­ licher Phase dar. Hierdurch wird eine höhere zeitliche Ausnutzung des weichmagnetischen Materials erreicht, wobei der Gewichtsanteil dieser von phasenverschobenen Magnetfeldern genutzten Masse mit zunehmender Phasenanzahl ansteigt. Baugruppen unterschiedlicher Phase weisen baugleiche Scheiben auf, die axial hintereinander angeordnet sind.

Weiterhin setzen sich die u-förmigen Statorkerne zur einfachen Montage und für den Einsatz kornorientierter Stanzteile vorteilhaft aus mehreren Segmenten zusammen, die den Fluß vor­ wiegend in eine Richtung führen. Bei unterteiltem Rotorring können die Statorkerne jedoch auch einstückig - z. B. als kornorientierte Schnittbandkerne - vorgefertigt werden.

Die Erfindung wird an Hand vorteilhafter Ausführungsformen in den Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt den Zusammenbau einer einphasigen Baugruppe einer 24-poligen Trans­ versalflußmaschine nach dem Reluktanzprinzip;

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1;

Fig. 3 zeigt vier Querschnitte unterschiedlicher Magnetkreise;

Fig. 4 zeigt den Querschnitt eines dreiphasigen Radnabendirektantriebs;

Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines fünfphasigen Trommelmotors;

Fig. 6 zeigt den Querschnitt eines dreiphasigen Antriebs, mit doppelt genutzten, mitt­ leren Sternscheiben;

Fig. 7 zeigt Fluß- und Stromverläufe der Maschine aus Fig. 6;

Fig. 8 zeigt eine räumliche Darstellung der aktiven Bauteile aus Fig. 6.

In Fig. 1 sind die wesentlichen Bauelemente einer modular aufgebauten Transversalfluß­ maschine beim Zusammensetzen dargestellt. Der Leiterring 1 besteht aus einem aufgerollten Kupfer- oder Aluminiumband. Um ihn sind vierundzwanzig weichmagnetische Körper am Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet. Jeder dieser das elektrisch erzeugte Magnetfeld bündelnden Körper besteht wiederum aus vier geblechten Segmenten 2, 3, 4 und 5, wobei jeweils gegenüberliegende Segmente 2 und 3 bzw. 4 und 5 baugleich sind. Die beiden den Magnetfluß radial leitenden Segmente 2, 3 sind auf Halterungsscheiben 6, 7 aufgeklebt, die aus einem magnetisch und elektrisch nichtleitenden Werkstoff bestehen, wobei die Segmente 3 zur Verdeutlichung ihrer Bauform und Anordnung axial vor der Halterungsscheibe 7 dargestellt sind. Auch die den Fluß in axiale Richtung leitenden Segmente 4, 5 sind auf Halterungsringen 8, 9 aufgeklebt. Neben dem Leiterring 1 und den beiden weichmagnetischen Segmentbauformen 2, 3 bzw. 4, 5 besteht die einphasige Baugruppe 10 somit aus zwei baugleichen Halterungs­ scheiben 6, 7 sowie zwei unterschiedlichen Halterungsringen 8, 9.

In Fig. 2 wird ein Ausschnitt aus Fig. 1 vergrößert dargestellt. Es ist erkennbar, wie jeweils vier Segmente 2, 4, 3, 5 einen das Magnetfeld um den Leiterring 1 verstärkenden Kreis bilden. Hierbei liegen die Segmente 2, 3 und 4 flächig und ortsfest aneinander, während die radial äußeren Segmente 5 zusammen mit dem äußeren Halterungsring 9 um diese Anordnung rotieren, wobei der Widerstand des magnetischen Kreises periodisch variiert.

Fig. 3 zeigt vier vorteilhafte Bauformen 11 bis 14 im Querschnitt, wobei sich die Darstellung jeweils auf den Leiterring 15a-d und einen ihn umgebenen magnetischen Körper beschränkt.

Die Leiterringe 15a-d werden jeweils von u-förmigen weichmagnetischen Körpern 16a-d von drei Seiten umschlossen. Diese bestehen aus zwei oder drei aneinanderliegenden Segmenten 17a-18d′, die den Fluß vorwiegend in eine Richtung führen, wobei die beiden den Fluß radial leitenden Segmente 18a-d bzw. 18a′-d′ baugleich sind. Die radial außerhalb des Leiterringes 15a-d angeordneten hart- und/oder weichmagnetischen Segmente 19a-d bzw. 20a-d unter­ scheiden sich voneinander.

In der Bauform 11 vermindern am geschrägten Luftspalt 21a angeordnete Permanentmagnete 20a, 20a′ die Pulsationsverluste. Dank der Schrägung kann mit niedrigen Flußdichten im Magneten eine hohe Flußdichte in den Segmenten 18a, 17, 18a′, 19a erreicht werden. Sowohl das hart- als auch das weichmagnetische Material wird optimal ausgenutzt.

Für billigere und einfacher handhabbare Permanentmagnete 20b besteht das äußere Segment in der Bauform 12 aus zwei gleichen Hälften 19b, 19b′. Der den Leiterring 15b u-förmig umschließende weichmagnetische Körper 16b ist baugleich mit dem in Fig. 3a.

In axial sehr schmalen Bauformen 13 können die äußeren weichmagnetischen Segmente ent­ fallen. Zwischen den Enden der beiden Radialsegmente 18c, 18c′ ist lediglich ein ringförmiger Permanentmagnet 20c angeordnet, der sektorweise axial entgegengesetzt aufmagnetisiert ist.

Mit weniger Teilen, trotz des Einsatzes kornorientierten Materials, kommt die Bauform 14 aus. Sie besteht aus drei Teilen 18d, 18d′, 19d eines rechteckig aufgewickelten Schnitt­ bandkernes 17d. Zur Kompensation der in der Reluktanzmaschine stärker pulsierenden magneti­ schen Normalkräfte verlaufen die schmalen Luftspalte 21d radial.

Weiterhin werden in Fig. 3 unterschiedlich vorgefertigte Leiterringe 15a-d dargestellt. So ist der zweilagige Leiterring 15a vorteilhaft mit zwei radial außen liegenden Enden herstellbar, indem das Mittelstück eines Profildrahtes geeignet verformt und die beiden gleichlangen Enden gegensinnig aufgewickelt werden. Mit einem mehrlagigen Leiterring 15b aus Profildraht wird ein hoher Füllfaktor erreicht, axial schmale Maschinen ermöglichen einlagige Leiterringe 15c und bei hohen Windungszahlen und von der Rechteckform abweichendem Nutquerschnitt sind verdichtete Leiterringe 15d aus Runddraht einsetzbar.

In Fig. 4 ist der Querschnitt einer vollständigen dreiphasigen Transversalflußmaschine 22 als Radnabendirektantrieb mit Permanenterregung dargestellt. Die Bauform des magnetisch aktiven Teils entspricht Fig. 3d. Die Magnetringe 23 bestehen aus kunststoffgebundenen Seltenerden, die einlagigen Leiterringe 24 aus dünnem Leiterband und die u-förmigen weichmagnetischen Körper 25 aus mit Backlack zusammengefügten, kornorientierten Elektroblechen.

Alle drei einphasigen Baugruppen sind baugleich und werden durch fünf Halterungselemente 26a-c in einer um jeweils 120°_el zueinander versetzten Position gehalten. Durch die Ausnutzung von Spiegelsymmetrien sind nur drei unterschiedliche Halterungsbauformen erforderlich, die als Gußteile vorgefertigt werden. Sowohl die durch die Halterungselemente gebildete Nabe 26, als auch den fünfteiligen Rotor 27a-c halten abwechselnd von verschiedenen Seiten axial einge­ steckte Schrauben 28, 29 zusammen. Von den Radspeichen 30 übertragene Kräfte werden über Kugellager 31 an die Nabe 26 weitergeleitet. In einem Hohlraum 32 innerhalb der Nabe ist die Ansteuerelektronik untergebracht.

Fig. 5 zeigt den Querschnitt einer fünfphasigen Transversalflußmaschine 33, die als Reluktanz­ maschine ausgeführt ist. Die baugleichen Baugruppen 34a-e sind im stationären Teil zuein­ ander tangential versetzt angeordnet, weshalb die Querschnitte u-förmigen weichmagnetischen Körper 35 unterschiedlich vollständig sichtbar sind. Während nur zwei unterschiedliche stationäre Halterungselemente 36, 37 benötigt werden, setzt sich das rotierende Maschinen­ gehäuse auf Grund der geschrägten Luftspalte 38 neben fünf äußeren Halterungsringen 39 mit weichmagnetischen Segmenten 40 aus vier Distanzringen 41 und den beiden Motorschildern 42, die sich über Lager 43 auf der Welle 44 abstützen, zusammen. Als Trommelmotor ausgeführt steckt über dem Rotor eine gummierte Hülse 45.

Alternativ kann auch das Gehäuse feststehend ausgeführt und die dann rotierenden Leiter­ ringe 46 über Bürsten oder mitrotierende Erregermaschinen angesteuert werden. Weitere Ausführungsformen - z. B. mit topfförmigem Läufer - sind mit dem erfindungsgemäßen modularen Bauprinzip ebenfalls realisierbar.

In Fig. 6 ist ein dreiphasiger Antrieb 47 dargestellt, bei dem die drei Leiterringe 48 direkt in die bereits auf der Nabe 49 positionierten kammförmigen, weichmagnetischen Körper 50 eingewickelt werden. Der Rotor besteht aus zwei, mit weichmagnetischen Blocksegmenten 51 bestückten Hälften 52, über die nach dem radialen Zusammenfügen, ein topfförmiger Körper 53 axial aufgeschoben wird. Die Kammsegmente bestehen aus tangential geschichteten Stanz­ teilen mit radialer Kornorientierung. Der gemeinsame Rücken 54 ist breiter ausgeführt als die vier Zähne 55a-d, wobei die mittleren Zähne 55b, c jeweils vom magnetischen Fluß der beiden durch sie getrennten Leiterringe zeitversetzt durchflutet werden.

Der zeitliche Ablauf der Durchflutung ist in den beiden oberen Liniendiagrammen 56, 57 in Fig. 7 für den zweiten und dritten Zahn 55b, c dargestellt. Der Magnetkreis des mittleren Leiterrings nutzt zusammen mit den beiden Magnetkreisen der benachbarten Phasen die mittleren Zähne 55b, c, wobei die Durchflutung zeitversetzt erfolgt und sich die Ausnutzungs­ dauer verdoppelt. Durch diese Mehrfachausnutzung ergibt sich eine Steigerung der Leistungs­ dichte. In der dreiphasigen Reluktanzmaschine kommutieren die Ströme entweder - wie im unteren Liniendaigramm 58 gezeigt - in 120°_el-Blöcken, so daß ein konstanter Motorstrom fließt, oder sie überlappen sich in Blöcken <120°_el derart, daß die Momentenwelligkeit vermindert wird.

In Fig. 8 sind die magnetisch und elektrisch aktiven Bauelemente eines dreiphasigen Antriebs dargestellt. Der weichmagnetische Körper 59 des 36-poligen Stators besteht hierzu aus vier baugleichen Sternscheiben 60a-d und drei baugleichen Ringkernen 61. diese vorgefertigten Bauteile werden zusammen mit den drei baugleichen Leiterringen 62a-c abwechselnd axial zusammengefügt. Die Stromversorgung des mittleren Leiterrings 62b erfolgt vorzugsweise am Nutboden durch die benachbarten Phasen, oder durch Löcher bzw. Schlitze im Ringkern. Die weichmagnetischen Blocksegmente 63 der unterschiedlichen Phase sind um 1/3-Polteilung zueinander versetzt angeordnet, wobei sie vorteilhaft zunächst in baugleiche Ringe eingegossen werden, die eine axiale Verzahnung aufweisen, so daß die Versetzung bei der Montage gewährleistet wird. Bei hochpoligen, ringförmigen Antrieben können auch die Sternscheiben 60a-d aus kornorientierten Elektroblechen hergestellt werden, wobei die Stanzteile nur wenige Polteilungen umfassen.

Für Antriebe höchster Leistungsdichte ist weiterhin eine Erhöhung der Phasenanzahl vorteil­ haft, wobei sowohl der Anteil der mehrfach ausgenutzten Masse als auch die Stromblockbreite, z. B. auf 2/5 oder 3/7 der Periode, gesteigert werden kann.

Claims (9)

1. Transversalflußmaschine (22, 33) mit Leiterringen (15a-d, 24, 46, 48, 62), die von u-förmigen, weichmagnetischen Körpern (16a-d, 25, 35, 50, 59) von drei Seiten um­ schlossen sind, wobei ein magnetischer Kreis von weich- und/oder hartmagnetischen Teilen (19a-c, 20a-d, 23, 40, 51, 63) periodisch geschlossen wird, die durch zwei, radial außerhalb der Leiterringe (15a-d, 24, 46, 48, 62) angeordnete Luftspalte (21a-d, 38) vom jeweiligen u-förmigen, weichmagnetischen Körper (16a-d, 25, 35, 50, 59) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch aktiven Teile (19a bis 20d) des Rotors oder Stators teilweise axial innerhalb der Enden der u-förmigen weich­ magnetischen Körper (16a-d) angeordnet sind.

2. Transversalflußmaschine (22, 33) mit Leiterringen (15a-d, 24, 46, 48, 62), die von u-förmigen, weichmagnetischen Körpern (16a-d, 25, 35, 50, 59) von drei Seiten um­ schlossen sind, wobei ein magnetischer Kreis von weich- und/oder hartmagnetischen Teilen (19a-c, 20a-d, 23, 40, 51, 63) periodisch geschlossen wird, die durch zwei, radial außerhalb der Leiterringe (15a-d, 24, 46, 48, 62) angeordnete Luftspalte (21a-d, 38) vom jeweiligen u-förmigen, weichmagnetischen Körper (16a-d, 25, 35, 50, 59) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des u-förmigen weichmagnetischen Körpers (50, 59) abwechselnd vom Fluß unterschiedlicher Phasen durchflutet wird, wobei Leiterringe (48, 62) unterschiedlicher Phase durch gemeinsam genutzte weich­ magnetische Elemente (50, 59) getrennt sind.

3. Transversalflußmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der u-förmige weichmagnetische Körper (16a-d, 25, 35) in mindestens zwei Teile (17a bis 18d′ aufgeteilt ist.

4. Transversalflußmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der u-förmige weichmagnetische Körper (16a-d, 25, 35) in drei Segmente (17a bis 18d′) aufgeteilt ist, die den magnetischen Fluß vorwiegend in eine Richtung leiten, wobei die gegenüberliegenden Segmente (18a bis 18d′) baugleich sind.

5. Transversalflußmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sternförmige flache Scheiben (59a-d) den magnetischen Fluß radial nach außen führen.

6. Transversalflußmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (20c, 23) ringför­ mig und sektorweise in entgegengesetzte Richtung aufmagnetisiert ist.

7. Transversalflußmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen zwischen den zuein­ ander beweglichen Teilen (18a, 20a bzw. 18b, 19c) eines magnetischen Kreises gleich­ zeitig in axiale und radiale Richtung verlaufen sind.

8. Transversalflußmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (20a) an den beiden geschrägten Enden eines den Magnetkreis schließenden weichmagnetischen Segments (19a) angeordnet sind, wobei der Schrägungswinkel bezüglich der Rotations­ achse zwischen 45 und 70° beträgt.

9. Transversalflußmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterring (1, 15a, c, d, 24, 46) aus aufgewickelten, rechteckförmigen Profilleitern (15b) oder aus einem hardanodisierten Aluminiumband (15c) besteht.