DE19728172C2 - Elektrische Maschine mit weichmagnetischen Zähnen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen mit weichmagnetischen Zähnen an der Luftspaltoberfläche und ein Verfahren zur ihrer Herstellung.

Elektrische Maschinen mit weichmagnetischen Zähnen an der Luftspaltoberfläche, sind unter den Bezeichnungen Schrittmotor oder geschaltete Reluktanzmaschine in vielfäl­ tigen Bauformen bekannt. Durch die Zahnung ändert sich beim Bewegen des Läufers der magnetische Widerstand für den über den Luftspalt geführten magnetischen Fluß. Die nutzbaren Kräfte sind von der Zahngeometrie, der Magnetisierbarkeit des weichmagnetischen Materials und der Flußdichte im Luftspalt abhängig.

Eine Bauart, die sich besonders durch eine einfache Wickeltechnik auszeichnet, ist die Transversalflußmaschine. Der weichmagnetische Körper weist irr Umfangsrichtung Lücken auf, die in etwa der halben Polbreite entsprechen. In den Lücken kann der im Leiterring fließende Strom nur ein schwaches Magnetfeld ausbilden, so daß diese Umfangsabschnitte mehr zur Verlustleistung als zur Nutzleistung beitragen.

Aus der DE 43 25 740 C1 ist eine Transversalflußmaschine bekannt in der um den Leiterring U-förmige weichmagnetische Kerne angeordnet sind, deren tangentiale Breite mit dem Radius überproportional zunimmt. Hierdurch entstehen zwischen den radial inneren Enden der Kerne in Umfangsrichtung Lücken, die breiter als die Kernbreite sind.

In der DE 28 05 333 A und der DE 40 40 116 C2 werden segmentierte weichmagne­ tische Körper beschrieben, in denen die Schichtung der Zahnkerne senkrecht zur Schichtung der Jochbleche erfolgt.

Aus der DE 34 14 312 A1 ist eine permanenterregte Maschine mit Elektromagnetgruppen bekannt, die in Bewegungsrichtung an beiden Enden unbe­ wickelte Halbpole aufweisen. Durch eine Lücke zwischen den Elektropoleinheiten wird der Phasenversatz gebildet. Die Pole und Halbpole weisen Polschuhe auf, die mit einer ebenen Luftspaltoberfläche nur enge Nutschlitze zum Einlegen der Drahtwicklung offen lassen. Der magnetische Kreis der Elektromagnetgruppen ist einstückig ausgeführt.

Aus der DE 42 41 085 A1 ist bekannt, Polschuhe mit einer Schwalbenschwanz­ verbindung auf Polkernen zu befestigen.

In der DE 26 53 387 A wird der Stator eines Schrittmotors aus Kreisringsegmenten aufgebaut. Jedes Kreisringsegment besteht aus drei Polen mit gezahnten Polflächen und benachbarte Kreisringsegmente sind um den Phasenwinkel zueinander versetzt angeordnet. Die Wicklung wird durch Nutschlitze zwischen den drei Polen eingelegt.

In der US 4,698,537 wird ein zweiphasiger Reluktanzmotor mit vier Statorpolen und zwei Rotorpolen beschrieben. Benachbarte Statorpole gehören zu unterschiedlichen Phasen und weisen Polschuhe mit glatten Luftspaltoberflächen auf. Das Anlauf­ verhalten des Motors wird verbessert, indem zwischen den Statorpolen nur schmale Nutschlitze angeordnet sind und die Rotorpole Polschuhe mit größeren tangentialen Überständen aufweisen als die Statorpole. Beim Anlaufen werden beide Phasen bestromt und in den Überständen der Rotorpole fließen Streuflüsse, die ein Startmoment erzeugen. Dieser Effekt wird verstärkt, indem in den Rotorpolen unterhalb der Polschuhe eine Schicht mit niedrigerem Eisengehalt angeordnet wird. Diese Schicht weist eine kleinere Querschnittsfläche und/oder eine schlechtere Magnetisierbarkeit auf, als die an den Luftspalt grenzenden Polschuhe. Sie erhöht den magnetischen Widerstand und senkt dadurch den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit des Motors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach dem Reluktanzprinzip funktion­ ierende Maschine derart weiterzuentwickeln, daß bei vertretbaren Herstellungskosten der auf die Luftspaltfläche bezogene Drehschub vergrößert und die ohmschen und magnetischen Verluste vermindert werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Merkmalen der Ansprüche 1, 6 oder 8 wieder­ gegebene Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß bestehen die an die Luftspaltoberfläche angrenzenden weichmag­ netischen Zähne aus einem Material, das gegenüber dem übrigen weichmagnetischen Körper eine höhere Flußdichte bei gleicher magnetischer Feldstärke und/oder eine höhere magnetische Sättigungsflußdichte aufweist. Vorzugsweise wird in den Zähnen kornorientiertes Elektroblech oder eine Kobalteisen-Legierung eingesetzt.

Damit der leistungssteigernde Effekt nicht beeinträchtigt wird, weist der übrige weich­ magnetische Körper in Richtung des magnetischen Flusses insgesamt einen größeren Querschnitt auf, als die Summe der an den Luftspalt grenzenden Zahnoberflächen.

Beispiel

Durch den Einsatz einer Kobalteisenlegierung kann die Flußdichte in den Zähnen bei gleicher Bestromung der Maschine um bis zu 20% gesteigert werden (2,3 T anstatt 1,9 T). Bei gleicher Luftspaltoberfläche bzw. in etwa gleicher Maschinengröße steigt die Leistungsfähigkeit der Maschine um 44%.

Alternativ oder ergänzend besteht der weichmagnetische Körper, in dem die Leiterspulen angeordnet sind, aus einzeln vorgefertigten Polsegmente, die vorzugsweise aus kornorientiertem Elektroblech hergestellt werden. Jeder zweite Pol ist unbewickelt und besteht aus zwei Polhälften, die durch ein unmagnetisches Halterungs­ element verbunden sind. Die Anzahl der Zähne auf der Luftspaltoberfläche des bewickelten Pols entspricht der doppelten Anzahl der Zähne eines Halbpols.

Das vorzugsweise T-förmige Halterungselement besteht aus einem Material mit niedriger magnetischer und elektrischer Leitfähigkeit und verhindert die Bewegung der Halbpole in Richtung des magnetischen Flusses im Luftspalt. Die Halbpole fixieren wiederum das bewickelte Polelement in seiner Position. Dieser modulare Aufbau entspricht dem zweiten Grundgedanken der Erfindung und erlaubt ebenfalls den vorteilhaften Einsatz kornorientierten Materials, wobei im Luftspaltbereich und in dem Maschinenbereich, in dem der Raum zwischen Leiter- und Eisenmaterial aufgeteilt werden muß, die gute Magnetisierbarkeit optimal genutzt werden kann. Ein die Leistungsfähigkeit der Maschine beeinträchtigende Erhöhung des magnetischen Wider­ standes tritt in den kornorientierten Polsegmenten erst bei ca. 1,9 T auf. Dagegen tritt die gleiche Erhöhung des magnetischen Widerstandes in nichtkornorientiertem Elektroblech bereits bei 1,6 T auf. Erst die gegenüber dem Stand der Technik neuartige Segmentierung des bewickelten Körpers ermöglicht die optimale Nutzung der Kornorientierung im Nutbereich der Pole.

Erst die gegenüber dem Stand der Technik neuartige Segmentierung des bewickelten Körpers ermöglicht die optimale Nutzung der Kornorientierung im Nutbereich der Pole.

Die höhere Flußdichte im Pol ermöglicht bei gleichem Luftspaltdurchmesser und gleicher Durchflutung eine Vergrößerung der Nutbreite und der zusätzliche Nutraum ermöglicht eine Senkung der Wicklungsverluste. Zusätzlich muß die Polwicklung nicht durch einen engen Nutschlitz eingefädelt werden und kann unter Zug sehr kompakt gewickelt werden.

Beispiel

Ausgehend von einer konventionellen Maschine mit Polbreite = Nutbreite in der Mitte des Nutbereichs kann durch die Herstellung der Polsegmente aus korn­ orientiertem Elektroblech bei gleicher Flußdichte im Luftspalt die Polbreite um 15% vermindert werden. Zusätzlich ist die Polspule - dank der günstigeren Wickeltechnik - mil 65% anstatt 50% Füllfaktor herstellbar. Zusammen ergibt sich eine 50% größerer Kupferquerschnittsfläche pro Nut bzw. eine Abnahme der Wicklungsverluste um 33%.

Wesentlich für diese Verbesserung ist die Segmentierung des bewickelten weichmagnetischen Körpers in bewickelte Pole und unbewickelte Halbpole, wobei der Halbpol mindestens einen Zahn am Luftspalt ausbildet. Der bewickelte Pol und die beiden mit ihm im Jochbereich ver­ bundenen Halbpole bilden eine magnetische Einheit, die durch die unmagnetischen Halterungs­ elemente von benachbarten baugleichen magnetischen Einheiten getrennt ist. Die Zähne der durch das Halterungselement getrennten Halbpole weisen einen größeren Abstand in Bewe­ gungsrichtung auf als die Zähne innerhalb der magnetischen Einheit und erzeugen hierdurch einen Phasenversatz zwischen benachbarten elektromagnetischen Einheiten.

Die unmagnetischen Halterungselemente vermeiden Rückstellkräfte durch unerwünsche Streuflüsse und steigern damit ebenfalls die Kraftdichte der Maschine. Der negative Einfluß des sekundären Luftspaltes wird durch ein Anpreßen der Polsegmente gegeneinander und eine deutliche Erhöhung der Übergangsfläche durch einen schrägen Schnitt weitgehend vermieden. Zusätzlich wird eine Erhöhung des magnetischen Widerstandes im Jochbereich vermieden, indem die Jochdicke in Richtung der Nuttiefe ca. 75% der Breite des bewickelten Pols ent­ spricht. Die Kombination der Effekte

• - günstigere Magnetisierung durch kornorientierte Polsegmente
• - kompakte Wickeltechnik der Polspulen
• - kurze Flußwege und Entkoppelung der Phasen durch magnetisch getrennte Einheiten

führt zu einer deutlichen Steigerung der Leistungsdichte.

Neben der Verbesserung der Leistungsfähigkeit und geringerer Wicklungsverluste vermindert die erfindungsgemäße Segmentierung auch die Komplexität des Stanzwerkzeuges und den Stanz­ verschnitts. Das Wickeln der Polspulen wird vereinfacht und der zusätzlich Montageaufwand durch die Vielzahl der vorgefertigten Polteile ist beim Einsatz flexibler Montageautomaten vertretbar. Die erfindungsgemäße Segmentierung der Doppelschenkelpolmaschine eignet sich für rotierende Bauformen mit radialem und axialem Luftspaltfeld und auch für Linearantriebe.

Ebenfalls zu einer besseren Raum- und Materialausnutzung in rotierenden Maschinen, besonders bei transversaler Flußführung, trägt die Verwendung von schräg gewalzten Blechen bei. Bisher werden im Elektromaschinenbau ausschließlich Elektroblech mit konstanter Dicke eingesetzt. Entsprechend dem dritten Grundgedanken der Erfindung werden die Bleche vor, beim oder nach dem Stanzen in Richtung der Blechdicke verformt. Vorzugsweise erfolgt dies in einen Walzvor­ gang vor dem Stanzen, wobei das Elektroband einen trapezförmigen Querschnitt erhält.

Das trapezförmige Band kann vorteilhaft in Transversalflußmaschinen eingesetzt werden, wobei mit zwei unterschiedlichen Blechschnitten ein kompletter Eisenring um die Leiterringe ange­ ordnet werden kann. Der Fluß wird lediglich in der Nähe des magnetisch aktiven Luftspalts in den Zähnen konzentriert, die vorzugsweise aus einer Kobalteisen-Legierung bestehen. Der Einsatz von Elektroblechlamellen mit trapezförmigem Querschnitt ist aber auch in Radialfluß- und Axialflußmaschinen, besonders in Zwichenstatoren oder -rotoren, vorteilhaft.

In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Umfangsausschnitt aus dem Querschnitt einer Reluktanzmaschine mit elektromagnetischen Einheiten,

Fig. 2 zeigt den halben Querschnitt einer Transversalflußmaschine, mit Zahneinsätzen aus einer Kobalteisen-legierung,

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus der axiale Seitenansicht des weichmagnetischen Körpers der Transversalflußmaschine aus Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt einer erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine 1, die aus sechs baugleichen elektromagnetischen Einheiten 2 mit jeweils vier Zähnen 3 besteht. Im Ausschnitt ist eine elektromagnetische Einheit vollständig dargestellt. Sie besteht aus einem bewickelten Polsegment 4, das zwischen zwei baugleichen, unbewickelten Halbpolsegmenten 5 angeordnet ist. Pol- und Halbpolsegmente bestehen aus axial hintereinandergeschichteten kornorientierten Elektroblechen, wobei die Vorzugsrichtung radial ausgerichtet ist. Die Halbpole weisen an der Luftspaltoberfläche einen Zahn 3 auf, dessen tangentiale Breite in etwa dem 52- ten Teil des Umfangs entspricht.

Den 24 Statorzähnen liegen am Luftspalt 6 insgesamt 26 Zahnsegmete 7 des Rotors 8 gegen­ über. Der Abstand zwischen den Zähnen benachbarter Halbpole 5 ist um 2/3 der Zahnbreite größer als der Abstand der Zähne innerhalb einer elektromagnetischen Einheit.

Der. Phasenversatz in der Mitte der halbierten Pole kann in eisenreicheren Maschinen auch nur 1/3 der Zahnbreite betragen, so daß nur 25 Rotorzähne 7 den 24 Statorzähnen 3 gegenüber­ liegen. Die Zähnezahl pro elektromagnetischer Einheit kann auf 8, 12, 16 [bzw. 4 . k mit k = ganzzahlig] gesteigert werden und die Anzahl der elektromagnetischen Einheiten kann eine beliebiges Vielfaches der Phasenanzahl betragen.

Damit die Rotorzähne 7 nicht bereits vor den Statorzähnen 3 einen erhöhten magnetischen Widerstand erzeugen, bestehen sie ebenfalls aus kornorientiertem Elektroblech, während der Jochring 9 aus nichtkornorientierten Elektroblechen besteht. Die tangential geblechten Rotor­ zähne 7 weisen einen leicht trapezförmigen Querschnitt auf. Dieser entsteht durch den Einsatz trapezförmig gewalzter Elektrobänder. Diese werden nach dem Walzen lediglich in der Länge abgeschnitten und als paketierte Stäbe axial in einen erwärmten Jochring gepreßt. Beim Ab­ kühlen erhöht sich der Druck des Jochrings 9 auf die Rotorzähne 7, so daß ein stabiler Sitz gewährleistet ist. Zusätzlich wird der tangentiale Raum zwischen den Rotorzähnen mit einem mechanisch stabilen Isolierstoff 10 ausgefüllt, der ebenfalls zur Stabilisierung beiträgt.

Im Stator ist der Raum zwischen benachbarten Zähnen 3 unterschiedlicher elektromagnetischer Einheiten durch das breite Ende des T-förmigen Halterungselements 11 ausgefüllt. Die Halte­ rungselemente bestehen ebenfalls aus einem unmagnetischen Werkstoff mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit. Sie trennen die elektromagnetischen Einheiten magnetisch voneinander, so daß Rückstellkräfte durch Streuflüsse vermieden werden.

Die Polspule 12 wird in einen vorgelagerten Fertigungsschritt auf das Polsegment 4 gewickelt, wobei durch ein exaktes Legen des unter Zugspannung stehenden Drahtes ein erheblich höherer Füllfaktor realisierbar ist, als wenn die Wicklung durch den Nutspalt 13 eingelegt werden muß. Anschließend werden die beiden angrenzenden Halbpole 5 tangential aufgepreßt und dabei vorzugsweise durch Kleben angefügt. Die fertig montierte elektromagnetische Einheit 2 wird nun in den vorgewärmten Halterungskörper 14 axial eingeschoben. Beim Abkühlen verkürzen sich die T-förmigen Halterungselemente 11 und es entsteht eine Vorspannung, die den drei­ teiligen weichmagnetischen Körper der elektromagnetischen Einheit auch bei den hohen Schwankungen der magnetischen Normalkräfte im Luftspalt stabilisiert. Zusätzlich wird der Aufbau nach der Montage vergossen. Ergänzend kann in die Nuten der Polsegmente ein klauenförmiger Körper (nicht dargestellt) eingreifen und so zur Stabilisierung beitragen.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch den halben Querschnitt einer Transversalflußmaschine 15 dargestellt. In dem Blechschnitt 16 aus nichtkornorientierten Elektroblechen sind kleiner Zahneinsätze 17 aus einer Kobalteisen-Legierung eingefügt. In Bewegungsrichtung liegen den ebenfalls aus einer Kobalteisen-Legierung bestehenden Rotorsegmenten 18 immer nur Zahn­ einsätze oder Vertiefungen 19 gegenüber. Dagegen umschließen die Blechschnitte 16 den Leiterring 20 über den gesamten Umfang und die Flußdichte ist auch bei maximaler Flußdichte (2,3 T) in den Zahneinsätzen 17 im übrigen weichmagnetischen Körper 21 auf für die magneti­ sche Verlustleistung günstige Werte zwischen 1,2 und 1,4 T begrenzt. Da der weichmagnetische Körper 21 den Leiterring 20 an drei Seiten in tangentiale Richtung lückenlos einbettet, kann der elektrische Strom auf der gesamten Leiterlänge gleichmäßig zur Magnetfelderzeugung beitragen. Nur an den kritischen Verengungen des magnetischen Flusses wird das wesentlich teurere hochpermeable Material eingesetzt.

Der Anteil der Rotorsegmente und Zahneinsätze am Gewicht des weichmagnetischen Körpers kann durch die erfindungsgemäße Bauform auf 10 bis 20% reduziert werden. Hierdurch entstehen bei in etwa gleicher Leistungsfähigkeit erhebliche Einsparungen bei den Material­ kosten gegenüber einer vollständig aus einer Kobalteisen-Legierung bestehenden Maschine konventioneller Bauart.

Die Verbesserung der Wandlung von elektrischer Energie in magnetische Energie wird hierbei durch den Einsatz von Elektroblechen mit variabler Dicke bewirkt. In Fig. 3 ist erkennbar, wie ein lückenloser weichmagnetischer Ring 21 durch tangentiale Schichtung von Elektroblechen 22 mit trapezförmigen Querschnitt hergestellt wird.

Wie die Rotorzähne in Fig. 1 zeigen sind Elektrobleche mit trapezförmigen Querschnitt vorteilhafte Radialflußmaschinen einsetzbar. Auch in segmentierten Axialflußmaschinen sind derartige umgeformte Elektrobleche zur besseren Ausnutzung des Raumes und damit zur Steigerung der Leistungsfähigkeit vorteilhaft in Zahn- und Polsegmenten einsetzbar.

Im Raum zwischen den weichmagnetischen Zähnen können auch Permanentmagnete als mag­ netische Blenden eingesetzt werden. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf reine Reluktanz­ maschinen, sondern schließt auch Hybridmotoren und -generatoren ein, die zusätzlich zur weichmagnetischen Zahnung am Luftspalt Permanentmagneten, Kurzschluß- oder Erregerwick­ lungen aufweisen.

Claims (8)

1. Elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Körpern (4, 5, 7, 21) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen und mindestens ein weichmagnetischer Körper (21), einen Teilbereich (7, 17) mit an die Oberfläche des Luftspalts (6) angrenzenden weichmagnetischen Zähnen aufweist, der aus einem Werkstoff mit höherer Magnetisierbarkeit und/oder höherer Sättigungsflußdichte besteht, als ein weiter vom Luftspalt entfernt angeordnete Teilbereich (9, 16) des weichmagnetischen Körpers (21), der zum gleichen magnetischen Kreis gehört und der in Richtung des Flusses insgesamt einen größeren Querschnitt aufweist, als die Summe der an den Luftspalt grenzenden Zahnoberflächen.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische Körper am Luftspalt Zähne (7) aus kornorientiertem Elektroblech aufweist und mindestens ein weiterer Teil (9) des weichmagnetischen Körpers aus nichtkorn­ orientiertem Elektroblech besteht.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische Körper (21) am Luftspalt Zähne (17) aus einer Kobalteisen-Legierung aufweist und mindestens ein weiterer Teil (16) des weichmagnetischen Körpers (21) aus einer anderen Eisenlegierungen besteht.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische Körper (21) Elektrobleche mit variabler Blechdicke aufweist.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer rotierenden Maschine der weichmagnetische Körper (21) in tangentiale Richtung geblecht ist und die Blechdicke mit dem Radius zunimmt.

6. Elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Körpern (4, 5, 7) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen und mindestens eine Baugruppe mindestens zwei elektro­ magnetische Einheiten (2) aufweist, die aus mindestens einem bewickelten Polsegment (4) und zwei unbewickelten Halbpolsegmenten (5) besteht, diese Polsegmente und Halbpolsegmente aus kornorientiertem Elektroblech bestehen und die Halbpolsegmente (5) im Jochbereich flächig an mindestens einem Polsegment (4) anliegen.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarte Halbpolsegmenten (5) ein T-förmiges Halterungselement angeordnet ist, das die elektromagnetischen Einheiten (2) magnetisch trennt und eine Bewegung der an im anliegenden Halbpolsegmente (5) verhindert.

8. Verfahren zur Herstellung einer elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Körpern (4, 5, 7, 21) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen, der weichmagnetische Körper eines Polsegments unabhängig von anderen Teilen des weichmagnetischen Körpers vorgefertigt und nach dem Auftragen einer Kernisolierung mit einem gespannten Leiterdraht bewickelt wird, und an den vorgefertigten, bewickelten Pol anschließend zwei unbewickelte Halbpole von unterschiedlichen Seiten angefügt werden.