DE19800667A1 - Transversalflußmaschine mit massearmem passiven Rotor - Google Patents

Description

Die Erfindung ist eine Weiterentwicklung einer besonders zweckmäßigen Maschinenbauform mit Rücksicht auf hohe Volumenausnutzung und günstige Stator- und Rotorgestaltung. In der P 196 34 949.4-32 wurden Lösungen beschrieben, die bei robuster Rotoranordnung besonders zur Anwendung bei größeren Luftspalten geeignet sind. Nach der dortigen Fig. 1b ist eine zum Achsenkreuz symmetrische Magnetkreis-Konfiguration mit zwei seitlichen Sammlern charakteristisch. Die ferromagnetischen Rückschlußlamellen sind dem Rotor am inneren und äußeren Magnetkreisrand zugeordnet. Es ist ersichtlich, daß trotz dem mit Lücken versehenen Magnetkreisteil des Rotors sein Massenanteil verhältnismäßig hoch ist. Insbesondere kann deshalb bei hohen Drehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten auf die Anwendung hoch­ wertiger Werkstoffe für den Rotorkörper nicht verzichtet werden. Dem hohen Massenanteil entsprechen auch erhöhte Eisenverlustanteile.

In der vorliegenden Erfindung wird die massearme Rotorausführung unter Beibehaltung wichtiger in P 196 34 949.4 genannten Merkmale und Vorteile angestrebt. Um dieses Ziel zu erreichen ist es notwendig, gegenüber den bisherigen Konstruktionsvorschlägen, neue Merk­ male für den Aufbau des Stators und des Rotors einzuführen. Besonderer Wert ist darauf zu legen, daß hierbei die im Magnetkreis entstehenden Verluste gering gehalten und günstige Kühlverhältnisse erreicht werden.

Die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe besteht somit darin, die Magnetkreisanordnung so zu gestalten, daß je Magnetkreis zwei masse- und verlustarme Rotorteile seitlich angeordnet sind und die radial außen bzw. innen liegenden Sammlerteile über ein radial wirkendes Verbin­ dungselement im Wicklungsbereich mechanisch steif miteinander verbunden sind. Eine in das Verbindungselement integrierte Kühlung sorgt für ausreichende Wärmeabfuhr aus dem umge­ benden Bereich von Wicklung und Sammlerteilen. Mit einer am Umfang in zwei Hälften auf­ gespaltenen Wicklungs- und Sammleranordnung ergibt sich bei Anwendung nur eines Ma­ gnetkreises in axialer Richtung eine zweisträngige Maschine minimaler axialer Ausdehnung und maximaler Leistung.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand der Fig. 1-6 erläutert:

Fig. 1 Linearisierte Teilansicht von Stator ohne Wicklung und einem Rotorteil.

Fig. 2 Linearisierte Ansicht von äußerem und innerem Sammler mit einem C-förmigen Verbindungselement in gezahnter Ausführung.

Fig. 3 Linearisierte Ansicht eines Statorteils mit I-förmigem Verbindungselement und der Anordnung eines Wälzlagers zur Welle.

Fig. 4 Teil eines Maschinenquerschnitts mit zweigeteilter Wicklung und Verbindungselement mit integrierten Kühlkanälen.

Fig. 5 Rotorausschnitt in gezahnter Blechpaketausführung mit vier Paketteilen.

Fig. 6 Maschinenquerschnitt zur Anordnung von zwei Wicklungssträngen am Umfang (mit Leiterrückführung innen) und minimaler axialer Ausdehnung.

Transversalflußmaschinen mit der Forderung nach hohen Umfangsgeschwindigkeiten und hoher Kraftdichte werden zweckmäßig mit einem Magnetkreis mit relativ hohem Anteil an Permanentmagneten und relativ geringem Anteil an magnetfeldführenden Eisenlamellen di­ mensioniert. Hierdurch lassen sich die frequenzabhängigen Eisenverluste stark reduzieren. Gleichzeitig entsteht die Möglichkeit, die vom Rotoreisen verursachten Fliehkräfte mit einem geringen Aufwand an konstruktivem Material und zusätzlicher Rotormasse abzustützen. Für den mit erhöhter Umfangsgeschwindigkeit einhergehenden größeren Luftspalt gilt ähnlich wie in P 196 34 949 die Anwendung einer größeren Polteilung und etwas erhöhter elektrischer Durchflutung. Letzteres ist verbunden mit der Forderung nach intensivierter Wärmeabfuhr. Durch eine Aufteilung der Wärmeströme, d. h. eine Unterteilung der Wärmequellen in Bezug zur Wärmesenke und durch die Anordnung entsprechender Kühlkanäle kann dies erreicht werden.

Die nun vorgesehene Modifizierung der Statoranordnung führt zu einer räumlichen Vergröße­ rung der Sammleranordnung mit erhöhtem Anteil an Permanentmagneten. Gleichzeitig erfolgt eine Verringerung der dem Rotor zugeordneten Eisenkreiselemente. Mit dieser Veränderung einher geht eine Reduktion des magnetischen Widerstandes für den magnetischen Kreis und eine Verringerung der Eisenverluste, da im inneren Bereich der Sammler eine geringere ma­ gnetische Flußdichte herrscht als z. B. im Rotoreisen. Es entsteht zusätzlich eine günstige Ge­ staltungsmöglichkeit für das rotorseitige Magnetkreisteil. In der linearisierten Teilansicht nach Fig. 1 sind äußerer und innerer Sammler S1 und S2 sowie der rechts liegende Rotor Rr gezeichnet. Wie Fig. 1 zeigt, ist eine Blechpaketanordnung mit zweiseitiger Zahnung Z1 und Z2 im Abstand der doppelten Polteilung und einer Jochverbindung J in Umfangsrichtung eine sehr zweckmäßige Bauform für den Rotor. Durch eine Blechung (Blechebene quer zur Welle) kann auch der Forderung nach einfacher Herstellung entsprochen werden. Um die Kraftbil­ dung möglichst wirkungsvoll zu gestalten, ist die Zahnhöhe von Z1 und Z2 größer als der fünffache Luftspaltbetrag und die Breite der Zähne etwa 80% der Polteilung zu wählen. Äuße­ re und innere Zahnung stehen sich direkt gegenüber. Die vom Rotorblechpaket entwickelten radialen Fliehkräfte werden durch die axiale Befestigung des Paketteils mit dem scheiben­ förmigen Rotor Rs von letzterem aufgenommen.

Wie aus Fig. 1 ebenfalls ableitbar ist, bestehen die beiden Sammler abwechselnd im Poltei­ lungsabstand aus Weicheisenlamellen L und Permanentmagneten P. Die Magnete haben dabei alternierende Polarität. Äußere und innere Magnete weisen dabei ebenfalls unterschiedliche Polarität an gleicher Stelle auf, siehe Fig. 2.

Die der Kraftübertragung von innen nach außen dienende Verbindung V zwischen den Sammlern S1 und S2 ist so zu gestalten, daß durch eine wie in Fig. 2 gezeichnete korrespon­ dierende Zahnstruktur von Sammler Sz und Verbindungsteil Vz eine sichere und großflächige Kraftübertragung erzielt wird. Durch gegenüber dem Weicheisen überstehende P-Magnete läßt sich im mittleren Bereich des Magnetkreises die Zahnung der Sammler ohne größeren Bearbeitungsaufwand ausführen. Eine ähnliche Verbindung kann mit Hilfe eines zusätzlichen Konstruktionselements K die Lagerung La des Stators gegenüber der Welle W entsprechend Fig. 3 übernehmen. Nach außen erfolgt die Abstützung der auf den Stator wirkenden Um­ fangskraft über den äußeren Sammler und das an ihm befestigte Gehäuseteil (nicht gezeich­ net).

Wie Fig. 4 zeigt, wird der innere Bereich im magnetischen Kreis durch die in zwei Einheiten unterteilte Wicklung Ws1 und Ws2 in der Form von Ringspulen oder in der Form von Spulen­ teilen, die den halben Umfang überdecken und durch das Verbindungselement V gegliedert. Die Doppel-T-Form des Verbindungsteils V schließt Kühlkanäle Ku1 und Ku2 ein und ist, wie bereits beschrieben, oben und unten gezahnt ausgeführt. Eine Anordnung des Verbin­ dungsteils im Zentrum des Magnetkreises ist besonders zweckmäßig, weil an dieser Stelle minimale magnetische Feldstärken auftreten, so daß hier auch nur kleine Wirbelstromverluste entstehen können.

Für Maschinen mit hohen Betriebsfrequenzen ist zur Ausführung des Verbindungsteils dünne Wandstärke und begrenzte elektrische Leitfähigkeit zweckmäßig. Dabei erfordert die Wirk­ samkeit der Kühlfunktion eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials. Damit ist neben Aluminium die Anwendung von VA-Stahl als geeignet anzusehen, wobei Aluminium für den Bereich kleiner Frequenzen eher den Anforderungen entspricht. Die querliegenden Ansätze des Verbindungsteils haben nicht nur die Aufgabe der mechanischen Verbindung zu den Sammlern, sondern übernehmen auch die Funktion der Wärmeleitung und die Abführung der in den Sammlern entstehenden Verluste zu den Kühlkanälen. Das flüssige Kühlmittel selbst wird radial über Rohrteile durch den Sammler geführt.

Es besteht kein Zweifel, daß thermisch und elektrisch noch günstigere Verhältnisse erreicht werden, wenn anstelle des elektrisch leitfähigen Metalls als Material für das Verbindungsele­ ment z. B. Al₂O₃ oder Aluminium-Nitrit eingesetzt würde. Das elektrisch isolierende Material ermöglicht weitgehenden Verzicht auf Isolationsmaterial zwischen Wicklung und Verbin­ dungselement und erhöht somit die resultierende Wärmeübergangszahl. Als besonders günstig erweist sich die etwa um 50% höhere Wärmeleitfähigkeit des keramischen Materials. Insbe­ sondere für Maschinen mit hoher Betriebsfrequenz werden so günstige Dimensionierungs­ möglichkeiten erzielt, die einer hohen Volumenausnützung der Transversalflußmaschine sehr dienlich sind.

Wie weiter der Fig. 4 zu entnehmen ist, sind zur Kühlung des innerhalb von S2 liegenden Teils K sowie des Lagers La zusätzliche Maßnahmen, etwa der ringförmige Kühlkanal Kg mit seiner radialen Zuführung Zf, vorzusehen.

Auch im Bereich außerhalb S1, d. h. im anschließenden Gehäuseteil H sind ähnliche Kühl­ maßnahmen zur zusätzlichen Wärmeabfuhr zweckmäßig, wenn es sich um größere Maschinen handelt.

Fig. 5 weist daraufhin, daß beim Aufbau des Rotorblechpakets darauf zu achten ist, daß keine geschlossenen Umläufe von Wirbelströmen durch ungeschlitzte Bleche entstehen. Hier ist z. B. eine Unterteilung in 4 gleichartige Pakete P1/P4 mit unterschiedlichen Stellungen des Schlitzes G vorgesehen. Die Zahl der Unterteilungen läßt sich mit Vorteilen für die Span­ nungsverteilung im Rotor erhöhen. Ihr Größtwert liegt bei der Zahl die gleich der Zahl der Bleche ist.

Für Maschinen großer Durchmesser empfiehlt sich die Anwendung von segmentartig geform­ ten Blechteilen.

In Fig. 6 ist ein Maschinenquerschnitt dargestellt, bei dem axial gesehen innerhalb eines Ma­ gnetkreisteils vorausgesetzt ist, daß in Umfangsrichtung zwei Wicklungsstränge angeordnet sind. Damit umschließt ein Wicklungsteil etwa den halben Umfang der Maschine, während die beiden zugehörigen Statorhälften um eine halbe Polteilung gegeneinander versetzt sind. Eine entsprechende zeitliche Verschiebung der beiden Strangströme ist dabei ebenfalls vor­ ausgesetzt. Wie in Fig. 6 gezeichnet, sind die nun notwendigen Rückführungsteile der Spulen Ws1' und Ws2' im inneren Teil der Maschine vorgesehen. Erkennbar ist die nun mögliche Verringerung der axialen Ausdehnung der Maschine. Bei dieser Anordnung kann im Ver­ gleich zu einer Maschine mit Zweifachanordnung des Magnetkreises davon ausgegangen wer­ den, daß infolge der größeren radialen Abmessung des Magnetkreises deutlich günstigere Kraftdichten und damit eine insgesamt höhere Volumenausnützung erzielbar sind.

Claims (6)

1. Elektrische Maschine mit mehreren, im wesentlichen transversal verlaufenden Magnetkrei­ sen gleichartiger Ausgang (Transversalflußmaschine) mit einem Rotor R, einer Welle W, einem Statorkörper, an dem die Magnetkreise mit ihren Sammleranordnungen befestigt sind, und abwechselnd aus Weicheisenlamellen und radial stehenden Permanentmagneten wechselnder Polarität bestehen sowie einer zwischen den Sammleranordnungen angebrach­ ten, in Umfangsrichtung verlaufenden Spulenwicklung, in deren seitlicher Nachbarschaft je Magnetkreis zwei Rotorteile dem Sammler im Abstand des Luftspalts gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Rotorteile aus einem außen und innen gezahnten Blechpaket mit einer Teilung der Zähne im doppelten Polteilungsabstand der Sammler bestehen,
• - die Sammler sich über die gesamte axiale Länge von Wicklungs- und Rotorteilen erstrecken,
• - die Wicklung axial in zwei Hälften aufgeteilt ist,
• - in der Mitte zwischen den beiden Wicklungsteilen sich ein Verbindungselement befindet, dessen innerer und äußerer gezahnter Rand in eine entsprechende Zahnung der Sammler greift.

2. Transversalflußmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Höhe der Rotorzähne größer als die fünffache Länge des Luftspalts ist und ihre Breite in Umfangsrichtung etwa 80% der Polteilung beträgt.

3. Transversalflußmaschine nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Verbindungsteil im Zentrum des Magnetkreises einen oder mehrere Kühlkanäle umschließt deren Zuleitungen durch die Sammler erfolgen.

4. Transversalflußmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Verbindungsteil zwischen den Sammleranordnungen aus elektrisch nichtleitendem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die mindestens gleich der von VA-Stahl ist, ausgeführt wird.

5. Transversalflußmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Kühlmaßnahmen außerhalb der Sammleranordnung ausgeführt sind.

6. Transversalflußmaschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Wicklung in Umfangsrichtung je einer Statorhälfte zugeordnet und dementsprechend mit einer Rückführung ausgestattet ist, wobei die Statorhälften um eine halbe Polteilung versetzt und die Strangströme um 90° elektrisch phasenverschoben sind.