DE19832390A1 - Transverse flux electrical machine e.g. for vehicle generator and wind generator - Google Patents
Transverse flux electrical machine e.g. for vehicle generator and wind generatorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrische Maschine vorzugsweise geeignet für die Verwendung als Lichtmaschine in Kraftfahrzeugen und als Generator in kleinen Windkraftanlagen mit Leistung von einigen 100 W.The invention relates to an electrical machine preferably suitable for the Use as an alternator in motor vehicles and as a generator in small ones Wind turbines with a power of some 100 W.
Lichtmaschinen werden üblicherweise als fremderregte Drehstrommaschinen ausgeführt und zum Einhalten einer kostengünstigen Baugröße über ein ins schnelle übersetzendes Getriebe angetrieben.Alternators are usually designed as separately excited three-phase machines and to maintain a cost-effective size with a quick translation Gear driven.
Verwendung finden gelegentlich auch hochpolige Maschinen mit Drehstromwicklungen und radialer oder axialer Flußführung in unterschiedlicher Bauweise.Occasionally, multi-pole machines with three-phase windings are also used and radial or axial flow guidance in different designs.
Die Verwendung transversaler Flußführung verspricht eine wesentliche Steigerung der spezifischen Leistung und besondere Eignung für einen getriebelosen Antrieb mit geringer Drehzahl.The use of transverse flow guidance promises a significant increase in specific performance and particular suitability for a gearless drive with low speed.
Die hohe Betriebsfrequenz und die einfache Wicklungsgestalt gestatten prinzipiell eine gute Materialausnutzung bei geringer Verlustleistung.The high operating frequency and the simple winding shape allow in principle good material utilization with low power loss.
Bisher ausgeführte Transversalflußmaschinen mit entsprechender Leistung haben aber einen aufwendigen Aufbau aus einer Vielzahl von Einzelteilen und sind deshalb gegenüber bewährten Konzepten unwirtschaftlich. Lediglich bei Generatoren mit geringer Leistung (Fahrraddynamo) ist das Prinzip in sehr preisgünstige Lösungen umgesetzt worden.However, transversal flux machines with corresponding performance that have been implemented so far have a complex structure from a large number of individual parts and are therefore uneconomical compared to proven concepts. Only with generators low power (bicycle dynamo) is the principle in very affordable solutions been implemented.
Ziel der Erfindung ist es, das Prinzip der transversalen Flußführung für den Bereich kleiner und mittlerer Leistungen in eine preiswerte elektrische Maschine mit einfachem Aufbau umzusetzen.The aim of the invention is the principle of transverse flow guidance for the area small and medium power in an inexpensive electrical machine with simple Implement the structure.
Dazu wird ein "Ständerblechpaket" (12) aus Blechstreifen mit beidseitig ausgestanzten Polzähnen (23) und mit gestufter Breite geschichtet. Im Paket werden die Polzähne zu einem U-förmigen Querschnitt abgekantet und das gerade U-Profil anschließend rund gebogen. Dadurch entstehen zwei schmale zylindrische Polflächen.For this purpose, a "stator core package" ( 12 ) made of sheet metal strips with pole teeth ( 23 ) punched out on both sides and layered in width is layered. In the package, the pole teeth are folded to a U-shaped cross-section and the straight U-profile is then bent round. This creates two narrow cylindrical pole faces.
Vor dem Verformen, insbesonders dem Rundbiegen bzw. dem Kanten zu einer Polygonform sind die Blechstreifen zweckmäßig durch Kleben, Punktschweißen oder Punchen gegeneinander zu fixieren.Before deforming, especially round bending or edging into one The sheet metal strips are expediently polygonal by gluing, spot welding or Fix punches against each other.
Kleine Durchmesser können aus einteiligen Blechstreifen hergestellt werden, größere Durchmesser werden aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt. Eine mehrteilige Ausführung ist auch für das Einlegen von Formspulen (13) vorteilhaft.Small diameters can be made from one-piece sheet metal strips, larger diameters are composed of several sections. A multi-part design is also advantageous for inserting form coils ( 13 ).
Das fertige Ständerblech wird durch ein zylindrisches Gehäuse (11) stabilisiert.The finished stand plate is stabilized by a cylindrical housing ( 11 ).
Die gleichartige Flußrichtung ermöglicht die Verwendung von verlustarmen kornorientierten Transformatorenblechen.The similar flow direction enables the use of low-loss grain-oriented transformer sheets.
Der Läufer (3) wird aus axial hintereinander angeordneten Gruppen von Polscheiben (6,7) gebebildet, die jeweils aus geschichteten Dynamobleche bestehen, bei denen am Umfang Polzähne (22, 23) ausgestanzt sind, die klauenförmig ineinander greifen. Die Polscheiben sind voneinander jeweils durch einen Erregungsapparat getrennt. Für die Ausführung der Erregung bestehen mehrere einfache Möglichkeiten: Für die elektrische Erregung wir jeweils zwischen zwei Polscheiben ein Eisenkern (15) mit Erregerwicklung (17) angeordnet. Für eine Erregung mit Permanentmagneten werden entweder axial magnetisierte Permanentmagnetscheiben (18) (vorzugsweise preiswerte Ferrite) zwischen den magnetisch isolierten Polscheiben angeordnet oder die Polscheiben werden über radial magnetisierte zylindrische Dauermagnete mit einem gemeinsamen zylindrischen Eisenkern verbunden. Dabei ist nur ein (vorzugsweise Neodym) Magnet pro Phase erforderlich.The rotor ( 3 ) is formed from groups of pole disks ( 6 , 7 ) arranged axially one behind the other, each consisting of layered dynamo plates, in which pole teeth ( 22 , 23 ) are punched out on the circumference and engage in a claw-like manner. The pole disks are separated from each other by an excitation device. There are several simple options for executing the excitation: For electrical excitation, an iron core ( 15 ) with excitation winding ( 17 ) is arranged between two pole disks. For excitation with permanent magnets, either axially magnetized permanent magnet disks ( 18 ) (preferably inexpensive ferrites) are arranged between the magnetically insulated pole disks, or the pole disks are connected to a common cylindrical iron core via radially magnetized cylindrical permanent magnets. Only one (preferably neodymium) magnet is required per phase.
Schließlich können elektrische und magnetische Erregung kombiniert werden (Fig. 1), indem jeweils abwechselnd eine Spule (17) und ein Magnet (18) verwendet werden. Die Erregerspule wird dann zur Regelung der Erregung bipolar angesteuert. Damit ist mit einem geringfügig aufwendigeren Regler eine verlustarme Regelung der Maschine möglich. Durch den Dauermagneten wird eine mittlere Erregung eingestellt, die durch die Spule nach Bedarf verstärkt oder geschwächt wird.Finally, electrical and magnetic excitation can be combined ( Fig. 1) by alternately using a coil ( 17 ) and a magnet ( 18 ). The excitation coil is then activated in a bipolar manner to regulate the excitation. This enables low-loss control of the machine with a slightly more complex controller. A medium excitation is set by the permanent magnet, which is amplified or weakened by the coil as required.
Die Energie für die elektrische Erregung wird üblicherweise elektrisch durch Schleifkontakte übertragen, die einem Verschleiß durch Abrieb unterliegen. Eine magnetische Übertragung durch Luftspalte ist dagegen verschleißfrei, bedingt jedoch einen größeren Magnetisierungsstrom. Bei kombinierter Erregung sind die elektrischen Verluste zu verkraften und der Vorteil einer verschleißfreien Übertragung kann genutzt werden. Eine günstige Anordnung ist die Übertragung der Spuleninduktion durch zylindrische Luftspalte (10) in den Polscheiben (7, 8) und die Übertragung der Magnetinduktion über einen großflächigen axialen Luftspalt zwischen Magnetscheibe (18) und Polscheibe (5).The energy for electrical excitation is usually transmitted electrically through sliding contacts that are subject to wear due to abrasion. Magnetic transmission through air gaps, on the other hand, is wear-free, but requires a larger magnetizing current. With combined excitation, the electrical losses can be coped with and the advantage of wear-free transmission can be used. A favorable arrangement is the transmission of the coil induction through cylindrical air gaps ( 10 ) in the pole disks ( 7 , 8 ) and the transmission of the magnetic induction via a large axial air gap between the magnetic disk ( 18 ) and the pole disk ( 5 ).
Fig. 1 und 2 zeigen einen entsprechenden Aufbau am Beispiel einer Lichtmaschine. Der Ständer (2) wird mit seinem Gehäuse (11) direkt an dem Verbrennungsmotor (1) montiert. Der Läufer ist auf einem Lagerzapfen (3) der Kurbelwelle befestigt. Eine separate Lagerung der Lichtmaschine entfällt. In dem Blechgehäuse ist der Erregungsapparat eingepreßt und zentriert. Die elektrischen Erregung erfolgt über eine Spule (17), die zwischen zwei geblechten Scheiben (16) und über einem mit Streifen (15) längs geblechten Zylinder angeordnet ist. Für die magnetische Erregung ist auf einer Scheibe (16) ein Magnetring (18) aufgeklebt, vor dem sich die Läuferscheibe (5) bewegt. Die Läuferscheibe (5) dient zur Befestigung an dem Wellenzapfen (3) und sie überträgt das Drehmoment an die Läuferscheiben (6) und (7), mit denen sie durch Niete (8) und Distanzhülsen (9) verbunden ist. Fig. 1 and 2 show a structure corresponding to the example of an alternator. The stand ( 2 ) with its housing ( 11 ) is mounted directly on the internal combustion engine ( 1 ). The rotor is attached to a bearing journal ( 3 ) on the crankshaft. A separate storage of the alternator is not necessary. The excitation apparatus is pressed and centered in the sheet metal housing. The electrical excitation takes place via a coil ( 17 ) which is arranged between two laminated disks ( 16 ) and over a cylinder laminated lengthways with strips ( 15 ). For magnetic excitation, a magnetic ring ( 18 ) is glued to a disk ( 16 ), in front of which the rotor disk ( 5 ) moves. The rotor disk ( 5 ) is used for fastening to the shaft journal ( 3 ) and it transmits the torque to the rotor disks ( 6 ) and ( 7 ), with which it is connected by rivets ( 8 ) and spacer sleeves ( 9 ).
Die Läuferscheiben unterscheiden sich durch ihre Zahnteilung und die Kröpfung der Zähne. Die äußeren Scheiben (5) und (7) haben z. B. 24 Polzähne, die innere Scheibe (6) hat die doppelte Anzahl von Zähnen, die abwechselnd zwischen die Polzähne der äußeren Scheiben gekröpft sind, die Scheibe (7) hat ebenfalls eine zur Mitte gerichtete Kröpfung, um ausreichend Platz für die Erregerwicklung zu schaffen. Die Scheibe (5) kann ohne Kröpfung ausgeführt werden.The rotor disks differ in their tooth pitch and the cranking of the teeth. The outer discs ( 5 ) and ( 7 ) have z. B. 24 pole teeth, the inner disc ( 6 ) has twice the number of teeth that are alternately cranked between the pole teeth of the outer discs, the disc ( 7 ) also has a center offset to create enough space for the excitation winding . The disc ( 5 ) can be designed without cranking.
Fig. 2 zeigt die Zuordnung der Polzähne. Oben ist eine Ansicht dargestellt, darunter rechts ein Schnitt durch die Erregerspule. Links ein Schnitt durch die Magnetscheibe. Fig. 2 shows the assignment of the pole teeth. A view is shown at the top, a section through the excitation coil at the right. On the left a section through the magnetic disk.
Fig. 3 zeigt die einzelnen Blechschnitte. Fig. 3 shows the individual sheet cuts.
Die Vorgeschlagene Lösung bietet folgende Vorteile:
Einfacher und zuverlässiger Aufbau, Riemengetriebe, Lagerung und Schleifkontakte
entfallen.The proposed solution offers the following advantages:
Simple and reliable construction, belt transmission, storage and sliding contacts are no longer necessary.
Einfache Fertigung mit bewährten Fertigungsverfahren.Simple manufacturing with proven manufacturing processes.
Geringer Materialaufwand durch kurze Eisenwege und wenig Verschnitt. Kupfereinsparung durch einfache Spulenform.Low material costs due to short iron paths and little waste. Copper savings through simple coil shape.
Preiswerter Magnetwerkstoff und nur ein Magnet mit einfacher Geometrie. Guter Wirkungsgrad durch Verwendung kornorientierter Bleche im Anker, eine gute Ausnutzung der Ankerwicklung und eine verlustarme Erregung.Inexpensive magnet material and only one magnet with simple geometry. Good efficiency through the use of grain-oriented sheets in the anchor, a good one Utilization of the armature winding and low-loss excitation.
Das Trägheitsmoment des direkt auf der Kurbelwelle montierten Läufers ersetzt einen Teil der Schwungmasse, dadurch ergibt sich eine Gewichtseinsparung des Systems.The moment of inertia of the rotor mounted directly on the crankshaft replaces one Part of the flywheel mass, this results in a weight saving of the system.
Durch die einphasige Ausführung wird ein größerer Aufwand für die Glättung des Stromes nach dem Gleichrichten erforderlich, die erforderliche Kapazität eines Glättungskondensators ist aber durch die relativ hohe Frequenz gering. Due to the single-phase design, a greater effort for smoothing the Current required after rectification, the required capacity of one Smoothing capacitor is low due to the relatively high frequency.
Fig. 4 zeigt an Prinzipdarstellungen einer 1- bzw. 2-phasigen Maschine die Anordnung von radial magnetisierten Magnetringen und die Anordnung von äußeren und mittleren Läuferscheiben. Fig. 4 shows schematic diagrams of a 1- or 2-phase machine, the assembly of radially magnetized magnet rings and the arrangement of the outer and middle rotor disks.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsbeispiel für eine 1-phasige Maschine mit Lagerung, wie sie für Windgeneratoren verwendet werden kann. Fig. 6 zeigt am Beispiel einer 3-phasigen Maschine die Möglichkeit, mehrphasigen Maschinen durch die axiale Aneinanderreihung baugleicher Ständer und Läufereinheiten zu erzeugen. Fig. 5 shows an embodiment for a 1-phase machine with storage, as it can be used for wind generators. Fig. 6 shows the possibility of producing multi-phase machines by the axial juxtaposition of identical stator and rotor units using the example of a 3-phase machine.
Fig. 7 zeigt eine 2-phasige Anordnung mit stationärer elektrischer Erregung, die z. B. für eine Kombination von Anlasser und Lichtmaschine eines Verbrennungsmotors verwendet werden könnte. Fig. 7 shows a 2-phase arrangement with stationary electrical excitation, the z. B. could be used for a combination of starter and alternator of an internal combustion engine.
Fig. 8 zeigt eine 1-phasige Ausführung mit permanent magnetisch erregtem Außenläufer, die als Radnabenmotor oder -generator verwendet werden kann. Fig. 8 shows a 1-phase version with a permanently magnetically excited external rotor, which can be used as a wheel hub motor or generator.
Claims (4)
Die Blechstreifen werden vorzugsweise als Querabschnitten kornorientierter Bleche gestanzt. Für Großserien werden Spaltbänder mit einer Breite entsprechend der Streifenlänge verwendet und die gestufte Streifenbreite durch einen entsprechenden Blechvorschub an der Stanzpresse mit einem einzigen Stanzwerkzeug erzeugt, die Polzähne und Zahnlücken sind dazu symmetrisch ausgebildet.1. Electrical machine, with transverse flow guidance characterized by an anchor ring with a U-shaped cross section and rotor disks with claw poles, a stator laminated core made of sheet metal strips ( 12 ) stepped in width with pole teeth ( 23 ) punched out on both sides, which in the package form a profile with a U -shaped cross section ( 12 ) and then bent into a ring ( 12 ).
The metal strips are preferably punched as cross sections of grain-oriented metal sheets. For large series, slit strips with a width corresponding to the strip length are used and the stepped strip width is generated by a corresponding sheet feed on the stamping press with a single stamping tool, the pole teeth and tooth gaps are designed symmetrically.
Die Kröpfung entspricht der Breite des Ständerblechpaketes, so daß sich jeweils Ständerpole und Läuferpole mit abwechselnder magnetischer Polung an zylindrischen Luftspalten gegenüberliegen. Die Länge aller Polflächen eines Querschnittes beträgt etwa ein Drittel des Umfanges.
Eine oder beide äußeren Läuferscheiben (6) sind ohne Kröpfung ausgeführt, insbesonders in Verbindung mit dauermagnetischer Erregung.
Bei Außenläufern und bei Innenläufern mit großem Durchmesser sind die Läuferbleche als Streifen mit beidseitigen Einkerbungen (25, 26) gestanzt und in der Blechebene zu Ringen geknickt.
Die Streifen für diese Läuferblechpakete werden je nach Anwendung vorzugsweise als Querabschnitte aus kornorientierten Blechen hergestellt oder bei Großserien aus Spaltband endlos gestanzt und um die Hochachse geknickt zu Paketen gewickelt. 2. Two outer rotor disks and one middle rotor disk for each phase. Each rotor disk ( 5-7 ) consists of layered packages of stamped and glued sheets, the pole teeth (sheet by sheet individually) are offset against each other, the outer rotor disks having teeth corresponding to the pole pitch, which are cranked inwards, and the middle ones Rotor disks ( 6 ) have twice the number of teeth, which are alternately cranked on both sides.
The offset corresponds to the width of the stator core, so that the stator poles and rotor poles with alternating magnetic polarity on cylindrical air gaps are opposite each other. The length of all pole faces of a cross section is approximately one third of the circumference.
One or both outer rotor disks ( 6 ) are designed without an offset, especially in connection with permanent magnetic excitation.
In the case of external runners and internal runners with a large diameter, the rotor plates are punched as strips with notches ( 25 , 26 ) on both sides and folded into rings in the plane of the plate.
Depending on the application, the strips for these rotor laminated cores are preferably made as cross sections from grain-oriented laminations or, in the case of large series, are continuously punched out of split strips and wrapped around the vertical axis to form packages.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19832390A DE19832390A1 (en) | 1998-07-18 | 1998-07-18 | Transverse flux electrical machine e.g. for vehicle generator and wind generator |
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DE19832390A DE19832390A1 (en) | 1998-07-18 | 1998-07-18 | Transverse flux electrical machine e.g. for vehicle generator and wind generator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=7874549
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DE19832390A Withdrawn DE19832390A1 (en) | 1998-07-18 | 1998-07-18 | Transverse flux electrical machine e.g. for vehicle generator and wind generator |
Country Status (1)
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- 1998-07-18 DE DE19832390A patent/DE19832390A1/en not_active Withdrawn
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