DE19858304A1 - Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung, insbesondere zweipolige Transversalflußmaschine für hohe Drehzahl - Google Patents
Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung, insbesondere zweipolige Transversalflußmaschine für hohe DrehzahlInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung mit einem Rotor und einer Statorbaueinheit. DOLLAR A Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: DOLLAR A der Rotor und die Statorbaueinheit bilden in radialer Richtung betrachtet lediglich einen Zwischenraum; DOLLAR A der Rotor umfaßt im Axialschnitt betrachtet wenigstens zwei zentral im Bereich der Rotorrotationsachse angeordnete und durch eine Zwischenlage aus elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Material getrennte Magnetanordnungen, die im Querschnitt betrachtet jeweils zwischen zwei Weicheisenelementen angeordnet sind; DOLLAR A jede Magnetanordnung weist eine Magnetisierungsrichtung auf, welche in Richtung eines der angrenzenden Weicheisenelemente gerichtet ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Wechselstrommaschine mit transversaler
Flußführung, insbesondere eine zweipolige Transversalflußmaschine für hohe
Drehzahlen, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Wechselstrommaschinen, die nach dem Transversalflußprinzip arbeiten, sind
beispielsweise aus den folgenden Druckschriften
(1) DE 35 36 538 A1
(2) DE 37 05 089 C1
(3) DE 39 04 516 C1
(4) DE 41 25 779 C1
bekannt. In diesen Druckschriften ist im wesentlichen das Grundprinzip und der Aufbau beschrieben.
(1) DE 35 36 538 A1
(2) DE 37 05 089 C1
(3) DE 39 04 516 C1
(4) DE 41 25 779 C1
bekannt. In diesen Druckschriften ist im wesentlichen das Grundprinzip und der Aufbau beschrieben.
Die bekannten Wechselstrommaschinen, die nach dem Transversalflußprinzip
arbeiten, umfassen wenigstens einen Stator mit mindestens einer
Ankerwicklung und einen, der Ankerwicklung gegenüberliegenden Rotor. Der
Rotor besteht dabei aus wenigstens zwei nebeneinander angeordneten, durch
eine Zwischenlage aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem Material
getrennten Ringelementen, die in Umfangsrichtung eine Vielzahl von
wechselweise angeordneten polarisierten Magneten und
Weicheisenelementen aufweisen. Eine derartige Anordnung zweier
Ringelemente bildet eine Polstruktur. Vorzugsweise sind die
Transversalflußmaschinen symmetrisch aufgebaut. In diesem Fall umfassen
diese zwei, durch eine zentrale Trägerscheibe getrennte Polstrukturen.
Die bekannten Wechselstrommaschinen mit transversaler Flußführung bzw.
Transversalflußmaschinen bieten als einzige permanent magneterregte
Sychronmaschinen die Möglichkeit des feldschwächungsähnlichen Betriebes
mit theoretisch unbegrenztem Drehzahlverhältnis. Weitere wesentliche Vorteile
sind die geringen erforderlichen Kupfermassen, die Möglichkeit des
Spannungsvollblockbetriebes bei hohen Frequenzen und daraus folgend ein
sehr guter Wirkungsgrad. Allerdings bedingt eine Wechselstrommaschine der
bekannten Bauart für die Erzielung dieser vorteilhaften Eigenschaften immer
zwei Luftspalte, d. h. zwei in radialer Richtung zwischen Rotor und Stator
gebildete Zwischenräume, einen radial inneren und einen radial äußeren
Zwischenraum, welche auch als Luftspalte bezeichnet werden. Des weiteren
ist für eine vorgegebene zu erzielende Leistung eine hohe Polzahl
erforderlich. Aufgrund dieses Zusammenhanges können die Maschinen nicht
beliebig verkleinert werden durch die erforderlichen zwei Luftspalten, da aus
magnetischen Gründen eine Mindestpolzahl und aus Fertigungsgründen eine
Mindestpolteilung nicht unterschritten werden kann. Elektrische
Antriebsmaschinen mit kleiner Leistung und insbesondere einer hohen
Drehzahl sind somit mit diesem Grundaufbau nur schwer realisierbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wechselstrommaschine
mit transversaler Flußführung der eingangs genannten Art derart
weiterzuentwickeln, daß die genannten Nachteile vermieden werden. Im
einzelnen ist auf eine Lösung abzustellen, die es erlaubt, die Vorteile einer
Transversalflußmaschine auf eine schnelldrehende Maschine mit relativ kleiner
Leistung zu übertragen. Die erfindungsgemäße Lösung soll sich des weiteren
durch einen geringen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand
auszeichnen.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1
charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
wiedergegeben.
Erfindungsgemäß umfaßt der Rotor einer Wechselstrommaschine mit
transversaler Flußführung wenigstens zwei im Bereich der Rotorrotationsachse
im Axialschnitt betrachtet angeordnete und durch eine Zwischenlage aus
elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Material getrennte
Magnetanordnungen, welche im Querschnitt in radialer Richtung betrachtet
jeweils zwischen zwei Weicheisenelementen angeordnet sind. Die Anordnung
der Magnetanordnungen zwischen den Weicheisenelementen erfolgt
sozusagen sandwichartig. Dem Rotor ist eine Statorbaueinheit zugeordnet,
wobei Rotor und Stator in Einbaulage in radialer Richtung betrachtet lediglich
einen Zwischenraum miteinander bilden. Die Statorbaueinheit umfaßt dazu
wenigstens zwei Statorelemente, welche dem Rotor symmetrisch zugeordnet
sind. Die Statorbaueinheit umfaßt des weiteren eine Statorwicklung, welche
unipolar und als Ringwicklung ausgeführt ist. Diese umschließt den Rotor in
Umfangsrichtung. Zur Realisierung der Funktionsweise ist es des weiteren
erforderlich, an zentralen Magnetanordnungen eine entsprechende
Magnetisierungsrichtung zuzuweisen. Diese ist dabei derart gewählt, daß
diese in Richtung der an die Magnetanordnungen angrenzenden
Weicheisenelemente ausgerichtet ist. Entsprechend der
Magnetisierungsrichtung ist dann ein magnetisches Feld vorhanden, welches
die benachbarten Weicheisenelemente in entsprechender Weise durchsetzt. In
Betrieb der Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung durch
Beaufschlagung der Statorwicklung mit Strom wird durch die durch die
Überlagerung bedingte Änderung erzeugten Kräfte eine Kraftwirkung auf den
Rotor ausgeübt. Der magnetische Fluß wird dabei über die Statorelemente
geführt. Dabei tritt der von den Magneten erzeugte Fluß in der Richtung vom
Süd- zum Nordpol durch die Magnete hindurch und in den Weicheisenbereich
des benachbarten Weicheisenelementes über, um von dort den Luftspalt
passieren zu können und in das Statorelement einzutreten. Über das
Statorelement wird dieser um die Statorwicklung herumgeführt und kommt auf
der anderen Rotorseite wieder zurück, geht dort, wieder getrieben durch die
Magnetanordnung, in Längsrichtung, d. h. radiale Richtung, durchsetzt den
Luftspalt und umschließt mit Hilfe des anderen zweiten Statorbauelementes
die Statorwicklung und schließt somit die Flußbahn im zweiten, der zentralen
Magnetanordnung benachbarten, Weicheisenelement.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, die Vorteile einer
Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung auf eine schnell
drehende Maschine relativ geringer Leistung zu übertragen. Dies bedeutet,
daß sehr hohe Drehzahlen möglich sind, bei gleichzeitig niedriger
Statorfrequenz, einfachstem Aufbau, insbesondere der Wicklung und geringer
Polzahl. Der magnetische Kreis ist streuungsarm. Ein weiterer wesentlicher
Vorteil besteht in der Möglichkeit eines feldschwächungsähnlichen Betriebes
mit Spannungsvollblockbetrieb.
Zur Erzielung einer bezüglich der auftretenden Kräfte optimalen Konfiguration
wird dabei eine Ausführung des Rotors angestrebt, welche im Querschnitt
betrachtet, d. h. in einer Ansicht von rechts, auf den Rotor einen im
wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebauten Grundkörper erkennen läßt.
Die Rotationssymmetrie wird dabei durch die Ausführung der
Magnetanordnungen als scheibenförmige Elemente mit im wesentlichen
rechteckigen Querschnitt und die Ausführung der den Magnetanordnungen
zugeordneten Weicheisenelemente als Kreissegmente angenähert. Die
Weicheisenelemente sind dabei im Querschnitt betrachtet im wesentlichen
halbkreisförmig ausgeführt. Die halbkreisförmig ausgebildeten
Weicheisenelemente grenzen dabei mit ihren gerade ausgeführten Flächen an
die einander gegenüberliegenden Stirnseiten der scheibenförmig
ausgeführten Magnetanordnung an.
Die Statorelemente einer Statorbaueinheit sind entweder als sogenannte
Schnittband kerne oder als weichmagnetische Pulverelemente ausgeführt. Im
Axialschnitt betrachtet sind diese dazu mit einem im wesentlichen U-förmigen
Querschnitt ausgestattet. Die beiden Schenkel des U-förmigen Querschnittes
umschließen dabei die winkelförmige Ankerwicklung. In Einbaulage im
Axialschnitt betrachtet sind die Statorelemente dabei dem Rotor derart
zugeordnet, daß die Schenkel den Magnetanordnungen gegenüberliegend
angeordnet sind. In Umfangsrichtung betrachtet sind die Statorelemente
vorzugsweise hinsichtlich ihrer Kontur ebenfalls an ihrer zum Rotor weisenden
Fläche im Querschnitt betrachtet halbkreisförmig ausgeführt. Zur Realisierung
der Funktion sind lediglich zwei Statorelemente erforderlich, die symmetrisch
bezogen auf den Rotor zu diesem angeordnet sind. Die im Axialschnitt U-
förmig gestalteten Weicheisenelemente sind dabei aus in Umfangsrichtung
hintereinander aufgeschichtetem Trafoblech oder Weicheisenpulver gefertigt.
Diese Materialien ermöglichen auch die Gestaltung komplizierterer
Statorelemente.
Jede Einheit aus einem Rotor, umfassend zwei zentral im Bereich der
Rotorrotationsachse angeordnete Magnetanordnungen, die im Axialschnitt
betrachtet durch eine Zwischenlage von elektrisch und magnetisch nicht
leitfähigem Material voneinander getrennt sind, und die sandwichartig
zwischen jeweils zwei Weicheisenekmenten in radialer Richtung eingeklemmt
werden, und des weiteren einer Statorbaueinheit mit wenigstens zwei
Statorelementen, bildet eine sogenannte einphasige
Wechselstrommaschinengrundeinheit. Zum Anlauf der Wechselstrommaschine
sind jedoch wenigstens zwei Phasen erforderlich. Dies wird durch
Hintereinanderschaltung zweier Maschinengrundeinheiten realisiert. Dabei ist
jedoch zu berücksichtigen, daß die beiden Maschinengrundeinheiten in
Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzt anzuordnen sind. Dies kann zum
einen durch die Gestaltung des Rotors erzeugt werden oder aber durch die
entsprechende Ausführung der Statorbaueinheiten. Im erstgenannten Fall
werden die einzelnen Rotorphasensegmente, welche jeweils aus den zwei
zentral angeordneten Magnetanordnungen, die zwischen zwei
Weicheisenelementen sandwichartig angeordnet werden, bestehen,
zueinander um 90° versetzt angeordnet. Die beiden Rotorphasensegmente
sind dabei über eine Zwischenlage oder ein Distanzstück aus elektrisch und
magnetisch nicht leitfähigem Material miteinander verbunden. Eine andere
Möglichkeit besteht darin, den Rotor homogen zu gestalten, d. h. bezüglich
der einzelnen Rotorphasensegmente keinen Versatz vorzusehen und dafür die
den einzelnen Rotorphasensegmenten zuzuordnenden Statorbaueinheiten mit
dem entsprechenden Versatz in Umfangsrichtung zu versehen. Dies bedeutet,
daß die Elemente der einzelnen Rotorgrundeinheiten jeweils in einer
gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Diese Möglichkeit bietet den Vorteil,
daß bei der Ausführung des Rotors nicht auf die erforderliche
Phasenverschiebung geachtet werden muß, sondern zwei identische
Grundeinheiten miteinander gekoppelt werden können.
Die Kopplung zwischen den Magnetanordnungen und den benachbarten
Weicheisenelementen erfolgt im einfachsten Fall stoffschlüssig. Ausführungen
mit Formschluß oder Kraftschluß sind ebenfalls denkbar, erhöhen jedoch den
Fertigungsaufwand.
Die Kopplung der einzelnen zentraren Magnetanordnungen eines
Rotorphasensegmentes über die Zwischenlager aus elektrisch und
magnetisch nicht leitfähigem Material kann ebenfalls stoffschlüssig,
kraftschlüssig und/oder formschlüssig realisiert werden. Vorzugsweise wird
auch hier auf einen Stoffschluß zurückgegriffen. Die konkrete Auswahl der zu
realisierenden Verbindung liegt jedoch im Ermessen des zuständigen
Fachmannes.
Vorzugsweise wird die Rotoranordnung, d. h. der Rotor in axialer Richtung je
mit einem Wellenende versehen, welches in der Statorbaueinheit lagerbar ist.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren
erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Fig. 1 verdeutlicht anhand einer Ansicht von rechts eine Ausführung
einer erfindungsgemäß gestalteten Wechselstrommaschine mit
transversaler Flußführung;
Fig. 2 verdeutlicht anhand einer Schnittstellung A-A einen Axialschnitt
durch eine erfindungsgemäß gestaltete zweipolige
Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung
entsprechend der Fig. 1.
Die Fig. 1 verdeutlicht anhand einer Ansicht von rechts eine Ausführung
einer erfindungsgemäß gestalteten Wechselstrommaschine mit transversaler
Flußführung 1. Diese umfaßt einen Rotor 2 und eine diesem zugeordnete
Statorbaueinheit 3. Die Statorbaueinheit umfaßt eine Statorwicklung 4, welche
vorzugsweise als Ringwicklung ausgeführt ist und in einem bestimmten
Abstand den Rotor 2 in Umfangsrichtung ringförmig umschließt. Die
Statorbaueinheit 3 umfaßt des weiteren wenigstens zwei Statorelemente 5.1
und 5.2, welche dem Rotor 2 symmetrisch zugeordnet sind. Die Kontur der
Statorelemente 5.1 und 5.2 im Bereich der zum Rotor 2 weisenden Stirnseiten
6.1 bzw. 6.2 ist halbkreisförmig ausgestaltet, so daß die Statorelemente 5.1
und 5.2 in einem bestimmten Abstand 11 bzw. 12 den Rotor über einen Teil
seiner vom Umfang 7 gebildeten Fläche in einer Ansicht von rechts, gemäß
Fig. 1 betrachtet, umschließt. Der Rotor 2 und die Statorbaueinheit 3 sind
derart zueinander angeordnet, daß in Umfangsrichtung des Rotors 2
betrachtet zwischen dem Stator bzw. den einzelnen Statorelementen 5.1 und
5.2 sowie dem Rotor 2 lediglich ein Luftspalt 8 ausgebildet wird. Der Rotor 2
umfaßt in Einbaulage betrachtet eine zentrale Magnetanordnung 9, an deren
Stirnseiten 10.1 bzw. 10.2 jeweils ein Weicheisenelement 11.1 bzw. 11.2
angeordnet ist. Die beiden Weicheisenelemente 11.1 und 11.2, welche der
Magnetanordnung benachbart sind, sind in der Ansicht von rechts im
Querschnitt betrachtet im wesentlichen halbkreisförmig ausgeführt. Die
Außenkontur 12.1 bzw. 12.2 der einzelnen Weicheisenelemente 11.1 bzw.
11.2 ist dabei derart gewählt, daß diese bei Bildung einer baulichen Einheit
mit der zentralen Magnetanordnung 9 einen im wesentlichen in dieser Ansicht
rotationssymmetrisch aufgebauten Rotor 2 ohne Umwuchten bilden. Die
Rotationssymmetrie wird dabei durch die halbkreisförmigen Segmente in
Kombination mit einer rechteckig ausgeführten Magnetanordnung 9
angenähert. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die zu den benachbarten
Weicheisenelementen 11.1 bzw. 11.2 weisenden Stirnseiten 10.1 bzw. 10.2
der Magnetanordnung im Verhältnis zu den direkt zur Statorwicklung 4
weisenden Flächen 13.1 und 13.2 in ihrer Erstreckung in dieser Ansicht
erheblich größer gestaltet sind. Die beiden Weicheisenelemente 11.1 und 11.2
umschließen somit die zentrale Magnetanordnung 9 in der Ansicht von rechts
betrachtet sandwichartig.
Die Statorelemente 5.1 und 5.2 der Statorbaueinheit 3 sind als sogenannte
Schnittbandkerne oder als weichmagnetische Pulverelemente ausgeführt. Dies
wird insbesondere aus Fig. 2, welche den Axialschnitt durch die
erfindungsgemäß gestaltete Wechselstrommaschine 1 gemäß Fig. 1 in der
Schnittebene A-A darstellt, deutlich. Daraus wird ersichtlich, daß die
Wechselstrommaschine 1 als zweiphasige Maschine ausgeführt ist.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Wechselstrommaschine 1 auch als
aus lediglich einer Phase bestehend auszuführen. Dies bedeutet jedoch, daß
die Wechselstrommaschine 1 nicht in der Lage wäre, selbst hochzulaufen,
sondern es müßten zusätzliche Hilfsmittel zur Realisierung des Hochlaufes
vorgesehen werden. Daher ist vorzugsweise die Wechselstrommaschine 1 mit
transversaler Flußführung als zweiphasige Maschine ausgeführt. Dies ist auch
erforderlich, um ein gleichförmiges Drehmoment zu erzeugen. Die einzelnen
elektrischen Phasen, die Phase 1 und die Phase 2, welche hier mit I und II
bezeichnet sind, werden somit von zwei
Wechselstrommaschinengrundeinheiten 1.1 und 1.2 erzeugt. Beide bilden
dann die Wechselstrommaschine 1. Jede
Wechselstrommaschinengrundeinheit 1.1 und 1.2 umfaßt jeweils eine
Statorbaueinheit 3.1 und 3.2, welche aus den Statorelementen 5.1a und 5.2a
für die Statorbaueinheit 3.1 bzw. 5.2b und 5.1b für die Statorbaueinheit 3.2
bestehen. Die einzelnen Statorelemente 5.1a, 5.2a bzw. 5.1b und 5.2b sind in
dieser Ansicht im Querschnitt betrachtet als U-förmig ausgeführte
Weicheisenelemente ausgeführt. Diese umschließen jeweils mit ihren zum
Rotor 2 hin gerichteten Schenkeln die Statorwicklung 4, hier die einzelnen
ringförmigen Statorwicklungen 4.1 für die
Wechselstrommaschinengrundeinheit 1.1 und 4.2 für die
Wechselstrommaschinegrundeinheit 1.2.
Der Rotor 2 umfaßt bei Ausführung als zweiphasige Wechselstrommaschine 1
zwei Rotorphasensegmente, ein erstes Rotorphasensegment 2.1 und 2.2. Als
Zwischenstück ist ein Distanzstück in Form einer Zwischenlage 15
vorgesehen, welches aus magnetischem und elektrisch nicht leitfähigen
Material besteht.
Jedes Rotorphasensegment 2.1 bzw. 2.2 umfaßt wenigstens zwei
scheibenförmige Permanentmagnete in Form einer zentralen
Magnetanordnung 9. In der Ansicht entsprechend Fig. 2 sind dies die
Magneten 9.1a bzw. 9.1b und 9.2a bzw. 9.2b. Die zentralen
Magnetanordnungen sind im Zentrum des Rotors angeordnet, d. h. die
Symmetrieachse der zentralen Magnetanordnungen 9 schneidet die
Rotationsachse R des Rotors 2. Die Magnetanordnungen 9.1a, 9.1b bzw.
9.1a, 9.2b einer Wechselstrommaschinengrundbaueinheit 1.1 bzw. 1.2 sind
dabei derart den Statorbaueinheiten 3.1 bzw. 3.2 zugeordnet, daß diese direkt
den Schenkeln dieser gegenüberliegen. Den zentralen Magnetanordnungen 9
sind, wie in Fig. 1 dargestellt, in radialer Richtung bezogen auf die
Rotorachse in Einbaulage betrachtet, Weicheisenelemente 11.1 bzw. 11.2
zugeordnet. Die Weicheisenelemente, welche an die zentralen
Magnetanordnungen 9 in radialer Richtung anschließen, bilden mit dieser eine
im wesentlichen rotationssymmetrische Baueinheit. Geringe Abweichungen
von der Rotationssymmetrie sind denkbar. Vorzugsweise werden diese jedoch
so gering wie möglich gehalten.
Zwischen den Rotorgrundelementen für ein Rotorphasensegment 2.1 oder
2.2, welche jeweils aus einer zentralen Magnetanordnung und zwei, diese in
radialer Richtung bezogen auf die Einbaulage begrenzende
Weicheisenelemente gebildet wird, ist eine Zwischenschicht aus magnetisch
und elektrisch nicht leitfähigem Material vorgesehen, welche mit 14.1 für das
Rotorphasensegment 2.1 und 14.2 für das Rotorphasensegment 2.2
bezeichnet ist. Die einzelnen Rotorphasensegmente 2.1 und 2.2 sind ebenfalls
über eine Zwischenschicht aus elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem
Material 15 miteinander drehfest gekoppelt.
Den Rotor 2 sind zusätzlich die Wellenenden 16.1 bzw. 16.2 versehen, welche
sich in axialer Richtung jeweils an die Rotorphasensegmente 2.1 bzw. 2.2
anschließen und welche gegenüber dem Stator ortsfest gelagert sind. Beide
Rotorphasensegmente 2.1 und 2.2 sind identisch aufgebaut, jedoch bei
Zusammenfügung zum Rotor 2 über die Zwischenlage aus magnetisch und
elektrisch nicht leitfähigem Material 15 um 90° in Umfangsrichtung zueinander
versetzt angeordnet. Dies bedeutet, daß die einzelnen Weicheisenelemente
bzw. die zentrale Magnetanordnung jedes Rotorphasensegmentes 2.1 bzw.
2.2 jeweils um 90° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, bezogen auf
das jeweils andere Rotorphasensegment, zueinander angeordnet sind. Dies
gilt in Analogie auch für die Lage der einzelnen Elemente jedes
Rotorsegmentes gegenüber den Statorelementen 5.1a bzw. 5.2a und 5.1b
bzw. 5.2b.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Wechselstrommaschine 1 mit
transversaler Flußführung stellt eine zweiphasige Transversalflußmaschine in
sehr kompakter Ausführung dar. Ein wesentliches Unterscheidungskriterium
gegenüber den bekannten Transversalflußmaschinen aus dem Stand der
Technik besteht darin, daß lediglich nur noch ein Luftspalt 8 zwischen dem
Rotor 2 und der Statorbaueinheit 3 vorhanden ist. Bezüglich der
Funktionsweise der Wechselstrommaschine kann auf die Ausführungen zu
den Grundprinzipien von Wechselstrommaschinen mit transversaler
Flußführung verwiesen werden. Dabei sind die beiden, einer
Rotorgrundbaueinheit angehörigen Magnetanordnungen in Form der zentralen
Magneten 9.1a bzw. 9.1b bzw. 9.2b jeweils mit wechselnder
Magnetisierungsrichtung angeordnet. Dies ist für die Magnetanordnungen
9.1a und 9.1b des ersten Rotorphasensegmentes 2.1 dargestellt. Die
Magnetisierungsrichtung der beiden zentralen Magnetanordnungen 9.1a bzw.
9.1b bezogen auf die Rotationsachse ist unterschiedlich. Entsprechend der
Magnetisierungsrichtung ist ein magnetisches Feld vorhanden, welches die
benachbarten Weicheisenelemente in entsprechender Weise durchsetzt.
Durch die durch die Überlagerung bedingte Änderung erzeugten Kräfte wird
eine Kraftwirkung auf den Rotor 2 ausgeübt. Der magnetische Fluß wird dabei
wie in der Fig. 2 dargestellt über die Statorelemente geführt. Dabei tritt der
vom Magneten 9 erzeugte Fluß in der Richtung vom Süd- zum Nordpol durch
die Magnete hindurch und in den Weicheisenbereich des benachbarten
Weicheisenelementes 11.1 über, um von dort den Luftspalt 8 zu passieren
und in das Statorelement 5.1 einzutreten. Über dieses wird er um die
Statorwicklung 4.1 herumgeführt und kommt auf der anderen Rotorseite
wieder zurück, geht dort, wieder getrieben durch den Permanentmagneten
9.1b, in Längsrichtung, d. h. radialer Richtung, durchsetzt den Luftspalt 8 und
umschließt mit Hilfe des Statorbauelementes 5.2a die Statorwicklung 4.1 und
schließt somit die Flußbahn im Weicheisenelemente 11.2a.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführung verdeutlicht eine
bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Wechselstrommaschine
mit transversaler Flußführung in Form einer Transversalflußmaschine mit zwei
elektrischen Phasen. Dies wird dadurch erzielt, daß die Grundanordnung der
Statorbaueinheiten 3.1 bzw. 3.2 zur Bildung der Statorbaueinheit 3 in
Einbaulage betrachtet in einer Ebene erfolgt. Die Zweiphasigkeit wird durch
die Gestaltung des Rotors 2 erzeugt. Dies wird dadurch erzielt, daß die
einzelnen Rotorphasensegmente 2.1 bzw. 2.2, welche jeweils einer
elektrischen Phase zugeordnet sind, zueinander um 90° versetzt angeordnet
werden. Eine andere, hier im einzelnen jedoch nicht dargestellte Möglichkeit,
besteht darin, einen einheitlich gestalteten Rotor aus wenigstens zwei
Rotorphasensegmenten auszuführen, wobei die einzelnen
Rotorgrundelemente der Rotorphasensegmente und somit auch die
Rotorphasensegmente nicht zueinander versetzt angeordnet sind. Dies
bedeutet, daß bei Projizierung aller Elemente in eine gemeinsame Ebene,
welche senkrecht zur Rotationsachse ausgeführt ist, alle Elemente der
einzelnen Rotorgrundeinheiten ebenfalls jeweils in einer gemeinsamen Ebene
angeordnet sind. Dies bietet den Vorteil, daß bei der Ausführung des Rotors
nicht auf die erforderliche Phasenverschiebung geachtet werden muß,
sondern zwei identische Grundeinheiten miteinander gekoppelt werden
können. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, die beiden
Statorbaueinheiten gegeneinander um 90° in Umfangsrichtung des Rotors
betrachtet zu versetzen, um die entsprechende Wirkung zu erzielen. Da in der
Regel die Statorelemente in einem Statorgehäuse integriert sind und somit
von vornherein auch die Zuordnung bei zweiphasigen Maschinen der
einzelnen Statorbaueinheiten zueinander definiert festgelegt werden kann,
besteht bezüglich der Anwendbarkeit beider Möglichkeiten der Erzeugung
einer Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung kein Unterschied.
Für die Ausbildung des Gehäuses ist jedoch die erstgenannte Möglichkeit,
nämlich die Erzeugung der beiden Phasen durch die Versetzung der beiden
Rotorphasensegmente um 90° zueinander zu bevorzugen.
Für die konkrete Ausführung der einzelnen Elemente von Rotor- und
Statorbaueinheit für die in der Fig. 1 bzw. die in der Fig. 2 beschriebene
Wechselstrommaschine bestehen auch weitere Möglichkeiten der Gestaltung.
Die in den Fig. 1 und 2 wiedergegebene Ausführung stellt jedoch eine
besonders kompakte bevorzugte Ausgestaltung dar. Im einzelnen können
zusätzliche Abwandlungen bezüglich der Ausführung der Magnetanordnungen
und der an diese angrenzenden Weicheisenelemente vorgenommen werden.
Es ist jedoch immer darauf zu achten, daß der Rotor bezogen auf die
Rotationsachse einen im wesentlichen symmetrischen Aufbau erhält, um
Umwuchten zu vermeiden, da diese Ausführung für sehr hohe Drehzahlen
geeignet sein soll. Da eine entsprechende Bearbeitung der zu der
Statorwicklung hinweisenden Flächen der Magnetanordnungen ökonomisch
nicht vertretbar ist, wird jedoch bei der Ausgestaltung der Magnetanordnung
auf ein entsprechendes Verhältnis zwischen den an die Weicheisenelemente
angrenzenden Flächen und den zur Wicklung weisenden Flächen abgestellt.
1
Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung
1.1
,
1.2
Wechselstrommaschinengrundeinheit
2
Rotor
2.1
,
2.2
Rotorphasensegmente
3
,
3.1
,
3.2
Statorbaueinheit
4
,
4.1
,
4.2
Statorwicklung
5.1
,
5.2
,
5.1
a,
5.1
b,
5.2
a,
5.2
b Statorelemente
6.1
,
6.2
Stirnflächen der Statorelemente
7
vom Umfang des Rotors gebildete Fläche
8
Luftspalt
9
,
9.1
a,
9.1
b Zentrale Magnetanordnung
10.1
,
10.2
Stirnseiten der zentralen Magnetanordnung
9
11.1
,
11.2
Weicheisenelemente
12.1
Außenkontur des Weicheisenelementes
11.1
12.2
Außenkontur des Weicheisenelementes
11.2
13.1
,
13.2
zur Statorwicklung weisende Flächen der
Magnetanordnung
9
14.1
,
14.2
Zwischenlage zwischen den einzelnen Rotorelementen
eines Rotorphasensegmentes
15
Zwischenlage zwischen zwei Rotorphasensegmenten
1.1
und
1.2
der Wechselstrommaschine mit transversaler
Flußführung
1
16.1
,
16.2
Wellenenden
I erste elektrische Phase
II zweite elektrische Phase
I1 und I2 Abstand zwischen dem Außenumfang des Rotors
I erste elektrische Phase
II zweite elektrische Phase
I1 und I2 Abstand zwischen dem Außenumfang des Rotors
2
und den
Statorelementen
Claims (10)
1. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) mit einem
Rotor (2) und einer Statorbaueinheit (3), gekennzeichnet durch die
folgenden Merkmale:
- 1. 1.1 der Rotor (2) und die Statorbaueinheit (3) bilden in radialer Richtung betrachtet lediglich einen Zwischenraum (8);
- 2. 1.2 der Rotor (2) umfaßt im Axialschnitt betrachtet wenigstens zwei zentral im Bereich der Rotorrotationsachse angeordnete und durch eine Zwischenlage aus elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Material getrennte Magnetanordnungen (9.1a, 9.1b), die im Querschnitt betrachtet jeweils zwischen zwei Weicheisenelementen (11.1, 11.2) angeordnet sind;
- 3. 1.3 jede Magnetanordnung (9.1a, 9.1b) weist eine Magnetisierungsrichtung auf, welche in Richtung eines der angrenzenden Weicheisenelemente (11.1, 11.2) gerichtet ist.
2. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus
Weicheisenelementen (11.1, 11.2) und Magnetanordnung (9.1a, 9.1b)
im Querschnitt gebildete Rotorfläche im wesentlichen annähernd
rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
3. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach
Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- 1. 3.1 jede Magnetanordnung (9.1a, 9.1b) ist als scheibenförmiges Element mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt ausgeführt;
- 2. 3.2 an den einander gegenüberliegenden Stirnseiten (10.1, 10.2) der Magnetanordnungen (9.1a, 9.1b) sind halbkreissegmentförmig ausgeführte Weicheisenelemente (11.1, 11.2) mit ihren gerade ausgeführten Flächen angeordnet;
- 3. 3.3 die Anordnung der im Querschnitt betrachtet halbkreissegmentförmig ausgebildeten Weicheisenelementee (11.1, 11.2) erfolgt an den jeweils einander gegenüberliegenden längeren Stirnseiten der Magnetanordnung (9.1a, 9.1b).
4. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach einem
der Ansprüch 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- 1. 4.1 jede Statorbaueinheit (3) umfaßt wenigstens zwei Statorelemente (5.1, 5.2), welche in Umfangsrichtung des Rotors (2) betrachtet zu diesem im wesentlichen symmetrisch angeordnet sind;
- 2. 4.2 jede Statorbaueinheit umfaßt des weiteren wenigstens eine Ankerwicklung (4), welche ringförmig den Rotor (2) in einem bestimmten Abstand umschließt.
5. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach
Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- 1. 5.1 jedes Statorelement (5.1, 5.2) weist im Axialschnitt einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf;
- 2. 5.2 die Schenkel des U-förmigen Querschnittes sind in Einbaulage zum Rotor (2) hingerichtet und den Magnetanordnungen (9.1a, 9.1b) gegenüberliegend angeordnet.
6. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach einem
der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung
zwischen der einzelnen Magnetanordnung (9.1a, 9.1b) und den an
diese angrenzenden Weicheisenelemente (11.1, 11.2) und/oder die
Verbindung zwischen der Magnetanordnung (9.1a, 9.1b) in axialer
Richtung und der Lage aus elektrischen und magnetisch nicht
leitfähigem Material mittels Stoffschluß erfolgt.
7. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach einem
der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese als
zweiphasige Maschine, umfassend einen Rotor (2) mit zwei
Rotorphasensegmente (2.1, 2.2), welche durch eine Zwischenlage aus
elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Material (15) voneinander
getrennt sind, und zwei Statorbaueinheiten (3.1, 3.2).
8. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach
Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die identisch aufgebauten
Rotorphasensegmente in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzt
angeordnet sind.
9. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach
Anspruch 7, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- 1. 9.1 die beiden Rotorphasensegmente (2.1, 2.2) sind in einer gemeinsamen Ebene und Versatz zueinander angeordnet;
- 2. 9.2 die jedem Rotorphasensegment zugeordnete Statorbaueinheit (3.1, 3.2) sind in Umfangsrichtung betrachtet in zwei unterschiedlichen, zueinander um 90° versetzten Ebenen angeordnet.
10. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach einem
der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rotor (2) in
axialer Richtung jeweils ein Wellenende zugeordnet ist, welches im
Stator (3) lagerbar ist.
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DE1998158304 DE19858304C2 (de) | 1998-12-17 | 1998-12-17 | Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung, insbesondere zweipolige Transversalflußmaschine für hohe Drehzahl |
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- 1998-12-17 DE DE1998158304 patent/DE19858304C2/de not_active Expired - Fee Related
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