DE202016008517U1

DE202016008517U1 - Rotierende elektrische Maschine in Scheibenläufer- und Axialflussbauweise

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Publication number: DE202016008517U1
Application number: DE202016008517.5U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2026-02-26
Also published as: CA2977855A1; WO2016134702A1; BR112017018444A2; DE102015102804A1; CN107431423A; IL254130A0; KR20170125865A; AU2016223946A1; US20180034352A1; JP2018506958A; DE112016000935A5; EP3262740A1; MX2017010960A

Abstract

Rotierende elektrische Maschine in Scheibenläufer- und Axialflussbauweise, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei scheibenförmigen, permanentmagnetbestückten Rotoren (1) ein Stator (2) mit zwischen den Permanentmagneten (3) der Rotoren (1) axial angeordneten Spulen (4) vorgesehen sind und mit den Permanentmagneten (3) korrespondieren und dass der Stator (2) mittig eine an dem Stator (2) gelagerte Welle (5) besitzt und/oder dass die Welle (5) an außerhalb der Rotoren (1) liegenden Statorscheiben (6) gelagert ist, und an der Welle (5) die Rotoren (1) befestigt sind und der Stator (2) bzw. Statoren (2) und die Statorscheiben (6) an einer Grundplatte (9) bzw. Gehäuse (9) befestigt sind.

Description

Rotierende elektrische Maschine in Scheibenläufer- und Axialflussbauweise mit Permanentmagneten bestückte Rotoren.
Es sind bereits eine Vielzahl von Scheibenläufermaschinen und von Axialflussmaschinen bekannt. Als nächstliegender Stand der Technik werden folgende Schriften benannt. Die Schrift DE 10322474 A1 beschreibt eine elektrische Maschine in Axialflussbauweise, die einen Stator und einen Rotor besitzt, die sich beide über einen axialen Luftspalt gegenüber stehen. Zur kostengünstigen Fertigung der elektrischen Maschine in bauraumsparender Axialflussbauweise, die eine hohe Drehmomentendichte besitzt, weist der Stator eine Polscheibe mit einer der gewünschten Polzahl entsprechenden Anzahl von über die Scheibenfläche fächerartig verteilten, äquidistanten, flachen Polsegmenten aus magnetisch leitfähigem Material und eine ringförmige Erregerwicklung auf, die zusammen mit einem Rückschlussjoch der Polscheibe zugeordnet ist. Von den Polsegmenten sind die in Folge ungeradzahligen und die in Folge geradzahligen Polsegmente über je ein Verbindungsstück aus magnetisch leitendem Material miteinander verbunden. Der scheibenförmige Rotor ist an der dem Stator zugekehrten flachen Seite mit axial angeordneten Permanentmagneten besetzt.
In der Schrift DE 20 2012 012 653 U1 ist ebenfalls eine elektrische Axialflussmaschine beschrieben, wobei der scheibenförmige Stator an beiden flachen Seiten darauf ausgebildete flache Windungen besitzt. Die besagte flache Windung ist umlaufend über den flachen Stator verteilt. Die flache Windung umfasst eine Mehrzahl von blütenblattähnlichen Bereichen, die im Wesentlichen radial relativ zu einer Achse des Rotors liegen. Vor und hinter dem Stator ist jeweils ein scheibenförmiger Rotor angeordnet, die auf der Seite zum Stator mit Permanentmagneten besetzt sind.
Beide Lösungen besitzen einen verhältnismäßig komplizierten Wicklungsaufbau und damit hohe Kosten bei deren Herstellung.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen einfachen Wicklungsaufbau am Stator einer Axialflussmaschine zu schaffen und gleichzeitig durch weitere konstruktive Maßnahmen den sonst üblichen Materialeinsatz zu minimieren.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Aufbau der Wicklung sehr einfach gestaltet ist und technologisch völlig unkompliziert ist. Durch fehlende Rückschlussbleche wird die Gesamtmasse der Maschine geringer. Die Welle mit den Rotoren besitzt ein sehr kleines Trägheitsmoment.
Die erfindungsgemäße rotierende elektrische Maschine und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 bis 9 beschrieben.
Die Weiterbildung nach Anspruch 2 beschreibt das vorteilhafte Verhältnis der Anzahl der Statorspulen zur Anzahl der Permanentmagnete der Rotoren im Verhältnis von 3 zu 4 oder in einem Verhältnis von einem ganzzahligen Vielfachen, wobei die Anzahl der Permanentmagnete vorteilhaft stets geradzahlig ist.
Nach Anspruch 3 sind die Permanentmagnete in den Rotoren durchgängig eingearbeitet, d. h. die Oberseiten der Permanentmagnete schließen mit der Oberseite des Rotors ab oder ragen sogar etwas über die Oberseiten des Rotors hinaus. Die Permanentmagnete können dabei auf einer, zwei oder mehreren Kreisbahnen in den Rotoren eingearbeitet sein, wobei die Spulen des Stators mit der oder den Kreisbahnen korrespondierend angeordnet sind. Hierdurch erhöht sich das Drehmoment der Rotoren.
Der Rotor besteht nach Anspruch 4 aus einer nichtmagnetischen Scheibe. Hierdurch wird vermieden, dass sich das magnetische Feld bis zur Welle der elektrischen Maschine ausdehnt.
Bei der Weiterbildung nach Anspruch 5 sind die Permanentmagnete auf oder in der Scheibe des Rotors angeordnet. Dies kann technologische Vorteile bei der Verarbeitung der Permanentmagnete ergeben.
Nach Anspruch 6 ist der Rotor zur Welle magnetisch isoliert. Hierdurch wird verhindert, dass das magnetische Feld der elektrischen Maschine sich bis zur Welle ausdehnt.
Auf der dem Stator abgewandten Seite des Rotors kann nach Anspruch 7 eine weitere Scheibe und/oder ein Ringscheibe aus einem magnetischen Werkstoff angeordnet sein, wobei die weitere Scheibe und die Ringscheibe zur Welle magnetisch isoliert sind. Durch die Scheibe oder die Ringscheibe wird ein magnetischer Rückschluss ermöglicht.
Die Spulen des Stators können nach Anspruch 8 als Teilspulen ausgebildet sein. Dies könnte eventuell bei konstruktiven Sonderlösungen der elektrischen Maschine gefordert sein.
Nach Anspruch 9 können zwei oder mehrere Statoren mit davor, dazwischen und dahinter liegenden Rotoren angeordnet sein, wobei die Welle in den Statoren gelagert ist und die Rotoren fest mit der Welle verbunden ist und somit die Anzahl der Statoren gleich n ist und die Anzahl der Rotoren gleich n+1 ist. Somit lassen sich mehrere Statoren mit Rotoren in einer Maschine vereinigen mit dem Ergebnis einer Drehmomenten Erhöhung gegenüber einer elektrischen Maschine mit einem Stator und zwei Rotoren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 den prinzipiellen Aufbau der rotierenden elektrischen Maschine in Seitenansicht,
2 die Seitenansicht eines permanentmagnetbestückten Rotors,
3 der prinzipielle Aufbau einer Statorspule mit einem Ferritkern und
4 eine mögliche Prinzipschaltung der Statorspulen von drei elektrisch miteinander gekoppelten Statoren.

In 1 ist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit drei Statoren 2.1 bis 2.3 und vier Rotoren 1.1 bis 1.4. Die Statoren 2.1 bis 2.3 besitzen jeweils zwölf Spulen 4, siehe auch 4, und die Rotoren 1.1 bis 1.4 jeweils sechzehn Permanentmagnete 3. Die Permanentmagnete sind in diesem Beispiel durchgängig in den Rotoren 1.1 bis 1.4 angeordnet, d.h. die Permanentmagnete 3 schließen bündig mit der Oberfläche der Rotoren 1.1 bis 1.4 ab. Die Spulen 4 und die Permanentmagnete 3 befinden sich jeweils auf einer Kreisbahn in den Rotoren 1,1 bis 1,4 bzw. in den Statoren 2.1 bis 2.3 und korrespondieren miteinander. Die Welle 5 ist in den Statoren 2.1 bis 2.3 gelagert. Zusätzlich kann eine Lagerung der Welle 5 in rechts und links außenliegenden Statorscheiben 6 erfolgen. Die Statoren 2. 1 bis 2.3 sind auf einer Grundplatte 9 befestigt. Die Spulen 4 sind auf vorzugsweise aus Ferritmaterial bestehende zylindrische Kerne gewickelt. Der Querschnitt des Kernes und die beiden Enden des Kernes können von der Kreisform zu bekannten optimalen Formen abweichen. Durch die Anordnung der Spulen 4 mit den Kernen parallel zur Welle 5 ergibt ein axiales Magnetfeld.
Die Magnete 3 der Rotoren 1 sind wechselseitig polarisiert. Die Anzahl der Permanentmagnete 3 ist vorzugsweise geradzahlig. Die Permanentmagnete 3 der Rotoren 1.1 bis 1.4 sowie die Spulen 4 der Statoren 2.1 bis 2.3 sind zueinander gleichsinnig bei jeweils gleichem Winkel angeordnet.
Die Schaltung der Spulen 4 ist wie bei typischen bürstenlosen Gleichstrommaschinen möglich. Ein Beispiel ist in 4 dargestellt. Die Anschlüsse R, S und T befinden sich an den Eingängen der Spulen L1, L2 und L3 des ersten Stators 2.1. Deren Ausgänge sind jeweils mit den Spulen L13, L14 und L15 gleicher Position des zweiten Stators 2.2 in Reihe geschaltet. Deren Ausgänge sind mit den Eingängen der entsprechenden Spulen L25, L26 und L27 des Stators 2.3 in Reihe geschalten. Der Ausgang von L25 ist mit dem Eingang von L4 verbunden usw. So werden alle Spulen der R-, S- und T-Wicklung in Reihe geschalten. Werden die Ausgänge von L34, L35 und L36 miteinander verbunden, entsteht eine Sternschaltung. In 4 sind die notwendigen Verbindungen für eine Dreieckschaltung gezeigt. Unter Beachtung der Stromrichtung und der Zuordnung der Spulen 4 zur RST-Wicklung sind eine Vielzahl verschiedener Parallel- und Reihenschaltungen mit entsprechend unterschiedlichen Innenwiderständen möglich.
Auf den Rotor 1.1 wird durch den entsprechenden Strom des Stators 2.1 ein Drehmoment erzeugt. Durch die momentane Anordnung der Permanentmagnete 3 des Rotors 1.2 sorgt dieser für den magnetischen Rückschluss. Umgekehrt entsteht im Rotor 1.2 ebenfalls durch den Stator 2.1 ein Drehmoment, wobei hierfür der Rotor 1.1. für den magnetischen Rückschluss sorgt. Dieser Vorgang wiederholt sich für den Rotor 1.2, den Stator 2.2 und den Rotor 1.3 und weiter nach rechts betrachtet in 1 für den Rotor 1.3, den Stator 2.3 und den Rotor 1.4.
Die Permanentmagnete 3 können zwecks Erhöhung der Drehmomente auf einer, zwei oder mehreren Kreisbahnen in den Rotoren 1 eingearbeitet sein und die Spulen 4 analog in den Statoren 2 angeordnet sein. Die Magnete 3 der einzelnen Kreisbahnen korrespondieren mit den Spulen 4 der entsprechenden Kreisbahnen.
Die Anzahl der Spulen 4 des Stators 2 stehen zur Anzahl der Permanentmagnete 3 auf dem Rotor 1 vorzugsweise im Verhältnis von drei Spulen 4 zu vier Permanentmagneten 3 oder einem ganzzahligen Vielfachen davon, so z . B. im Verhältnis 9:12 oder 12:16. Andere Verhältnisse sind denkbar.
Auf der dem Stator 2 abgewandten Seite der Scheibe 1 kann eine weitere Scheibe 7 und/oder eine Ringscheibe 8 aus einem magnetischen Werkstoff angeordnet sein. Durch die Scheibe 7 bzw. Ringscheibe 8 wird ein starker magnetischer Rückschluss geschaffen ist. Die Scheibe 7 und die Ringscheibe 8 sind zur Welle 5 magnetisch isoliert.
Die Spule 4 kann sehr leicht auf den Spulenkern aufgewickelt werden. Die Verbindung der Spulen 4 untereinander ist ebenfalls unproblematisch. Bei gewünschten konstruktiven Detaillösungen können die Spulen 4 auch aus Teilspulen bestehen.
Bezugszeichenliste

1-: Rotor, Scheibe
1.1 -: Rotor 1 einer Maschine
1.2 -: Rotor 2 einer Maschine
1.3 -: Rotor 3 einer Maschine
1.4 -: Rotor 4 einer Maschine
2 -: Stator
2.1 -: Stator 1 einer Maschine
2.2 -: Stator 2 einer Maschine
2.3 -: einer 3 Maschine
3 -: Permanentmagnet
4 -: Spule
5 -: Welle
6 -: Statorscheibe
7 -: Scheibe
8 -: Ringscheibe
9 -: Grundplatte, Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10322474 A1 [0002]
DE 202012012653 U1 [0003]

Claims

Rotierende elektrische Maschine in Scheibenläufer- und Axialflussbauweise, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei scheibenförmigen, permanentmagnetbestückten Rotoren (1) ein Stator (2) mit zwischen den Permanentmagneten (3) der Rotoren (1) axial angeordneten Spulen (4) vorgesehen sind und mit den Permanentmagneten (3) korrespondieren und dass der Stator (2) mittig eine an dem Stator (2) gelagerte Welle (5) besitzt und/oder dass die Welle (5) an außerhalb der Rotoren (1) liegenden Statorscheiben (6) gelagert ist, und an der Welle (5) die Rotoren (1) befestigt sind und der Stator (2) bzw. Statoren (2) und die Statorscheiben (6) an einer Grundplatte (9) bzw. Gehäuse (9) befestigt sind.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Spulen (4) des Stators (2) zur Anzahl der Permanentmagnete (3) auf dem Rotor (1) vorzugsweise im Verhältnis von drei Spulen (4) zu vier Permanentmagneten (3) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon angeordnet sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (3) auf einer, zwei oder mehreren Kreisbahnen in den Rotoren (1) durchgängig eingearbeitet sind und die Spulen (4) mit der oder den Kreisbahnen korrespondierend angeordnet sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) aus einer nichtmagnetischen Scheibe (1) besteht.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (3) auf oder in der Scheibe (1) angeordnet sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) zur Welle (5) magnetisch isoliert ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Stator (2) abgewandten Seite der Scheibe (1) eine weitere Scheibe (7) und/oder eine Ringscheibe (8) aus einem magnetischen Werkstoff angeordnet ist und dass die weitere Scheibe (7) und die Ringscheibe (8) zur Welle (5) magnetisch isoliert sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (4) aus Teilspulen ausgebildet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Statoren (2) mit davor, dazwischen und dahinter liegenden Rotoren (1) angeordnet sind, wobei die Welle (5) in den Statoren (2) gelagert ist und die Rotoren (1) fest mit der Welle (5) verbunden sind und somit die Anzahl der Statoren (2) gleich n ist und die Anzahl der Rotoren (1) gleich n+1 ist.