DE4300440C2 - Elektrische Transversalflußmaschine mit ringförmigen Wicklungssträngen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Transversalfußmaschine mit ringförmigen Wicklungssträngen, wie sie z. B. durch die DE-PS 39 27 453 (Fig. 2 od. 7) oder 39 15 623 (Bild 1) bekannt ist.

Die bislang beschriebenen Bauformen von Transversalflußmaschinen, das sind elektrische Maschinen mit quer zur Dreh- (oder Bewegungs-)richtung angeordneten magnetischem Kreis, zeigen das Merkmal einer im Vergleich zu den Maschinen des Longitudinalfluß-Konzepts raumsparenden Anordnung der Magnetkreise. Es wird dabei von der Mög­ lichkeit Gebrauch gemacht, die Wicklungskreise induktiv ent­ koppelt zu betreiben und sie zu mehrsträngigen Bauformen zu kombinieren. Die Ausführungsform mit mehreren Wicklungen, die koaxial zueinander liegen und jeweils einem gemeinsamen Rotor zugeordnet sind, geben die Möglichkeit, mehrere gleichartige Teilmaschinen in einer sehr kompakten Bauform auszuführen. Aufgrund der räumlichen Symmetriebedingungen erscheint dabei die gerade Strangzahl gegenüber ungeraden Strangzahlen bevor­ zugt.

Die besonderen Vorteile einer Bauform von Transversalflußma­ schinen ergeben sich durch die Kombination der koaxialen Ring­ wicklungen mit den Magnetkreisen kleiner Polteilung. In dieser Zuordnung lassen sich verlustarme Ankerwicklungen und hohe Kraftdichten verwirklichen. Der massearme Energiewandler mit hohem Wirkungsgrad basiert auf diesen Konstruktionsmerkmalen. Bei zweckmäßiger Gestaltung zur Erzielung effizienter Funktio­ nen sind die Gesichtspunkte der wirtschaftlichen Baubarkeit und die Beherrschung der Festigkeitsprobleme beim Auftreten höherer Umfangsgeschwindigkeiten zu beachten. Für die Stator­ anordnung aber auch für den Läufer ist zusätzlich die Frage der wirksamen Wärmeabfuhr von Bedeutung. Schließlich erweisen sich jene Bauformen als besonders günstig, für welche die Ma­ schineneinheiten bei begrenztem Gesamtaufwand so ausführbar sind, daß die Kraftdichte mit verhältnismäßig geringer elektrischer Durchflutung erreicht werden kann. Diese Forderungen lassen sich mit einigen der bereits bekannten Lösungen wie z. B. DE-PS 37 05 089 teilweie erfüllen.

Die hier gestellte Aufgabe dient jedoch dem Ziel, eine wirtschaftlich baubare Transversalflußmaschine zu konzipieren, deren Stator und Läufer aus mehreren strangweise gleichartigen Einheiten aufgebaut und dabei mechanisch so beschaffen ist, daß hohe Umfangsgeschwindigkeiten des Rotors und/oder große Durchmesser erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weitergestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die nachfolgende Beschreibung mit den durch die Fig. 1 bis 3 gegebenen zusätzlichen Erläuterungen gibt Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung für die gestellte Aufgabe an.

Es zeigen:

Fig. 1 Stator- und Rotorelemente ausschnittsweise darge­ stellt, vier Luftspalte, Statorelemente vierseitig angeordnet.

Fig. 2 Magnetkreis- und Maschinenanordnung bei Doppelrotor und vier Luftspalten (analog zu Fig. 1), geeignet für größere Durchmesser.

Fig. 3 Magnetkreis- und Maschinenanordnung mit Außenrotor und vie Luftspalten, geeignet für kleinere Durchmesser und hohe Drehzahlen.

Eine Berücksichtigung von elektromagnetischen und mechanischen Gesichtspunkten für eine optimale Maschinenbauform von Transversalflußmaschinen setzt eine intensive Wechselwirkung von Stator- und Läuferelementen zur Kraftbildung und eine günstige Anordnung mit Blick auf Fliehkraftbeanspruchung des Läufers voraus. Hierbei ist auch der Frage der Schwingungsanregung durch Normal- und Tangentialkraftkomponenten zu begegnen. Die Wahl der Bauform der magnetischen Kreise und deren Felddichte bestimmt die Größe der Anregungskomponenten.

Die Transversalflußmaschine mit ringförmigen Wicklungssträngen ist als permanentmagneterregte Maschine oder als elektrischerregte Reluktanzmaschine ähnlich baubar. Für beide Ma­ schinenversionen gilt, daß sie bei kleinen Polteilungen, im Bereich zwischen 0,5 und 1,5 cm sowie Luftspaltlängen zwischen 0,5 und 2,0 mm ihre maximale Kraftdichte entwickeln. Bei Line­ arantrieben mit größeren Luftspaltlängen nimmt die Kraftdichte bei größeren Polteilungen ihren optimalen Wert an. Spezielle Formgebungen der Magnetkreise wurden in vorausgehenden Anmel­ dungen wie z. B. DE 39 27 453 beschrieben, wobei das Ziel der Erreichung besonders hoher Kraftdichten galt. Auch die mini­ mierten Einflüsse der Schwingungsanregung führten zu besonde­ ren Bauformvorschlägen.

Die hier verfolgte Zielsetzung einer Kombination von zweckmä­ ßiger Funktion und günstiger Baubarkeit geht davon aus, daß beide Maschinenvarianten, die magnetisch- (durch Permanentma­ gnete) und die elektrisch-erregte Transversalflußmaschine ei­ nem ähnlichen Optimierungskonzept gehorchen.

Die mehrsträngige Anordnung weist mindestens zwei gleichartige Maschineneinheiten auf, die z. B. nebeneinander so angeordnet sind, daß sie mit geringem Zwischenraum auf einem gemeinsamen (evtl. aus mehreren Einheiten bestehenden) Träger integriert werden. Baulich sind die Maschineneinheiten identisch, weisen allerdings entsprechend dem Phasenversatz entweder im Stator oder Rotor unterschiedliche Stellung zueinander auf. Die Sta­ torströme werden mit entsprechender Phasenverschiebung zuge­ führt. Unterschiede der so konzipierten Maschinen liegen we­ sentlich bei der Läuferform.

Der Vorteil der permanent magneterregten Maschinenversion gegenüber der elektrisch erregten (Reluktanz-) Version liegt in einer erhöhten Kraftdichte. Für fahrzeugtechnische Anwendungen ist die erste Version mit Sammler oder Flußkonzentrator einer Flachmagnetanordnung vorzuziehen. Die hohe Kraftdichte kann hierbei mit kleinerer Durchflutung der Statorwicklung erzielt werden. Außerdem läßt sich durch Phasendrehung des Stromes gegenüber dem Erregerfeld eine Fluß­ überlagerung herbeiführen, die zu einer Feldschwächung führt. Momentenkennlinien, die umgekehrt proportional zur Geschwin­ digkeit fallen, lassen sich durch Anwendung der Feldschwächung mit annähernd konstantem Strom so realisieren, daß die indu­ zierte Spannung konstantgehalten wird. Hierdurch läßt sich ein Frequenzumrichter zur Erregung der Wicklungen annähernd für die mechanische Leistung auslegen.

Einen zweckmäßigen Aufbau des Magnetkreises zeigt Fig. 1. Hierbei treten durch Unterteilung der Rotor-/Stator- Magnetkreiselemente 4 Luftspalte und dementsprechend hohe Vortriebskräfte auf. Die Magnetkreiselemente des Rotors sind in 2 Teilelemente RE′ und RE′′ unterteilt. Die (feststehenden) Statorelemente SEa und SE sind in der gleichen Ebene angeordnet. Die axiale Ausdehnung b_E von SEa ist geringer als die Nutbreite b_N. die ringförmige Spule ist mit RW bezeichnet und führt den Ankerstrom I_a.

Diese Bauform läßt sich mit gleichem Effekt auch im Falle der durch Permanentmagnete erregten Magnetkreise in Sammelanordnung anwenden. Eine bei nur zwei Luftspalten notwendige Kröpfung der Elemente SE ist damit zu umgehen.

Die Statoranordnung weist in beiden Fällen im Abstand der doppelten Polteilung Weicheisenelemente auf, welche die zur Welle konzentrische ringförmige Spule umschließen. Sie sind im wesentlichen rechteckförmig und umschließen die Spule.

Ein vorteilhaftes Merkmal der beschriebenen Anordnungen ist eine vergleichsweise geringe radiale Höhe der Magnetkreis-Rotorelemente RE′, RE′′ und somit ein im Verhältnis zum Außendurchmesser großer Durchmesser des Luftspaltraumes um die Maschinenachse. Letzterer ist der für die Kraftbildung wirksame Raum, der zusätzlich durch den Radius als momentenbildender Hebelarm besonders bewertet wird. Für die Festlegung der Magnetkreisabmessungen ist die Bestimmung der axialen Ausdehnung der Magnetkreise von beson­ derer Bedeutung. Sie ergibt sich im Zusammenhang mit der Wahl des Luftspalt-Durchmessers und der gewünschten Strangzahl aus der erforderlichen Umfangskraft. Die Durchmesserwahl steht da­ bei auch in Zusammenhang mit der aus Fliehkraftgründen zulässigen Umfangsgeschwindigkeit sowie über den Zusammenhang zur Polteilung mit der höchstzulässigen Betriebsfrequenz. Beson­ ders bei Maschinen mit kleinem und mittlerem Durchmesser ist die Ausführung großer Luftspalt-Durchmesser sehr zweckmäßig, da sie bei gegebener Drehzahl zu einer Reduktion der Umfangs­ kraft führt. Es ist hierzu erforderlich, die radiale Höhe der Rotorelemente auf sehr kleine Werte zu begrenzen. In der Kombination mit dem Transversalfluß-Magnetkreis ist dies gleichbedeutend mit der Begrenzung der axialen Magnetkreisabmessung. Als Richtwert dieser Größe kann gelten, daß sie etwa die Hälfte der Nutbreite ausmacht.

Die sich so ergebende Läuferform eignet sich für die Anwendung bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten bis über 100 m/s. Der zy­ lindrische Teil der Rotortragkonstruktion kann entweder aus Metall (Stahl) oder Fasermaterial ausgeführt werden. Im letzteren Fall lassen sich besonders günstige Bedingungen für die mechanische Bean­ spruchung erzielen, da Fasermaterial bei höherer Zugfestigkeit gegenüber Stahl um mehr als einen Faktor 3 kleineres spezifi­ sches Gewicht besitzt. Die durch die Eigenmasse erzeugte Fliehkraftbeanspruchung ist entsprechend geringer.

Wenn größere Maschinendurchmesser angestrebt bzw. zugelassen werden, spielt die radiale Höhe der Rotorelemente nur noch eine geringe Rolle; sie ist in jedem Fall klein gegenüber dem Radius des Rotors. Es sind in diesen Fällen auch solche Anordnungen sinn­ voll ausführbar, bei denen auch innnenliegende Rotorelemente eingesetzt werden.

Solche doppelseitige Ausführungen von Stator und Rotor sind symmetrisch anwendbar, wobei die jeweils in radial übereinanderliegenden Polelementen befindlichen Leiter zweckmäßig zu einer Spule gehören. Eine vergleichbare Anordnung ist ebenfalls bei Linearmotoren als bestens geeignet anzusehen. Zu ihren Merkmalen gehört eine Verdoppelung der Kraftwirkung bei kompakter Bauweise. Im Falle sehr großer Durchmesser kann die Herstellung von ringförmigen Spulen klei­ nen Querschnitts nicht mehr mit ausreichend hoher Genauigkeit möglich sein. Es ist die Anwendung von Spulen kleinerer Länge empfehlenswert. Die Spulen umschließen dann nur einen bestimm­ ten Sektor des Maschinenumfanges. Sie lassen sich dabei auch als selbständige Stränge betreiben. Wenn die jeweils gegenüber­ liegenden Maschinenteile von Spulen des selben Strangs mit jeweils gleichen Strömen beschickt werden, sind ihre Normalkräfte auch gleichgroß (und entgegengesetzt gerichtet), soweit nicht geometrische Unter­ schiede hiervon geringfügige Abweichungen verursachen.

Neben dem Effekt der Volumen- und Materialreduktion steht die Anwendbarkeit des Maschinenkonzepts, insbesondere bei hochtou­ rigen Ausführungen, aber auch bei großem Maschinendurchmesser (großes Drehmoment) und größeren Abmessungen der Eisenkreise, im Vordergrund. Im letzteren Fall tritt als Folge der verlängerten Eisenwege eine verstärkte Neigung zur Sättigung auf. Dies bedeutet, daß die Kraft-Stromkennlinie bei größeren Strömen nur mehr geringe Kraftzuwächse aufweist. Der verstärkte Sättigungseffekt be­ grenzt die Wirksamkeit der transversalen Magnetkreise.

Eine Bauformoptimierung mit dem Ziel gleichzeitiger Verkürzung bzw. Entsättigung der Eisenwege bewirkt damit zusätzlich (zur Massenverringerung) eine Qualitätsverbesserung im Hinblick auf die Erzielung hoher Kraftdichten (bei gegebenem Strom). Weiter wird durch die Bauformverbesserung angestrebt, die radiale Ausdehnung der statorseitigen Magnetkreisteile zu verringern. Sie ist bei der bisher beschriebenen Ausführung nicht zuletzt durch die in axialer Richtung benötigten Querverbindungen der magnetischen Kreise im Stator bestimmt.

Bei der zuletzt betrachteten doppelseitigen Ausführung von Stator und Rotor mit außen und innen liegenden Rotorelementen ergeben sich antiparallele Richtungen des magnetischen Feldes in den Querverbindungen der magnetischen Kreise im Stator. Durch Verschmelzen der beiden Querverbindungen geht der resultierende magnetische Fluß gegen Null; es kann auf die Querverbindungen verzichtet werden, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Das magnetische Feld verläuft nun vom Rotorelement RE1′ über das Statorelement SE1 direkt zum Rotorelement RE2′. Die Magnetkreisverschmelzung läßt, wie Fig. 2 zeigt, eine beträchtliche Verringerung der radialen Höhe der Anordnung erwarten. Dabei ist es mög­ lich, die bislang gewählte Blechung der Magnetkreise in der Achsebene beizubehalten oder, wie in Fig. 2 und 3 gezeich­ net, zu einer Blechung in der Maschinenquerebene also parallel zur Maschinenachse überzugehen. Ersteres hat den Vorteil der vom Durchmesser unabhängigen Her­ stelltechnik für die Magnetkreiselemente während letzteres sich dadurch vorteilhaft erweist, daß die ringförmigen Teile des Magnetkreises gleichzeitig formsteife Elemente der Sta­ torstruktur darstellen. Neben der Flußführung übernehmen sie auch die Aufgabe, die eingeleiteten Kräfte mit einem Mindest­ maß an Formänderung aufzunehmen und damit auch geringste De­ formationsamplituden an den Statorkörper SK weiterzugeben. Zu­ sätzliche Versteifungen oder die Magnetkreise aufnehmende Tragkörper lassen sich auf ein Minimum reduzieren bzw. entfal­ len ganz. Der zwischen den Wicklungen RW1 und RW2 gezeichnete Körper D übernimmt die Aufgabe der Verbindung der beiden Ma­ gnetkreisringe SE1 und SE2. Für den gezeichneten Durchmesser erge­ ben sich trotz der erreichten Verringerung der radialen Bau­ höhe bereits größere Abweichungen zwischen innerer und äußerer Rotorteilung und den geometrischen Abmessungen der Teile des magne­ tischen Kreises. Es zeigt sich daraus, daß die Anwendbarkeit des Doppelrotors stark durch das Durchmesserverhältnis von äußerem und innerem Luftspalt begrenzt ist. Eine Verringerung der radialen Bauhöhe der Stator-Weicheisenteile ist offensichtlich sehr nützlich.

Die radiale Tiefe der Lücken zwischen den Zähnen beträgt ein Mehrfaches Luftspaltdicke. Es wird dadurch erreicht, daß die Wirkung der im Be­ reich der Lücke stehenden Magnete (die gegenüber den Magneten im Zahnbereich umgekehrte Polarität aufweisen) im Zusammenwir­ ken mit den Strömen der Ringwicklung keine rücktreibenden Kraftanteile erzeugen. Die Zahnbreite am Luftspalt entspricht etwa 65-80% der Polteilung, während der Zahnfuß zur Entla­ stung des Magnetkreises breiter ausgeführt ist und etwa gleich der Polteilung gewählt wird. Durch die Verbindung der Zähne in der Art einer durchgehenden Blechronde wird im Mittelbereich zwischen den Wicklungen die Felddichte stark verringert, wo­ durch ebenfalls eine Magnetkreisentlastung resultiert. Zusätz­ lich zeigt Fig. 2, daß zur Verringerung der radialen Höhe und des Streuflußanteils der Anordnung ein länglicher Wick­ lungsquerschnitt für RW1 und RW2 gewählt wurde. Es kann also festgestellt werden, daß der erfindungsgemäße Formgebungsvor­ schlag dem gesteckten Ziel erweiterter Ausführbarkeit und ver­ besserter Magnetkreiseffizienz sowie der Verringerung der Auswirkung der Schwingungsanregung dient. Bei der Herstellung des ringförmigen Blechkörpers ist z. B. durch Schlitzen der Blechronden die elektrische Leitfähigkeit in Umfangsrichtung gering zu halten.

Die in Fig. 2 gezeichnete Anordnung stellt einen zur Maschi­ nenmitte symmetrischen Rotor dar. Die auf die beiden Rotorsei­ ten aufgeteilten Stränge der Statoranordnung entsprechen dem Minimum der Drehstrom-Strangzahl 2. Die Normalkraftkompensa­ tion, die durch die Aufteilung auf äußeren und inneren Luft­ spaltbereich erzielt wird, ermöglicht auch den Bau einer schwingungsarmen Maschine mit nur zwei Wicklungssträngen.

Einer verhältnismäßig hohen Kraftdichte kommt zugute, daß zwischen den beiden Wicklungen das Verbindungselement D mit einer Kühleinrichtung in Verbindung steht und z. B. Kühlkanäle aufweist, (sh. Fig. 2) in denen flüssige oder gasförmige Kühl­ mittel geführt werden. Eine durch besonders kurze Wege gekenn­ zeichnete Kühleinrichtung, die in weitgehend federarmen Raum ermöglicht eine effiziente Wärmeabfuhr.

Die in Fig. 2 gezeichnete Anordnung weist die Merkmale hoher Luftspaltzahl und sättigungsunempfindlicher Statorausführung auf.

Die in die Statoranordnung eingeleiteten Kräfte werden an die Statorkonstruktion SK links und rechts des Rotors übertragen und von den Gehäuseteilen G1 und G2 (nicht eingezeichnet) aufgenommen. Der Rotor R ist mit der Welle W verbunden. Diese Anordnung empfiehlt sich besonders bei Maschinen mit größerem Durchmesser (Durchmesser deutlicher größer als radiale Magnetkreishöhe). Die in Fig. 3 dargestellte einseitige Läuferausführung empfiehlt sich hinge­ gen für Maschinen mit kleinerem Durchmesser, insbesondere auch bei hochtourigem Betrieb.

Der Feldrückschluß wird im Stator-Innenraum durch das zylin­ derförmige Bauteil SE_i, das in Fig. 3 mit geringstem Spalt an die scheibenförmigen Bauteile SE1 und SE2 anschließt, gebildet. Es ist z. B. als Eisenpulver-Preßteil hergestellt. Aufgrund der schei­ benförmigen Magnetkreisausführung ergeben sich auch bei ein­ seitigem Betrieb nur geringe Deformationsamplituden durch Nor­ malkraftanregung, ebenso sind die Vorteile durch geringe B- Werte umsetzbar.

Die Verlagerung des für die Momentenbildung wirksamen Radius′ R_M′<R_M nach außen (Fig. 3 gegenüber Fig. 2) kann bei kleinem Außendurchmesser einen Vorteil für die Bemessung der Magnet­ kreisabmessung nach Fig. 2 ergeben. Für die aus Fasermaterial bestehende Rotorteile R bzw. RK′ und RK′′ lassen sich hohe zulässige Rotorumfangsgeschwindigkeiten erreichen. Bei der ge­ wählten Ausführung mit verdoppelter Spaltzahl ist eine Unter­ teilung des Rotors (RK und R) aus Montagegründen erforderlich. Die Verbindung von RK mit R erfolgt durch entsprechende Öff­ nungen in den Gehäuseteilen.

Zu der in Anspruch 3 angegebenen Rotortragkonstruktion und auf die gleiche Ausführung der magnetischen Kreise verschiedener Stränge wird auf die Fig. 4 der DE-PS 39 27 454 des gleichen Erfinders hingewiesen.

Claims (11)

1. Elektrische Transversalflußmaschine mit ringförmigen Wicklungssträngen, deren magnetischer Kreis je Strang etwa die Form eines Rechtecks hat,
dadurch gekennzeichnet, daß dieses in den Bereichen zweier benachbarter Ecken durch flußführende Rotorelemente (RE′, RE′′; RE1′, RE1′′), zwischen diesen Eckbereichen sowie im übrigen aber durch statorfeste Weicheisenteile (SE, SEa; SE1, SE2, SEi, SEa) gebildet ist (vgl. Fig. 1 und 3).

2. Elektrische Transversalflußmaschine mit ringförmigen Wicklungssträngen deren magnetischer Kreis je Strang etwa die Form eines Rechtecks hat,
dadurch gekennzeichnet, daß dessen Eckbereiche durch flußführende Rotorelemente (RE1′, RF1′′; RE2′, RE2) und dessen mittlere Seitenbereiche durch statorfeste Weicheisenteile (SEa, SEi, SE1,SE2) gebildet sind (vgl. Fig. 2).

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorelemente in einer topfförmigen (R) bzw. mit topfförmigen Ansätzen (RK′) versehenen Rotortragkonstruktion gehalten sind.

4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Stränge über elektronische Stellelemente phasenverschoben gespeist sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Kreise dieser Stränge gleich ausgeführt sind.

5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die statorfesten Weicheisenteile als zur Maschinenachse parallel geschichtete Blechpakete ausgeführt sind.

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der statorfesten Weicheisenelemente (SE1, SE2) als gezahnte Blechpakete mit Schichtrichtung senkrecht zur Maschinenachse ausgeführt sind.

7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Statorweicheisenteil (SEi) als Eisenpulver-Preßteil hergestellt ist.

8. Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Polkanten nahe dem Luftspalt Feldblenden aus Permanentmagnetmaterial eingesetzt werden.

9. Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Weicheisenelementen des Rotors Permanentmagnete mit Magnetisierungsrichtung parallel zur Umfangsrichtung eingesetzt werden.

10. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis eine Ringspule (RW) und radial innerhalb derselben ein Verbindungselement (D) mit Kühlkanälen umschließt.

11. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis zwei in gleichem Sinn erregte Ringspulen (RW1 und RW2) beidseitig eines Verbindungselements (D) umschließt, und daß das Verbindungselement Kühlkanäle aufweist.