DE4314513A1 - Transversalflußmaschinen mit kombinierter PM-Erregung - Google Patents

Description

Transversalflußmaschinen mit zur Welle koaxialen Ringwicklun­ gen und kleiner Polteilung gehören zur Gruppe der Drehstromma­ schinen, die aus induktiv nicht gekoppelten einsträngigen Maschineneinheiten kombiniert sind. Durch die Möglichkeit der Polteilungsoptimierung erreichen sie mit verhältnismäßig klei­ nen Wicklungsdurchflutungen hohe Kraftdichten. Letztere sind z. B. ausdrückbar in auf die Rotoroberfläche bezogener Umfangs­ kraft oder in Drehmoment je Volumeneinheit oder in Kraft je Einheit der aktiven Masse. Ganz besonders bei Antrieben für mobile Anwendungen sind die erzielbaren Kraftdichten von Be­ deutung. Nur Kraftdichten oberhalb von etwa dem Zehnfachen dessen, was herkömmliche Antriebe erreichen, lassen sich di­ rekte Radantriebe (ohne Getriebe) mit den Anwendungsbedingun­ gen vereinbaren. Für die zu erzielenden großen Umfangskräfte spielt der Aufbau der magnetischen Kreise und dabei die Anord­ nung der Permanentmagnete eine besonders wichtige Rolle.

Die in vorausgehenden Veröffentlichungen beschriebenen Konfigura­ tionen weisen besonders die Sammleranordnung der Erregerma­ gnete als für Betriebsverhalten und Kraftdichtebildung günstig aus (DE 37 05 089). Dieses Erregerkonzept ist grundsätzlich geeignet, in unterschiedliche stator/Rotorkonfigurationen bzw. Maschinenbauformen umgesetzt zu werden (z. B. P 43 00 440.7).

Werden wie im Anwendungsbeispiel von mobilen Direktantrieben allerhöchste Kraftdichteforderungen gestellt, sind über die bekannten Ausführungsformen hinaus weitergehende Optimierungsschritte für die magnetischen Kreise erforderlich.

Die somit zu stellende Aufgabe dient dem Ziel, durch Verbesse­ rung der Magnetfelderregung mit Hilfe von Permanentmagneten im Rotor von Transversalflußmaschinen erhöhte Kraftdichten zu er­ reichen.

Die nachfolgende Beschreibung mit den durch die Fig. 1-9 gegebenen zusätzlichen Erläuterungen sowie die Formulierung der Schutzansprüche stellen die erfindungsgemäße Lösung für die gestellte Aufgabe dar.

Bildbeschreibungen

Fig. 1a Schnittbild Transversalflußmaschine mit Permanentma­ gneten in flacher Anordnung.

Fig. 1b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 1a.

Fig. 2a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit Flach­ magneten als Erregermagnete auf einem Weicheisen­ träger zweiseitig aufgebracht.

Fig. 2b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 2a.

Fig. 3a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit kombi­ niertem Erreger bestehend aus Flachmagneten und Sammler.

Fig. 3b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 3a.

Fig. 4a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit kombi­ niertem Erreger und Schräg-Sammler.

Fig. 4b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 4a.

Fig. 5a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit Außen­ läufer-Magnetanordnung in kombinierter Magnetaus­ führung.

Fig. 5b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 5a.

Fig. 6a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit kombi­ nierter zweiseitiger Erregeranordnung und unsymme­ trisch ausgeführter Statoranordnung.

Fig. 6b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 6a.

Fig. 7a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit kombi­ nierter Erregeranordnung und Außenläufer-Bauform.

Fig. 7b Darstellung der Außenläuferanordnung in halbseitigem Querschnitt, Ausführung mit vier Spaltbereichen.

Fig. 8 Darstellung eines halbseitigen Maschinenquerschnitts mit vier Spaltbereichen und vier Flachmagnet-An­ ordnungen zusätzlich zu den Sammlermagneten.

Fig. 9 Kraftdichte-Kennlinien in Abhängigkeit von der Nut­ durchflutung für drei Maschinenvarianten in Flach­ magnet-Erregung F, Sammleranordnung S und kombi­ nierter SF-Erregung.

Beschreibung

Die Erzeugung der Vortriebskraft bei einem Transversalflußmo­ tor mit Permanenterregung wird durch die Wechselwirkung zwi­ schen den Permanentmagneten und dem vom Strom der Ringwicklung erzeugten magnetischen Feld hervorgerufen. Die Optimierung der Kraftdichte kann, wie erwähnt, durch Polteilungsanpassung (Verkleinerung) einen im Vergleich zu Maschinen mit herkömmli­ chem Magnetkreis (in longitudinaler Anordnung) mehrfach höhe­ ren Wert erreichen, ohne daß dabei besonders hohe Wicklungs­ durchflutungen und damit Probleme der Wärmeabfuhr in Kauf zu nehmen sind.

Die Begrenzung der grundsätzlich erzielbaren Kraftdichte er­ folgt über das Feld/Strom-Verhalten des magnetischen Kreises. Mit zunehmender Amplitude des Wicklungsstroms im Magnetkreis entstehenden Flußdichte-Höchstwerte, die magnetische Spannungs­ abfälle im Weicheisenbereich bedingen und mit zunehmendem Strom nur noch geringfügige Kraftsteigerungen zulassen. Diese Begrenzung (Sättigung) soll zur Erzielung höchstmöglicher Kraftdichten nicht durch größere Querschnitte (größere Abmes­ sungen der Maschine), sondern durch eine optimierte Abstimmung der krafterzeugenden Effekte im günstigen Sinne beeinflußt werden. In diesem Sinne spielen die Permanentmagnete und ihre räumliche Anordnung eine wichtige Rolle.

Unter den Polen der Magnetkreis-Elemente des Stators wirkt auf die Grenzflächen der Permanentmagnete eine dem Produkt aus den in den Permanentmagneten eingeprägten Strömen und der durch die Ankerdurchflutung erzeugten Magnetfelddichte proportionale Kraft. Fig. 1a stellt eine linearisierte Ansicht der in Um­ fangsrichtung vorgesehenen Folge von Polelementen PE und PE′ sowie der Erregeranordnung mit flach an den Luftspalt angren­ zenden Magneten PM alternierender Polarität dar. Die von den Ankerströmen I_a erzeugte Felddichte Ba wirkt kraftbildend mit den Strömen I_M der Magnete. Alle Polkräfte haben gleiche Rich­ tung. In Fig. 1b ist dargestellt, daß die Polelemente PE und PE′ sowie die Wicklungsquerschnitte für die Ströme I_a im und I_a′ symmetrisch zur Mittelebene der Läuferanordnung ausgeführt sind. Die Permanentmagnete PM und PM⁺ weisen im gleichen Quer­ schnitt entgegengesetzte Polarität auf.

Für die Optimierung der Kraftdichte ist weiter zu bedenken, daß für die Erzeugung von B_a durch die Ströme I_a die Luft­ spalte 8 und die Höhe der Permanentmagnete h_M mit geringer ma­ gnetischer Leitfähigkeit zu überwinden sind. Behält man den Gesamtaufwand als Folge großer Wicklungsdurchflutungen im Auge, so muß hingenommen werden, daß eine Vergrößerung der Ma­ gnethöhe h_M zur Steigerung der Polkraft oberhalb von Magnethö­ hen von 8-10 mm bei Polteilungen von 10-15 mm eine Grenze findet. Diese Grenze wird neben der Magnetkreisbelastung durch kraftbildende und nichtkraftbildende Feldkomponenten gesetzt. Darüber hinaus treten bei starkem Ankerfeld und weitgehender Entmagnetisierung der Permanentmagnete in Teilbereichen Stabi­ litätsprobleme auf. Bei den heute hauptsächlich in Betracht kommenden NdFeB-Magnete ist dieser Effekt abhängig von der Be­ triebstemperatur. Die Entmagnetisierungsgrenze liegt für Be­ triebstemperaturen um 100°C bei etwa 0,3 T. Für die erlaubte Maximalinduktion B_a bleibt somit ein zulässiger Restbetrag von etwa 0,6 T, wenn die Erregerinduktion auf etwa 0,9 T veran­ schlagt wird.

Weiter ist zu berücksichtigen, daß bei zunehmenden Magnethöhen sich der Anteil einer rücktreibenden Kraftkomponente, die in der Lücke der Polelemente erzeugt wird, vergrößert. Letztere ist im Vergleich zu der unter Polmitte erzeugten Nutzkompo­ nente relativ umso größer, je höher h_M gewählt wird.

In Fig. 9 ist die Kraft/Stromkennlinie F1 für die beschriebene Flachmagnetanordnung als mittlere Kraftdichte in Abhängigkeit von der Wicklungsdurchflutung aufgetragen. F_AX ist auf die Ro­ toroberfläche bezogen und stellt damit die (gemittelte) Polkraft einer Luftspaltanordnung dar; der Strom wurde dabei rechteckförmig angenommen.

Eine Steigerung der kraftbildenden Wirkung bei gleichem Strom ergibt sich durch eine Verbreiterung der Erregeranordnung im Bezug zur Breite der Polelemente, also durch b_im < b_i. Die Kennlinie F2 stellt diesen Einfluß dar.

Unter Beachtung der bei rotierenden Maschinen auftreten Zen­ trifugalkräfte ist die in Fig. 2a und 2b dargestellte Erre­ geranordnung sehr zweckmäßig. Die Magnete sind gegenüber Fig. 1 in der Mittelebene geteilt auf einem weichmagnetischen Trä­ ger, dem Rotorkörper RE zweiseitig aufgesetzt und verklebt so­ wie evtl. seitlich gehalten. Mit dem als Scheibe ausgebildeten Rotorkörper sind die beschriebenen Rotorteile durch eine axiale Verspannung über nicht magnetische Ringelemente verbun­ den. Die Fliehkraftwirkungen lassen sich somit auf die Rotor­ scheibe übertragen. Die Magnetanordnung nach Fig. 2 führt hin­ sichtlich der Umfangskräfte zu genau demselben Effekt wie die Anordnung nach Fig. 1. In Fig. 2 wurde allerdings zusätzlich zur Aufteilung der Magnete in zwei schichten eine Einbettung in eine gezahnt ausgeführte Rotorform mit den Zähnen RZ vorge­ sehen. Die Abmessungen von RZ in Bewegungsrichtung sind ver­ hältnismäßig gering, sie liegen bei den genannten Polteilungen im Bereich von 1,5-2 mm. Die Kennlinie F3 zeigt die für die Kraftbildung überwiegend positive Wirkung der gezahnten Ober­ fläche von RE. Durch Verbesserung der magnetischen Leitfähig­ keit erfährt B_a unter den Polen eine Vergrößerung (bei glei­ chem Strom). Die Kraftdichteerhöhung liegt zwischen 5 und 15%. Bei starker Sättigung erlischt der Steigerungseffekt. Als zweckmäßige Magnetdicke ergibt sich etwa 4 mm bei einer Polteilung zwischen 10 und 15 mm.

Die Sammleranordnung der Permanentmagnete bringt durch die ra­ diale Anordnung der Magnete wie in der Literatur beschrieben eine vorteilhafte Steigerung der Kraftkennlinie, z. B. S1 in Fig. 9. Die Erhöhung folgt aus der Verbesserung der magneti­ schen Leitfähigkeit des Erregerbereichs in Folge der 90°-Dre­ hung der Magnete. Ba kann mit einer kleineren Durchflutung der Wicklung erzeugt werden. Die Magnetdicke der Sammlermagnete liegt bei 4 bis 6 mm. Da größeren Kraftdichten auch größere Magnetfeldkomponenten im Luftspalt und Eisenbereich entspre­ chen, tritt die Kraftdichtebegrenzung durch Sättigung wie ge­ zeigt durch eine starke Krümmung der Kennlinie in Erscheinung.

Die Kennlinie S2 deutet an, daß Sammleranordnungen im Ver­ gleich zu Flachmagnetanordnungen durch Kraftabsenkung stärker auf Luftspaltvergrößerungen reagieren.

Geringerer Einfluß der Luftspaltgröße und eine im Prinzip gün­ stige d. h. weniger sättigungsempfindliche Kraft/Strom-Kennli­ nie folgt für eine kombinierte Sammler-Flachmagnet-Erregeran­ ordnung (SF-Erregung). Bei ihr sind sowohl die senkrecht ste­ henden Sammlermagnete der Dicke h_MS als auch dünn ausgeführte Flachmagnete der Dicke h_MF/2 angewendet. Fig. 3a und 3b zeigen die grundsätzliche Anordnung. Die Polarität der Magnete ist aus Fig. 3a zu entnehmen. Sie folgt der Regel, daß die einge­ prägten Ströme der Magnete PMF und PMS sich unter den Polele­ menten PE und PER addieren. Aus der damit verbundenen Vergrö­ ßerung der Magnetdurchflutung leitet sich der Effekt der Kraftvergrößerung im Vergleich zur Flachmagnetanordnung (bei gleichem Strom) her. Durch die dünneren Flachmagnete (Dicke etwa 2 mm) kann gegenüber der nicht kombinierten F-Anordnung Ba mit geringerem Strom erzeugt werden. Die durch die Magnete PMF erzwungene geringere Sättigungstendenz wirkt sich im Ver­ gleich zur reinen Sammleranordnung günstig aus und läßt höhere Kraftdichte-Maximalwerte zu. Auch bei großen Wicklungsdurch­ flutungen kann die Neigung der Kraft/Strom-Kennlinie SF1 noch als akzeptabel hingenommen werden. Die Ausführbarkeit von Ma­ schinen hoher Kraftdichte ist aus der Sicht der magnetischen Kreise im Vergleich zu S- und F-Anordnungen beachtlich vergrö­ ßert werden. Durch Vergrößerung der Erregerbreite b_mi im Ver­ gleich zu b_i kann die Steilheit der Kraftkennlinie im be­ grenztem Umfange weiter verbessert werden, wie die Kennlinie SF2 in Fig. 9 zeigt.

Es kann zusammenfassend festgestellt werden, daß die kombi­ nierte SF-Erregung Vorteile der Sammler- und Flachmagnet-An­ ordnung in begrenztem Umfange vereinigt. Mit geringfügig ver­ größertem Magnetaufwand lassen sich je Luftspalt Kraftdichten von etwa 100 kN/m² erreichen. Für die gezeichneten doppelsei­ tig wirkenden Anordnungen werden, auf die Läuferoberfläche be­ zogen, dann die doppelten Werte erzielt. Bezogen auf die ak­ tive Masse von Stator und Rotor ergeben sich bei einer Kraft­ dichte von z. B. 90 kN/m² und doppelseitige Feld/Strom-Nutzung massenbezogene Kraftdichten von 0,3 kN/kg. Bezieht man das Drehmoment auf das Gehäusevolumen, so liegen die Werte zwi­ schen 70 und 110 Nm/dm³ von kleineren zu größeren Gehäuse­ durchmessern zwischen 500-900 mm.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der die Sammlermagnete PMS um eine Polteilung schräggestellt sind. Es lassen sich dabei mit in einer Ebene ausgeführten Statorpolelementen PE Kraftkennli­ nien erreichen, die den Kennlinien SF1 und SF2 entsprechen.

Wie Fig. 5 andeutet, läßt sich auch eine Sammleranordnung in Außenläufer-Bauform zu einer Anordnung mit kombinierter SF-Er­ regung umbauen. Hierbei sind dem Feldverlauf im Rotorelement entsprechend Eisenpulverpreßteile EP mit magnetischer Leitfä­ higkeit in den drei Hauptrichtungen vorgesehen. Die Magnetan­ ordnung im Rotor entspricht der Hälfte der in Fig. 3 beschrie­ benen Erregeranordnung. Wie die Zeichnungen zeigen, sind die senkrechten Schenkel der Polelemente PE in den Schritten A und B um eine Polteilung versetzt angeordnet, was eine Schrägstel­ lung der Jochverbindung erfordert.

Wie in den Fig. 6a und 6b gezeichnet, ist statt der zweiseitig symmetrischen Anordnung der Stator unsymmetrisch mit einer Wicklung (auf der Innenseite) und ungleichen- Polelementen PE1, PE2 ausgeführt. Diese Anordnung entspricht zwar in ihrer Grundfunktion der symmetrischen Ausführung nach Fig. 3, führt aber zu einer stärkeren Betonung der Streuflußkomponenten in PE1 und somit zu kleineren Kraftdichtewerten im Bereich größe­ rer Ströme. Im Einzelfall ist zu prüfen, ob die Vorteile des größeren mittleren Durchmessers die geringeren Kraftdichte­ werte aufwiegen.

Auch für die in P 43 00 440.7 beschriebenen Magnetkreise mit 4 Spalten je Wicklung lassen sich die kombinierten SF-Erregun­ gen zweckmäßig anwenden. Fig. 7 zeigt ein entsprechendes Bei­ spiel. Die dünnen Flachmagnete PMF sind dabei nur auf dem In­ nenrand des Rotorzylinders entsprechend Fig. 7b vorgesehen.

Fig. 8 zeigt die Anordnung einer Außenrotorausführung mit kom­ binierter SF-Erregung, wobei sowohl am Rotorinnenzylinder als auch an den axialen Spaltflächen Flachmagnete PMF ausgeführt wurden. Auch für doppelseitige (innen- und außenliegende) Läu­ feranordnungen und andere denkbare Bauformen von Transversal­ flußmaschinen sind SF-Erregungen sinngemäß anwendbar.

Claims (6)

1. Elektrische Maschine

• - mit mehreren Wicklungssträngen im Stator in Form von ko­ axial zur Maschinenachse angeordneten ringförmigen Spu­ len, die im Motorbetrieb über elektronische Stellelemente gespeist werden,
• - mit in Umfangsrichtung angeordneten Folgen von Weichei­ senelementen im Stator, die
• - untereinander gleichen Abstand aufweisen,
• - sich quer zu den Wicklungssträngen erstrecken
• - und nutähnliche Ausnehmungen aufweisen, durch die Wick­ lungsstränge verlaufen
• - sowie mit einem wicklungslosen Rotor mit mehreren, den einzelnen Wicklungssträngen zugeordneten Teilrotoren, welche flußführende Weicheisenelemente aufweisen, die in doppelter Anzahl gegenüber dem Stator vorhanden sind,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß auf den Weicheisenelementen des Läufers mindestens auf einer dem Luftspalt zugewandten Seite flach ausge­ führte Permanentmagnete mit alternierender Polarität und der halben Teilung der Statorelemente befestigt sind,
• - daß die Dicke der Magnete nicht größer als 25 ÷ 30% der Polteilung ist,
• - daß die zu einer Stator/Wicklungseinheit und damit zum gleichen magnetischen Kreis gehörigen Magnete in minde­ stens zwei Reihen angeordnet sind, die sich zur Kraftbil­ dung unterstützen,
• - daß bei radial gesehen doppelseitig ausgeführtem Läufer zwei etwa gleichdicke Magnetschichten auf den äußeren Zy­ linderflächen des Weicheisen-Trägermaterials angeordnet werden (Fig. 2),
• - daß eine axiale Verspannung in Verbindung mit nichtmagne­ tischen Läuferteilen und der Läuferscheibe die Aufnahme der Fliehkräfte der feldführenden Läuferelemente über­ nimmt, Fig. 2b, 3b usw.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zwischen den oberen und unteren (inneren und äußeren) Seiten der Weicheisenteile in der halben Teilung der Sta­ torelemente Permanentmagnete PMS angeordnet werden, die in ihrer Dicke kleiner als 40% der Polteilung sind und in ihrer Polarität so gewählt werden, daß sie zu einer Verstärkung der Kraftbildung beitragen, Fig. 3a, 3b.

3. Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß bei ebener Ausführung der Statorpolelemente die Samm­ lermagnete PMS um eine Polteilung schräg gegenüber der senkrechten Lage angeordnet sind, Fig. 4a, 4b.

4. Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß bei einseitiger Anordnung z. B. einer Außenläuferbau­ form die Flachmagnete PMF ebenfalls einseitig zusätzlich zu den Sammlermagneten PMS angeordnet werden, Fig. 5a, 5b.

5. Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß auf einer Seite der Wicklung vier Luftspalte zur Kraftbildung genutzt werden und dabei mindestens an zwei Luftspalten Bereiche der Läuferoberfläche Flachmagnete PMF aufweisen, die zusätzlich zu den Sammlermagneten PMS eingesetzt werden.