LU93205B1

LU93205B1 - Axial field electrical machine

Info

Publication number: LU93205B1
Application number: LU93205A
Authority: LU
Inventors: Ulrich Klose
Original assignee: Ulrich Klose
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2018-03-16

Abstract

Die Erfindung besteht aus der Umlegung des radialen Drehfeldes einer Drehstrommaschine in eines das sich längs zur Maschinenachse dreht. Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten und Verbesserungen, besonders für die Ausführung des Ankers. Abgesehen davon werden die meisten Merkmale der herkömmlichen Drehstrommaschine beibehalten. Die axiale Variante hat im Vergleich zur herkömmlichen Drehstrommaschine folgende Vorteile: 1. Nebeneinanderliegende Polpaare können dynamisch zusammengeschaltet werden, ohne dass Polaritätswechsel berücksichtigt werden müssen. Dadurch lässt sich die Polzahl und damit die Ankerdrehzahl unabhängig von der Phasenlage variieren. 2. Statoren mit einer größeren Anzahl von Polen erlauben eine Vielzahl von Maschinenkonfigurationen. Eine Axialfeldmaschine mit 24 Nuten erlaubt von 1 bis 8 Polpaare. 3. Da Polpaare durch das Zusammenschalten angrenzender Wicklungen gebildet werden, lassen sich viele Drehzahl-, Drehmoment- und Leistungsvarianten erreichen. 4. Die Ankerkonstruktion ist einfach. Kurzschlussringe in der Mitte der Ankerhälften erleichtern den Start. 5. Als Folge der axialen Ausrichtung kann der Anker von einer im Stator feststehenden Wicklung mit Gleichstrom erregt werden. Dadurch kann man die Verwendung teurer Neodymium Magneten vermeiden.The invention consists of the assignment of the radial rotating field of a three-phase machine in one which rotates longitudinally to the machine axis. This results in new possibilities and improvements, especially for the execution of the anchor. Apart from that, most features of the conventional three-phase machine are retained. The axial version has the following advantages compared to the conventional three-phase machine: 1. Adjacent pairs of poles can be interconnected dynamically, without having to take polarity changes into account. As a result, the number of poles and thus the armature speed can be varied independently of the phase position. 2. Stators with a larger number of poles allow a variety of machine configurations. An axial field machine with 24 slots allows from 1 to 8 pole pairs. 3. Since pole pairs are formed by the interconnection of adjacent windings, many speed, torque and power variants can be achieved. 4. The anchor design is simple. Shorting rings in the middle of the anchor halves facilitate the start. 5. As a result of axial alignment, the armature can be energized by a DC fixed winding in the stator. This can avoid the use of expensive neodymium magnets.

Description

Beschreibungdescription

Die Erfindung besteht aus der Ausrichtung des radial drehenden Drehfeldes einer Drehstrommaschine in eines das sich axial zur und um die Maschinenachse dreht, wobei sich der Nord- und Südpol gegenüberliegend in Richtung der Achse ausprägen. Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten und Verbesserungen, besonders für die Ausführung des Ankers (auch Läufer Oder Rotor genannt). Abgesehen davon werden die meisten Merkmale der herkömmlichen Drehstrommaschine beibehalten.The invention consists in aligning the radially rotating rotating field of a three-phase machine into one that rotates axially to and around the machine axis, with the north and south poles being stamped opposite each other in the direction of the axis. This results in new possibilities and improvements, especially for the execution of the armature (also called rotor or rotor). Apart from that, most features of the conventional three-phase machine are retained.

Die hier beschriebene Lösung verwendet keine Modulation des Magnetflusses für den Betrieb der Maschine.The solution described here does not use modulation of the magnetic flux for operation of the machine.

Folgende Bilder verdeutlichen die Grundlagen der neuen Konstruktion.The following pictures illustrate the basics of the new design.

Figur 1 beschreibt das Prinzip der Erfindung. Getrennt durch eine Gleitschiene aus Kunsstoff und ohne sich zu berühren, kônnen sich 2 Permanentmagneten 1 und 2 hin- und her bewegen. Zieht man einen der Magneten in eine Richtung, so folgt der zweite nach. Der Magnetfluss bewirkt die Aneinanderkoppling der Magneten.FIG. 1 describes the principle of the invention. Separated by a plastic slide and without touching, 2 permanent magnets 1 and 2 can move back and forth. If you pull one of the magnets in one direction, the second follows. The magnetic flux causes the magnets to be coupled together.

Figur 2 beschreibt das Prinzip der Erfindung mit 3-Phasen Wechselstrom. Magnet 2 in Figur 1 wird hier durch 3 mit 3-Phasen Wechselstrom erregte Eisenkerne ersetzt und bildet einen Stator. Die Spulen sind mit L1, L3 und L2 bezeichnet, wobei L3 entgegengesetzt zu L1 und L2 angeschlossen wird. Die 3 Phasen sind gegenseitig um 120 Grad versetzt. Legt man eine niederfrequente Spannung von 5 Hertz an, so bewegt sich Magnet 1 im gleichen Takt hin und her.Figure 2 describes the principle of the invention with 3-phase alternating current. Magnet 2 in FIG. 1 is here replaced by 3 iron cores excited by 3-phase alternating current and forms a stator. The coils are labeled L1, L3 and L2, with L3 connected opposite to L1 and L2. The 3 phases are mutually offset by 120 degrees. If one applies a low-frequency voltage of 5 hertz, then magnet 1 moves back and forth in the same cycle.

Figur 3 ergibt sich aus dem Stator in Figur 2, wenn die Spulen in einem geschlossenen Kreis angeordnet werden. Der Anker (Magnet 1) besteht aus 2 Scheiben, eine mit Nordpol und die andere mit Südpol. So entsteht ein synchroner Aussenläufer in der das Magnetfeld im Stator parallel zur Achse dreht.FIG. 3 results from the stator in FIG. 2 when the coils are arranged in a closed circuit. The anchor (magnet 1) consists of 2 discs, one with north pole and the other with south pole. This creates a synchronous outer rotor in which the magnetic field in the stator rotates parallel to the axis.

Figur 4 zeigt das zu Grunde liegende Phasendiagram der Erregerphasen. Da die Polarität von L3 im verhältnis zu L1 und L2 umgekehrt ist, erhält man 3 zusammenwirkende Vektoren mit 60 Grad Phasenwinkel zu einander und den resultierenden Summenvektor einer Sinuskurve für das Drehfeld.FIG. 4 shows the underlying phase diagram of the exciter phases. Since the polarity of L3 is reversed in relation to L1 and L2, one obtains 3 cooperating vectors with 60 degrees phase angle to each other and the resulting sum vector of a sinusoid for the rotating field.

Die praktische Umsetzung der Erfindung ist vielfältig.The practical implementation of the invention is diverse.

Figur 5 zeigt den Schnitt durch die Schaibanmaschina in vereinfachter Darstellung. Die Bauteile der Konstruktion sind entsprechend bezeichnet.Figure 5 shows the section through the Schaibanmaschina in a simplified representation. The components of the construction are marked accordingly.

Flgur6 zeigt einen von der Seite gesehenen Ringstator, der nur auf der linken Seite mit 12 Spulen bestückt ist. Die Spulen kônnen so verdrahtet und geschaltet werden, dass die Machine 1-, 2- und 4-polig läuft. Die Spulen sind identisch und kônnen automatisch gewickelt werden. Die Spulen werden auf die seitlichen Statorzähne gesteckt und der gewünschten Funktion entsprechend geschaltet.Flgur6 shows a ring stator seen from the side, which is equipped with 12 coils only on the left side. The coils can be wired and switched so that the machine runs 1, 2 and 4 poles. The coils are identical and can be wound automatically. The coils are placed on the lateral stator teeth and switched according to the desired function.

Figur 7 zeigt den aus einem langen Streifen Transformatorblech gewickelten Ringstator. Die Nuten für die Spulen kônnen entweder vor dem Wickeln gestanzt werden Oder nach dem Wickeln und Backen gefräst werden. Zum Stanzen der Nuten benötigt man eine Werkzeugmaschine die den Vorschub für jeden Stanzschlag automatisch einstellen kann. TITEL: Axialfeld Elektrische Maschine (AEM)FIG. 7 shows the ring stator wound from a long strip of transformer plate. The grooves for the coils can be either punched before winding or milled after winding and baking. For punching the grooves, you need a machine tool that can automatically adjust the feed for each punch stroke. TITLE: Axial Field Electric Machine (AEM)

Figur8 zeigt das Transformatorblech mit gestanzten Nuten vor dem Aufwickeln. Die Nuten werden so gestanzt, dass beim Aufwickeln ein Stator nach Figur 7 ensteht.Figure 8 shows the transformer sheet with punched grooves before winding. The grooves are punched so that when winding a stator of Figure 7 ensteht.

Figur 9 zeigt mit dem Schnitt durch den Anker der Scheibenmaschine. Die Figur demonstriert deutlich den einfachen Aufbau der Komponenten.FIG. 9 shows the section through the armature of the disk machine. The figure clearly demonstrates the simple structure of the components.

Figur 10 zeigt den Schnitt durch den kombinierten Außen- und Innenlâufer aus hartmagnetischem Werkstoff. Der Ringstator wird aus gestanzten Blechen geformt, die zu einem Paket verbunden werden. Der Anker besteht aus einem Innen- und Außenteil. Beide Teile sind magnetisch über einen Neodymium-Ringmagneten verbunden. Der Ringstator wird auf einer festen Aufnahmescheibe fixiert, auf der auch die feststehende Achse montiert wird. Der Anker ähnelt einer Kugelhupfform und wird mittels zweier Kugellager auf der feststehenden Achse drehend befestigt. Der Aluminumzylinder zur Aufnahme des hartmagnetischen Ankers und des Neodymium-Ringmagneten verhindert einen magnetischen Kurzschluss.FIG. 10 shows the section through the combined outer and inner rotor made of hard magnetic material. The ring stator is formed from stamped sheets, which are combined into a package. The anchor consists of an inner and outer part. Both parts are magnetically connected via a neodymium ring magnet. The ring stator is fixed on a fixed disc, on which the fixed axle is mounted. The anchor resembles a Kugelhupfform and is fixed by means of two ball bearings on the fixed axis rotating. The aluminum cylinder for holding the hard magnetic armature and the neodymium ring magnet prevents a magnetic short circuit.

Figur 11 ist die Seitenansicht des Ringstators aus einem Blechpaket mit 12 Wicklungen. Auch hier kônnen die Spulen wie in Figur 6 so verdrahtet und geschaltet werden, dass die Machine 1-, 2- und 4-polig läuft. Die Spulen sind identisch und kônnen ebenfalls automatisch gewickelt werden. Die Spulen werden auf die äußeren Statorzähne gesteckt.Figure 11 is the side view of the ring stator from a laminated core with 12 windings. Again, the coils can be wired and switched as shown in Figure 6 so that the machine runs 1, 2 and 4 poles. The coils are identical and can also be wound automatically. The coils are placed on the outer stator teeth.

Figur 12 zeigt die Axialfeldmaschine mit 2 Statorhälften und Anker. Diese Variante hat die grösste Ähnlichkeit mit den existierenden Drehstrommaschinen und deren Bauteiie.FIG. 12 shows the axial field machine with two stator halves and armature. This variant has the greatest similarity with the existing three-phase machines and their components.

Figur 13 ist der axiale Schnitt durch die vereinfachte Figur 12. Der Hohlzylinder dient als weichmagnetische Überbrückung der Statorhälften. Der Anker hat in der Mitte einenFigure 13 is the axial section through the simplified figure 12. The hollow cylinder serves as a soft magnetic bridging of the stator halves. The anchor has one in the middle

Permanentmagneten der das Feld ausprägt. An den Ringmagneten schließen sich links und rechts Feldverteilerringe aus hartmagnetischem Material an. Ihre Aufgabe ist es die Feldlinien optimal zum Stator zu richten.Permanent magnet that shapes the field. The ring magnets are followed by left and right field distributor rings made of hard magnetic material. Your task is to align the field lines optimally to the stator.

Die Feldlinien sind im Ruhestand dargestellt ohne Erregung durch die Wicklungen. Die Feldlinien verteilen sich durch Anker und Stator. Beim Einschalten von Drehstrom entsteht ein axial drehendes Feld mit einem Nord- und einem Südpol in den Statorhälften. Dieses zieht die Feldlinien des Ankers und so den Anker mit sich.The field lines are shown in retirement without being excited by the windings. The field lines are distributed by armature and stator. When switching on three-phase current creates an axially rotating field with a north and a south pole in the stator halves. This pulls the field lines of the anchor and so the anchor with it.

Im Folgenden werden die Ankerausführungen dargestellt. Diese sind in erster Linie auf Figur 12 ausgerichtet, kônnen aber auch auf die anderen Statorausführungen analog übertragen werden.The following is an explanation of the anchor designs. These are primarily aligned with FIG. 12, but may also be analogously transferred to the other stator designs.

Figur 14 hat in der Mitte des Ankers einen Permanentmagneten der das Feld ausprägt. An den Ringmagneten schließen sich links und rechts Feldverteilerringe aus hartmagnetischem Material an. Ihre Aufgabe ist es die Feldlinien optimal zum Stator zu richten. Der Ringmagnet und die Feldverteiler sind auf der Achse angebracht.FIG. 14 has a permanent magnet in the middle of the armature which forms the field. The ring magnets are followed by left and right field distributor rings made of hard magnetic material. Your task is to align the field lines optimally to the stator. The ring magnet and the field distributors are mounted on the axle.

Figur 15 Der Asynchronanker besteht aus je einem linken und rechten weichmagnetischen Feldverteiler und einem Kurzschlussring aus Aluminium.Figure 15 The asynchronous armature consists of a left and right soft magnetic field distributor and a short-circuit ring made of aluminum.

Figur 16 Die axiale Ausrichtung der Maschine ermôglicht die externe Erregung des Ankers und somit die Konstruktion eines Synchronankers ohne Permanentmagneten. Dieser besteht aus einem Stück hartmagnetischen Material mit hoher Flussdichte. Der Anker wird durch Gleichstrom von einer in derFigure 16 The axial alignment of the machine allows external excitation of the armature and thus the construction of a synchronous armature without permanent magnets. This consists of a piece of hard magnetic material with high flux density. The anchor is powered by DC from one in the

Mitte des Stators befestigten stationâren Wicklung erregt. Dadurch bildet sich ein gerichtetes magnetisches Feld aus.Stationary winding fixed to the middle of the stator. As a result, a directional magnetic field is formed.

Figur 17 Der Hybridanker mit Kurzschlussring und Ringmagnet hat zusâtziich zum Kurzschlussring einen Ringmagneten zwischen den 2 weichmagnetischen Feldverteilern.FIG. 17 The hybrid armature with short-circuit ring and ring magnet has, in addition to the short-circuit ring, a ring magnet between the two soft-magnetic field distributors.

Die Synchronanker kônnen auch in Drehstrom- und Wechselstromgeneratoren zur Anwendung kommen.The synchronous anchors can also be used in three-phase and alternators.

ZusammenfassungSummary

Die Erfindung besteht aus der Umlegung des radialen Drehfeldes einer Drehstrommaschine in eines das sich lângs zur Maschinenachse dreht. Daraus ergeben sich neue Môglichkeiten und Verbesserungen, besonders für die Ausführung des Ankers (auch Laufer oder Rotor genannt). Abgesehen davon werden die meisten Merkmale der herkômmlichen Drehstrommaschine beibehalten.The invention consists of the assignment of the radial rotating field of a three-phase machine in one that turns long to the machine axis. This results in new possibilities and improvements, especially for the execution of the anchor (also called Laufer or rotor). Apart from that, most features of the conventional three-phase machine are retained.

Die axiale Variante hat im Vergleich zur herkômmlichen Drehstrommaschine folgende Vorteile: 1. Nebeneinanderliegende Polpaare kônnen dynamisch zusammengeschaltet werden, ohne dass Polaritâtswechsel berücksichtigt werden müssen. Dadurch lâsst sich die Polzahl und damit die Ankerdrehzahl unabhângig von der Phasenlage variieren. 2. Statoren mit einer größeren Anzahl von polen erlauben eine Vielzahl von Maschinenkonfigurationen. Eine Axialfeldmaschine mit 24 Nuten erlaubt von 1 bis 8 Polpaare. 3. Da Polpaare durch das Zusammenschalten angrenzender Wicklungen gebildet werden, lassen sich viele Drehzahl-, Drehmoment- und Leistungsvarianten erreichen. 4. Die Ankerkonstruktion ist einfach. Kurzschlussringe in der Mitte der Ankerhâlften erleichtern den Start. 5. Als Folge der axialen Ausrichtung kann der Anker von einer im Stator feststehenden Wicklung mit Gleichstrom erregt werden. Dadurch kann man die Verwendung teurer Neodymium Magneten vermeiden.The axial version has the following advantages over the conventional three-phase machine: 1. Adjacent pairs of poles can be interconnected dynamically without having to take polarity changes into account. As a result, the number of poles and thus the armature speed can be varied independently of the phase angle. 2. Stators with a larger number of poles allow a variety of machine configurations. An axial field machine with 24 slots allows from 1 to 8 pole pairs. 3. Since pole pairs are formed by the interconnection of adjacent windings, many speed, torque and power variants can be achieved. 4. The anchor design is simple. Shorting rings in the middle of the anchor halves make starting easier. 5. As a result of axial alignment, the armature can be energized by a DC fixed winding in the stator. This can avoid the use of expensive neodymium magnets.

Bedeutung der Erfindung 1. Die Ankerkonstruktion wird weitgehend vereinfacht. 2. Eine begrenzte Anzahl von Bauteilvarianten ermôglicht die Herstellung von vielen verschiedenen Modelle. Die Komponentenfertigung kann weitgehend standardisiert und vereinfacht werden. 3. Erhebliche Einsparungen bei Kupfer im Vergleich zu herkômmlichen Drehstrommaschinen 4. Die Axialmaschine verspricht einen hôheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Kraft und umgekehrt. 5. Die Erfindung betrifft in erster Linie elektrische Generatoren und Motoren in synchronen und asynchronen Versionen. 6. Eine einfache, regelbare Gleichstromerregung wird durch die Erfindung ermôglicht.Significance of the invention 1. The anchor construction is largely simplified. 2. A limited number of component variants allows the production of many different models. Component manufacturing can be largely standardized and simplified. 3. Substantial savings in copper compared to conventional three-phase machines 4. The axial machine promises a higher conversion efficiency from electrical to mechanical power and vice versa. 5. The invention primarily relates to electric generators and motors in synchronous and asynchronous versions. 6. A simple, controllable DC excitation is made possible by the invention.

Claims

TITLE: Axial Field Electric Machine (AEM) Claims: 1) The invention is characterized in that the conventional three-phase machine is converted into an axially oriented machine. This requires no special measures for the operation, but works with the usual supply voltages, frequencies and phases.

2) The invention is further characterized in that the so-called disk machine has a ring stator, which is equipped from the side with excitation coils and is made of rolled-up transformer sheet.

3) The invention is further characterized in that the so-called combined external and internal rotor machine formed from a ring stator of stamped sheets, which are connected to form a package.

4) The invention is further characterized in that the so-called Axiatfeldmaschine with 2 Statorhätften consists of 2 identical stator halves. The two stator halves are mechanically and magnetically connected together in a correspondingly dimensioned hollow cylinder of soft magnetic material. The windings of the stator halves are oppositely poled. The field-exciting windings lie between the grooves on the outer periphery of the stator halves. A winding strand consists of two parts, one per stator half.

5) The invention is further characterized in that the armatures consist of a simple construction as a result of the axial alignment. The magnetic field in the armature is distinguished either by axially aligned ring magnets in synchronous machines or by an induced short-circuit current in asynchronous machines. New possibilities are offered by the combination of the properties of synchronous and asynchronous anchors. Since the magnetic field in the armature of the axial field machine is aligned axially with two stator halves, the armature could also consist of a single permanent magnet in hollow cylindrical form.

6) The invention is further characterized in that the armatures can be excited by a fixed winding with direct current as a result of the axial alignment. This would make it possible to omit the use of expensive neodymium magnets.