WO2006117210A1 - Phasenmodul für eine transversalflussmaschine - Google Patents

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WO2006117210A1
WO2006117210A1 PCT/EP2006/004150 EP2006004150W WO2006117210A1 WO 2006117210 A1 WO2006117210 A1 WO 2006117210A1 EP 2006004150 W EP2006004150 W EP 2006004150W WO 2006117210 A1 WO2006117210 A1 WO 2006117210A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
stator
rotor
annular
phase module
magnets
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/004150
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Kaehler
Ingolf GRÖNING
Original Assignee
Bosch Rexroth Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bosch Rexroth Ag filed Critical Bosch Rexroth Ag
Publication of WO2006117210A1 publication Critical patent/WO2006117210A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/145—Stator cores with salient poles having an annular coil, e.g. of the claw-pole type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/145—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having an annular armature coil

Definitions

  • the present invention relates to a phase module for a transversal flux machine comprising a stator having an annular back for receiving an annular current-carrying winding and the back, forming the end faces of the stator annular tooth plate plates, further comprising a rotor disposed coaxially with the stator and having an annular yoke and magnets mounted thereon, each toothed yoke plate of the stator having circularly disposed radially extending teeth concentric with the magnets of the rotor. Furthermore, the invention relates to a transverse flux machine with corresponding
  • Transverse flux machines are particularly suitable as so-called high-torque motors, which are able to develop extraordinary rotary thrusts. These usually work in slower speed ranges. Furthermore, the large forces can preferably be transmitted directly to the driven load (direct drive).
  • Transverse flux machines are characterized by the fact that the plane of the river is perpendicular to the direction of movement of the rotor.
  • Permanently excited transversal flux machines are preferably used for drives in which the self-cooling, the weight and the nominal and holding torque are in the foreground.
  • the transverse flux machines can be designed as an inner or outer rotor design. They are modular and consist of individual, independent phase modules.
  • phase module for a transverse flux machine is known from WO 2004/107530.
  • the AC supply of the annular current-carrying windings of the modules is in each case phase-shifted by 120 °.
  • the corresponding transversal flux machine is used to drive a traction sheave elevator.
  • a phase module consists of a drum-shaped rotor, which has an annular yoke on the outer periphery magnets are attached. In this case, permanent magnets in alternating arrangement of their poles are mounted on the conclusion in the region of the stator poles. Between these two annular magnet arrangements is located opposite the stator winding, a non-magnetic spacer, such as a ring made of glass fiber reinforced plastic.
  • the stator in turn consists of an annular back with an annular current-carrying winding therein.
  • the end faces of the stator are formed by two annular Zahn Giplatten, each by two circular bolts with connected to the back.
  • On the inner circumference of the Zahn Giplatte are in the radial direction projecting teeth, which form the stator poles.
  • the tooth plate plates are made of a soft magnet to allow a fast polarity reversal at the appropriate frequencies in phase.
  • the magnetic flux in this known phase module goes from one (N) permanent magnet pole on the rotor to one (S) stator pole of the one toothed plate and continues through the annular back of the stator to the opposite (N) stator pole, from where the magnetic Flow hits the (S) permanent magnet pole on the rotor.
  • the magnetic flux thus includes the flow of current.
  • the torque generated by AC voltage of the rotor is transmitted in this internal rotor design on an axis connected to the rotor, which in turn drives a traction sheave of an elevator.
  • Tooth piece plates which extends the teeth of a Zahn Glaplatte in the axial direction.
  • the claw shape of the teeth according to the invention substantially increases the active area of the teeth so that the air gap between the rotor and the stator can be reduced and the flux increased, especially if the magnets of the rotor have the same active area as an opposing tooth or tooth Claw face of the stator pole.
  • Active surface is the area through which the magnetic flux passes. This increase in the active area leads to greater ground excitation of the machine and thus to higher power densities. Since the excitation is done by magnets, it is lossless (in contrast to current excitation).
  • the tooth plate is in this case made of such a composite material, at least in the region of the teeth or stator poles. Since in general large components made of such powder composite materials are difficult to manufacture, it is advantageous to manufacture the tooth plate from individual tooth segments, which are then assembled to the annular complete Zahn Giplatte.
  • the advantage of the smaller tooth segments is that the SMC components can be manufactured by surface pressure. As a result, a small component has higher robustness, more homogeneous material properties and lower production costs.
  • the attachment of the two Zahn Giplatten on the back of the stator can be done via bolts. It is important that the attachment transmits the torque and the Zahn Giplatten - especially if they are modular - anchored direction neutral. This is a minimum number of 2 bolts per round bolts
  • phase modules of a transverse flux machine are free, with at least two phases must be present to produce a continuous torque.
  • the phase number 3 is recommended.
  • 4, 5, 6 or more phase modules can also be accommodated in a transversal flux machine. It is also possible, for example, to operate two phase modules in parallel in each case.
  • the magnets can be arranged such that alternately N and S PoIe lie on the circumference of the yoke of the rotor.
  • two rows of magnets are arranged on the outer circumference of the yoke of the rotor.
  • N- and S-Poie alternate, furthermore each N-PoI of the one row faces an S-PoI of the other row.
  • each magnet can be increased to the same size as that of a claw surface of a tooth or stator pole of the tooth plate, it can be largely or entirely applied to the nonmagnetic spacer (see WO 2004/107530) between the two annular magnet arrays be waived.
  • the magnets are inserted radially into the annular yoke, so that the poles of the magnets face each other, wherein the magnets are arranged opposite to each other.
  • the N and S poles of the magnets in this alternative arrangement are therefore not arranged opposite the stator poles, but rather the poles are arranged opposite each other.
  • the sequence NS, SN, NS, etc. arises.
  • the magnetic field is pressed radially outwards, whereby a flux concentration occurs in comparison to the former arrangement form.
  • the basic excitation can be further increased in the rotor.
  • the opposite polarity of the magnets concentrates the flux in the iron regions of the backsheet, which increases the induction of the active surfaces. As a result, the power density increases and the engine provides more torque.
  • Another aspect of the invention relates to the manner of cooling a phase module to increase the force density.
  • it is provided in this case to arrange at least one cooling tube in a winding groove of the stator back intended for the winding in the case of a generic phase module. Since such cooling is more effective than previously known types of cooling the stator winding, thereby the force density and thus the torque delivered by the engine can be increased.
  • this aspect of the invention is independent of the first aspect of the broadening or extension of the stator poles in the axial direction.
  • Both aspects of the invention are - as already emphasized - to realize in internal and external rotor design. In the following embodiments, only the inner rotor construction is shown.
  • the external rotor design offers the advantage that the bore diameter is larger and thus the Torque output is higher.
  • the outer rotor allows larger numbers of poles than the inner rotor.
  • FIG. 2 shows the exploded view of a phase module according to the invention in a schematic form
  • FIG. 3 shows an exploded diagram of a phase module according to the invention in a slightly different embodiment
  • FIG. 4 shows a section through a phase module according to the invention in the axial direction at the level of the stator poles
  • FIG. 5 shows a section according to FIG. 4, here with a cooling tube
  • FIG. 6 shows two phase modules arranged next to one another and the gain to be achieved in terms of length
  • FIG. 7 shows a cross section through a rotor of a phase module
  • FIG. 8 shows a cross section through a rotor of a phase module with an alternative arrangement of the magnets for concentration of the magnetic flux.
  • FIG. 1 shows very diagrammatically a transversal flux machine 14 composed of three phase modules 13 according to the invention.
  • the individual ridges 1 of each stator and the annular tooth-piece plates 3 forming the end faces of each stator 8 and ending with the ridge 1 are shown are designated 10. They extend in the radial direction inward and are extended according to the invention in the axial direction.
  • a rotor 9 can be seen from Figure 1, which is drum-shaped or annular and coaxial with the stator 8 is arranged.
  • Each phase module 13 has such a rotor 9. Also visible are the magnets 5 fastened on the annular yoke 4 of the rotor 9.
  • transverse flux machine 14 there are 3 phase modules 13. This allows to use existing converter technology. Inverter and further details of the power electronics are known in the art and therefore not shown individually in the figures.
  • the transverse flux machine 14 according to the invention is suitable for moving high loads, in particular in the lower speed range. The invention enables high power densities and thus a high torque output.
  • FIG. 2 shows the exploded view of a phase module 13 from FIG. 1.
  • the annular back 1 is clearly visible of the stator 8.
  • the back 1 may be laminated (eg, cut cores or stamped rondettes).
  • an annular winding 2 is placed, which is adapted to the shape of the resulting space from Zahn Glaplatte- spine tooth plate and possibly existing cooling tubes.
  • the annular winding 2 carries the applied alternating current.
  • the ' tooth plate plates 3 are generally circular or annular and have in the radial direction inwardly extending teeth 10, which according to the invention these teeth 10 in the axial direction, in this embodiment, in the direction of the winding 2, are extended. This results in a claw shape of the teeth 10.
  • the phase module 13 consists of an annular yoke 4, are mounted on the magnets 5 (see also cross section in Figure 7). The attachment of the magnets 5 can be done by gluing, clamping or the like.
  • the magnets 5 have the same active area as the claw face of the teeth 10 of the stator 8.
  • the active area of the magnets 5 may also be only approximately equal to the claw area or smaller than the claw area. It may be useful to choose only the axial length approximately identical and to select the pole coverage of the magnet different to the Polübereckung the claw face. As a result, the aforementioned geometric relationships with respect to maximum torque at minimum
  • Moment ripple be optimized. If the machine is operated at low speeds, the inference does not have laminated (eg steel pipe). At higher frequencies or speeds, however, it may be useful to plate it to reduce the eddy current losses (eg cost-effective cut cores or stamped rondettes).
  • the enlargement of the active surface of the magnets 5 leads to an adjacent arrangement of the annular magnet arrangements on the conclusion 4.
  • a non-magnetic spacer as is usually provided, can be completely omitted in the present inventive embodiment. Due to the claw shape and the enlarged magnetic surfaces, the active area can be increased. This leads to a greater basic excitation of the machine and thus to higher power densities. It should be noted that these advantages are achieved without increasing the space of a phase module.
  • FIG. 3 shows an exploded view of a phase module according to the invention, reference being made to the explanations of FIG. Identical components are designated by the same reference numerals.
  • the tooth plate plates 3 are composed of individual tooth segments 11. The individual tooth segments are advantageous from a
  • Powder composite material • manufactured by surface pressure. They have high robustness, homogeneous material properties and low production costs.
  • the tooth segments 11 are assembled into an annular complete tooth plate 3.
  • the attachment of the tooth plate plates 3 on the back 1 of the stator 8 via annular or square bolts can be done.
  • Other types of attachment such as clamps or gluing are possible.
  • Important is a directionally neutral anchoring of Zahh Swissplatten and a delay and lossless transmission of the forces and torques occurring.
  • FIG. 4 shows an axial section through a phase module 13 according to the invention at the level of the claws of FIG
  • Teeth 10 Clearly visible is the claw shape of the teeth 10 which are extended in the axial direction in the direction of the winding 2, wherein the claws of the teeth 10 of the two
  • the magnets 5 on the yoke 4 of the rotor 9 have an active area corresponding to the claw face of the opposing teeth 10. This results in relatively wide magnets 5, making it altogether to a higher
  • FIG. 5 shows a further measure for increasing the force density, which ensures efficient cooling.
  • the ratios of Figure 5 are identical to those of Figure 4.
  • the same elements bear the same reference numerals.
  • at least one cooling tube 6 is provided directly in the winding groove 12.
  • two cooling tubes 6 are shown in the winding groove 12. The cooling takes place via a coolant flowing into the cooling tubes 6. Between two teeth 10 there is sufficient space, for example, to lead the cooling tube to the outside (in an internal rotor) or to guide the cooling tube inwards (in the case of an external rotor).
  • the type of cooling according to the invention is more effective than that known in the prior art, in which a cooling jacket is generally used.
  • Figure 6 shows two juxtaposed phase modules 13 of Figure 5, again with the same elements the same reference numerals are designated. Reference is made to the explanations to Figures 4 and 5.
  • Figure 6 illustrates the length gain, wherein the difference in length 7 can be saved if between the adjacent phase modules 13 Zahn Glaplatten 3 are used with only two thirds of the thickness, as they have, for example, arranged on the outer sides Zahn Glaplatten 3.
  • the difference in length can be explained by the 120 ° offset in the current, which causes a 120 ° offset in the flooding, so that two 120 ° displaced floods share a tooth.
  • the amplitude of the superimposed flooding is only 2/3 and not 2.
  • the use of thinner tooth plate 3 leads to total savings in material and weight and thus also in costs.
  • Figure 7 shows a cross section through a rotor 9, as shown for example in Figure 2.
  • the annular conclusion of the rotor 9 is denoted by 4.
  • the magnets 5 are arranged side by side on a circular path, alternating on the top of the magnet N- and S-PoI.
  • the N and S poles are in this case the teeth 10 of a tooth plate 3 of the stator 8 faces.
  • two magnets 5 are each assigned to a tooth 10 or toothed segment 11 (generally stator pole).
  • FIG. 8 An alternative arrangement of magnets 5 in a rotor 9 is shown in FIG. 8.
  • the arrangement shown in FIG. 8 results in a flux concentration.

Abstract

Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Phasenmodul für eine Transversalflussmaschine (14) bestehend aus einem Stator (8) , der einen ringförmigen Rücken (1) zur Aufnahme einer ringförmigen stromführenden Wicklung (2) und mit dem Rücken (1) abschließende, die Stirnseiten des Stators (8) bildende ringförmige Zahnstückplatten (3) aufweist, einem Rotor (9) , der koaxial zum Stator (8) angeordnet ist, und der einen ringförmigen Rückschluss (4) darauf befestigte Magnete (5) aufweist, wobei jede Zahnstückplatte (3) des Stators (8) kreisförmig angeordnete, sich in radiale Richtung erstreckende Zähne (10) aufweist, die konzentrisch zu den Magneten (5) des Rotors (9) angeordnet sind, vorgeschlagen, wobei zur Erhöhung der Kraftdichte und des resultierenden Drehmoments die Zähne (10) einer Zahnstückplatte (3) in axialer Richtung verlängert sind.

Description

Phasenmodul für eine Transversalflussmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Phasenmodul für eine Transversalflussmaschine bestehend aus einem Stator, der einen ringförmigen Rücken zur Aufnahme einer ringförmigen stromführenden Wicklung und mit dem Rücken abschließende, die Stirnseiten des Stators bildende ringförmige Zahnstückplatten aufweist, weiterhin bestehend aus einem Rotor, der koaxial zum Stator angeordnet ist, und der einen ringförmigen Rückschluss und darauf befestigte Magnete aufweist, wobei jede Zahnstückplatte des Stators kreisförmig angeordnete, sich in radiale Richtung erstreckende Zähne aufweist, die konzentrisch zu den Magneten des Rotors angeordnet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Transversalflussmaschine mit entsprechenden
Phasenmodulen .
Stand der Technik
Transversalflussmaschinen eignen sich besonders als sogenannte High-Torque-Motoren, welche in der Lage sind, außerordentliche Drehschübe zu entwickeln. Diese arbeiten normalerweise in langsameren Drehzahlbereichen. Weiterhin können die großen Kräfte vorzugsweise direkt an die anzutreibende Last übertragen werden (Direktantrieb) .
Transversalflussmaschinen zeichnen sich dadurch aus, dass die Ebene des Flusses senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers (Rotors) ist.
Permanenterregte Transversalflussmaschinen werden bevorzugt für Antriebe verwendet, in welchen die Eigenkühlung, das Gewicht und das Nenn- und Haltemoment im Vordergrund stehen. Die Transversalflussmaschinen können als Innenoder Außenläuferkonstruktion ausgeführt sein. Sie sind modular aufgebaut und bestehen aus einzelnen voneinander unabhängigen Phasenmodulen.
Ein derartiger Phasenmodul für eine Transversalflussmaschine ist aus der WO 2004/107530 bekannt. Bei der Verwendung von drei Phasenmodulen erfolgt die Wechselstromversorgung der ringförmigen stromführenden Wicklungen der Module jeweils um 120° phasenverschoben. In der genannten Schrift wird die entsprechende Transversalflussmaschine zum Antrieb eines Treibscheibenaufzugs eingesetzt. Ein Phasenmodul besteht aus einem trommeiförmigen Rotor, der einen ringförmigen Rückschluss aufweist, auf dessen Außenumfang Magnete befestigt sind. Hierbei sind im Bereich der Statorpole Permanentmagnete in wechselnder Anordnung ihrer Pole auf dem Rückschluss angebracht. Zwischen diesen beiden ringförmigen Magnetanordnungen befindet sich gegenüber der Statorwicklung ein nichtmagnetischer Abstandshalter, beispielsweise ein Ring aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Der Stator besteht seinerseits aus einem ringförmigen Rücken mit einer darin befindlichen ringförmigen stromführenden Wicklung. Die Stirnseiten des Stators werden durch zwei ringförmige Zahnstückplatten gebildet, die jeweils durch zwei kreisförmige Bolzen mit dem Rücken verbunden sind. Am Innenumfang der Zahnstückplatte befinden sich in radiale Richtung ragende Zähne, die die Statorpole bilden. Die Zahnstückplatten sind aus einem Weichmagneten hergestellt, um eine schnelle Umpolung bei den entsprechenden Frequenzen phasentreu zu ermöglichen. Pro Statorpol oder Zahn befinden sich auf dem Rotor zwei benachbarte Magneten, deren unterschiedliche Pole in Richtung des Statorpols zeigen.
Der magnetische Fluss bei diesem bekannten Phasenmodul geht beispielsweise von einem (N- ) Permanentmagnetpol am Rotor zu einem (S-) Statorpol der einen Zahnstückplatte und verläuft weiter durch den ringförmigen Rücken des Stators zum gegenübberliegenden (N-) Statorpol, von wo aus der magnetische Fluss auf den (S- ) Permanentmagnetpol am Rotor trifft. Der magnetische Fluss schließt somit den Stromfluss ein. Das durch Wechselspannung erzeugte Drehmoment des Rotors wird bei dieser Innenläuferkonstruktion auf eine mit dem Rotor verbundene Achse übertragen, die ihrerseits eine Treibscheibe eines Aufzugs antreibt.
Im Vordergrund bei dieser aus der genannten WO 2004/107530 bekannten Transversalflussmaschine steht die Integration einer mit der angetriebenen Achse verbundenen Bremsscheibe.
Die Kraftdichte einer solchen bekannten Transversalflussmaschiηe ist beschränkt und für bestimmte Anwendungen ist das resultierende Drehmoment zu gering. Erstrebenswert ist eine Erhöhung der Volumenkraftdichte und somit eine Steigerung des Drehmoments bei gleichem Bauraum.
Gleichzeitig soll eine einfache und kostengünstige Fertigung möglich sein. Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß sind bei einem eingangs beschriebenen Phasenmodul für eine Transversalflussmaschine, deren Stator einen ringförmigen Rücken zur Aufnahme einer ringförmigen stromführenden Wicklung und mit dem Rücken abschließende, die Stirnseite des Stators bildende ringförmige
Zahnstückplatten aufweist, die Zähne einer Zahnstückplatte in axialer Richtung verlängert. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den beigefügten
Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es sinnvoll, wenn sämtliche Zähne beider Zahnstückplatten, also sämtliche Statorpole, in axialer Richtung verlängert sind. Dies soll jedoch nicht weniger bevorzugte Fälle ausschließen, in denen nur die Zähne einer Zahnstückplatte eine solche axiale Verbreiterung aufweisen oder nur einzelne Zähne der beiden Zahnstückplatten. Die erfindungsgemäße Verlängerung der Zähne in axialer Richtung führt zu einer Ambossform, wenn die Verlängerung in beide Richtungen vorgenommen wird, bzw. zu einer Klauenform wenn die Verlängerung nur in eine Richtung vorgenommen wird. Besonders sinnvoll ist eine klauenförmige Ausbildung der Zähne in Richtung der
Statorwicklung. In diesem Fall zeigen die Verlängerungen der Zähne in axiale Richtung der beiden Zahnstückplatten aufeinander .
Im Folgenden soll ohne Beschränkung der Allgemeinheit von der zuletzt geschilderten Art und Weise der axialen Verlängerung der Zähne die Rede sein, die entsprechend klauenförmig ausgebildet sind.
Die erfindungsgemäße Klauenform der Zähne vergrößert die aktive Fläche der Zähne wesentlich, sodass bei gleicher Baugröße des Phasenmoduls der Luftspalt zwischen Rotor und Stator verringert und der Fluss vergrößert werden kann, insbesondere wenn die Magneten des Rotors die gleiche aktive Fläche aufweisen wie eine gegenüberliegende Zahn- oder Klauenfläche des Statorpols. Unter aktiver Fläche wird diejenige Fläche verstanden, durch die der magnetische Fluss hindurchtritt. Diese Steigerung der aktiven Fläche führt zu einer größeren Grunderregung der Maschine und somit zu höheren Kraftdichten. Da die Erregung über Magnete erfolgt, ist sie (im Gegensatz zur Stromerregung) verlustfrei .
Da die Flussführung in den Zahnstückplatten dreidimensional erfolgt, ist für diese Regionen die Verwendung eines Pulververbundwerkstoffs (Soft-Magnetic Composit = SMC) besonders vorteilhaft. Die Zahnstückplatte ist hierbei zumindest im Bereich der Zähne oder Statorpole aus einem solchen Verbundwerkstoff gefertigt. Da im Allgemeinen große Bauteile aus solchen Pulververbundwerkstoffen schlecht zu fertigen sind, ist es von Vorteil, die Zahnstückplatte aus einzelnen Zahnsegmenten zu fertigen, die anschließend zu der ringförmigen kompletten Zahnstückplatte zusammengesetzt werden. Der Vorteil der kleineren Zahnsegmente besteht darin, dass die SMC-Bauteile mittels Flächenpressung hergestellt werden können. Dadurch weist ein kleines Bauteil höhere Robustheit, homogenere Materialeigenschaften und geringere Fertigungskosten auf. Die Befestigung der beiden Zahnstückplatten an dem Rücken des Stators kann über Bolzen geschehen. Wichtig ist hierbei, dass die Befestigung das Drehmoment überträgt und die Zahnstückplatten - speziell wenn diese modular aufgebaut sind - richtungsneutral verankert. Dazu ist bei runden Bolzen eine Mindestzahl von 2 Bolzen pro
Zahnstückplatte vorzusehen. Bei anders geformten Bolzen
(z. B. rechteckig) ist nur ein Bolzen notwendig. Auch andere Befestigungsarten, wie Klemmung oder Kleben, sind möglich, sofern sie die auftretenden Kräfte und Drehmomente übertragen können.
Die Anzahl der Phasenmodule einer Transversalflussmaschine ist frei, wobei mindestens zwei Phasen vorhanden sein müssen, um ein kontinuierliches Drehmoment zu erzeugen. Um auf bestehende Umrichtertechnik zurückgreifen zu können, empfiehlt sich die Phasenzahl 3. Es können aber auch 4, 5, 6 oder mehr Phasenmodule in einer Transversalflussmaschine untergebracht sein. Es ist auch möglich, beispielsweise jeweils zwei Phasenmodule parallel zu betreiben.
Mit der Erfindung ist es möglich, die Baulänge der nebeneinander angeordneten Phasenmodule einer Transversalflussmaschine zu verkürzen. Zwischen zwei Phasenmodulen reicht als Rückschluss eine Dicke der Zahnstückplatten von 2/3 der Dicke am Rand der Transversalflussmaschine aus (am Rand besteht die ursprüngliche Dicke der Zahnstückplatte) . Der Längengewinn führt zu Ersparnis an Material und Gewicht und somit Kosten. Andererseits kann auf den Längengewinn verzichtet werden, um alle Zahnstückplatten in der Herstellung gleich zu halten, was sich auch wieder zu Gunsten der Herstellkosten auswirkt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind zwei verschiedene Anordnungen von Magneten auf dem ringförmigen Rückschluss möglich: Zum einen können die Magnete derart angeordnet sein, dass abwechselnd N- und S-PoIe auf dem Umfang des Rückschlusses des Rotors liegen. Bei einer Innenläuferkonstruktion sind folglich zwei Reihen von Magneten (entsprechend den beiden Zahnstückplatten des. Stators) auf dem Außenumfang des Rückschlusses des Rotors angeordnet. In jeder Reihe wechseln sich N- und S-PoIe ab, weiterhin liegen jedem N-PoI der einen Reihe ein S-PoI der anderen Reihe gegenüber. Da erfindungsgemäß die aktive Fläche eines jeden Magneten auf die gleiche Größe wie die einer Klauenfläche eines Zahns bzw. Statorpols der Zahnstückplatte vergrößert werden kann, kann zum großen Teil oder ganz auf den nichtmagnetischen Abstandshalter (vgl. WO 2004/107530) zwischen den beiden ringförmigen Magnetanordnungen verzichtet werden. Entsprechendes gilt selbstverständlich in analoger Art und Weise für eine Außenläuferkonstruktion .
Eine zweite alternative Anordnungsmöglichkeit für die Magneten auf dem Rückschluss des Rotors führt zu einer
Flusskonzentration. Hierzu sind die Magneten radial in den ringförmigen Rückschluss eingesetzt, sodass die Pole der Magneten einander zugewandt sind, wobei die Magneten gegenpolig angeordnet sind. Im Unterschied zur zuerst genannten Anordnung sind die N- und S-PoIe der Magneten bei dieser alternativen Anordnung folglich nicht den Statorpolen gegenüberliegend angeordnet, sonder vielmehr sind die Pole untereinander gegenüberliegend angeordnet. Bei der beschriebenen gegenpoligen Anordnung entsteht die Reihenfolge N-S, S-N, N-S, u. s. f. Bei dieser gegenpoligen Anordnung wird das Magnetfeld radial nach außen gedrückt, wodurch im Vergleich zur erstgenannten Anordnungsform eine Flusskonzentration auftritt. Hierdurch kann im Rotor die Grunderregung weiter gesteigert werden. Durch die gegenpolige Magnetisierung der Magnete wird der Fluss in den Eisenregionen des Rückschlusses konzentriert, wodurch die Induktion der aktiven Flächen gesteigert wird. Dadurch steigt die Kraftdichte an und der Motor liefert mehr Drehmoment .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Art und Weise der Kühlung eines Phasenmoduls zur Steigerung der Kraftdichte. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, bei einem gattungsgemäßem Phasenmodul zumindest ein Kühlrohr in einer für die Wicklung vorgesehenen Wicklungsnut des Statorrückens anzuordnen. Da eine derartige Kühlung effektiver als bisher bekannte Kühlarten der Statorwicklung ist, kann hierdurch die Kraftdichte und damit das vom Motor gelieferte Drehmoment gesteigert werden. Insofern ist dieser Aspekt der Erfindung unabhängig vom ersten Aspekt der Verbreiterung oder Verlängerung der Statorpole in axiale Richtung. Es ist jedoch insbesondere vorteilhaft, beide Aspekte miteinander zu kombinieren. Beide Aspekte der Erfindung sind - wie bereits betont - in Innen- und Außenläuferkonstruktion zu realisieren. In den folgenden Ausführungsbeispielen ist nur die Innenläuferkonstruktion dargestellt. Die Außenläuferkonstruktion bietet den Vorteil, dass der Bohrungsdurchmesser größer und somit die Drehmomentausbeute höher ist. Auch erlaubt der Außenläufer größere Polzahlen als der Innenläufer.
Im folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorteile anhand von in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Figur 1 zeigt einen aus 3 Phasenmodulen zusammengesetzten Motor (Transversalflussmaschine) in schematischer perspektivischer Ansicht,
Figur 2 zeigt die Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Phasenmoduls in schematischer Form,
Figur 3 zeigt eine ExplosionsZeichnung eines erfindungsgemäßen Phasenmoduls in einer leicht anderen Ausführungsform,
Figur 4 zeigt einen Schnitt durch ein Phasenmodul gemäß Erfindung in axialer Richtung auf Höhe der Statorpole,
Figur 5 zeigt einen Schnitt gemäß Figur 4, hier mit einem Kühlröhr,
Figur 6 zeigt zwei nebeneinander angeordnete Phasenmodule und den zu erzielenden Baulängengewinn,
Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch einen Rotor eines Phasenmoduls, und Figur 8 zeigt einen Querschnitt durch einen Rotor eines Phasenmoduls mit alternativer Anordnung der Magneten zur Konzentration des Magnetflusses.
Figur 1 zeigt sehr schematisch eine aus drei erfindungsgemäßen Phasenmodulen 13 zusammengesetzte Transversalflussmaschine 14. Zu erkennen sind die einzelnen Rücken 1 eines jeden Stators und die mit dem Rücken 1 abschließenden, die Stirnseiten eines jeden Stators 8 bildenden ringförmigen Zahnstückplatten 3. Die Zähne einer jeden Zahnstückplatte 3 sind mit 10 bezeichnet. Sie erstrecken sich in radiale Richtung nach innen und sind erfindungsgemäß in axialer Richtung verlängert. Weiterhin ist aus Figur 1 ein Rotor 9 erkennbar, der trommel- bzw. ringförmig ausgebildet ist und koaxial zum Stator 8 angeordnet ist. Jedes Phasenmodul 13 weist einen solchen Rotor 9 auf. Weiterhin ersichtlich sind die auf dem ringförmigen Rückschluss 4 des Rotors 9 befestigten- Magneten 5.
Bei der in Figur 1 dargestellten Transversalflussmaschine 14 sind 3 Phasenmodule 13 vorhanden. Dies erlaubt, auf bestehende Umrichtertechnik zurückzugreifen. Umrichter und weitere Einzelheiten zur Leistungselektronik sind dem Fachmann bekannt und in den Figuren folglich nicht einzeln dargestellt. Die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine 14 eignet sich zu Bewegung hoher Lasten, insbesondere im niedrigeren Drehzahlbereich. Die Erfindung ermöglicht hohe Kraftdichten und somit eine hohe Drehmomentausbeute.
Figur 2 zeigt die Explosionsansicht eines Phasenmoduls 13 aus Figur 1. Deutlich sichtbar ist der ringförmige Rücken 1 des Stators 8. Der Rücken 1 kann geblecht ausgeführt werden (z. B. Schnittbandkerne oder gestanzte Rondette) . In diesem Rücken 1 ist eine ringförmige Wicklung 2 gelegt, die der Form des entstehenden Freiraumes aus Zahnstückplatte- Rücken-Zahnstückplatte und eventuell vorhandener Kühlrohre angepasst wird. Die ringförmige Wicklung 2 führt den angelegten Wechselstrom.
Die ' Zahnstückplatten 3 sind generell kreis- oder ringförmig und weisen sich in radialer Richtung nach innen erstreckende Zähne 10 auf, wobei erfindungsgemäß diese Zähne 10 in axialer Richtung, in diesem Ausführungsbeispiel in Richtung der Wicklung 2, verlängert sind. Es entsteht somit eine Klauenform der Zähne 10. Im zusammengesetzten Stator 8 liegen die Klauen der beiden Zahnstückplatten 3 einander gegenüber. Durch diese Klauenform wird die aktive Fläche der Zähne 10 stark vergrößert. Im Rotor 9 besteht das Phasenmodul 13 aus einem ringförmigen Rückschluss 4, auf dem Magnete 5 befestigt sind (vergleiche auch Querschnitt in Figur 7) . Die Befestigung der Magnete 5 kann durch Kleben, Klemmen oder Ähnlichem geschehen. Die Magnete 5 weisen die gleiche aktive Fläche auf, wie die Klauenfläche der Zähne 10 des Stators 8. Die aktive Fläche der Magneten 5 kann auch lediglich annähernd gleich der Klauenfläche oder kleiner als die Klauenfläche sein. Es kann sinnvoll sein, nur die axiale Länge annähernd identisch zu wählen und die Polbedeckung des Magneten unterschiedlich zur Polbedeckung der Klauenfläche zu wählen. Dadurch können die genannten Geometrieverhältnisse hinsichtlich maximalem Drehmoment bei minimaler
Momentwelligkeit optimiert werden. Wird die Maschine bei geringen Drehzahlen betrieben, muss der Rückschluss nicht geblecht ausgeführt werden (z. B. Stahlrohr) . Bei höheren Frequenzen bzw. Drehzahlen kann aber eine Blechung zur Reduzierung der Wirbelstromverluste sinnvoll sein (z. B. kostengünstige Schnittbandkerne oder gestanzte Rondette) .
Die Vergrößerung der aktiven Fläche der Magnete 5 führt zu einer benachbarten Anordnung der ringförmigen Magnetanordnungen auf dem Rückschluss 4. Ein nichtmagnetischer Abstandhalter, wie er üblicherweise vorgesehen wird, kann bei vorliegender erfindungsgemäßer Ausführung ganz entfallen. Aufgrund der Klauenform und der vergrößerten Magnetflächen kann die aktive Fläche gesteigert werden. Dies führt zu einer größeren Grunderregung der Maschine und somit zu höheren Kraftdichten. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Vorteile erzielt werden, ohne den Bauraum eines Phasenmoduls zu erhöhen.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Phasenmodul in Explosionsansicht, wobei auf die Erläuterungen der Figur 2 verwiesen wird. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In dieser Ausführungsform gemäß Figur 3 sind die Zahnstückplatten 3 aus einzelnen Zahnsegmenten 11 zusammengesetzt. Die einzelnen Zahnsegmente sind vorteilhaft aus einem
Pulververbundwerkstoff • (SMC) mittels Flächenpressung gefertigt. Sie weisen hohe Robustheit, homogene Materialeigenschaften und geringe Fertigungskosten auf. Die Zahnsegmente 11 werden zu einer ringförmigen kompletten Zahnstückplatte 3 zusammengesetzt. Wie bereits erwähnt, kann die Befestigung der Zahnstückplatten 3 am Rücken 1 des Stators 8 über ringförmige oder eckige Bolzen erfolgen. Auch andere Befestigungsarten wie Klemmen oder Kleben sind möglich. Wichtig ist eine richtungsneutrale Verankerung der Zahhstückplatten und eine verzögerungs- und verlustfreie Übertragung der auftretenden Kräfte und Drehmomente.
Pro Zahnsegment 11 (Figur 3) bzw. pro Zahnstück 10 (Figur 2) sind zwei gegenüberliegende Magnete 5 am Rotor 9 vorgesehen. Die Zeichnungen geben dieses Verhältnis nur schematisch wieder.
Figur 4 zeigt einen axialen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Phasenmodul 13 auf Höhe der Klauen der
Zähne 10. Deutlich sichtbar ist die Klauenform der Zähne 10 die in axialer Richtung in Richtung der Wicklung 2 verlängert sind, wobei die Klauen der Zähne 10 der beiden
Zahnstückplatten 3 aufeinander zu gerichtet sind. Der Rücken des Stators 8 ist mit 1 bezeichnet.
Die Magnete 5 auf dem Rückschluss 4 des Rotors 9 besitzen eine aktive Fläche, die der Klauenfläche der gegenüberliegenden Zähne 10 entspricht. Dies ergibt relativ breite Magnete 5, sodass es insgesamt zu einem höheren
Fluss durch die Grunderregung der Maschine kommt . Der magnetische Fluss geht in Figur 4 über die gesamte Breite des linken Magneten 5 in die gegenüberliegende Klauenfläche des Zahns (oder Statorpols) 10 und von dort in den Rücken 1 des Stators 8, um sich in den rechten Zahn 10 fortzusetzen.
Von dort gelangt der Fluss über die gesamte Klauenfläche des Zahns 10 in die gegenüberliegende Fläche des rechten Magneten 5. Im bisherigen Stand der Technik trägt nur die schmale Breite des Zahnes 10 im oberen Bereich (neben dem Rücken 1) zum Erregungsfluss bei, da die Klauen nicht vorhanden sind. Entsprechend sind die Magneten verkleinert. Figur 4 macht demnach anschaulich die Steigerung der Kraftdichte deutlich.
Figur 5 zeigt eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Kraftdichte, bei der für eine effiziente Kühlung gesorgt wird. Im übrigen sind die Verhältnisse der Figur 5 mit denen der Figur 4 identisch. Insoweit sei auf die Erläuterungen der Figur 4 verwiesen. Gleiche Elemente tragen die selben Bezugszeichen. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Kühlrohr 6 direkt in der Wicklungsnut 12 vorgesehen. In Fig. 5 sind zwei Kühlrohre 6 in der Wicklungsnut 12 dargestellt. Die Kühlung erfolgt über ein in den Kühlrohren 6 fließendes Kühlmittel. Zwischen zwei Zähnen 10 ist ausreichend Platz, um beispielsweise das Kühlrohr nach außen zu führen (bei einem Innenläufer) oder das Kühlrohr nach innen zu führen (bei einem Außenläufer) . Die erfindungsgemäße Art der Kühlung ist effektiver als die im Stand der Technik bekannte, bei der in der Regel ein Kühlmantel verwendet wird.
Die Anordnung der Kühlrohre 6 in Figur 5 in der Wicklungsnut 12 führt auch bei bisher bekannten Phasenmodulen einer Transversalflussmaschine zu einer Steigerung der Kraftdichte. Insofern handelt es sich hier um einen selbstständigen Aspekt der Erfindung.
Figur 6 zeigt zwei nebeneinander angeordnete Phasenmodule 13 aus Figur 5, wobei wieder gleiche Elemente mit den selben Bezugsziffern bezeichnet sind. Es wird auf die Erläuterungen zu den Figuren 4 und 5 verwiesen. Figur 6 verdeutlicht den Baulängengewinn, wobei die Längendifferenz 7 eingespart werden kann, wenn zwischen den nebeneinander liegenden Phasenmodulen 13 Zahnstückplatten 3 mit nur zwei Drittel der Dicke verwendet werden, wie sie beispielsweise die an den Außenseiten angeordnete Zahnstückplatten 3 aufweisen. Die Längendifferenz läßt sich durch den 120°- Versatz im Strom erklären, der einen 120°-Versatz in der Durchflutung bedingt, so daß zwei um 120° versetzte Durchflutungen sich einen Zahn teilen. Die Amplitude der überlagerten Durchflutung ist aber nur 2/3 und nicht 2. Die Verwendung dünnerer Zahnstückplatten 3 führt insgesamt zu Einsparung an Material und Gewicht und somit auch an Kosten.
Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch einen Rotor 9, wie er beispielsweise in Figur 2 dargestellt ist. Der ringförmige Rückschluss des Rotors 9 ist mit 4 bezeichnet. Die Magneten 5 sind nebeneinander auf einer Kreisbahn angeordnet, wobei sich auf der Oberseite der Magneten jeweils N- und S-PoI abwechseln. Die N- und S-PoIe sind hierbei den Zähnen 10 einer Zahnstückplatte 3 des Stators 8 zugewandt. Wie bereits erwähnt, sind zwei Magnete 5 jeweils einem Zahn 10 bzw. Zahnsegment 11 (allgemein Statorpol) zugeordnet.
Eine alternative Anordnung von Magneten 5 in einem Rotor 9 zeigt Figur 8. Die in Figur 8 dargestellte Anordnung führt zu einer Flusskonzentration. Hierzu werden die einzelnen Magneten 5 in radialer Richtung in einen ringförmigen
Rückschluss 4 eingesetzt. Die N- und S-PoIe der Magneten 5 sind jedoch nicht mehr den Statorpolen zugewandt, sondern vielmehr einander zugewandt. Es wird eine gegenpolige Anordnung gewählt, sodass jeweils die gleichen Pole bei zwei benachbarten Magneten 5 sich gegenüberliegen. Dies führt dazu, dass das resultierende Magnetfeld radial nach außen gedrückt wird.
Hierdurch wird der Fluss in den Eisenregionen des
Rückschlusses 4 konzentriert, wodurch die Induktion der aktiven Flächen gesteigert wird. Dadurch, steigt die Kraftdichte an und der Motor liefert mehr Drehmoment.
Bezugszeichenliste
I Rücken im Stator 2 Wicklung
3 Zahnstückplatte
4 Rückschluss
5 Magnet
6 Kühlröhr 7 Langendifferenz
8 Stator
9 Rotor
10 Zähne an Zahnstückplatte
II Zahnsegment an Zahnstückplatte 12 Wicklungsnut
13 Phasenmodul
14 Transversalflussmaschine

Claims

Ansprüche
1. Phasenmodul für eine Transversalflussmaschine (14) bestehend aus einem Stator (8), der einen ringförmigen Rücken (1) zur Aufnahme einer ringförmigen stromführenden Wicklung (2) und mit dem Rücken (1) abschließende, die Stirnseiten des
Stators (8) bildende ringförmige Zahnstückplatten (3) aufweist, einem Rotor (9),. der koaxial zum Stator (8) angeordnet ist, und der einen ringförmigen Rückschluss (4) und darauf befestigte Magnete (5) aufweist, wobei jede Zahnstückplatte (3) des- Stators (8) kreisförmig angeordnete, sich in radiale Richtung erstreckende Zähne
(10) aufweist, die konzentrisch zu den Magneten (5) des Rotors (9) angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zähne (10) einer Zahnstückplatte (3) in axialer
Richtung verlängert sind.
2. Phasenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnet (5) des Rotors (9) die gleiche aktive Fläche wie eine gegenüberliegende Zahnfläche eines Zahns (10) der Zahnstückplatte (3) aufweist.
3. Phasenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstückplatte (3) zumindest im Bereich der Zähne (10) aus einem Pulververbundwerkstoff gefertigt ist.
;
4. Phasenmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstückplatte (3) aus zusammengesetzten einzelnen Zahnsegmenten (11) gefertigt ist.
5. Phasenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem ringförmigen Rückschluss (4) angeordneten Magneten (5) des Rotors (9) derart angeordnet sind, dass abwechselnd N- und S-PoIe auf dem Umfang des Rückschlusses (4) liegen.
6. Phasenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (5) des Rotors (9) radial in den ringförmigen Rückschluss (4) eingesetzt sind, sodass die Pole der Magneten (5) einander zugewandt sind, wobei die Magneten (5) gegenpolig angeordnet sind.
7. Phasenmodul für eine Transversalflussmaschine (14), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus einem Stator (8), der einen ringförmigen Rücken (1) zur Aufnahme einer ringförmigen stromführenden Wicklung (2) und mit dem Rücken (1) abschließende, die Stirnseiten des Stators (8) bildende ringförmige Zahnstückplatten (3) aufweist, einem Rotor (9), der koaxial zum Stator (8) angeordnet ist, und der einen ringförmigen Rückschluss (4) und darauf befestigte Magnete (5) aufweist, wobei jede Zahnstückplatte (3) des Stators (8) kreisförmig angeordnete, sich in radiale Richtung erstreckende Zähne (10) aufweist, die konzentrisch zu den Magneten (5) des Rotors (9) angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Kühlung des Phasenmoduls zumindest ein Kühlrohr (6) in einer für die Wicklung (2) vorgesehenen Wicklungsnut (12) des Statorrückens (1) angeordnet ist.
8. Phasenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenmodul (13) als Innenläufer ausgebildet ist.
9. Phasenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenmodul (13) als Außenläufer ausgebildet ist.
10. Phasenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnet (5) des Rotors (9) und eine gegenüberliegende Zahnfläche eines Zahns (10) der Zahnstückplatte (3) jeweils eine, zumindest geringfügig, insbesondere um ± 0,1 % bis 50 %, voneinander abweichende, aktive Fläche aufweisen.
11. Transversalflussmaschine mit mehreren Phasenmodulen (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Transversalflussmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Phasenmodulen (13), die mit zwei ringförmigen Zahnstückplatten (3) aneinander grenzen, die Plattenbreite der aneinander grenzenden Zahnstückplatten (3) in axialer Richtung um ein Drittel der ursprünglichen Breite verringert ist.
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