WO2007014674A1 - Permanenterregte elektrische maschine - Google Patents

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WO2007014674A1
WO2007014674A1 PCT/EP2006/007327 EP2006007327W WO2007014674A1 WO 2007014674 A1 WO2007014674 A1 WO 2007014674A1 EP 2006007327 W EP2006007327 W EP 2006007327W WO 2007014674 A1 WO2007014674 A1 WO 2007014674A1
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WO
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stator
permanent magnet
electric machine
teeth
rotor
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/007327
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Hoffmann
Andreas GRÜNDL
Original Assignee
Compact Dynamics Gmbh
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.)
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Publication date
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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
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/52—Fastening salient pole windings or connections thereto
    • H02K3/521—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to stators only
    • H02K3/525—Annular coils, e.g. for cores of the claw-pole type

Definitions

  • the following describes a permanent magnet electric machine.
  • it is a transversal flux machine with a stator and a rotor, wherein either either the stator has a stator coil and the rotor is provided with permanent magnet elements, or the rotor has a rotor coil and the stator is provided with permanent magnet elements.
  • the term "electrical machine” means both motors and generators. It is irrelevant whether such a machine is designed as a running machine or, for example, as a linear motor. In addition, this concept can be used both in êtiäufermaschinen as well as external rotor machines.
  • EP 0 952 657 A2 discloses a transverse flux machine with a stator arrangement in a stator housing, in which a pole system with a U-shaped cross section extending in the direction of rotation is arranged. In the recess between the legs of the U-shaped cross section, a ring winding extending in the circumferential direction is received.
  • a rotor assembly has rows of alternating permanent magnets and soft iron return elements.
  • On the stator side a support ring is provided in each case between the ring winding and the rotor arrangement, which has recesses for receiving in the direction of the rotor arrangement projecting teeth of the pole system at both edge regions.
  • the support ring serves to stabilize the pole system and the toroidal coil.
  • Each pole system consists of an annular pole yoke and two in its lateral areas of subsequent pole rings. The pole rings have notches or slots in their poljochsei- edge areas.
  • the pole rings are formed with molded pole teeth, outer stator and inner stator of segmental plates, each consisting of mutually insulated sheets.
  • the segment plates extend for example over a sixth of the circumference.
  • the aim is to provide a compact and highly efficient electric machine that allows a high power density with optimized construction for mass production.
  • the solution proposed is an electric machine with a stator and a rotor, wherein either the stator has a coil arrangement and the rotor is provided with permanent magnet elements, or the rotor has a coil arrangement and the stator is provided with permanent magnet elements. Between the stator and the rotor, an air gap is formed, which is bounded by the permanent magnet elements and aligned with these in certain positions magnetically conductive teeth of the stator.
  • the coil arrangement has at least one hollow-cylindrical winding made of strip material of substantially rectangular cross-section, which has an inner and an outer lateral surface and two end faces and is at least partially accommodated in the stator.
  • the stator has an interruption, which essentially prevents electrical current flow in the circumferential direction of the stator during operation of the machine.
  • the stand is formed of two cylinder segments between which the breaks are located.
  • the stand is composed of two pieces, preferably identical pieces.
  • each winding of the coil arrangement has electrical connections which are arranged between the separating surfaces and extend out of the stand.
  • This arrangement ensures that a magnetic flux guide which is rotationally symmetrical to the central longitudinal axis and thus the occurrence of eddy currents is prevented.
  • the stator may have the coil arrangement with the magnetic flux guide pieces and the rotor is provided with the permanent magnet elements. This avoids the need for moving (for example, rotating) current transitions to a coil arrangement present in the rotor.
  • the stator may in one embodiment have a stator back, and the interruption may extend in a radial or tangential direction between the stator back and the teeth.
  • the orientation that the interruption has relative to the central longitudinal axis of the stator or its boundary surfaces is not critical. All that matters is that the occurrence of electrical eddy currents in the circumferential direction of the stator is almost completely ruled out due to magnetic flux.
  • the stator at least two each have a hollow cylindrical winding of their end faces ago comprehensive shell parts.
  • Each of the shell parts has at its side facing the air gap each have the teeth.
  • the individual cylinder segments can have separating surfaces which are electrically insulated.
  • Each winding of the coil assembly has at its ends in each case a terminal lug, which are laterally projecting from the inner or the outer lateral surface and folded over in the direction of one of the end faces of the stator.
  • the magnetic flux conducting pieces have a substantially parallelepiped shape or a shape tapering toward the teeth in width and / or height.
  • the stand or parts thereof may be constructed of sheet metal or sheet metal sections, or may be formed of pressed and / or sintered iron particles of the appropriate shape. Similarly, mixed forms of these two variants can also be used. be in which transition areas of radially oriented sheet metal sections are formed to axially oriented sheet sections of pressed and sintered iron particles.
  • the magnetic flux conducting pieces may be formed of solid ferrous metal, stacked sheets or molded and sintered iron particles. This is primarily dependent on the operating frequency of the current flowing through the coil assembly, since with increasing frequency, the eddy current losses in magnetic flux guide pieces of solid iron-containing metal increase.
  • the magnetic flux guide pieces may have a substantially cuboid shape. It is also possible to give them a shape tapering towards their ends in width and / or height. Such shaping reduces or minimizes magnetic leakage flux between adjacent magnetic flux conducting pieces.
  • the permanent magnet elements may have a substantially cuboid shape; However, they may also have a shape that substantially matches the shape of the magnetic flux guide pieces; they may therefore be rectangular, square, trapezoidal or triangular, or diamond-shaped, or the like.
  • the coil arrangement can either be operated with single-phase current or be configured as a multi-phase arrangement (preferably more than two). In the latter case, it may comprise a plurality of coaxially juxtaposed windings adapted to be operated out of phase with each other.
  • the teeth and / or the magnetic flux conducting pieces may be held by a magnetically ineffective tube.
  • the teeth and / or the magnetic flux conducting pieces may be held by a magnetically ineffective tube.
  • the magnetically ineffective tube may be formed from aluminum-containing metal, plastic, or the like, in which recesses are provided in which correspondingly shaped projections of the teeth and / or the magnetic flux guide pieces are received.
  • the St may also have a magnetically effective tube to which the teeth, preferably by gluing, welding, or by form-fitting connections are attached.
  • the magnetically active tube has at least two sub-tubes which are slotted into one another along their lateral surface and which preferably have a cross-sectionally conical, triangular or trapezoidal shape.
  • the longitudinal slot may be straight or curved (for example helical).
  • the coil assembly has a plurality of coaxially spaced windings configured to operate out of phase with each other.
  • Fig. 1 is a side schematic view of a longitudinal section through an embodiment of a permanently excited electric machine is illustrated.
  • FIG. 2 a schematic plan view of a section along the line II-II in FIG. 1 is illustrated.
  • Fig. 2a is a lateral development of a stator of a permanently energized electric machine
  • Fig. 2b is a schematic longitudinal section through two, forming a stator back tubes illustrated.
  • FIG. 1 A perspective top view of a winding of a coil arrangement with its terminal lugs is illustrated in FIG.
  • FIG. 4 an enlarged perspective top view of one of the terminal lugs of the winding from FIG. 3 is illustrated.
  • Fig. 1 is a longitudinal section through an embodiment of a permanently energized electrical see machine 10 in the embodiment shown as external rotor machine.
  • the electric machine 10 has a stator 12 and a rotor 14.
  • An air gap 16 is formed between the rotor 14 and the stator 12.
  • the stand 12 is - separated by the air gap 16 - surrounded by the cup-shaped rotor 14, which at its one End face has a plate 18 with an opening 18a, in which a not further illustrated output shaft with the rotor 14 is rotatably connected.
  • the bearing of the rotor by means of suitable ball or roller bearings is also not further illustrated.
  • the stator 12 has a coil arrangement 28 with two hollow-cylindrical windings 28a, 28b, which is arranged coaxially to the central longitudinal axis M of the transverse flux machine 10.
  • Each of the hollow cylindrical windings 28a, 28b is wound from strip material substantially rectangular in cross-section and has an inner and an outer lateral surface 30, 32 and a lower and an upper end surface 34, 36.
  • These hollow cylindrical windings 28a, 28b are accommodated in the stator 12 .
  • the stator 12 has an approximately 40 on a diameter line interruption 40 (see Rg. 2), which prevents the operation of the machine that in the circumferential direction of the stator 12, a completely rotating electrical current caused by the axial magnetic field can flow.
  • the stand 12 is constructed in several parts in the present embodiment, but may also be designed in one piece.
  • the / each winding 28a, 28b of the coil assembly 28 is enclosed by shell parts 30, which act as magnetic flux yoke 30 and in a along the central longitudinal axis M of the coil assembly placed sectional view (see section line in Fig. 2) are designed approximately C-shaped.
  • Each magnetic flux yoke 30 has on its flank facing the rotor a multiplicity of teeth 32, which are oriented parallel to the central longitudinal axis M. In each case two magnetic flux yokes 30 surround a winding 28a, 28b from their respective end faces 24, 26 ago.
  • the teeth 32 of the magnetic flux yokes 30 are arranged at an inner rotor machine on the inner circumferential surface of the hollow cylindrical windings and in an external rotor machine (such as the example shown here) on the outer circumferential surface of the hollow cylindrical windings.
  • the magnetic flux yokes 30, which are otherwise substantially equivalent to a respective winding 28a, 28b, are arranged with their respective teeth 32 intermeshed by half a tooth pitch (see also FIG. 2a).
  • Rotor 14 permanent magnet elements 50 are arranged, whose magnetic orientation is alternately to the air gap 16 out. This is illustrated by the alternating polarities with the radially inwardly or radially outwardly pointing triangles in FIG. 2.
  • the permanent magnet elements 50 of an axial row of the rotor 14 are aligned with teeth 32 of an axial row of the stator 12.
  • the teeth 32 or magnetic flux conducting pieces provided in their place have a substantially trapezoidal shape.
  • FIG. 2 a shows, on the basis of the teeth 32, that they can have a width that tapers in the direction of the end sections of the two legs of the maget flux yokes 30.
  • the magnetic flux guides 38 may also taper in height toward their ends 38a. This is illustrated in Fig. 1 in a side sectional view of the teeth 32. Between adjacent teeth 32 may be arranged to increase the mechanical stability magnetically substantially ineffective connector, which also determine the relative position of the teeth to each other. These connectors may be either thin webs of the same material as the teeth 32, which due to their small dimensions in the operation of the machine immediately reach the magnetic saturation and therefore are not practically magnetically effective. Alternatively, the connectors may also be formed by inserted between the teeth 32 plastic material.
  • the permanent magnet elements 50 may have a shape that substantially matches the shape of the teeth 32; they may therefore be rectangular, trapezoidal or triangular, or diamond-shaped, or the like.
  • the permanent magnet elements 50 can only approximately half as long in the direction of the central longitudinal axis M as the aligned with them teeth 32. In the direction of the central longitudinal axis M adjacent permanent magnet elements 50 also have a different magnetic orientation. This results in a checkered alternating arrangement of oppositely oriented permanent magnet elements 50.
  • stator 12 may also be formed of more than two (for example, three or four, depending on the diameter of the stator) cylinder segments 12a, 12b, between which the interruptions 40 are located.
  • the cylinder segments 12a, 12b thus have parting surfaces - namely walls 40 ', 40 "of the slit-shaped interruptions 40. These parting surfaces 40', 40" can be electrically insulated by a plastic layer or a varnish or the like.
  • Control electronics 60 (see the reference numeral 60 in Fig. 1, which designates a circuit board) reach out in the electrical machine shown Connections of the winding / s of the coil assembly 28 to the control electronics 60, which is arranged on the side remote from the plate 18 of the rotor side.
  • the drive electronics 60 between the stator and the plate 18 of the rotor. In this case, forced ventilation / cooling of the control electronics 60 could also take place through openings in the plate 18 and corresponding air guide vanes.
  • the stand 12 has a stator back 13 of two nested and, for example, glued together iron pipes 13a, 13b, each having a along the central longitudinal axis M oriented slot.
  • the two tubes 13a, 13b are so arranged rotated against each other about the central longitudinal axis M, that their respective slots do not overlap.
  • the two tubes 13a, 13b are rotated relative to each other so that the respective slots face each other.
  • the two tubes 13a, 13b are insulated from each other by the adhesive.
  • the stability of the overall arrangement is very high due to the twisted tubes. Effectively, the break 40 extends in a radial (or tangential) direction between the stator back and the teeth of the stator.
  • the interruption in their (radial or tangential) extent also - as explained in connection with the two tubes 13a, 13b - dislocations have.
  • This variant also ensures that the overall result is a non-rotationally symmetrical magnetic flux guide.
  • the two tubes 13a, 13b may have a conical, triangular or trapezoidal shape in longitudinal section (see FIG. 2b). This can facilitate the assembly.
  • an annular collar 13c, 13d formed radially outwardly (or in the case of réelleläu- fermaschine inwardly) protrudes.
  • the two annular collars 13c, 13d each form a conclusion, between which the other components of the stator are stably received.
  • the winding / s of the coil assembly 28 at their terminal ends each have a terminal lug 62 / s, of the inner or outer lateral surface 30, 32 laterally (radially or angled) to form a Steges 62a projecting and folded in the direction of one of the end faces of the stator 12 along a sloping folded edge 62b. This is illustrated in detail in FIGS. 3 and 4.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Eine permanenterregte elektrische Maschine (10) mit einem Ständer (12) und einem Läufer (14) , bei der entweder der Ständer ( 12) eine Spulenanordnung (28) aufweist und der Läufer mit Permanentmagnet-Elementen (50) versehen ist, oder der Läufer eine Spulenanordnung aufweist und der Ständer mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist hat zwischen dem Ständer (12) und dem Läufer (14) einen Luftspalt 8(16) gebildet, der von den Permanentmagnet-Elementen (50) und mit auf diese in bestimmten Positionen ausgerichteten magnetisch leitenden Zähnen (32) des Ständers (12) begrenzt ist. Dabei hat die Spulenanordnung (28) wenigstens eine hohlzylindrische Wicklung aus im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigem Bandmaterial, die eine innere und eine äußere Mantelfläche sowie zwei Stirnflächen hat und in dem Ständer (12) zumindest teilweise aufgenommen ist, wobei der Ständer (12) zumindest eine Unterbrechung (40) aufweist, die im Betrieb der Maschine in Um-fangsrichtung des Ständers (12) elektrischen Stromfluss im Wesentlichen unterbindet.

Description

Permanenterreqte elektrische Maschine
Beschreibung
Hintergrund
Nachstehend ist eine permanenterregte elektrische Maschine beschrieben. Insbesondere geht es um eine Transversalflussmaschine mit einem Ständer und einem Läufer, wobei jeweils entweder der Ständer eine Ständerspule aufweist und der Läufer mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist, oder der Läufer eine Läuferspule aufweist und der Ständer mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist.
Begriffsdefinitionen
Unter dem Begriff "Elektrische Maschine" werden sowohl Motoren als auch Generatoren verstanden. Dabei ist es unerheblich, ob eine solche Maschine als rund laufende Maschine oder zum Beispiel als Linearmotor ausgestaltet ist. Außerdem ist dieses Konzept sowohl bei Inneniäufermaschinen als auch bei Außenläufermaschinen einsetzbar.
Stand der Technik
Die DE 195 47 159 Al zeigt eine Transversalflussmaschine mit Leiterringen, die von u- förmigen, weichmagnetischen Körpern von drei Seiten umschlossen sind, wobei ein magnetischer Kreis von weich- und/oder hartmagnetischen Teilen periodisch geschlossen wird. Diese Teile sind durch zwei, radial außerhalb der Leiterringe angeordnete Luftspalte vom jeweiligen u-förmigen, weichmagnetischen Körper getrennt. Die magnetisch aktiven Teile des Rotors oder Stators sind teilweise axial innerhalb der Enden der u-förmigen weichmagnetischen Körper angeordnet.
Aus der EP 0 952 657 A2 ist eine Transversalflussmaschine mit einer Statoranordnung in einem Statorgehäuse bekannt, in dem ein sich in Umlaufrichtung erstreckendes Polsystem mit U-förmigem Querschnitt angeordnet ist. In der Ausnehmung zwischen den Schenkeln des U-förmigen Querschnitts ist eine sich in Umlaufrichtung erstreckende Ringwicklung aufgenommen. Eine Rotoranordnung hat Reihen von abwechselnd angeordneten Permanentmagneten und Weicheisen-Rückflusselementen. Statorseitig ist jeweils zwischen der Ringwicklung und der Rotoranordnung ein Tragring vorgesehen, der an beiden Randbereichen Ausnehmungen zur Aufnahme von in Richtung der Rotoranordnung vorstehenden Zähnen des Polsystems aufweist. Der Tragring dient zur Stabilisierung des Polsystems und der Ringspule. Jedes Polsystem besteht aus einem ringförmigen Poljoch und zwei in dessen seitlichen Bereichen daran anschließenden Polringen. Die Polringe haben in ihren poljochsei- tigen Randbereichen Einschnitte oder Schlitze.
Aus der DE 39 04 516 Cl ist eine permanentmagnet-erregte elektrische Maschine bekannt, deren Polringe mit angeformten Polzähnen, Außenstator und Innenstator aus Segmentblechen zusammenzusetzen sind, die jeweils aus gegeneinander isolierten Blechen bestehen. Die Segmentbleche erstrecken sich beispielsweise über ein Sechstel des Umfangs.
Zugrundeliegendes Problem Das Ziel ist, eine kompakt bauende und hocheffiziente elektrische Maschine bereit zu stellen, die eine hohe Leistungsdichte bei für die Serienfertigung optimiertem Aufbau erlaubt.
Lösung
Als Lösung wird eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Läufer vorgeschla- gen, wobei entweder der Ständer eine Spulenanordnung aufweist und der Läufer mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist, oder der Läufer eine Spulenanordnung aufweist und der Ständer mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist. Zwischen dem Ständer und dem Läufer ist ein Luftspalt gebildet, der von den Permanentmagnet-Elementen und mit auf diese in bestimmten Positionen ausgerichteten magnetisch leitenden Zähne des Ständers begrenzt ist. Die Spulenanordnung weist wenigstens eine hohlzylindrische Wicklung aus im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigem Bandmaterial auf, die eine innere und eine äußere Mantelfläche sowie zwei Stirnflächen hat und in dem Ständer zumindest teilweise aufgenommen ist. Der Ständer weist eine Unterbrechung auf, die im Betrieb der Maschine in Umfangs- richtung des Ständers elektrischen Stromfluss im Wesentlichen unterbindet. Genauer gesagt ist der Ständer aus zwei Zylindersegmenten gebildet, zwischen denen sich die Unterbrechungen befinden. Mit anderen Worten ist der Ständer aus zwei - vorzugsweise gleichen - Stücken zusammen gesetzt. Weiterhin weist jede Wicklung der Spulenanordnung elektrische Anschlüsse auf, die zwischen den Trennflächen angeordnet sind und aus dem Ständer herausreichen.
Diese Anordnung erreicht, dass eine zur Mittellängsachse rotationssymmetrische Magnetflussführung - und somit das Auftreten von Wirbelströmen - verhindert ist.
Damit ist es möglich, die magnetischen Eigenschaften des Materials des Ständers optimal zu nutzen. Hierdurch wird eine maximale Ausnutzung des Ständervolumens in der elektrischen Maschine mit sehr hoher Zuverlässigkeit im Betrieb bei geringen Herstellungskosten erreicht. Durch die verbesserte Raumausnutzung erhöht sich außerdem der Wirkungsgrad oder die Leistungsdichte der Maschine.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der elektrische Maschine Der Ständer kann die Spulenanordnung mit den Magnetfluss-Leitstücken aufweisen und der Läufer ist mit den Permanentmagnet-Elementen versehen. Dies vermeidet die Notwendigkeit bewegter (zum Beispiel rotierender) Stromübergänge auf eine im Läufer vorhandene Spulenanordnung.
Der Ständer kann in einer Ausführungsform einen Ständerrücken haben, und die Unterbrechung kann sich in radialer oder tangentialer Richtung zwischen dem Ständerrücken und den Zähnen erstrecken. Die Orientierung, den die Unterbrechung relativ zur Mittel längsachse des Ständers oder dessen Begrenzungsflächen hat, ist nicht kritisch. Es kommt nur darauf an, dass das Auftreten von elektrischen Wirbelströmen in Umfangsrichtung des Ständers auf- grund von magnetischem Fluss so gut wie vollständig ausgeschlossen ist.
Dabei kann der Ständer wenigstens zwei jeweils eine hohlzylindrische Wicklung von deren Stirnflächen her umfassende Schalenteile aufweisen. Jedes der Schalenteile hat an ihrer dem Luftspalt zugewandten Seite jeweils die Zähne haben.
Die einzelnen Zylindersegmente können dabei Trennflächen haben, die elektrisch isoliert sind.
Jede Wicklung der Spulenanordnung weist an ihren Enden jeweils eine Anschlussfahne auf, die von der inneren oder der äußeren Mantelfläche seitlich abstehend und in Richtung einer der Stirnflächen des Ständers umgefaltet sind.
Zwischen den Zähnen sind entlang des Umfangs des Ständers Magnetflussleitstücke angeordnet.
Die Magnetfluss-Leitstücke eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt oder eine sich in Richtung zu den Zähnen in der Breite und/oder der Höhe verjüngende Gestalt haben.
Der Ständer oder dessen Teile können aus Blechen oder Blechabschnitten aufgebaut ist, oder aus zu der entsprechenden Gestalt gepressten und/oder gesinterten Eisenpartikeln geformt ist. Gleichermaßen können auch Mischformen aus diesen beiden Varianten verwen- det werden, bei denen Übergangsbereiche von radial orientierten Blechabschnitten zu axial orientierten Blechabschnitten aus gepressten und gesinterten Eisenpartikeln geformt sind.
Die Magnetfluss-Leitstücke können aus massivem eisenhaltigem Metall, aus gestapelten Blechen oder aus zu der entsprechenden Gestalt gepressten und gesinterten Eisenpartikeln geformt sein. Dies ist in erster Linie von der Betriebsfrequenz des die Spulenanordnung durchfließenden Stromes abhängig, da mit steigender Frequenz die Wirbelstromverluste in Magnetfluss-Leitstücken aus massivem eisenhaltigem Metall zunehmen.
Die Magnetfluss-Leitstücke können eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt haben. Es ist auch möglich, ihnen eine sich zu ihren Enden hin in der Breite und/ oder der Höhe verjüngende Gestalt zu geben. Eine solche Formgebung verringert oder minimiert die magnetischen Streuflüsse zwischen benachbarten Magnetfluss-Leitstücken.
Die Permanentmagnet-Elemente können eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt haben; sie jedoch auch können eine Gestalt aufweisen, die im Wesentlichen mit der Gestalt der Magnetfluss-Leitstücke übereinstimmt; sie können also rechteckig, quadratisch, trapez- oder dreieck-, bzw. rautenförmig, oder dergl. sein.
Die Spulenanordnung kann entweder mit Strom einer einzigen Phase betrieben werden oder als Mehrphasenanordnung (vorzugsweise mehr als zwei) ausgestaltet sein. Im letzteren Fall kann sie mehrere koaxial nebeneinander angeordnete Wicklungen aufweisen, die dazu eingerichtet sind, phasenversetzt zu einander betrieben zu werden.
Die Zähne und/oder die Magnetfluss-Leitstücke können durch ein magnetisch unwirksames Rohr gehalten sein.
Die Zähne und/oder die Magnetfluss-Leitstücke können durch ein magnetisch unwirksames Rohr gehalten sein. Dabei kann das magnetisch unwirksame Rohr aus aluminiumhaitigem Metall, Kunststoff, oder dergl. gebildet sein, in dem Ausnehmungen vorgesehen sind, in denen entsprechend geformte Vorsprünge der Zähne und/ oder der Magnetfluss-Leitstücke aufgenommen sind.
Der Ständerrückei? kann auch ein magnetisch wirksames Rohr aufweisen, an dem die Zähne, vorzugsweise durch Kleben, Schweißen, oder durch formschlüssige Verbindungen angebracht sind. In einer weiteren Ausführungsform hat das magnetisch wirksame Rohr wenigstens zwei ineinander zu steckende entlang ihrer Mantelfläche geschlitzte Teilrohre, die vorzugsweise eine im Querschnitt konische, dreieckige oder trapezförmige Gestalt haben. Dabei kann der Längsschlitz gerade oder gekrümmt (zum Beispiel schraubenförmig) verlaufen.
Die Spulenanordnung hat mehrere koaxial beabstandet angeordnete Wicklungen, die dazu eingerichtet sind, phasenversetzt zu einander betrieben zu werden.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht, in der auf die beigefügten Zeichnung Bezug genommen ist.
In Hg. 1 ist eine seitliche schematische Ansicht eines Längsschnittes durch eine Ausführungsform einer permanent erregten elektrischen Maschine veranschaulicht.
In Rg. 2 ist eine schematische Draufsicht auf einen Schnitt längs der Linie II - II in der Hg. 1 veranschaulicht.
In Hg. 2a ist eine seitliche Abwicklung eines Ständers einer permanent erregten elektrischen Maschine veranschäülichtr
In Hg. 2b ist ein schematischer Längsschnitt durch zwei, einen Ständerrücken bildenden Rohre veranschaulicht.
In Hg. 3 ist eine perspektivische Draufsicht auf eine Wicklung einer Spulenanordnung mit ihren Anschlussfahnen veranschaulicht.
In Rg. 4 ist eine vergrößerte perspektivische Draufsicht auf eine der Anschlussfahnen der Wicklung aus Rg. 3 veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
In Hg. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer permanent erregten elektri- sehen Maschine 10 in der Ausgestaltung als Außenläufermaschine gezeigt. Das veranschaulichte und nachstehend erläuterte Konzept ist jedoch auch für eine Innenläufermaschine einsetzbar. Die elektrische Maschine 10 hat einen Ständer 12 und einen Läufer 14. Zwischen dem Läufer 14 und dem Ständer 12 ist ein Luftspalt 16 gebildet. Der Ständer 12 ist - durch den Luftspalt 16 getrennt - von dem topfförmigen Läufer 14 umgeben, der an seiner einen Stirnfläche eine Platte 18 mit einer Öffnung 18a aufweist, in der eine nicht weiter veranschaulichte Abtriebswelle mit dem Läufer 14 drehfest verbunden ist. Die Lagerung des Läufers mittels geeigneter Kugel- oder Rollenlager ist ebenfalls nicht weiter veranschaulicht.
Der Ständer 12 hat eine Spulenanordnung 28 mit zwei hohlzylindrischen Wicklungen 28a, 28b, die koaxial zur Mittellängsachse M der Transversalflussmaschine 10 angeordnet ist. Jede der hohlzylindrischen Wicklungen 28a, 28b ist aus im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigem Bandmaterial gewickelt und hat eine innere und eine äußere Mantelfläche 30, 32 sowie eine untere und eine obere Stirnfläche 34, 36. Diese hohlzylindrischen Wicklungen 28a, 28b sind in dem Ständer 12 aufgenommen. Der Ständer 12 hat eine etwa auf einer Durchmesserlinie liegende Unterbrechung 40 (siehe Rg. 2), die im Betrieb der Maschine verhindert, dass in Umfangsrichtung des Ständers 12 ein komplett umlaufender elektrischer Strom, hervorgerufen durch das axiale Magnetfeld fließen kann.
Der Ständer 12 ist in der vorliegenden Ausführungsform mehrteilig aufgebaut, kann aber auch einstückig gestaltet sein. Dazu ist die/jede Wicklung 28a, 28b der Spulenanordnung 28 von Schalenteilen 30 eingefasst, die als Magnetfluss-Joch 30 wirken und in einer längs der Mittellängsachse M der Spulenanordnung gelegten Schnittansicht (siehe Schnittlinie in Fig. 2) etwa C-förmig gestaltet sind. Jedes Magnetfluss-Joch 30 hat an seiner dem Läufer zuge- wandten Flanke eine Vielzahl von Zähnen 32, die parallel zur Mittellängsachse M orientiert sind. Jeweils zwei Magnetfluss-Joche 30 umgreifen eine Wicklung 28a, 28b von deren jeweiligen Stirnflächen 24, 26 her. Damit sind die Zähne 32 der Magnetfluss-Joche 30 bei einer Innenläufer-Maschine an der innenliegenden Mantelfläche der hohlzylindrischen Wicklungen angeordnet und bei einer Außenläufer-Maschine (wie das vorliegend gezeigte Beispiel) an der außenliegenden Mantelfläche der hohlzylindrischen Wicklungen. Die ansonsten im Wesentlichen gegengleichen, einer jeweiligen Wicklung 28a, 28b zugeordneten Magnetfluss- Joche 30 sind mit ihren jeweiligen Zähnen 32 um eine halbe Zahnteilung versetzt ineinander greifend angeordnet (siehe auch Fig. 2a).
Von den Zähnen 32 um den Luftspalt 16 in radialer Richtung beabstandet, sind an dem
Läufer 14 Permanentmagnet-Elemente 50 angeordnet, deren magnetische Orientierung zu dem Luftspalt 16 hin jeweils abwechselnd ist. Dies ist durch die abwechselnden Polungen mit den radial nach innen bzw. radial nach außen zeigenden Dreiecken in Fig. 2 veranschaulicht. In bestimmten Positionen des Läufers 14 relativ zum Ständer 12 fluchten die Permanent- magnet-Elemente 50 einer axialen Reihe des Läufers 14 mit Zähnen 32 einer axialen Reihe des Ständers 12. Wie in den Fig. 1 und 2, 2a veranschaulicht, haben die Zähne 32 oder an deren Stelle vorgesehene Magnetfluss-Leitstücke eine im Wesentlichen trapezförmige Gestalt. Rg. 2a zeigt anhand der Zähne 32, dass diese eine sich in Richtung zu den Endabschnitten der beiden Schenkel der Magetfluss-Joche 30 hin in der Breite verjüngende Gestalt haben können. Zusätzlich zur Verjüngung in der Breite können die Magnetfluss-Leitstücke 38 sich auch in der Höhe zu ihren Enden 38a hin verjüngen. Dies ist in Fig. 1 in einer seitlichen Schnittansicht für die Zähne 32 veranschaulicht. Zwischen benachbarten Zähnen 32 können zur Erhöhung der mechanischen Stabilität magnetisch im Wesentlichen unwirksame Verbinder angeordnet, welche die relative Position der Zähne zueinander ebenfalls festlegen. Diese Verbinder können entweder dünne Stege aus dem selben Material wie die Zähne 32 sein, welche aufgrund ihrer geringen Abmessungen im Betrieb der Maschine sofort in die magnetische Sättigung gelangen und daher magnetisch praktisch nicht wirksam sind. Alternativ dazu können die Verbinder auch durch zwischen die Zähne 32 eingebrachtes Kunststoff-Material gebildet sein.
Die Permanentmagnet-Elemente 50 können eine Gestalt aufweisen, die im Wesentlichen mit der Gestalt der Zähne 32 übereinstimmt; sie können also rechteckig, trapez- oder dreieck-, bzw. rautenförmig, oder dergl. sein. Die Permanentmagnet-Elemente 50 können in Richtung der Mittellängsachse M nur etwa halb so lang wie die mit ihnen fluchtenden Zähne 32. In Richtung der Mittellängsachse M zueinander benachbarte Permanentmagnet-Elemente 50 haben ebenfalls eine unterschiedliche magnetische Orientierung. Hieraus resultiert eine schachbrettartig sich abwechselnde Anordnung von gegensätzlich orientierten Permanentmagnet-Elementen 50.
Die in Fig. 2 veranschaulichte Unterbrechung 40 des Ständers 12 entlang einer Durchmesserlinie hat effektiv zur Folge, dass der Ständer aus zwei entlang der Mittellängsachse geteilte Hohlzylinderhälften 12a, 12b gebildet ist. Es versteht sich, dass der Ständer 12 auch aus mehr als zwei (zum Beispiel drei oder vier, je nach Durchmesser des Ständers) Zylindersegmenten 12a, 12b gebildet sein kann, zwischen denen sich die Unterbrechungen 40 befinden. Die Zylindersegmente 12a, 12b haben damit Trennflächen - nämlich Wandungen 40', 40" der schlitzförmigen Unterbrechungen 40. Diese Trennflächen 40', 40" können durch eine Kunststoffschicht oder eine Lackierung oder dergl. elektrisch isoliert sein. Damit ist es möglich, die elektrischen Anschlüsse der Wicklung/en der Spulenanordnung 28 zwischen diesen Trennflächen 40', 40" anzuordnen und in Richtung der Mittellängsachse M so lange zu di- mensionieren, dass sie aus dem Ständer 12 zu einer - im Detail nicht weiter veranschaulichten Ansteuerelektronik 60 (siehe das Bezugszeichen 60 in Fig. 1, welches eine Platine bezeichnet) herausreichen. Bei der gezeigten elektrischen Maschine reichen die elektrischen Anschlüsse der Wicklung/en der Spulenanordnung 28 zu der Ansteuerelektronik 60, welche auf der von der Platte 18 des Läufers abliegenden Seite angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, die Ansteuerelektronik 60 zwischen dem Ständer und der Platte 18 des Läufers anzuordnen. In diesem Fall könnte auch eine Zwangsbelüftung/Kühlung der Ansteuerelekt- ronik 60 durch in der Platte 18 befindliche Öffnungen und entsprechende Luftleitschaufeln erfolgen.
Der Ständer 12 hat einen Ständerrücken 13 aus zwei ineinander gesteckten und zum Beispiel miteinander verklebten Eisenrohren 13a, 13b, die jeweils einen längs der Mittellängsachse M orientierten Schlitz haben. Die beiden Rohre 13a, 13b sind so gegeneinander um die Mittellängsachse M verdreht angeordnet, dass ihre jeweiligen Schlitze nicht übereinander liegen. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die beiden Rohre 13a, 13b so zueinander verdreht, dass die jeweiligen Schlitze einander gegenüber liegen. Die beiden Rohre 13a, 13b sind durch den Klebstoff zueinander isoliert. Gleichzeitig ist die Stabilität der Gesamtanordnung durch die zueinander verdrehten Rohre sehr hoch. Effektiv erstreckt sich die Unterbrechung 40 sich in radialer (oder tangentialer) Richtung zwischen dem Ständerrücken und den Zähnen des Ständers. Dabei kann die Unterbrechung in ihrer (radialen oder tangentialen) Erstreckung auch - wie im Zusammenhang mit den beiden Rohren 13a, 13b erläutert - Versetzungen haben. Auch diese Variante stellt sicher, dass sich insgesamt eine nicht rotationssymmetri- sehe Magnetflussführung ergibt. Die beiden Rohre 13a, 13b können eine im Längsschnitt konische, dreieckige oder trapezförmige Gestalt haben (siehe Fig. 2b). Dies kann das Zusammenfügen erleichtern. Außerdem kann an jeweils einem Ende der beiden Rohre 13a, 13b ein Ringbund 13c, 13d angeformt sein, der radial nach außen (oder im Fall einer Innenläu- fermaschine nach innen) ragt. Wenn die beiden Rohre 13a, 13b zusammen geschoben und verklebt werden, bilden die beiden Ringbünde 13c, 13d jeweils einen Abschluss, zwischen denen die übrigen Komponenten des Ständers stabil aufgenommen sind.
Ein weiterer Aspekt der elektrischen Maschine besteht darin, dass die Wicklung/en der Spulenanordnung 28 an ihren Anschluss-Enden jeweils eine Anschlussfahne 62 aufweist/en, die von der inneren oder der äußeren Mantelfläche 30, 32 seitlich (radial oder abgewinkelt) unter Bildung eines Steges 62a abstehend und in Richtung einer der Stirnflächen des Ständers 12 entlang einer schrägen Falzkante 62b umgefaltet sind. Dies ist in den Fig. 3 und 4 im Detail veranschaulicht.
Die in den Fig. gezeigten Verhältnisse der einzelnen Teile und Abschnitte hiervon zueinander und deren Abmessungen und Proportionen sind nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr können einzelne Abmessungen und Proportionen auch von den gezeigten abweichen.

Claims

Patentansprüche
1. Permanenterregte elektrische Maschine (10) mit einem Ständer (12) und einem Läufer (14), wobei - entweder der Ständer (12) eine Spulenanordnung (28) aufweist und der Läufer mit Permanentmagnet-Elementen (50) versehen ist, oder der Läufer eine Spulenanordnung aufweist und der Ständer mit Permanentmagnet-Elementen versehen ist,
- zwischen dem Ständer (12) und dem Läufer (14) ein Luftspalt (16) gebildet ist, der von den Permanentmagnet-Elementen (50) und mit auf diese in bestimmten Positionen ausge- richteten magnetisch leitenden Zähnen (32) des Ständers (12) begrenzt ist, wobei
- die Spulenanordnung (28) wenigstens eine hohlzylindrische Wicklung aus im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigem Bandmaterial aufweist, die eine innere und eine äußere Mantelfläche sowie zwei Stirnflächen hat und in dem Ständer (12) zumindest teilweise aufgenommen ist, wobei der Ständer (12) aus zwei Zylindersegmenten (12a, 12b) mit Trennflächen (401, 40") gebildet ist, zwischen denen sich Unterbrechungen (40) befinden, die im Betrieb der Maschine in Umfangsrichtung des Ständers (12) elektrischen Stromfiuss im Wesentlichen unterbinden, und bei der
- jede Wicklung der Spulenanordnung (28) elektrische Anschlüsse (62) aufweist, die zwischen den Trennflächen (401, 40") angeordnet sind und aus dem Ständer (12) herausrei- chen.
2. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, bei der
- der Ständer (12) die Spulenanordnung (28) aufweist und der Läufer (14) mit den Permanentmagnet-Elementen (50) versehen ist.
3. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der
- der Ständer (12) einen Ständerrücken (13a, 13b) aufweist und die Unterbrechung (40) sich in radialer oder tangentialer Richtung zwischen dem Ständerrücken (13) und den Zähnen (32) erstreckt.
4. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- bei der der Ständer (12) wenigstens zwei jeweils eine hohlzylindrische Wicklung von deren Stirnflächen her umfassende Schalenteile (12a, 12b ) aufweist, die an ihrer dem Luftspalt (16) zugewandten Seite jeweils die Zähne (32) haben.
5. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach Anspruch 4,
- bei der die Trennflächen der Zylindersegmente (12a, 12b) elektrisch isoliert sind.
6. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der
- jede Wicklung der Spulenanordnung (28) an ihren Enden jeweils eine Anschlussfahne (62) aufweist, die von der inneren oder der äußeren Mantelfläche der Wicklung seitlich abstehend und in Richtung einer der Stirnflächen des Ständers (12) umgefaltet sind.
7. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - zwischen den Zähnen (32) entlang des Umfangs des Ständers (12) Magnetflussleitstücke (38) angeordnet sind.
8. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- die Magnetfluss-Leitstücke (38) eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt oder eine sich in Richtung zu den Zähnen (32) in der Breite und/oder der Höhe verjüngende Gestalt haben.
9. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- der Ständer (12) oder dessen Teile aus Blechen oder Blechabschnitten aufgebaut ist, oder aus zu der entsprechenden Gestalt gepressten und/oder gesinterten Eisenpartikeln geformt ist.
10. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Permanentmagnet-Elemente eine Gestalt aufweisen, die im Wesentlichen mit der Gestalt der Magnetfluss-Leitstücke und/ oder der Zähne übereinstimmt.
11. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Zähne und/oder die Magnetfluss-Leitstücke durch ein magnetisch unwirksames Rohr gehalten sind.
12. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- das magnetisch unwirksame Rohr aus aluminiumhaltigem Metall, Kunststoff, oder dergl. gebildet ist, in dem Ausnehmungen vorgesehen sind, in denen entsprechend geformte Vorsprünge der Zähne und/ oder der Magnetfluss-Leitstücke aufgenommen sind.
13. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- der Ständerrücken ein magnetisch wirksames Rohr aufweist, an dem die Zähne vorzugsweise durch Kleben, Schweißen, oder durch formschlüssige Verbindungen angebracht sind.
14. Permanenterregte elektrische Maschine (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- das magnetisch wirksame Rohr wenigstens zwei ineinander zu steckende entlang ihrer Mantelfläche geschlitzte Teilrohre aufweist, die vorzugsweise eine im Querschnitt konische, dreieckige oder trapezförmige Gestalt haben.
15. Transversalflussmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Spulenanordnung (28) mehrere koaxial beabstandet angeordnete Wicklungen aufweist, die dazu eingerichtet sind, phasenversetzt zu einander betrieben zu werden.
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