WO2011103869A2

WO2011103869A2 - Hochleistungssynchron motor/generator mit transversaler flussführung, hohem drehmoment und kleiner massenträgheit

Info

Publication number: WO2011103869A2
Application number: PCT/DE2011/000191
Authority: WO
Inventors: Peter Ortloff
Original assignee: Ortloff, Helene
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2011-09-01
Also published as: DE102010046309A1; WO2011103869A3

Abstract

Das Patent beschreibt eine mehrphasige Hochleistungssyncron-Maschine, mit transversaler Flussführung mit am Rotor in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten entsprechend der Polzahl und mit einer Welle oder Hohlwelle, so dass die Magnete so angeordnet sind, das von 2 Phasen ein Magnetring genutzt wird und dabei 50% Magnetmaterial einspart wird wobei gleichzeitig eine Einsparung der Flussleitmaterials stattfindet durch die Magnetkonzentratoren. Die magnetischen Flussmaterialen können durch gespritzte MIM-Technologie als grüne Materialien und gesinderte Materialien eingesetzt werden.

Description

Hochleistungssynchron Motor/Generator mit transversaler Flussführung, hohem Drehmoment und kleiner Massenträgheit

Beschreibung:

Technisches Gebiet

[001] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen bürstenlosen

Gleichstrommotor bzw. Generator und insbesondere einen bürstenlosen hochpolige, mehrphasige Transversalfluss Generator/Motor mit Permanentmagneten, die sich auf einem Rotor befinden. Die Erfindung beschreibt einen Motor/Generator mit hohem Wirkungsgrad und hoher Effizienz. Der Hochleistungssynchron-Motor/ Generator mit transversaler Flussführung, hohem Drehmoment und kleiner Massenträgheit.

[0002] Die Hochleistungssynchronmotoren haben gegenüber normalen EC-Motoren eine um 2/3 kleineren Wicklungsbedarf und durch die doppelte Nutzung der

Permanentmagnete eine um 50% niedrigere Magnetmasse. Dieser Aufbau reduziert gleichzeitig die notwendigen Magnetflussleitmaterialien und damit das Gewicht. Die Transversalfluss Generatoren/Motoren mit einem doppelten Drehmoment verringern durch die Zweifachnutzung des Magnetmaterials das Volumen erheblich.

[0003] Die doppelte Kraftwirkung an einem Rotor durch das Fehlen des Leertaktes verringert den Materialbedarf deutlich. Die Materialeinsparung bei erhöhtem

Wirkungsgrad erniedrigt zusätzlich das Massenträgheitsmoment. Die Erfindung betrifft rationell herstellbare Transversalfluss Motoren/ Generatoren mit reduziertem Materialbedarf, deutlich verringertem Gewicht und erhöhtem Wirkungsgrad.

Hintergrund der Erfindung

[0004] Mit Transversalflussmaschinen ist es möglich, gegenüber herkömmlichen Maschinen gleichen Bauvolumens eine wesentlich höhere Drehmomentdichte zu erzielen. Dies rührt daher, dass bei Transversalflussmaschinen eine Erhöhung des Drehmomentes durch Erhöhung der Polzahl erreicht werden kann. Bei den

Transversalflussmaschinen ist der magnetische Fluss im Gegensatz zu

herkömmlichen elektrischen Maschinen nicht longitudinal sondern transversal gerichtet, wie der Name sagt.

[0005] Je nach Konstruktion unterscheidet man zwischen einseitigen

Transversalflussmaschinen, wo nur auf einer Seite der Permanentmagnete die Wicklung umschliessenden Joche zum Führen des magnetischen Flusses

angeordnet sind und zweiseitige Transversalflussmaschinen, wo beiderseits der Permanentmagnete Joche angeordnet sind. Problemstellung

[0006] Die Aufgabe war einen preisgünstigen Motor mit hohem Wirkungsgrad und hohem Drehmoment zu entwickeln. Schwerpunkt der Entwicklungsaufgabe war es den Fertigungsprozess zu vereinfachen und die Herstellungskosten zu reduzieren. In einer Anwendung ist ein geringer Bauraum vorhanden und es wird ein hohes

Drehmoment verlangt.

Anwendungen:

[0007] Die Supersynchronmotoren sind besonders zum Einbau in Rohren mit kleinem Durchmesser, ähnlich Pneumatikzylinder oder als Spindelmotoren geeignet, wobei die Länge der Motoren weniger Bedeutung hat. Wichtigstes Ziel ist möglichst eine niedrige Drehzahl mit einem hohen Drehmoment und das kein Getriebe benötigt wird.

[0008] Eine weitere Anwendung ist in Windkraftanlagen, wobei hier der Schwerpunkt auf langsamen Drehzahlen ohne Getriebe und geringeres Gewicht. Weitere

Ausführungen sind Außenläufermotoren und Kleinmotoren, welche direkt mit

Netzspannung betrieben werden können.

[0009] Supersynchronmotoren als Außenläufermotor zum antreiben von Tragrollen in Förderbändern usw.

Stand der Technik

[0010] Eine einseitige Transversalflussmaschine wird beispielsweise in der EP 1005136 (A1) beschrieben, wo durch eine spezielle Ausgestaltung der U-förmigen und I-förmigen Joche die Streuwege reduziert wurden, sodass der Drehschub höher ist.

[0011] Eine andere Ausführungsform einer Transversalflussmaschine, welche fertigungstechnisch einfacher herstellbar ist und zugleich einen möglichst hohen Wirkungsgrad sowie ein möglichst hohes Drehmoment besitzt, ist auch aus der DE 102006038576 bekannt.

Grundlagen

[0010] Erkauft wird das höhere Drehmoment bei Transversalflussmaschinen durch eine Konstruktion, welche aus sehr vielen Einzelteilen besteht. Durch die leicht herstellbaren Ringwicklungen und der möglichen automatisierbaren Montage der vielen Einzelteile überwiegen aber die Vorteile. [0011] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Drehmoment der Transversalflussmaschine gegenüber bekannten Konstruktionen weiter zu steigern, wobei gleichzeitig die Konstruktion möglichst nicht komplizierter und teurer werden soll. Dies hat zur Folge, dass die Konstruktionen dieser Erkenntnis angepasst werden müssen.

Entwicklungsaufgabe

[0012] Aus den genannten Gründen bestand die Aufgaben darin, elektrische Maschinen zu entwickeln, welche folgende Verbesserungen aufweisen:

[0013] niedrige Drehzahl wird erreicht durch eine hohe Polzahl mit kleinen Wegen pro Step. [0014] hohes Drehmoment und eine hohe Leistung pro Gewichtseinheit wird erreicht durch eine hohe Polzahl mit kleinen Magneten wird erreicht durch eine bessere Ausnutzung der Magnetfläche, wird erreicht durch eine hohe Luftspaltinduktion [0015] Hoher Wirkungsgrad bei langsamem Lauf wird erreicht durch hohe Polzahl einen hohen Wirkungsgrad, wenig Stromwärme- wenig Eisenverluste ein großer Rotordurchmesser im Verhältnis zum Aussendurchmesser

Dies wird erreicht durch die doppelte Ausnutzung der Magnetfläche was einer Verdoppelung des nutzbaren Magnetfeldes entspricht.

[0016] vereinfachte Produktion wird erreicht durch Spritzgiesen von Magnetflussmaterialien wird erreicht durch eine automatisierte Wickeltechnik

[0017] ein geringer Verdrahtungsaufwand trotz hoher Polpaarzahl wird erreicht durch nur eine Wicklung pro Phase

[0018] Der Motor soll ein geringes Trägheitsmoment haben ein kleines Rotormassenträgheitsmoment mit einer höheren Flussstärke durch Verringerung der Magnetmasse.

[0019] Der Motor soll eine höhere Leistung und Drehmoment haben

Durch den kompakten Aufbau der Spule, wie Rechteck und Blech Material wird der Kupferfüllgrad erhöht und damit die Leistungsdichte.

Durch NdFeB-Magnete und den Gewinn der Magnetfläche erhöht sich der

Wirkungsgrad deutlich.

Ausführung der Erfindung

• Kupferfüllgraderhöhung gegenüber runden Drähten von ca. 65% auf 96% erhöht die Leistung.

• Doppelseitiger Aufbau der Magnetstruktur bringt 100% durch Verdoppelung der nutzbaren Magnetfläche,

• Verluste entstehen durch den Widerstand der Spule, da der Widerstand durch die starke Erhöhung der nutzbaren Leitungslänge niedriger ist verringern sich die ohmschen Verluste.

Ausführungsbeispiel Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0020] Die Erfindung wird aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, die nur beispielhaft angegeben werden und somit die Offenbarung nicht beschränken sollen.

[0021] Zeichnung 1 zeigt einen Schnitt durch einen bürstenlosen Gleichstrom- Motor/Generator wobei das Joch (1) um die Transversalspule (5) darstellt, der Magnetring (2) in Konzentratoraufbau wird von beiden Phasen genutzt. Die Maschine kann als Außenläufer mit dem Ständer (3) ausgeführt werden oder umgekehrt als Welle im Inneren. [0022] Zeichnung 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Transversalspule mit der

Umhüllung für die Flüssigkeitskühlung. Wobei (1) die Litze darstellt, (2) die

Umhüllung für die Flüssigkeitsführung, (3) die Zwischenräume für die Flüssigkeit.

[0023] Zeichnung 3 zeigt den möglichen Aufbau der Doppelnutzung als vereinfachte Skizze. Dabei sind (3) die Magnetleitmaterialien und (2) die Magnete, dieser Aufbau führt zu höheren Magnetfeldstärken. In der Zeichnung ist (1) ein Stilisiertes Joch.

[0024] Zeichnung 4 zeigt eine Version als Außenläufer, sonst wie [0022]

[0025] Zeichnung 5 zeigt einen Aufbau als mehrphasen Motor/Generator. Wobei die Zeichnung einen Schnitt durch einen mehrpoligen Aufbau mit (1) als Flussleitmaterial, drei Magnetringen mit einer Scheibe (3) als Rotor. Dabei sind (2) die Magnetleitmaterialen und (5) die Magnetkonzentratoren. Die Transversalspulen in Position (4).

Claims

Ansprüche

1. Mehrphasiger hochleistungssyncron Maschine, mit transversaler Flussführung mit am Rotor in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten entsprechend der Polzahl und mit einer Welle oder Hohlwelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete so angeordnet sind, das von 2 Phasen ein Magnetring genutzt wird und -dabei 50% Magnetmaterial einspart wird wobei gleichzeitig eine Einsparung der Flussleitmaterials stattfindet durch die Magnetkonzentratoren.

2. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung des Flussleitmaterials eine Erhöhung des Magnetflußes bewirkt, Material einspart und die Ummagnetisierungsverluste klein gehalten werden.

3. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 , 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung so ausgeführt ist das die Isolation gleichzeitig als Flussführung für ein Kühlmittel dient (z.B. Trafoöl).

4. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung des Skineffekts das Wicklungmaterial aus Rechtecklitze besteht.

5. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitmaterialien aus weichmagnetischen Bändern mit Bindemittel besteht wobei diese mit einem Kunststoff zur Stabilisierung und Schutz umhüllt sind, wobei der Stator mit einem wärmeleitenden Kunststoff umgespritzt wird.

6. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke in den Flussleitmaterialien durch Magnetkonzentratoren verstärkt wird.

7. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz bei mehrphasigen Maschinen so angeordnet ist dass das

Rastmoment und die Drehmomenteinbrüche sehr stark verringert sind.

8. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass durch die gemeinsame Nutzung des Magnetrings die Kraft sich verdoppelt.

9. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb aus 2 oder mehr miteinander verbundenen Rotorringen mit

Magnetpolen besteht, die durch ihren Aufbau eine besonders große aktive und nutzbare Magnetfläche haben.

10. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeführten Massnahmen eine Gewichtseinsparung bei Windkraftanlagen im MW-Bereich in beträchtlichem Umfang darstellen.