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Dokumentenidentifikation DE4314513A1 17.11.1994
Titel Transversalflußmaschinen mit kombinierter PM-Erregung
Anmelder Weh, Herbert, Prof. Dr.-Ing., 38116 Braunschweig, DE
Erfinder Weh, Herbert, Prof. Dr.-Ing., 38116 Braunschweig, DE
DE-Anmeldedatum 03.05.1993
DE-Aktenzeichen 4314513
Offenlegungstag 17.11.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.11.1994
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
Zusammenfassung Die Erhöhung der Kraftdichte wird bei Transversalflußmaschinen zweckmäßig durch eine kombinierte Anordnung von Permanentmagneten in flacher Anordnung parallel zum Luftspalt und zusätzlich zu Sammlermagneten erreicht. Geringere Sättigungstendenz und verhältnismäßig geringe Wicklungsdurchflutung sind kennzeichnende Merkmale. Es wird gezeigt, daß diese kombinierte SF-Erregung (Fig. 3) sich an alle bisher bekannten Bauformen anpassen läßt und zu einer Optimierung des Maschinenentwurfs führt. Besonders hohe Kraftdichten werden bei mehr als zwei Luftspalten auf je einer Seite der Wicklungsanordnung erzielt.

Beschreibung[de]

Transversalflußmaschinen mit zur Welle koaxialen Ringwicklungen und kleiner Polteilung gehören zur Gruppe der Drehstrommaschinen, die aus induktiv nicht gekoppelten einsträngigen Maschineneinheiten kombiniert sind. Durch die Möglichkeit der Polteilungsoptimierung erreichen sie mit verhältnismäßig kleinen Wicklungsdurchflutungen hohe Kraftdichten. Letztere sind z. B. ausdrückbar in auf die Rotoroberfläche bezogener Umfangskraft oder in Drehmoment je Volumeneinheit oder in Kraft je Einheit der aktiven Masse. Ganz besonders bei Antrieben für mobile Anwendungen sind die erzielbaren Kraftdichten von Bedeutung. Nur Kraftdichten oberhalb von etwa dem Zehnfachen dessen, was herkömmliche Antriebe erreichen, lassen sich direkte Radantriebe (ohne Getriebe) mit den Anwendungsbedingungen vereinbaren. Für die zu erzielenden großen Umfangskräfte spielt der Aufbau der magnetischen Kreise und dabei die Anordnung der Permanentmagnete eine besonders wichtige Rolle.

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

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

Die somit zu stellende Aufgabe dient dem Ziel, durch Verbesserung der Magnetfelderregung mit Hilfe von Permanentmagneten im Rotor von Transversalflußmaschinen erhöhte Kraftdichten zu erreichen.

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

Bildbeschreibungen

Fig. 1a Schnittbild Transversalflußmaschine mit Permanentmagneten in flacher Anordnung.

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

Fig. 2a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit Flachmagneten als Erregermagnete auf einem Weicheisenträger zweiseitig aufgebracht.

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

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

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

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

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

Fig. 5a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit Außenläufer-Magnetanordnung in kombinierter Magnetausführung.

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

Fig. 6a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit kombinierter zweiseitiger Erregeranordnung und unsymmetrisch ausgeführter Statoranordnung.

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

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

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

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

Fig. 9 Kraftdichte-Kennlinien in Abhängigkeit von der Nutdurchflutung für drei Maschinenvarianten in Flachmagnet-Erregung F, Sammleranordnung S und kombinierter SF-Erregung.

Beschreibung

Die Erzeugung der Vortriebskraft bei einem Transversalflußmotor mit Permanenterregung wird durch die Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten und dem vom Strom der Ringwicklung erzeugten magnetischen Feld hervorgerufen. Die Optimierung der Kraftdichte kann, wie erwähnt, durch Polteilungsanpassung (Verkleinerung) einen im Vergleich zu Maschinen mit herkömmlichem Magnetkreis (in longitudinaler Anordnung) mehrfach höheren Wert erreichen, ohne daß dabei besonders hohe Wicklungsdurchflutungen und damit Probleme der Wärmeabfuhr in Kauf zu nehmen sind.

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

Unter den Polen der Magnetkreis-Elemente des Stators wirkt auf die Grenzflächen der Permanentmagnete eine dem Produkt aus den in den Permanentmagneten eingeprägten Strömen und der durch die Ankerdurchflutung erzeugten Magnetfelddichte proportionale Kraft. Fig. 1a stellt eine linearisierte Ansicht der in Umfangsrichtung vorgesehenen Folge von Polelementen PE und PE&min; sowie der Erregeranordnung mit flach an den Luftspalt angrenzenden Magneten PM alternierender Polarität dar. Die von den Ankerströmen Ia erzeugte Felddichte Ba wirkt kraftbildend mit den Strömen IM der Magnete. Alle Polkräfte haben gleiche Richtung. In Fig. 1b ist dargestellt, daß die Polelemente PE und PE&min; sowie die Wicklungsquerschnitte für die Ströme Ia im und Ia&min; symmetrisch zur Mittelebene der Läuferanordnung ausgeführt sind. Die Permanentmagnete PM und PM&spplus; weisen im gleichen Querschnitt entgegengesetzte Polarität auf.

Für die Optimierung der Kraftdichte ist weiter zu bedenken, daß für die Erzeugung von Ba durch die Ströme Ia die Luftspalte 8 und die Höhe der Permanentmagnete hM mit geringer magnetischer Leitfähigkeit zu überwinden sind. Behält man den Gesamtaufwand als Folge großer Wicklungsdurchflutungen im Auge, so muß hingenommen werden, daß eine Vergrößerung der Magnethöhe hM zur Steigerung der Polkraft oberhalb von Magnethöhen von 8-10 mm bei Polteilungen von 10-15 mm eine Grenze findet. Diese Grenze wird neben der Magnetkreisbelastung durch kraftbildende und nichtkraftbildende Feldkomponenten gesetzt. Darüber hinaus treten bei starkem Ankerfeld und weitgehender Entmagnetisierung der Permanentmagnete in Teilbereichen Stabilitätsprobleme auf. Bei den heute hauptsächlich in Betracht kommenden NdFeB-Magnete ist dieser Effekt abhängig von der Betriebstemperatur. Die Entmagnetisierungsgrenze liegt für Betriebstemperaturen um 100°C bei etwa 0,3 T. Für die erlaubte Maximalinduktion Ba bleibt somit ein zulässiger Restbetrag von etwa 0,6 T, wenn die Erregerinduktion auf etwa 0,9 T veranschlagt wird.

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

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

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

Unter Beachtung der bei rotierenden Maschinen auftreten Zentrifugalkräfte ist die in Fig. 2a und 2b dargestellte Erregeranordnung sehr zweckmäßig. Die Magnete sind gegenüber Fig. 1 in der Mittelebene geteilt auf einem weichmagnetischen Träger, dem Rotorkörper RE zweiseitig aufgesetzt und verklebt sowie evtl. seitlich gehalten. Mit dem als Scheibe ausgebildeten Rotorkörper sind die beschriebenen Rotorteile durch eine axiale Verspannung über nicht magnetische Ringelemente verbunden. Die Fliehkraftwirkungen lassen sich somit auf die Rotorscheibe übertragen. Die Magnetanordnung nach Fig. 2 führt hinsichtlich der Umfangskräfte zu genau demselben Effekt wie die Anordnung nach Fig. 1. In Fig. 2 wurde allerdings zusätzlich zur Aufteilung der Magnete in zwei schichten eine Einbettung in eine gezahnt ausgeführte Rotorform mit den Zähnen RZ vorgesehen. Die Abmessungen von RZ in Bewegungsrichtung sind verhältnismäßig gering, sie liegen bei den genannten Polteilungen im Bereich von 1,5-2 mm. Die Kennlinie F3 zeigt die für die Kraftbildung überwiegend positive Wirkung der gezahnten Oberfläche von RE. Durch Verbesserung der magnetischen Leitfähigkeit erfährt Ba unter den Polen eine Vergrößerung (bei gleichem Strom). Die Kraftdichteerhöhung liegt zwischen 5 und 15%. Bei starker Sättigung erlischt der Steigerungseffekt. Als zweckmäßige Magnetdicke ergibt sich etwa 4 mm bei einer Polteilung zwischen 10 und 15 mm.

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

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

Geringerer Einfluß der Luftspaltgröße und eine im Prinzip günstige d. h. weniger sättigungsempfindliche Kraft/Strom-Kennlinie folgt für eine kombinierte Sammler-Flachmagnet-Erregeranordnung (SF-Erregung). Bei ihr sind sowohl die senkrecht stehenden Sammlermagnete der Dicke hMS als auch dünn ausgeführte Flachmagnete der Dicke hMF/2 angewendet. Fig. 3a und 3b zeigen die grundsätzliche Anordnung. Die Polarität der Magnete ist aus Fig. 3a zu entnehmen. Sie folgt der Regel, daß die eingeprägten Ströme der Magnete PMF und PMS sich unter den Polelementen PE und PER addieren. Aus der damit verbundenen Vergrößerung der Magnetdurchflutung leitet sich der Effekt der Kraftvergrößerung im Vergleich zur Flachmagnetanordnung (bei gleichem Strom) her. Durch die dünneren Flachmagnete (Dicke etwa 2 mm) kann gegenüber der nicht kombinierten F-Anordnung Ba mit geringerem Strom erzeugt werden. Die durch die Magnete PMF erzwungene geringere Sättigungstendenz wirkt sich im Vergleich zur reinen Sammleranordnung günstig aus und läßt höhere Kraftdichte-Maximalwerte zu. Auch bei großen Wicklungsdurchflutungen kann die Neigung der Kraft/Strom-Kennlinie SF1 noch als akzeptabel hingenommen werden. Die Ausführbarkeit von Maschinen hoher Kraftdichte ist aus der Sicht der magnetischen Kreise im Vergleich zu S- und F-Anordnungen beachtlich vergrößert werden. Durch Vergrößerung der Erregerbreite bmi im Vergleich zu bi kann die Steilheit der Kraftkennlinie im begrenztem Umfange weiter verbessert werden, wie die Kennlinie SF2 in Fig. 9 zeigt.

Es kann zusammenfassend festgestellt werden, daß die kombinierte SF-Erregung Vorteile der Sammler- und Flachmagnet-Anordnung in begrenztem Umfange vereinigt. Mit geringfügig vergrößertem Magnetaufwand lassen sich je Luftspalt Kraftdichten von etwa 100 kN/m² erreichen. Für die gezeichneten doppelseitig wirkenden Anordnungen werden, auf die Läuferoberfläche bezogen, dann die doppelten Werte erzielt. Bezogen auf die aktive Masse von Stator und Rotor ergeben sich bei einer Kraftdichte von z. B. 90 kN/m² und doppelseitige Feld/Strom-Nutzung massenbezogene Kraftdichten von 0,3 kN/kg. Bezieht man das Drehmoment auf das Gehäusevolumen, so liegen die Werte zwischen 70 und 110 Nm/dm³ von kleineren zu größeren Gehäusedurchmessern zwischen 500-900 mm.

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

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

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

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

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


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrische Maschine
    1. - mit mehreren Wicklungssträngen im Stator in Form von koaxial zur Maschinenachse angeordneten ringförmigen Spulen, die im Motorbetrieb über elektronische Stellelemente gespeist werden,
    2. - mit in Umfangsrichtung angeordneten Folgen von Weicheisenelementen im Stator, die
    3. - untereinander gleichen Abstand aufweisen,
    4. - sich quer zu den Wicklungssträngen erstrecken
    5. - und nutähnliche Ausnehmungen aufweisen, durch die Wicklungsstränge verlaufen
    6. - sowie mit einem wicklungslosen Rotor mit mehreren, den einzelnen Wicklungssträngen zugeordneten Teilrotoren, welche flußführende Weicheisenelemente aufweisen, die in doppelter Anzahl gegenüber dem Stator vorhanden sind,
  2. dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß auf den Weicheisenelementen des Läufers mindestens auf einer dem Luftspalt zugewandten Seite flach ausgeführte Permanentmagnete mit alternierender Polarität und der halben Teilung der Statorelemente befestigt sind,
    2. - daß die Dicke der Magnete nicht größer als 25 ÷ 30% der Polteilung ist,
    3. - daß die zu einer Stator/Wicklungseinheit und damit zum gleichen magnetischen Kreis gehörigen Magnete in mindestens zwei Reihen angeordnet sind, die sich zur Kraftbildung unterstützen,
    4. - daß bei radial gesehen doppelseitig ausgeführtem Läufer zwei etwa gleichdicke Magnetschichten auf den äußeren Zylinderflächen des Weicheisen-Trägermaterials angeordnet werden (Fig. 2),
    5. - daß eine axiale Verspannung in Verbindung mit nichtmagnetischen Läuferteilen und der Läuferscheibe die Aufnahme der Fliehkräfte der feldführenden Läuferelemente übernimmt, Fig. 2b, 3b usw.
  3. 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß zwischen den oberen und unteren (inneren und äußeren) Seiten der Weicheisenteile in der halben Teilung der Statorelemente Permanentmagnete PMS angeordnet werden, die in ihrer Dicke kleiner als 40% der Polteilung sind und in ihrer Polarität so gewählt werden, daß sie zu einer Verstärkung der Kraftbildung beitragen, Fig. 3a, 3b.
  4. 3. Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß bei ebener Ausführung der Statorpolelemente die Sammlermagnete PMS um eine Polteilung schräg gegenüber der senkrechten Lage angeordnet sind, Fig. 4a, 4b.
  5. 4. Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß bei einseitiger Anordnung z. B. einer Außenläuferbauform die Flachmagnete PMF ebenfalls einseitig zusätzlich zu den Sammlermagneten PMS angeordnet werden, Fig. 5a, 5b.
  6. 5. Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß auf einer Seite der Wicklung vier Luftspalte zur Kraftbildung genutzt werden und dabei mindestens an zwei Luftspalten Bereiche der Läuferoberfläche Flachmagnete PMF aufweisen, die zusätzlich zu den Sammlermagneten PMS eingesetzt werden.






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