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Dokumentenidentifikation DE19507233A1 26.10.1995
Titel Transversalflußmaschine mit Permanenterregung und mehrsträngiger Ankerwicklung
Anmelder Weh, Herbert, Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c., 38116 Braunschweig, DE
Erfinder Weh, Herbert, Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c., 38116 Braunschweig, DE
DE-Anmeldedatum 02.03.1995
DE-Aktenzeichen 19507233
Offenlegungstag 26.10.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.1995
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
Zusammenfassung Zur Erzielung hoher Wirksamkeit der Magnetkreise bei gleichzeitig günstiger Baubarkeit in vier- und zweisträngiger Ausführung unter Anwendung radial stehender Permanentmagnete in Flußkonzentrationsform werden vorschlagsgemäß E-förmige Statorpolelemente mit mindestens je einem gespreizten Schenkel eingeführt. Hieraus ergibt sich die günstigste Ausnützung der Permanentmagnete bei gleichzeitiger hoher Zweckmäßigkeit mit Blick auf den größten ausführbaren Rotordurchmesser und eine günstige Herstellung der Bauteile. Es lassen sich mit gleichen Polelementen sowohl vier- als auch zweisträngige Maschinen ausführen, Fig. 2b, 2c. Für ausschließlich zweisträngige Wicklungen ergibt sich die Möglichkeit einer kleineren Bemessung des Abstandes zwischen den Teilrotoren.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler mit magnetischen Kreisen, die im wesentlichen quer (transversal) zur Bewegungsrichtung verlaufen, wobei die im Rotor befindlichen Magnete in Sammleranordnung ausgeführt sind und der Stator aus gleichartigen Polelementen im Abstand der doppelten Polteilung besteht, wobei die Polelemente mit den Erregerteilen die ringförmig ausgeführte Wicklung umschließen. Die bei Bewegung des Rotors entstehende Änderung des Magnetfeldes variiert zwischen gleichgroßen Werten unterschiedlicher Polarität. Als Ausführungsform für die Wicklung kommen bevorzugt 2- bzw. 4-strängige Anordnungen in Betracht, wobei die Zahl der Teilspulen den symmetrisch zur Rotorachse angeordneten Erregerteilen des Rotors entspricht.

Die Anwendung weitgehend ebener Stator-Polelemente - wie sie z. B. für viersträngige Transversalflußmaschinen in der DE 41 38 014 C1, Fig. 3 beschrieben wurde - erscheint für den Herstellungsvorgang (der Statorelemente) besonders zweckmäßig. Kombiniert mit diesen Statorbauteilen wurde eine Rotorbauform gewählt, bei der die Permanentmagnete gegenüber der rein radialen Anordnung in schräger Stellung (geschrägt) eingebaut sind. Die für die Magnetfelderzeugung erzielbare Wirksamkeit dieser Läuferbauform kann bei genügend großen radialen Abmessungen des Magnetteils ähnlich hoch sein, wie die einer Anordnung mit radial stehenden Magneten (gerader Sammler) und geringerer radialer Abmessung. Ist der hierzu notwendige Mindestdurchmesser des Rotors nicht gegeben, treten jedoch bei geschrägtem Sammler geometriebedingte Nachteile hervor. Sie erzwingen z. B. auch eine vergrößerte Polteilung, die dann ihrerseits eine Verringerung der Ausnützung bei gegebenen radialen Abmessungen nach sich zieht. Weiter sind bei der geschrägten Magnetanordnung aus meist praktischen Gründen (z. B. bei kubischer Formgebung der Magnete) unvermeidliche magnetische Nachteile im Nahbereich des Luftspalts zu erwarten.

Für Maschinen mit nicht sehr großem Durchmesser erscheint deshalb die Anwendung des Rotors mit radial stehenden Magneten vorteilhafter. Es besteht somit die Aufgabe, eine modifizierte Ausführung der Bauform von Transversalflußmaschinen mit weitgehend ebenen Statorelementen anzugeben, die es ermöglicht, die magnetisch günstigste Rotorbauform mit radial stehenden Magneten in Sammleranordnung einzusetzen. Hierdurch soll sowohl dem Gesichtspunkt höchster Materialausnützung als auch günstiger Baubarkeit entsprochen werden.

Um den gestellten Forderungen zu entsprechen, sind modifizierte Formen der im wesentlichen ebenen Polelemente des Stators vorgesehen. Ähnliche Formgebungen für annähernd ebene Polelemente sind in den Entgegenhaltungen (1) und (3) beschrieben. Allerdings handelt es sich hierbei um Synchronmaschinen, die zum Typ der homopolaren Maschinen zählen. Der vom Erregerfeld erzeugte magnetische Fluß ist hier im Vergleich zu der beschriebenen Transversalflußmaschine nur durch eine Polarität gekennzeichnet; die Flußschwankung und mit ihr die erzielbare Kraftdichte reduziert sich damit auf deutlich kleinere Werte.

Die in der Entgegenhaltung (2) beschriebene Transversalflußmaschine benutzt ebenfalls eine modifizierte Formgebung ebener Polelemente. Es sind allerdings andere Formen für die Polelemente vorgesehen, die außerdem im Rotor angeordnet sind, während sich die Erregerteile im Stator befinden.

Die nachfolgende Beschreibung mit den durch die Bilder 1-3 gegebenen zusätzlichen Erläuterungen sowie die Formulierung der Schutzansprüche stellen die erfindungsgemäße Lösung für die gestellte Aufgabe ausführlich dar.

Bildbeschreibungen

Fig. 1a Ausschnitt aus viersträngiger Transversalflußmaschine, zwei Rotoreinheiten mit schrägem Sammler, (Stand der Technik).

Fig. 1b Transversalflußmaschine im Axialschnitt mit E-förmigem Statorelement.

Fig. 2a Transversalflußmaschine (viersträngig) mit zwei Rotoreinheiten und geradem Sammler.

Fig. 2b Transversalflußmaschine mit zwei Rotoreinheiten im Axialschnitt und E-förmigem Statorelement.

Fig. 2c Schnittzeichnung in Mittel ebene des Statorelements, Mittelschenkel gespreizt ausgeführt.

Fig. 3a Transversalflußmaschine, zweisträngig mit geradem Sammler.

Fig. 3b Transversalflußmaschine im Axialschnitt, verringerte Schenkelhöhe bei En.

Fig. 3c Transversalfußmaschine im Axialschnitt, Em in ringförmigem Stützkörper.

Beschreibung

Die bei gegebenem Materialaufwand und feststehenden Außenabmessungen maximal erzielbaren Drehmomente hängen stark von der generellen Zweckmäßigkeit und der geometrischen Gestaltung der Magnetkreise im einzelnen ab. Für Maschinen großen Durchmessers ist außerdem die Aufteilung der Statorwicklung in mehrere Einheiten erwünscht, da dies sowohl der besseren Ableitung der Verlustwärme als auch dem Gesichtspunkt Rechnung trägt, daß mehrsträngige Wicklungsausführungen zu kleineren Kraftschwankungen führen und der gewünschten Aufteilung der elektrischen Kreise zur Speisung der Wechselrichter besser entspricht. Indes darf die zweisträngige Ausführung insbesondere auch für kleinere und mittlere Maschinen auch als interessanter Sonderfall betrachtet werden, für den sowohl bezogen auf die Maschinen als auch den Wechselrichter ein minimaler Aufwand erzielt werden kann.

Die in DE 41 38 014 C1 beschriebene viersträngige Statoranordnung weist als Stand der Technik analog zur Fig. 1 E-förmige Polelemente in ebener Form auf und erfüllt somit herstellungstechnische Wunschvorstellungen im Hinblick auf geringen Fertigungsaufwand. So lassen sich diese Polelemente z. B. aus gestanzten Blechen in ebener Form durch Paketieren und Verkleben ebenso, wie aus Eisenpulverteilen (mit entsprechenden Bindemitteln oder gesintert) einfach herstellen, wobei letztere dann in ebenen Formen gepreßt werden. Durch die angegebene Kombination mit Rotorerregerteilen, deren Magnete wie beim geschrägten Sammler ausgeführt sind, ergeben sich jedoch geometriebedingt für den magnetischen Fluß ungünstigere Bedingungen als bei radial stehenden Sammlermagneten. Diese treten besonders bei Maschinen kleinerer Rotordurchmesser deutlich hervor. Wie Fig. 1a erkennen läßt, entsteht bei gleicher Magnetbreite in Magnetisierungsrichtung z. B. ein erhöhter Platzbedarf in Umfangsrichtung, wenn gleiche magnetische Leitfähigkeit im Weicheisenbereich vorausgesetzt werden soll. Darüber hinaus ist im luftspaltnahen Bereich ein für die Magnetisierung (durch die Permanentmagnete) verlorener Raum zu berücksichtigen, wenn die Magnete eine kubische Form aufweisen sollen. Eine Kompensation der erwähnten Nachteile kann nur durch verhältnismäßig große radiale Höhe der Läuferanordnung erfolgen. Dies führt aber andererseits zu einer Verringerung des für die Drehmomentbildung wirksamen Maschinendurchmessers, wenn von fest vorgegebenen Außenabmessungen ausgegangen wird. Die auch bei kleinen und mittleren Durchmessern gewünschte große Wirksamkeit der Magnetkreise bei gleichzeitig herstellungsfreundlicher Gestaltung erscheint demnach verbesserungsbedüftig. Fig. 1a und 1b zeigen in zwei Ansichten und linearisierter Darstellung die viersträngige Maschinenanordnung mit ebenen Polelementen, d. h. auch die Elementschenkel Ea, Em und Ei liegen in einer Ebene mit dem Jochteil Eh. Die Rotoranordnungen r&min; und r&min;&min; sind mit geschrägten Magneten und dazwischen angeordneten Weicheisenteilen gefertigt. Wie bekannt, stehen die Polelemente E des Stators im Abstand der doppelten Polteilung (des Rotors). Die Teilwicklungen W1, W2 sind als Ringwicklung ausgeführt und lassen sich mit um 90° phasenverschobenen Wechselströmen betreiben. Entsprechend sind die Permanentmagnete der Rotoranordnung r&min;&min; gegenüber r&min; um eine halbe Polteilung (entsprechend 90°0 el) versetzt, wie Fig. 1a zeigt. Bei dieser Betriebsweise ist eine gleichgroße (radiale) Abmessung von Em wie für die Schenkel Ea und Ei angezeigt. Die bei Fig. 2a gewählte radial stehende Magnetanordnung (gerader Sammler) ermöglicht durch die magnetisch günstigere Geometrie i.a. die Ausführung einer gegenüber Fig. 1 kleineren radialen Höhe, wenn für r&min; und r&min;&min; gleiche Wirksamkeit angestrebt wird. Dies ist vorteilhaft und gestaltet einen größeren wirksamen Maschinendurchmesser, der auf größere Drehmomente führt.

Die volle Wirksamkeit der Magnetanordnung erfordert allerdings gegenüber Fig. 1 eine modifizierte Formgebung der Statorpolelemente. Während in Fig. 1 der Mittelschenkel Em des Polelements E im Luftspaltbereich einteilig ausgeführt ist, fordert die Funktion bei Anordnung von Fig. 2 eine Spreizung z. B. in zwei gleichgroße Teilelemente Em1 und Em2. Wie in Fig. 2a dargestellt, berühren sich die Teilelemente mit ihrem Außenrand mit den Nachbarelementen. Gemeinsam betrachtet stehen sie wieder im Abstand von zwei Polteilungen und sind symmetrisch zur Mittellinie von E angeordnet. Ihr seitlicher Versatz beträgt gegenüber dem Element E eine Polteilung. Durch eine in der Draufsicht geknickte Formgebung ist - wie Fig. 2c darstellt - im Bereich der Rotor-Magnetanordnung wieder eine axiale Ausrichtung von Em1 und Em2 erzielbar.

Eine Herstellung der im Mittelschenkel gespreizt ausgeführten Polelemente E (in symmetrischer Anordnung) ist z. B. einfach erreichbar, indem gestanzte Bleche, die zunächst in ebener Form verarbeitet werden, nach dem Stanzvorgang in der durch Fig. 2c dargestellten geknickten Ausführung des Mittelschenkels vorgeformt und anschließend geklebt werden. Als Alternative hierzu kann die in Fig. 2 vorgesehene Feldführung dadurch erreicht werden, daß nicht der Mittelschenkel Em, sondern die beiden Außenschenkel Ea und Ei gespreizt ausgeführt werden. Auch eine entsprechende Spreizung im Verbindungsteil Eh führt zu einem analogen Ergebnis.

Die vorschlagsgemäß ausgeführte Statoranordnung ist gegenüber der in DE 41 38 014 C1 vorgesehenen vollständig ebenen Ausführung nur unwesentlich schwieriger herstellbar und bietet den Vorteil einer effektiveren Materialausnutzung des Magnetkreises sowie einer Anwendung eines größeren (für die Drehmomentbildung) wirksamen Maschinendurchmessers. Es ist weiter hervorzuheben, daß Polelemente mit z. B. gespreiztem Schenkel die Möglichkeit bieten, zur Herstellung von vier- oder zweisträngig ausgeführten Maschinen eingesetzt zu werden. Im Falle der zweisträngigen Anwendung werden die Wicklungen W1 und W2 gleichphasig betrieben und die Rotoranordnung r&min;&min; gegenüber r&min; - wie Fig. 3 zeigt - mit entgegengesetzter Polarität gewählt. Bei Maschinen kleiner und mittlerer Leistung ist die zweisträngige Ausführung im Hinblick auf die einfachere Auslegung des Wechselrichters als vorteilhaft anzusehen. Es kann somit festgestellt werden, daß Polelemente gleicher Formgebung für den Bau von viersträngigen und zweisträngigen Maschinen einsetzbar sind.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, bei Beschränkung auf zweisträngige Maschinen die Schenkelhöhe hm von Em soweit zu reduzieren, wie es die kraftbildende Funktion durch die Wechselwirkung mit den Permanentmagneten erlaubt. Dies ist dadurch begründet, daß bei zweisträngigem Betrieb der Schenkel Em praktisch nur in radialer Richtung vom Magnetfeld durchsetzt wird.

Die erlaubte Mindesthöhe ergibt sich dann daraus, daß der "Felddurchgriff" zwischen den Rotoranordnungen r&min; und r&min;&min; weitgehend vermieden werden muß. Dies ist durch die Wahl der Mindesthöhe hm in der Größe vom etwa zehnfachen Luftspalt erzielbar. Für die Anwendung bei Maschinen kleiner und mittlerer Durchmesser ergibt sich somit eine weitere Möglichkeit, durch kleine hm-Werte den wirksamen Maschinendurchmesser relativ groß zu wählen.

Als eine zweckdienliche Erweiterung des Erfindungsgedankens kann bei zweisträngiger Ausführung auf die metallische Verbindung der Lamellen zwischen dem Bereich der dem Erregerteil zugeordneten Teile Em und dem Jochteil Eh der Polelemente verzichtet werden. Dem Nachteil der etwas erschwerten Befestigung der Lamellen steht der Vorteil gegenüber, daß Raum für einen vergrößerten Wicklungsquerschnitt gewonnen und dessen Streuungsanteil verringert wird. Der Nutraum kann darüber hinaus in radialer Richtung flacher gehalten werden, was gleichbedeutend mit der Möglichkeit ist, den mittleren Rotordurchmesser zu vergrößern. Wie in Fig. 3c dargestellt ist, kann die Befestigung des Ringteils, in dem die Weicheisenlamellen Em in nicht magnetischem Material eingebettet sind, über die beiden Befestigungsteile ga und gi im Zwischenbereich der Polelemente E1, E2 usw. verankert werden. Auch die Befestigungsteile ga und gi sind nichtmagnetisch auszuführen. Das Ringelement mit den Lamellen Em ist sowohl gegenüber radial als auch gegenüber tangential wirkenden Kräften gesichert.

Es ist erkennbar, daß sich der beschriebene Erfindungsgedanke auch auf Anordnungen mit mehr als zwei Wicklungen je Rotorseite übertragen und vorteilhaft verwenden läßt.

Anstelle der beschriebenen Spreizung im Bereich der horizontalen Schenkel (z. B. Em) kann mit ähnlichem Effekt die Spreizung in den vertikalen Verbindungsteil Eh verlegt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektromechanischer Energiewandler mit magnetischen Kreisen, die im wesentlichen quer (transversal) zur Bewegungsrichtung verlaufen (Transversalflußmaschine), umfassend
    1. - in einem Rotor befindliche Erregerteile mit Permanentmagneten in Sammlerausführung,
    2. - einen aus gleichartigen, E-förmigen Polelementen im Abstand der doppelten Polteilung mit jeweils drei Schenkeln und einem Verbindungsteil bestehenden Stator, der eine bevorzugt vier- oder zweisträngige, ringförmige Wicklung aufweist, die aus in die Aussparungen der Polelemente eingelegte Teilspulen besteht, wobei
    3. - die Anzahl der symmetrisch zur Achse des Rotors angeordneten Erregerteile der Anzahl der Teilspulen entspricht, und
    4. - die Permanentmagnete der Erregerteile radial stehend angeordnet sind und mit den E- förmigen Polelementen korrespondieren,
  2. dadurch gekennzeichnet, daß mindestens jeweils ein Schenkel der E-förmigen Polelemente in Axialrichtung symmetrisch geteilt und in Richtung zum Rotor hin derart geführt ist, daß sich die Außenkanten der aufgespreizten Schenkel der Polelemente mit denen der benachbarten Polelemente berühren und die verbleibenden Schenkel in gleicher Ebene liegen, und daß die Permanentmagnete der Erregerteile in Bezug auf die Rotorachse ungeschrägt ausgerichtet angeordnet sind.
  3. 2. Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizung mit einer Kröpfung im Lamellenteil derart verbunden ist, daß alle Schenkel im Wirkungsbereich der Permanentmagnete der Erregerteile axial ausgerichtet sind.
  4. 3. Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polelemente zunächst in völlig ebener Form als vorgefertigte Blechteile hergestellt werden, und daß dann vor dem Paketieren und Verkleben der aufzuspreizende Schenkel zusätzlich durch eine entsprechende Formgebung quer zur Blechebene entsteht.
  5. 4. Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei vier- und wahlweise zweisträngiger Ausführung der Wicklung z. B. der aufgespreizte Mittelschenkel der Polelemente ungefähr die gleiche radiale Höhe aufweist wie die beiden Außenschenkel.
  6. 5. Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei zweisträngiger Ausführung der Wicklung der aufgespreizte Mittelschenkel der Polelemente mit einer im Vergleich zu den Außenschenkeln niedrigen radialen Höhe bis herab zur zehnfachen Luftspaltlänge ausgeführt wird.
  7. 6. Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei zweisträngiger Ausführung der Wicklung die vom Magnetfluß im Bereich der Erregerteile durchsetzten Lamellen zu einem Ring mit nichtmagnetischem Füllmaterial vereinigt werden und der Ring durch eine nichtmagnetische Erweiterung mit den Magnetkreiselementen bzw. deren Stützkonstruktion verbunden wird.






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