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Dokumentenidentifikation DE19714895A1 15.10.1998
Titel Einseitige Transversalflußmaschine in ein- und mehrsträngiger Ausführung
Anmelder Daimler-Benz Aktiengesellschaft, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Schäfer, Uwe, Dr., 12047 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 03.04.1997
DE-Aktenzeichen 19714895
Offenlegungstag 15.10.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.10.1998
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 41/02   H02K 9/00   H02K 1/12   
Zusammenfassung Gegenstand der Erfindung ist eine verbesserte ein- und mehrsträngige Ausführung einer Transversalflußmaschine mit einseitigem Ständer und Läufer mit im wesentlichen U- (6) und I-förmigen Jochen (3) im Ständer sowie einem Läufer mit flächig befestigten Permanent-Magneten (5) und einem ringförmigen Rückschluß (4). Durch eine Kröpfung der U-förmigen Joche (6) erfolgt eine Reduktion der Streuwege. Eine gemeinsame Nutzung des Ständerjochs durch mehrere Stränge ergibt eine erhebliche Erhöhung der Drehmomentdichte gegenüber bekannten Ausführungen. Eine direkte Kühlung von Wicklung und Ständereisen erlaubt eine Ausführung der Maschine mit erheblich reduzierten Wirbelstromverlusten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine ein- und mehrsträngige Transversalflußmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Maschinen können mit sehr hoher Drehmomentdichte gebaut werden. Die Maschinen werden in Straßen- oder Schienenfahrzeugen vorzugsweise als in die Radnabe eingebaute Direktantriebe genutzt. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom Pkw mit Einzelradantrieb bis zu Lokomotiven und großen Nutzfahrzeugen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen in stationären Direktantrieben mit hohem Bereich konstanter Leistung wie in Haspelantrieben und in Textilmaschinen.

Transversalflußmaschinen werden meistens als zweisträngige Maschinen ausgeführt, da sie eine Doppelstator-Anordnung aufweisen, die mehr als zwei Stränge fertigungstechnisch nicht realisieren lassen.

Bekannte Ausführungen von doppelseitigen Transversalflußmotoren z. B. gemäß DE 44 43 999 A1 oder DE 195 22 382 A1 bieten eine hohe Drehmomentdichte, sind jedoch nur aufwendig zu fertigen. Demgegenüber stehen einseitige auch mehrphasige Transversalflußmaschinen, die einfach zu fertigen sind, jedoch durch die hohe Läuferstreuung eine wesentlich geringere Drehmomentdichte aufweisen (DE 195 32 614).

Bekannt ist eine von Bork und Henneberger veröffentlichte Ausführung von Transversalflußmotoren mit einseitigem Stator und tangentialem Rückschluß im Rotor (M. Bork, G. Henneberger, "New transverse flux consept for an electric vehicle drive system", ICEM 1996). Diese Lösung erlaubt ebenfalls die Ausführung mit mehr als zwei Strängen, da die einzelnen Stränge mit einem gewissen Abstand aneinanderreihbar sind.

Fig. 1 zeigt ein Polpaar einer mehrpoligen Anordnung. Die p Polpaare können in linearer Aufreihung als Linearmotor und im Falle einer ringförmigen Biegung der Wicklung 1 als rotatorische Maschine ausgeführt werden. Im folgenden wird auf eine rotatorische Ausführung Bezug genommen. Der aktive Teil des Ständers der Maschine besteht aus einer Ring-Wicklung 1 mit diese teilweise umschließenden im wesentlichen U-förmigen weichmagnetischen Jochen 2 der Anzahl p und zwischen diesen angeordneten I-förmigen weichmagnetischen Jochen 3. Die U-förmige Jochen 2 und die I-förmigen Joche 3 können unterschiedliche Dicken bu und bI aufweisen, um den unterschiedlich hohen Fluß zu führen. Der aktive Teil des Läufers besteht pro Strang aus zwei ringförmigen Rotorjochen 4 aus weichmagnetischem Material, auf denen jeweils 2p Permanentmagnete 5 in abwechselnder radialer Magnetisierung aufgebracht sind. Der Drehschub dieser Ausführung ist aufgrund der Streuwegsättigung begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einseitige Transversalflußmaschine der eingangs genannten Art anzugeben,

bei der die Streuwege reduziert sind, so daß der Drehschub gesteigert wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Merkmal gelöst.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in den Fig. 2 bis 4 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer einsträngigen Transversalflußmaschine nach der Erfindung

Fig. 3 eine verbesserte Ausführungsform des in Fig. 2 dargestellten Aufbaus und

Fig. 4 exemplarisch eine dreisträngige Ausführungsform einer Transversalflußmaschine nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 2 sind gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Stand der Technik um eine Strecke ku zueinander gekröpfte U-förmige Joche 6 vorgesehen. Damit wird der Streufluß, der sich zwischen den U-förmigen Jochen 6 und den I-förmigen Jochen 3 ausbildet, bedeutend verringert. Vorteilhafte Werte von ku liegen im Bereich zwischen der halben und der vollen Poldicke dI. Dadurch kann der erreichbare Drehschub der Transversalflußmaschine erheblich gesteigert werden.

Eine weitere Erhöhung des Drehschubs gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird dadurch erreicht, daß die U-förmigen Joche 6 und die I-förmigen Joche 3 in gleicher Breite bu und bI ausgeführt werden. Der durch die Nutstreuung höhere Fluß im U-förmigen Joch 6 wird durch eine Erhöhung der Poldicke du des U-förmigen Jochs 6 im Bereich der Wicklung 1 aufgenommen (s. Fig. 3).

Eine vorteilhafte Ausführung der mehrsträngigen Transversalflußmaschine entsteht durch die Kombination mehrerer einsträngiger Ausführungen in axialer Richtung, die im Gegensatz zu bisher bekannten Anordnungen keinen Abstand zwischen den Strängen benötigt. Eine bevorzugte Strangzahl ist drei, jedoch sind auch höhere oder geringere Strangzahlen möglich.

Fig. 4 zeigt exemplarisch eine dreisträngige Ausführung in einem radialen Schnitt. Der Motor weist im Ständer drei Wicklungen 1.1, 1.2 und 1.3 auf, die von phasenverschobenen Strömen durchflossen werden. Die Wicklungen sind tangential zur Kraftwirkung angeordnet. Die Wicklungen 1.1 bis 1.3 werden von einer Reihe von Ständerjochen 7 teilweise umschlossen, die jeweils einem Pol zugeordnet sind. Jedes Ständerjoch weist vier Schenkel 7.1 bis 7.4 auf, von denen die mittleren auf der dem Läufer zugewandten Seite geteilt sind. Die Schenkel haben einen gemeinsamen Rückschluß. Jedem Ständerjoch sind drei im wesentlichen I-förmige Joche 3 zugeordnet, die sich im Schnitt hinter dem Joch 7 befinden. Auf dem Läufer sind Permanent-Magnete 5 in sechs den Schenkeln der Ständerjoche gegenüberliegenden Reihen angeordnet. Die Magnetreihen sind geometrisch entsprechend der elektrischen Phasenverschiebung der Stränge gegeneinander versetzt, so daß die Statorschenkel abhängig von der Läuferposition untereinander unterschiedlich magnetisiert werden. Jede Reihe von Permanent-Magneten besitzt einen läuferseitigen weichmagnetischen Rückschluß 4 in tangentialer Richtung.

Vorteilhafterweise werden die mittleren Schenkel 7.2 und 7.3 der Ständer-Joche entsprechend dem sich durch die Überlagerung der Strang-Flüsse ergebenden magnetischen Gesamt-Fluß dünner ausgelegt als die Summe der Dicke der äußeren Schenkel 7.1 und 7.4.

Fig. 4 zeigt ebenfalls eine vorteilhafte Anordnung zur Flüssigkeits-Kühlung einer Transversalflußmaschine nach der Erfindung. Infolge der Kröpfung der U-förmigen Joche wird die Kühlflüssigkeit 8 dabei ringförmig parallel zur Wicklung 1.1 bis 1.3 geführt. Dadurch werden sowohl Wicklung als auch die thermisch beanspruchten Bereiche der Ständer-Joche wirksam gekühlt. Dadurch wird es möglich, zumindest Teile der Trägerkonstruktion für den Ständer aus Isolatormaterial zu fertigen. Dies betrifft vor allem den Bereich hohen Streuflusses zwischen den U- und L-förmigen Jochen. Damit können Wirbelstromverluste, die in bekannten Ausführungen im metallischen Träger entstehen, erheblich reduziert werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Ein- oder mehrsträngige Transversalflußmaschine mit einseitigem Ständer und Läufer mit im wesentlichen U- und I-förmigen Jochen im Ständer sowie einem Läufer mit flächig befestigten Permanent-Magneten und einem ringförmigen Rückschluß, gekennzeichnet durch Kröpfung der U-förmigen Joche (6) zueinander.
  2. 2. Transversalflußmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poldicke des U-förmigen Jochs (6) mindestens im Bereich der Wicklung (1) dicker ausgeführt ist als das I-förmige Joch (3).
  3. 3. Mehrsträngige Transversalflußmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Magnete in Reihen mechanisch gegeneinander versetzt angeordnet sind und die Wicklungen von elektrisch entsprechend versetzten Strömen durchflossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerjoche (7.1 bis 7.4) der drei Stränge in einer Ebene angeordnet, miteinander verbunden sind und mindestens Teile der Joche (7.2, 7.3) von mehreren Strängen gemeinsam genutzt werden.
  4. 4. Mehrsträngige Transversalflußmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der mittleren Schenkel der Ständer-Joche (7.2, 7.3) dabei entsprechend den Flußverhältnissen verringert wird.
  5. 5. Transversalflußmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Joche (6, 7.1 bis 7.4) und die I-förmigen Joche (3) in tangentialer Richtung geblecht ausgeführt sind.
  6. 6. Transversalflußmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Joche teilbar ausgeführt werden.
  7. 7. Transversalflußmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Joche (6, 7.1 bis 7.4) und die I-förmigen Joche (3) als Schnittbandkerne ausgeführt sind.
  8. 8. Ausbildung der Transversalflußmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit Innen- oder Außenläufer oder als Linearmotor.
  9. 9. Transversalflußmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine im Wickelfenster angeordnete Kühlmittelführung, die im wesentlichen parallel zur Wicklung erfolgt und in engem thermischen Kontakt zu den Ständer-Jochen (6, 7.1 bis 7.4) und der Ständer-Wicklung (1, 1.1 bis 1.3) steht.
  10. 10. Transversalflußmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens im Bereich hohen Streuflusses (zwischen den U- und den I-Jochen) eine isolierende Trägerkonstruktion vorgesehen ist.






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