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Dokumentenidentifikation DE19832390A1 04.03.1999
Titel Elektrische Maschine
Anmelder SBS Sondermaschinen GmbH, 38108 Braunschweig, DE
Erfinder Schäfertöns, Jörn-H., 38108 Braunschweig, DE
DE-Anmeldedatum 18.07.1998
DE-Aktenzeichen 19832390
Offenlegungstag 04.03.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.03.1999
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
Zusammenfassung Elektrische Maschine mit transversaler Flußführung durch einen U-förmigen Ringanker und vier Läuferscheiben mit Klauenpolen, geeignet als Lichtmaschine in KFZ als Generator für kleine Windkraftwerke und Radnabenantriebe, gekennzeichnet durch ein Rotorblechpaket aus mit gestufter Breite gestanzten Blechstreifen, die im Paket zu einem Profil mit U-förmigem Querschnitt gekantet und zu einem Ring gebogen werden. Der Läufer besteht aus wenigen unterschiedlichen Blechpaketen mit ausgestanzten Polzähnen, die paketweise ineinander gekröpft sind. Zwischen den Läuferscheiben sind Magnete oder Spulen oder für die Erregung angeordnet. Durch eine Kombination von dauermagnetischer und bipolare elektrische Erregung wird eine verlustarme Steuerung der Erregung erreicht.
Für die Anwendung als Lichtmaschine wird eine berührungslose Übertragung der Erregungsenergie durch radiale und axiale Luftspalte vorgeschlagen.
Bei direktem Antrieb durch die Kurbelwelle entfallen Lagerung und Getriebe sowie ein Teil der zusätzlichen Schwungmasse. Die Maschine hat einen hohen Wirkungsgrad, geringes Gewicht und ist preiswert herzustellen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein elektrische Maschine vorzugsweise geeignet für die Verwendung als Lichtmaschine in Kraftfahrzeugen und als Generator in kleinen Windkraftanlagen mit Leistung von einigen 100 W.

Lichtmaschinen werden üblicherweise als fremderregte Drehstrommaschinen ausgeführt und zum Einhalten einer kostengünstigen Baugröße über ein ins schnelle übersetzendes Getriebe angetrieben.

Verwendung finden gelegentlich auch hochpolige Maschinen mit Drehstromwicklungen und radialer oder axialer Flußführung in unterschiedlicher Bauweise.

Die Verwendung transversaler Flußführung verspricht eine wesentliche Steigerung der spezifischen Leistung und besondere Eignung für einen getriebelosen Antrieb mit geringer Drehzahl.

Die hohe Betriebsfrequenz und die einfache Wicklungsgestalt gestatten prinzipiell eine gute Materialausnutzung bei geringer Verlustleistung.

Bisher ausgeführte Transversalflußmaschinen mit entsprechender Leistung haben aber einen aufwendigen Aufbau aus einer Vielzahl von Einzelteilen und sind deshalb gegenüber bewährten Konzepten unwirtschaftlich. Lediglich bei Generatoren mit geringer Leistung (Fahrraddynamo) ist das Prinzip in sehr preisgünstige Lösungen umgesetzt worden.

Ziel der Erfindung ist es, das Prinzip der transversalen Flußführung für den Bereich kleiner und mittlerer Leistungen in eine preiswerte elektrische Maschine mit einfachem Aufbau umzusetzen.

Dazu wird ein "Ständerblechpaket" (12) aus Blechstreifen mit beidseitig ausgestanzten Polzähnen (23) und mit gestufter Breite geschichtet. Im Paket werden die Polzähne zu einem U-förmigen Querschnitt abgekantet und das gerade U-Profil anschließend rund gebogen. Dadurch entstehen zwei schmale zylindrische Polflächen.

Vor dem Verformen, insbesonders dem Rundbiegen bzw. dem Kanten zu einer Polygonform sind die Blechstreifen zweckmäßig durch Kleben, Punktschweißen oder Punchen gegeneinander zu fixieren.

Kleine Durchmesser können aus einteiligen Blechstreifen hergestellt werden, größere Durchmesser werden aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt. Eine mehrteilige Ausführung ist auch für das Einlegen von Formspulen (13) vorteilhaft.

Das fertige Ständerblech wird durch ein zylindrisches Gehäuse (11) stabilisiert.

Die gleichartige Flußrichtung ermöglicht die Verwendung von verlustarmen kornorientierten Transformatorenblechen.

Der Läufer (3) wird aus axial hintereinander angeordneten Gruppen von Polscheiben (6,7) gebebildet, die jeweils aus geschichteten Dynamobleche bestehen, bei denen am Umfang Polzähne (22, 23) ausgestanzt sind, die klauenförmig ineinander greifen. Die Polscheiben sind voneinander jeweils durch einen Erregungsapparat getrennt. Für die Ausführung der Erregung bestehen mehrere einfache Möglichkeiten: Für die elektrische Erregung wir jeweils zwischen zwei Polscheiben ein Eisenkern (15) mit Erregerwicklung (17) angeordnet. Für eine Erregung mit Permanentmagneten werden entweder axial magnetisierte Permanentmagnetscheiben (18) (vorzugsweise preiswerte Ferrite) zwischen den magnetisch isolierten Polscheiben angeordnet oder die Polscheiben werden über radial magnetisierte zylindrische Dauermagnete mit einem gemeinsamen zylindrischen Eisenkern verbunden. Dabei ist nur ein (vorzugsweise Neodym) Magnet pro Phase erforderlich.

Schließlich können elektrische und magnetische Erregung kombiniert werden (Fig. 1), indem jeweils abwechselnd eine Spule (17) und ein Magnet (18) verwendet werden. Die Erregerspule wird dann zur Regelung der Erregung bipolar angesteuert. Damit ist mit einem geringfügig aufwendigeren Regler eine verlustarme Regelung der Maschine möglich. Durch den Dauermagneten wird eine mittlere Erregung eingestellt, die durch die Spule nach Bedarf verstärkt oder geschwächt wird.

Die Energie für die elektrische Erregung wird üblicherweise elektrisch durch Schleifkontakte übertragen, die einem Verschleiß durch Abrieb unterliegen. Eine magnetische Übertragung durch Luftspalte ist dagegen verschleißfrei, bedingt jedoch einen größeren Magnetisierungsstrom. Bei kombinierter Erregung sind die elektrischen Verluste zu verkraften und der Vorteil einer verschleißfreien Übertragung kann genutzt werden. Eine günstige Anordnung ist die Übertragung der Spuleninduktion durch zylindrische Luftspalte (10) in den Polscheiben (7, 8) und die Übertragung der Magnetinduktion über einen großflächigen axialen Luftspalt zwischen Magnetscheibe (18) und Polscheibe (5).

Fig. 1 und 2 zeigen einen entsprechenden Aufbau am Beispiel einer Lichtmaschine. Der Ständer (2) wird mit seinem Gehäuse (11) direkt an dem Verbrennungsmotor (1) montiert. Der Läufer ist auf einem Lagerzapfen (3) der Kurbelwelle befestigt. Eine separate Lagerung der Lichtmaschine entfällt. In dem Blechgehäuse ist der Erregungsapparat eingepreßt und zentriert. Die elektrischen Erregung erfolgt über eine Spule (17), die zwischen zwei geblechten Scheiben (16) und über einem mit Streifen (15) längs geblechten Zylinder angeordnet ist. Für die magnetische Erregung ist auf einer Scheibe (16) ein Magnetring (18) aufgeklebt, vor dem sich die Läuferscheibe (5) bewegt. Die Läuferscheibe (5) dient zur Befestigung an dem Wellenzapfen (3) und sie überträgt das Drehmoment an die Läuferscheiben (6) und (7), mit denen sie durch Niete (8) und Distanzhülsen (9) verbunden ist.

Die Läuferscheiben unterscheiden sich durch ihre Zahnteilung und die Kröpfung der Zähne. Die äußeren Scheiben (5) und (7) haben z. B. 24 Polzähne, die innere Scheibe (6) hat die doppelte Anzahl von Zähnen, die abwechselnd zwischen die Polzähne der äußeren Scheiben gekröpft sind, die Scheibe (7) hat ebenfalls eine zur Mitte gerichtete Kröpfung, um ausreichend Platz für die Erregerwicklung zu schaffen. Die Scheibe (5) kann ohne Kröpfung ausgeführt werden.

Fig. 2 zeigt die Zuordnung der Polzähne. Oben ist eine Ansicht dargestellt, darunter rechts ein Schnitt durch die Erregerspule. Links ein Schnitt durch die Magnetscheibe.

Fig. 3 zeigt die einzelnen Blechschnitte.

Die Vorgeschlagene Lösung bietet folgende Vorteile:

Einfacher und zuverlässiger Aufbau, Riemengetriebe, Lagerung und Schleifkontakte entfallen.

Einfache Fertigung mit bewährten Fertigungsverfahren.

Geringer Materialaufwand durch kurze Eisenwege und wenig Verschnitt. Kupfereinsparung durch einfache Spulenform.

Preiswerter Magnetwerkstoff und nur ein Magnet mit einfacher Geometrie. Guter Wirkungsgrad durch Verwendung kornorientierter Bleche im Anker, eine gute Ausnutzung der Ankerwicklung und eine verlustarme Erregung.

Das Trägheitsmoment des direkt auf der Kurbelwelle montierten Läufers ersetzt einen Teil der Schwungmasse, dadurch ergibt sich eine Gewichtseinsparung des Systems.

Durch die einphasige Ausführung wird ein größerer Aufwand für die Glättung des Stromes nach dem Gleichrichten erforderlich, die erforderliche Kapazität eines Glättungskondensators ist aber durch die relativ hohe Frequenz gering.

Fig. 4 zeigt an Prinzipdarstellungen einer 1- bzw. 2-phasigen Maschine die Anordnung von radial magnetisierten Magnetringen und die Anordnung von äußeren und mittleren Läuferscheiben.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsbeispiel für eine 1-phasige Maschine mit Lagerung, wie sie für Windgeneratoren verwendet werden kann. Fig. 6 zeigt am Beispiel einer 3-phasigen Maschine die Möglichkeit, mehrphasigen Maschinen durch die axiale Aneinanderreihung baugleicher Ständer und Läufereinheiten zu erzeugen.

Fig. 7 zeigt eine 2-phasige Anordnung mit stationärer elektrischer Erregung, die z. B. für eine Kombination von Anlasser und Lichtmaschine eines Verbrennungsmotors verwendet werden könnte.

Fig. 8 zeigt eine 1-phasige Ausführung mit permanent magnetisch erregtem Außenläufer, die als Radnabenmotor oder -generator verwendet werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrische Maschine, mit transversaler Flußführung durch einen Ankerring mit U-förmigem Querschnitt und Läuferscheiben mit Klauenpolen gekennzeichnet durch, ein Ständerblechpaket aus in der Breite gestuften Blechstreifen (12) mit beidseitig ausgestanzten Polzähnen (23), die im Paket zu einem Profil mit U-förmigen Querschnitt (12) gekantet und dann zu einem Ring (12) gebogen werden.

    Die Blechstreifen werden vorzugsweise als Querabschnitten kornorientierter Bleche gestanzt. Für Großserien werden Spaltbänder mit einer Breite entsprechend der Streifenlänge verwendet und die gestufte Streifenbreite durch einen entsprechenden Blechvorschub an der Stanzpresse mit einem einzigen Stanzwerkzeug erzeugt, die Polzähne und Zahnlücken sind dazu symmetrisch ausgebildet.
  2. 2. Zwei äußere Läuferscheiben und je Phase eine mittlere Läuferscheibe. Jede Läuferscheibe (5-7), besteht aus geschichteten Paketen von gestanzten und miteinander verklebten Blechen, deren Polzähne (Blech für Blech einzeln) gegeneinander gekröpft sind, wobei die äußeren Läuferscheiben Zähne entsprechend der Polteilung aufweisen, die nach innen gekröpft sind, und die mittleren Läuferscheiben (6) die doppelte Anzahl von Zähnen aufweisen, die abwechselnd zu beiden Seiten gekröpft sind.

    Die Kröpfung entspricht der Breite des Ständerblechpaketes, so daß sich jeweils Ständerpole und Läuferpole mit abwechselnder magnetischer Polung an zylindrischen Luftspalten gegenüberliegen. Die Länge aller Polflächen eines Querschnittes beträgt etwa ein Drittel des Umfanges.

    Eine oder beide äußeren Läuferscheiben (6) sind ohne Kröpfung ausgeführt, insbesonders in Verbindung mit dauermagnetischer Erregung.

    Bei Außenläufern und bei Innenläufern mit großem Durchmesser sind die Läuferbleche als Streifen mit beidseitigen Einkerbungen (25, 26) gestanzt und in der Blechebene zu Ringen geknickt.

    Die Streifen für diese Läuferblechpakete werden je nach Anwendung vorzugsweise als Querabschnitte aus kornorientierten Blechen hergestellt oder bei Großserien aus Spaltband endlos gestanzt und um die Hochachse geknickt zu Paketen gewickelt.
  3. 3. Die kombinierte elektrische und dauermagnetische Erregung des Läufers durch jeweils im Wechsel zwischen den Läuferscheiben angebrachte Erregerspule (17) bzw. dauermagnetische Scheibe (18), die zwischen zwei magnetisch isolierten Läuferscheiben angeordnet ist, oder einen dauermagnetischen Ring, der jeweils unter der (mittleren) Läuferscheibe und auf einem Eisenanker (15) angeordnet ist (Fig. 4). Die Übertragung der Erregungsenergie von einem stationären Erregungsapparat durch koaxilale radiale (10) und/oder axiale Luftspalte.
  4. 4. Die Bildung von mehrpoligen Maschinen durch die axiale Aufreihung baugleicher Ständer/Läufereinheiten.






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