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Dokumentenidentifikation DE19800667C2 12.10.2000
Titel Transversalflußmaschine mit massearmem passiven Rotor
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 10.01.1998
DE-Aktenzeichen 19800667
Offenlegungstag 12.08.1999
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.2000
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 1/27   H02K 9/19   H02K 19/06   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Transversalflußmaschine mit passivem Läufer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (DE 39 27 453 A1).

Eine solche Transversalflußmaschine ist aus der DE 39 27 453 A1 bekannt. Die dort gezeigte elektrische Maschine mit mehreren, im wesentlichen transversal verlaufenden Magnetkreisen gleichartiger Ausführung (Transversalflußmaschine) umfaßt einen Rotor mit einer Welle, einen Stator und einen Statorkörper, wobei der Stator für jeden Magnetkreis zwei ringförmige Sammleranordnungen aufweist, die sich aus dem Absatnd einer Polteilung zwischen Weicheisenlamellen eingebetteten, radial stehenden Permanentmagneten zusammensetzen. Zwischen den Sammleranordnungen des Stators ist jeweils eine ringförmige Wicklung angeordnet. Der Rotor für jeden Magnetkreis ist in eine äußere und eine innere Rotorhälfte aufgeteilt, welche im Abstand der doppelten Polteilung jeweils axial verlaufende Polelemente aus Weicheisen trägt, wodurch ein zylindrischer Zwischenraum entsteht, in dem der Stator unter Bildung von zwei Luftspalten den Polelementen gegenübersteht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine besonders zweckmäßige Maschinenbauform mit Rücksicht auf hohe Volumenausnutzung und günstige Stator- und Rotorgestaltung anzugeben. In der älteren DE 196 34 949 C1 wurden Lösungen beschrieben, die bei robuster Rotoranordnung besonders zur Anwendung bei größeren Luftspalten geeignet sind. Nach der dortigen Fig. 1b ist eine zum Achsenkreuz symmetrische Magnetkreis-Konfiguration mit zwei seitlichen Sammlern charakteristisch. Die ferromagnetischen Rückschlußlamellen sind dem Rotor am inneren und äußeren Magnetkreisrand zugeordnet. Es ist ersichtlich, daß trotz dem mit Lücken versehenen Magnetkreisteil des Rotors sein Massenanteil verhältnismäßig hoch ist. Insbesondere kann deshalb bei hohen Drehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten auf die Anwendung hochwertiger Werkstoffe für den Rotorkörper nicht verzichtet werden. Dem hohen Massenanteil entsprechen auch erhöhte Eisenverlustanteile.

In der vorliegenden Erfindung wird die massearme Rotorausführung unter Beibehaltung wichtiger in der DE 196 34 949 C1 genannten Merkmale und Vorteile angestrebt. Um dieses Ziel zu erreichen ist es notwendig, gegenüber den bisherigen Konstruktionsvorschlägen neue Merkmale für den Aufbau des Stators und des Rotors einzuführen. Besonderer Wert ist darauf zu legen, daß hierbei die im Magnetkreis entstehenden Verluste gering gehalten und günstige Kühlverhältnisse erreicht werden.

Aus der DE 41 25 779 C1 ist eine Transversalflußmaschine mit einem gezahnten Rotor bekannt. Jeweils zwei Teilrotoren ragen dabei axial in E-förmige Weicheisenelemente des Stators hinein. Eine Erregung durch Permanentmagnete im Stator ist nicht vorgesehen, wobei die Magnetkreisanordnung so zu gestalten ist, daß je Magnetkreis zwei masse- und verlustarme Rotorteile seitlich angeordnet sind und die radial außen bzw. innen liegenden Sammlerteile über ein radial wirkendes Verbindungselement im Wicklungsbereich mechanisch steif miteinander verbunden sind. Eine in das Verbindungselement integrierte Kühlung sorgt für ausreichende Wärmeabfuhr aus dem umgebenden Bereich von Wicklung und Sammlerteilen. Mit einer am Umfang in zwei Hälften aufgespaltenen Wicklungs- und Sammleranordnung ergibt sich bei Anwendung nur eines Magnetkreises in axialer Richtung eine zweisträngige Maschine minimaler axialer Ausdehnung und maximaler Leistung.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand der Fig. 1-6 erläutert:

Fig. 1: Linearisierte Teilansicht von Stator ohne Wicklung und einem Rotorteil.

Fig. 2: Linearisierte Ansicht von äußerem und innerem Sammler mit einem C-förmigen Verbindungselement in gezahnter Ausführung.

Fig. 3: Linearisierte Ansicht eines Statorteils mit I-förmigem Verbindungselement und der Anordnung eines Wälzlagers zur Welle.

Fig. 4: Teil eines Maschinenquerschnitts mit zweigeteilter Wicklung und Verbindungs element mit integrierten Kühlkanälen.

Fig. 5: Rotorausschnitt in gezahnter Blechpaketausführung mit vier Paketteilen.

Fig. 6: Maschinenquerschnitt zur Anordnung von zwei Wicklungssträngen am Umfang (mit Leiterrückführung innen) und minimaler axialer Ausdehnung.

Transversalflußmaschinen mit der Forderung nach hohen Umfangsgeschwindigkeiten und hoher Kraftdichte werden zweckmäßig mit einem Magnetkreis mit relativ hohem Anteil an Permanentmagneten und relativ geringem Anteil an magnetfeldführenden Eisenlamellen dimensioniert. Hierdurch lassen sich die freqeunzabhängigen Eisenverluste stark reduzieren. Gleichzeitig entsteht die Möglichkeit, die vom Rotoreisen verursachten Fliehkräfte mit einem geringen Aufwand an konstruktivem Material und zusätzlicher Rotormasse abzustützen. Für den mit erhöhter Umfangsgeschwindigkeit einhergehenden größeren Luftspalt gilt ähnlich wie in der DE 196 34 949 C1 die Anwendung einer größeren Polteilung und etwas erhöhter elektrischer Durchflutung. Letzteres ist verbunden mit der Forderung nach intensivierter Wärmeabfuhr. Durch eine Aufteilung der Wärmeströme, d. h. eine Unterteilung der Wärmequellen in Bezug zur Wärmesenke und durch die Anordnung entsprechender Kühlkanäle kann dies erreicht werden.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Modifizierung der Statoranordnung führt zu einer räumlichen Vergrößerung der Sammleranordnung mit erhöhtem Anteil an Permanentmagneten. Gleichzeitig erfolgt eine Verringerung der dem Rotor zugeordneten Eisenkreiselemente. Mit dieser Veränderung einher geht eine Reduktion des magnetischen Widerstandes für den magnetischen Kreis und eine Verringerung der Eisenverluste, da im inneren Bereich der Sammler eine geringere magnetische Flußdichte herrscht als z. B. im Rotoreisen. Es entsteht zusätzlich eine günstige Gestaltungsmöglichkeit für das rotorseitige Magnetkreisteil. In der linearisierten Teilansicht nach Fig. 1 sind äußere und innere Sammleranordnung S1 und S2 sowie der rechts liegende Rotorteil Rr gezeichnet. Wie Fig. 1 zeigt, ist eine Blechpaketanordnung mit zweiseitiger Zahnung Z1 und Z2 im Abstand der doppelten Polteilung und einer Jochverbindung J in Umfangsrichtung eine sehr zweckmäßige Bauform für den Rotor. Durch eine Blechung (Blechebene quer zur Welle) kann auch der Forderung nach einfacher Herstellung entsprochen werden. Um die Kraftbildung möglichst wirkungsvoll zu gestalten, ist die Zahnhöhe von Z1 und Z2 größer als der fünffache Luftspaltbetrag und die Breite der Zähne etwa 80% der Polteilung zu wählen. Äußere und innere Zahnung stehen sich direkt gegenüber. Die vom Rotorblechpaket entwickelten radialen Fliehkräfte werden durch die axiale Befestigung des Rotorteils Rr an dem scheibenförmigen Rotor Rs von letzterem aufgenommen.

Wie aus Fig. 1 ebenfalls ableitbar ist, bestehen die beiden Sammleranordnungen S1, S2 abwechselnd im Polteilungsabstand aus Weicheisenlamellen L und Permanentmagneten P.

Die Permanentmagnete P haben dabei alternierende Polarität. Äußere und innere Permanentmagnete P weisen dabei ebenfalls unterschiedliche Polarität an gleicher Stelle auf, siehe Fig. 2.

Das der Kraftübertragung von innen nach außen dienende Verbindungselement V zwischen den Sammleranordnungen S1 und S2 ist so zu gestalten, daß durch eine wie in Fig. 2 gezeichnete korrespondierende Zahnstruktur von Sammler Sz und Verbindungsteil Vz eine sicher und großflächige Kraftübertragung erzielt wird. Durch gegenüber den Weicheisenlamellen L überstehende Permanentmagnete P läßt sich im mittleren Bereich des Magnetkreises die Zahnung der Sammleranordnung ohne größeren Bearbeitungsaufwand ausführen. Eine ähnliche Verbindung kann mit Hilfe eines zusätzlichen Konstruktionselements K die Lagerung La des Stators gegenüber der Welle W entsprechend Fig. 3 übernehmen. Nach außen erfolgt die Abstützung der auf den Stator wirkenden Umfangskraft über die äußere Sammleranordnung und das an ihr befestigte Gehäuseteil (nicht gezeichnet).

Wie Fig. 4 zeigt, wird der innere Bereich im magnetischen Kreis durch die in zwei Einheiten unterteilte Wicklung Ws1 und Ws2 in der Form von Ringspulen oder in der Form von Spulenteilen, die den halben Umfang überdecken, und durch das Verbindungselement V gegliedert. Die Doppel-T-Form des Verbindungselements V schließt Kühlkanäle Ku1 und Ku2 ein und ist, wie bereits beschrieben, oben und unten gezahnt ausgeführt. Eine Anordnung des Verbindungselements im Zentrum des Magnetkreises ist besonders zweckmäßig, weil an dieser Stelle minimale magnetische Feldstärken auftreten, so daß hier auch nur kleine Wirbelstromverluste entstehen können.

Für Maschinen mit hohen Betriebsfrequenzen ist zur Ausführung des Verbindungselements V eine dünne Wandstärke und begrenzte elektrische Leitfähigkeit zweckmäßig. Dabei erfordert die Wirksamkeit der Kühlfunktion eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials. Damit ist neben Aluminium die Anwendung von VA-Stahl als geeignet anzusehen, wobei Aluminium für den Bereich kleiner Frequenzen eher den Anforderungen entspricht. Die querliegenden Ansätze des Verbindungselements V haben nicht nur die Aufgabe der mechanischen Verbindung zu den Sammleranordnugen, sondern übernehmen auch die Funktion der Wärmeleitung und die Abführung der in den Sammleranordnungen entstehenden Verluste zu den Kühlkanälen. Das flüssige Kühlmittel selbst wird radial über Rohrteile durch den Sammler geführt.

Es besteht kein Zweifel, daß thermisch und elektrisch noch günstigere Verhältnisse erreicht werden, wenn anstelle des elektrisch leitfähigen Metalls als Material für das Verbindungselement V z. B. Al2O3 oder Aluminium-Nitrit eingesetzt würde. Das elektrisch isolierende Material ermöglicht weitgehenden Verzicht auf Isolationsmaterial zwischen Wicklung Ws1, Ws2 und Verbindungselement V und erhöht somit die resultierende Wärmeübergangszahl. Als besonders günstig erweist sich die etwa um 50% höhere Wärmeleitfähigkeit des keramischen Materials. Insbesondere für Maschinen mit hoher Betriebsfrequenz werden so günstige Dimensionierungsmöglichkeiten erzielt, die einer hohen Volumenausnützung der Transversalflußmaschine sehr dienlich sind.

Wie weiter der Fig. 4 zu entnehmen ist, sind zur Kühlung des innerhalb der Sammleranordnung S2 liegenden Statorteils K sowie des Lagers La zusätzliche Maßnahmen, etwa der ringförmige Kühlkanal Kg mit seiner radialen Zuführung Zf, vorzusehen.

Auch im Bereich außerhalb der Sammleranordnung S1, d. h. im anschließenden Gehäuse teil H, sind ähnliche Kühlmaßnahmen zur zusätzlichen Wärmeabfuhr zweckmäßig, wenn es sich um größere Maschinen handelt.

Fig. 5 weist darauf hin, daß beim Aufbau des Rotorblechpakets darauf zu achten ist, daß keine geschlossenen Umläufe von Wirbelströmen durch ungeschlitzte Bleche entstehen. Hier ist z. B. eine Unterteilung in 4 gleichartige Pakete P1/P4 mit unterschiedlichen Stellungen des Schlitzes G vorgesehen. Die Zahl der Unterteilungen läßt sich mit Vorteilen für die Spannungsverteilung im Rotor erhöhen. Ihr Größtwert liegt bei der Zahl, die gleich der Zahl der Bleche ist.

Für Maschinen großer Durchmesser empfiehlt sich die Anwendung von segmentartig geformten Blechteilen.

In Fig. 6 ist ein Maschinenquerschnitt dargestellt, bei dem axial gesehen innerhalb eines Magnetkreisteils vorausgesetzt ist, daß in Umfangsrichtung zwei Wicklungsstränge Ws1, Ws1'; Ws2, Ws2' angeordnet sind. Damit umschließt ein Wicklungsteil etwa den halben Umfang der Maschine, während die beiden zugehörigen Statorhälften um eine halbe Polteilung gegeneinander versetzt sind. Eine entsprechende zeitliche Verschiebung der beiden Strangströme ist dabei ebenfalls vorausgesetzt. Wie in Fig. 6 gezeichnet, sind die nun notwendigen Rückführungsteile der Spulen Ws1' und Ws2' im inneren Teil der Maschine vorgesehen. Erkennbar ist die nun mögliche Verringerung der axialen Ausdehnung der Maschine. Bei dieser Anordnung kann im Vergleich zu einer Maschine mit Zweifachanordnung des Magnetkreises davon ausgegangen werden, daß infolge der größeren radialen Abmessung des Magnetkreises deutlich günstigere Kraftdichten und damit eine insgesamt höhere Volumenausnützung erzielbar sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrische Maschine mit mehreren, im wesentlichen transversal verlaufenden Magnetkreisen gleichartiger Ausführung (Transversalflußmaschine), umfassend einen Rotor mit einer Welle (W), einen Stator und einen Statorkörper, wobei der Stator für jeden Magnetkreise aus zwei ringförmigen Sammleranordnungen (S1, S2), die sich aus im Abstand einer Polteilung zwischen Weicheisenlamellen (L) eingebetten, radial stehenden Permanentmagneten (P) wechselnder Polarität zusammensetzen, sowie einer zwischen den Sammleranordnungen (S1, S2), angeordneten, ringförmigen Wicklung (Ws1, Ws2) besteht, und wobei der Rotor für jeden Magnetkreis in zwei Rotorteile (Rr, Rl), die den Sammleranordnungen (S1, S2) im Abstand jeweils eines Luftspaltes gegenüberstehen, aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - die Rotorteile (Rr, Rl) aus einem außen und innen gezahnten Blechpaket mit einer Teilung der Rotorzähne im doppelten Polteilungsabstand der Sammleranordnungen (S1, S2) bestehen,
    2. - die Sammleranordnungen (S1, S2) sich über die gesamte axiale Länge von Wicklungs- und Rotorteilen (Ws1, Ws2; Rr, Rl) erstrecken,
    3. - die Wicklung (Ws1, Ws2) axial in zwei Hälften aufgeteilt ist,
    4. - in der Mitte zwischen den beiden Hälften der Wicklung (Ws1, Ws2) sich ein Verbindungselement (V) befindet, dessen innerer und äußerer gezahnter Rand in eine entsprechende Zahnung der Sammleranordnungen (S1, S2) greift.
  2. 2. Transversalflußmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Rotorzähne größer als die fünffache Länge des Luftspalts ist und ihre Breite in Umfangsrichtung etwa 80% der Polteilung beträgt.
  3. 3. Transversalflußmaschine nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (V) im Zentrum des Magnetkreises einen oder mehrere Kühlkanäle (Ku1, Ku2) umschließt, deren Zuleitungen (Zf) durch die Sammleranordnungen (S1, S2) erfolgen.
  4. 4. Transversalflußmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (V) zwischen den Sammleranordnungen (S1, S2) aus elektrisch nichtleitendem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die mindestens gleich der von VA- Stahl ist, ausgeführt wird.
  5. 5. Transversalflußmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Kühlmaßnahmen außerhalb der Sammleranordnungen (S1, S2) ausgeführt sind.
  6. 6. Transversalflußmaschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (Ws1, Ws2) in Umfangsrichtung je einer Statorhälfte zugeordnet und dementsprechend mit einer Rückführung ausgestattet ist, wobei die Statorhälften um eine halbe Polteilung versetzt und die Strangströme um 90° elektrisch phasenverschoben sind.






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