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Dokumentenidentifikation DE19858304C2 08.11.2001
Titel Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung, insbesondere zweipolige Transversalflußmaschine für hohe Drehzahl
Anmelder Voith Turbo GmbH & Co. KG, 89522 Heidenheim, DE
Erfinder Lange, Andreas, 89551 Königsbronn, DE
Vertreter Dr. Weitzel & Partner, 89522 Heidenheim
DE-Anmeldedatum 17.12.1998
DE-Aktenzeichen 19858304
Offenlegungstag 29.06.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.11.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2001
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 1/27   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung, insbesondere eine zweipolige Transversalflußmaschine für hohe Drehzahlen, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 44 00 443 C1).

Wechselstrommaschinen, die nach dem Transversalflußprinzip arbeiten, sind beispielsweise aus den folgenden Druckschriften

  • 1. DE 35 36 538 A1
  • 2. DE 37 05 089 C1
  • 3. DE 39 04 516 C1
  • 4. DE 41 25 779 C1
  • 5. DE 44 00 443 C1
bekannt. In diesen Druckschriften ist im wesentlichen das Grundprinzip und der Aufbau beschrieben.

Die bekannten Wechselstrommaschinen, die nach dem Transversalflußprinzip arbeiten, umfassen wenigstens einen Stator mit mindestens einer Ankerwicklung und einen, der Ankerwicklung gegenüberliegenden Rotor. Der Rotor besteht dabei aus wenigstens zwei nebeneinander angeordneten, durch eine Zwischenlage aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem Material getrennten Ringelementen, die in Umfangsrichtung eine Vielzahl von wechselweise angeordneten polarisierten Magneten und Weicheisenelementen aufweisen. Eine derartige Anordnung zweier Ringelemente bildet eine Polstruktur. Vorzugsweise sind die Transversalflußmaschinen symmetrisch aufgebaut. In diesem Fall umfassen diese zwei, durch eine zentrale Trägerscheibe getrennte Polstrukturen.

Die bekannten Wechselstrommaschinen mit transversaler Flußführung bzw. Transversalflußmaschinen bieten als einzige permanent magneterregte Synchronmaschinen die Möglichkeit des feldschwächungsähnlichen Betriebes mit theoretisch unbegrenztem Drehzahlverhältnis. Weitere wesentliche Vorteile sind die geringen erforderlichen Kupfermassen, die Möglichkeit des Spannungsvollblockbetriebes bei hohen Frequenzen und daraus folgend ein sehr guter Wirkungsgrad. Allerdings bedingt eine Wechselstrommaschine der bekannten Bauart für die Erzielung dieser vorteilhaften Eigenschaften immer zwei Luftspalte, d. h. zwei in radialer Richtung zwischen Rotor und Stator gebildete Zwischenräume. Des weiteren ist für eine vorgegebene zu erzielende Leistung eine hohe Polzahl erforderlich. Da aus magnetischen Gründen eine Mindestpolzahl erforderlich ist und aus Fertigungsgründen eine Mindestpolteilung nicht unterschritten werden kann, können die Maschinen nicht beliebig verkleinert werden. Elektrische Antriebsmaschinen mit kleiner Leistung und insbesondere einer hohen Drehzahl sind somit mit diesem Grundaufbau nur schwer realisierbar.

Zur Lösung dieses Problemes weist eine gattungsgemäße Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung gemäß der DE 44 00 443 C1 eine Bauart auf, bei der der Rotor und die Statorbaueinheit in radialer Richtung nur durch einen umlaufenden Luftspalt voneinander getrennt sind. Diese hinsichtlich hoher Drehzahlen vorteilhafte Konstruktion hat aber immer noch die genannten Nachteile großer Mindestpolzahlen und erfordert einen hohen Konstruktion und festigungstechnischen Aufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß die genannten Nachteile vermieden werden. Im einzelnen ist auf eine Lösung abzustellen, die es erlaubt, die Vorteile einer Transversalflußmaschine auf eine schnelldrehende Maschine mit relativ kleiner Leistung zu übertragen. Die erfindungsgemäße Lösung soll sich des weiteren durch einen geringen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand auszeichnen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Erfindungsgemäß umfaßt der Rotor einer Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung wenigstens zwei im Bereich der Rotorrotationsachse im Axialschnitt betrachtet angeordnete und durch eine Zwischenlage aus elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Material getrennte Magnetanordnungen, welche im Querschnitt in radialer Richtung betrachtet jeweils zwischen zwei Weicheisenelementen angeordnet sind. Die Anordnung der Magnetanordnungen zwischen den Weicheisenelementen erfolgt sozusagen sandwichartig. Dem Rotor ist eine Statorbaueinheit zugeordnet, wobei Rotor und Stator in Einbaulage in radialer Richtung betrachtet lediglich einen Zwischenraum miteinander bilden. Die Statorbaueinheit umfaßt dazu wenigstens zwei Statorelemente, welche dem Rotor symmetrisch zugeordnet sind. Die Statorbaueinheit umfaßt des weiteren eine Statorwicklung, welche unipolar und als Ringwicklung ausgeführt ist. Diese umschließt den Rotor in Umfangsrichtung. Zur Realisierung der Funktionsweise ist es des weiteren erforderlich, den zentralen Magnetanordnungen eine entsprechende Magnetisierungsrichtung zuzuweisen. Diese ist dabei derart gewählt, daß diese in Richtung der an die Magnetanordnungen angrenzenden Weicheisenelemente ausgerichtet ist. Entsprechend der Magnetisierungsrichtung ist dann ein magnetisches Feld vorhanden, welches die benachbarten Weicheisenelemente in entsprechender Weise durchsetzt. In Betrieb der Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung durch Beaufschlagung der Statorwicklung mit Strom wird durch die durch die Überlagerung bedingte Änderung erzeugten Kräfte eine Kraftwirkung auf den Rotor ausgeübt. Der magnetische Fluß wird dabei über die Statorelemente geführt. Dabei tritt der von den Magneten erzeugte Fluß in der Richtung vom Süd- zum Nordpol durch die Magnete hindurch und in den Weicheisenbereich des benachbarten Weicheisenelementes über, um von dort den Luftspalt passieren zu können und in das Statorelement einzutreten. Über das Statorelement wird dieser um die Statorwicklung herumgeführt und kommt auf der anderen Rotorseite wieder zurück, geht dort, wieder getrieben durch die Magnetanordnung, in Längsrichtung, d. h. radiale Richtung, durchsetzt den Luftspalt und umschließt mit Hilfe des anderen, zweiten Statorbauelementes die Statorwicklung und schließt somit die Flußbahn im zweiten, der zentralen Magnetanordnung benachbarten, Weicheisenelement.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, die Vorteile einer Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung auf eine schnell drehende Maschine relativ geringer Leistung zu übertragen. Dies bedeutet, daß sehr hohe Drehzahlen möglich sind, bei gleichzeitig niedriger Statorfrequenz, einfachstem Aufbau, insbesondere der Wicklung, und geringer Polzahl. Der magnetische Kreis ist streuungsarm. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht in der Möglichkeit eines feldschwächungsähnlichen Betriebes mit Spannungsvollblockbetrieb.

Zur Erzielung einer bezüglich der auftretenden Kräfte optimalen Konfiguration wird dabei eine Ausführung des Rotors angestrebt, welche im Querschnitt betrachtet, d. h. in einer Ansicht von rechts, auf den Rotor einen im wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebauten Grundkörper erkennen läßt. Die Rotationssymmetrie wird dabei durch die Ausführung der Magnetanordnungen als scheibenförmige Elemente mit im wesentlichen rechteckigen Querschnitt und die Ausführung der den Magnetanordnungen zugeordneten Weicheisenelemente als Kreissegmente angenähert. Die Weicheisenelemente sind dabei im Querschnitt betrachtet im wesentlichen halbkreisförmig ausgeführt. Die halbkreisförmig ausgebildeten Weicheisenelemente grenzen dabei mit ihren gerade ausgeführten Flächen an die einander gegenüberliegenden Stirnseiten der scheibenförmig ausgeführten Magnetanordnung an.

Die Statorelemente einer Statorbaueinheit sind entweder als sogenannte Schnittbandkerne oder als weichmagnetische Pulverelemente ausgeführt. Im Axialschnitt betrachtet sind diese dazu mit einem im wesentlichen U-förmigen Querschnitt ausgestattet. Die beiden Schenkel des U-förmigen Querschnittes umschließen dabei die winkelförmige Ankerwicklung. In Einbaulage im Axialschnitt betrachtet sind die Statorelemente dabei dem Rotor derart zugeordnet, daß die Schenkel den Magnetanordnungen gegenüberliegend angeordnet sind. In Umfangsrichtung betrachtet sind die Statorelemente vorzugsweise hinsichtlich ihrer Kontur ebenfalls an ihrer zum Rotor weisenden Fläche im Querschnitt betrachtet halbkreisförmig ausgeführt. Zur Realisierung der Funktion sind lediglich zwei Statorelemente erforderlich, die symmetrisch bezogen auf den Rotor zu diesem angeordnet sind. Die im Axialschnitt U- förmig gestalteten Weicheisenelemente sind dabei aus in Umfangsrichtung hintereinander aufgeschichtetem Trafoblech oder Weicheisenpulver gefertigt. Diese Materialien ermöglichen auch die Gestaltung komplizierterer Statorelemente.

Jede Einheit aus einem Rotor, umfassend zwei zentral im Bereich der Rotorrotationsachse angeordnete Magnetanordnungen, die im Axialschnitt betrachtet durch eine Zwischenlage von elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Material voneinander getrennt sind, und die sandwichartig zwischen jeweils zwei Weicheisenelementen in radialer Richtung eingeklemmt werden, und des weiteren einer Statorbaueinheit mit wenigstens zwei Statorelementen, bildet eine sogenannte einphasige Wechselstrommaschinengrundeinheit. Zum Anlauf der Wechselstrommaschine sind jedoch wenigstens zwei Phasen erforderlich. Dies wird durch Hintereinanderschaltung zweier Maschinengrundeinheiten realisiert. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß die beiden Maschinengrundeinheiten in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzt anzuordnen sind. Dies kann zum einen durch die Gestaltung des Rotors erzeugt werden oder aber durch die entsprechende Ausführung der Statorbaueinheiten. Im erstgenannten Fall werden die einzelnen Rotorphasensegmente, welche jeweils aus den zwei zentral angeordneten Magnetanordnungen, die zwischen zwei Weicheisenelementen sandwichartig angeordnet werden, bestehen, zueinander um 90° versetzt angeordnet. Die beiden Rotorphasensegmente sind dabei über eine Zwischenlage oder ein Distanzstück aus elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Material miteinander verbunden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Rotor homogen zu gestalten, d. h. bezüglich der einzelnen Rotorphasensegmente keinen Versatz vorzusehen und dafür die den einzelnen Rotorphasensegmenten zuzuordnenden Statorbaueinheiten mit dem entsprechenden Versatz in Umfangsrichtung zu versehen. Dies bedeutet, daß die Elemente der einzelnen Rotorgrundeinheiten jeweils in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Diese Möglichkeit bietet den Vorteil, daß bei der Ausführung des Rotors nicht auf die erforderliche Phasenverschiebung geachtet werden muß, sondern zwei identische Grundeinheiten miteinander gekoppelt werden können.

Die Kopplung zwischen den Magnetanordnungen und den benachbarten Weicheisenelementen erfolgt im einfachsten Fall stoffschlüssig. Ausführungen mit Formschluß oder Kraftschluß sind ebenfalls denkbar, erhöhen jedoch den Fertigungsaufwand.

Die Kopplung der einzelnen zentralen Magnetanordnungen eines Rotorphasensegmentes über die Zwischenlager aus elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Material kann ebenfalls stoffschlüssig, kraftschlüssig und/oder formschlüssig realisiert werden. Vorzugsweise wird auch hier auf einen Stoffschluß zurückgegriffen. Die konkrete Auswahl der zu realisierenden Verbindung liegt jedoch im Ermessen des zuständigen Fachmannes.

Vorzugsweise wird die Rotoranordnung, d. h. der Rotor in axialer Richtung je mit einem Wellenende versehen, welches in der Statorbaueinheit lagerbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 verdeutlicht anhand einer Ansicht von rechts eine Ausführung einer erfindungsgemäß gestalteten Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung;

Fig. 2 verdeutlicht anhand einer Schnittstellung A-A einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäß gestaltete zweipolige Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung entsprechend der Fig. 1.

Die Fig. 1 verdeutlicht anhand einer Ansicht von rechts eine Ausführung einer erfindungsgemäß gestalteten Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung 1. Diese umfaßt einen Rotor 2 und eine diesem zugeordnete Statorbaueinheit 3. Die Statorbaueinheit umfaßt eine Statorwicklung 4, welche vorzugsweise als Ringwicklung ausgeführt ist und in einem bestimmten Abstand den Rotor 2 in Umfangsrichtung ringförmig umschließt. Die Statorbaueinheit 3 umfaßt des weiteren wenigstens zwei Statorelemente 5.1 und 5.2, welche dem Rotor 2 symmetrisch zugeordnet sind. Die Kontur der Statorelemente 5.1 und 5.2 im Bereich der zum Rotor 2 weisenden Stirnseiten 6.1 bzw. 6.2 ist halbkreisförmig ausgestaltet, so daß die Statorelemente 5.1 und 5.2 in einem bestimmten Abstand 11 bzw. 12 den Rotor über einen Teil seiner vom Umfang 7 gebildeten Fläche in einer Ansicht von rechts, gemäß Fig. 1 betrachtet, umschließt. Der Rotor 2 und die Statorbaueinheit 3 sind derart zueinander angeordnet, daß in Umfangsrichtung des Rotors 2 betrachtet zwischen dem Stator bzw. den einzelnen Statorelementen 5.1 und 5.2 sowie dem Rotor 2 lediglich ein Luftspalt 8 ausgebildet wird. Der Rotor 2 umfaßt in Einbaulage betrachtet eine zentrale Magnetanordnung 9, an deren Stirnseiten 10.1 bzw. 10.2 jeweils ein Weicheisenelement 11.1 bzw. 11.2 angeordnet ist. Die beiden Weicheisenelemente 11.1 und 11.2, welche der Magnetanordnung benachbart sind, sind in der Ansicht von rechts im Querschnitt betrachtet im wesentlichen halbkreisförmig ausgeführt. Die Außenkontur 12.1 bzw. 12.2 der einzelnen Weicheisenelemente 11.1 bzw. 11.2 ist dabei derart gewählt, daß diese bei Bildung einer baulichen Einheit mit der zentralen Magnetanordnung 9 einen im wesentlichen in dieser Ansicht rotationssymmetrisch aufgebauten Rotor 2 ohne Unwuchten bilden. Die Rotationssymmetrie wird dabei durch die halbkreisförmigen Segmente in Kombination mit einer rechteckig ausgeführten Magnetanordnung 9 angenähert. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die zu den benachbarten Weicheisenelementen 11.1 bzw. 11.2 weisenden Stirnseiten 10.1 bzw. 10.2 der Magnetanordnung im Verhältnis zu den direkt zur Statorwicklung 4 weisenden Flächen 13.1 und 13.2 in ihrer Erstreckung in dieser Ansicht erheblich größer gestaltet sind. Die beiden Weicheisenelemente 11.1 und 11.2 umschließen somit die zentrale Magnetanordnung 9 in der Ansicht von rechts betrachtet sandwichartig.

Die Statorelemente 5.1 und 5.2 der Statorbaueinheit 3 sind als sogenannte Schnittbandkerne oder als weichmagnetische Pulverelemente ausgeführt. Dies wird insbesondere aus Fig. 2, welche den Axialschnitt durch die erfindungsgemäß gestaltete Wechselstrommaschine 1 gemäß Fig. 1 in der Schnittebene A-A darstellt, deutlich. Daraus wird ersichtlich, daß die Wechselstrommaschine 1 als zweiphasige Maschine ausgeführt ist. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Wechselstrommaschine 1 auch als aus lediglich einer Phase bestehend auszuführen. Dies bedeutet jedoch, daß die Wechselstrommaschine 1 nicht in der Lage wäre, selbst hochzulaufen, sondern es müßten zusätzliche Hilfsmittel zur Realisierung des Hochlaufes vorgesehen werden. Daher ist vorzugsweise die Wechselstrommaschine 1 mit transversaler Flußführung als zweiphasige Maschine ausgeführt. Dies ist auch erforderlich, um ein gleichförmiges Drehmoment zu erzeugen. Die einzelnen elektrischen Phasen, die Phase 1 und die Phase 2, welche hier mit I und II bezeichnet sind, werden somit von zwei Wechselstrommaschinengrundeinheiten 1.1 und 1.2 erzeugt. Beide bilden dann die Wechselstrommaschine 1. Jede Wechselstrommaschinengrundeinheit 1.1 und 1.2 umfaßt jeweils eine Statorbaueinheit 3.1 und 3.2, welche aus den Statorelementen 5.1a und 5.2a für die Statorbaueinheit 3.1 bzw. 5.2b und 5.1b für die Statorbaueinheit 3.2 bestehen. Die einzelnen Statorelemente 5.1a, 5.2a bzw. 5.1b und 5.2b sind in dieser Ansicht im Querschnitt betrachtet als U-förmig ausgeführte Weicheisenelemente ausgeführt. Diese umschließen jeweils mit ihren zum Rotor 2 hin gerichteten Schenkeln die Statorwicklung 4, hier die einzelnen ringförmigen Statorwicklungen 4.1 für die Wechselstrommaschinengrundeinheit 1.1 und 4.2 für die Wechselstrommaschinegrundeinheit 1.2.

Der Rotor 2 umfaßt bei Ausführung als zweiphasige Wechselstrommaschine 1 zwei Rotorphasensegmente, ein erstes Rotorphasensegment 2.1 und 2.2. Als Zwischenstück ist ein Distanzstück in Form einer Zwischenlage 15 vorgesehen, welches aus magnetischem und elektrisch nicht leitfähigen Material besteht.

Jedes Rotorphasensegment 2.1 bzw. 2.2 umfaßt wenigstens zwei scheibenförmige Permanentmagnete in Form einer zentralen Magnetanordnung 9. In der Ansicht entsprechend Fig. 2 sind dies die Magneten 9.1a bzw. 9.1b und 9.2a bzw. 9.2b. Die zentralen Magnetanordnungen sind im Zentrum des Rotors angeordnet, d. h. die Symmetrieachse der zentralen Magnetanordnungen 9 schneidet die Rotationsachse R des Rotors 2. Die Magnetanordnungen 9.1a, 9.1b bzw. 9.1a, 9.2b einer Wechselstrommaschinengrundbaueinheit 1.1 bzw. 1.2 sind dabei derart den Statorbaueinheiten 3.1 bzw. 3.2 zugeordnet, daß diese direkt den Schenkeln dieser gegenüberliegen. Den zentralen Magnetanordnungen 9 sind, wie in Fig. 1 dargestellt, in radialer Richtung bezogen auf die Rotorachse in Einbaulage betrachtet, Weicheisenelemente 11.1 bzw. 11.2zugeordnet. Die Weicheisenelemente, welche an die zentralen Magnetanordnungen 9 in radialer Richtung anschließen, bilden mit dieser eine im wesentlichen rotationssymmetrische Baueinheit. Geringe Abweichungen von der Rotationssymmetrie sind denkbar. Vorzugsweise werden diese jedoch so gering wie möglich gehalten.

Zwischen den Rotorgrundelementen für ein Rotorphasensegment 2.1 oder 2.2, welche jeweils aus einer zentralen Magnetanordnung und zwei, diese in radialer Richtung bezogen auf die Einbaulage begrenzende Weicheisenelemente gebildet wird, ist eine Zwischenschicht aus magnetisch und elektrisch nicht leitfähigem Material vorgesehen, welche mit 14.1 für das Rotorphasensegment 2.1 und 14.2 für das Rotorphasensegment 2.2 bezeichnet ist. Die einzelnen Rotorphasensegmente 2.1 und 2.2 sind ebenfalls über eine Zwischenschicht aus elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Material 15 miteinander drehfest gekoppelt.

Am Rotor 2 sind zusätzlich die Wellenenden 16.1 bzw. 16.2 vorgesehen, welche sich in axialer Richtung jeweils an die Rotorphasensegmente 2.1 bzw. 2.2 anschließen und welche gegenüber dem Stator ortsfest gelagert sind. Beide Rotorphasensegmente 2.1 und 2.2 sind identisch aufgebaut, jedoch bei Zusammenfügung zum Rotor 2 über die Zwischenlage aus magnetisch und elektrisch nicht leitfähigem Material 15 um 90° in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet. Dies bedeutet, daß die einzelnen Weicheisenelemente bzw. die zentrale Magnetanordnung jedes Rotorphasensegmentes 2.1 bzw. 2.2 jeweils um 90° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, bezogen auf das jeweils andere Rotorphasensegment, zueinander angeordnet sind. Dies gilt in Analogie auch für die Lage der einzelnen Elemente jedes Rotorsegmentes gegenüber den Statorelementen 5.1a bzw. 5.2a und 5.1b bzw. 5.2b.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Wechselstrommaschine 1 mit transversaler Flußführung stellt eine zweiphasige Transversalflußmaschine in sehr kompakter Ausführung dar. Einwesentliches Unterscheidungskriterium gegenüber den bekannten Transversalflußmaschinen aus dem Stand der Technik besteht darin, daß lediglich nur noch ein Luftspalt 8 zwischen dem Rotor 2 und der Statorbaueinheit 3 vorhanden ist. Bezüglich der Funktionsweise der Wechselstrommaschine kann auf die Ausführungen zu den Grundprinzipien von Wechselstrommaschinen mit transversaler Flußführung verwiesen werden. Dabei sind die beiden, einer Rotorgrundbaueinheit angehörigen Magnetanordnungen in Form der zentralen Magneten 9.1a bzw. 9.1b bzw. 9.2b jeweils mit wechselnder Magnetisierungsrichtung angeordnet. Dies ist für die Magnetanordnungen 9.1a und 9.1b des ersten Rotorphasensegmentes 2.1 dargestellt. Die Magnetisierungsrichtung der beiden zentralen Magnetanordnungen 9.1a bzw. 9.1b bezogen auf die Rotationsachse ist unterschiedlich. Entsprechend der Magnetisierungsrichtung ist ein magnetisches Feld vorhanden, welches die benachbarten Weicheisenelemente in entsprechender Weise durchsetzt. Durch die durch die Überlagerung bedingte Änderung erzeugten Kräfte wird eine Kraftwirkung auf den Rotor 2 ausgeübt. Der magnetische Fluß wird dabei wie in der Fig. 2 dargestellt über die Statorelemente geführt. Dabei tritt der vom Magneten 9 erzeugte Fluß in der Richtung vom Süd- zum Nordpol durch die Magnete hindurch und in den Weicheisenbereich des benachbarten Weicheisenelementes 11.1 über, um von dort den Luftspalt, 8 zu passieren und in das Statorelement 5.1 einzutreten. Über dieses wird er um die Statorwicklung 4.1 herumgeführt und kommt auf der anderen Rotorseite wieder zurück, geht dort, wieder getrieben durch den Permanentmagneten 9.1b, in Längsrichtung, d. h. radialer Richtung, durchsetzt den Luftspalt 8 und umschließt mit Hilfe des Statorbauelementes 5.2a die Statorwicklung 4.1 und schließt somit die Flußbahn im Weicheisenelement 11.2a.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführung verdeutlicht eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung in Form einer Transversalflußmaschine mit zwei elektrischen Phasen. Dies wird dadurch erzielt, daß die Grundanordnung der Statorbaueinheiten 3.1 bzw. 3.2 zur Bildung der Statorbaueinheit 3 in Einbaulage betrachtet in einer Ebene erfolgt. Die Zweiphasigkeit wird durch die Gestaltung des Rotors 2 erzeugt. Dies wird dadurch erzielt, daß die einzelnen Rotorphasensegmente 2.1 bzw. 2.2, welche jeweils einer elektrischen Phase zugeordnet sind, zueinander um 90° versetzt angeordnet werden. Eine andere, hier im einzelnen jedoch nicht dargestellte Möglichkeit, besteht darin, einen einheitlich gestalteten Rotor aus wenigstens zwei Rotorphasensegmenten auszuführen, wobei die einzelnen Rotorgrundelemente der Rotorphasensegmente und somit auch die Rotorphasensegmente nicht zueinander versetzt angeordnet sind. Dies bedeutet, daß bei Projizierung aller Elemente in eine gemeinsame Ebene, welche senkrecht zur Rotationsachse ausgeführt ist, alle Elemente der einzelnen Rotorgrundeinheiten ebenfalls jeweils in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Dies bietet den Vorteil, daß bei der Ausführung des Rotors nicht auf die erforderliche Phasenverschiebung geachtet werden muß, sondern zwei identische Grundeinheiten miteinander gekoppelt werden können. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, die beiden Statorbaueinheiten gegeneinander um 90° in Umfangsrichtung des Rotors betrachtet zu versetzen, um die entsprechende Wirkung zu erzielen. Da in der Regel die Statorelemente in einem Statorgehäuse integriert sind und somit von vornherein auch die Zuordnung bei zweiphasigen Maschinen der einzelnen Statorbaueinheiten zueinander definiert festgelegt werden kann, besteht bezüglich der Anwendbarkeit beider Möglichkeiten der Erzeugung einer Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung kein Unterschied. Für die Ausbildung des Gehäuses ist jedoch die erstgenannte Möglichkeit, nämlich die Erzeugung der beiden Phasen durch die Versetzung der beiden Rotorphasensegmente um 90° zueinander zu bevorzugen.

Für die konkrete Ausführung der einzelnen Elemente von Rotor- und Statorbaueinheit für die in der Fig. 1 bzw. die in der Fig. 2 beschriebene Wechselstrommaschine bestehen auch weitere Möglichkeiten der Gestaltung. Die in den Fig. 1 und 2 wiedergegebene Ausführung stellt jedoch eine besonders kompakte bevorzugte Ausgestaltung dar. Im einzelnen können zusätzliche Abwandlungen bezüglich der Ausführung der Magnetanordnungen und der an diese angrenzenden Weicheisenelemente vorgenommen werden. Es ist jedoch immer darauf zu achten, daß der Rotor bezogen auf die Rotationsachse einen im wesentlichen symmetrischen Aufbau erhält, um Unwuchten zu vermeiden, da diese Ausführung für sehr hohe Drehzahlen geeignet sein soll. Da eine entsprechende Bearbeitung der zu der Statorwicklung hinweisenden Flächen der Magnetanordnungen ökonomisch nicht vertretbar ist, wird jedoch bei der Ausgestaltung der Magnetanordnung auf ein entsprechendes Verhältnis zwischen den an die Weicheisenelemente angrenzenden Flächen und den zur Wicklung weisenden Flächen abgestellt.


Anspruch[de]
  1. 1. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) mit einer Statorbaueinheit (3), innerhalb derer ein zylindrischer Rotor (2) unter Bildung eines Luftspaltes (8) angeordnet ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    1. - der Rotor (2) umfaßt in axialer Richtung wenigstens zwei zentral im Bereich der Rotorrotationsachse angeordnete und durch eine Zwischenlage aus elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Material getrennte Magnetanordnungen (9.1a, 9.1b), die in radialer Richtung jeweils zwischen zwei Weicheisenelementen (11.1, 11.2) angeordnet sind;
    2. - jede Magnetanordnung (9.1a, 9.1b) weist eine Magnetisierungsrichtung auf, welche in Richtung eines der angrenzenden Weicheisenelemente (11.1, 11.2) gerichtet ist.
  2. 2. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Weicheisenelementen (11.1, 11.2) und Magnetanordnung (9.1a, 9.1b) im Querschnitt gebildete Rotorfläche im wesentlichen annähernd rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
  3. 3. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    1. - jede Magnetanordnung (9.1a, 9.1b) ist als Element mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt ausgeführt;
    2. - an den in Magnetisierungsrichtung einander gegenüberliegenden Stirnseiten (10.1, 10.2) der Magnetanordnungen (9.1a, 9.1b) sind halbkreissegmentförmig ausgeführte Weicheisenelemente (11.1, 11.2) mit ihren gerade ausgeführten Flächen angeordnet;
    3. - die Anordnung der im Querschnitt betrachtet halbkreissegmentförmig ausgebildeten Weicheisenelemente (11.1, 11.2) erfolgt an den jeweils einander gegenüberliegenden längeren Stirnseiten der Magnetanordnung (9.1a, 9.1b).
  4. 4. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    1. - jede Statorbaueinheit (3) umfaßt wenigstens zwei Statorelemente (5.1, 5.2), welche in Umfangsrichtung des Rotors (2) betrachtet zu diesem im wesentlichen symmetrisch angeordnet sind;
    2. - jede Statorbaueinheit umfaßt des weiteren wenigstens eine Ankerwicklung (4), welche ringförmig den Rotor (2) in einem bestimmten Abstand umschließt.
  5. 5. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    1. - jedes Statorelement (5.1, 5.2) weist im Axialschnitt einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf;
    2. - die Schenkel des U-förmigen Querschnittes sind in Einbaulage zum Rotor (2) hingerichtet und den Magnetanordnungen (9.1a, 9.1b) gegenüberliegend angeordnet.
  6. 6. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der einzelnen Magnetanordnung (9.1a, 9.1b) und den an diese angrenzenden Weicheisenelemente (11.1, 11.2) und/oder die Verbindung zwischen der Magnetanordnung (9.1a, 9.1b) in axialer Richtung und der Lage aus elektrischen und magnetisch nicht leitfähigem Material mittels Stoffschluß erfolgt.
  7. 7. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese als zweiphasige Maschine, umfassend einen Rotor (2) mit zwei Rotorphasensegmente (2.1, 2.2), welche in axialer Richtung durch eine Zwischenlage aus elektrisch und magnetisch nicht leitfähigem Material (15) voneinander getrennt sind, und zwei Statorbaueinheiten (3.1, 3.2) ausgeführt ist.
  8. 8. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die identisch aufgebauten Rotorphasensegmente (2.1, 2.2) in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzt angeordnet sind.
  9. 9. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    1. - die beiden Rotorphasensegmente (2.1, 2.2) sind in einer gemeinsamen Ebene unter Versatz zueinander angeordnet;
    2. - die jedem Rotorphasensegment zugeordnete Statorbaueinheit (3.1, 3.2) ist in Umfangsrichtung betrachtet in zwei unterschiedlichen, zueinander um 90° versetzten Ebenen angeordnet.
  10. 10. Wechselstrommaschine mit transversaler Flußführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rotor (2) in axialer Richtung jeweils ein Wellenende (16.1, 16.2) zugeordnet ist, welches im Stator (3) lagerbar ist.






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