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Dokumentenidentifikation DE10031349A1 17.01.2002
Titel Elementbauweise bei TFM
Anmelder Weh, Herbert, Prof. Dr.-Ing., 38116 Braunschweig, DE
Erfinder Weh, Herbert, Prof. Dr.-Ing., 38116 Braunschweig, DE
DE-Anmeldedatum 28.06.2000
DE-Aktenzeichen 10031349
Offenlegungstag 17.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.01.2002
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 1/12   
Zusammenfassung Es wird eine verbesserte Bauform für Transversalflußmaschinen mit Rotorsammler beschrieben, die erhöhte Kompaktheit mit günstiger Herstellung verbindet. Die Kompaktheit wird durch gesteigerte Ausnützung des Magnetkreisvolumens erreicht, während sich die Herstellung durch Anwendung z. B. gestanzter ebener Bleche verbessert. Fig. 1 zeigt den Maschinen-Axialschnitt.

Beschreibung[de]

Die der hohen Kraftdichte angepaßte Form des Magnetkreises für zwei- und mehrsträngige Transversalflußmaschinen weist das Merkmal auf, daß innerhalb des magnetflußführenden Teils außer der Wicklung nur ein Minimum an Raum für konstruktionsbedingte Elemente eingesetzt wird. In diesem Sinne ist z. B. die Auflösung des Rotors in mehrere Einheiten vorgesehen, so, daß die mechanischen Beanspruchungen der Magnetkreiselemente möglichst unmittelbar von den Rotorscheiben aufgenommen bzw. auf die Welle übertragen werden können. Eine flüssigkeitsgekühlte Verbindung zwischen äußeren und inneren Magnet kreisteilen ist als weiterer Schritt auf dem Wege zu einer sehr kompakten Anordnung zu sehen. Für die möglichst vollkommene Nutzung des Magnetkreisvolumens zur Strom- und Flußführung ist die Frage von Bedeutung, welches Teilvolumen den einzelnen Magnetkreiselementen zuzuordnen ist und welche Möglichkeit besteht, die vollständige Nutzung durch eine Aufteilung in gut herstellbare Einzelteile mit zweckmäßiger Montierbarkeit zu verbessern. Es ist dabei zu beachten, daß die einfacheren Herstellungsverfahren zur Lamellierung der Bauelemente z. B. durch Stanzen verlangen, daß die Lamellierung auf ebene Bleche beschränkt wird. Dementsprechend ist weiter zu beachten, daß die Strukturierung der Bauelemente dem Verlauf des magnetischen Flusses entsprechend erfolgt und Abmessungen so gewählt werden, daß in Anbetracht der Verwendung ebener Bleche ein Minimum an zusätzlichen Eisenverlusten entsteht.

Die bislang bekannt gewordenen Vorschläge für die Formgebung der Bauelemente des Magnetkreises entsprechen nur zum Teil der Bedingung einer hochkompakten Ausführung bei gleichzeitig günstiger fertigungstechnischer Voraussetzung.

Es besteht hiernach die erfindungsgemäß zu stellende Aufgabe, für hochkompakte Magnetkreise mit im Zentrum angeordneter Wicklung und im Rotor befestigten Permanentmagneten in Sammlerbauweise die flußführenden Magnetkreisteile des Stators so zu formen und auszuführen, daß sich die Elemente zur mechanischen Verbindung von Baugruppen auf einen möglichst kleinen Bruchteil des Querschnitts reduzieren lassen und die Flußführung in Bauteilen erfolgt, die aus ebenen Blechen hergestellt und so zusammengesetzt sind, daß sie sehr weitgehend in der Richtung des idealen Flußverlaufs liegen. Hierbei ist auch dem Gesichtspunkt einer Montage in zweckmäßigen Schritten zu entsprechen, wobei möglichst vorgefertigte Teile z. B. für die Wicklung einzusetzen sind. Erwünscht ist weiterhin die Eignung der Bauweise für Magnetkreise mit mehr als zwei Sammleranordnungen.

Der Erfindungsgedanke wird in einer ausführlichen Beschreibung mit Hinweisen auf die konstruktive Gestaltung und insgesamt sieben zeichnerischen Darstellungen erläutert:

Fig. 1 Axialschnitt einer Transversalflußmaschine mit zwei Sammlern je Magnetkreis,

Fig. 2 Ausschnitte aus der Querschnittsdarstellung zu Fig. 1; A1 Schnittebene im Bereich Sammler; A2 Schnittebene neben dem Sammler,

Fig. 3 Ein lamelliertes Paket entsprechend E1',

Fig. 3b ein Teil des ringförmigen gezahnten Pakets Z1',

Fig. 3c ein Teil des ringförmigen gezahnten Paketes Z1",

Fig. 3d ein Lamellenpaket entsprechend E1",

Fig. 4 Axialschnitt einer Transversalflußmaschine mit vier Sammlern je Magnetkreis und Außenrotor.

Eine gleichzeitig kompakte und herstellungstechnisch günstige Variante der Magnetkreiskonfiguration kann auf Merkmale aufbauen, die in vorausgehenden Veröffentlichungen beschrieben wurden. Es konnte für Transversalflußmaschinen mit Sammleranordnung der Permanentmagnete im Rotor und für Anwendung bei kleiner und mittlerer Umfangsgeschwindigkeit der Weg gezeigt werden, wie innerhalb des Magnetkreises nur ganz wenig Raum für Konstruktionselemente angewendet wird. Mit einer Formgebung entsprechend Fig. 2b aus DE 198 48 123 C1 ist es möglich, fast das gesamte Innenvolumen zur Unterbringung der Wicklung zu nutzen und die äußeren Abmessungen damit zu beschränken. Von Bedeutung ist auch, die notwendigen Verbindungselemente V1 so auszuführen, daß die geforderte Festigkeit gesichert und mit einem Minimum an Volumen auch Kühlkanäle in enger Nachbarschaft zur Wicklung angeordnet werden können. Die Wicklungsteile W' und W" grenzen unmittelbar an das Verbindungselement V1, wobei letzteres mit rippenförmigen Ansätzen versehen die genaue Justierung der Weicheisenelemente E1' und E1" ermöglicht. Diese sind im allgemeinen aus Schnittbandkernen hergestellt. Ihre Lamellierung entspricht damit der Regel, daß zur höchstmöglichen Vermeidung von Wirbelströmen (und Wirbelstromverlusten) die Blechebene so zu wählen ist, daß die quer dazu verlaufenden Feldkomponenten verschwindend klein sind. Neben dem Verbindungselement V1 sind im Feld des Magnetkreisinnenraums nur noch die zur Sicherung der umlaufenden Permanentmagnete notwendigen Abschlußringe RS', die in axialer Richtung eine mechanische Vorspannung ermöglichen, welche über einzelne Spannelemente aufgebracht wird. Durch diese Verbindung gelingt es, Permanentmagnete und ferromagnetische Sammlerteile auch bei Bewegung gegen die auftretenden Kräfte zu sichern.

Fig. 1 zeigt eine Hälfte einer zweisträngigen Transversalflußmaschine im Axialschnitt. Der erfindungsbezogene Aufbau des magnetischen Kreises kann anhand dieser Figur mit seinen besonderen Merkmalen erläutert werden. Zur weiteren Erhöhung der Kompaktheit und der günstigen Herstellbarkeit bei gleichzeitig zweckmäßiger Montagefolge sind gegenüber der obenerwähnten Fig. 2b aus. DE 198 48 123 C1 verschiedene Veränderungen vorgesehen. Ähnlich wie oben finden sich die beiden Rotorsammler P1&litre; und P1r jeweils den Wicklungen W1' und W1" gegenüber, die ihrerseits an das Verbindungsteil V mit den Kühlkanälen Ku anschließen. Die Abschlußringe RS1' und RSm' ermöglichen die axiale Vorspannung der Sammlerelemente gegenüber den Rotorscheiben RS1 und RSm. Die Umfangskräfte werden auf die Welle W übertragen, die über die Lager L gegenüber dem inneren Gehäuseteil Hi fixiert wird. Nach außen werden die Kräfte von den Magnetkreiselementen E1", die Verbindung V und die äußeren Magnetkreiselemente E1' auf das Gehäuse Ha weitergeleitet. Die tangentiale Übertragbarkeit der Kraft wird durch eine Unterteilung der Elemente entsprechend der Polteilung sowie durch Rippen, die in den Zwischenraum der Elemente E hineinragen, gesichert. Ähnliche kleine Rippen befinden sich auch an dem Gehäuseteil Hi sowie am äußeren Gehäuse Ha und am Verbindungselement V (gestrichelt gezeichnet).

Anstelle einer Klebeverbindung der Lamellenpakete E1', E1" gegenüber den Teilen Hi und V ist, wie gezeichnet, eine Verbindung durch radiale Vorspannung über Aufbringen von Bandagen B in entsprechenden Einschnitten von E1' zu erreichen. Sie sichern damit den Zusammenhalt der Statorteile des magnetischen Kreises und deren Verbindung zum Gehäuseteil. Die Komplettierung erfährt das Statorteil dadurch, daß nach dem Einbringen der vorgefertigten ringförmigen Spulen W1', W1" die gezahnten ringförmigen Blechpakete Z1' und Z1" der linken und rechten Seite eingeschoben und seitlich gesichert werden.

Dem Gedanken der eisenverlustarmen Bemessung folgend sind die Paketeinheiten E1', E1" mit kleiner Umfangsausdehnung festzulegen. Sie ist hier kleiner als die Polteilung, wie Fig. 2 zu entnehmen ist. Damit wird sichergestellt, daß quer zur Blechebene nur eine sehr kleine Flußdichte wirksam ist. Günstig ist, daß die einzelnen Pakete durch ebene Bleche gleichartiger Form hergestellt werden können. Die Größe des Zwischenraums zwischen den Paketen ergibt sich aus der Notwendigkeit, die für die Positionierung und Kraftübertragung notwendige Rippe an den Paketkörpern Z1 mit minimaler Abmessung festzulegen. Im übrigen ist die Formgebung bei den Paketkörpern Z1' und Z1" ähnlich. Der Durchmesserverringerung beim inneren Paketteil entsprechend werden die Abmessungen der Lamellenpakete E1" angepaßt. Dem Grundsatz eines näherungsweise gleichgroßen Querschnitts kann durch die Erweiterung der radialen Abmessung bei E1" entsprochen werden. Die Querschnitte der einzelnen Elemente sind in beiden Darstellungen in den verschiedenen Schnittebenen, der Ebene A1 und A2 (nach Fig. 1) in der Darstellung von Fig. 2 zu entnehmen. Dem Schnittbild nach A2 von Fig. 2 kann auch entnommen werden, daß die radiale Abmessung der ringförmigen Blechteile von Z1' und Z1" verhältnismäßig klein gewählt wurde. Ihre Länge ist geringer als die Radialabmessung der Zähne Ze am Luftspalt und geringer als die Polteilung. Bei Wahl einer größeren Abmessung würden sich größere axial gerichtete Feldkomponenten ergeben, die dem Prinzip minimaler Wirbelstromverluste widersprechen.

Erwähnt sei, daß die jeweils auf der Innenseite der Körper Z1' und Z1" angeordneten Zähne Ze sich wie bei Transversalflußmaschinen geboten im Abstand der doppelten Polteilung befinden und die Zahnhöhe dabei etwa der halben Polteilung entspricht, so daß eine sehr wirksame Bildung von Umfangskräften erfolgt.

Zu erkennen ist weiter, daß die äußeren Lamellenpakete E1' eine kleinere radiale Höhe aufweisen, als die inneren Pakete E1". Der außerhalb des Spulenraums angeordnete Teil des magnetischen Kreises beansprucht durch die verhältnismäßig dichte Packung in Umfangsrichtung nur eine minimale Ausdehnung. Bei gleichem äußeren Durchmesser kann so ein verhältnismäßig großer mittlerer Rotordurchmesser und ein großes Drehmoment erzeugt werden. Gleichzeitig kann auch der im inneren Volumen der Maschine verfügbare Raum zur Flußführung zweckmäßig genutzt werden. Es liegen somit günstigere Bedingungen für die Volumennutzung und die kompakte Ausführung als bei der eingangs erwähnten Patentschrift vor.

Die für die Herstellung der Magnetkreiselemente des Stators relevante Blechung ist Fig. 3 zu entnehmen. Von oben nach unten werden dargestellt:

Ein lamelliertes Paket entsprechend E1' in Fig. 3a,

ein Teil des ringförmigen gezahnten Pakets Z1' in Fig. 3b,

ein Teil des ringförmigen gezahnten Paketes Z1" in Fig. 3c,

ein Lamellenpaket entsprechend E1" in Fig. 3d.

In allen vier Fällen werden zur Herstellung ebene Bleche verwendet, die z. B. durch Stanzen geformt werden.

Da die erfindungsgemäße Bauformbeschreibung zu einer erhöhten Vergleichmäßigung des magnetischen Flusses außerhalb des Luftspaltraumes führt, wird der Raum vorteilhafter genutzt und eine gesteigerte Kompaktheit insbesondere in radialer Richtung erreicht. Darüber hinaus werden auch Möglichkeiten eröffnet, größere axiale Längen der Magnetkreisabmessung bei gegebenem Außendurchmesser zu verwirklichen und damit höhere Drehmomentdichten zu realisieren.

Es wird davon ausgegangen, daß der Übergang zwischen den Lamellenpaketen E und den zylindrischen Teilen Z ohne einen größeren zusätzlichen magnetischen Widerstand erfolgen kann. Dies erfordert einen nur sehr kleinen mechanischen Spalt. Hierbei ist allerdings zu erwähnten, daß die Begrenzung des Widerstandes durch die gegenüber der Zahnbreite von Ze am Luftspalt vergrößerte Übertrittsfläche begünstigt wird. Allerdings ist mit Blick auf die Vermeidung von zusätzlichen Wirbelströmen durch direkte Berührung der Körper E und Z die Anwendung isolierender Zwischenlagen erwägenswert, mit Blick auf den magnetischen Widerstand aber kontraproduktiv. Zweckentsprechend sind somit isolierende Oberflächenbehandlungen und die Realisierung kleinstmöglicher Restspalte anzustreben.

Ein weiterer Punkt der Verlustbegrenzung entsteht im Zusammenhang mit der Vermeidung von möglichen Umfangsströmen in den Blechpaketen Z. Eine wirksame Maßnahme besteht darin, die ringförmigen Blechpakete in Teilpakete zu gliedern und diese jeweils mit mindestens einem Schlitz je Umfang zu versehen. Eine elektrische Isolierung zwischen den Teilpaketen erscheint geboten.

In Fig. 4 ist eine Modifikation des Erfindungsgedankens wiedergegeben, die zu einer weiteren Steigerung der resultierenden Kraft- bzw. Drehmomentdichte führt. Der auf vier Sammler erweiterte Magnetkreis ermöglicht bei Maschinen mit größeren radialen Abmessungen eine Verdoppelung der Interaktionsflächen am Luftspalt und führt somit zu einer Verdoppelung der Kräfte, wenn der stromführende Querschnitt verstärkt ausgeführt wird und sich keine größeren Einschränkungen durch die Magnetkreisgeometrie nach innen ergeben.

Mit der Vierfachvariante der Sammler entsteht die Aufgabe, im mittleren Bereich des Magnetkreises, also zwischen den Zylinderpaketen Z1' und Z1" ein weiteres Statorteil anzuordnen. Dieses ist in doppelt gezahnter Ausführung als Z1m mit geringen radialen Abmessungen in Fig. 4 eingeführt. Wie bisher sind die äußeren gezahnten Zylinderpakete mit den entsprechenden Querverbindungen in Gestalt der Lamellenpakete E1' und E1" verbunden. Im Innern des Magnetkreises wird wieder ein gekühltes Verbindungsteil V eingesetzt, dessen Verbindung zu den mittleren Statorteilen über das Verbindungselement Vm erfolgt. Hierdurch ist eine gute Wärmeleitung und eine ausreichende Steifigkeit zur Übertragung der Umfangskräfte möglich.

Die Sammler P1a und P1i sind links mit dem Rotorteil R1 und rechts mit dem Rotorteil Rm verbunden. Die Befestigung des Stators erfolgt über das Innengehäuseteil Hi, das die Kräfte z. B. auf der rechten Seite der zweisträngigen Anordnung an Befestigungselemente weiterführt.

Die Lagerung des gezeichneten Außenrotors erfolgt über die Lager L am inneren Gehäuseteil, das z. B. noch ausreichend Platz läßt für die Durchführung einer Welle, die ihrerseits über eine elastische Verbindung gegenüber dem Rotor mit den Umfangskräften beaufschlagt wird.

Die Möglichkeiten der höheren Volumenausnutzung lassen sich am Beispiel des Vierfachsammlers besonders gut nachweisen. Die Anwendung ist, wie gezeigt, nicht ausschließlich auf Maschinen bestimmter Gehäuse- bzw. Läuferformen beschränkt. Sie läßt sich sinngemäß auf verschiedene Konstruktionsvarianten, Maschinen unterschiedlicher Strangzahlen, Stranganordnungen, z. B. auch in konzentrischer Form und Maschinen mit unterschiedlicher Zahl von Sammlern je Magnetkreis anwenden.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrische Maschine mit im wesentlichen transversalen Magnetkreisen, umfassend

    einen Stator mit Ankerspulen (W', W"), deren magnetisierende Wirkung von den in Umfangsrichtung verlaufenden Spulenseiten ausgeht und mit im Abstand der doppelten Polteilung angeordneten Eisenzähnen (Ze', Ze"),

    einem Rotor mit Rotorscheiben (RS), mit dem ringförmige Sammleranordnungen verbunden sind, die ihrerseits sich aus Permanentmagneten wechselnder Polarität und Eisenelementen zusammensetzen,

    dadurch gekennzeichnet, daß

    das statorseitige Magnetkreisteil aus eben geblechten Bauteilen zusammengesetzt ist, wobei ringförmige Blechpakete Z', Z" mit den zum Luftspalt hin angesetzten Zähnen Ze', Ze" verwendet werden, und ebene Lamellenpakete E', E" den axialen Rückschluß übernehmen.
  2. 2. Elektrische Maschine nach obigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die geblechten Bauteile Z', Z" mit ihrem ringförmigen Teil eine radiale Abmessung besitzen, die nicht größer ist als die radiale Zahnabmessung, die ihrerseits etwa halb so groß ist wie die Polteilung und auf der den Lamellenpaketen zugewendeten Seite rippenartige Ansätze geringer Umfangsbreite aufweisen.
  3. 3. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellenpakete E', E" im Polteilungsabstand zwischen den Rippen der ringförmigen Elemente Z', Z" positioniert sind und in der Umfangsbreite weitgehend den Raum der Polteilung einnehmen.
  4. 4. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Höhe der Lamellenpakete E" am inneren Magnetkreisteil gegenüber E' in dem Maße vergrößert ist, wie sich der Durchmesser der inneren gegenüber der äußeren Elementreihe verkleinert.
  5. 5. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Montierbarkeit der zylindrischen Paketteile die Spulen der Wicklung vorgefertigt werden und nach dem Einsetzen an dem Verbindungsteil V und den Lamellenpaketen E anliegen.
  6. 6. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die gezahnten zylindrischen Blechpakete aus gegeneinander isolierten Teilpaketen bestehen, die einen Schlitz je Umfang aufweisen.
  7. 7. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetkreis mehr als zwei Sammler aufweist und durch entsprechende statorseitige ringförmige gezahnte Blechpakete ergänzt wird.
  8. 8. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorscheiben RS radial nach außen geführt und axial als Außenläufer verbunden werden.






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