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Dokumentenidentifikation DE10050269A1 11.04.2002
Titel Elektrische Synchronmaschine mit permanentmagnetischer Erregung hoher Polzahl und transversaler Fußführung
Anmelder Schäfertöns, Jörn-Heinrich, Dipl.-Ing., 38108 Braunschweig, DE
DE-Anmeldedatum 09.10.2000
DE-Aktenzeichen 10050269
Offenlegungstag 11.04.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.04.2002
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
Zusammenfassung Elektrische Synchronmaschine mit permanentmagnetischer Erregung hoher Polzahl und transversaler Fußführung, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Ständerelementes (C) mit am Umfang (9) gleichmäßig verteilten wenigen Polschuhen (10) (mindestens 2 Polschuhe mit einer Wicklung (11) pro Phase bei beliebiger Anzahl von Phasen, vorzugsweise jedoch mit 2 Phasen und 4 Polschuhen) zwischen zwei Ständerelementen (A), (B) mit einer Anzahl von Magnetpolen (5) die der Anzahl von Polschuhe (10) dividiert durch die Anzahl der Phasen entspricht, wobei die Magnetpole jeweils zur Hälfte geteilt eine Gruppe von feinen Polzähnen (6), (7) im Abstand der Polteilung der Maschine aufweisen, wobei die Zähne der einen Gruppe zu der anderen durch eine größere Zahnlücke (8) um eine halbe Polteilung vrsetzt sind, weiterhin gekennzeichnet durch einen Rotor (2) der Fußleiter (12) in Längsrichtung der Maschine vorzugsweise in Form von fächerartig angeordneten Blechlamellen enthält und der den magnetischen Fluß abwechselnd von der Erregerzahnung des Ständerelementes (A) oder von der gegenüberliegenden und entgegengesetzt polarisierten Erregerzahnung des Ständerelementes (B) auf die zahnlosen Polschuhe (10) des dazwischen angeordneten Ständerelementes (C) leitet.
Im Vergleich zu anderen Maschinen gilt: Es wird ein sehr hohes volumenspezifisches und ein hohes gewichtsspezifisches Drehmoment bei geringen spezifischen Kosten erreicht.
Bei geringer Betriebsfrequenz wird ein vergleichbar hoher ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektrische Synchronmaschine mit permanentmagnetischer Erregung hoher Polzahl und transversaler Fußführung.

Gattungsgemäße Maschinen, sind aus zahlreichen Anmeldungen bekannt und durch die Zuordnung von mindestens einem Magneten je Pol gekennzeichnet.

Durch diese Zuordnung enthalten diese Maschinen bei hoher, Polzahl entsprechend viele Einzelteile, was die Fertigung erschwert und die Maschinen teuer macht.

Aufgabe der Erfindung ist es eine hochpolige permanent-magnetisch erregte Maschine mit einfachem Aufbau zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch die Anordnung eines Ständerelementes mit am Umfang gleichmäßig verteilten wenigen Polschuhen (mindestens 2 Polsschuhe mit einer Wicklung pro Phase bei beliebiger Anzahl von Phasen, vorzugsweise jedoch mit 2 Phasen und 4 Polschuhen) zwischen zwei Ständerelementen mit einer der halben Anzahl der Polschuhe entsprechenden Anzahl von Magnetpolen, die jeweils zur Hälfte geteilt eine Gruppe von feinen Polzähnen im Abstand der Polteilung der Maschine aufweisen wobei die Zähne der einen Gruppe zu der anderen um eine halbe Polteilung versetzt sind.

Durch eine Rotor der Flußleiter in Längsrichtung der Maschine z. B. in Form von fächerartig angeordneten Blechlamellen enthält wird nun dei Fluß abwechselnd von der einen Erregerzahnung oder der gegenüberliegenden und entgegengesetzt polarisierten Erregerzahnung auf die zahnlosen Polschuhe des Ständerelementes geleitet. Damit wechselt die Polarisierung des grob strukturierten Ständers entsprechend der wesentlich höheren Anzahl der Rotorlamellen.

Die Elemente des Ständers bestehen aus einer einfachen groben Struktur. Die feine Polzahnung kann durch Stanzen kostengünstig und präzise erzeugt werden.

Der Rotor der keine Magnete enthält und vorzugsweise aus Blechlamellen besteht, die mit konstanter Teilung in einer Trägerstruktur eingebettet sind, ist ebenfalls einfach herzustellen.

Die baulichen Abmessungen ermöglichen hohe Induktionen auch bei Verwendung preiswerter Ferrit-Magnete.

Durch die transversale Flußführung wird ein relativ großer kompakter Eisenquerschnitt von einer relativ kurzen Wicklung mit geringem Widerstand umschlungen. Die grobe Struktur des Ständers hat allerdings zu einem relativ langen Eisen-Weg zur Folge und anisotroper Werkstoff kann nur bedingt eingesetzt werden. Die Maschine eignet sich deshalb vorzugsweise für niedrige Betriebsfrequenzen bis zu einigen hundert Hz. Im Vergleich zu anderen Maschinen gilt: Es wird ein sehr hohes volumenspezifisches und ein hohes gewichtspezifisches Drehmoment bei geringen spezifischen Kosten erreicht. Die Maschine ist in Aufbau und Leistung zwischen typischen Transversalflußmaschinen mit Sammlerbauweise und Schrittmotoren einzustufen.

Bei geringer Betriebsfrequenz wird ein vergleichbar hoher Wirkungsgrad erzielt. Hauptanwendung sind Traktionsantriebe sowie Wind- und Wasserkraftmaschinen.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem als Innenläufer ausgebildeten Rotor.

Fig. 1 zeigt im zylindrisch ausgeführten Ständer (1) die Anordnung des bewickelten Ständerelementes (C) zwischen den Erregerelementen (A) und (B). Der Rotor (2) verbindet mit seinen Lamellen (12) die in Fig. 2 gezeigten Polschuhe (10) abwechselnd mit den Erregerpolzähnen (6) bzw. nach Drehung um 3/2 Polteilung (7) des Ständerelementes (A) oder nach Drehung um eine Polteilung und mit Wechsel der Polarität mit den Erregerpolzähnen des Ständerelementes (B). Jeder Magnetpol (5) ist mit zwei Gruppen von Polzähnen (7) und (8) ausgestattet, die gegeneinander um eine halbe Polteilung versetzt sind.

Während der Rotordrehung wird dadurch der magnetische Fluß abwechselnd zu der einen oder anderen Gruppe von Polzähnen geleitet und damit der Fluß durch die Erregermagnete annähernd konstant gehalten. Der Versatz der Erregerpolzähne von (A) gegenüber (B) wird durch die Spiegelbildliche Anordnung der Erregerelemente erreicht.

Fig. 5 zeigt eine entsprechende 2-phasige Anordnung mit Außenläufer. Die Erregerpole sind durch Dauermagnete (4) gegen das Rückenjoch (3) und zusätzlich gegeneinader magnetisch polarisiert. Gegenüber dem Innenläufer ergeben sich kürzere Eisenwege.

Fig. 6 bis 8 zeigen die Ständerelemente in Prinzipdarstellung für eine 3-phasige Ausführung mil Innenläufer für eine Stellung des Läufers. Für eine gleichmäßige Flußbelastung wäre gegenüber der Darstellung allerdings eine Ausführung mit der doppelten Anzahl von Erregerpolen sinnvoll.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrische Synchronmaschine mit permanentmagnetischer Erregung hoher Polzahl und transversaler Fußführung, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Ständerelementes (C) mit am Umfang (9) gleichmäßig verteilten wenigen Polschuhen (10) (mindestens 2 Polsschuhe mit einer Wicklung (11) pro Phase bei beliebiger Anzahl von Phasen, vorzugsweise jedoch mit 2 Phasen und 4 Polschuhen) zwischen zwei Ständerelementen (A),(B) mit einer der Anzahl der Polschuhe (10) dividiert durch die Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl von Magnetpolen (5), die jeweils zur Hälfte geteilt eine Gruppe von feinen Polzähnen (6), (7) im Abstand der Polteilung der Maschine aufweisen wobei die Zähne der einen Gruppe zu der anderen durch eine größere Zahnlücke (8) um eine halbe Polteilung versetzt sind, weiterhin gekennzeichnet durch einen Rotor (2) der Flußleiter (12) in Längsrichtung der Maschine vorzugsweise in Form von fächerartig angeordneten Blechlamellen enthält und der den magnetischen Fluß abwechselnd von der Erregerzahnung des Ständerelementes (A) oder von der gegenüberliegenden und entgegengesetzt polarisierten Erregerzahnung des Ständerelementes (B) auf die zahnlosen Polschuhe (10) des dazwischen angeordneten Ständerelementes (C) leitet.
  2. 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausführung des Rotors mit zylindrischem Luftspalt an dem die Ständerelemente in Achsrichtung hintereinander angeordnet sind und dem Rotor gegenüberliegen.
  3. 3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausführung des Rotors als Scheibe auf die Ständerelemente (A) und (B) an den Seiten und das Ständerelement (C) am Umfang zugeordnet sind.
  4. 4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Ausführung des Rotors (2) als Innenläufer.
  5. 5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Ausführung des Rotors (2) als Außenläufer.
  6. 6. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine glockenförmige Ausführung des Rotors mit innerhalb und außerhalb gegenüberliegend angeordneten Ständerelementen (A) und (B) gegenüber (C).
  7. 7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Ausführung des mittleren Ständerelementes (C) mit 2 Phasen und 4 Polschuhen (10).
  8. 8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Ausführung des mittleren Ständerelementes mit 3 Phasen und 12 Polschuhen.
  9. 9. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 bis 6 und 7 oder 8, gekennzeichnet durch die Anordnung der Erregermagnete (4) in einem angenähert elliptischen Ringspalt zwischen einem Rückschlußring (3) mit zylindrischer Außenfläche und dem gezahnten Blechpaket der Magnetpole (5).
  10. 10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gekennzeichnet durch eine Einbettung der Rotorlamellen, die vorzugsweise aus Beton gefertigt ist.






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