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Dokumentenidentifikation DE19714895C2 27.06.2002
Titel Einseitige Transversalflußmaschine in mehrsträngiger Ausführung
Anmelder DaimlerChrysler Rail Systems GmbH, 13627 Berlin, DE
Erfinder Schäfer, Uwe, Dr., 12047 Berlin, DE
Vertreter COHAUSZ & FLORACK, 40472 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 03.04.1997
DE-Aktenzeichen 19714895
Offenlegungstag 15.10.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.06.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.06.2002
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 41/02   H02K 9/00   H02K 1/12   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrsträngige Transversalflußmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Transversalflußmaschine ist durch den Beitrag von M. Bork und G. Henneberger "New Transverse Flux Concept for an Electric Vehicle Drive System", ICEM 1996 bekannt.

Derartige Maschinen können mit sehr hoher Drehmomentdichte gebaut werden. Die Maschinen werden in Straßen- oder Schienenfahrzeugen vorzugsweise als in die Radnabe eingebaute Direktantriebe genutzt. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom Pkw mit Einzelradantrieb bis zu Lokomotiven und großen Nutzfahrzeugen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen in stationären Direktantrieben mit hohem Bereich konstanter Leistung wie in Haspelantrieben und in Textilmaschinen.

Transversalflußmaschinen werden meistens als zweisträngige Maschinen ausgeführt, da sie eine Doppelstator-Anordnung aufweisen, die mehr als zwei Stränge fertigungstechnisch nicht realisieren lassen.

Bekannte Ausführungen von doppelseitigen Transversalflußmotoren z. B. gemäß DE 44 43 999 A1 oder DE 195 22 382 A1 bieten eine hohe Drehmomentdichte, sind jedoch nur aufwendig zu fertigen. Demgegenüber stehen einseitige auch mehrphasige Transversalflußmaschinen, die einfach zu fertigen sind, jedoch durch die hohe Läuferstreuung eine wesentlich geringere Drehmomentdichte aufweisen (DE 195 32 614 A1).

Durch die DE 36 02 268 A1 ist eine Transversalflußmaschine bekannt, bei der eine Kröpfung der Schenkel der U-förmigen Joche angedeutet ist, ohne daß über diese Maßnahme im Text etwas gesagt ist.

Durch die EP 0 243 425 ist es auch bekannt, bei einer geometrisch ohnehin anders aufgebauten Transversalflußmaschine zwei U-förmige Ständerjoche nebeneinander gesetzt zu verbinden. Jede Hälfte des Mittelschenkels führt dabei ihren Fluß. Ein mögliches Einsparungspotential ist nicht angegeben.

Bekannt ist die eingangs genannte, von Bork und Henneberger veröffentlichte Ausführung von Transversalflußmotoren mit einseitigem Stator und tangentialem Rückschluß im Rotor. Diese Lösung erlaubt ebenfalls die Ausführung mit mehr als zwei Strängen, da die einzelnen Stränge mit einem gewissen Abstand aneinanderreihbar sind.

Fig. 1 zeigt demgemäß ein Polpaar einer mehrpoligen Anordnung. Die p Polpaare können in linearer Aufreihung als Linearmotor und im Falle einer ringförmigen Biegung der Wicklung als rotatorische Maschine ausgeführt werden. Im folgenden wird auf eine rotatorische Ausführung Bezug genommen.

Der aktive Teil des Ständers der Maschine besteht aus einer Ringwicklung 1 mit diese teilweise, umschließenden im wesentlichen U-förmigen weichmagnetischen Jochen 2 der Anzahl p und zwischen diesen angeordneten I-förmigen weichmagnetischen Jochen 3. Die U-förmigen Joche 2 und die I-förmigen Joche 3 können unterschiedliche Breiten bu und bl aufweisen, um den unterschiedlich hohen Fluß zu führen. Der aktive Teil des Läufers besteht pro Strang aus zwei ringförmigen Rotorjochen 4 aus weichmagnetischem Material, auf denen jeweils 2p Permanentmagnete 5 in abwechselnder radialer Magnetisierung aufgebracht sind. Der Drehschub dieser Ausführung ist aufgrund der Streuwegsättigung begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einseitige Transversalflußmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, bei der

  • - die Streuwege reduziert sind, so daß der Drehschub gesteigert wird,
  • - die Baulänge verringert wird und
  • - bei den Polen weichmagnetisches Material eingespart wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Merkmal gelöst.

Vorteilhafterweise sind infolge der Kröpfung der Schenkel der U-förmigen Joche die Streuwege reduziert. Auch können dadurch die U-förmigen und die I-förmigen Joche ohne Lücke, d. h. ohne Gefahr eines Kurzschlusses an der Kröpfstelle unmittelbar benachbart angeordnet werden, was die Baulänge der Maschine reduziert. Schließlich wird durch die Mehrfachausnutzung der mittleren Schenkel der U-förmigen Joche Polmaterial eingespart.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Fig. 2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigt exemplarisch eine dreisträngige Ausführungsform einer Transversalflußmaschine nach der Erfindung.

Eine vorteilhafte Ausführung der mehrsträngigen Transversalflußmaschine entsteht durch die Kombination mehrerer einsträngiger Ausführungen in axialer Richtung, die aber gemäß der Erfindung im Gegensatz zu bisher bekannten Anordnungen keinen Abstand zwischen den Strängen benötigt. Eine bevorzugte Strangzahl ist drei, jedoch sind auch höhere oder geringere Strangzahlen möglich.

Fig. 2 zeigt exemplarisch eine dreisträngige Ausführung in einem radialen Schnitt. Der Motor weist im Ständer drei Ringwicklungen 1.1, 1.2 und 1.3 auf, die von phasenverschobenen Strömen durchflossen werden. Die Ringwicklungen sind tangential zur Kraftwirkung angeordnet. Die Ringwicklungen 1.1 bis 1.3 werden von einer Reihe von im wesentlichen U-förmigen Jochen 7 teilweise umschlossen, die je Strang jeweils aufeinander zu gekröpft sind. Jedes Joch 7 weist in einer Ebene vier Schenkel 7.1 bis 7.4 auf, von denen die mittleren auf der dem Läufer zugewandten Seite geteilt sind. Die Schenkel haben einen gemeinsamen Rückschluß.

Die jeweils benachbarten Schenkel 7.2 und 7.3 der drei Stränge sind miteinander verbunden und werden von jeweils 2 Strängen gemeinsam für die Flußführung benutzt. Die mittleren Schenkel 7.2 und 7.3 der Ständer-Joche sind entsprechend dem sich durch die Überlagerung der Strang-Flüsse ergebenden magnetischen Gesamt-Fluß dünner ausgelegt als die Summe der Dicke der äußeren Schenkel 7.1 und 7.4.

Jedem Ständerjoch sind drei im wesentlichen I-förmige Joche 3 zugeordnet, die sich im Schnitt hinter dem Joch 7 befinden. Auf dem Läufer sind Permanent-Magnete 5 in sechs den Schenkeln der Ständerjoche gegenüberliegenden Reihen angeordnet. Die Magnetreihen sind geometrisch entsprechend der elektrischen Phasenverschiebung der Stränge gegeneinander versetzt, so daß die Schenkel 7.1 bis 7.4 abhängig von der Läuferposition untereinander unterschiedlich magnetisiert werden: Jede Reihe von Permanent-Magneten besitzt einen läuferseitigen weichmagnetischen Rückschluß 4 in tangentialer Richtung.

Fig. 2 zeigt ebenfalls eine vorteilhafte Anordnung zur Flüssigkeits-Kühlung einer Transversalflußmaschine nach der Erfindung. Infolge der Kröpfung der U-förmigen Joche wird die Kühlflüssigkeit 8 dabei ringförmig parallel zur Wicklung 1.1 bis 1.3 geführt. Dadurch werden sowohl die Ringwicklung als auch die thermisch beanspruchten Bereiche der Ständer-Joche wirksam gekühlt. So wird es möglich, zumindest Teile der Trägerkonstruktion für den Ständer aus Isoliermaterial zu fertigen. Dies betrifft vor allem den Bereich hohen Streuflusses zwischen den U- und I-förmigen Jochen. Damit können Wirbelstromverluste, die in bekannten Ausführungen im metallischen Träger entstehen, erheblich reduziert werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Mehrsträngige Transversalflußmaschine mit einseitigem Ständer und Läufer, bei der

    im elektrische Ringwicklungen (1) tragenden Ständer im wesentlichen U-förmige, den Strängen zugeordnete Joche und im wesentlichen I-förmige Joche ebenfalls abwechselnd jeweils in einer Ebene hintereinander angeordnet sind,

    ein Läufer an seiner den Jochen benachbarten Oberfläche flächig befestigte Permanentmagnete (5) trägt und einen ringförmigen Rückschluss (4) aufweist

    die Permanentmagnete (5) in Reihen mechanisch gegeneinander versetzt angeordnet sind und

    die Ringwicklungen (1) von elektrisch entsprechend versetzten Strömen durchflossen werden,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass Schenkel (7.1 bis 7.4) der U-förmigen Joche eines jeden Stranges in jeder Ebene aufeinander zu gekröpft sind

    dass die jeweils in einer Ebene angeordneten benachbarten Schenkel (7.2, 7.3) der Stränge miteinander verbunden sind,

    dass mindestens Teile der verbundenen Schenkel (7.2, 7.3) von mehreren Strängen gemeinsam für die Flussführung genutzt werden und

    dass die Dicke der verbundenen gemeinsam benutzten Schenkel (7.2, 7.3) in axialer Richtung entsprechend den Flussverhältnissen verringert ist.
  2. 2. Transversalflussmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polhöhe (du) im nichtgekröpften Bereich der U-förmigen Joche (7.1 bis 7.4) mindestens im Bereich der Wicklung (1.1 bis 1.3) dicker ausgeführt ist als die Polhöhe (dI) der I-förmigen Joche (3).
  3. 3. Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die U-förmigen Joche (7.1 bis 7.4) und die I- förmigen Joche (3) in axialer Richtung geblecht ausgeführt sind.
  4. 4. Transversalflussmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Joche teilbar ausgeführt werden.
  5. 5. Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die u-förmigen Joche (7.1 bis 7.4) und die I- förmigen Joche (3) als Schnittbandkerne ausgeführt sind.
  6. 6. Ausbildung der Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit Innen- oder Außenläufer oder als Linearmotor.
  7. 7. Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine im Wickelfenster der U-förmigen Joche (7.1 bis 7.4) angeordnete Kühlmittelführung, insbesondere für Kühlflüssigkeit (8), die im wesentlichen parallel zur Ringwicklung (1.1. bis 1.3) erfolgt und in engem thermischen Kontakt zu den Jochen (7.1 bis 7.4) und der Ringwicklung (1.1. bis 1.3) steht.
  8. 8. Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens im Bereich hohen Streuflusses zwischen den u-förmigen Jochen (7.1 bis 7.4) und den I-förmigen Jochen (3) eine isolierende Trägerkonstruktion vorgesehen ist.






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