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Dokumentenidentifikation DE10104234A1 14.08.2002
Titel Transversalflußmaschine, Stator für eine Transversalflußmaschine
Anmelder Compact Dynamics GmbH, 82319 Starnberg, DE
Erfinder Gründl, Andreas, Dipl.-Phys. Dr., 81377 München, DE;
Hoffmann, Bernhard, Dipl.-Ing., 82319 Starnberg, DE
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Anmeldedatum 31.01.2001
DE-Aktenzeichen 10104234
Offenlegungstag 14.08.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.08.2002
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 19/02   H02K 1/12   
Zusammenfassung Transversalflußmaschine, mit einem Stator, der eine ringförmige Statorspule mit einer Mittelachse aufweist, wobei die Statorspule entlang ihres Umfangs von zumindest annähernd C-förmigen Statorblechpaketen umfaßt ist, wobei jeweils benachbarte C-förmige Statorblechpakete abwechselnd mit den freien Enden ihrer Schenkel radial nach innen und nach außen gerichtet sind, und wobei die einzelnen zu den Statorblechpaketen zusammengefügten, C-förmig gebogenen Statorbleche zumindest abschnittsweise im wesentlichen tangential zur Mittelachse der Statorspule oder dem Umfang der Statorspule folgend orientiert sind.

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transversalflußmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Stator für eine Transversalflußmaschine und ein Herstellungsverfahren dafür.

Derartige elektrische Maschinen und Statoren hierfür sind in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt. Unter einer elektrischen Maschine wird hierbei sowohl ein elektrischer Motor als auch ein elektrischer Generator verstanden.

Ein wesentlicher, den Wirkungsgrad einer elektrischen Transversalflußmaschine mitbestimmender Faktor sind die Verluste, die der magnetische Streufluß hervorruft.

Stand der Technik

Im Stand der Technik sind Transversalflußmaschinen bekannt, bei denen eine ringförmige Statorspule entlang ihres Umfangs von C-förmigen Statorblechpaketen umfaßt ist, wobei jeweils benachbarte C-förmige Statorblechpakete abwechselnd mit ihren freien Enden ihrer Schenkel radial nach innen und nach außen gerichtet sind. Dabei sind die einzelnen, zu den Statorblechpaketen zusammengefügten Bleche radial orientiert.

Der Erfindung zugrundeliegendes Problem

Allerdings ist bei dieser bekannten Anordnung der magnetische Streufluß relativ hoch, so daß der Wirkungsgrad begrenzt ist.

Erfindungsgemäße Lösung

Zur Behebung dieser Nachteile lehrt die Erfindung eine elektrische Transversalflußmaschine der oben erläuterten Art, bei der die einzelnen Bleche welche zu den Statorblechpaketen zusammengefügt sind, zumindest abschnittsweise im wesentlichen tangential oder dem Umfang der Statorspule folgend orientiert sind.

Diese Ausgestaltung führt zu weniger erheblich weniger Streuverlusten, so daß die Maschine im Betrieb sich weniger erwärmt. Dies erlaubt bei vergleichbaren Leistungsdaten einen kompakteren Aufbau. Außerdem kann die Gesamtanordnung stabiler aufgebaut werden, da die Einzelteile eine einfachere Struktur haben. Schließlich ist diese Gestalt im Betrieb zuverlässiger als die Anordnungen aus dem Stand der Technik. Außerdem eignet sie sich besser für eine Massenfertigung.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Statorbleche im wesentlichen parallel zur Mittelachse der Statorspule orientierte Mittelabschnitte auf, wobei die Statorbleche benachbarter Statorblechpakete abwechselnd an einem Innen- bzw. einem Außenrohr befestigt sind. Die Mittelabschnitte können auch der Krümmung oder Gestalt des Innen- bzw. Außenrohres zumindest teilweise folgend, das heißt entsprechend konvex bzw. konkav geformt sein. Das hat eine in radialer Richtung kompaktere Bauform zur Folge.

Wenigstens einer der Schenkel der Statorbleche steht in einem Winkel von etwa 60° bis etwa 160° von dem im wesentlichen parallel zur Mittelachse orientierten Mittelabschnitt ab.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eines der Statorbleche an wenigstens einem seiner winkelig abstehenden freien Endbereiche zumindest an einer Seite gegenüber dem parallel zur Mittelachse orientierten Mittelabschnitt verbreitert. Diese Ausgestaltung in Abhängigkeit von der Gestaltung des verbreiterten Abschnitts erlaubt eine weitere nennenswerte Steigerung des Wirkungsgrades der Transversalflußmaschine, da in den Magneten des Rotors geringere Verluste auftreten. Andererseits ist die Transversalflußmaschine ohne die Verbreiterungen steifer in ihrem Laufverhalten. Eine seitliche Verbreiterung der winkelig abstehenden freien Endbereiche ist bei herkömmlichen, radial orientierten Blechen der Statorblechpakete praktisch nicht realisierbar.

Die Schenkel jeweils benachbarter Statorblechpakete stehen bevorzugt mit wenigstens einem ihrer im wesentlichen axial zur Mittelachse orientierten Endbereiche einem Ring aus abwechselnden Magnetpolen gegenüber, welche an einem Rotorträger angeordnet sind.

Dabei ist der Ring aus abwechselnden Magnetpolen bevorzugt durch Dauermagnete aus Seltenerden-Magneten gebildet.

Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung

Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist.

In Fig. 1 ist eine Transversalflußmaschine gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt schematisch veranschaulicht.

In Fig. 2 ist eine Anordnung der Magnete des Rotors der Transversalflußmaschine gemäß der Erfindung in einer Draufsicht schematisch veranschaulicht.

In Fig. 3 ist die Anordnung der Blechpakete des Stators der Transversalflußmaschine gemäß der Erfindung in einer Draufsicht schematisch veranschaulicht.

In Fig. 4 sind zur Herstellung der Blechpakete des Stators der Transversalflußmaschine gemäß der Erfindung verwendeten Bleche in einer Draufsicht schematisch veranschaulicht.

In Fig. 5 ist eines der Blechpakete des Stators der Transversalflußmaschine gemäß der Erfindung in einer schematischen perspektivischen Darstellung veranschaulicht.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

In den Fig. 1 bis 5 ist eine erfindungsgemäße Transversalflußmaschine gezeigt mit einem Gehäuse 10, in dem ein Stator 12 und ein Rotor 14 um eine Mittelachse M konzentrisch angeordnet aufgenommen sind. Der Stator 12 hat ein zylindrisches Mittelrohr 16, das von C-förmigen Statorblechpaketen 18a, 18b konzentrisch umgeben ist. Dabei sind jeweils benachbarte Statorblechpakete 18a, 18b abwechselnd mit den freien Enden ihrer Schenkel 20a, 20b radial nach innen bzw. nach außen gerichtet. Die mit ihren freien Schenkeln 20a radial nach innen orientierten Statorblechpakete 18a sind dabei an der Innenwand des Gehäuses 10 befestigt (zum Beispiel vernietet oder verschraubt) und die mit ihren freien Schenkeln 20b radial nach außen orientierten Statorblechpakete 18b sind an der Außenwand des Mittelrohrs 16 in gleicher Weise befestigt. Die Statorblechpakete 18a, 18b umgreifen eine ringförmige Statorspule 22 entlang deren Umfang (siehe Fig. 1). Diese ringförmige Statorspule 22 ist dabei zur Erzielung eines hohen Füllfaktors (Verhältnis des Volumens des Spulenmaterials (zum Beispiel Cu-Draht) zum Gesamtvolumen des Statorspulenkörpers) aus einem Draht mit rechteckigen Querschnitt hergestellt.

Die Statorblechpakete 18a, 18b sind aus aufeinandergestapelten, an ihren Enden abgewinkelten Statorblechen 24 zusammengefügt (Siehe Fig. 5). Dabei sind die zwischen den jeweiligen Schenkeln eines C-förmig abgewinkelten Statorblechs befindlichen Mittelabschnitte 26 im wesentlichen tangential zur Mittelachse (M) der Statorspule 22 bzw. zur Statorspule selbst orientiert (siehe Fig. 1).

Die Schenkel 20a, 20b der Statorbleche 24 stehen in einem Winkel a von etwa 120° von dem Mittelabschnitt 26 ab (Siehe Fig. 1). Die einzelnen Statorbleche 24 sind mit an ihren winkelig abstehenden freien Endbereichen 28 an beiden Seiten gegenüber dem Mittelabschnitt 26 verbreitert (siehe Fig. 3, 4, 5). Die einzelnen Statorbleche 24 sind bevorzugt aus einem Bandeisenmaterial ausgestanzt (siehe Fig. 4). Der Mittelabschnitt 26 hat zwischen zwei strichliert dargestellten Knicklinien 32 mehrere (im Beispiel vier) Befestigungslöcher 34. Entlang der Knicklinien 32 werden die Statorbleche 24 abgewinkelt und zu den Blechpaketen 18a, 18b aufeinander gestapelt (Siehe Fig. 5). Mittels nicht weiter veranschaulichter Schrauben oder Nieten werden diese Blechpakete 18a, 18b an der Innenwand des Gehäuses 10 bzw. an der Außenwand des Mittelrohrs 16 befestigt (siehe Fig. 1).

Die winkelig abstehenden freien Endbereiche 28 der einzelnen Statorbleche 24 eines Statorblechpaketes 18a, 18b überlagern sich in der gezeigten Ausführungsform dachziegel- oder schuppenartig (siehe Fig. 3, 5).

Anstelle der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, bei dem die Statorpakete aus Blechstapeln gebildet sind, ist es auch möglich, diese Komponenten durch fein pulverisierte Weicheisenpartikel mit einem termoplastischen Kunststoffüberzug herzustellen. Besonders gut eignet sich hierbei ein Eisenpulver, bei dem Eisenpartikel mit etwa 20-150 µm Durchmesser einen Überzug aus Polyethylen von etwa 2-10 µm haben. Derartiges Pulver ist zum Beispiel in SAE Technical Paper Series, "P/M Cores for Pulsed DC Ignition Systems", David E. Gay, International Congress & Exposition, Detroit, MI, February 24-27, 1997 beschrieben. Die darin beschriebenen Materialien eignen sich zur Ausführung der Erfindung. Es ist jedoch auch möglich, entsprechendes Material von anderen Herstellern mit ähnlichen Eigenschaften für das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzen. Dieses Material wird verwendet um durch Formpressen und Sintern solche Bauteile herzustellen, die in ihrer Gestalt den C-förmigen Statorblechpaketen 18a, 18b entsprechen.

Der Rotor 14 der Transversalflußmaschine hat eine zur Mittelachse M koaxiale zentrale Welle 38, die mittels zweier Kugellager 42, 44 in dem Gehäuse 10 drehbar gelagert ist. An der Welle 38 sind zwei Scheiben 46, 48 drehfest angeordnet, die jeweils einen Ring 52 aus abwechselnd orientierten Magneten 54, 56 tragen. Dabei dienen die Scheiben 46, 48 als magnetische Eisen-Rückschlüsse für die Magneten und sind aus Eisenbandmaterial spiralförmig aufgewickelt. Jeder dieser Magnet- Ringe 52 ist den entgegengesetzten freien Schenkeln der Statorblechpakete gegenüber angeordnet. Dabei ist zwischen jedem Ring 52 und der zugehörigen Stirnseite der Statorblechpakete 18a, 18b ein Luftspalt L gebildet. Außerdem sind die einzelnen Magnete 54, 56 so gestaltet und bemessen, daß jeweils ein Magnet einem freien Schenkel eines Statorblechpaketes gegenübersteht. Die Magnete sind Dauermagnete aus Seltenerden- Magneten (zum Beispiel Co-Sm oder dergl).

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Transversalflußmaschine werden zunächst an dem Rohr 16 die mit ihren freien Enden nach außen orientierten C-förmigen Statorblechpakete 18b befestigt. Anschließend werden die Statorspule 22 eingebracht und die mit ihren freien Enden nach innen orientierten C-förmigen Statorblechpakete 18a radial von außen darüber geschoben. Daraufhin wird der Rotor 14 mit seiner zentralen Welle 38 in das innere Rohr 16 eingebracht und die beiden, die Magnetringe 52 tragenden Scheiben 46, 48 daran drehfest angeordnet.

Schließlich wird das Gehäuse 10 über die Gesamtanordnung geschoben und daran die mit ihren freien Enden nach innen orientierten C-förmigen Statorblechpakete 18a befestigt.

Zur Erhöhung der Stabilität des Stators wird der freie Raum zwischen der Spule und den C-förmigen Statorblechpakete 18a, 18b durch wärmeleitendes Kunstharz mit darin enthaltenen Keramikpartikeln vergossen bzw. verspritzt.

Mittels dieser Erfindung können sehr kompakte, niedrigdrehende Maschinen (bis etwa 2000 Upm) mit sehr hohem Wirkungsgrad und einer elektrischen leistung von etwa 0.1-10 Kilowatt auf einfache Weise hergestellt werden. Derartige Maschinen eignen sich sehr gut als Nebenantriebe im Automobilsektor (Aktuatoren für elektrische Bremsen (brake-by-wire), elektrische Sitzverstellungen, Drosselklappen, elektische Lenkungsantriebe, etc.)


Anspruch[de]
  1. 1. Transversalflußmaschine, mit

    einem Stator (10), der eine ringförmige Statorspule (22) mit einer Mittelachse (M) aufweist, wobei

    die Statorspule (22) entlang ihres Umfangs von zumindest annähernd C-förmigen Statorblechpaketen (18a, 18b) umfaßt ist, wobei

    jeweils benachbarte C-förmige Statorblechpakete (18a, 18b) abwechselnd mit den freien Enden ihrer Schenkel (20a, 20b) radial nach innen und nach außen gerichtet sind, und wobei

    die einzelnen zu den Statorblechpaketen (18a, 18b) zusammengefügten, C-förmig gebogenen Statorbleche (24) zumindest abschnittsweise im wesentlichen tangential zur Mittelachse (M) der Statorspule (22) oder dem Umfang der Statorspule folgend orientiert sind.
  2. 2. Transversalflußmaschine nach Anspruch 1, bei der

    die Statorbleche (24) im wesentlichen parallel zur Mittelachse (M) der Statorspule (22) orientierte Abschnitte (26) aufweisen, wobei

    die Statorbleche (24) benachbarter Statorblechpakete (18a, 18b) abwechselnd an einem Innen- bzw. einem Außenrohr (16, 10) befestigt sind.
  3. 3. Transversalflußmaschine nach Anspruch 2, bei der wenigstens einer der Schenkel (20a, 20b) der Statorblechpakete (18a, 18b) in einem Winkel (a) von etwa 60° bis etwa 160° von dem im wesentlichen parallel zur Mittelachse (M) der Statorspule (22) orientierten Mittelabschnitt (26) der Statorbleche (24) absteht.
  4. 4. Transversalflußmaschine nach Anspruch 1, bei der wenigstens eines der Statorbleche (24) an wenigstens einem seiner winkelig abstehenden freien Endbereiche (28) zumindest an einer Seite gegenüber dem parallel zur Mittelachse (M) der Statorspule (22) orientierten Mittelabschnitt (26) verbreitert ist.
  5. 5. Transversalflußmaschine nach Anspruch 1, bei der die Schenkel jeweils benachbarter Statorblechpakete (18a, 18b) mit wenigstens einem ihrer im wesentlichen axial zur Mittelachse (M) der Statorspule (22) orientierten Endbereiche (20a, 20b) einem Ring (52) aus abwechselnden Magnetpolen (54, 56) gegenüberstehen, welche jeweils an einem Rotorträger (46, 48) angeordnet sind.
  6. 6. Transversalflußmaschine nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Ring (52) aus abwechselnden Magnetpolen (54, 56) durch Dauermagnete aus Seltenerden-Magneten gebildet ist.
  7. 7. Stator (12) für eine Transversalflußmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, mit

    konzentrisch angeordneten C-förmigen Statorblechpaketen (18a, 18b), wobei jeweils benachbarte Statorblechpakete (18a, 18b) abwechselnd mit den freien Enden ihrer Schenkel (20a, 20b) radial nach innen bzw. nach außen gerichtet sind und eine ringförmige Statorspule 22 entlang deren Umfang umgreifen, und wobei

    die Statorblechpakete (18a, 18b) aus aufeinandergestapelten, an ihren Enden abgewinkelten Statorblechen (24) zusammengefügt sind, welche zwischen jeweiligen Schenkeln eines C- förmig abgewinkelten Statorblechs befindlichen Mittelabschnitte (26) aufweisen, die im wesentlichen tangential zur Mittelachse (M) der Statorspule (22) bzw. zur Statorspule selbst orientiert sind.
  8. 8. Stator (12) für eine Transversalflußmaschine nach Anspruch 8, wobei die Schenkel (20a, 20b) der Statorbleche (24) in einem Winkel (a) von etwa 60° bis etwa 160° von dem im wesentlichen parallel zur Mittelachse (M) der Statorspule (22) orientierten Mittelabschnitt (26) abstehen.
  9. 9. Stator (12) für eine Transversalflußmaschine nach Anspruch 8 oder 9, wobei wenigstens eines der Statorbleche (24) an wenigstens einem seiner winkelig abstehenden freien Endbereiche (28) zumindest an einer Seite gegenüber dem parallel zur Mittelachse (M) der Statorspule (22) orientierten Mittelabschnitt (26) verbreitert ist.






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