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Dokumentenidentifikation DE10211259A1 18.09.2003
Titel Transversalflußmaschine mit mehreren einsträngigen Erregerteilen und Läufersammler
Anmelder Weh, Herbert, Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c., 38116 Braunschweig, DE
Erfinder Weh, Herbert, Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c., 38116 Braunschweig, DE
DE-Anmeldedatum 07.03.2002
DE-Aktenzeichen 10211259
Offenlegungstag 18.09.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.09.2003
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 1/06   
Zusammenfassung Zusätzlich zu einer Maschine mit transversalen Magnetkreisen, deren segmentiertes feststehendes Erregerteil Permanentmagnete und eine bidirektionale Wicklung aufweist und dabei einem magnetisch passiven Läufer gegenübersteht, erweist sich auch die duale Variante mit magnetisch aktivem Läufer in Sammlerausführung und einem primären Maschinenteil in segmentierter Bauform für vereinfachte Herstellung als besonders zweckmäßig. Fig. 1 zeigt eine 3-D-Ansicht für den Aufbau und die Anordnung der Magnetkreiselemente.

Beschreibung[de]

In DE 101 10 719.6-41 wurde eine Transversalflußmaschine beschrieben, bei der am Umfang der Magnetkreis in mehrere Gruppen zu Segmenten einphasiger Teilmaschinen zusammengefaßt ist und diese durch Polyersatz und entsprechend phasenverschobene Wechselströme als ein mehrsträngiges System betrieben werden. Die Anordnung war nicht nur für rotierende sondern auch für lineare Anwendungen geeignet. Sie ermöglicht die Ausführung eines magnetisch passiven Läufers, so daß für dieses Maschinenteil eine konstruktiv einfache Ausführung resultiert, was für lineare Anwendungen besonders wichtig ist. Hervorzuhebendes Merkmal war dabei der bidirektionale Magnetkreis, dessen in Längsrichtung verlaufende Spulenteile Ströme unterschiedlicher Richtung und gleicher Größe führen, so daß zwei gegensinnige Feldwirbel in den zugeordneten Luftspalten zur Wirkung kommen. Aufbauend auf diesen Merkmalen wurde gezeigt, daß die Mehrsträngigkeit am Umfang genutzt werden kann zur Reduktion von radialen und tangentialen Anregungskomponenten für Körper- und Luftschall.

Eine nennenswerte Verringerung der mittleren Kraftdichte gegenüber Magnetkreisen mit durchgehender Ringwicklung findet durch die erforderlichen konstruktiven Maßnahmen im Zusammenhang mit der segmentierten Ausführung nicht statt.

Wie sich durch Untersuchungen herausgestellt hat, kann dem Grundgedanken des in Längsrichtung unterteilten mehrsträngigen Magnetkreises in bidirektionaler Ausführung auch weiterhin entsprochen werden, wenn Sammleranordnung mit Permanentmagneten im umlaufenden Teil des Läufers Verwendung finden. Durch diese Bauvariante läßt sich der Aufbau des spulentragenden Maschinenteils vorteilhaft vereinfachen, so daß auch Anwendungen für lineare Ausführung bei kurzen Fahrwegen interessant sind.

Es besteht demnach die erfindungsgemäße Aufgabe darin, die Strukturmerkmale des segmentierten Magnetkreises in mehrsträngiger Ausführung sowie die bidirektionale Querschnittsgebung für Transversalflußmaschinen mit im Läufer angeordneter Sammlererregung konstruktiv besonders zweckmäßig zu gestalten.

Diese Aufgabe wird anhand von mehreren Bildern für Ausführungsbeispiele und durch eine eingehende Textbeschreibung ausgeführt.

Fig. 1 zeigt eine linearisierte Darstellung für den möglichen Aufbau des Magnetkreises mit bidirektionalen Wicklungsteilen (T1, T2) und oben angeordneten Sammlersträngen (PS).

Fig. 2 stellt einen Maschinenquerschnitt mit Läufer- (L1, L2) und Statorteil (S) dar. Die Anordnung kann zur Mittellinie des Läufers (axial symmetrisch) auch zweiseitig ausgeführt werden.

Fig. 3 zeigt für eine Maschine mit größerem Durchmesser eine radial doppelseitige Magnetkreisvariante mit 4 Sammlern (PS) zur Erhöhung der Kraftwirkung.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen von Anspruch 1.

Um eine zweckmäßige Maschinenkonfiguration bei aktivem Rotor zu erzielen, ist an die Begrenzung des Materialaufwands für die Masse der Permanentmagnete einerseits und an die Beherrschung von Festigkeits- und Herstellungsfragen zu denken. Zusätzlich zur Rotorausführung stellt sich auch die Frage nach der Statorkonfiguration. Letztere wird dadurch erleichtert, daß die Magnete in den Läufer verlagert werden. Einfache Ausführung im Läufer verlangt eine ebene, d. h. möglichst kubische Form der Permanentmagnete und möglichst auch der ferromagnetischen flußführenden Elemente. Daraus folgt für die an den Luftspalt angrenzenden Statorelemente, die im doppelten Polteilungsabstand stehen, ein Versatz um eine Polteilung. Flußführende Statorelemente sind demnach entweder in Längsrichtung gekröpft auszuführen oder sie werden aus zwei oder mehreren ebenen Teilen zusammengesetzt, wobei Störungen des Flußverlaufs und Querschnittseinschränkungen zu vermeiden sind.

Fig. 1 stellt eine linearisierte Ansicht des feststehenden und der beweglichen Magnetkreisteile mit den beiden Wicklungsleitern T1, T2, den beiden oben seitlich angeordneten Sammlern PS (mit Permanentmagneten PM und ferromagnetischen Teilen EL), den zum Stator gehörenden seitlichen, gezahnten Blechpaketen P1, P2 sowie den diese verbindenden Lamellenpaketen SL dar. Der Versatz zwischen den an den horizontalen Spalt δh angrenzenden Zähnen Z (von P1, P2) und den Stirnseiten der mittleren Pakete SL beträgt eine Magnetteilung (Polteilung). Um eine widerstandsarme Flußübertragung zu ermöglichen, sind die Pakete SL in entsprechende Taschen von P1, P2 spielarm an der oberen und unteren Übertrittszone eingesetzt. Um aber Blechberührungen möglichst zu vermeiden, wird ein Klebemittel mit elektrisch nicht leitendem Füllmaterial verwendet.

Fig. 2 zeigt die Verbindung der Sammler PS mit jeweils einem nicht magnetischen zylindrischen Teil des Läufers L1, L2. Durch die Außenumschließung der Sammler SL werden die durch die Bewegung erzeugten Fliehkräfte vom Läufer aufgenommen, ohne daß die Sammlerelemente hohe Eigenspannungen erfahren. Es entsteht ein geschwindigkeitstauglicher Läufer. Gegenüber einer rein horizontalen Luftspaltanordnung und durchgehendem horizontal verlaufenden Spalt wird durch die unterteilte Anordnung mit vertikalem Spalt δv eine Reduktion der Sammler- und Permanentmagnetmasse erzielt. Das Läuferteil L1 ist im Beispiel der Fig. 2 mit der Maschinenwelle verbunden. Letztere ist z. B. im Statorteil S gelagert. Die Verlustwärme des Stators wird entweder über Leitung oder durch Maßnahmen wie Luft- oder Wasserkühlung abgetragen, während die Läuferwärme über die sich bewegende Läuferoberfläche weggeführt wird.

In Fig. 3 ist der Magnetkreis zusammen mit Läufer- und Statorteil dargestellt, wobei gegenüber Fig. 2 auch der innere Rand des Magnetkreises für die Feld-Wechselwirkung herangezogen wird. Es sind nun vier mit den Läuferscheiben L1, L2 verbundene Sammlerteile PS im Eingriff. Die radial symmetrisch ausgebildete Wicklung mit den Teilen T1', T1" und T2', T2" ist auf je zwei Hälften aufgeteilt. Die in Wicklungsmitte angeordneten Konstruktionselemente K1, K2 lassen sich zweckmäßig zur Verbindung der Blechpakete P1, P2 mit den Lamellenpaketen SL verwenden und zugleich als Kühlelemente in direktem Kontakt zur Wicklung z. B. für ein Kühlmittel Wasser einsetzen. Die Lamellenpakete SL führen den Magnetfluß radial durch die Spulenebene zwischen oberen und unteren vertikalen Luftspalten. Die Magnetkreiselemente des Primärteils sind mit den Konstruktionsteilen des Stators S verbunden. Durch die Verdoppelung der Eingriffsbereiche sind Magnetkreise nach Fig. 3 annähernd doppelt so leistungsstark, wie Magnetkreise nach Fig. 2. Die Wicklungsdurchflutung ist dabei ebenfalls zu verdoppeln.

Um die Geschwindigkeitstauglichkeit der inneren Sammler sicherzustellen, sind Haltemaßnahmen für den Stirnbereich der Sammler und in Form von Bandagen angezeigt. Als Baualternative zu der in Fig. 1 gezeichneten Ausführung der Lamellenpakete SL ist in Fig. 3 auf das Merkmal verwiesen, den δv-Eingriffsbereich durch ein besonderes Bauelement PE auszuführen. Seine Frequenztauglichkeit kann entweder durch aus Eisenpulver gepreßtem Material oder durch geeignete ringförmige Lamellierung erreicht werden. Bei einer Herstellung des Blechkörpers aus gewickeltem Bandmaterial, kann dessen Zahnkontur auch durch Nachbearbeitung bewirkt werden, wobei auch dem Gedanken erhöhter Festigkeit der Statorstruktur entsprochen werden kann. Im letzteren Fall werden die Lamellenpakete SL in einem großflächigen Querschnittsübergang mit dem Konstruktionselement PE verbunden.

Bei Anwendung für einen Linearmotor wird das die Wicklung tragende Primärteil als bewegliches Maschinenteil eingesetzt, und die Sammler an der Schiene befestigt.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrische Maschine in rotierender oder linearer Ausführung mit transversalen Magnetkreisen

    mit einem ersten Maschinenteil mit mindestens einer Sammleranordnung, die aus einer Reihe von Permanentmagneten und ferromagnetischen Teilen besteht,

    mit einem zweiten Maschinenteil, das zur Flußführung mit ferromagnetischen Teilen bestückt ist und magnetisch leitfähige Masseansammlungen im doppelten Polteilungsabstand aufweist,

    wobei im Querschnitt zwei Wicklungsteile einen bidirektionalen Magnetkreis mit zwei gleichgroßen Durchflutungen unterschiedlicher Richtung bilden und über den Luftspalt hinweg wechselwirken, das zweite Maschinenteil in mehrere weitgehend gleiche Einheiten unterteilt ist, die in Bewegungsrichtung hintereinander liegen und in mindestens zwei Wicklungssträngen angeordnet sind, deren Phasenverschiebung der Ströme dem geometrischen Polyersatz gegenüber dem ersten Maschinenteil entsprechen.
  2. 2. Elektrische Maschine nach obigem Anspruch, wobei der horizontale Luftspalt oberhalb der Wicklungsebene angeordnet ist, sofern nicht mehr als zwei Sammler verwendet werden.
  3. 3. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei je Sammler die Wechselwirkung in mindestens einem horizontalen und einem vertikalen Luftspalt stattfindet,
  4. 4. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei die ferromagnetische Struktur des zweiten Maschinenteils aus in sich ebenen lamellierten Paketen ohne Flußeinschnürung an den Übergangsstellen zwischen den Paketen und einem Polyersatz um eine Polteilung an den Luftspalten besteht.
  5. 5. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei je Magnetkreis mehr als zwei Sammlereinheiten eingesetzt werden,
  6. 6. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei mehrere axial nebeneinander angeordnete Teilmaschinen auf eine gemeinsame Welle arbeiten und dabei durch Polyersatz und Phasenverschiebung der Ströme eine höhere Mehrphasigkeit erreicht wird.






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