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Dokumentenidentifikation DE102004057101B4 24.08.2006
Titel Einseitige Synchronmaschine mit transversaler Flussführung
Anmelder Voith Turbo GmbH & Co. KG, 89522 Heidenheim, DE
Erfinder Lange, Andreas, Dr., 89551 Königsbronn, DE;
Mühlberger, Uwe, 89522 Heidenheim, DE;
Hoffmann, Rolf, Dr., 89518 Heidenheim, DE
Vertreter Dr. Weitzel & Partner, 89522 Heidenheim
DE-Anmeldedatum 26.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004057101
Offenlegungstag 01.06.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse H02K 21/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 1/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine einseitige Transversalflussmaschine mit mindestens einer Phase, umfassend
- eine Rotobaueinheit mit einer Rotationsachse, wobei die Rotobaueinheit in Einbaulage einer koaxial zur Rotobaueinheit unter Ausbildung eines Luftsspalts angeordneten Statorbaueinheit zugeordnet ist,
- die Statorbaueinheit umfasst eine Ankerwicklung, die einer Phase zugeordnet ist, und Statorelemente, die so geformt sind, dass deren am Luftspalt liegende Pole in Umfangssrichtung um eine Polteilung (T) versetzt sind;
- die Rotobaueinheit umfast eine in Umfangsrichtung alternierende Anordnung von Permanentmagneten und Flussleiterstücken;
- die Flussleiterstücke sind jeweils bezüglich einer die Rotorachse einschließenden Ebene U-förmig ausgebildet und umfassen jeweils zwei Schenkel und eine Basis, wobei die Schenkel der Flussleiterstücke in Richtung der Pole der Statorelemente weisen und die die Schenkel verbindende Basis der Flussleiterstücke in axialer Richtung orientiert ist;
- an beiden in Umfangsrichtung orientierten Flächen jedes Schenkels der Flussleiterstücke grenzen Permanentmagnete mit entgegengesetzten, parallel zur Umfangsrichtung orientierten Magnetisierungen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine einseitige Synchronmaschine mit transversaler Flussführung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Synchronmaschinen mit transversaler Flussführung weisen einen magnetischen Fluss auf, der nicht wie üblich longitudinal, sondern transversal gerichtet ist. Im Folgenden wird für eine solche elektrische Maschine der Begriff einer Transversalflussmaschine verwendet.

Bei einer rotierend ausgebildeten Transversalflussmaschine sind am Rotor in Umfangsrichtung Permanentmagnete entsprechend der Polzahl der Maschine angeordnet. Hierbei kann der magnetische Fuß der Permanentmagnete mittels Flussleiterstücken zum Luftspalt geführt werden. Koaxial zum Rotor ist unter Ausbildung eines Luftspalts ein Stator der elektrischen Maschine angeordnet, bei dem eine elektrische Ankerwicklung mittels eines U-förmigen Jochs aus einem magnetisch gut leitenden Material im Wesentlichen dreiseitig umgeben ist. Den als Pole des Stators wirkenden Endflächen der U-förmigen Joche werden jeweils jenseits des Luftspalts Permanentmagnet des Rotors zugeordnet. In einer möglichen Ausgestaltung werden die U-Joche des Stators gegenüber einer zur Drehachse der Maschine parallelen Richtung verschränkt orientiert, so dass bei einer Anordnung der Permanentmagnete des Rotors in Parallelrichtung zur Drehachse aufgrund der magnetischen Potentialdifferenz ein Drehmoment bildender magnetischer Fluss erzeugt wird. Für die verschränkte Anordnung der Statorpole wird ein Versatz um eine Polteilung T bevorzugt. Alternativ wird anstatt einer verschränkten Ausbildung der magnetischen Polstruktur des Stators eine verschränkte Rotorbaueinheit vorgesehen.

Für gattungsbildende Ausführungen von Transversalflussmaschinen wird beispielsweise auf die Druckschriften DE 37 05 089 C2, DE 35 36 538 A1 und DE 39 04 516 verwiesen.

Transversalflussmaschinen weisen gegenüber herkömmlichen Maschinen den Vorteil auf, dass eine Erhöhung des Drehmoments durch eine Vergrößerung der Polzahl erreicht werden kann. Allerdings wird dieser Vorteil durch die Komplexität der aus einer Vielzahl von Einzelteilen bestehende Struktur einer Transversalflussmaschine relativiert, so dass Lösungen zur Vereinfachung der mechanischen Konstruktion von Transversalflussmaschinen gesucht werden.

In der vorliegenden Anmeldung werden einseitige Transversalflussmaschinen behandelt. Bei einer solchen einseitigen Transversalflussmaschine sind nur auf einer Seite der Permanentmagnete des Rotors wicklungsumschließende U-Joche zur Führung des magnetischen Flusses im Stator angeordnet. Der Bautyp einer einseitigen Transversalflussmaschine geht beispielsweise aus den Druckschriften DE 197 14 895 A1 und EP 1 005 136 A1 hervor. Insbesondere bei Anwendungen mit einem in radialer Richtung begrenzten Bauraum, etwa bei Antrieben für Fahrzeuge oder für Schiffe, ist eine besonders schlanke Ausführung von Transversalflussmaschinen vorzuziehen, so dass hierfür insbesondere einseitige Transversalflussmaschinen in Frage kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einseitige Transversalflussmaschine anzugeben, die sich durch eine reduzierte Komplexität der mechanischen Konstruktion bei gleichzeitigem Erhalt der vorteilhaften elektromagnetischen Eigenschaften, d.h. insbesondere einer streuarmen Ausführung der Transversalflussmaschine, auszeichnet. Die Vorteile der Transversalflusstechnik bezüglich der Leistungsdichte und des Wirkungsgrads sollen auch für eine in schlanker Bauform ausgebildete einseitige Transversalflussmaschine erhalten bleiben.

Zur Lösung der voranstehend dargelegten Aufgabe haben die Erfinder zunächst erkannt, dass für eine einseitige Transversalflussmaschine schlanker Bauform die Rotorbaueinheit Flussleiterstücke zur Flusskonzentration aufweisen muss, welche so geformt sind, dass eine wirksame Konzentration der magnetischen Flüsse bei gleichzeitig geringen Streuverlusten bewirkt wird. Werden die Flussleiterstücke U-förmig ausgeführt, so ist es möglich, an die Schenkel der U-förmigen Flussleiterstücke Permanentmagneten mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung anzuordnen, wobei deren Magnetisierungsrichtungen jeweils parallel zur Umfangsrichtung jedoch entgegengesetzt zueinander verlaufen, d.h. ein erster Permanentmagnet auf einer Seite eines Schenkels ist in Drehrichtung magnetisiert und ein zweiter Permanentmagnet auf der anderen Seite des Schenkels ist entgegen der Drehrichtung magnetisiert. Im Schenkel der Flussleiterstücke wird dann der Feldlinienverlauf eine radiale Richtungskomponente erhalten, so dass der magnetische Fluss an den Stirnflächen der Schenkel der Flussleiterstücke, welche in Richtung der Pole der Statorbauelemente weisen, im Wesentlichen radial austritt.

Durch diese Lösung ist es möglich, die Form der Permanentmagnete so anzupassen, dass das Verhältnis von verbauter und wirksam angeordneter Magnetmasse verbessert wird. Dies liegt daran, dass entlang wesentlicher Teile der Kontaktfläche zwischen den Permanentmagneten und den Schenkeln der U-förmigen Flussleiterstücke das magnetische Feld der Permanentmagneten eingekoppelt werden kann. Demnach kann für einen Permanentmagneten, der eine größere Axialausdehnung im Vergleich zur Ausdehnung in Umfangsrichtung und damit eine vergrößerte Querschnittsfläche aufweist, eine höhere magnetische Flussdichte in das U-förmige Flussleiterstück eingekoppelt werden, wobei das Flussleiterstück dann die Funktion einer Flusskonzentration sowie einer Umlenkung des magnetischen Flusses in Richtung auf den Luftspalt zwischen der Rotorbaueinheit und der Statorbaueinheit und damit in Richtung auf die Pole der Statorbaueinheit bewirkt.

Wird die Statorbaueinheit so ausgebildet, dass deren Pole den zur Aufbringung eines Drehmoments notwendigen Versatz in Umfangsrichtung aufweisen, so ist es möglich, die U-förmigen Flussleiterstücke in der Statorbaueinheit ohne Versatz in Umfangsrichtung auszubilden. Hierunter wird eine Ausgestaltung verstanden, bei der das Flussleiterstück in einer die Rotationsachse der Transversalflussmaschine enthaltenden Ebene die besagte U-Gestalt aufweist und gegenüber dieser Ebene im Wesentlichen nicht verschränkt ist. Demnach sind die Schenkel der U-förmigen Flussleiterstücke im Wesentlichen nicht in Umfangsrichtung zueinander versetzt. Folglich kann in der alternierenden Anordnung aus Permanentmagneten und U-förmigen Flussleiterstücken in der Rotorbaueinheit zwischen zwei aufeinander folgenden U-förmigen Flussleiterstücken ein einziger Permanentmagnet oder jeweils den Schenkeln zugeordnete Permanentmagnete mit gleicher Magnetisierungsrichtung verwendet werden. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die in Richtung der Pole der Statorbaueinheiten weisenden Stirnflächen der U-förmigen Flussleiterstücke die gleiche magnetische Polarität aufweisen.

Durch die U-förmige Ausgestaltung der Flussleiterstücke der Rotorbaueinheit ergibt sich noch ein weiterer Vorteil, welcher darin zu sehen ist, dass in Verbindung mit der Statorbaueinheit der magnetische Kreis mit geringen Streuverlusten geschlossen werden kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das U-förmige Flussleiterstück mit seiner Basis an ein schlecht magnetisierbares Material mit &mgr;r ≈ 1, beispielsweise Aluminium oder einem geeigneten Stahl, anliegt. Wird zur Ausbildung der Rotorbaueinheit ein Außenrotor gewählt, so kann das U-förmige Flussleiterstück an einem Rotorzylinder anliegen, welcher auch die Außenhülle der einseitigen Transversalflussmaschine bilden kann.

Im U-förmigen Flussleiterstück der Rotorbaueinheit wird der magnetische Fluss in drei Raumrichtungen umgelenkt. Aus diesem Grund haben sich als geeignetes Material zur Ausbildung solcher Flussleiterstücke Schnittbandkerne herausgestellt, welche aus einem kornorientierten Blech hergestellt sind. Ein kornorientiertes Blech ist aufgrund der mechanischen Bearbeitung, etwa durch Walzen oder Ziehen, in seinem Grundgefüge so verändert, dass dieses eine bestimmte Orientierung bzw. Textur aufweist und aufgrund einer regelmäßigen Anordnung von Bereichen mit Gitterstruktur bezüglich der magnetischen Eigenschaften anisotrop ist. Derartige Schnittbandkerne werden zwar aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften und der geringen Verlustbildung bevorzugt, sie sind jedoch in ihrer Herstellung aufwendig und kostspielig. Alternativ können daher die U-förmigen Flussleiterstücke in der Rotorbaueinheit auch aus einem verpressten weichmagnetischen Pulver mit isotropen Eigenschaften hergestellt werden.

Insbesondere bezüglich der Verlustbildung durch Wirbelströme weisen solche Pressteile aus weichmagnetischen Pulverwerkstoffen gute Eigenschaften auf. Nachteilig an diesen ist jedoch, dass sie bezüglich ihrer mechanischen Festigkeit limitiert sind und somit eine vorteilhafte Anwendung insbesondere bei langsam und mittelschnell laufende Rotoren gegeben ist.

Weiterhin ergeben sich für die U-förmig Flussleiterstücke in der Rotorbaueinheit vorteilhafte Ausgestaltungsbeispiele bezüglich der mechanischen Befestigung. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform werden jeweils wenigstens zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgende U-förmige Flussleiterstücke mittels einer Klammer und einem zugeordneten Befestigungsmittel gegen eine radiale Anlagefläche verspannt. Bei einer als Außenrotor ausgebildeten Rotorbaueinheit kann diese Anlagefläche die Innenwandung des Rotorzylinders sein, gegen welche eine Seite der Basis der U-förmigen Flussleiterstücke anliegt. Durch die Klammer werden dann jeweils wenigstens zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgende U-förmige Flussleiterstücke mit einer Kraft in radialer Richtung nach außen beaufschlagt, d. h. sie werden gegen die Innenwandung des Rotorzylinders gedrückt. Zur Aufbringung dieser Kraft kann beispielsweise der Klammer ein Befestigungsmittel, etwa eine Schraube, zugeordnet sein, welche die Klammer mit dem Rotorzylinder verbindet und diese radial nach außen zieht und somit eine Anlagekraft für die U-förmige Flussleiterstücke erzeugt.

Aufgrund der in Umfangsrichtung alternierenden Anordnung von Permanentmagneten und Flussleiterstücken ist es möglich, zwischen diesen eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung herzustellen, so dass auch die Einzelkomponenten der Rotorbaueinheit in Umfangsrichtung gegeneinander gehaltert werden. Wird zur Befestigung der U-förmigen Flussleiterstücke die voranstehend beschriebene Verspannung mittels einer übergreifenden Klammern verwendet, so ist es möglich, die Permanentmagneten als Distanzstücke zur Stabilisierung in Umfangsrichtung zu verwenden und gleichzeitig die Magnete an der gewünschten Position zwischen den Flussleiterstücken zu halten.

Zusätzlich kann jedem Flussleiterstück eine Momentenabstützung zugeordnet werden, welche beispielsweise in Form von in axialer Richtung beidseits der Permanentmagnete angeordneten Pratzen ausgebildet sein kann, welche die Flussleitstücke wenigstens teilweise so umfassen, dass aufgrund der Beidseitigkeit der Anordnung keine Verschiebung in Axialrichtung möglich ist und ferner eine Anlagekraft in radialer Richtung gegen eine Gegenlage, bei einem Außenläufer beispielsweise gegen den Rotorzylinder, erzeugt wird. Im Rahmen des fachmännischen Könnens sind weitere Ausgestaltungen der Verbindung der Einzelkomponenten der Rotorbaueinheit denkbar, so können auch die zueinander hinweisenden Anlageflächen der Permanentmagnete und der U-förmigen Flussleiterstücke so ausgebildet sein, dass eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung entsteht.

Wie voranstehend dargelegt, wird für die Statorbaueinheit eine Polanordnung bevorzugt, welche sich durch einen Versatz in Umfangsrichtung um eine Polteilung auszeichnet. Als vorteilhafte Ausgestaltung hat sich hierfür eine Struktur herausgestellt, welche Zahnringe umfasst, die auf beiden Seiten einer Ankerwicklung angeordnet sind und welche aus einer Mehrzahl von einzelnen in axialer Richtung hintereinander angeordneten Blechelementen gebildet sind. Bevorzugt werden Zahnringe, welche wenigstens an einer Stelle entlang ihres Umfangs zur Verringerung von Wirbelstromverlusten unterbrochen sind.

Zur Realisierung des notwendigen magnetischen Rückschlusses zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnring werden entsprechend einer bevorzugten Ausführung der Statorbaueinheit geblechte Rückschlussstrukturen verwendet, wobei für diesen Fall die Blechelemente der Rückschlussstrukturen in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind. Zur Stabilisierung dieser als Rückschlusselemente dienenden Blechpakete wird jeweils zu beiden Seiten ein Kühl- und Tragelement angeordnet, dies kann beispielsweise aus Aluminium hergestellt werden. Demnach liegt in der den ersten und den zweiten Zahnring tragenden Jochstruktur eine alternierende Abfolge zwischen geblechten Rückschlusselementen und Kühl- und Tragelementen vor. Dies ist insofern vorteilhaft, da für Komponenten, welche die magnetischen Eigenschaften wesentlich bestimmen, hier die Rückschlussstruktur, magnetisch wirksame und zugleich einfach bauende Komponenten verwendet werden können, während die zusätzlich notwendige Funktion der mechanischen Stabilisierung sowie der Kühlung durch für diese Aufgabe geeignete Elemente übernommen werden kann.

Bei einer Fortführung dieses Gedankens wird entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Statorbaueinheit die Ankerwicklung auf einem ringförmigen Element realisiert, welches ebenfalls die Funktion eines Kühl- und Tragelements erfüllt. Dieses Element kann beispielsweise ein Aluminiumring sein, wobei bei einer Ausbildung der Statorbaueinheit als Innenstator die Ankerwicklung in einfacher Art und Weise auf dem Außenumfang des Tragrings abgewickelt werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren genauer beschrieben. Im Einzelnen ist in den Figuren Folgendes dargestellt:

1 zeigt den Grundaufbau der einseitigen Transversalflussmaschine im Axialschnitt.

2 zeigt die einseitige Transversalflussmaschine in einem Ausschnitt in Seitenansicht.

3 zeigt die Rotorbaueinheit einer zweiphasig ausgebildeten Transversalflussmaschine zu beiden Seiten der Rotationsachse im Axialschnitt.

4 zeigt die Befestigung von zwei aufeinander folgenden U-förmigen Flussleiterstücken der Statorbaueinheit mittels einer Halteklammer.

5 zeigt den schematischen Aufbau der Statorbaueinheit.

6 zeigt eine Draufsicht auf eine zweiphasig ausgebildete Statorbaueinheit.

7 zeigt den schematischen Aufbau einer dreiphasigen einseitigen Transversalflussmaschine im Axialschnitt mit anschließenden Komponenten für einen Schiffsantrieb.

1 zeigt den Grundaufbau einer erfindungsgemäßen einseitigen Transversalflussmaschine im Axialschnitt, wobei die der Rotorbaueinheit 1 und der Statorbaueinheit 2 zugeordneten Komponenten jeweils nur auf einer Seite der Rotationsachse 40 dargestellt sind. In der vorliegenden Ausgestaltung wird ein Innenstator verwendet, d.h. die Rotorbaueinheit 1 wird nach radial außen durch einen Rotorzylinder 16 begrenzt. Dieser besteht bevorzugt aus einem im Wesentlichen nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise Aluminium oder einem hierfür geeigneten Stahl.

Die Rotorbaueinheit 1 umfasst eine in Umfangsrichtung alternierende Anordnung von Permanentmagneten 4.1, 4.2, ..., 4.n, was insbesondere aus der Seitenansicht in 2 hervorgeht. In Umfangsrichtung jeweils aufeinander folgende Permanentmagnete weisen entgegengerichtete Magnetisierungsrichtungen auf, wobei die Magnetisierungsrichtung jeweils parallel zur Umfangsrichtung verläuft und zwar jeweils abwechselnd in und entgegen der Bewegungsrichtung. An jedem der Schenkel 8.1 und 8.2 der U-förmigen Flussleiterstücke 6 liegen jeweils Permanentmagnete mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung an, so dass im Verlauf des Schenkels 8.1, 8.2 die magnetischen Feldlinien in eine Radialrichtung umgelenkt werden. Bei der Ausbildung eines Außenrotors werden die auf die Statorbaueinheit 2 hinweisenden Stirnflächen der Schenkel 8.1, 8.2 im Bereich des Luftspalts 18 zwischen der Rotorbaueinheit 1 und der Statorbaueinheit 2 im Wesentlichen radial nach innen gerichtet austreten.

Wie aus der schematischen Seitenansicht von 2 hervorgeht, kann die Geometrie der Permanentmagneten so gewählt werden, dass diese in radialer Richtung eine im Vergleich Umfangsrichtung vergrößerte Ausdehnung besitzen. Aufgrund der parallel zur Umfangsrichtung verlaufenden Magnetisierung liegt somit eine vergrößerte Austrittsfläche für den magnetischen Fluss vor, so dass die gewählte Ausgestaltung und Anordnung der U-förmigen Flussleiterstücke 6 zu einer Flusskonzentration führt.

Gemäß der Ausgestaltung nach 1 ist sowohl am ersten Schenkel 8.1 wie auch am zweiten Schenkel 8.2 eines jeden U-förmigen Flussleiterstücks 6 zu beiden Seiten in Umfangsrichtung jeweils ein Permanentmagnet angeordnet. In 1 ist für den ersten und den zweiten Schenkel 8.1 jeweils einer dieser Permanentmagnete 4.1.1, 4.1.2 dargestellt. Die auf den gleichen Seiten des ersten und des zweiten Schenkels 8.1 und 8.2 angeordneten Permanentmagnete weisen die entsprechende Magnetisierungsrichtungen auf, so dass es auch möglich ist, anstatt zweier einzelner Permanentmagnete, die jeweils den einzelnen Schenkeln zugeordnet sind, einen einzigen Permanentmagneten jeweils zwischen zwei U-förmige Flussleiterstücke 6 zu platzieren. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass hierdurch ein schlechteres Verhältnis zwischen wirksamer und verbauter magnetischer Masse resultiert. Dagegen ist vorteilhaft, dass die Anzahl der Baukomponenten durch diese Maßnahme reduziert wird. In der schematisch vereinfachten Seitenansicht von 2 wird die magnetische Masse zwischen zwei U-förmigen Flussleiterstücken 6.1, 6.2, ..., 6.n jeweils mit einem Bezugszeichen 4.1, 4.2, ..., 4.n versehen. Diese magnetische Masse kann als ein- oder mehrstückiger Permanentmagnet ausgebildet sein.

Die Befestigung der Einzelkomponenten der Rotorbaueinheit, insbesondere der Permanentmagneten 4.1, 4.2, ..., 4.n sowie der Flussleiterstücke 8 kann entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung eine Halteklammer 12 umfassen, welche wenigstens zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgende Flussleiterstücke 6.1, 6.2 verbindet und welche mit Hilfe eines Verbindungsmittels 14, beispielsweise einer Schraube, eine in radialer Richtung wirkende Kraft auf die so verbundenen Flussleiterstücke 6.1, 6.2 bewirkt. In 4 ist diese Ausgestaltung für einen Außenrotor in schematisch vereinfachter Weise dargestellt. Die Klammer 12 liegt jeweils an der radial nach innen gerichteten Innenseite der Basis von zwei zueinander in Umfangsrichtung benachbarten U-förmigen Flussleiterstücken 6.1 und 6.2 an. Zwischen den mit jeweils einer Klammer 12 verbundenen Flussleiterstücken 6.1, 6.2 verläuft ein im Wesentlichen radial orientiertes Befestigungsmittel 14, welches die Klammer 12 nach radial außen zieht und so die Flussleiterstücke 6.1, 6.2 gegen eine Anlagefläche, beispielsweise einen Außenzylinder 16, verspannt. Aufgrund der alternierenden Abfolge zwischen Permanentmagneten 4.1, 4.2, ..., 4.n und den Flussleiterstücken 6.1, 6.2, ..., 6.n kann durch eine vorteilhafte Ausgestaltung der Außenform der Permanentmagneten der Zwischenraum zwischen zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Flussleiterstücken 6.1, 6.2 wenigstens teilweise ausgefüllt werden, so dass eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung der in Umfangsrichtung alternierenden Abfolge von Permanentmagneten 4.1, 4.2, ..., 4.n und Flussleiterstücken 6.1, 6.2, ..., 6.n entsteht, welche durch eine Abfolge von Klammern 12 und zugeordneten Befestigungsmitteln 14 in radialer Richtung verspannt wird.

In einer in 3 gezeigten Weitergestaltung sind zusätzliche Halteelemente zur Momentenabstützung an den Flussleitstück vorgesehen. Zur Veranschaulichung ist hierzu in 3 ein schematisch vereinfachter Axialschnitt eines Außenstator gezeigt, wobei im vorliegenden Fall eine zweiphasige Transversalflussmaschine dargestellt ist und die Komponenten der Statorbaueinheit zu beiden Seiten der Rotationsachse 40 skizziert sind. Für eine Phase sind hierbei Haltestrukturen zur Momentenabstützung 50.1, 50.2 für ein U-förmiges Flussleiterstück 6 dargestellt. Die beiden Halteelemente zur Momentenabstützung 50.1 und 50.2 begrenzen die Permanentmagnete 4.1.1 und 4.1.2 jeweils von einer Seite in axialer Richtung. Sie sind in Form von Pratzen ausgebildet, die am Rotorzylinder 16 befestigt sind und welche den ersten Permanentmagnet 4.1.1 bzw. den zweiten Permanentmagnet 4.1.2 wenigstens teilweise übergreifen. Werden die Anlageflächen der Permanentmagnet 6.1.1, 6.1.2 und der zugeordneten Halteelemente zur Momentenabstützung 50.1, 50.2 mit einem zur Rotationsachse 40 geneigten Verlauf ausgeformt, so folgt bei einer kraftschlüssigen Verbindung eine Kraftwirkung der Halteelemente zur Momentenabstützung 50.1, 50.2 mit einer radialen und einer axialen Kraftkomponente. Die radiale Kraftkomponente verspannt die Permanentmagnete gegen einen radialen Anschlag. Bei der in 3 dargestellten Ausgestaltung ist dies der Außenzylinder 16. Die axialen Kraftkomponenten sind aufgrund der seitlich, axialen Anordnung der Halteelemente zur Momentenabstützung 50.1 und 50.2 entgegengesetzt zueinander gerichtet, so dass die einzelnen Permanentmagneten 4.1.1 und 4.1.2 axial gegeneinander verspannt werden und keine Bewegungsfreiheit in axialer Richtung aufweisen. Wird anstatt separater Permanentmagnete 4.1.1, 4.1.2, die jeweils den beiden Schenkeln eines U-förmigen Flussleiterstücks 6 zugeordnet sind, ein einzelner Permanentmagnet verwendet, so folgt im Wesentlichen eine entsprechende Wirkung bei Verwendung der Halteelemente zur Momentenabstützung 50.1, 50.2, welche durch eine Verspannung in radialer Richtung sowie eine Halterung in axialer Richtung charakterisiert ist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Statorbaueinheit geht aus 5 hervor. Hierbei wird in schematisch vereinfachter Darstellung eine Ankerwicklung 20 gezeigt, welche in axialer Richtung von einer ersten Zahnreihe 22.1 und auf der gegenüberliegenden Seite in axialer Richtung von einer zweiten Zahnreihe 22.2 begrenzt wird. Die Zähne dieser ersten und zweiten Zahnreihe 22.1, 22.2 weisen mit ihren Endflächen in Richtung der Rotorbaueinheit und damit in radiale Richtung. Im dargestellten Fall ist die Statorbaueinheit als Innenstator ausgebildet. Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Zahnreihen 22.1, 22.2 wenigstens teilweise aus Blechpaketen aufgebaut. Hierfür können isolierte Elektrobleche verwendet werden, wobei diese in einer axialen Abfolge angeordnet sind. Die erste und die zweite Zahnreihe 22.1, 22.2 können in Umfangsrichtung ein- oder mehrstückig aufgebaut sein. Hierbei wird bevorzugt, dass die Zahnreihen 22.1, 22.2 wenigstens an einer Stelle entlang des Umfangs der Statorbaueinheit zur Unterdrückung von Wirbelströmen unterbrochen sind.

Wie in 5 angedeutet, sind die Zähne des ersten Zahnrings 22.1 zu jenen des zweiten Zahnrings 22.2 in Umfangsrichtung verschoben. Hierbei wird eine Verschiebung um eine Polteilung T bevorzugt.

Zur Führung des magnetischen Flusses von den Zähnen des ersten Zahnrings 22.1 zu den Zähnen des zweiten Zahnrings 22.2 muss eine Rückschlussstruktur vorgesehen sein, welche die dritte Seite der Ankerwicklung begrenzt. Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Rückschlussstrukturen 24 in Form von Blechpaketen ausgebildet, wobei die Einzelbleche im Wesentlichen in Umfangsrichtung gestapelt sind. In Umfangsrichtung weist eine Statorbaueinheit 2 eine Vielzahl von geblechten Rückschlussstrukturen 24 auf, wobei jeder dieser geblechten Rückschlussstrukturen 24 in Umfangsrichtung beidseits von einem Kühl- und Tragelement 26 begrenzt ist. Demnach liegen die Zahnringe 22.1, 22.2 und die Ankerwicklung 20 auf einer Jochstruktur auf, welche eine alternierende Abfolge aus geblechten Rückschlussstrukturen 24 und Kühl- und Tragelementen umfasst. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft, da durch die Kühl- und Tragelemente die Anforderungen an die mechanische Stabilität erfüllt werden und diese außerdem eine hinreichende Kühlfunktion übernehmen. Die Rückschlussstrukturen 24 können dann von diesen Aufgaben betreffend die mechanische Stabilisierung und die Kühlfunktion befreit werden, so dass eine Vereinfachung in deren Ausgestaltung und in der Materialwahl möglich ist. Auf diese Art und Weise kann in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Rückschlussstruktur 24 in Form eines Blechpakets ausgebildet werden, wobei jedes der Blechpakete durch die in Umfangsrichtung angrenzenden Kühl- und Tragelemente 26 zusammengehalten werden. Als geeignetes Material für die Kühl- und Tragelemente 26 hat sich Aluminium erwiesen. Die Blechpakete der Rückschlussstruktur 24 können auch von wenigstens drei Seiten eingefasst werden. Hierbei kann in einer alternativen Gestaltung das Kühl- und Tragelement als Ring ausgebildet werden, der entlang seines Umfangs Ausnehmungen für die geblechten Rückschlussstrukturen 24 aufweist. Ein solches ringförmiges Element kann auch aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt sein, wobei hierfür auch unterschiedliche Materialien verwendet werden können, um die erwünschte Trag- und Kühlfunktion zu erfüllen.

Entsprechend einer Weitergestaltung der Statorbaueinheit kann der Ankerwicklung 20 ein ringförmiges Element 28 zugeordnet sein. Dies ist exemplarisch in 1 gezeigt. Für den dort dargestellten Innenstator wird die Ankerwicklung 20 auf dem ringförmigen Element 28 abgewickelt, welches in einer vorteilhaften Ausgestaltung aus Aluminium besteht und die Aufgabe einer mechanischen Stabilisierung und einer verbesserten Kühlleistung für die Statorbaueinheit erfüllt.

Die erfindungsgemäße einseitige Transversalflussmaschine kann als mehrphasige Maschine aufgebaut werden. In 6 ist dies mit Bezug auf die Statorbaueinheit skizziert, wobei eine zweiphasige Transversalflussmaschine dargestellt ist. Für jede der Phasen ist eine Ankerwicklung vorgesehen. Gemäß 6 ist eine erste Ankerwicklung 20.1 einer ersten Phase und eine zweite Ankerwicklung 20.2 einer zweiten Phase zugeordnet. Für die erste Ankerwicklung 20.1 sind in axialer Richtung beidseits die Zahnreihen 20.1 und 20.2 vorgesehen. Der zweiten Ankerwicklung 20.2 werden entsprechend die Zahnreihen 22.3 und 22.4 zugeordnet. Ferner ist die Ausbildung weiterer Phasen denkbar. Beispielsweise wird durch 7 eine dreiphasige, einseitig ausgebildete Transversalflussmaschine skizziert. Diese weist die jeweils einer Phase zugeordneten Rotorbaueinheiten 1.1, 1.2, 1.3 und die entsprechend zugeordneten Statorbaueinheiten 2.1, 2.2 und 2.3 auf. Die zu den unterschiedlichen Phasen gehörenden Komponenten der Transversalflussmaschine sind in axialer Richtung versetzt angeordnet.

In 7 ist ferner eine bevorzugte Anwendung einer erfindungsgemäßen einseitigen Transversalflussmaschine dargestellt. Diese wird im vorliegenden Fall als Schiffsantrieb verwendet, der außerhalb des Schiffsrumpfs in einer Gondel untergebracht ist und welcher einen Schiffspropeller 100 antreibt. Solche Schiffsantriebe werden als POD-Antriebe bezeichnet. Für derartige Antriebe werden elektrische Antriebsmaschinen mit kleinen äußeren Abmessungen und einem hohen Drehmoment bevorzugt. Alternative Anwendungsmöglichkeiten für eine erfindungsgemäße einseitige Transversalflussmaschine sind ferner bei elektrische Antriebseinheiten von Fahrzeugen, wie zum Beispiel Bussen, mit elektromotorisch betriebenen Rädern gegeben.


Anspruch[de]
  1. Einseitige Transversalflussmaschine mit mindestens einer Phase, umfassend eine Rotorbaueinheit (1) mit einer Rotationsachse (40), wobei die Rotorbaueinheit (1) in Einbaulage einer koxial zur Rotorbaueinheit (1) unter Ausbildung eines Luftspalts (18) angeordneten Statorbaueinheit (2) zugeordnet ist; eine Statorbaueinheit (2) mit einer Ankerwicklung (20), die einer Phase zugeordnet ist, und Statorelemente, die so geformt sind, dass deren am Luftspalt (18) liegende Pole in Umfangsrichtung um eine Polteilung (T) versetzt sind; wobei die Rotorbaueinheit (1) eine in Umfangsrichtung alternierende Anordnung von Permanentmagneten (4.1, ..., 4.n) und Flussleiterstücken (6.1, ..., 6.n) umfasst; die Flussleiterstücke (6.1, ..., 6.n) jeweils bezüglich einer die Rotorachse (40) einschließenden Ebene U-förmig ausgebildet sind und jeweils zwei Schenkel (8.1, 8.2) und eine Basis (8.3) umfassen, wobei die Schenkel der Flussleiterstücke (6.1, ..., 6.n) in Richtung der Pole der Statorelemente weisen und die die Schenkel (8.1, 8.2) verbindende Basis (8.3) der Flussleiterstücke (6.1, ..., 6.n) in axialer Richtung orientiert ist; und an beiden in Umfangsrichtung orientierten Flächen jedes Schenkels (8.1, 8.2) der Flussleiterstücke (6.1, ..., 6.n) Permanentmagnete (4.1, ..., 4.n) mit entgegengesetzten, parallel zur Umfangsrichtung orientierten Magnetisierungen angrenzen.
  2. Einseitige Transversalflussmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleiterstücke (4.1, ..., 4.n) wenigstens teilweise aus Schnittbandkernen hergestellt sind.
  3. Einseitige Transversalflussmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorbaueinheit (1) als Außenrotor ausgebildet ist.
  4. Einseitige Transversalflussmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (8.3) der Flussleiterstücke (6.1, ..., 6.n) in Richtung radial nach außen gegen einen Rotorzylinder (16) aus im Wesentlichen nicht magnetisierbaren Material anliegt.
  5. Einseitige Transversalflussmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgende Flussleiterstücke (6.1, ..., 6.n) mit einer Klammer (12) verbunden sind, die an den nach radial innen gerichteten Flächen der Flussleiterstücke (6.1, ..., 6.n) anliegt und welchen mittels eines zugeordneten Befestigungsmittels (14) die Flussleiterstücke (6.1, ..., 6.n) in Richtung nach radial außen gegen eine in Umfangsrichtung verlaufende Haltestruktur verspannt.
  6. Einseitige Transversalflussmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Permanentmagnete (4.1, ..., 4.n) mittels eines Form- und/oder Kraftschlusses gegen die angrenzenden Flussleiterstücke abstützen.
  7. Einseitige Transversalflussmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Flussleiterstücke (6.1, ..., 6.n) eine in radialer und axialer Richtung wirkende Momentenabstützung vorgesehen ist.
  8. Einseitige Transversalflussmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentenabstützung durch auf beiden Seiten axial benachbart zu den Permanentmagneten (4.1, ..., 4.n) angeordnete Halteelemente (50.1, 50.2) mit in axialer Richtung über die Permanentmagnete (4.1, ..., 4.n) greifenden Vorsprüngen bewirkt wird, wobei zwischen den Vorsprüngen und den Permanentmagneten (4.1, ..., 4.n) eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung besteht.
  9. Einseitige Transversalflussmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorbaueinheit (2) eine erste und eine zweite Zahnreihe (22.1, 22.2) umfasst, die voneinander axial beabstandet sind und die in Umfangsrichtung um eine Polteilung (T) zueinander versetzt sind, wobei die Zahnreihen (22.1, 22.2) ringförmig ausgeführte Blechpakete mit einer Unterbrechung in Umfangsrichtung umfassen.
  10. Einseitige Transversalflussmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorbaueinheit (2) ferner eine Jochstruktur umfasst, welche Rückschlusselemente (24) zur Herstellung einer magnetischen Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Zahnringreihe (22.1, 22.2) sowie zwischen den Rückschlusselementen (24) befindliche und im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Kühl- und Tragelemente (26) aufweist.
  11. Einseitige Transversalflussmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl- und Tragelemente (26) aus Aluminium hergestellt sind.
  12. Einseitige Transversalflussmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung (20) auf einem ringförmigen Kühl- und Tragelement (28) aufgewickelt ist.
  13. Einseitige Transversalflussmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Kühl- und Tragelement (28) aus Aluminium besteht.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
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