[0001] Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine nach dem Transversalflussprinzip und insbesondere eine spezielle Konstruktion des Rotors in Aussenläuferbauweise.
[0002] Die Erfindung bezieht sich auf Motoren für allgemeine Antriebszwecke, wobei insbesondere ein Rotordurchmesser im Bereich 40 mm bis 400 mm verwendet werden soll. Die Erfindung ist jedoch auf diese Grössen nicht beschränkt; sie sind nur beispielhaft für die hier angegebene Antriebsaufgabe angegeben.
[0003] Transversalflussmaschinen zeichnen sich gegenüber anderen Motoren durch eine hohe Drehmomentdichte und mässige Kurzschlussströme aus. Dadurch sind sie hervorragend für Direktantriebe in Radnabenanwendungen geeignet und werden daher mit Vorteil als Aussenläufermaschinen gebaut.
Auch technologisch ist diese Bauweise vorteilhaft, da der Kraftangriffspunkt weiter aussen liegt als bei einer gleich grossen Innenläuferkonstruktion.
[0004] Da aber der magnetische Fluss in Transversalflussmaschinen im Wesentlichen axial zum Luftspalt geführt wird, stellt sich das Problem, dass der Rotor nicht, wie in konventionellen Maschinen, aus ringförmigen Rundblechen hergestellt werden kann.
[0005] Es ist bekannt, den axialen magnetischen Fluss im Stator zurückzuführen (auch verwendet in DE 196 14 862), wodurch im Rotor Rundbleche verwendet werden können, welche mit einer geeigneten äusseren Abstützung zu einem an sich stabilen Aufbau des Aktivteils des Rotors führen.
Dies ergibt aber eine Aktivteilgeometrie mit erheblichen Streupfaden, welche die Vorzüge der Transversalflusstechnologie vollkommen zunichte macht.
[0006] Die hier beschriebene Technologie greift daher auf eine etwa axiale Flussführung im Rotor zurück. Das Grundprinzip einer solchen Anordnung wurde bereits von H.
Weh (etzArchiv Bd.10 (1988) S. 143-149) allgemein beschrieben und durch den Aktivteil einer Innenläufermaschine illustriert; eine mechanische Konstruktion, welche es erlaubt, diese Maschine zu bauen, wird dort hingegen nicht erwähnt.
[0007] Durch die erfindungsgemässe Maschine wird dieses Prinzip erstmals in einer sinnvoll produzierbaren Form realisiert:
[0008] Der Aktivteil des Stators besteht aus nebeneinander angeordneten Phasen, deren jede aus einer ringförmigen Spule besteht, die in eine Nut eingelegt ist, welche durch p grundsätzlich äquidistant am Umfang verteilte U-förmige Weicheisenkörper gebildet ist. Diesen U-Kernen stehen am Rotor 2p I-förmige Weicheisenteile gegenüber, die mit alternierend polarisierten Permanentmagneten versehen sind, die einen Wechselfluss in den U-Kernen erregen.
Dies kann entweder mit achsparallelverlaufenden Blechen, jeweils pro Phase komplementär polarisierten Flachpermanentmagneten oder durch eine Schrägung von Rotor- und/oder Statorblech um eine Polteilung erreicht werden. Letztere Anordnung ist zwingend, wenn zwischen den Rotorrückschlüssen liegende Permanentmagneten benutzt werden.
[0009] Da die relative Position des permanenterregten Feldes im Luftspalt zu den Zähnen der jeweils eine Phase umschliessenden Wicklung die Phasenlage der induzierten Spannung der entsprechenden Phase bestimmt, muss in einer mehrphasigen Maschine die mittlere Winkellage der Rotormagneten oder die Lage der Statorzähne oder auch beide entsprechend versetzt sein,
was durch eine entsprechende Schrägung der Rotor- oder Statorbleche oder durch entsprechenden Versatz der U-Kerne oder der I-Kerne oder durch eine Kombination dieser Vorgehensweisen erreicht werden kann.
[0010] Grundsätzlich sind so Maschinen mit beliebig vielen Phasen realisierbar; praktisch relevant sind vor allem zwei- und dreiphasige Anordnungen. Bevorzugt wird pro Phase eine ringförmige Spule in einer Nut verwendet; es kann aber auch eine Phase auf mehrere ringförmige Spulen in mehreren Nuten verteilt sein und/oder eine Nut mit Spulen von verschiedenen Phasen bestromt werden.
Um eine Maschine mit elektrisch weitgehend symmetrischen Phasen zu erhalten, müssen die Phasen mindestens am Rotor oder am Stator magnetisch getrennt sein; nimmt man asymmetrische Phasen in Kauf, so kann von dieser Trennung auch abgesehen werden.
[0011] In der genannten DE 19 714 895 sind die Rotorbleche als Ronden ausgeführt, d.h., es handelt sich um ringförmige Bleche, welche senkrecht zur Drehachse geschichtet ausgebildet sind.
[0012] Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass sich, entsprechend der obenstehenden Beschreibung, erhebliche Streupfade bilden, welche das maximal erreichbare Drehmoment des Motors erheblich reduzieren.
[0013] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Transversalflussmaschine so zu gestalten, dass eine stabile Konstruktion erreicht wird und gleichzeitig Streupfade wesentlich minimiert sind,
so dass pro Volumen ein wesentlich höheres Drehmoment erzeugt werden kann.
[0014] Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
[0015] Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass am Innenumfang eines im Wesentlichen glockenförmig ausgebildeten Rotormantels dem Prinzip nach gleichmässig am Umfang verteilt, aber nicht zwingend genau äquidistant, in grundsätzlich axialer Richtung ausgerichtete Rückschlusskerne angeordnet sind, an deren Innenumfang Permanentmagnete angeordnet sind, und dass die Rückschlusskerne radial einwärts gesehen durch einen oder mehrere in axialer Richtung beabstandete umlaufende Trägerringe abgestützt sind.
[0016] Die hier gezeigte Lösung zeigt eine Rotorkonstruktion, welche ihre grundlegende Festigkeit durch eine rohrförmige Konstruktion ausserhalb des Aktivteils erhält,
in der die stabförmigen Rückschlüsse aus Weicheisenmaterial sich auf zusätzliche Ringe stützen, welche insbesondere die radial nach innen gerichteten Kraftkomponente aufnehmen.
[0017] Diese Trägerringe können ausserhalb des magnetischen Kreises der Phasen verlaufen (mit magnetisch voneinander getrennten Phasen, wie in Fig. 1 bis 3 oder mit magnetisch verbundenen Phasen, wie in Fig. 4 und 5). Alternativ dazu können Trägerringe aus elektrisch schlecht leitfähigem Material innerhalb des magnetischen Kreises angebracht werden (Fig. 6 bis 8). Die radiale Fixierung der Weicheisenteile kann durch verschiedenste Verfahren, wie Kleben, Vergiessen, Spritzguss und ggf. auch durch vorgefertigte formschlüssige Distanzhalter realisiert werden.
[0018] Als Material für die hier verwendeten Trägerringe wird bevorzugt ein magnetisch nichtleitendes Material verwendet, wie z.B.
Aluminium, Aluminiumlegierungen, Messing und andere Buntmetalllegierungen sowie auch Keramik und keramische Verbundwerkstoffe.
[0019] In einigen Anwendungsfällen kann der Trägerring auch aus Eisenmaterial bestehen. Insgesamt kann der Trägerring aus einem Vollmaterial bestehen oder auch aus lamellierten schichtförmigen Materialien aus der oben angegebenen Materialauswahl.
[0020] Erfindungsgemäss werden durch diese besondere Konzeption die Streupfade nun dadurch minimiert, dass es nun erstmals möglich ist, in axialer Richtung ausgerichtete einzelne und voneinander getrennte Rückschlusskerne zu verwenden, die in der Rotorglocke angeordnet sind und durch die erfindungsgemässen Trägerringe abgestützt sind.
Hierbei gibt es für die erfindungsgemässe Trägerkonstruktion verschiedene Ausführungen, die sämtlich vom Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung umfasst sein sollen.
[0021] In einer ersten, bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in axialer Richtung verteilt mehrere, entlang des Umfanges der Rotorglocke verlaufende und in sich geschlossene Trägerringe vorhanden sind, wobei die Trägerringe die genannten Rückschlusskerne tragen und die Rückschlusskerne ihrerseits an der Unterseite die Permanentmagneten tragen.
[0022] Hierbei sind die Rückschlusskerne in axialer Richtung stückweise vorhanden, d.
h., sie bilden zwischen sich in axialer Richtung gesehene Unterbrechungen, in deren Bereich der jeweilige Trägerring angeordnet ist.
[0023] Bei dieser Konstruktion wird also jeweils ein Rückschlusskern an seiner Vorder- und Hinterseite (in axialer Richtung gesehen) von jeweils einem Trägerring getragen.
[0024] In einer anderen, abgewandelten Ausführungsform ist es hingegen vorgesehen, dass die Rückschlusskerne sich im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Rotors erstrecken und hierbei entsprechende Nuten aufweisen, in denen die Trägerringe angeordnet sind und hierdurch die Rückschlusskerne getragen werden.
[0025] In einer davon abgewandelten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die radiale Ausdehnung der Nut im jeweiligen Rückschlusskern zur Aufnahme des Trägerrings minimiert wird,
so dass lediglich die Unterseite des jeweiligen Rückschlusskerns auf der radial aussenliegenden Oberfläche des Trägerrings aufsitzt.
[0026] In einer anderen Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass die Ausnehmung für die Halterung des Trägerrings auch in einer Nut des Permanentmagneten selbst angeordnet ist.
[0027] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Trägerring oberhalb der statorseitigen Wicklung angeordnet und zwar in einer Lücke zwischen zwei in axialer Richtung sich fortsetzenden Permanentmagneten, wobei wiederum der Trägerring entweder in einer Nut des Rückschlusskernes angeordnet sein kann und die Höhe dieser Nut in radialer Richtung auch den Wert 0 erhalten kann.
[0028] In einer Abwandlung dieser Ausführung kann es vorgesehen sein, dass die Nut zur Aufnahme des Trägerrings nicht im Rückschlusskern angeordnet ist,
sondern in dem an der Unterseite des Rückschlusskerns angeordneten Permanentmagneten.
[0029] In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass eine Vielzahl von Rotorzähnen dem Prinzip nach gleichmässig verteilt am Innenumfang der Rotorglocke angeordnet ist. Zwischen den Rotorkernen sind in radialer Richtung die Permanentmagnete angebracht. Im Prinzip sind diese Permanentmagneten im Gegensatz zu den vorher genannten Ausführungsbeispielen sozusagen hochkant orientiert, und auch bei dieser Konstruktion werden die Rotorzähne mit den dazwischenliegenden Permanentmagneten durch entsprechende erfindungsgemässe Trägerringe getragen.
[0030] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
[0031] Es zeigen:
<tb>Fig. 1:<sep>einen Längsschnitt durch eine Transversalflussmaschine mit Darstellung der oberen Hälfte;
<tb>Fig. 2:<sep>perspektivische Seitenansicht in die Lage eines Rückschlusskerns im Rotor mit dessen Halterung;
<tb>Fig. 3:<sep>ein gegenüber Fig. 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel;
<tb>Fig. 4:<sep>ein zweites Ausführungsbeispiel mit Darstellung eines Längsschnittes durch die obere Hälfte einer Transversalflussmaschine mit einem in axialer Richtung durchgehenden Rückschlusskern;
<tb>Fig. 5:<sep>das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 mit Darstellung der Halterung eines einzigen Rückschlusskernes;
<tb>Fig. 6:<sep>ein gegenüber Fig. 4 abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit einem zentral angeordneten Trägerring, der direkt gegenüberliegend der statorseitigen Wicklung angeordnet ist;
<tb> Fig. 7:<sep>die perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6;
<tb>Fig. 8:<sep>eine gegenüber Fig. 7 dargestellte Abwandlung;
<tb>Fig. 9:<sep>ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Transversalflussmaschine mit zwischen den Rückschlüssen liegenden Permanentmagneten.
[0032] In Fig. 1 ist allgemein ein Halbschnitt einer Transversalflussmaschine dargestellt, wobei ein aussenliegender Rotor 1 drehfest mit einer Welle 2 verbunden ist, die um eine Drehachse 3 rotieren kann.
Es sind ein oder mehrere Lager 4 für die Drehlagerung des glockenförmigen Rotors 1 vorhanden, der in Längsrichtung einen Rotormantel 5 ausbildet.
[0033] Erfindungsgemäss sind nun am Innenumfang des Rotormantels 5 in axialer Richtung stückweise hintereinanderliegend Rückschlusskerne 6a, b, c angeordnet, wobei in Fig. 2 die Halterung eines einzigen Rückschlusskerns gezeigt ist.
[0034] Jeder Rückschlusskern 6 besteht im Wesentlichen aus einem magnetisch leitfähigen Material, welches ein lamelliertes Blechmaterial oder ein Vollmaterial sein kann.
[0035] Wichtig ist nun, dass jeder Rückschlusskern 6a-6c stirnseitig jeweils eine Ausnehmung 15 aufweist, die von einem, in Umfangsrichtung umlaufenden und in sich geschlossenen, Trägerring 7 durchgriffen wird.
Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 sind insgesamt vier derartige Trägerringe 7a - 7b in axialer Richtung mit gegenseitigem Abstand voneinander angeordnet.
[0036] An der Unterseite des jeweiligen Rückschlusskerns 6 ist hierbei jeweils ein Permanentmagnet 9a, 9b, 9c angeordnet, der in nicht näher dargestellter Weise mit Rückschlusskern 6 verbunden ist.
[0037] Bevorzugt ist die gesamte Anordnung eingegossen, es werden also die Rückschlusskerne 6, die dazugehörenden und diese tragenden Trägerringe 7 und die Permanentmagneten 9 in ein Kunststoffmaterial eingeschlossen.
[0038] Anstatt des Eingiessens kann es auch vorgesehen sein, dass die Trägerringe 7 in ihren Ausnehmungen 15, im Bereich der Rückschlusskerne 6, eingeklebt, eingeschweisst, eingelötet,
mechanisch eingeklipst oder in anderer Weise formschlüssig mit diesem Teil verbunden sind.
[0039] In an sich bekannter Weise ist zwischen dem Stator 10 und dem umlaufenden Rotor 1 ein Luftspalt 8 ausgebildet.
[0040] Der Stator besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Statorkern 11, auf dessen axialer Länge gesehen insgesamt drei Wicklungen 12, 13, 14 vorhanden sind.
Es können selbstverständlich auch mehr oder weniger als drei derartige Wicklungen 12-14 vorgesehen sein.
[0041] Die Wicklungen 12-14 sind im motorischen Betrieb jeweils von Wechselströmen unterschiedlicher Phasenlage durchflossen.
[0042] Wichtig ist bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2, dass nun sehr hohe Kräfte während des Betriebs des Motors auf die Rückschlusskerne 6
[0043] in Pfeilrichtung 16 ausgeübt werden, die radial einwärts wirken, und hier werden diese Rückschlusskerne 6 durch die erfindungsgemässen Trägerringe 7a-7d getragen.
[0044] Die Höhe 17 der Ausnehmungen 15, in denen die Trägerringe 7 liegen, ist variabel.
Diese Höhe 17 kann bis in die Nähe des Aussenumfangs des Rückschlusskerns 6 gehen; die Höhe 17 kann aber auch den Wert 0 betragen, in diesem Fall würde - gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 - der Trägerring unmittelbar an der Unterseite des Rückschlusskerns 6 aufliegen.
[0045] In den Fig.
4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wo erkennbar ist, dass nicht in axialer Richtung stückweise hintereinanderliegend angeordnete Rückschlusskerne 6 vorhanden sind, sondern es ist jeweils ein einziger, in axialer Richtung durchgehender Rückschlusskern 20 vorhanden, wobei derartige Rückschlusskerne 20 dem Prinzip nach gleichmässig, aber nicht zwingend äquidistant, über den Umfang verteilt in axialer Richtung angeordnet sind und mit den erfindungsgemässen Trägerringen 19a, 19b getragen sind.
[0046] In den Rückschlusskernen 20 sind hierbei in Umfangsrichtung umlaufende Nuten 23 eingearbeitet, in denen die Trägerringe 19a, 19b aufgenommen sind.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ragen die Trägerringe mit ihrer Unterkante über die Unterkante des jeweiligen Rückschlusskerns 20 heraus und sind etwa flächenbündig mit der Unterkante der darunter angeordneten Permanentmagnete 21a-21 f angeordnet. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsform.
Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt.
[0047] Auch hier gilt dasselbe wie bezüglich der Höhe 17 der Ausnehmung 15 Gesagte, dass nämlich auch die Höhe der Nut 23 (entsprechend der Höhe 17 in Fig. 1) variabel ist, so dass auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Nut 23 vollkommen entfallen kann und die Trägerringe 19 dann mit ihrer radial aussenliegenden Oberfläche an der Unterseite der Rückschlusskerne 20 aufliegen.
[0048] Die Permanentmagneten 21a-21 f bilden jeweils zwischen sich Ausnehmungen 22, denen gegenüberliegend die jeweilige Wicklung 12-14 im Stator 10 angeordnet ist.
[0049] Der Stator ist hierbei auf einer Reihe von axial hintereinander angeordneten, U-förmigen Statorkernen 18-18c gebildet, wobei jedem U-Schenkel des jeweiligen Statorkerns 18a-18c ein zugeordneter Permanentmagnet 21a-21 b zugeordnet ist.
[0050] Die Fig.
5 zeigt nochmals die Darstellung in Fig. 4 in perspektivischer Seitenansicht, wo ebenfalls dargestellt ist, dass die Höhe 17 der Nut 23 variieren kann, so dass also auch die Nut 23 entfallen kann und die Oberfläche der Trägerringe 19 dann unmittelbar auf der Unterseite der Rückschlusskante 20 aufliegt.
[0051] Die Fig. 6 und 7 zeigen ein gegenüber den Fig. 1 bis 5 abgewandeltes Ausführungsbeispiel, welches sich durch eine Konstruktion mit zentral oberhalb der Wicklungen 12-14 angeordneten Trägerringen 24 auszeichnet.
[0052] Dort ist der Stator 10 lediglich mit einem einzigen U-förmigen Statorkern 18 dargestellt, der eine Wicklung 12 - 14 trägt.
Eine derartige Anordnung kann aber auch in axialer Richtung, gemäss den Fig. 1 bis 4, vervielfacht fortgesetzt werden.
[0053] Dort ist wesentlich, dass der Trägerring 24 zentral in dem Rückschlusskern 25 im Bereich einer Nut 26 angeordnet ist und dem gegenüberliegend zentral die statorseitige Wicklung 12-14 angeordnet ist.
[0054] Seitlich aussen, in Gegenüberstellung zu den U-förmigen Schenkeln des Statorkerns 18 sind dann die Permanentmagneten 27a, 27b angeordnet.
[0055] Diese Situation ist nochmals in Fig. 7 in perspektivischer Seitenansicht dargestellt, wobei hier für die Nut 26 die gleichen Ausführungen bezüglich der Höhe 17 wie bei den anderen Ausführungsformen gelten.
[0056] In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die im Wesentlichen aus einer Kombination der Ausführungsformen in Fig.
3 und 6 entspricht.
[0057] Dort ist erkennbar, dass der Permanentmagnet 27 selbst eine Nut 26 aufweist, durch welche der Trägerring 24 sich erstreckt und somit die gesamte Halterung nur durch die Nut 26 im Permanentmagneten 27 für den Rückschlusskern 25 erfolgt.
[0058] Die Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem am Umfang verteilt Rückschlusskerne vorgesehen sind, von denen lediglich zwei Rückschlusskerne 28a, 28b beispielhaft dargestellt sind. Zwischen jedem Rückschlusskern 28 ist ein Abstand 29 vorgesehen, der durch jeweils einen Permanentmagneten 30 ausgefüllt ist.
Auf diese Weise ist am Umfang eine abwechselnde Reihenfolge eines Rückschlusskerns 28a, eines Permanentmagneten 39, eines Rückschlusskerns 28b, eines weiteren Permanentmagneten, usw. vorgesehen.
[0059] Bei diesem Ausführungsbeispiel ist wesentlich, dass die Permanentmagnete 30 - im Vergleich zu den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen - etwa hochkant angeordnet sind.
[0060] Dieses Beispiel soll nur zeigen, dass auch bei einer derartigen Rotorkonstruktion erfindungsgemäss vorgesehen ist, dass Trägerringe 19 vorhanden sind, welche die jeweiligen Rückschlusskerne 28 tragen.
[0061] Hierbei sind in der Nähe der Stirnseiten der Rückschlusskerne 28 jeweils einander gegenüberliegende Nuten 31 vorgesehen, die jeweils von einem Trägerring 19 durchgriffen sind.
[0062] Auch hier gelten bezüglich der Nut 31, welche die jeweiligen Rückschlusskerne 28 durchgreift,
die gleichen Darlegungen, wie sie anhand der Höhe 17 bezüglich der Ausnehmung 15 und der Nut 23 gemacht wurden.
[0063] Wesentlich bei allen Ausführungsformen ist, dass also ein in Umfangsrichtung geschlossenes Tragelement in Form eines Trägerrings vorhanden ist, welches nun in der Lage ist, die verteilt am Umfang angeordneten, axial sich erstreckenden Rückschlusskerne zu tragen und gegen radial einwärts gerichtete Kräfte abzustützen.
[0064] Damit ist es erstmals möglich, stückweise vorhandene Rückschlusskerne zu verwenden, welche gegenüber einer Konstruktion mit ringförmigen Rückschlussblechen eine wesentliche Minimierung der vorhandenen Streupfade ergeben.
Zeichnungslegende
[0065]
1 : Rotor
2 : Welle
3 : Drehachse
4 : Lager
5 : Rotormantel
6 : Rückschlusskern (Rotor a, b,
7 : Trägerring a, b, c, d
8 : Luftspalt
9 : Permanentmagnet a, b, c
10 : Stator
11 :
Statorkern
12 : Wicklung
13 : Wicklung
14 : Wicklung
15 : Ausnehmung
16 : Pfeilrichtung
17 : Höhe der Ausnehmung 15
18 : Statorkern a, b, c
19 : Trägering a, b
20 : Rückschlusskern
21 : Permanentmagnet a - f
22 : Ausnehmung
23 : Nut
24 : Trägerring
25 : Rückschlusskern
26 : Nut
27 : Permanentmagnet a, b
28 : Rückschlusskern 28a, b
29 : Abstand
30 : Permanentmagnet
31 : Nut
The invention relates to a permanent-magnet synchronous machine according to the transverse flux principle and in particular a special construction of the rotor in external rotor construction.
The invention relates to engines for general drive purposes, in particular, a rotor diameter in the range 40 mm to 400 mm to be used. However, the invention is not limited to these quantities; they are only given as an example for the drive task specified here.
Transverse flux machines are distinguished from other motors by a high torque density and moderate short-circuit currents. This makes them ideal for direct drives in wheel hub applications and are therefore built with advantage as external rotor machines.
Technologically, this construction is advantageous because the point of application of force is located further outside than in an equal internal rotor design.
However, since the magnetic flux in transverse flux machines is guided substantially axially to the air gap, there is the problem that the rotor can not, as in conventional machines, made of annular round sheets.
It is known to return the axial magnetic flux in the stator (also used in DE 196 14 862), which round plates can be used in the rotor, which lead with a suitable external support to a per se stable structure of the active part of the rotor.
However, this results in an active part geometry with considerable scattering threads, which completely negates the advantages of the transverse flux technology.
The technology described here therefore relies on an approximately axial flux guidance in the rotor. The basic principle of such an arrangement has already been described by H.
Weh (etzArchiv Bd.10 (1988) pp. 143-149) is generally described and illustrated by the active part of an internal rotor machine; a mechanical construction, which allows to build this machine, however, is not mentioned there.
By the inventive machine, this principle is realized for the first time in a meaningful producible form:
The active part of the stator consists of juxtaposed phases, each of which consists of an annular coil which is inserted into a groove which is formed by p basically equidistantly distributed on the circumference U-shaped soft iron body. These U-cores face the rotor 2p I-shaped soft iron parts, which are provided with alternating polarized permanent magnets that excite an alternating flux in the U-cores.
This can be achieved either with axially parallel plates, in each case per phase complementary polarized flat permanent magnets or by a skew of rotor and / or stator plate to a pole pitch. The latter arrangement is mandatory when used between the rotor yokes permanent magnets are used.
Since the relative position of the permanently excited field in the air gap to the teeth of each phase enclosing winding determines the phase position of the induced voltage of the corresponding phase, must in a multi-phase machine, the average angular position of the rotor magnet or the position of the stator teeth or both accordingly be offset
which can be achieved by a corresponding skew of the rotor or stator laminations or by appropriate offset of the U cores or the I cores or by a combination of these approaches.
Basically, machines with any number of phases can be realized in this way; Two-phase and three-phase arrangements are particularly relevant. Preferably, an annular coil is used in a groove per phase; but it may also be a phase distributed to a plurality of annular coils in a plurality of grooves and / or a groove with coils of different phases are energized.
In order to obtain a machine with electrically largely symmetrical phases, the phases must be magnetically separated at least at the rotor or at the stator; If one takes asymmetrical phases into account, then this separation can also be ignored.
In the mentioned DE 19 714 895, the rotor laminations are designed as blanks, that is, they are annular plates which are formed layered perpendicular to the axis of rotation.
Disadvantage of this solution, however, is that, according to the above description, form considerable scattering paths, which significantly reduce the maximum achievable torque of the engine.
The invention is therefore based on the object to design a transverse flux machine so that a stable construction is achieved and at the same time scattering paths are substantially minimized,
so that a much higher torque can be generated per volume.
To solve the problem, the invention is characterized by the technical teaching of claim 1.
An essential feature of the invention is that distributed on the inner circumference of a substantially bell-shaped rotor shell on the principle uniformly around the circumference, but not necessarily exactly equidistant, arranged in basically axial direction cores are arranged on the inner circumference permanent magnets are arranged, and that the return cores, seen radially inwardly, are supported by one or more circumferential carrier rings spaced apart in the axial direction.
The solution shown here shows a rotor construction, which receives its basic strength through a tubular construction outside the active part,
in which the rod-shaped conclusions of soft iron material are based on additional rings, which in particular accommodate the radially inwardly directed force component.
These carrier rings can run outside of the magnetic circuit of the phases (with magnetically separated phases, as in Fig. 1 to 3 or with magnetically connected phases, as in Fig. 4 and 5). Alternatively, carrier rings of electrically poorly conductive material may be mounted within the magnetic circuit (Figures 6 to 8). The radial fixation of the soft iron parts can be realized by a variety of methods, such as gluing, potting, injection molding and possibly also by prefabricated form-fitting spacers.
As the material for the carrier rings used here, a magnetically nonconducting material is preferably used, e.g.
Aluminum, aluminum alloys, brass and other non-ferrous alloys as well as ceramics and ceramic composites.
In some applications, the carrier ring may also consist of iron material. Overall, the support ring may consist of a solid material or of laminated layered materials from the material selection above.
According to the invention, the scattering paths are now minimized by this particular concept that it is now possible for the first time to use aligned in the axial direction individual and separate nucleation cores, which are arranged in the rotor bell and are supported by the inventive carrier rings.
In this case, there are various embodiments for the support structure according to the invention, all of which are intended to be encompassed by the inventive idea of the present invention.
In a first, preferred embodiment it is provided that distributed in the axial direction a plurality, along the circumference of the rotor bell running and self-contained carrier rings are present, wherein the carrier rings carry said cores and the return cores in turn carry the permanent magnets on the bottom ,
Here, the cores are piecewise present in the axial direction, d.
h., They form between seen in the axial direction interruptions, in the region of the respective carrier ring is arranged.
In this construction, therefore, in each case a return core at its front and rear sides (seen in the axial direction) is supported by a respective carrier ring.
In another, modified embodiment, however, it is provided that the return cores extend substantially over the entire axial length of the rotor and in this case have corresponding grooves in which the carrier rings are arranged and thereby the return cores are supported.
In a modified embodiment, it may be provided that the radial extent of the groove is minimized in the respective return core for receiving the carrier ring,
so that only the underside of the respective return core is seated on the radially outer surface of the carrier ring.
In another embodiment, it may also be provided that the recess for the support of the carrier ring is also arranged in a groove of the permanent magnet itself.
In a further embodiment of the invention, the support ring is arranged above the stator winding and that in a gap between two in the axial direction continuing permanent magnet, in turn, the support ring can be arranged either in a groove of the return core and the height of this groove in radial direction can also get the value 0.
In a modification of this embodiment, it may be provided that the groove for receiving the carrier ring is not arranged in the return core,
but in the arranged at the bottom of the return core permanent magnet.
In a further embodiment, it is provided that a plurality of rotor teeth distributed evenly distributed on the inner circumference of the rotor bell in principle. Between the rotor cores, the permanent magnets are mounted in the radial direction. In principle, these permanent magnets are in contrast to the aforementioned embodiments, so to speak upright oriented, and also in this construction, the rotor teeth are carried with the intermediate permanent magnets by corresponding inventive carrier rings.
In the following, the invention will be explained in more detail with reference to several execution paths representing drawings.
Here are the drawings and their description further features and advantages of the invention.
In the drawings:
<Tb> FIG. 1: <sep> a longitudinal section through a transverse flux machine with representation of the upper half;
<Tb> FIG. 2: <sep> perspective side view into the position of a return core in the rotor with its holder;
<Tb> FIG. 3: <sep> a comparison with FIG 2 modified embodiment;
<Tb> FIG. 4: <sep> a second embodiment with representation of a longitudinal section through the upper half of a transverse flux machine with a through-going in the axial direction of the return core;
<Tb> FIG. 5: <sep> the embodiment of Figure 4 showing the holder of a single return core.
<Tb> FIG. 6: <sep> an embodiment with respect to FIG. 4 modified with a centrally arranged carrier ring, which is arranged directly opposite the stator-side winding;
Fig. 7: <sep> is the perspective view of the embodiment of FIG. 6;
<Tb> FIG. 8: <sep> is a modification shown with respect to FIG. 7;
<Tb> FIG. 9: <sep> another embodiment of a transversal flux machine with permanent magnets between the inferences.
In Fig. 1, a half-section of a transverse flux machine is generally shown, wherein an external rotor 1 is rotatably connected to a shaft 2 which can rotate about a rotation axis 3.
There are one or more bearings 4 for the pivot bearing of the bell-shaped rotor 1, which forms a rotor shell 5 in the longitudinal direction.
According to the invention are now on the inner circumference of the rotor shell 5 in the axial direction piecewise one behind the other traction cores 6a, b, c arranged, wherein in Fig. 2, the holder of a single return core is shown.
Each return core 6 consists essentially of a magnetically conductive material, which may be a laminated sheet material or a solid material.
It is now important that each return core 6a-6c frontally each have a recess 15 which is penetrated by a, circumferential in the circumferential direction and self-contained, carrier ring 7.
In the exemplary embodiment according to FIG. 1, a total of four such carrier rings 7a-7b are arranged in the axial direction at a mutual distance from one another.
On the underside of the respective yoke core 6 in each case a permanent magnet 9a, 9b, 9c is arranged, which is connected in a manner not shown with return core 6.
Preferably, the entire assembly is cast, so it will be the return cores 6, the associated and these supporting carrier rings 7 and the permanent magnets 9 enclosed in a plastic material.
Instead of pouring it can also be provided that the support rings 7 in their recesses 15, in the region of the return cores 6, glued, welded, soldered,
mechanically clipped or otherwise positively connected with this part.
In a conventional manner, an air gap 8 is formed between the stator 10 and the rotating rotor 1.
The stator consists in the embodiment shown of a stator core 11, seen on the axial length of a total of three windings 12, 13, 14 are present.
Of course, more or less than three such windings 12-14 may be provided.
The windings 12-14 are each traversed by alternating currents of different phase position in the motor operation.
It is important in the embodiment of FIGS. 1 and 2, that now very high forces during operation of the engine on the return cores. 6
Are applied in the direction of arrow 16, which act radially inwardly, and here these cores 6 are supported by the inventive carrier rings 7a-7d.
The height 17 of the recesses 15, in which the carrier rings 7 are, is variable.
This height 17 can go to the vicinity of the outer periphery of the return core 6; However, the height 17 can also be the value 0, in this case would - according to the embodiment of FIG. 1 - the support ring rest directly on the underside of the return core 6.
In the FIGS.
4 and 5, another embodiment is shown, where it can be seen that in the axial direction piecewise successively arranged return cores 6 are present, but there is in each case a single, continuous in the axial direction of the return core 20, wherein such cores 20 in principle evenly, but not necessarily equidistant, distributed over the circumference are arranged in the axial direction and are carried with the inventive carrier rings 19a, 19b.
In the return cores 20 here circumferential grooves 23 are incorporated in the circumferential direction, in which the carrier rings 19a, 19b are added.
In the exemplary embodiment according to FIG. 4, the carrier rings protrude with their lower edge over the lower edge of the respective return core 20 and are arranged approximately flush with the lower edge of the permanent magnets 21a-21f arranged thereunder. This is a preferred embodiment.
However, the invention is not limited thereto.
Again, the same applies as with respect to the height 17 of the recess 15 said that namely the height of the groove 23 (corresponding to the height 17 in Fig. 1) is variable, so that even in this embodiment, the groove 23 can be completely eliminated and the support rings 19 then rest with their radially outer surface on the underside of the return cores 20.
The permanent magnets 21a-21f each form between them recesses 22, which opposite the respective winding 12-14 is arranged in the stator 10.
The stator is in this case formed on a series of axially successively arranged, U-shaped stator cores 18-18c, wherein each U-leg of the respective stator core 18a-18c an associated permanent magnet 21a-21b is associated.
FIG.
5 again shows the illustration in FIG. 4 in a perspective side view, where it is also shown that the height 17 of the groove 23 can vary, so that therefore the groove 23 can be dispensed with and the surface of the carrier rings 19 then directly on the underside of the back edge 20 rests.
6 and 7 show a comparison with FIGS. 1 to 5 modified embodiment, which is characterized by a construction with centrally above the windings 12-14 arranged carrier rings 24.
There, the stator 10 is shown only with a single U-shaped stator core 18, which carries a winding 12 - 14.
However, such an arrangement can also be continued in the axial direction, according to FIGS. 1 to 4, multiplied.
There it is essential that the support ring 24 is arranged centrally in the return core 25 in the region of a groove 26 and the centrally opposite the stator winding 12-14 is arranged.
Side outside, in juxtaposition to the U-shaped legs of the stator core 18, the permanent magnets 27a, 27b are then arranged.
This situation is again shown in Fig. 7 in a perspective side view, in which case the same statements apply to the groove 26 with respect to the height 17 as in the other embodiments.
FIG. 8 shows a further embodiment, which essentially consists of a combination of the embodiments in FIG.
3 and 6 corresponds.
There it can be seen that the permanent magnet 27 itself has a groove 26 through which the support ring 24 extends and thus the entire holder is effected only by the groove 26 in the permanent magnet 27 for the return core 25.
9 shows a further embodiment in which distributed around the circumference return cores are provided, of which only two return cores 28a, 28b are shown by way of example. Between each return core 28, a distance 29 is provided, which is filled by a respective permanent magnet 30.
In this way, an alternating sequence of a return core 28a, a permanent magnet 39, a return core 28b, another permanent magnet, etc. is provided on the circumference.
In this embodiment, it is essential that the permanent magnets 30 - are arranged approximately upright in comparison to the previously described embodiments.
This example is only intended to show that according to the invention is also provided in such a rotor construction that support rings 19 are present, which carry the respective return cores 28.
Here, in each case opposite grooves 31 are provided in the vicinity of the end faces of the return cores 28, which are each penetrated by a support ring 19.
Again, with respect to the groove 31, which passes through the respective short-circuit cores 28,
the same explanations as they were made on the basis of the height 17 with respect to the recess 15 and the groove 23.
It is essential in all embodiments, that is so that a circumferentially closed support member in the form of a carrier ring is present, which is now able to distributed around the circumference, axially extending return cores to wear and support against radially inwardly directed forces.
This makes it possible for the first time to use piecemoving cores which, compared with a construction with annular return plates, result in a substantial minimization of the existing scattering paths.
drawing Legend
[0065]
1: rotor
2: wave
3: rotation axis
4: bearings
5: rotor shell
6: Inference core (rotor a, b,
7: Carrier ring a, b, c, d
8: air gap
9: Permanent magnet a, b, c
10: stator
11:
stator core
12: winding
13: winding
14: winding
15: recess
16: arrow direction
17: Height of the recess 15
18: stator core a, b, c
19: Carrier a, b
20: Inference core
21: Permanent magnet a - f
22: recess
23: groove
24: carrier ring
25: Inference core
26: groove
27: Permanent magnet a, b
28: Inference core 28a, b
29: distance
30: permanent magnet
31: groove