DE10104234A1 - Transversalflußmaschine, Stator für eine Transversalflußmaschine - Google Patents

Abstract

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.

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transversalflußma­ schine. 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 so­ wohl ein elektrischer Motor als auch ein elektrischer Genera­ tor verstanden.

Ein wesentlicher, den Wirkungsgrad einer elektrischen Trans­ versalflußmaschine 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 Statorblech­ paketen 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 elek­ trische Transversalflußmaschine der oben erläuterten Art, bei der die einzelnen Bleche welche zu den Statorblechpaketen zu­ sammengefügt sind, zumindest abschnittsweise im wesentlichen tangential oder dem Umfang der Statorspule folgend orientiert sind.

Diese Ausgestaltung führt zu weniger erheblich weniger Streu­ verlusten, so daß die Maschine im Betrieb sich weniger er­ wärmt. Dies erlaubt bei vergleichbaren Leistungsdaten einen kompakteren Aufbau. Außerdem kann die Gesamtanordnung stabi­ ler aufgebaut werden, da die Einzelteile eine einfachere Struktur haben. Schließlich ist diese Gestalt im Betrieb zu­ verlässiger 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 Sta­ torbleche benachbarter Statorblechpakete abwechselnd an einem Innen- bzw. einem Außenrohr befestigt sind. Die Mittelab­ schnitte können auch der Krümmung oder Gestalt des Innen- bzw. Außenrohres zumindest teilweise folgend, das heißt ent­ sprechend 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 ver­ breitert. Diese Ausgestaltung in Abhängigkeit von der Gestal­ tung des verbreiterten Abschnitts erlaubt eine weitere nen­ nenswerte Steigerung des Wirkungsgrades der Transversalfluß­ maschine, 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 End­ bereiche 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 ab­ wechselnden Magnetpolen gegenüber, welche an einem Rotorträ­ ger 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 Ab­ wandlungen 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 Erfin­ dung in einem Längsschnitt schematisch veranschaulicht.

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

In Fig. 3 ist die Anordnung der Blechpakete des Stators der Transversalflußmaschine gemäß der Erfindung in einer Drauf­ sicht 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 Transver­ salflußmaschine gemäß der Erfindung in einer schematischen perspektivischen Darstellung veranschaulicht.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

In den Fig. 1 bis 5 ist eine erfindungsgemäße Transversal­ flußmaschine gezeigt mit einem Gehäuse 10, in dem ein Stator 12 und ein Rotor 14 um eine Mittelachse M konzentrisch ange­ ordnet aufgenommen sind. Der Stator 12 hat ein zylindrisches Mittelrohr 16, das von C-förmigen Statorblechpaketen 18a, 18b konzentrisch umgeben ist. Dabei sind jeweils benachbarte Sta­ torblechpakete 18a, 18b abwechselnd mit den freien Enden ih­ rer Schenkel 20a, 20b radial nach innen bzw. nach außen ge­ richtet. Die mit ihren freien Schenkeln 20a radial nach innen orientierten Statorblechpakete 18a sind dabei an der Innen­ wand 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 Au­ ßenwand des Mittelrohrs 16 in gleicher Weise befestigt. Die Statorblechpakete 18a, 18b umgreifen eine ringförmige Sta­ torspule 22 entlang deren Umfang (siehe Fig. 1). Diese ring­ förmige 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 aufeinandergestapel­ ten, an ihren Enden abgewinkelten Statorblechen 24 zusammen­ gefügt (Siehe Fig. 5). Dabei sind die zwischen den jeweiligen Schenkeln eines C-förmig abgewinkelten Statorblechs befindli­ chen Mittelabschnitte 26 im wesentlichen tangential zur Mit­ telachse (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 win­ kelig abstehenden freien Endbereichen 28 an beiden Seiten ge­ genüber dem Mittelabschnitt 26 verbreitert (siehe Fig. 3, 4, 5). Die einzelnen Statorbleche 24 sind bevorzugt aus einem Bandeisenmaterial ausgestanzt (siehe Fig. 4). Der Mittelab­ schnitt 26 hat zwischen zwei strichliert dargestellten Knick­ linien 32 mehrere (im Beispiel vier) Befestigungslöcher 34. Entlang der Knicklinien 32 werden die Statorbleche 24 abge­ winkelt und zu den Blechpaketen 18a, 18b aufeinander gesta­ pelt (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 Mit­ telrohrs 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 schup­ penartig (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 Kunststoffüber­ zug herzustellen. Besonders gut eignet sich hierbei ein Ei­ senpulver, bei dem Eisenpartikel mit etwa 20-150 µm Durch­ messer einen Überzug aus Polyethylen von etwa 2-10 µm ha­ ben. Derartiges Pulver ist zum Beispiel in SAE Technical Pa­ per Series, "P/M Cores for Pulsed DC Ignition Systems", David E. Gay, International Congress & Exposition, Detroit, MI, Fe­ bruary 24-27, 1997 beschrieben. Die darin beschriebenen Ma­ terialien eignen sich zur Ausführung der Erfindung. Es ist jedoch auch möglich, entsprechendes Material von anderen Her­ stellern 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 Mittel­ achse M koaxiale zentrale Welle 38, die mittels zweier Kugel­ lager 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 magneti­ sche Eisen-Rückschlüsse für die Magneten und sind aus Eisen­ bandmaterial spiralförmig aufgewickelt. Jeder dieser Magnet- Ringe 52 ist den entgegengesetzten freien Schenkeln der Sta­ torblechpakete gegenüber angeordnet. Dabei ist zwischen jedem Ring 52 und der zugehörigen Stirnseite der Statorblechpakete 18a, 18b ein Luftspalt L gebildet. Außerdem sind die einzel­ nen Magnete 54, 56 so gestaltet und bemessen, daß jeweils ein Magnet einem freien Schenkel eines Statorblechpaketes gegenü­ bersteht. Die Magnete sind Dauermagnete aus Seltenerden- Magneten (zum Beispiel Co-Sm oder dergl).

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Transversalflußma­ schine werden zunächst an dem Rohr 16 die mit ihren freien Enden nach außen orientierten C-förmigen Statorblechpakete 18b befestigt. Anschließend werden die Statorspule 22 einge­ bracht und die mit ihren freien Enden nach innen orientierten C-förmigen Statorblechpakete 18a radial von außen darüber ge­ schoben. 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 ge­ schoben und daran die mit ihren freien Enden nach innen ori­ entierten 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 Ke­ ramikpartikeln vergossen bzw. verspritzt.

Mittels dieser Erfindung können sehr kompakte, niedrigdrehen­ de 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), elektri­ sche Sitzverstellungen, Drosselklappen, elektische Lenkungs­ antriebe, etc.)

Claims (9)

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) zusam­ mengefügten, C-förmig gebogenen Statorbleche (24) zumindest abschnittsweise im wesentlichen tangential zur Mittelachse (M) der Statorspule (22) oder dem Umfang der Statorspule fol­ gend orientiert sind.

2. Transversalflußmaschine nach Anspruch 1, bei der
die Statorbleche (24) im wesentlichen parallel zur Mit­ telachse (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. Transversalflußmaschine nach Anspruch 2, bei der wenigstens einer der Schenkel (20a, 20b) der Statorblechpa­ kete (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 Sta­ torbleche (24) absteht.

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) verbrei­ tert ist.

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. Transversalflußmaschine nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Ring (52) aus abwechselnden Magnetpolen (54, 56) durch Dauermagnete aus Seltenerden-Magneten gebildet ist.

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 ei­ ne ringförmige Statorspule 22 entlang deren Umfang umgreifen, und wobei
die Statorblechpakete (18a, 18b) aus aufeinandergestapel­ ten, an ihren Enden abgewinkelten Statorblechen (24) zusam­ mengefügt sind, welche zwischen jeweiligen Schenkeln eines C- förmig abgewinkelten Statorblechs befindlichen Mittelab­ schnitte (26) aufweisen, die im wesentlichen tangential zur Mittelachse (M) der Statorspule (22) bzw. zur Statorspule selbst orientiert sind.

8. Stator (12) für eine Transversalflußmaschine nach Anspruch 8, wobei die Schenkel (20a, 20b) der Statorbleche (24) in einem Win­ kel (a) von etwa 60° bis etwa 160° von dem im wesentlichen parallel zur Mittelachse (M) der Statorspule (22) orientier­ ten Mittelabschnitt (26) abstehen.

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) verbrei­ tert ist.