DE10211259A1 - Transversal flux machine with several single run stimulation parts and moving part collectors, has 2 winding parts forming bi-directional magnetic circuit and interacting via air gap - Google Patents

Abstract

The linear or rotary electrical machine has a first part with at least one collector arrangement (PS) with a row of permanent magnets (PM) and ferromagnetic parts, a second part fitted with ferromagnetic parts for flux guidance and with magnetically conductive material accumulations at double the pole separation. Two winding parts (T1,T2) form a bi-directional magnetic circuit in cross-section and interact via the air gap.

Description

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. In DE 101 10 719.6-41 a Transversalflußmaschine has been described in which at the periphery the magnetic circuit in several groups to segments of single-phase dividing machines is summarized and this by poly-substitution and correspondingly phase-shifted alternating currents as a multi-stranded system are operated. The arrangement was not just for rotating but also suitable for linear applications. It enables the execution of a magnetically passive rotor, so that for this machine part a structurally simple Execution results, which is particularly important for linear applications. Hervorzuhebendes Feature was the bidirectional magnetic circuit whose longitudinal direction Coil parts currents of different directions and the same size lead, so that two opposing field vortices come into effect in the associated air gaps. Based on These features have been shown that the Mehrsträngigkeit can be used at the periphery for the reduction of radial and tangential excitation components for body and Airborne sound.

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. A significant reduction in the average power density compared to magnetic circuits with continuous ring winding found by the necessary design measures in Related to the segmented execution does not take place.

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. As has been shown by investigations, the basic idea of the in Longitudinally divided multi-stranded magnetic circuit in bidirectional design as well be further complied with when collector assembly with permanent magnets in the circumferential part of the runner find use. By this construction variant, the structure of the Advantageously simplify coil-supporting machine part, so that applications for linear design are interesting for short routes.

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. It is therefore the object of the invention to provide the structural features of Segmented magnetic circuit in multi-stranded design as well as the bidirectional Cross-section for transverse flux machines with arranged in the rotor collector excitation constructive to be particularly useful.

Diese Aufgabe wird anhand von mehreren Bildern für Ausführungsbeispiele und durch eine eingehende Textbeschreibung ausgeführt. This object is achieved by means of several images for embodiments and by a detailed text description.

Fig. 1 zeigt eine linearisierte Darstellung für den möglichen Aufbau des Magnetkreises mit bidirektionalen Wicklungsteilen (T1, T2) und oben angeordneten Sammlersträngen (PS). Fig. 1 shows a linearized representation of the possible structure of the magnetic circuit with bidirectional winding parts (T1, T2) and collector strands arranged above (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. 2 shows a cross-section of the machine with rotor (L1, L2) and stator (S). The arrangement can be carried out to the center line of the rotor (axially symmetrical) and two-sided.

Fig. 3 zeigt für eine Maschine mit größerem Durchmesser eine radial doppelseitige Magnetkreisvariante mit 4 Sammlern (PS) zur Erhöhung der Kraftwirkung. Fig. 3 shows for a machine with a larger diameter, a radial double-sided magnetic circuit variant with 4 collectors (PS) to increase the force.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen von Anspruch 1. The object is achieved according to the features of claim 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. In order to achieve a functional machine configuration with active rotor, is to Limitation of the material costs for the mass of permanent magnets on the one hand and to the To think about the issues of strength and production. In addition to Rotor design also raises the question of the stator configuration. The latter becomes thereby facilitates that the magnets are displaced in the rotor. Simple execution in the runner requires a level, d. H. as cubic as possible of the permanent magnets and possibly also the ferromagnetic flux-conducting elements. It follows for the at the air gap adjacent stator elements, which are at twice the pole pitch, one offset by one Pole pitch. Flow-guiding stator elements are therefore either cranked in the longitudinal direction or they are composed of two or more planar parts, wherein Flow disturbances and cross-sectional limitations are to be avoided.

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 δ_h 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. 1 shows a linearized view of the fixed and the movable magnetic circuit parts with the two winding conductors T1, T2, the two top side collectors PS (with permanent magnets PM and ferromagnetic parts EL), the stator belonging to the side, toothed laminated cores P1, P2 and The offset between the adjacent to the horizontal gap δ _h teeth Z (of P1, P2) and the end faces of the central packets SL is a magnetic division (pole pitch). In order to enable a low-resistance flow transmission, the packets SL are inserted into corresponding pockets of P1, P2 with low backlash at the upper and lower crossing zone. However, in order to avoid metal contact as far as possible, an adhesive with electrically non-conductive filler material is used.

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 δ_v 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. Fig. 2 shows the connection of the collector PS, each with a non-magnetic cylindrical part of the rotor L1, L2. Due to the outer enclosure of the collector SL, the centrifugal forces generated by the movement are absorbed by the rotor, without the collector elements experiencing high residual stresses. The result is a speed-capable runner. Compared to a purely horizontal air gap arrangement and a continuous horizontal gap, a reduction of the collector and permanent magnet mass is achieved by the subdivided arrangement with a vertical gap δ _v . The rotor part L1 is connected in the example of FIG. 2 with the machine shaft. The latter is z. B. stored in the stator S. The heat loss of the stator is removed either by conduction or by measures such as air or water cooling, while the rotor heat is led away over the moving rotor surface.

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. In Fig. 3, the magnetic circuit is shown together with rotor and stator, wherein compared to Fig. 2, the inner edge of the magnetic circuit is used for the field interaction. There are now four associated with the rotor disks L1, L2 collector parts PS in engagement. The radially symmetrical winding with the parts T1 ', T1 "and T2', T2" is divided into two halves. The arranged in the middle of the winding construction elements K1, K2 can be useful for connecting the laminated cores P1, P2 use with the disk packs SL and at the same time as cooling elements in direct contact with the winding z. For example, use water for a coolant. The plate packs SL guide the magnetic flux radially through the coil plane between upper and lower vertical air gaps. The magnetic circuit elements of the primary part are connected to the structural parts of the stator S. As a result of the doubling of the engagement regions, magnetic circuits according to FIG. 3 are approximately twice as powerful as magnetic circuits according to FIG. 2. The winding throughput is likewise to be doubled.

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 δ_v-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. In order to ensure the speed capability of the internal collectors, holding measures are indicated for the forehead area of the collectors and in the form of bandages. As a construction alternative to the embodiment of the disk packs SL drawn in FIG. 1, reference is made in FIG. 3 to the feature of carrying out the δ _v engagement region by means of a special component PE. Its frequency capability can be achieved either by material pressed from iron powder or by suitable annular lamination. In a production of the sheet metal body from wound strip material, the tooth contour can also be effected by post-processing, whereby the idea of increased strength of the stator structure can be met. In the latter case, the disk packs SL are connected in a large-area cross-sectional transition with the structural element PE.

Bei Anwendung für einen Linearmotor wird das die Wicklung tragende Primärteil als bewegliches Maschinenteil eingesetzt, und die Sammler an der Schiene befestigt. When used for a linear motor, the winding carrying primary is called used moving machine part, and the collector attached to the rail.

Claims (6)

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. 1. Electric machine in rotating or linear design with transverse magnetic circuits
with a first machine part having at least one collector assembly consisting of a series of permanent magnets and ferromagnetic parts,
with a second machine part which is equipped with ferromagnetic parts for flux guidance and has magnetically conductive mass accumulations at twice the pole pitch,
wherein in cross-section two winding parts form a bidirectional magnetic circuit with two equal flows of different directions and interact across the air gap, the second machine part is divided into a plurality of substantially equal units, which lie behind one another in the direction of movement and are arranged in at least two winding strands whose phase shift of the currents correspond to the geometric poly substitute relative to the first machine part. 2. Elektrische Maschine nach obigem Anspruch, wobei der horizontale Luftspalt oberhalb der Wicklungsebene angeordnet ist, sofern nicht mehr als zwei Sammler verwendet werden. 2. Electrical machine according to the above claim, wherein the horizontal air gap is disposed above the winding plane, if not more than two collectors are used. 3. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei je Sammler die Wechselwirkung in mindestens einem horizontalen und einem vertikalen Luftspalt stattfindet, 3. Electrical machine according to the above claims, whereby per collector the interaction in at least one horizontal and one vertical air gap takes place, 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. 4. Electrical machine according to the above claims, wherein the ferromagnetic structure of the second machine part is planar in itself Laminated packets without Flußeinschnürung at the crossing points between the packages and a poly substitute is a pole pitch at the air gaps. 5. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei je Magnetkreis mehr als zwei Sammlereinheiten eingesetzt werden, 5. Electrical machine according to the above claims, wherein more than two collector units are used per magnetic circuit, 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. 6. Electrical machine according to the above claims, wherein a plurality of axially juxtaposed sub-machines on a common Wave work, and thereby by poly-replacement and phase shift of the currents one higher polyphase is achieved.