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Die
Erfindung betrifft eine Transversalflußmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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[Stand der Technik]
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Permanentmagneterregte
Synchronmaschinen nach dem Transversalflußkonzept sind allgemein bekannt
und ermöglichen
hohe Kraftdichten bei hohem Wirkungsgrad.
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Eine
Transversalflußmaschine
der eingangs genannten Art ist in der
EP 0 677 914 A1 beschrieben und weist einen
Stator und einen Läufer
sowie magnetische Kreise auf. Der Fluß der magnetischen Kreise verläuft im wesentlichen
quer zur Bewegungsrichtung des Läufers.
Der Stator weist E-förmige
Polelemente auf, bei denen die mittleren Polschenkel gegen die äußeren Polschenkel
um eine Polteilung versetzt angeordnet sind. Die Permanentmagnete
des Läufers
sind im wesentlichen kubisch ausgebildet und liegen mit ihrer Flußrichtung
senkrecht zu den angrenzenden Polflächen der Polelemente, wobei sie
zwischen jeweils zwei Schenkeln der E-förmigen Polelemente umlaufen.
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Aus
der
WO 90/09697 A1 eine
permanentmagneterregte elektrische Maschine mit einem Außenstator
und mindestens einem dazu koaxialen Innenstator beschrieben. Zwischen
diesen läuft
ein Rotor mit zwei im Axialabstand voneinander verlaufenden parallelen
Reihen von Permanentmagneten um. In Umfangs- und Axialrichtung benachbarte
Permanentmagnete weisen verschiedene Polarität auf.
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Zur
industriellen Fertigung einer solchen Maschine sind Außen- und
Innenstator jeweils dreiteilig aus einem Jochring und zwei laminierten
Polringen ausgebildet. Die Polringe tragen radial vorstehende Polzähne, die
in Umlaufrichtung im Abstand von jeweils einer Polteilung angeordnet
sind. Die geblechten und segmentierten Polringe pressen sich in
Radialrichtung an den Jochring an und stützen sich in Achsrichtung an
einen vom Jochring radial vorstehenden Ringsteg ab. Zwischen den
Polringen und dem Ringsteg liegt jeweils ein Wicklungshalbstrang einer
ringförmigen
Polwicklung. Die Wicklungshalbstränge im Außen- und Innenstator bilden
jeweils die Polwicklung.
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Schließlich ist
in der
EP 0 712 199
A1 Transversalflußmaschine
mit einer Anzahl von äußeren Stator-Weicheisenelementen,
mit einer Mehrzahl von inneren Stator-Weicheisenelementen, mit jeweils
einer Ringwicklung des äußeren und
inneren Stators und mit einem Rotor dargestellt, welcher wiederum aus
miteinander abwechselnden Magneten und Weicheisenelementen besteht.
Bei dieser Transversalflußmaschine
verjüngen
sich die Magnete von außen
nach innen, und die Breite der inneren Stator-Weicheisenelemente
ist kleiner als die Breite der äußeren Stator-Weicheisenelemente.
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Allgemein
weisen einseitige Transversalflußmaschinen, bei denen jede
Phase nur eine Ringwicklung besitzt, eine problematische magnetische
Flußführung auf.
In diesen Systemen befinden sich zwischen den beiden Rotorreihen
einer Phase entweder magnetisch inaktives Material oder senkrecht
zu den anderen Magneten zusätzliche
Magnete, die eine Flußtrennung
hervorrufen. Allen Anordnungen gemein ist, daß Weicheisen-Rotorelemente,
die nicht unter einem Statorzahn liegen, keinen magnetischen Rückschluß vorfinden
und deshalb der gesamte magneti sche Kreis unterbrochen ist. Aus
diesem Grund kann man mit derartigen Anordnungen nur Transversalflussmaschinen
mit einer geringeren Leistungsfähigkeit
bauen.
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Bei
anderen bekannten, einseitigen Transversalflussmaschinen sitzt ein
Rückschlusselement zwischen
Statorzähnen.
Nachteilig ist dort allerdings, dass der zur Verfügung stehende
Querschnitt für
das Rückflusseisen
stark begrenzt ist, denn sonst überwiegen
die Streuanteile gegenüber
denjenigen der Nutzanteile des Magnetflusses. Ausserdem führt der geringe
Querschnitt vor allem bei Sammleranordnungen schnell zur Sättigung,
was die Leistungsfähigkeit der
Maschine nochmals herabsetzt.
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Aus
der
DE 195 07 233
A1 ist eine Transversalflussmaschine mit magnetischen Kreisen,
die im Wesentlichen quer (transversal) zur Bewegungsrichtung verlaufen
bekannt. Sie weist in einem Rotor befindliche Erregerteile mit Permanentmagneten
in Sammlerausführung,
einen aus gleichartigen, E-förmigen
Polelementen im Abstand der doppelten Polteilung mit jeweils drei
Schenkeln und einem Verbindungsteil bestehenden Stator auf. Der
Stator soll bevorzugt eine vier- oder zweisträngige, ringförmige Wicklung
aufweisen, die aus in die Aussparungen der Polelemente eingelegte
Teilspulen besteht. Die Anzahl der symmetrisch zur Achse des Rotors
angeordneten Erregerteile entspricht der Anzahl der Teilspulen,
und die Permanentmagnete der Erregerteile sind radial stehend angeordnet
und korrespondieren mit den E-förmigen
Polelementen. Mindestens jeweils ein Schenkel der E-förmigen Polelemente
ist in Axialrichtung symmetrisch geteilt und in Richtung zum Rotor
hin derart geführt,
dass sich die Aussenkanten der aufgespreizten Schenkel der Polelemente
mit denen der benachbarten Polelemente berühren und die verbleibenden
Schenkel in gleicher Ebene liegen. Die Permanentmagnete der Erregerteile
sind in Bezug auf die Rotorachse ungeschrägt ausgerichtet angeordnet.
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Aus
der
DE 43 00 440 C2 ist
eine elektrische Maschine mit mehreren Wicklungssträngen im
Stator in Form von koaxial zur Maschinenachse angeordneten ringförmigen Spulen
bekannt, die im Motorbetrieb über
elektronische Stellelemente gespeist werden. Sie weist in Umfangsrichtung
angeordnete Folgen von Weicheisenelementen im Stator auf, die untereinander
den gleichen Abstand haben, sich quer zu den Wicklungssträngen erstrecken
und nutähnliche Ausnehmungen
aufweisen, durch die Wicklungsstränge verlaufen. Sie hat ferner
einen wicklungslosen Rotor mit mehreren, den einzelnen Wicklungssträngen zugeordneten
Teilrotoren. Die Teilrotoren weisen flussführende Elemente auf, die entweder
in gleicher oder doppelter Anzahl gegenüber dem Stator vorhanden sind.
Mindestens zwei Stator/Rotoreinheiten sind nahe nebeneinander liegend
vorgesehen. Die magnetischen Funktionseinheiten des Rotorkreises
werden auf sich zum gemeinsamen Rotor gehörigen zylindrischen Ansätzen angeordnet,
die aus nichtmagnetischem Material bestehen können. Die Statoreinheiten weisen
auf mindestens 2 Seiten Weicheisenelemente auf, welche die in Bewegungsrichtung
verlaufende Wicklung umschliessen. Die Stator-Weicheisenelemente
entsprechen in ihrer axialen Ausdehnung den Elementen der Rotoranordnung
in deren radialer Höhe.
Die radiale Rotorhöhe ist
nicht wesentlich größer als
die Nutbreite ausgeführt.
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[Aufgabe der Erfindung]
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den Magnetkreis zu optimieren und die Streuverluste
der Permanentmagnete zu minimieren.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das ringförmige Element an
einem oder integral mit einem Tragring des Stators ausgebildet ist.
Der Tragring trägt
die Spule und stabilisiert ein verwendetes Polsystem.
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Durch
die Anordnung der Rückflusselemente kann
ein geschlossener Magnetkreis von Rotorelementen auch dann erzeugt
werden, wenn in der jeweiligen Stellung ein Rückschluss über das Polsystem des Stators
gerade nicht möglich
ist. Die von Permanentmagneten des Rotors erzeugten Magnetkreise
werden somit also entweder über
das Polsystem des Stators oder über
die Rückschlusselemente des
ringförmigen
Elements geschlossen. Insgesamt ergibt sich dadurch eine signifikante
Verringerung der magnetischen Streufelder. Daraus resultiert eine
höhere
Leistung der Maschine.
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Eine
Kühlmöglichkeit
ergibt sich, wenn im Tragring oder in einem Statorgehäuse zumindest
ein Kühlkanal
ausgebildet ist. Bei einer Ausbildung von mehreren Kühlkanälen sowohl
im Statorgehäuse
als auch im Tragring kann die gesamte Statoranordnung auf überaus wirksame
Art und Weise gekühlt
werden.
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Für die Rückschlusselemente
wird vorzugsweise ein geblechtes Eisenteil verwendet.
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Um
die Streuung der magnetischen Felder möglichst gering zu halten, sollten
die entsprechenden Elemente des Rotors und die dazwischen angeordneten
Rückflusselemente
beidseitig des ringförmigen
Elements unmittelbar aneinander angrenzen.
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Gemäß einer
vorzugsweisen Ausführungsform
besteht das ringförmige
Element aus einem Keramikmaterial.
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[Beispiele]
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Eine
besondere Ausführungsform
der Erfindung wird, auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale,
anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen
zeigen
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1 eine
perspektivische Teilschnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Transversalflußmaschine,
bestehend aus einer Statoranordnung mit zwei Statorphasen,
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2 eine
schematische Schnittansicht durch die Statoranordnung der Transversalflußmaschine
gemäß 1,
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3 eine
schematische Schnittansicht entlang Schnittebene A-A aus 2,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Befestigungsringes für die Innenseite
des Rotors,
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5 eine
perspektivische Teilschnittansicht von Tragringen mit jeweils ringförmigem,
in den Rotor hineinragenden Element,
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6a eine
Teilschnittdarstellung der Rotoranordnung der Transversalflußmaschine
gemäß 1 entlang
der Ebene A-A aus 6d,
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6b eine
Teilschnittdarstellung der Rotoranordnung entlang Ebene B-B aus 6d,
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6c eine
Teilschnittdarstellung der Rotoranordnung entlang Ebene D-D aus 6b,
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6d eine
Teilschnittdarstellung der Rotoranordnung entlang Ebene E-E aus 6a und
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12 eine Teilschnittdarstellung der Rotoranordnung
entlang Ebene C-C aus 6b.
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In 1 ist
eine perspektivische Teilschnittansicht einer Statoranordnung 12 eines
Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Transversalflußmaschine 10 dargestellt.
Diese umfaßt
die Statoranordnung 12 und eine koaxial und radial innerhalb
dazu angeordnete – in 1 nicht
dargestellte – Rotoranordnung.
Sowohl die Stator- 12 als auch die Rotoranordnung umfassen
zwei Phasen. Für
jede Phase ist ein eigenes Pol- bzw. Ankersystem mit einer jeweils
zugeordneten Ringspule 36, 46 vorgesehen. Jedes
Polsystem mit Ringspule 36, 46 verläuft ringartig
in Umlaufrichtung sowie axial parallel zueinander.
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Die
gesamte Transversalflußmaschine 10 ist in
einem Gehäuse
angeordnet, welches sich beim vorliegenden Beispiel aus einem ringförmigen äußeren Gehäuseteil 20 und
sich seitlich daran anschließenden
Gehäuseseitenteilen 22', 22'' zusammensetzt. Die aneinander
anliegenden Gehäuseteile
sind miteinander verschraubt. Die äußeren Gehäuseseitenteile 22', 22'' decken die Öffnung des ringförmigen äußeren Gehäuseteils 20 ab.
Mittig in den Gehäuseseitenteilen
ist eine Bohrung zum Austritt einer nicht dargestellten Antriebswelle
vorgesehen.
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Darüber hinaus
ist im vorliegenden Fall eine mittlere Gehäusewand 28 vorgesehen,
welche sich mittig vom ringförmigen äußeren Gehäuseteil 20 nach
innen erstreckt. Die mittlere ringförmige Gehäusewand 28 trennt
vorliegend die zwei Phasen des Stators und umfaßt axial verlaufende Zapfen,
die mit der Pol- bzw. Ankeranordnung einer jeden Phase zur Ausrichtung
und Fixierung in Eingriff gebracht werden. An der äußeren Umfangsfläche der
mittleren Gehäusewand 28 sind
Gewindebohrungen vorgesehen, mittels welcher sich die mittlere Gehäusewand 28 mit
dem ringförmigen äußeren Gehäuseteil 20 fest verbinden
(hier: verschrauben) läßt.
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Jede
Phase der Statoranordnung besteht vorliegend aus einem Polsystem 32', 32'', 34 bzw. 42', 42'', 44, mit U-förmigem Querschnitt,
einer Ringwicklung 36 bzw. 46 und einem zugehörigen Statortragring 24 bzw. 26.
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Die
Polringe 32', 32'' und 42', 42'' weisen
in ihrem radial inneren Bereich äquidistant
voneinander beabstandete Zähne 52 auf,
die durch ebenso äquidistant
beabstandete, etwa halbkreisförmige
Ausnehmungen 54 gebildet sind.
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Über die
Zähne 52 der
Polringe 32', 32'' und 42', 42'' findet
der Magnetfluß zu
den Elementen der Rotoranordnung statt. Insofern hat das vorliegende Polsystem
die gleiche Wirkung, wie eine gleiche Anzahl von entsprechend der
Anzahl der Zähne
eines Polrings voneinander beabstandeten U-förmigen Weicheisenpolelementen.
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Sowohl
die Polringe 32', 32'' und 42', 42'' wie auch
die Poljoche 34 und 44 sind aus einzelnen Blechen
(geblechte Polringe) einfach herzustellen.
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Alternativ
kann das Poljoch auch anders aufgebaut sein, beispielsweise aus
einer Vielzahl von separaten, in Umfangsrichtung des Poljochs angeordneten
Blechstreifen. Mit dieser Maßnahme
lassen sich Wirbelstromverluste im Übergang von den Polringen 32', 32'', 42', 42'' zum
jeweiligen Poljoch 34, 44 minimieren.
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Zur
Verminderung der Wirbelstromverluste beim Übergang von den Poljochen 34, 44 zu
den Polringen 32', 32'' und 42', 42'' bzw.
umgekehrt sind bei dieser Lösung
an den äußeren Bereichen
der Polringe 32', 32'' und 42', 42'' in
Umlaufrichtung sich radial nach innen erstreckende Einkerbungen 50 vorgesehen
(vgl. 4) die eine Art Perforation ergeben.
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In 2 ist
eine Teilschnittansicht der in dem Gehäuse aufgenommenen Statoranordnung
dargestellt, aus der zu erkennen ist, daß beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
die beiden Phasen 1 und 2 um eine Polteilung gegeneinander winkelverdreht
sind. Damit ist ein problemlos steuerbarer Anlauf beim Betrieb der
Transversalflußmaschine 10 sichergestellt.
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Die
Statortragringe 24 und 26 sind in einer perspektivischen
Detailansicht in 5 dargestellt. Deutlich ist
zu erkennen, daß die
im wesentlichen ringförmig
ausgebildeten Statortragringe 24 und 26 entsprechend
der Anordnung der Zähne 52 der
Polringe ausgebildete Ausnehmungen 58 aufweisen, in welche
die Zähne 52 der
Polringe 32', 32'' und 42', 42'' im
zusammengebauten Zustand eingreifen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind sowohl die Ausnehmungen 58 wie auch die eingreifenden Zähne zum
Rotor hin verjüngend
ausgeführt,
so daß eine
extrem paßgenaue
und stabilitätserhöhende Zusammenfügung von
Polsystem und Tragring 24, 26 möglich ist.
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Radial
innerhalb und einstückig
mit den Statortragringen 24 und 26 sind ringförmige Elemente 200 bzw. 202 vorgesehen,
die in Umfangsrichtung beabstandete, sich in Axialrichtung erstreckende Aufnahmen 212 besitzen.
In diesen Aufnahmen 212 sind im zusammenmontierten Zustand
der Transversalflußmaschine 10 Weicheisen-Rückschlußelemente 210 eingefügt (vgl. 1 bis 3 und 6a bis 6e).
Die Funktion der ringförmigen
Elemente 200, 202 bzw. der Weicheisen-Rückschlußelemente 210 wird
später
noch beschrieben.
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Wie
unter anderem aus den 1 und 2 zu erkennen
ist, sind in den Statortragringen 24 und 26 jeweils
drei in Umlaufrichtung ausgebildete Kühlkanäle 25, 27 vorgesehen.
In diesen Kühlkanälen 25, 27 kann
die in der Transversalflußmaschine
entstehende Wärme
sehr schnell und effizient abtransportiert werden.
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Eine
weitere Verbesserung der Kühlleistung ergibt
sich durch zusätzliche
Kühlkanäle 21 im äußeren Gehäuseteil 20 (vgl. 1 und 2).
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In
der Schnittdarstellung gemäß 2 ist
erkennbar, daß die
Gehäuseseitenteile 22' und 22'' jeweils mit dem äußeren Gehäuseteil 20 aber
auch mit den jeweils daran anliegenden Statortragringen 24 bzw. 26 verschraubt
sind. Die Statortragringe 24 und 26 sind wiederum über die
mittlere Gehäusewand 28 miteinander
sowie mit dem äußeren Gehäuseteil 20 verbunden.
Durch diese Anordnung entstehen ringförmige Hohlräume, in denen die jeweiligen
Polsysteme mit den jeweiligen zugeordneten Ringwicklungen 36 und 46 nicht
nur aufgenommen, sondern auch fest zusammengefügt sind.
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Die
Statortragringe 24 und 26 sind zusammen mit den
jeweils zugehörigen
ringförmigen
Elementen 200 bzw. 202 aus einem nichtmagnetischen, keramischen
Material gefertigt. Die in den Ausnehmungen 212 aufgenommenen
Weicheisen-Rückschlußelemente 210 sind
geblecht.
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Eine
zu der Konstruktion des Stators komplementäre Ausführungsform einer Rotoranordnung wird
anhand der 6a bis 6e erläutert. Dabei ist
in diesen Figuren nur die Rotoranordnung einer Phase beschrieben.
Die Rotoranordnung für
eine zweite Phase ist analog aufgebaut und mit der Rotoranordnung
für die
erste Phase verbunden.
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Die
vorliegende Rotoranordnung einer Phase weist zwei Reihen von jeweils
abwechselnd angeordneten Permanentmagneten 102 und Weicheisen-Rotorelementen 100 mit
der durch Pfeile gekennzeichneten Magnetflußausrichtung auf. Diese beiden
ringförmigen
Reihen verlaufen parallel zueinander und sind durch einen Spalt
voneinander beabstandet. In diesen Spalt greift das ringförmige Element 200 des
Stators ein. Dabei sollen die Luftspalte zwischen dem ringförmigen Element 200 einerseits und
den jeweiligen Rotorwänden
andererseits möglichst
gering gehalten werden.
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Die
Reihen von abwechselnd angeordneten Permanentmagneten 102 und
Weicheisen-Rotorelementen 100 sind über Befestigungselemente 116 auf einem
Rotortragring 114 angeordnet.
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An
jedem äußeren Ende
der Befestigungselemente 116 ist stirnseitig jeweils ein äußerer Befestigungsring 112' bzw. 112'' angeschraubt, welcher an dessen
radial äußerem Ende
einen in Axialrichtung nach innen vorstehenden Vorsprung aufweist,
der die Permanentmagnete 102 und Weicheisen-Rotorelemente 100 krallenartig
hält und
sie gegen die Fliehkraft in Richtung des Stators abstützt.
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Auf
der Seite des ringförmigen
Elements 200 werden die Permanentmagnete 102 und
die Weicheisen-Rotorelemente 100 durch zwei innere Befestigungsringe 113' bzw. 113'' gehalten. Ein solcher Befestigungsring
ist in 4 näher
dargestellt. Er besitzt in Umfangsrichtung beabstandete Aufnahmen 115,
in denen die Weicheisen-Rotorelemente 100 aufgenommen sind.
Die Befestigungsringe 113', 113'' sind über Bohrungen 117 an
den Befestigungselementen 116 verschraubt, die wiederum
mit dem Rotortragring 114 fest verbunden sind.
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Anhand
der 6a bis 6e wird
nachfolgend die Wirkungsweise der ringförmigen Befestigungselemente 200, 202 bzw.
der darin aufgenommenen Weicheisen-Rückschlußelemente 210 erläutert. Gemäß 6d kommt
in einer bestimmten Rotorstellung jeweils jedes zweite Weicheisen-Rotorelement 100 gegenüberliegend
einem Zahn 52 aus der Statoranordnung zu liegen. Über diese
Elemente findet ein Magnetfluß zwischen
dem Rotor und den Statorpolsystemen 32', 32'', 34 statt.
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Der
Fluß in
diesem Weicheisenelement wird über
die angrenzenden Permanentmagnete erzeugt. Damit der Arbeitspunkt
der Magnete sich besonders günstig
gestaltet, wird über
die Weicheisen-Rotorelemente 100, die nicht unter einem
Zahn 52 zu liegen kommen, und dem Rückschlußelement 210 ein geschlos sener
Magnetkreis für
alle anliegenden Permanentmagnete erzeugt (vgl. Lage der Rückschlußelemente
in 6e). Vorteilhaft ist bei dieser Konstruktion der
große,
zur Verfügung
stehende Querschnitt für
die Rückschlußelemente 210.
Wären diese
Elemente nicht vorhanden, würde
die Maschine an dieser Stelle stark streuen, der Arbeitspunkt der Magnete
würde sich
verschlechtern und die Maschine könnte weniger Drehmoment erzeugen.
Die mechanische Aufnahme der Rückschlußelemente 210 erfolgt
in den ringförmigen
Elementen 200, 202.
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Insgesamt
ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Transversalflußmaschine
ein wesentlich verbesserter Magnetkreis, da alle Magnete zu jedem Zeitpunkt
einen Rückschluß besitzen
und deren Magnetfeldlinien im Sinne des Konstrukteurs geführt werden
können.
Dadurch nimmt die Streuung in der Maschine stark ab und deren Leistungsfähigkeit steigt.
Ferner ist die Induktivität
der Maschine niedriger als bei herkömmlichen Konstruktionen. Außerdem steht
ein relativ großer
Querschnitt für
den Rückschluß über das
ringförmige
Element zur Verfügung,
so daß es
zu weniger Sättigung
vor allem bei einer Sammleranordnung kommt. Dies führt zu einer Steigerung
der Leistungsfähigkeit
vor allem bei Hochleistungstransversalflußmaschinen.
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Die
Erfindung soll durch das vorliegende Ausführungsbeispiel nicht beschränkt werden.
Es ist durchaus möglich,
eine andere Stator- und Rotoranordnung im Bereich der Erfindung
zu wählen.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert.