DE4314513C2 - Transversalflußmaschine mit kombinierter Permanentmagnet-Erregung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (Transversalflußmaschine) gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 (EP 02 01 021 A2).

Transversalflußmaschinen mit zur Welle koaxialen Ringwicklungen und kleiner Polteilung ge­ hören zur Gruppe der Drehstrommaschinen, die aus induktiv nicht gekoppelten einsträngigen Maschineneinheiten kombiniert sind. Durch die Möglichkeit der Polteilungsoptimierung errei­ chen sie mit verhältnismäßig kleinen Wicklungsdurchflutungen hohe Kraftdichten. Letztere sind z. B. ausdrückbar in auf die Rotoroberfläche bezogener Umfangskraft oder in Drehmoment je Volumeneinheit oder in Kraft je Einheit der aktiven Masse. Ganz besonders bei Antrieben für mobile Anwendungen sind die erzielbaren Kraftdichten von Bedeutung. Nur bei Kraft­ dichten oberhalb von etwa dem Zehnfachen dessen, was herkömmliche Antriebe erreichen, lassen sich direkte Radantriebe (ohne Getriebe) mit den Anwendungsbedingungen vereinbaren. Für die zu erzielenden großen Umfangskräfte spielt der Aufbau der magnetischen Kreise und dabei die Anordnung der Permanentmagnete eine besonders wichtige Rolle. Die in vorausge­ henden Veröffentlichungen beschriebenen Konfigurationen weisen besonders die Sammler­ anordnung der Erregermagnete als für Betriebsverhalten und Kraftdichtebildung günstig aus (DE 37 05 089 A1). Dieses Erregerkonzept ist grundsätzlich geeignet, in unterschiedliche Stator/Rotorkonfigurationen bzw. Maschinenbauformen umgesetzt zu werden (z. B. die ältere DE 43 00 440 A1).

Werden wie im Anwendungsbeispiel von mobilen Direktantrieben allerhöchste Kraftdichte­ forderungen gestellt, sind über die bekannten Ausführungsformen hinaus weitergehende Opti­ mierungsschritte für die magnetischen Kreise erforderlich.

Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, durch Verbesserung der Magnetfelderregung mit Hilfe von Permanentmagneten im Rotor von Transversalflußmaschinen erhöhte Kraftdichten zu erreichen.

Aus der EP 0 201 021 A2 ist eine elektrische Maschine (Transversalflußmaschine) bekannt, deren Stator vier Wicklungsstränge in Form von koaxial zur Maschinenachse angeordneten, ringförmigen Spulen und in Umfangsrichtung angeordnete Folgen von Weicheisenelementen, die gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 gruppiert sind, bekannt. Der wicklungslose Rotor dieser elektrischen Maschine besteht aus zwei, den einzelnen Wicklungssträngen zugeordneten Teilrotoren, auf denen in zwei Reihen Permanentmagnete mit alternierender Polarität und der halben Polteilung der Weicheisenelemente im Stator befestigt sind. Im Unterschied zum Erfindungsgegenstand bestehen die Teilrotore jeweils aus einer ringförmigen Scheibe aus permanentmagnetischem Material wie z. B. Samarium-Kobalt, wobei die alternierende Polarität der einzelnen Permanentmagnete durch entsprechende Magnetisierung der Scheibe hergestellt wird. Ein flußführender Weicheisenträger ist nicht vorgesehen, dadurch ist die erzielbare Kraftdichte begrenzt.

Aus der CH 663 300 AS und der US 4 330 727 sind jeweils gattungsgemäße elektrische Maschinen bekannt, bei denen die Magnetdicke der Permanentmagnete der Rotore im Verhältnis zur Polteilung nicht größer als 25-30% der Polteilung ist. Auch bei diesen Maschinen bestehen die Rotore aus Scheiben aus permanentmagnetischem Material, ein scheibenförmiger, flußführender Weicheisenträger ist nicht vorhanden.

Die Verwendung von flußführenden Weicheisenteilen im Rotor einer Transversalflußmaschine ist für sich z. B. aus der DE 37 05 089 A1 oder der DE 41 38 014 C1 bekannt. Allerdings sind dort die Weicheisenteile jeweils so zwischen zwei Permanentmagneten alternierender Polarität angeordnet, daß die einzelnen Weicheisenelemente untereinander nicht in Verbindung stehen.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand der Fig. 1-9 erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a Schnittbild Transversalflußmaschine mit Permanentmagneten in flacher Anordnung.

Fig. 1b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 1a.

Fig. 2a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit Flachmagneten als Erreger­ magnete auf einem Weicheisenträger zweiseitig aufgebracht.

Fig. 2b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 2a.

Fig. 3a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit kombiniertem Erreger bestehend aus Flachmagneten und Sammler.

Fig. 3b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 3a.

Fig. 4a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit kombiniertem Erreger und Schräg-Sammler.

Fig. 4b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 4a.

Fig. 5a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit Außenläufer-Magnetanordnung in kombinierter Magnetausführung.

Fig. 5b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 5a.

Fig. 6a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit kombinierter zweiseitiger Erre­ geranordnung und unsymmetrisch ausgeführter Statoranordnung.

Fig. 6b Darstellung einer Maschinenseite im Querschnitt zu Fig. 6a.

Fig. 7a Schnittbild einer Transversalflußmaschine mit kombinierter Erregeranordnung und Außenläufer-Bauform.

Fig. 7b Darstellung der Außenläuferanordnung in halbseitigem Querschnitt, Ausführung mit vier Spaltbereichen.

Fig. 8 Darstellung eines halbseitigen Maschinenquerschnitts mit vier Spaltbereichen und vier Flachmagnet-Anordnungen zusätzlich zu den Sammlermagneten.

Fig. 9 Kraftdichte-Kennlinien in Abhängigkeit von der Nutdurchflutung für drei Maschinenvarianten in Flachmagnet-Erregung F, Sammleranordnung S und kombinierter SF-Erregung.

Die Erzeugung der Vortriebskraft bei einem Transversalflußmotor mit Permanenterregung wird durch die Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten und dem vom Strom der Ringwicklung erzeugten magnetischen Feld hervorgerufen. Die Optimierung der Kraftdichte kann, wie erwähnt, durch Polteilungsanpassung (Verkleinerung) einen im Vergleich zu Maschinen mit herkömmlichem Magnetkreis (in longitudinaler Anordnung) mehrfach höheren Wert erreichen, ohne daß dabei besonders hohe Wicklungsdurchflutungen und damit Probleme der Wärmeabfuhr in Kauf zu nehmen sind.

Die Begrenzung der grundsätzlich erzielbaren Kraftdichte erfolgt über das Feld/Strom-Verhal­ ten des magnetischen Kreises. Mit zunehmender Amplitude des Wicklungsstroms im Magnet­ kreis entstehen Flußdichte-Höchstwerte, die magnetische Spannungsabfälle im Weicheisen­ bereich bedingen und mit zunehmendem Strom nur noch geringfügige Kraftsteigerungen zu lassen. Diese Begrenzung (Sättigung) soll zur Erzielung höchstmöglicher Kraftdichten nicht durch größere Querschnitte (größere Abmessungen der Maschine), sondern durch eine optimierte Abstimmung der krafterzeugenden Effekte im günstigen Sinne beeinflußt werden. In diesem Sinne spielen die Permanentmagnete und ihre räumliche Anordnung eine wichtige Rolle.

Unter den Polen der Magnetkreis-Elemente des Stators wirkt auf die Grenzflächen der Permanentmagnete eine dem Produkt aus den in den Permanentmagneten eingeprägten Strömen und der durch die Ankerdurchflutung erzeugten Magnetfelddichte proportionale Kraft. Fig. 1a stellt eine linearisierte Ansicht der in Umfangsrichtung vorgesehenen Folge von Polelementen PE und PE′ sowie der Erregeranordnung mit flach an den Luftspalt angrenzen­ den Magneten PM alternierender Polarität dar. Die von den Ankerströmen I_a erzeugte Feld­ dichte B_a wirkt kraftbildend mit den Feldern der Magnete. Alle Polkräfte haben gleiche Richtung. In Fig. 1b ist dargestellt, daß die Polelemente PE und PE′ sowie die Wicklungsquer­ schnitte für die Ströme I_a und I_a′ symmetrisch zur Mittelebene der Läuferanordnung ausgeführt sind. Die Permanentmagnete PM und PM⁺ weisen im gleichen Querschnitt entgegengesetzte Polarität auf.

Für die Optimierung der Kraftdichte ist weiter zu bedenken, daß für die Erzeugung von B_a durch die Ströme I_a die Luftspalte δ und die Höhe der Permanentmagnete h_M mit geringer ma­ gnetischer Leitfähigkeit zu überwinden sind. Behält man den Gesamtaufwand als Folge großer Wicklungsdurchflutungen im Auge, so muß hingenommen werden, daß eine Vergrößerung der Magnethöhe h_M zur Steigerung der Polkraft oberhalb von Magnethöhen von 8-10 mm bei Polteilungen von 10-15 mm eine Grenze findet. Diese Grenze wird neben der Magnetkreis­ belastung durch kraftbildende und nichtkraftbildende Feldkomponenten gesetzt. Darüber hin­ aus treten bei starkem Ankerfeld und weitgehender Entmagnetisierung der Permanentmagnete in Teilbereichen Stabilitätsprobleme auf. Bei den heute hauptsächlich in Betracht kommenden NdFeB-Magnete ist dieser Effekt abhängig von der Betriebstemperatur. Die Entmagnetisie­ rungsgrenze liegt für Betriebstemperaturen um 100°C bei etwa 0,3 T. Für die erlaubte Maxi­ malinduktion B_a bleibt somit ein zulässiger Restbetrag von etwa 0,6 T, wenn die Erregerinduktion auf etwa 0,9 T veranschlagt wird.

Weiter ist zu berücksichtigen, daß bei zunehmenden Magnethöhen sich der Anteil einer rück­ treibenden Kraftkomponente, die in der Lücke der Polelemente erzeugt wird, vergrößert. Letz­ tere ist im Vergleich zu der unter Polmitte erzeugten Nutzkomponente relativ umso größer, je höher h_M gewählt wird.

In Fig. 9 ist die Kraft/Stromkennlinie F1 für die vorstehend beschriebene Flachmagnet­ anordnung als mittlere Kraftdichte in Abhängigkeit von der Wicklungsdurchflutung aufgetra­ gen. F_Ax ist auf die Rotoroberfläche bezogen und stellt damit die (gemittelte) Polkraft einer Luftspaltanordnung dar; der Strom wurde dabei rechteckförmig angenommen.

Eine Steigerung der kraftbildenden Wirkung bei gleichem Strom ergibt sich durch eine Verbreiterung der Erregeranordnung im Bezug zur Breite der Polelemente, also durch b_im < b_i. Die Kennlinie F2 stellt diesen Einfluß dar.

Unter Beachtung der bei rotierenden Maschinen auftreten Zentrifugalkräfte ist die in Fig. 2a und 2b dargestellte erfindungsgemäße Erregeranordnung sehr zweckmäßig (F-Anordnung). Die Magnete sind gegenüber Fig. 1 in der Mittelebene geteilt auf einem weichmagnetischen Träger, dem Rotorkörper RE zweiseitig aufgesetzt und verklebt sowie evtl. seitlich gehalten. Mit dem als Scheibe ausgebildeten Rotorkörper sind die beschriebenen Rotorteile durch eine axiale Verspannung über nicht magnetische Ringelemente verbunden. Die Fliehkraftwirkungen lassen sich somit auf die Rotorscheibe übertragen. Die Magnetanordnung nach Fig. 2 führt hinsichtlich der Umfangskräfte zu genau demselben Effekt wie die Anordnung nach Fig. 1. In Fig. 2 wurde allerdings zusätzlich zur Aufteilung der Magnete in zwei Schichten eine Einbet­ tung in eine gezahnt ausgeführte Rotorform mit den Zähnen RZ vorgesehen. Die Abmessungen von RZ in Bewegungsrichtung sind verhältnismäßig gering, sie liegen bei den genannten Poltei­ lungen im Bereich von 1,5-2 mm. Die Kennlinie F3 zeigt die für die Kraftbildung überwie­ gend positive Wirkung der gezahnten Oberfläche von RE. Durch Verbesserung der magnetischen Leitfähigkeit erfährt B_a unter den Polen eine Vergrößerung (bei gleichem Strom). Die Kraftdichteerhöhung liegt zwischen 5 und 15%. Bei starker Sättigung erlischt der Steigerungseffekt. Als zweckmäßige Magnetdicke ergibt sich etwa 4 mm bei einer Polteilung zwischen 10 und 15 mm.

Die Sammleranordnung der Permanentmagnete (S-Anordnung) bringt durch die radiale An­ ordnung der Magnete, wie in der Literatur beschrieben, eine vorteilhafte Steigerung der Kraft­ kennlie, z. B. S1 in Fig. 9. Die Erhöhung folgt aus der Verbesserung der magnetischen Leitfähigkeit des Erregerbereichs in Folge der 90°-Drehung der Magnete. Ba kann mit einer kleineren Durchflutung der Wicklung erzeugt werden. Die Magnetdicke der Sammlermagnete liegt bei 4 bis 6 mm. Da größeren Kraftdichten auch größere Magnetfeldkomponenten im Luftspalt und Eisenbereich entsprechen, tritt die Kraftdichtebegrenzung durch Sättigung wie gezeigt durch eine starke Krümmung der Kennlinie in Erscheinung. Die Kennlinie S2 deutet an, daß Sammleranordnungen im Vergleich zu Flachmagnetanordnungen durch Kraftabsenkung stärker auf Luftspaltvergrößerungen reagieren.

Geringerer Einfluß der Luftspaltgröße und eine im Prinzip günstige, d. h. weniger sattigungs­ empfindliche Kraft/Strom-Kennlinie, folgt für eine kombinierte Sammler-Flachmagnet-Erreger­ anordnung (SF-Erregung). Bei ihr sind sowohl die senkrecht stehenden Sammlermagnete der Dicke h_MS als auch dünn ausgeführte Flachmagnete der Dicke h_MF angewendet. Fig. 3a und 3b zeigen die grundsätzliche Anordnung. Die Polarität der Magnete ist aus Fig. 3a zu entnehmen. Sie folgt der Regel, daß die eingeprägten Ströme der Magnete PMF und PMS sich unter den Polelementen PE und PE′ addieren. Aus der damit verbundenen Vergrößerung der Magnet­ durchflutung leitet sich der Effekt der Kraftvergrößerung im Vergleich zur Flachmagnetanord­ nung (bei gleichem Strom) her. Durch die dünneren Flachmagnete (Dicke etwa 2 mm) kann gegenüber der nicht kombinierten F-Anordnung B_a mit geringerem Strom erzeugt werden. Die durch die Magnete PMF erzwungene geringere Sättigungstendenz wirkt sich im Vergleich zur reinen Sammleranordnung günstig aus und läßt höhere Kraftdichte-Maximalwerte zu. Auch bei großen Wicklungsdurchflutungen kann die Neigung der Kraft/Strom-Kennlinie SF1 noch als akzeptabel hingenommen werden. Die Ausführbarkeit von Maschinen hoher Kraftdichte ist aus der Sicht der magnetischen Kreise im Vergleich zu S- und F-Anordnungen beachtlich vergrö­ ßert werden. Durch Vergrößerung der Erregerbreite b_mi im Vergleich zu b_i kann die Steilheit der Kraftkennlinie im begrenztem Umfange weiter verbessert werden, wie die Kennlinie SF2 in Fig. 9 zeigt.

Es kann zusammenfassend festgestellt werden, daß die kombinierte SF-Erregung Vorteile der Sammler- und Flachmagnet-Anordnung in begrenztem Umfange vereinigt. Mit geringfügig vergrößertem Magnetaufwand lassen sich je Luftspalt Kraftdichten von etwa 100 kN/m² errei­ chen. Für die gezeichneten doppelseitig wirkenden Anordnungen werden, auf die Läuferober­ fläche bezogen, dann die doppelten Werte erzielt. Bezogen auf die aktive Masse von Stator und Rotor ergeben sich bei einer Kraftdichte von z. B. 90 kN/m² und doppelseitige Feld/Strom-Nutzung massenbezogene Kraftdichten von 0,3 kN/kg. Bezieht man das Drehmoment auf das Gehäusevolumen, so liegen die Werte zwischen 70 und 110 Nm/dm³ von kleineren zu größe­ ren Gehäusedurchmessern zwischen 500-900 mm.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der die Sammlermagnete PMS um eine Polteilung schrägge­ stellt sind. Es lassen sich dabei mit in einer Ebene ausgeführten Statorpolelementen PE Kraft­ kennlinien erreichen, die den Kennlinien SF1 und SF2 entsprechen.

Wie Fig. 5 andeutet, läßt sich auch eine Sammleranordnung in Außenläufer-Bauform zu einer Anordnung mit kombinierter SF-Erregung umbauen. Hierbei sind dem Feldverlauf im Rotor­ element entsprechend Eisenpulverpreßteile EP mit magnetischer Leitfähigkeit in den drei Hauptrichtungen vorgesehen. Die Magnetanordnung im Rotor entspricht der Hälfte der in Fig. 3 beschriebenen Erregeranordnung. Wie die Zeichnungen zeigen, sind die senkrechten Schenkel der Polelemente PE in den Schnitten A und B um eine Polteilung versetzt angeord­ net, was eine Schrägstellung der Jochverbindung erfordert.

Wie in den Fig. 6a und 6b gezeichnet, ist statt der zweiseitig symmetrischen Anordnung der Stator unsymmetrisch mit einer Wicklung (auf der Innenseite) und ungleichen Polelementen PE1, PE2 ausgeführt. Diese Anordnung entspricht zwar in ihrer Grundfunktion der symmetri­ schen Ausführung nach Fig. 3, führt aber zu einer stärkeren Betonung der Streuflußkompo­ nenten in PE1 und somit zu kleineren Kraftdichtewerten im Bereich größerer Ströme. Im Einzelfall ist zu prüfen, ob die Vorteile des größeren mittleren Durchmessers die geringeren Kraftdichtewerte aufwiegen.

Auch für die in der älteren DE 43 00 440 A1 beschriebenen Magnetkreise mit 4 Spalten je Wicklung lassen sich die kombinierten SF-Erregungen zweckmäßig anwenden. Fig. 7a und 7b zeigen ein entsprechendes Beispiel. Die dünnen Flachmagnete PMF sind dabei nur auf dem Innenrand des Rotorzylinders entsprechend Fig. 7b vorgesehen.

Fig. 8 zeigt die Anordnung einer Außenrotorausführung mit kombinierter SF-Erregung, wobei sowohl am Rotorinnenzylinder als auch an den axialen Spaltflächen Flachmagnete PMF ausge­ führt wurden. Auch für doppelseitige (innen- und außenliegende) Läuferanordnungen und an­ dere denkbare Bauformen von Transversalflußmaschinen sind SF-Erregungen sinngemäß anwendbar.

Claims (6)

1. Elektrische Maschine

• - mit mehreren Wicklungssträngen im Stator in Form von koaxial zur Maschinenachse angeordneten, ringförmigen Spulen,
• - mit in Umfangsrichtung angeordneten Folgen von Weicheisenelementen im Stator, wobei die Weicheisenelemente
• - untereinander gleichen Abstand aufweisen,
• - sich quer zu den Wicklungssträngen erstrecken und
• - nutähnliche Ausnehmungen aufweisen, durch die Wicklungsstränge verlaufen
• - sowie mit einem wicklungslosen Rotor mit mehreren, den einzelnen Wicklungs­ strängen zugeordneten Teilrotoren, auf welchen Permanentmagnete mit alternierender Polarität und der halben Polteilung der Weicheisenelemente im Stator befestigt sind, wobei die zu einem Wicklungsstrang und damit zum gleichen magnetischen Kreis gehörigen Magnete in mindestens zwei Reihen angeordnet sind, die sich zur Kraft­ bildung unterstützen,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilrotore jeweils einen scheibenförmigen, flußführenden Weicheisenträger und zwei etwa gleichdicke Magnetschichten auf gegenüberliegenden Flächen des Weicheisenträgers aufweisen, und daß die Dicke der Magnete nicht größer als 25-30% der Polteilung ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den oberen und unteren (inneren und äußeren) Seiten des Weicheisen­ trägers in der halben Teilung der Weicheisenelemente des Stators Permanentmagnete (PMS) angeordnet werden, die in ihrer Dicke kleiner als 40% der Polteilung sind und in ihrer Polarität so gewählt werden, daß sie zu einer Verstärkung der Kraftbildung beitragen.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei ebener Ausführung der Weicheisenelemente des Stators die Permanent­ magnete (PMS) um eine Polteilung schräg gegenüber der senkrechten Lage angeordnet sind.

4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einseitiger Anordnung, insbesondere einer Außenläuferbauform, Flachmagnete (PMF) ebenfalls einseitig zusätzlich zu den Permanentmagneten (PMS) angeordnet werden (Fig. 5a, 5b).

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Seite der Wicklung vier Luftspalte zur Kraftbildung genutzt werden und dabei mindestens an zwei Luftspalten Bereiche der Rotoroberfläche Flachmagnete (PMF) aufweisen, die zusätzlich zu den Permanentmagneten (PMF) eingesetzt werden.