DE4400443C1 - Transversalflußmaschine mit Zylinderrotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Energiewandler in transversaler Bauform gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Transversalflußmaschinen, die naturgemäß aus einer größeren Zahl einzelner magnetischer Kreiselemente mit gleichartiger Ausführung bestehen und in Bewegungsrichtung in gleichen Abständen aufeinanderfolgen, ergibt sich für den Aufbau des aktiven Teils zweckmäßig eine segmentierte Anordnung. Die gleichartige Formgebung und Materialwahl erleichtert den Herstellungsvorgang. Die Formgebung dient primär der elektromagnetischen Kraftbildung, hat aber zusätzlich auch den Forderungen einer dehnungs- und schwingungsarmen Kraftübertragung an Gehäuse bzw. Welle zu entsprechen. Für die Gestaltung der Maschine, insbesondere aber von deren Trag- und Gehäusestruktur spielt auch das Einsatzziel eine wichtige Rolle. Die für Transversalflußmaschinen erzielbaren Kraftdichten sind bei den in Scheiben­ bauweise ausgeführten Rotoren normalerweise sehr hoch. Die Anwendung besonders hoher Drehzahlen zwingt jedoch von der scheibenförmigen Ausführung des Rotors abzugehen und Bauformen mit begrenztem Durchmesser heranzuziehen. In anderen Fällen erscheint es darüber hinaus zweckmäßig, die magnetischen Kreise so zu gestalten, daß die im Läufer aufzunehmenden Teile des magnetischen Kreises dort zu geringen Fliehkräften führen, bzw. deren Aufnahme durch Konstruktionsteile erleich­ tern. Herstellungsbedingt ist es zweckmäßig, eine lamellierte Bauform von Stator- und Rotorbauteilen heranzuziehen und die Form so zu wählen, daß eine weitgehend klebungsunabhängige Übertragung der Kräfte auf die dafür vorgesehenen Kon­ struktionsteile erreicht wird. Die lamellierten Bauteile des Magnetkreises sollten dabei aus gleichartigen und eben ausgeführten Komponenten in geometrisch ähnlicher Anordnung, wie z. B. in Weh, H.: Permanenterregte Synchronmaschinen hoher Kraftdichte nach dem Transversalflußkonzept, etz-Archiv Bd. 10, 1988, H. 5, Seiten 143-149, Bild 1 beschrieben, bestehen.

In den vorausgehenden Veröffentlichungen konnte dem Ziel, eine für hohe Umfangsgeschwindigkeiten geeignete Konstruktion anzugeben, nicht entsprochen werden. Dies gilt auch unter Berücksichtigung der DE 38 26 339 C1 und ist auf rein elektrisch erregte (TFE) als auch für durch Permanentmagnete erregte (TFM)- Transversalflußmaschinen anwendbar.

Als Aufgabe ist somit festzustellen, daß für Stator- und Läuferanordnungen von Transversalflußmaschinen ein für die Herstellung einfacher lamellierter Aufbau mit weitgehend ebenen Elementen gesucht ist und den Forderungen nach zylindrischer Ausführung des Rotors bei günstiger Aufnahme der Fliehkräfte durch die Kon­ struktionselemente entsprochen werden muß.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Bilder 1 bis 5 wird die Erfindung erläutert.

Bildbeschreibungen

Fig. 1a Ausschnitt aus Seitenansicht eines Stators der TFE-Maschine.

Fig. 1b Ansicht des Stators im Axialschnitt.

Fig. 2a Ausschnitt des TFE-Stators mit Spannelementen.

Fig. 2b Ansicht des Stators mit Spannringen.

Fig. 3a Ausschnitt des TFE-Stators mit Ringkernelementen.

Fig. 3b Ansicht des Stators mit Spannringen.

Fig. 4a Teildarstellung einer TFE-Maschine im Axialschnitt.

Fig. 4b Ausschnitt aus der Seitenansicht der TFE-Maschine.

Fig. 5a Teildarstellung einer TFM-Maschine zweisträngig im Axialschnitt.

Fig. 5b Ausschnitt aus der Seitenansicht der TFM-Maschine.

Beschreibung

Die Magnetkreiselemente, von Transversalflußmaschinen dienen der Führung des magnetischen Feldes, das sich zwischen Stator und Läuferbauteilen ausbildet und Ursache für die zu erzeugenden tangentialen Kräfte ist. Die weitgehend quer zur Bewegung verlaufenden magnetischen Feldanteile umschließen dabei eine konzen­ trisch zur Welle geformte ringförmige Spule. Es ist kennzeichnend für die hier beschriebene Anordnung, daß die zu einer Wicklung gehörigen Magnetkreisteile alle gleiche Abstände aufweisen und in gleicher Weise vom Feld durchsetzt werden. Da außer den zur Energiewandlung genutzten Tangentialkräften unvermeidlich auch radial gerichtete Kräfte auftreten, ist darauf zu achten, daß deren Schwankungen nicht zu unerwünschten Schwingungsanregungen führen. Zu ihrer Verhinderung bieten sich Maßnahmen wie mehrstränge Ausführung in naher Nachbarschaft sowie ein besonderer Aufbau der Stützstruktur für die Magnetkreise an. Dies gilt ähnlich für TFE- wie für TFM-Maschinen.

Als zweckmäßig gilt für die Lösung der Aufgabe das folgende Paket von Richtlinien:

• 1. Die feldführenden Stator- und Läuferteile und die zwischen ihnen angeordneten passiven Elemente (Sützstruktur) sind jeweils in gleicher Form auszuführen. Sie bilden eine Vielzahl von Lamellen, deren Abmessungen (bei ebener Ausführung) in Bewegungsrichtung geringer ist als quer dazu.
• 2. Die Formgebung wird so gewählt, daß die Übertragung nutzbarer Umfangskräfte als auch von Kräften quer zur Bewegungsrichtung und für die Rotorteile auch den Fliehkräften entsprochen werden kann (Spannungs- und Dehnungsbegrenzung).
• 3. Durch Formgebung der Lamellen in Stator und Rotor wird erreicht, daß die Kraftübertragung auf die Stützstruktur von der ausschließlichen Anwendung einer Klebeverbindung befreit wird.
• 4. Die zur Aufnahme der fliehkraftbedingten Kräfte der Magnetkreiselemente gewähl­ ten Konstruktionsteile besitzen hohe Festigkeit bei geringer spezifischer Masse und sind untereinander (axial) vorgespannt.

Das Verfahren der zweckmäßigen Lamellierung und formschlüssigen Verbindung mit Stützelementen läßt sich für Stator- und Rotorelemente anwenden. Es soll im folgen­ den zunächst am Beispiel von Statorelementen beschrieben werden. Die Fig. 1a und 1b stellen den Aufbau eines Stators dar, der aus den Weicheisenelementen ES und der Wicklung W (eine Phase) in der Form einer konzentrischen Ringspule besteht. Zwischen den äquidistanten Elementen ES sind die magnetisch nicht leitfähigen Lamellen NS angeordnet. Wie Fig. 1b zeigt, sind sie mit einem Ring verbunden, der die Kräfte auf das Gehäuse GS überträgt.

Eine hinsichtlich der Herstellung günstigere und bezüglich einer Klebeverbindung unabhängigere Anordnung zeigen die Fig. 2a und 2b. Hierbei sind die Eisen­ elemente ES und die Zwischenelemente NS mit einer doppelseitigen Schräge versehen. Mit Hilfe der ebenfalls konisch ausgeführten Ringteile R1 und R2, die axial über die Spannvorrichtung S verspannt sind, werden die Statorelemente mit dem Gehäuse GS kraftschlüssig verbunden. Es wird bei ausreichender Pressung verhindert, daß unter dem Einfluß der von den Polflächen PF ausgehenden Kraftwirkungen Bewegungen zwischen den Lamellen entstehen (Dehnungsbegrenzung).

Bei Verwendung von Ringkern-Elementen ES mit spulenförmig gewickelten Blech­ lagen, siehe die Fig. 3a und 3b, läßt sich das beschriebene Konstruktionsprinzip in modifizierter Form ebenfalls anwenden. Hierzu sind die Zwischenelemente NS so der Form der Elemente ES anzupassen, daß entsprechend Fig. 3b gegenüber dem aktiven Teil ein jeweils konisch ausgeführter Überstand entsteht.

In Fig. 4a und 4b sind zwei Schnitte einer TFE-Maschine gezeichnet, deren z. B. dreisträngige Anordnung in Fig. 4a durch die Teilmaschinen T1 und T2 repräsentiert wird. Die Statorausführung entspricht der in den Fig. 2a und 2b gezeigten Form­ gebung. Der Rotor ist in zylindrischer Bauform ausgeführt, wobei die aktiven Magnetkreisteile ER den Luftspaltraum begrenzen. Ihre am seitlichen Ende jeweils angeschrägte Ausführung L1, L2, garantiert eine Kraftübertragung (der nach außen gerichteten Fliehkraftkomponente) auf die angrenzenden Konstruktionsteile K1 und K2. Die Abstände zwischen den Lamellen (tangential) werden durch den geschlitzten Hohlzylinder TR bestimmt, während die axiale Vorspannung durch Spannbolzen SP hervorgerufen wird. Besonders zweckmäßig ist für hohe Umfangsgeschwindigkeiten die Ausführung der Konstruktionselemente K1, K2, sowie TR usw. in der Form von hochfestem Fasermaterial geringer spezifischer Masse.

Die für begrenzte Läuferlängen wichtige Mindestphasenzahl ist im Hinblick auf schwankungsarmes Drehmoment die Zahl 3.

In den Fig. 5a und 5b ist ein Konstruktionsbeispiel für eine schnellaufende TFM mit zylindrischem Rotor dargestellt. Eine hohe Läufer-Umfangsgeschwindigkeit setzt voraus, daß die von der Tragstruktur aufzunehmen den Fliehkräfte der aktiven Teile im Verhaltnis zu den Massen der Tragkonstruktion nicht zu groß sind. Durch eine Begrenzung der radialen Abmessung dieser Teile kann eine Ausdünnung der Flieh­ kräfte und eine günstigere Aufnahme durch die Konstruktionsteile erzielt werden.

Fig. 5a zeigt im Axialschnitt eine zweisträngige Maschine, bei der die magnetischen Teilkreise mit je zwei Teilwicklungen, z. B. für den Strang 1 durch die Wicklungen W1a und W1b, ausgestattet ist. Sie werden mit Strom gleicher Phasenlage beschickt. Der magnetische Fluß wird zwischen den Wicklungen W1a und W1b läufernah durch ein Verbindungsstück V1 geführt. Die Verbindungsstücke sind gegenüber den C- förmig ausgeführten Hauptelementen ES1 um eine Polteilung versetzt. Ebenso sind die im Rotor eingesetzten Permanentmagnete M1a und M1b mit unterschiedlicher Polarität angeordnet. Es kommt dadurch der in Fig. 5b gezeichnete Feldverlauf zustande, wenn die Wirkung einer Magnetlänge (axial) erfaßt wird.

Die Berücksichtigung der zweiten Magnetlänge führt die Feldlinien aus den Verbindungsstücken V1 wieder zurück in die Ebene der ES-Elemente. Durch die Dar­ stellung der Wicklung in zwei Teilen je Strang und die Anwendung einer doppelten Zahl von Fluß-Übertrittsflächen führt diese Maßnahme bei zylindrischer Läuferober­ fläche auf eine Verringerung der Element-Abmessungen in radialer Richtung. Sie läßt höhere Umfangsgeschwindigkeiten bzw. einen größeren Rotordurchmesser zu und führt damit zu einer Erhöhung der Leistungsdichte.

Die zur Aufnahme der Fliehkräfte erforderlichen Konstruktionsteile S1, S2 und K1m des Rotors entsprechen grundsätzlich auch der im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Konfiguration. Auch die axiale Vorspannung durch zur Welle parallele Spannelemente kommt zur Anwendung. Die bei TFM-Ausführung zweckmäßige minimale Phasenzahl ist 2, so daß es gelingt, mit verhältnismäßig kurzer Läuferlänge eine schwingungsarme Maschine zu bauen.

Es ist offensichtlich, daß die erfindungsgemäßen Vorschläge auch grundsätzlich zweckmäßig sind, wenn der Rotor radial außerhalb des Stators als "Außenläufer" angeordnet wird. Dabei handelt es sich allerdings nicht um Ausführungen mit maximaler Drehzahl, sondern um vergleichsweise kleine Drehzahlen, bei denen jedoch die Vergrößerung des Luftspalt-Durchmessers für Leistung und Drehmoment vorteilhaft ist.

Claims (9)

1. Elektromechanischer Energiewandler in transversaler Bauform,

• - mit mehreren Wicklungssträngen im Stator in Form von koaxial zur Maschinenachse angeordneten ringförmigen Spulen, die im Motorbetrieb über elektronische Stellelemente gespeist werden,
• - mit in Umfangsrichtung angeordneten Folgen von c-förmigen ersten Magnetkreiselementen im Stator, die
• - untereinander gleichen Abstand aufweisen,
• - sich quer zu den Wicklungssträngen erstrecken
• - und zwischen den in radialer Richtung zugeordneten Schenkeln nutähnliche Ausnehmungen aufweisen, durch die die Wicklungsstränge verlaufen
• - sowie mit einem eine Welle aufweisenden wicklungslosen Rotor mit mehreren auf der Welle abgestützten und den einzelnen Wicklungssträngen zugeordneten Teilrotoren, welche zweite Magnetkreiselemente aufweisen, die in doppelter Anzahl gegenüber dem Stator vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkreiselemente (ES, ER, E_1a, E_1b, M_1a, M_1b) durch Formgebung und axiale Vorspannung gegen radiale Bewegung gesichert sind, wobei im Stator am Gehäuse (GS) und im Rotor auf der Welle (We) abgestützte Konstruktionsteile (R1, K1, K2, S1, S2) mit axialem Abstand vorgesehen sind, zwischen denen die ersten (ES) und die zweiten (ER, E_1a, E_1b, M_1a, M_1b) Magnetkreiselemente in einem ringförmigen Verand angeordnet und durch die die Magnetkreiselemente (ES, ER, E_1a, E_1b, M_1a, M_1b) vorgespannt sind.

2. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktionsteile (K1, K2, S1, S2) im Rotor aus faserverstärktem Werkstoff hergestellt sind.

3. Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlzylinder (TR, K1m) vorgesehen ist, der die zweiten Magnetkreiselemente (ER, E_1a, E_1b, M_1a, M_1b) trägt und ihren Abstand zueinander bestimmt.

4. Energiewandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (TR, K1m) aus faserverstärktem Werkstoff hergestellt ist.

5. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (ES) und die zweiten (ER, E_1a, E_1b, M_1a, M_1b) Magnetkreiselemente mit abgeschrägten Enden (L1, L2) und die Konstruktionsteile (R1, K1, K2, S1, S2) als Preßringe ausgeführt sind, wobei die ersten Magnetkreiselemente (ES) Weicheisenelemente sind.

6. Energiewandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausführung von Ringkernelementen als erste Magnetkreiselemente (ES) die abgeschrägten Enden durch zwischen ihnen liegende magnetisch nicht leitenden Lamellen (NS) gebildet werden.

7. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Magnetkreiselemente (ER, E_1a, E_1b, M_1a, M_1b) aus Weicheisenelementen bei rein elektrisch erregten Transversalflußmaschinen, TFE-Maschinen, oder aus Weicheisenelementen und Permanentmagneten bei auch durch Permanentmagnete erregten Transversalflußmaschinen, TFM- Maschinen, bestehen, wobei die Magnetkreiselemente bei TFE-Maschinen so ausgeführt sind, daß der magnetische Fluß in einer und bei TFM-Maschinen in zwei um eine Polteilung versetzten Ebenen verläuft.

8. Energiewandler in TFM-Ausführung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß je Magnetkreis vier Flußübertrittsflächen bestehen, von denen zwei in der Mitte luftspaltnah um eine Polteilung gegenüber den ersten Weich­ eisenelementen versetzt angeordnet sind.

9. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß bei TFE-Maschinen minimal drei und bei TFM-Maschinen minimal zwei Teilrotoren ausgeführt werden.