DE4427323A1

DE4427323A1 - Elektrische Maschine mit Permanentmagneten und einer Erregerfeldwicklung

Info

Publication number: DE4427323A1
Application number: DE4427323A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hill
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-02
Filing date: 1994-08-02
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: DE4427323C2

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Maschine.

Permanenterregte elektrische Maschinen erfordern eine hohe Eckpunktleistung der Ansteue rung. Insbesondere in batteriebetriebenen Fahrzeugen bestimmen die Höhstgeschwindigkeit und das maximale Moment die Maschinenauslegung. Eine hohe Flußdichte im Luftspalt verursacht - besonders bei hohen Drehzahlen - hohe Eisenverluste.

In rein elektrisch erregten Maschinen vermindern die Erregerverluste - insbesondere im Teillastbetrieb - den Wirkungsgrad. Weiterhin werden durch die gute Leitfähigkeit der Rotor oberfläche die Pulsations- und Oberflächenverluste gesteigert.

Aus der DE-AS 17 63 317 ist bekannt, die Entmagnetisierung der Permanentmagnete im Stator eines Scheibenläufers zu verhindern, indem wenige Drahtwindungen direkt um die Permanentmagnete gewickelt werden. Aufgrund der geringen relativen Permeabilität des im Innenraum der Spulen angeordneten Magnetmaterials, kann mit dieser Bauform nur ein relativ geringer Stellbereich erzeugt werden. Dem elektrischen Strom steht nur ein auf den Pollücken raum beschränktes Kupfervolumen zur Verfügung, das durch die Drahtwicklung schlecht aus genutzt wird. Vergrößerte Pollücken verringern die Polabdeckung und damit die magnetische Ausnutzung der Maschine.

Aus der US-PS 4 398 915 ist eine Einphasenwicklung für eine Radialflußmaschine bekannt, die durch das Einschneiden von axialen Aussparungen in ein zuvor aufgewickeltes dünnes Leiterband hergestellt wird.

Weiterhin ist aus der DE 41 26 019 A1 eine Flachbandwicklung für Schenkelpolmaschinen mit radialem Luftspaltfluß und aus der US-PS 41 90 779 eine Erregereinheit für einen Innen läufer in Klauenpolbauform bekannt.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde eine elektrische Maschinen mit einer permanent magnetischen und elektrischen Erregung derart weiterzubilden, daß sowohl im Teillastbetrieb als auch bei hohen Drehzahlen geringe Verluste entstehen, das Permanentmagnetmaterial gut ausgenutzt wird und die Maschine sowohl hohe Drehmomente als auch hohe Drehzahlen erzeugen kann, wobei zusätzlich ein leichter und mechanisch stabiler Aufbau und eine aus reichende Kühlung, sowie eine kostengünstige Herstellung zu gewährleisten ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird die Luftspaltoberfläche der Erregereinheit nur aus Permanentmagnet material und Isoliermaterial gebildet, wodurch geringe Oberflächenverluste entstehen. Die Permanentmagnete weisen eine hohe Polabdeckung sowie eine geringe Dicke in Richtung des magnetischen Flusses auf. Hierdurch nehmen sie im Normalbetrieb einen Arbeitspunkt nahe ihrem maximalen Energieprodukt ein. Die Permanentmagnetsegmente sind flächig auf weichma gnetischen Kernen befestigt, zwischen denen eine Erregerwicklung angeordnet ist, die aus Leitern mit rechteckförmigem Querschnitt besteht und somit einen hohen Füllfaktor aufweist. Je nach Maschinenbauform sind die Erregerwicklungen unterschiedlich ausgestaltet. Sie gewährleisten durch ihren kompakten Aufbau eine hohe Stabilität und Leistungsdichte.

Reicht die passive Kühlung der Erregerwicklung durch flächig anliegende Kühlkörper nicht aus, so kann eine aktive Kühlung durch Kühlkanäle erfolgen, die unterhalb der Pollücken und an den Stirnseiten der Erregerwicklung verlaufen.

Befindet sich die Erregereinheit im Läufer so erfolgt die Übertragung der Erregerströme durch Schleifringe oder bürstenlos durch steuerbare Transformatoren, wobei ebenfalls auf ein geringes Gewicht und eine gute Raumausnutzung geachtet wird.

Die Zeichnungen stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.

Fig. 1 zeigt die Magnetisierungskennlinie eines Permanentmagneten mit Arbeitspunkten;

Fig. 2 zeigt die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie einer gemäß Fig. 1 ausgelegten elek trischen Maschine;

Fig. 3 zeigt schematisch ein Herstellungsverfahren für eine Flachband-Erregerfeldwicklung einer Axialflußmaschine;

Fig. 4 zeigt schematisch ein Herstellungsverfahren für eine Flachband-Erregerfeldwicklung einer Radialflußmaschine;

Fig. 5 zeigt eine Erregereinheit einer Axialflußmaschine in Schenkelpolbauform beim Zusammensetzen der Komponenten;

Fig. 6 zeigt eine Erregereinheit einer Radialflußmaschine mit mäanderförmiger Flachband spule beim Zusammensetzen der Komponenten;

Fig. 7 zeigt eine Erregereinheit einer Axialflußmaschine in Klauenpolbauform beim Zusammensetzen der Komponenten;

Fig. 8 zeigt den Querschnitt einer Axialflußmaschine, deren Erregereinheit gestanzte Leiterschichten enthält.

Fig. 1 zeigt die Magnetisierungskennlinie 1 von Dauermagneten aus einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Die drei eingezeichneten Arbeitspunkte A_1-3 ergeben sich durch Über lagerung des permanenten Feldes durch ein elektrisch erzeugtes Erregerfeld, wobei A₁ den Arbeitspunkt bei stromloser Erregerwicklung, A₂ bei maximalem positiven Strom und A₃ bei maximalem negativen Strom darstellt. Ein positiver Strom bedeutet, daß das permanenterregte Magnetfeld durch das elektrische Feld verstärkt wird und die Flußdichte im Magneten von A₁ in Richtung A₂ ansteigt. Dagegen schwächt ein negativer Strom das Magnetfeld und der Arbeitspunkt wandert auf der Kennlinie in Richtung A₃.

In Fig. 2 wird die zur Maschinenauslegung von Fig. 1 gehörende Drehzahl-Drehmomentenkenn linie 2 gezeigt, wobei die Maschine bei reiner Permanenterregung durch Variation der Stator ströme und -spannungen lediglich den karierten Betriebsbereich I abdecken kann. Durch die elektrische Feldverstärkung sind bei weiterhin begrenztem Statorstrom höhere Drehmomente erreichbar, wodurch der schräg von links oben nach rechts unten schraffierte Bereich II hinzu kommt. Durch die elektrische Feldschwächung sind höhere Drehzahlen im schräg von links unten nach rechts oben schraffierten Bereich III realisierbar. Im Normalbetrieb I entstehen in der Maschine keine Erregerverluste und bei hohen Drehzahlen III aufgrund der abgesenkten Luftspaltflußdichte geringere Eisenverluste. Gegenüber einer rein elektrisch erregten Maschine wird das benötigte Kupfervolumen der Erregerwicklung um ca. 30% reduziert. Durch eine gute Raumausnutzung verringern sich die Verluste und das Gewicht der Erregerwicklung zusätzlich.

Für Linearmotoren, Radial- und Axialflußmaschinen sind mehrere Verfahren zur Herstellung einer Erregerwicklung aus Leiterflachband einsetzbar.

In Fig. 3 wird eine Variante zur Herstellung einer zweilagigen Erregerwicklung in Schenkelpol bauform für eine Axialflußmaschine schematisch dargestellt. Hierbei wird das Leiterflachband zunächst von einer Rolle 3 auf eine Spindel 4 gewickelt, deren Querschnitt dem späteren Polkernquerschnitt entspricht. Nachdem eine Spule 5 mit der doppelten Leiterlänge gegenüber einer späteren Einzelspule 6 gebildet wurde, wird das abgeschnittene Ende auf einem zweiten Spindelkörper 7 befestigt und das Leiterband zur Hälfte auf diesen zurück gewickelt. Derart vorgefertigte Spulenpaare 8 werden nun in zwei um eine Polteilung zueinander versetzten Lagen in eine Vorrichtung gesetzt. Der Strom fließt abwechselnd in Spulenpaaren der beiden Lagen, indem er an einer radialen Oberfläche des weichmagnetischen Polkerns innerhalb einer Kontaktschiene 9 von einem inneren Spulenende 10 zum nächsten Spulenende 10′ wechselt. Die beiden Spulen eines Polkernes weisen somit einen entgegengesetzten Wickelsinn auf.

Ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer Erregerwicklung aus Flachband zeigt Fig. 4, wobei diesmal eine Mäanderspule 11 für eine Radialflußmaschine vorgefertigt wird. Das von einer Trommel 12 abgerollte dünne Leiterband 13 durchläuft zunächst eine automatische Strahl schneideanlage 14, in der die Aussparungen 15 für die Polsegmente herausgearbeitet werden. Alternativ wäre auch ein Stanzautomat einsetzbar. Anschließend wird in einer Beschichtungs anlage 16 ein Backlack gleichmäßig aufgetragen und das geschnittene und beschichtete Band 17 auf eine Vorrichtung 18 gerollt. Nach dem Aushärten des Backlacks wird die Vorrichtung entfernt und die Polkerne und ein Jochring axial aufgeschoben (siehe Fig. 6).

Auch Axialflußmaschinen können mit mäanderförmigen Flachbandwicklungen ausgeführt werden, wobei das Flachband allerdings spiralförmig zu walzen ist.

Weiterhin ermöglicht es eine programmierbare Strahlschneideanlage auch parallele Streifen mit mäanderförmigem Verlauf in einem Arbeitsgang aus dem Leiterband zu schneiden. Nach dem in Richtung der Nutbreite Isolierschichten aufgebracht wurden, werden Bandpakete aus zwei mit unterschiedliche Rollrichtungen arbeitenden Fertigungsmaschinen ausgetauscht, axial ineinander geschoben und an ihren Enden elektrisch leitend verbunden. Mehrere Mäanderspulen liegen dann axial flächig aneinander und sind in Reihe geschaltet.

Durch diese und ähnliche, vorzugsweise vollautomatische Verfahren werden Erregerwick lungen hergestellt, die trotz kleiner Leiterquerschnitte und großer Leiterlänge durch recht eckförmige Leiterquerschnitte einen sehr hohen Nutfüllfaktor und durch die Vermeidung von Biegeradien relativ kurze Verbindungswege in den Wickelköpfen aufweisen.

Fig. 5 zeigt eine Erregereinheit 20 mit Flachbandspulen 21 in Schenkelpolbauform für eine 18- polige Axialflußmaschine beim Zusammenbau. Die baugleichen Polkerne 22 mit auf der Luft spaltoberfläche aufgeklebten oder aufgetragenen Magneten 23 werden in die Flachbandspulen 21 gesteckt und radial von außen in die Nuten 24 eines weichmagnetischen Jochringes 25 geschoben. In dieser einlagigen Erregerwicklung erfolgt die Reihenschaltung der Flachband spulen 21 erst nach der Montage, z. B. durch Laserlöten.

In Fig. 6 wird eine Erregereinheit 26 einer zwölfpoligen Radialflußmaschine bei der Montage dargestellt. Zunächst erfolgt das axiale Einschieben jedes zweiten Polkerns 27 in einen mit Nuten 28 versehenen weichmagnetischen Jochring 29. Anschließend wird eine funktionsbereit vorgefertigte Flachband-Mäanderspule 30 aufgepreßt und abschließend die zweite Hälfte der Polkerne 31 mit entgegengesetzt magnetisierten Permanentmagneten 32 ebenfalls axial einge schoben. Hierbei unterstützt das Permanetfeld den Zusammenhalt der Erregereinheit 26.

Bei axial kurzen Radialflußmaschinen oder ringförmigen Axialflußmaschinen erfolgt die Ausgestaltung der Erregerwicklung vorzugsweise in Form von Klauenpolen.

Fig. 7 zeigt eine derartige Erregereinheit 33 für eine 24-polige Axialflußmaschine beim Zusammensetzen. Nach dem Aufwickeln eines Leiterflachbandes zu einer Ringbandspule 34 sind sowohl die inneren Klauenpolsegmente 35 axial von der Luftspaltseite, als auch die äußeren Klauenpolsegmente 36 radial von außen einsetzbar. Zur optimalen Ausnutzung des Magnetmaterials nehmen die Magnetsegmente 37 bis auf schmale Pollücken 38 die gesamte Luftspaltoberfläche ein, wobei sie tangential etwas über die Klauenpolsegmente 35, 36 hinaus ragen. Hierdurch wird der Streufluß des elektrisch erregten Feldes vermindert. Während der Aufwand zur Vorfertigung der Ringbandspule 34 gering ist, sind die komplexeren Klauenpol segmente 35, 36 vorzugsweise als Sinterteile auf Basis einer Kobalteisen-Legierung herstellbar.

In einer hochpoligen Axialflußmaschine 40 kann die Erregerwicklung 41 - wie in Fig. 8 darge stellt - auch vorteilhaft aus gestanzten Leiterblechen bestehen. Um den Herstellungsaufwand und den Raumanteil des Isolierstoffes gering zu halten, wird nur eine geringe Schichtzahl realisiert und die Ansteuerspannung durch einen Wellentransformator 42 abgesenkt. Zur Kompensation der axialen Magnetkräfte weist die Axialflußmaschine zwei Luftspalte 43 auf, wobei zwei axiale Dünnringlager 44 nahe der inneren Wickelköpfe 45 einen konstanten Abstand der Rotorscheibe 46 von den beiden Statorhälften 47 gewährleisten. Beide Statorhälften be stehen aus baugleichen mehrphasigen Schichtwicklungen 48, die zusammen mit ihren genuteten weichmagnetischen Körpern 49 jeweils in eine Gehäusehälfte 50a, b eingepreßt sind. Das Magnetfeld durchströmt die Rotorscheibe 46 nur in axialer Richtung, wobei an beiden Luft spaltoberflächen Permanentmagnete 51 auf Polkernen 52 aus kornorientierten Blechen angeord net sind. In unter den Pollücken und über den Wickelköpfen angeordneten Kühlkanäle 53 zirkuliert ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel. Zusätzlich zu den magnetischen Kräften wird die Rotorscheibe durch zwei Kunststoffkörper 54a, b zusammengehalten, die an den radialen Oberflächen ineinander verhakt sind und die Pollücken ausfüllen. Eine faserverstärkte Bandage 55 am Außenumfang der Rotorscheibe nimmt die Fliehkräfte auf.

Während in der statorseitigen Transformatorkernhälfte 56b ein Profildraht 57 mit kleinem Leiterquerschnitt eingelegt ist, enthält die in der Welle 58 angeordnete Kernhälfte 56a ein gewendeltes Leiterflachband 59. Der durch den Wellentransformator 42 vervielfachte Erreger strom wird durch Schottkydioden 60 gleichgerichtet, wobei ein über einen Optokoppler 61 angesteuertes bistabiles Leistungsrelais 62 eine Stromumkehr ermöglicht wird.

Claims

1. Elektrische Maschine mit einer Erregereinheit (20, 26, 33), die in Bewegungsrichtung Erregerpole mit abwechselnder Polarität aufweist, wobei die Erregereinheit, sowohl Permanentmagnete (23, 32, 37, 51) als auch eine Erregerfeldwicklung (21, 30, 34, 41) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (23, 32, 37, 51) an der zum Luftspalt weisenden Oberfläche der Erregerpole angeordnet sind, wobei die Magnete auf weichmagnetischen Polkernen (22, 27, 31, 35, 36, 52) befestigt sind und die zwischen diesen Polkernen angeordnete Erregerfeldwicklung (21, 30, 34, 41) aus Leitern mit rechteckförmigem Querschnitt besteht.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (23, 32, 37, 51), bei stromloser Erregerwicklung (21, 30, 34, 41), einen Arbeitspunkt nahe ihrem maxi malen Energieprodukt aufweisen.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetischen Polkerne (22, 27, 31, 35, 36, 52) ihren Querschnitt in Flußrichtung auf das 0,3 bis 0,5fache der Pol oberfläche vermindern.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um jeden Polkerne (22) mindestens ein Ring aus einem dünnen Leiterflachband (21) angeordnet ist.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polkerne (35, 36) Klauenpolebilden, die gemeinsam eine Erregerwicklung (34) aus aufgewickeltem Flachband umgreifen.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polkernen (27, 31, 51) die Leiter der Erregerwicklung (30, 41) in mäanderförmig in Umfangsrichtung verlaufenden Schichten angeordnet sind.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Pollücken elektrisch isolierendes Material oder in Bewegungsrichtung magnetisierte Magnetsegmente angeordnet sind.

8. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (37) in Beweg ungsrichtung eine größere Breite aufweisen als die Polschuhe ihrer Polkerne (35, 36).

9. Elektrische Maschine nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polkerne (22, 27, 31) an der den Permanentmagneten (23, 32) abgewanden Seite in einem ringförmigen weichmagneti schen Jochring (25, 29) befestigt sind.

10. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polkerne (52) auf zwei gegenüber liegenden Seiten jeweils einen Permanentmagneten (51) aufweisen.

11. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ansteuerung und Erregerwick lung (41) ein Transformator (42) geschaltet ist, der die Erregerstromstärke vervielfacht.

12. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Pollücken und an den Wickelköpfen (45) Kühlkanäle (53) verlaufen in denen ein Kühlmittel zirkuliert.

13. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit einer Erregereinheit, die in Bewegungsrichtung Erregerpole mit abwechselnder Polarität aufweist, wobei die Erregereinheit sowohl Permanentmagnete als auch eine Erregerfeldwicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf weichmagnetische Polkerne dünne hartmagnetische Schichten aufgetragen und diese anschließend in eine vorgefertigte Wicklung mit rechteckförmigem Leiterquerschnitt eingesetzt werden.

14. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen hartmagnetischen Schichten durch Lasersintern oder Plasmaspritzen auf die weich magnetischen Polkerne aufgetragen werden.

15. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiterflachband zunächst eine Strahl schneide- oder Stanzmaschine durchläuft, in der Aussparungen für die Polkerne her ausgearbeitet werden, und dann vor dem Aufwickeln in einer Beschichtungsanlage mit einer dünnen Klebe- und Isolierschicht versehen wird.