DE9114582U1

DE9114582U1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE9114582U1
Application number: DE9114582U
Authority: DE
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1990-12-06
Filing date: 1991-08-14
Publication date: 1992-01-30
Anticipated expiration: 2001-08-15

Description

Anwaltsakte: G 4742

J.M. Voith GmbH, Heidenheim

Kennwort: "Elektrische Erregung"

Elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine stromrichtergespeiste elektrische Maschine mit in Drehrichtung verlaufenden Ankerspulen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine Maschine dieser Gattung ist aus der DE-PS 37 05 089 bekannt.

Die bekannte Maschine wird über einen Wechselrichter gespeist. Der Stator weist Ringwicklungen auf, die von Weicheisen-Ankerelementen U-förmig umfaßt sind. Die Ringwicklungen sind paarweise vorhanden, wobei die offenen Schenkel der Ankerelemente radial einwärts und radial auswärts aufeinanderzu gerichtet sind, jeweils um eine Teilung in Umfangsrichtung versetzt. Zwischen den einander zugewandten Polen der Ankerelemente befindet sich der Rotor, der aus in Umfangsrichtung alternierend angeordneten Permanentmagneten besteht und zu den beiden Statorhälften durch Luftspalte getrennt ist. Jeweils zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten, die in zwei in Umfangsrichtung verlaufenden Ringen angeordnet sind, befinden sich Weicheisen-Polelemente zur Führung eines magnetischen Flusses. Der magnetische Nutzfluß verläuft somit in radialen Ebenen quer zur Bewegungsrichtung des Rotors. Mit dieser Anordnung mit in Umfangsrichtung verlaufenden Ringspulen und quer dazu geführtem Fluß lassen sich insbesondere bei kleinen Polteilungen hohe Kraftdichten erreichen. Die einfache Wicklungsführung bei diesem Transversalflußkonzept ermöglicht hohe Stromdichten, da auch eine Kühlmöglichkeit besonders einfach erscheint.

Ein grundlegender Nachteil von permanentmagneterregten Maschinen ist die linear mit der Drehzahl ansteigende induzierte Spannung. Wird beispielsweise ein solcher Motor für einen Fahrzeugantrieb ausgelegt, so muß der speisende Wechselrichter für die größte induzierte Spannung und das maximale Anzugsmoment ausgelegt werden. In der Regel wird für einen Fahrzeugantrieb ab der Motor-Nenndrehzahl ein über der Fahrgeschwindigkeit bzw. Drehzahl hyperbolischer Verlauf der Zugkraft bzw. des Drehmomentes gewünscht, was der Übertragung einer konstanter Leistung entspricht. Dieser Betriebsbereich wird durch Schwächung des Erregerfeldes realisiert. Ist dies nicht möglich, muß eine schlechte Ausnützung des Wechselrichters in Kauf genommen werden. Die in der Wicklung induzierte Spannung beeinflußt die Auswahl bzw. Dimensionierung des Wechselrichters, insbesondere im Hinblick auf dessen Gewicht und Kosten, die bis zum 10-fachen des Elektromotors betragen können. Nachteilig wirkt sich aus, daß das Erregerfeld der Permanentmagnete nicht stellbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine zu schaffen, bei der unter Beibehaltung der Vorzüge hoher Kraftdichten bei kleiner Masse die genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere übermäßig hohe induzierte Spannungen und Eisenverluste bei hohen Drehzahlen, so daß der speisende Stromrichter nur noch für den geforderten Leistungsbereich ausgelegt werden muß.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Gemäß der Erfindung umfaßt der Stator insgesamt drei Wicklungssysteme innerhalb einer Anordnung aus geblechten Stator-Eisenelementen. Das eine Wicklungssystem ist die in einer Längsnut im Stator eingelegte Ankerwicklung, und die beiden andere Wicklungssysteme sind beidseitig neben der Ankerwicklung in ümfangsrichtung und im wesentlichen mit der Ankerwicklung in einer Ebene liegend angeordnet. Die Erregerdurchflutung wird durch die zwei in Ümfangsrichtung verlaufenden Wicklungsstränge gebildet, die zwischen den geblechten Sta-

tor-Eisenelementen eingelegt und gegensinnig zueinander durchflutet sind. Die Wicklungssysteme sind durch eine nicht näher beschriebene Trageinrichtung gegenseitig gehalten und im Gehäuse der Maschine befestigt. Der Rotor umfaßt geblechte Rückschlußelemente, die sich über die geblechten Stator-Eisenelemente quer zur Bewegungsrichtung erstrecken und jeweils paarweise über einen Luftspalt beidseitig die Erregerwicklungen und die Ankerwicklung im Stator zwischen sich einschießen. Der am Umfang zu messende Abstand der Rückschlußelemente am Rotor entspricht dem doppelten Abstand der Stator-Eisenelemente.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß das Transversalflußprinzip beibehalten wird, nämlich die Entkoppelung von strom- und flußführenden Bauteilen. Diese können unabhängig voneinander dimensioniert werden. Somit kann auch eine Transversalflußmaschine mit geblechten und durch Kupferwicklungen magnetisierte Stator- und Rotorbauteilen hohe Kraftdichten bzw. hohes Drehmoment erzeugt werden. Es ist eine einfache Wicklungsführung möglich, und ferner eignet sich die Statorbauart zu konstruktiv günstiger Ausbildung von Kühleinrichtungen. Insbesondere aber ist die Erregerdurchflutung nicht durch Permanentmagnete eingeprägt, sondern ist stellbar, d. h. beeinflußbar. Dies bedeutet, daß eine Schwächung des Erregerfeldes bei hohen Drehzahlen auf einfache Weise möglich ist, wodurch sich die Maschine auch als Traktionsmotor für einen Fahrzeugantrieb eignet.

Die Hochenergie-Permanentmagnete bestehen aus elektrisch leitfähigem Material und lassen sich nicht beliebig dünn schichten. Es ist daher erforderlich, Wechselamplituden des magnetischen Flusses zu vermeiden, um den Magneten nicht thermisch zu zerstören. Durch hohe Eisenverluste bei hohen Drehzahlen entstehen beträchtliche Wärme- und Isolationsprobleme. Durch die geblechte Ausführung der Eisenelemente sind hohe Wechselamplituden des magnetischen Flusses zulässig, ohne die Maschine thermisch zu überlasten.

In den Unteransprüchen sind weitere konstruktive Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben. Gemäß Anspruch 2 können die Rückschlußelemente des Rotors auf einfache Weise als Schnittbandkerne hergestellt werden. Die Ansprüche 3 und 4 beschreiben die Ausbildung der beidseits neben der Ankerwicklung angeordneten Wicklungsstränge entweder als zickzackförmig in Umfangsrichtung um die Stator-Eisenelemente herum geschleifte Wicklung oder als einzeln auf die Stator-Eisenelemente aufgesetzte Spulen. In jedem Falle sind die beiden parallel verlaufenden Wicklungsstränge zueinander gegensinnig durchflutet. Bei einzeln in die Stator-Elemente eingesetzten Spulen sind diese nachfolgend zueinander gegensinnig durchflossen. Gemäß den Ansprüchen 5 und 6 können die Wicklungssysteme des Stators scheibenförmig in einer achsnormalen Ebene koaxial ineinander angeordnet sein, wobei die rotierenden Rückschlußelemente am Rotor axial beidseits neben dem Stator durch einen Luftspalt getrennt angeordnet sind. Eine solche Anordnung kann auch mehrfach axial-entlang der Rotordrehachse-nebeneinander angeordnet sein oder gemäß Anspruch 7 in radialer Richtung als Doppelscheibe unter Einsparung axialer Baulänge bei entsprechend großem Außendurchmesser. Gemäß Anspruch 8 kann der Stator auch trommeiförmig ausgebildet sein, nämlich mit Wicklungen, die sich in axialer Richtung ringförmig nebeneinander anschließen und dabei von radial außen bzw. radial innen über den Luftspalt von den Rückschlußelementen des Rotors umschlossen werden. Als Material für die geblechten Stator-Eisenelemente und die Rückschlußelemente am Rotor wird gemäß Anspruch 9 vorzugsweise kornorientiertes Blech verwendet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine schematische Ansicht einer

Rotor-Statoranordnung mit geschleifter Erregerwicklung

Figur 2 ein Querschnitt durch die Anordnung nach Figur 1 in radialer Ebene

Figur 3 eine schematische Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 1 und 2 mit Darstellung des magnetischen Flusses

Figur 4 eine Anordnung von Stator und Rotor innerhalb einer elektrischen Maschine

Figur 5 eine Prinzipanordnung von Rotor und Stator mit zwei Ankerwicklungen

Figur 6 eine schematische Ansicht einer

Rotor-Statoranordnung mit einzeln im Stator eingelegten Erregerspulen

Figur 7 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Figur 6 in einer radialen Ebene

Figur 8 eine schematische Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 6 und 7 mit Darstellung des magnetischen Flusses

Figur 9 eine schematische Anordnung von axial

nebeneinanderliegenden Rotor-Statorkombinationen

Figur 10 eine schematische Anordnung von koaxial

ineinander liegenden Rotor-Statorkombinationen

Figur 11 eine schematische Anordnung des Rotors und Stators in Trommelbauweise.

In Figur 1 ist ein schematisch und in gestreckter Lage dargestellter Ausschnitt aus einer elektrischen Maschine zu erkennen mit einem Stator 1 und einem Rotor 2. Der Stator 1 umfaßt eine zentral angeordnete Ankerwicklung 3 sowie Stator-Eisenelemente

6, die in Umfangsrichtung neben der Ankerwicklung und mit der Ankerwicklung selbst eine Ebene bildend angeordnet sind. Um die Stator-Eisenelemente 6 herum ist auf jeder Seite ein Erregerwicklungsstrang 4 und 5 zickzackförmig in Schleifen eingelegt. Sowohl die Ankerwicklung 3 als auch die Erregerwicklungen 4, 5 sind als Kupfer- oder Aluminium-Wicklungen ausgebildet. Die Stator-Eisenelemente 6 bestehen aus Blechpaketen, wobei alle Wicklungen 3, 4, 5 und die Stator-Eisenelemente in einer Trageinrichtung gehalten sind, welche der Deutlichkeit halber nicht näher dargestellt ist. Der Rotor 2 umfaßt sogenannte Rückschlußelemente 8, die die drei Wicklungen 3, 4, 5 im Stator überbrücken, um den magnetischen Fluß zwischen zwei Luftspaltbereichen 9 zu den Stator-Eisenelementen 6 zurückführen. Alle Rückschlußelemente 8 sind ebenfalls in einer gemeinsamen Trageinrichtung am Rotor befestigt. Sowohl die Stator-Eisenelemente 6 sind in geblechter Ausführung ausgebildet als auch die rotierenden Rückschlußelemente 8. Diese Rückschlußelemente werden bevorzugt als sogenannte Schnittbandkerne ausgeführt, also in der Form eines gewickelten und anschließend aufgeschnittenen Blechbundes.

Die Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung nach Figur 1 in einer radialen Ebene. Zu erkennen ist die zentral angeordnete Ankerwicklung 3, die beidseits in einer Ebene angeordneten Stator-Eisenelemente 6 sowie die um die Stator-Eisenelemente herum geschleiften Erregerwicklungen 4 und 5. Dargestellt sind ferner die rotierenden Rückschlußelemente 8, die zu beiden Seiten der Statorwicklungen 3, 4, 5 im Abstand eines Luftspaltes 9 angeordnet sind. Mit 12 ist die Richtung des magnetischen Flusses in der dargestellten transversalen Ebene bezeichnet.

Die Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf die Stator-Anordnung. Zu erkennen sind die Stator-Eisenelemente 6 mit den geschleiften Wicklungen 4 und 5. Der Pfeil 13 zeigt die Durchflutungsrichtung der Ankerwicklung 3, und die Pfeile 14 und 15 kennzeichnen die Durchflutungsrichtung in den

Erregerwicklungen 4 und 5. Man erkennt daraus, daß die Durchflutung der beiden Erregerwicklungen 4 und 5 gegensinnig zueinander erfolgt. Auf diese Weise nämlich entsteht die in Figur dargestellte Flußrichtung 12.

Aus Figur 4 ist der Einbau einer Stator-Rotoranordnung zu erkennen. In einem Motorgehäuse 16 ist der als Scheibe aufgebaute Stator 1 gelagert, während die Rückschlußelemente 8 des Rotors 2 beidseitig axial neben dem Stator an einer Rotorscheibe 17 befestigt sind. Die Drehachse des Rotors ist mit 11 bezeichnet. Eine gleiche Stator-Rotoranordnung kann auch symmetrisch auf der anderen Seite der Rotorscheibe 17 angeordnet sein.

Aus Figur 5 ist eine Stator-Rotoranordnung zu erkennen, bei der im Stator 1 sogar zwei Ankerwicklungen 3 zwischen den Stator-Eisenelementen 6 angeordnet sind. Die Erregerwicklungen 4, 5 befinden sich in diesem Falle nebeneinander und radial innerhalb der beiden Ankerwicklungen 3.

In Figur 6 ist eine alternative Anordnung von Erregerwicklungen dargestellt. Zu erkennen sind die Ankerwicklung 3 und die beidseits davon angeordneten Stator-Eisenelemente 6. Um diese Stator-Eisenelemente 6 herum sind Spulen 10 einzeln eingelegt.

Die Figur 7 zeigt diese Anordnung in einem Querschnitt zwischen den Rückschlußelementen 8.

Die Figur 8 wiederum zeigt in einer Draufsicht die Anordnung der Ankerwicklung 3 mit den Stator-Eisenelementen 6 und den einzeln eingelegten Spulen 10. Zu erkennen ist wiederum die Flußrichtung 13 in der Ankerwicklung 3 sowie die durch entsprechende Schaltung der einzelnen Spulen hervorgerufenen Flußrichtungen 20 bzw. 21. Jeweils zwei benachbarte Wicklungen sind gegensinnig durchflossen, und zwar so, daß auch zwei in einer transversalen Ebene zwischen zwei Rückschlußelementen liegenden Spulen zueinander gegensinnig durchflossen sind. Dadurch entsteht wiederum ein Transversalfluß 12 innerhalb der durch die Rückschlußelemente 8 bestimmten radialen Ebene.

In Figur 9 ist schematisch der Aufbau einer elektrischen Maschine mit zwei Stator-Rotorkombinationen dargestellt, wobei der Stator jeweils als Scheibe ausgebildet ist. Mit einer solchen Anordnung läßt sich die Leistung einer Maschine steigern bei unverändertem Außendurchmesser, dafür vergrößerter Baulänge.

Die Figur 10 zeigt eine Ausbildung, bei der zwei Stator-Rotorkombinationen koaxial ineinander angeordnet sind. Diese Ausbildung ermöglicht eine kurze Baulänge auf Kosten eines größeren Außendurchmessers. In Figur 11 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Ankerwicklung und die Erregerwicklungen ringförmig und axial nebeneinander in der Form einer Trommel angeordnet sind, während die rotierenden Rückschlußelemente den Stator von radial außen und radial innen umgreifen. Bei allen Ausbildungsformen gemäß den Figuren 9 bis 11 lassen sich mehrere Stator-Rotorkombinationen nebeneinander auf der Rotorwelle anordnen, um zu leistungsstärkeren Maschinen innerhalb eines Gehäuses- zu gelangen.

09.11.90/DK/wt
0564k/59-66

Claims

Anwaltsakte: G 4742

J.M. Voith GmbH, Heidenheim

Kennwort: "Elektrische Erregung"

Stromrichtergespeiste elektrische Maschine nach dem Transversalflußprinzip mit jeweils mindestens einer der Komponenten Stator und Rotor, mit mindestens einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden ringförmigen Ankerwicklung und magnetisch leitenden Elementen, die an einer der Komponenten Stator oder Rotor befestigt sind, sowie Rückschlußelementen, die an der anderen Komponente Rotor oder Stator befestigt sind und einen in radialen Ebenen wirksamen magnetischen Fluß herstellen,

gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden weiteren Merkmale:

a) der Stator (1) umfaßt drei Wicklungssysteme (3, 4, 5) innerhalb einer Anordnung aus geblechten Stator-Eisenelementen (6);

b) das eine Wicklungssystem ist die in einer Längsnut (7) im Stator (1) eingelegte Ankerwicklung (3), die beiden anderen Wicklungssysteme (4, 5) sind beidseitig der Ankerwicklung (3) in Umfangsrichtung angeordnet und im wesentlich mit der Ankerwicklung (3) in einer Ebene liegend;

c) die Erregerdurchflutung wird durch die zwei in Umfangsrichtung verlaufenden Wicklungsstränge (4, 5) gebildet, die zwischen den geblechten Stator-Eisenelementen (6) eingelegt und gegensinnig zueinander durchflutet sind;

d) der Rotor (2) umfaßt geblechte Rückschlußelemente (8), die sich über die geblechten Stator-Eisenelemente (6) quer zur Bewegungsrichtung erstrekken und jeweils paarweise über eine Luftspalt (9) die Erregerwicklungen (3, 4, 5) des Stators (1) zwischen sich einschließen;

e) der Abstand der rotierenden Rückschlußelemente (8) am Rotor (2) in Umfangsrichtung entspricht dem Abstand von zwei Polteilungen, also dem Abstand von zwei Stator-Eisenelementen (6).
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlußelemente (8) des Rotors (2) als geblechte Schnittbandkerne ausgebildet sind.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beidseitig der Ankerwicklung (3) im Stator angeordneten Wicklungsstränge (4, 5) jeweils zickzackförmig um die Stator-Eisenelemente (6) herum in Umfangsrichtung geschleift eingelegt sind.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerdurchflutung durch einzeln um die Stator-Eisenelemente (6) herum eingelegte und zueinander gegensinnig durchflossene Wicklungen (10) gebildet ist.
5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsstränge (3, 4, 5) des Stators (1) koaxial ineinander mit unterschiedlichen

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Durchmessern in Scheibenbauweise angeordnet sind und sich die Rückschlußelemente (8) des Rotors (2) bezüglich der Rotordrehachse (11) beidseitig axial neben den Wicklungssystemen (3, 4, 5) des Stators (l) befinden.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere aus Stator (1) und Rotor (2) bestehende Anordnungen axial nebeneinander entlang der Rotordrehachse (11) angeordnet sind.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei aus Stator (1) und Rotor (2) bestehenden Anordnungen als Doppelscheiben mit unterschiedlichen Durchmessern radial übereinander bzw. koaxial ineinander angeordnet sind.
8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungssysteme (3, 4, 5) des Stators (1) bezüglich der Rotordrehachse (11) ringförmig und axial nebeneinander angeordnet sind und von radial außen bzw. radial innen von den Rückschlußelementen (8) des Rotors (2) umschlossen sind.
9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die geblechten Stator-Eisenelemente (6) und die rotierenden Rückschlußelemente (8) aus kornorientiertem Blech bestehen.

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