EP3262740A1 - Rotierende elektrische maschine in scheibenläufer- und axilaflussbauweise - Google Patents

Rotierende elektrische maschine in scheibenläufer- und axilaflussbauweise

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EP3262740A1
EP3262740A1 EP16723635.5A EP16723635A EP3262740A1 EP 3262740 A1 EP3262740 A1 EP 3262740A1 EP 16723635 A EP16723635 A EP 16723635A EP 3262740 A1 EP3262740 A1 EP 3262740A1
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rotors
electric machine
disc
shaft
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Olaf Böttcher
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Definitions

  • Axial flow construction which has a stator and a rotor, which both face each other over an axial air gap.
  • the stator has a pole plate with a desired number of poles corresponding number of fan-like distributed over the disk surface, equidistant, flat pole segments of magnetically conductive material and an annular field winding, which is assigned together with a remindInstitutj och the pole disk.
  • Pole segments are connected as a result of odd-numbered and even-numbered pole segments in each case via a connecting piece of magnetically conductive material.
  • the disk-shaped rotor is on the stator facing flat side with axially arranged permanent magnets
  • the said flat turn is distributed circumferentially over the flat stator.
  • the flat turn includes a plurality of petal-like areas that are substantially radially relative to an axis of the rotor.
  • a disc-shaped rotor is arranged in each case, which on the side of the stator
  • Stator are occupied by permanent magnets. Both solutions have a relatively complicated winding structure and thus high costs in their production.
  • the object of the invention is therefore a simple
  • Missing return plates reduce the overall mass of the machine.
  • the shaft with the rotors has a very small moment of inertia.
  • Permanent magnets of the rotors in the ratio of 3 to 4 or in a ratio of an integer multiple, the number of permanent magnets is advantageously always even.
  • the permanent magnets are incorporated in the rotors throughout, d. H. the tops of the
  • Permanent magnets terminate with the top of the rotor or even protrude slightly beyond the tops of the rotor.
  • the permanent magnets can be on one, two or
  • the rotor consists according to claim 4 of a non-magnetic disk. This avoids that the magnetic field expands to the shaft of the electric machine.
  • claim 5 are the
  • the rotor is magnetically isolated from the shaft. This prevents the magnetic field of the electric machine from expanding to the shaft. On the side facing away from the stator of the rotor can after
  • a further disc and / or an annular disc may be arranged from a magnetic material, wherein the further disc and the annular disc are magnetically insulated from the shaft. Through the disc or the annular disc, a magnetic return is possible.
  • the coils of the stator may be formed as part coils according to claim 8. This could possibly be required in constructive special solutions of the electrical machine.
  • two or more stators may be arranged with rotors in front, in between and behind, the shaft being mounted in the stators and the rotors being fixedly connected to the shaft and thus the number of stators being equal to n and the number of rotors is equal to n + 1.
  • Fig. 2 is a side view of a permanentmagnetbe saututica.
  • FIG. 3 shows the basic structure of a stator coil with a ferrite core
  • Fig. 4 shows a possible basic circuit of the stator coils of three electrically coupled stators.
  • FIG. 1 shows an electric machine according to the invention with three stators 2.1 to 2.3 and four rotors 1.1 to 1.4.
  • the stators 2.1 to 2.3 each have twelve coils 4, see also Figure 4, and the rotors 1.1 to 1.4 each sixteen permanent magnets 3.
  • the permanent magnets are in this
  • the coils 4 and the permanent magnets 3 are each located on a circular path in the rotors 1,1 to 1,4 or in the stators 2.1 to 2.3 and correspond to each other.
  • the shaft 5 is in the
  • Stators 2.1 to 2.3 stored.
  • a bearing of the shaft 5 in the right and left outer stator discs 6 done.
  • the stators 2. 1 to 2.3 are on one
  • the coils 4 are wound on preferably made of ferrite material cylindrical cores.
  • the cross section of the core and the two ends of the core can be of circular shape to known optimal shapes
  • the magnets 3 of the rotors 1 are mutually polarized.
  • the number of permanent magnets 3 is preferably
  • the permanent magnets 3 of the rotors 1.1 to 1.4 and the coils 4 of the stators 2.1 to 2.3 are arranged in the same direction at the same angle to each other.
  • the circuit of the coil 4 is possible as in typical brushless DC machines.
  • An example is shown in FIG.
  • the terminals R, S and T are located at the inputs of the coils LI, L2 and L3 of the first stator 2.1. Their outputs are each connected in series with the coils L13, L14 and L15 same position of the second stator 2.2. Their outputs are connected to the inputs of the corresponding ones Coils L25, L26 and L27 of the stator 2.3 connected in series. The output of L25 is connected to the input of L4, and so on. All of the coils of the R, S, and T windings are connected in series. Are the outputs of L34, L35 and L36
  • FIG. 4 shows the necessary connections for a delta connection. Taking into account the current direction and the assignment of the coils 4 to the RST winding are a variety of different parallel and series circuits with accordingly
  • the permanent magnets 3 may be incorporated in order to increase the torques on one, two or more circular paths in the rotors 1 and the coils 4 may be arranged analogously in the stators 2.
  • the magnets 3 of the individual circular paths correspond to the coils 4 of the corresponding
  • the number of coils 4 of the stator 2 are the number of permanent magnets 3 on the rotor 1 preferably in the ratio of three coils 4 to four permanent magnets 3 or an integral multiple thereof, such. In the ratio 9:12 or 12:16. Other conditions are conceivable.
  • a further disc 7 and / or an annular disc 8 may be arranged from a magnetic material. Through the disc 7 or washer 8 is a strong magnetic inference is created. The disc 7 and the annular disc 8 are magnetically isolated from the shaft 5.
  • the coil 4 can be wound up very easily on the spool core.
  • the connection of the coil 4 with each other is also no problem.
  • the coils 4 may also consist of partial coils.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen einfachen Wicklungsaufbau am Stator einer Axialflussmaschine zu schaffen und gleichzeitig durch weitere konstruktive Maßnahmen den sonst üblichen Materialeinsatz zu minimieren. Die rotierende elektrische Maschine in Scheibenläufer- und Axialflussbauweise besteht mindestens aus zwei scheibenförmigen, permanentmagnetbestückten Rotoren (1). Zwischen den Rotoren (1) befindet sich ein Stator (2) mit axial angeordneten Spulen (4). Diese Spulen (4) korrespondieren mit den Permanentmagneten (3) der Rotoren (1). Am Stator (2) ist eine Welle (5) gelagert. Die Welle (5) kann zusätzlich an außerhalb der Rotoren (1) liegenden Stator Scheiben (6) gelagert sein. Die Rotoren sind an der Welle (5) befestigt. Der Stator (2) bzw. die Stator Scheiben (6) sind an einer Grundplatte oder an einem Gehäuse (9) befestigt.

Description

Rotierende elektrische Maschine in Scheibenläufer- und Axialflussbauweise
Rotierende elektrische Maschine in Scheibenläufer- und
Axialflussbauweise mit Permanentmagneten bestückte Rotoren.
Es sind bereits eine Vielzahl von Scheibenläufermaschinen und von Axialflussmaschinen bekannt. Als nächstliegender Stand der Technik werden folgende Schriften benannt. Die Schrift DE 10322474 AI beschreibt eine elektrische Maschine in
Axialflussbauweise, die einen Stator und einen Rotor besitzt, die sich beide über einen axialen Luftspalt gegenüber stehen. Zur kostengünstigen Fertigung der elektrischen Maschine in bauraumsparender Axialflussbauweise, die eine hohe
Drehmomentendichte besitzt, weist der Stator eine Polscheibe mit einer der gewünschten Polzahl entsprechenden Anzahl von über die Scheibenfläche fächerartig verteilten, äquidistanten, flachen Polsegmenten aus magnetisch leitfähigem Material und eine ringförmige Erregerwicklung auf, die zusammen mit einem Rückschlussj och der Polscheibe zugeordnet ist. Von den
Polsegmenten sind die in Folge ungeradzahligen und die in Folge geradzahligen Polsegmente über je ein Verbindungsstück aus magnetisch leitendem Material miteinander verbunden. Der scheibenförmige Rotor ist an der dem Stator zugekehrten flachen Seite mit axial angeordneten Permanentmagneten
besetzt .
In der Schrift DE 20 2012 012 653 Ul ist ebenfalls eine elektrische Axialflussmaschine beschrieben, wobei der
scheibenförmige Stator an beiden flachen Seiten darauf
ausgebildete flache Windungen besitzt. Die besagte flache Windung ist umlaufend über den flachen Stator verteilt. Die flache Windung umfasst eine Mehrzahl von blütenblattähnlichen Bereichen, die im Wesentlichen radial relativ zu einer Achse des Rotors liegen. Vor und hinter dem Stator ist jeweils ein scheibenförmiger Rotor angeordnet, die auf der Seite zum
Stator mit Permanentmagneten besetzt sind. Beide Lösungen besitzen einen verhältnismäßig komplizierten Wicklungsaufbau und damit hohe Kosten bei deren Herstellung.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen einfachen
Wicklungsaufbau am Stator einer Axialflussmaschine zu schaffen und gleichzeitig durch weitere konstruktive Maßnahmen den sonst üblichen Materialeinsatz zu minimieren.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen
insbesondere darin, dass der Aufbau der Wicklung sehr einfach gestaltet ist und technologisch völlig unkompliziert ist.
Durch fehlende Rückschlussbleche wird die Gesamtmasse der Maschine geringer . Die Welle mit den Rotoren besitzt ein sehr kleines Trägheitsmoment.
Die erfindungsgemäße rotierende elektrische Maschine und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Ansprüchen 1 bis 9 beschrieben. Die Weiterbildung nach Anspruch beschreibt das vorteilhafte Verhältnis der Anzahl der Statorspulen zur Anzahl der
Permanentmagnete der Rotoren im Verhältnis von 3 zu 4 oder in einem Verhältnis von einem ganzzahligen Vielfachen, wobei die Anzahl der Permanentmagnete vorteilhaft stets geradzahlig ist.
Nach Anspruch 3 sind die Permanentmagnete in den Rotoren durchgängig eingearbeitet, d. h. die Oberseiten der
Permanentmagnete schließen mit der Oberseite des Rotors ab oder ragen sogar etwas über die Oberseiten des Rotors hinaus. Die Permanentmagnete können dabei auf einer, zwei oder
mehreren Kreisbahnen in den Rotoren eingearbeitet sein, wobei die Spulen des Stators mit der oder den Kreisbahnen
korrespondierend angeordnet sind. Hierdurch erhöht sich das Drehmoment der Rotoren.
Der Rotor besteht nach Anspruch 4 aus einer nichtmagnetischen Scheibe. Hierdurch wird vermieden, dass sich das magnetische Feld bis zur Welle der elektrischen Maschine ausdehnt. Bei der Weiterbildung nach Anspruch 5 sind die
Permanentmagnete auf oder in der Scheibe des Rotors
angeordnet. Dies kann technologische Vorteile bei der
Verarbeitung der Permanentmagnete ergeben.
Nach Anspruch 6 ist der Rotor zur Welle magnetisch isoliert. Hierdurch wird verhindert, dass das magnetische Feld der elektrischen Maschine sich bis zur Welle ausdehnt. Auf der dem Stator abgewandten Seite des Rotors kann nach
Anspruch 7 eine weitere Scheibe und/oder ein Ringscheibe aus einem magnetischen Werkstoff angeordnet sein, wobei die weitere Scheibe und die Ringscheibe zur Welle magnetisch isoliert sind. Durch die Scheibe oder die Ringscheibe wird ein magnetischer Rückschluss ermöglicht.
Die Spulen des Stators können nach Anspruch 8 als Teilspulen ausgebildet sein. Dies könnte eventuell bei konstruktiven Sonderlösungen der elektrischen Maschine gefordert sein.
Nach Anspruch 9 können zwei oder mehrere Statoren mit davor, dazwischen und dahinter liegenden Rotoren angeordnet sein, wobei die Welle in den Statoren gelagert ist und die Rotoren fest mit der Welle verbunden ist und somit die Anzahl der Statoren gleich n ist und die Anzahl der Rotoren gleich n+1 ist. Somit lassen sich mehrere Statoren mit Rotoren in einer Maschine vereinigen mit dem Ergebnis einer Drehmomenten
Erhöhung gegenüber einer elektrischen Maschine mit einem
Stator und zwei Rotoren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen :
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der rotierenden elektrischen Maschine in Seitenansicht,
Fig. 2 die Seitenansicht eines permanentmagnetbestückten
Rotor s , Fig. 3 der prinzipielle Aufbau einer Stator spule mit einem Ferritkern und
Fig. 4 eine mögliche Prinzipschaltung der Stator spulen von drei elektrisch miteinander gekoppelten Statoren.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit drei Statoren 2.1 bis 2.3 und vier Rotoren 1.1 bis 1.4. Die Statoren 2.1 bis 2.3 besitzen jeweils zwölf Spulen 4, siehe auch Figur 4, und die Rotoren 1.1 bis 1.4 jeweils sechzehn Permanentmagnete 3. Die Permanentmagnete sind in diesem
Beispiel durchgängig in den Rotoren 1.1 bis 1.4 angeordnet, d.h. die Permanentmagnete 3 schließen bündig mit der
Oberfläche der Rotoren 1.1 bis 1.4 ab. Die Spulen 4 und die Permanentmagnete 3 befinden sich jeweils auf einer Kreisbahn in den Rotoren 1,1 bis 1,4 bzw. in den Statoren 2.1 bis 2.3 und korrespondieren miteinander . Die Welle 5 ist in den
Statoren 2.1 bis 2.3 gelagert. Zusätzlich kann eine Lagerung der Welle 5 in rechts und links außenliegenden Stator Scheiben 6 erfolgen. Die Statoren 2. 1 bis 2.3 sind auf einer
Grundplatte 9 befestigt. Die Spulen 4 sind auf vorzugsweise aus Ferritmaterial bestehende zylindrische Kerne gewickelt. Der Querschnitt des Kernes und die beiden Enden des Kernes können von der Kreisform zu bekannten optimalen Formen
abweichen. Durch die Anordnung der Spulen 4 mit den Kernen parallel zur Welle 5 ergibt ein axiales Magnetfeld.
Die Magnete 3 der Rotoren 1 sind wechselseitig polarisiert. Die Anzahl der Permanentmagnete 3 ist vorzugsweise
geradzahlig. Die Permanentmagnete 3 der Rotoren 1.1 bis 1.4 sowie die Spulen 4 der Statoren 2.1 bis 2.3 sind zueinander gleichsinnig bei jeweils gleichem Winkel angeordnet.
Die Schaltung der Spulen 4 ist wie bei typischen bürstenlosen Gleichstrommaschinen möglich. Ein Beispiel ist in Figur 4 dargestellt. Die Anschlüsse R, S und T befinden sich an den Eingängen der Spulen LI, L2 und L3 des ersten Stators 2.1. Deren Ausgänge sind jeweils mit den Spulen L13, L14 und L15 gleicher Position des zweiten Stators 2.2 in Reihe geschaltet. Deren Ausgänge sind mit den Eingängen der entsprechenden Spulen L25, L26 und L27 des Stators 2.3 in Reihe geschalten. Der Ausgang von L25 ist mit dem Eingang von L4 verbunden usw. So werden alle Spulen der R- , S- und T-Wicklung in Reihe geschalten. Werden die Ausgänge von L34, L35 und L36
miteinander verbunden, entsteht eine Sternschaltung. In Figur 4 sind die notwendigen Verbindungen für eine Dreieckschaltung gezeigt. Unter Beachtung der Stromrichtung und der Zuordnung der Spulen 4 zur RST-Wicklung sind eine Vielzahl verschiedener Parallel- und Reihenschaltungen mit entsprechend
unterschiedlichen Innenwiderständen möglich.
Auf den Rotor 1.1 wird durch den entsprechenden Strom des Stators 2.1 ein Drehmoment erzeugt. Durch die momentane
Anordnung der Permanentmagnete 3 des Rotors 1.2 sorgt dieser für den magnetischen Rückschluss . Umgekehrt entsteht im Rotor 1.2 ebenfalls durch den Stator 2.1 ein Drehmoment, wobei hierfür der Rotor 1.1. für den magnetischen Rückschluss sorgt. Dieser Vorgang wiederholt sich für den Rotor 1.2, den Stator 2.2 und den Rotor 1.3 und weiter nach rechts betrachtet in Figur 1 für den Rotor 1.3, den Stator 2.3 und den Rotor 1.4.
Die Permanentmagnete 3 können zwecks Erhöhung der Drehmomente auf einer, zwei oder mehreren Kreisbahnen in den Rotoren 1 eingearbeitet sein und die Spulen 4 analog in den Statoren 2 angeordnet sein. Die Magnete 3 der einzelnen Kreisbahnen korrespondieren mit den Spulen 4 der entsprechenden
Kreisbahnen .
Die Anzahl der Spulen 4 des Stators 2 stehen zur Anzahl der Permanentmagnete 3 auf dem Rotor 1 vorzugsweise im Verhältnis von drei Spulen 4 zu vier Permanentmagneten 3 oder einem ganzzahligen Vielfachen davon, so z . B. im Verhältnis 9:12 oder 12:16. Andere Verhältnisse sind denkbar. Auf der dem Stator 2 abgewandten Seite der Scheibe 1 kann eine weitere Scheibe 7 und/oder eine Ringscheibe 8 aus einem magnetischen Werkstoff angeordnet sein. Durch die Scheibe 7 bzw. Ringscheibe 8 wird ein starker magnetischer Rückschluss geschaffen ist. Die Scheibe 7 und die Ringscheibe 8 sind zur Welle 5 magnetisch isoliert.
Die Spule 4 kann sehr leicht auf den Spulenkern aufgewickelt werden. Die Verbindung der Spulen 4 untereinander ist ebenfalls unproblematisch. Bei gewünschten konstruktiven Detaillösungen können die Spulen 4 auch aus Teilspulen bestehen .
Zusammenstellung der Bezugszeichen
1 - Rotor , Scheibe
1. , 1 - Rotor 1 einer Maschine
1 , .2 - Rotor 2 einer Maschine
1 , .3 - Rotor 3 einer Maschine
1 , .4 - Rotor 4 einer Maschine
2 - Stator
2 , .1 - Stator 1 einer Maschine
2 .2 - Stator 2 einer Maschine
2 .3 - Stator 3 einer Maschine
3 - Permanentmagnet
4 - Spule
5 - Welle
6 - Stator scheibe
7 - Scheibe
8 - Ringscheibe
9 - Grundplatte, Gehäuse

Claims

Patentansprüche
1. Rotierende elektrische Maschine in Scheibenläufer- und Axial flussbauweise , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen mindestens zwei scheibenförmigen,
permanentmagnetbestückten Rotoren (1) ein Stator (2) mit zwischen den Permanentmagneten (3) der Rotoren (1) axial angeordneten Spulen (4) vorgesehen sind und mit den
Permanentmagneten (3) korrespondieren und dass der Stator (2) mittig eine an dem Stator (2) gelagerte Welle (5) besitzt und/oder dass die Welle (5) an außerhalb der Rotoren (1) liegenden Stator Scheiben (6) gelagert ist, und an der Welle (5) die Rotoren (1) befestigt sind und der Stator (2) bzw. Statoren (2) und die Stator Scheiben (6) an einer Grundplatte (9) bzw. Gehäuse (9) befestigt sind.
2. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Anzahl der Spulen (4) des Stators (2) zur Anzahl der Permanentmagnete (3) auf dem Rotor (1) vorzugsweise im
Verhältnis von drei Spulen (4) zu vier Permanentmagneten (3) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon angeordnet sind.
3. Rotierende elektrische Maschine nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Permanentmagnete (3) auf einer, zwei oder mehreren Kreisbahnen in den Rotoren (1) durchgängig eingearbeitet sind und die Spulen (4) mit der oder den Kreisbahnen
korrespondierend angeordnet sind.
4. Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Rotor (1) aus einer nichtmagnetischen Scheibe (1) besteht .
5. Rotierende elektrische Maschine nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Permanentmagnete (3) auf oder in der Scheibe (1) angeordnet sind.
6. Rotierende elektrische Maschine nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Rotor (1) zur Welle (5) magnetisch isoliert ist.
7. Rotierende elektrische Maschine nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass auf der dem Stator (2) abgewandten Seite der Scheibe (1) eine weitere Scheibe (7) und/oder eine Ringscheibe (8) aus einem magnetischen Werkstoff angeordnet ist und dass die weitere Scheibe (7) und die Ringscheibe (8) zur Welle (5) magnetisch isoliert sind.
8. Rotierende elektrische Maschine nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Spule (4) aus Teilspulen ausgebildet ist
9. Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwei oder mehrere Statoren (2) mit davor, dazwischen und dahinter liegenden Rotoren (1) angeordnet sind, wobei die Welle (5) in den Statoren (2) gelagert ist und die Rotoren (1) fest mit der Welle (5) verbunden sind und somit die Anzahl der Statoren (2) gleich n ist und die Anzahl der Rotoren (1) gleich n+1 ist .
EP16723635.5A 2015-02-26 2016-02-25 Rotierende elektrische maschine in scheibenläufer- und axilaflussbauweise Withdrawn EP3262740A1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015102804.2A DE102015102804A1 (de) 2015-02-26 2015-02-26 Rotierende elektrische Maschine in Scheibenläufer- und Axialflussbauweise
PCT/DE2016/100082 WO2016134702A1 (de) 2015-02-26 2016-02-25 Rotierende elektrische maschine in scheibenläufer- und axilaflussbauweise

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Publication Number Publication Date
EP3262740A1 true EP3262740A1 (de) 2018-01-03

Family

ID=56024062

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP16723635.5A Withdrawn EP3262740A1 (de) 2015-02-26 2016-02-25 Rotierende elektrische maschine in scheibenläufer- und axilaflussbauweise

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US (1) US20180034352A1 (de)
EP (1) EP3262740A1 (de)
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CN (1) CN107431423A (de)
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