WO2014033677A2 - Elektromechanischer wandler - Google Patents

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WO2014033677A2
WO2014033677A2 PCT/IB2013/058154 IB2013058154W WO2014033677A2 WO 2014033677 A2 WO2014033677 A2 WO 2014033677A2 IB 2013058154 W IB2013058154 W IB 2013058154W WO 2014033677 A2 WO2014033677 A2 WO 2014033677A2
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rotor
stator
electromechanical transducer
projections
stators
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WO2014033677A4 (de
WO2014033677A3 (de
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Rainer Lenz
Torsten Keller
Sven Schmidt
Thomas Bartsch
Philip HENNIG
Erik BRAUNE
Maik HOHMUTH
Original Assignee
Leantec Motor Gmbh & Co. Kg
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Priority to JP2015529188A priority patent/JP6324384B2/ja
Priority to US14/424,547 priority patent/US9698633B2/en
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Publication of WO2014033677A3 publication Critical patent/WO2014033677A3/de
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/145—Stator cores with salient poles having an annular coil, e.g. of the claw-pole type
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    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
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    • H02K1/2795—Rotors axially facing stators the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2798—Rotors axially facing stators the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets where both axial sides of the stator face a rotor
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    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/12—Transversal flux machines

Definitions

  • the present invention relates to an electromechanical transducer having at least one disc or annular rotor, in and / or on the permanent magnets concentrically arranged radially, and at least two stators provided on both sides of the rotor, wherein the stators are at least partially made of soft magnetic material; each stator having a first stator section with radially outer Shen lying support beam for the rotor opposite the first magnetic active surfaces of the stator and a second stator with radially inner support bars for the rotor opposite second magnetic active surfaces of the stator; an annular winding groove for receiving at least one winding is provided between these stator sections; the support bars are each arranged in an annular manner and each extend parallel to the rotor axis in the direction of the rotor; the magnetic active surfaces of the stators are end faces of projections which are equally spaced from each other and project in the direction of the rotor from the support beams; each projecting at the radially outer Shen carrying beams projections with respect to the Auskragungsa
  • an electromechanical converter which has ironless disk-shaped rotors which carry single-row permanent magnets arranged in a concentric circle.
  • annular stators are arranged on both sides of the rotor disks.
  • the sides of the stators, which are opposite to the rotor, have radially outward lying and radially inward, each grooved interfaces. These interfaces are in relation to the slot pitch by a half Bes measure each other arranged angularly offset.
  • the radially au Shen and the radially inner boundary surfaces are separated by a circumferential annular groove.
  • the windings are arranged, which are electrically contacted in both, arranged on both sides of the rotor stators with the same direction polarity.
  • the rotors are formed of an ironless, non-magnetic material and equipped with the permanent magnets such that the connecting line of the magnetic north and south poles of the permanent magnets in the circumferential direction and repels adjacent permanent magnets.
  • the known direct drive is characterized by an axially short overall length and high uniformity of torque at high specific torques.
  • the problem is the relatively expensive production technology, in which the individual permanent magnets must be suitably introduced into the rotor.
  • the efficiency of the known direct drive is not optimal, since the use of ironless permanent magnets is disadvantageous here and leads to a lower power density.
  • the document DE 29 13 691 A1 discloses an electric motor having eight approximately U-shaped laminated pole pieces sitting astride an approximately square stator winding with rounded corners.
  • the legs of the odd-numbered pole shoes are the same length and protrude radially inwards.
  • the legs of the even-numbered pole shoes are also the same length and protrude radially outward Shen.
  • On both sides of the stator are arranged rotor discs made of ferromagnetic material.
  • On the end faces of the pole pieces of the stator facing radial sides of the rotor discs alternating north and south poles are formed by means of permanent magnets at equal angular intervals.
  • the upper and lower U-sides of the pole pieces overlap the stator winding in the form of a claw in radial alignment.
  • the inwardly oriented pole segments are connected and held by an externa ßeren hollow cylinder and the outward Shen Polse of a lying in the middle of the stator, ie on the extension of the axis of rotation of the machine, central solid cylinder.
  • the equidistant pole segments are made of magnetically conductive material and are arranged so that in the circumferential direction an outward Shen directed pole segment follows an inwardly directed pole segment.
  • a yoke yoke is provided, which connects the externa ßeren connection hollow cylinder with the central connecting solid cylinder.
  • an excitation winding designed as an annular coil is arranged coaxially with the yoke yoke and pole disk.
  • the rotor of the known machine has a disc-shaped rotor body, the disk surface facing the respective stator is fully occupied with adjacent permanent magnets.
  • the magnetization direction is in opposite directions in the circumferential direction of the permanent magnet.
  • this electric machine has a rotor and only one stator.
  • the electrical machine is constructed symmetrically, with stators being provided on both sides of the rotor.
  • the well-known electric machine has only a few poles. Since the Statorpolsegmente each extend almost over the entire radius of the stator in the electric machine, the number of poles is also limited geometrically, so that the known electric machine is not suitable for high specific torques.
  • the permanent magnets on both disc sides of the rotor to be arranged, for example, stick, whereby the rotor is relatively heavy.
  • the entire rotor disk may be formed of magnetic material. From the document DE 298 14 964 U1 a generator of the rotation type is also known, which can also be assigned to the genus listed above. The generator is intended for attachment to a hub of a bicycle.
  • the known generator comprises a magnetic rotor which is composed of a number of adjacent, mutually alternating in polarity permanent magnet to a rotor ring.
  • the rotor is held by the cage-shaped hub from the outside Shen and rotated with the rotating hub, resulting in an external rotor principle.
  • the hub is mounted on a shaft whose two ends are attached to a bicycle frame. The shaft is passed through a through hole of the rotor.
  • each of the stator elements has an annular inner frame from which spaced dovetail-shaped first stator pole segments extend radially outward, and an annular outer frame from which spaced dovetail second stator pole segments extend radially inwardly and in which the inner frame abuts received thereon first Statorpolsegmenten is added.
  • the number of first stator pole segments is equal to the number of second stator pole segments.
  • the Statorpolsegmente and their distances are formed so that the first Statorpolsegmente engage in the distances between the second Statorpolsegmente without contacting each other, and vice versa.
  • the winding is located in each case in the space between the inner and the outer frame.
  • This generator also has only a few poles and is therefore not intended for high torques.
  • the composite of individual permanent magnets rotor is not suitable for receiving high forces.
  • an electromechanical transducer of the type mentioned in which the radius in which the radially inner support bars are spaced from the axis of rotation of the electromechanical transducer is greater than the radial extent of the magnetic active surfaces of the stators.
  • the radially outer and radially inwardly arranged magnetically active boundary surfaces of the stators and the outgoing of the support beams projections provided at a significant distance from the axis of rotation of the rotor.
  • the magnetically active boundary surfaces of the stators which are arranged radially on the outside and radially inward, form a circular ring spaced apart from the axis of rotation about the axis of rotation of the electromechanical transducer.
  • This arrangement makes it possible to arrange a plurality of stator pole segments in the circumferential direction next to one another along the circular ring, corresponding to many permanent magnets of the rotor.
  • the electromechanical transducer according to the invention can therefore be designed very high-pole.
  • the radially inner support bars of the stator form a hollow shaft about the axis of rotation of the rotor.
  • the rotor is preferably annular with a corresponding to the size of the Statorinnenhohlraums formed inner hole, ie as a hollow shaft provided.
  • the inner cavity of the electromechanical transducer can be used for example in the mobile application area for accommodating a transmission and / or a braking device or for example in the stationary application area for a line and / or workpiece feed.
  • radially extending webs of solid, nonmagnetic material are provided in the circumferential direction of the at least one rotor between the permanent magnets or between pairs of permanent magnet pairs each having a north pole and a south pole.
  • no magnetic material is used in the composite.
  • the non-magnetic webs provided between the permanent magnets or the pairs of permanent magnets provide intermediate reinforcements of non-magnetic material. This non-magnetic material may be selected to have increased mechanical strength as compared with the magnetic material of the permanent magnets.
  • the converter according to the invention can be designed with a low rotor weight and still be used for the production of large engines with high power density.
  • the permanent magnets or the permanent magnet pairs are spaced apart from one another into an amagnetic rotor base carrier, such as, for example, a rotor base carrier made of fiber-reinforced plastic.
  • an amagnetic rotor base carrier such as, for example, a rotor base carrier made of fiber-reinforced plastic.
  • the permanent magnets can be arranged so that their magnetically active surfaces on both sides of the rotor base material are effective, so do not have to be glued on both sides of the rotor base support permanent magnets.
  • the rotor as a whole is very light and yet highly stable when choosing a suitable rotor base support material and providing appropriate non-magnetic Eisenversteifonne between the permanent magnet or permanent magnet pairs.
  • the first stator section and the second stator section are stator segments formed separately from one another.
  • This type of structural design facilitates the technological production of the stators of the electromechanical invention Converter.
  • the first and the second stator section with stator back, support beams and projections can be manufactured separately from one another and subsequently suitably mounted.
  • the two stator sections can be provided with different magnetic properties.
  • the projections in the form of the winding groove at least partially overlapping Auskragungszähnen are provided.
  • the tooth shape of the projections has proven particularly useful.
  • the respective magnetic active surface, which faces the rotor surface preferably formed flat on the tooth back of the Auskragungszähne, while the tooth tip region engages over the Wicklungsnut.
  • the tooth tip region may be configured such that windings of suitable size and number can be placed in the winding groove.
  • the cantilever teeth are designed to have a thickness wedge-shaped decreasing at least over the winding groove parallel to the rotor axis, the space for the windings in the winding groove is effectively increased.
  • the projection teeth have a width that is trapezoidally reduced at least in their radial extent over the winding groove. As a result, a suitably large air gap between the projections in the circumferential direction is set.
  • the forehead or the tooth tip region which is opposite the rotor surface in or on which the permanent magnets are provided, is flat.
  • the protruding teeth are rounded towards the rotor, wherein the magnetically active surfaces of the protruding teeth have a curvature profile extending in the circumferential direction of the rotor, ie ascending and descending in the circumferential direction of the rotor.
  • the rounding or curvature of the end edge or end face of the protrusion teeth pointing towards the rotor can, depending on the application, be convex or concave.
  • the first stator section and the second stator section are composed of individual stator lobes, wherein one of the projections is provided on each of the stator lobes, which overlap the winding slot alternately from radially outside and radially inside.
  • the support bars do not form a self-contained ring, but are each formed separately from each other.
  • Each of the stator claws has a claw back forming part of the stator back, a support beam, and a protrusion, with claw spine and projection aligned substantially parallel to each other such that each of the stator claws can be placed in a clip around the coil groove.
  • the Statorklauen are mutually oppositely arranged so that the projections comb-like mesh without touching each other.
  • the winding groove is formed in the space between the claw back, the support beam and the projections.
  • the electromechanical transducer according to the invention preferably has a rotor base support in or on which the permanent magnets of the rotor are provided.
  • the rotor base support can be formed in the present invention both of ferrous and iron-free material. A restriction to non-ferrous materials is not necessary here.
  • the permanent magnets provided in the rotor can be formed from iron materials or from non-ferrous materials.
  • the advantage of using permanent magnets made of iron materials is the higher achievable energy density, which is higher than with all non-ferrous materials, for example when using neodymium-iron-boron as the material for the permanent magnets.
  • certain non-ferrous materials have advantages higher temperatures, since their Curie point is sometimes higher than that of ferrous materials.
  • the permanent magnets are arranged with each other in the circumferential direction of the rotor alternating north and south poles in and / or on the rotor.
  • the permanent magnets in the rotor do not abut in the circumferential direction of the rotor, as is the case for example in the direct drive of document EP 2 255 431 B1.
  • the magnetic flux can be conducted directly in the axial direction starting from the projections of a stator via the north and south poles of the permanent magnets in the rotor to the projections of the stator located on the other side of the rotor become.
  • the two stator sections of a stator or the stator claws associated with these stator sections receive a different polarity. That is, when the stator sections are composed of individual stator lobes, the stator lobes each juxtaposed have respective magnetic poles opposite to each other.
  • the magnetic effect of the Statorklauen leads to additional forces acting on the rotor, whereby the efficiency of the electromechanical transducer according to the invention can be further increased.
  • the alternating arrangement of north and south poles in the rotor further has the advantage that in a further construction example of the invention
  • Mechanical transducer of the rotor made of a magnetic material and the permanent magnets in the rotor can be formed in a straightforward manner by magnetization of the magnetic material.
  • the magnetization can be done for example by applying appropriate terminals of a magnetizing at the outer and inner edge of an annular rotor.
  • the electromechanical transducer is designed according to an internal rotor principle, that is, with at least one rotor attached to a central, rotatable shaft of the electromechanical transducer.
  • the stators are segmented in the circumferential direction of the electromechanical transducer. This design makes it easier to provide each stator with a separate winding and thus to operate the electromechanical converter in multiple phases.
  • Figure 1 shows schematically a detail of an embodiment of an electromechanical transducer according to the invention in a perspective view
  • FIG. 2 schematically shows a detail of a further embodiment of the electromechanical transducer according to the invention with a cascade-shaped double-stator-rotor-stator arrangement in a perspective view;
  • FIG. 3 shows schematically the course of the magnetic flux in the in the figures
  • Figures 1 and 2 show embodiments of the electromechanical transducer;
  • Figure 4 shows schematically in comparison to Figure 3 the magnetic flux curve according to the document EP 2 255 431 B1 shows;
  • Figure 5 shows schematically a perspective view of another embodiment of the electromechanical transducer according to the invention.
  • Figure 6 shows schematically a rotor of the embodiment of Figure 5 in a perspective plan view
  • FIG. 7 schematically shows, in a perspective view, a section of the electromechanical transducer of FIG. 1, in which, by way of example, two stator lugs arranged opposite one another and the winding running through these stator lobes are illustrated;
  • Figure 8 shows schematically in a perspective plan view a stator of the electromechanical transducer of Figure 1 with extending through the stator windings;
  • FIG. 9 schematically shows a detailed illustration of the electromechanical transducer from FIG. 1, with individual stator lugs provided on both sides of the rotor and a winding extending through the stator lobes of a stator, respectively, and with the other stator lobes of the stator being omitted for the sake of clarity;
  • Figure 10 shows schematically a further embodiment variant of the electromechanical transducer according to the invention with a cascade arrangement of stator, rotor and stator in a perspective view;
  • FIG. 1 1 schematically shows an embodiment of the electromechanical transducer according to the invention with a triple cascade arrangement of stator, rotor and stator in a perspective view; and
  • FIG. 12 schematically illustrates a rotor assembly designed according to the internal rotor principle according to an embodiment of the electromechanical transducer according to the invention.
  • Figure 1 shows schematically a section of an embodiment of an inventive electromechanical transducer 1 a. The details of the electromechanical transducer 1 a are shown in Figure 1 in a perspective view.
  • the electromagnetic transducer 1 a has a rotor 2, of which in FIG. 1 only permanent magnets 21, 22 provided in the rotor 2 are shown.
  • the permanent magnets 21, 22 are provided in a rotor base support 23 not shown in FIG. 1 but shown in FIG. 6 and arranged annularly in the rotor base support 23.
  • the rotor 2 is rotatable about a rotor axis which corresponds to the axis of rotation A of the electromagnetic transducer 1 c shown in FIG.
  • the permanent magnets 21, 22 are provided radially or radially in the rotor 2 in radial alignment r of the rotor 2.
  • the north poles N and south poles S of the permanent magnets 21, 22 are arranged in the embodiment shown so that in each case side by side provided permanent magnets 21, 22 repel each other.
  • the permanent magnets 21, 22 in the form of permanent magnet pairs 20, each comprising a north pole N and a south pole S, which are arranged directly adjacent to each other, arranged.
  • the permanent magnet pairs 20 and the permanent magnets 21, 22 are each provided spaced from each other.
  • magnetic webs 24 extending in radial alignment between the pairs of permanent magnets 20 and between permanent magnets 21, 22, respectively.
  • the made of non-magnetic material, such as fiber-reinforced plastic webs 24 form intermediate reinforcements of the rotor 2 between the permanent magnetic areas.
  • the webs 24 can also be omitted.
  • stators 3, 3 'are On both sides of the rotor 2 stators 3, 3 'are provided.
  • the stators 3, 3 'are each provided at the same distance from the rotor 2 to form a double air gap between the stator 3, 3' and rotor 2.
  • the stators 3, 3 'are at least partially made of soft magnetic material.
  • Each of the stators 3, 3 ' has a first radially outwardly disposed stator section 31 and a second, radially inward, at a radial distance to the axis of rotation A of the electromechanical transducer 1 a arranged stator section 32.
  • the stator sections 31, 32 are formed separately from each other and hereinafter suitably arranged in the electromechanical transducer 1 a and optionally interconnected segments of the stators 3, 3 '.
  • Each of the stators 31, 32 has a stator back 43, 53.
  • Support beams 4, 5 extend axially from the stator backs 43, 53 in the direction of the rotor 2.
  • the support beams 4 of the first stator section 31 lie radially outward, while the support beams 5 of the second stator section 32 are arranged radially inward.
  • projections 41, 51 are provided.
  • the projections 41, 51 have a thickness d pointing in the direction of the rotor 2 and a width b in the circumferential direction of the electromechanical transducer 1 a. They are aligned opposite each other in the radial direction r.
  • the projections 41 point radially inward and the projections 51 radially outward.
  • the projections 41, 51 also have planar, the rotor 2 facing end faces, the magnetic active surfaces 42, 52 of the stators 3, 3 'form.
  • the magnetic active surfaces 42, 52 have a radial direction r of the electromechanical transducer 1 a extending length c.
  • the radially inner support bar 5 is provided at a radial distance from the axis of rotation A of the electromechanical transducer 1 a.
  • the radial distance of the supporting beam 5 to the axis of rotation A is greater than the radial extent c of the magnetic active surfaces 42, 52 of the projections 41, 51.
  • the radial distance of the support beam 5 to the axis of rotation A of the electromechanical transducer 1 a 1, the fifth to 10 times as large as the radial extent c of the magnetic active surfaces 42, 52 of the projections 41, 51 of the stators 3, 3 'be.
  • the radial distance of the supporting beam 5 to the axis of rotation A 1, 5 to 6 times as large as the radial extent c of the magnetic active surfaces 42, 52 of the projections 41, 51st In an advantageous embodiment of the invention, the radial distance of the support beam 5 to the rotation axis A 1, 5 to 3 times as large as the radial extent c of the magnetic active surfaces 42, 52 of the projections 41, 51st
  • both the radially outer first stator section 31 and the radially inner second stator section 32 are provided radially outward compared to the transducer center, forming a transducer edge region.
  • the rotor 2 On the supporting beams 4 and 5, a plurality of projections 41, 51 is provided with magnetic active surfaces 42, 52 thereon.
  • the rotor 2 also has a multiplicity of permanent magnets 21, 22 lying opposite the magnetic active surfaces 42, 52 of the stators 3, 3'. This results in a multi-pole arrangement.
  • the inventive electromechanical transducer 1 a is thus suitable for high specific torques.
  • Figure 1 and Figure 2 are each of the stator back 43, the support beam 4 and the projection 41 of the first stator 31 and the Stator Wegen 53, the support beam 5 and the projection 51 of the second stator 32 in one piece, that is, without an intermediate air gap, educated.
  • the Stator Wegen 43, 53 have in the direction of the rotor 2 projecting support beams 4, 5 in the embodiments shown in Figures 1 and 2 in cross section a T-shape. This results in the possibility of providing attachment terminals 9 on the stator back 43, 53, to which the stators 3, 3 'can be connected to another component.
  • Both the projections 41 on the first stator section 31 and the projections 51 on the second stator section 32 are each provided uniformly spaced from one another on the associated supporting beams 4, 5. Between the projections 41 and between the projections 51 each groove-shaped recesses 44, 54 are provided. Between the projections 41 and between the projections 51 a distance a is thus provided, which is typically due to the radia- len arrangement increases radially outward.
  • the groove-shaped recesses 44, 54 in the illustrated plan view, ie in its radial extent, U-shaped, with the support bars 4, 5 towards rounded U-inner corners formed
  • the protrusions 41, 51 are provided on the associated support beams 4, 5 and aligned such that they at least partially overlap the winding groove 6 formed between the radially outer and the radially inner support beams 4, 5 of the respective stator 3, 3 '.
  • the projections 41, 52 are formed in the form of Auskragungszähnen that extend beyond the free space for the winding groove 6 in the radial direction r, starting from the respective support beams 4, 5.
  • the ends 45, 55 of the stator teeth or projections 41, 51 which are offset in the radial direction r in each case lie on a radius or on a line.
  • the protrusions 41, 51 as shown in FIGS. 8 and 9, to overlap the winding groove 6 in such a way that they overlap the winding groove 6 finger-like interlock, but without touching each other laterally.
  • the electromechanical transducer according to the invention also works when the projections 41, 51, the Wicklungsanut 6 incomplete overlap, ie in the form of projecting only over the edge of the winding groove 6 Auskragungsstummeln.
  • the Auskragungszähne have, as already mentioned above, preferably flat end faces facing the rotor 2. As is schematically indicated in FIG. 1 by the tooth form 42 ', the magnetically active end face 42, 52 of the projections 41, 51 may also be rounded off towards the rotor 2. The curvature of the end face of the projections 41, 51 may be convex to the rotor 2, as indicated in Figure 1, or may be concave to the rotor 2 out.
  • the tooth form is formed in the exemplary embodiment of the electromechanical transducer 1 a shown in FIG. 1 such that the projections 41, 51 extend at least over the winding groove 6 in axial alignment of the electromechanical transducer 1 a reduce wedge-shaped with respect to their thickness d.
  • the wedge-shaped decreasing thickness d over the winding groove 6 has the advantage that overall there is more space within the winding groove 6 for receiving windings 7.
  • the Auskragungszähne be reduced in their radial extent r at least over the winding groove 6 trapezoidal in terms of their width b.
  • the decreasing width b of the cantilever teeth in the radial direction r ensures that a suitable air gap exists between the projections 41, 51 and thus prevents a magnetic short circuit between the mutually opposing projections 41, 51.
  • FIG 2 shows schematically a further embodiment of an inventive electromechanical transducer 1 b.
  • the electromechanical transducer 1 b is a two-fold cascade arrangement of the embodiment of the electromechanical transducer 1 a of Figure 1.
  • the electromechanical transducer 1 b thus has two rotors 2, on both sides of both rotors 2 stators 3, 3 'are provided. With regard to the design of the rotors 2 and the stators 3, 3 'reference is made at this point to the above statements to Figure 1.
  • the permanent magnets 21, 22 provided in the respective rotors 2 may also be aligned such that north poles N and south poles S alternate in the circumferential direction U of the electromechanical transducer. This has the advantage that there is a direct course of the magnetic flux from one stator 3 via the rotor 2 to the other stator 3 ', as shown schematically in FIG.
  • FIG. 5 schematically shows a further embodiment of an electromechanical transducer 1 c according to the invention in a perspective view.
  • the electromechanical transducer 1 c has a rotor 2 and two stators 3, 3 'provided on both sides of the rotor 2.
  • the rotor 2 is rotationally symmetrical about a rotor axis A and rotatable about the rotor axis A.
  • the stators 3, 3 ' are fixed in position.
  • Each of the stators 3, 3 ' has two stator sections 31, 32, which will be explained in more detail below. As can already be seen from FIG.
  • each of these stator sections 31, 32 is composed of individual stator lugs 40, 50 which alternately overlap the windings 7 provided in the winding groove 6 with one another radially from the outside.
  • Each of the stator lugs 40, 50 has a stator back 43 or 53, a support bar 4, 5 connected to the stator back 43, 53 and extending in the axial direction A, and projections 41, which are provided on the support beams 4, 5 and extend in the radial direction 51, which will also be explained in more detail below.
  • FIG. 6 shows the rotor 2 of the electromechanical transducer 1 c from FIG. 5 in a perspective plan view of the rotor 2.
  • the rotor 2 has a rotor base support 23 made of an amagnetic material.
  • permanent magnets 21, 22 are provided in the rotor base support 23 .
  • the permanent magnets 21, 22 have in the circumferential direction U of the rotor 2 alternating north poles N and south poles S. It goes without saying that the respectively opposite poles to the north and south poles shown in FIG. 6 are located on the respective rear side of the rotor 2.
  • the rotor base support 23 consists, for example, of a fiber-reinforced plastic.
  • the permanent magnets 21, 22 are embedded in the rotor base support 23 such that their magnetically active surfaces on the upper and lower disc surfaces of the rotor 2 are effective.
  • the magnetically active surfaces of the permanent magnets 21, 22 are flush with the upper and lower disc surfaces of the rotor 2.
  • the permanent magnets 21, 22 are each cuboid and the stator poles are formed with a rectangular magnetic active area 42, 52. This results in a simple and inexpensive production. In principle, however, it is also possible to form the permanent magnets 21, 22 and the magnetic active surfaces 42, 52 of the stator poles trapezoidal. This is particularly recommended in the embodiments of the present invention, in which the radial extent of the permanent magnets 21, 22 and the stator poles is relatively large.
  • FIG. 7 shows schematically and only for demonstration purposes a detail of the electromechanical converter 1 c from FIG. 5.
  • two opposing stator claws 40, 50 of the electromechanical transducer 1 c are illustrated, wherein the stator claws 40, 50 are a Winding groove 6 overlap with windings 7 introduced therein.
  • the other stator clutches provided in addition to the illustrated stator claws 40, 50 are not shown for the sake of clarity.
  • the stator claw 40 is assigned to the first stator section 31 of the stator 3 or 3 '.
  • the stator claw 40 has a stator back 43 extending in the radial direction r, which lies below the windings 7 in the illustration of FIG.
  • Radial outer Shen extending from the stator back 43 in the axial direction A of the electromechanical transducer 1 c of the support beam 4.
  • the projection 41st On the end face of the projection 41, the magnetic active surface 42 is provided, which in the operation of the electromechanical transducer 1 c of the permanent magnets 21, 22 containing rotor portion of the rotor 2 faces.
  • the projection 41 has a thickness d in the axial direction A and a width b in the circumferential direction U.
  • the thickness d and / or the width b of the projection 41 in the direction of the rotor axis A may gradually become smaller.
  • the Statorklaue 40 surrounds the windings 7 in the winding groove 6 like a bow from radially au Shen.
  • the projection 41 forms the Statorklaue 40 from the north pole of Statorklaue 40, while the Statorschreiben 43 south pole S of Statorklaue 40 forms.
  • Statorklaue 50 In addition to the Statorklaue 40 Statorklaue 50 is provided.
  • the stator claw 50 has a radially extending stator back 53, which in the view of FIG. 7 is arranged between the windings 7 and the stator back 43 of the stator claw 40. From the stator back 53 extends in the axial direction of the support bar 51, from which in turn projects radially outwardly the projection 51 with the magnetic active surface 52 provided thereon.
  • the stator claw 50 is polarized opposite to the stator claw 40. That is, in the embodiment of FIG. 7, the protrusion 51 forms the south pole S and the stator back 53 the north pole N of the stator claw 50.
  • the Statorklauen 40, 50 are arranged so that an air gap 8 results in the circumferential direction U between the projections 41, 51.
  • the distance between the projections 41, 51 typically but not necessarily increases from radially outward.
  • Figure 8 shows schematically the stator 3 of the electromechanical transducer 1 c of Figure 5 in a perspective plan view.
  • the projections 41 provided on the radially outer support bars 4 are angularly offset with respect to the projection spacing a by a half pitch relative to the projections 51 respectively provided on the radially inner support bars 5. In this way, the projections 41 can freely intervene in the distance between the adjacent projections 51.
  • the protrusions 51 provided on the radially inner support beams 5 can freely engage in the spacing between the protrusions 41.
  • the projecting distance a between the projections 41 or between the projections 51 is significantly greater than the width b of the projections 41, 51.
  • the stator claws 40, 50 surround the winding groove 6 with the windings 7 provided therein.
  • windings 7 are shown in the exemplary embodiments, it goes without saying that basically one winding 7 or more than two windings 7 can be provided.
  • the windings 7 inside hollow windings, so that the windings 7 from the inside, for example with a cooling fluid, are coolable.
  • the windings 7 are, as shown schematically in FIG. 8, suitably conducted to the outside on at least one side of the stator 3 in order to be suitably electrically contacted.
  • Figure 9 shows schematically a detail of Figure 8 in a perspective side view of the rotor 2 and two provided on both sides of the rotor 2 Statorklauenpacke.
  • the further stator claws 40, 50 of the stators 3, 3 ' have been omitted for the sake of clarity.
  • the active magnetic surfaces 42, 52 of the stator lobes 40, 50 of the stators 3, 3 ' are each equally spaced from the rotor 2. Accordingly, the rotor 2 is able to rotate freely between the stators 3, 3 '.
  • FIG. 10 schematically shows a further embodiment of an electromechanical transducer 1 d according to the invention with two stator-rotor-stator arrangements arranged axially one above the other.
  • the rotors 2 and the stators 3, 3 ' reference is made to the above statements to the figures 5 to 9.
  • FIG 1 yet another embodiment of an inventive electromechanical transducer 1 e is shown schematically.
  • the electromechanical transducer 1 e has a triple cascade arrangement based on the embodiment of the electromechanical transducer 1 c of Figure 5.
  • the electromechanical converter 1 e has three stator-rotor-stator arrangements stacked one above the other in the axial direction, to the details of which reference is made to the above statements with regard to FIGS. 5 to 9.
  • the electromechanical converter 1a, 1b, 1c, 1d, 1e can be used both as a motor and a generator.
  • the electromechanical transducer 1a, 1b, 1c, 1d, 1e is suitable as a direct drive, which can be provided with an axially short overall length.
  • the electromechanical converter 1a, 1b, 1c, 1d, 1e has a particularly high efficiency, wherein high specific torques can be achieved in the use of the electromechanical converter 1a, 1b, 1c, 1d, 1e in electrical machines. Furthermore, the electromechanical transducer 1a, 1b, 1c, 1d, 1e according to the invention is distinguished by a technologically simplified producibility and, as a result, reduced production costs.
  • the electromechanical transducer 1a, 1b, 1c, 1d, 1e according to the invention can be connected in various ways, as known in the art.
  • the electromechanical transducer 1a, 1b, 1c, 1d, 1e3-phase is operated using a star point circuit. In principle, however, two, four or even more than four phases are possible during operation of the electromechanical converter 1a, 1b, 1c, 1d, 1e according to the invention. In addition, it is also conceivable to operate the electromechanical converter 1a, 1b, 1c, 1d, 1e with delta connection.
  • the stators 3, 3 ' can be segmented in the circumferential direction U of the electromechanical transducer 1a, 1b, 1c, 1d, 1e in an embodiment not shown in the figures ,
  • An advantage of the embodiment of the electromechanical transducer 1c, 1d, 1e illustrated in FIGS. 5 to 11 is that the illustrated electromechanical transducer see converter 1 c, 1 d, 1 e can be provided with an optimized Polannonshack, that is, a lower compared to the prior art pole number, although the inventive electromechanical transducer 1 c, 1 d, 1 e one at least equal has high efficiency as known synchronous machines.
  • FIG. 12 schematically illustrates a rotor arrangement of an embodiment of an electromechanical converter according to the invention operating according to an internal rotor principle.
  • the rotor 2 is mounted on a shaft 25 which can rotate about the axis of rotation A and which, for example, can be a hollow shaft.
  • the connection of the rotor 2 to the shaft 25 takes place with at least one connecting flange 26.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler mit wenigstens einem scheiben- oder ringförmigen Rotor, in und/oder auf dem Permanentmagnete kon- zentrisch strahlenförmig angeordnet sind, und wenigstens zwei beidseitig des Rotors vorgesehenen Statoren, wobei die Statoren zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material gefertigt sind; jeder Stator einen ersten Statorabschnitt mit radial außen liegen- den Tragebalken für dem Rotor gegenüber liegende erste magnetische Aktivflächen des Stators und einen zweiten Statorabschnitt mit radial innen liegenden Tragebalken für dem Rotor gegenüber liegende zweite magnetische Aktivflächen des Stators aufweist; zwischen diesen Statorabschnitten eine ringförmige Wicklungsnut zur Aufnahme wenigs- tens einer Wicklung vorgesehen ist; die Tragebalken jeweils ringförmig angeordnet sind und sich jeweils parallel zur Rotorachse in Richtung des Rotors erstrecken; die magneti- schen Aktivflächen der Statoren Stirnflächen von voneinander gleichmäßig beabstande- ten, in Richtung des Rotors von den Tragebalken vorstehenden Auskragungen sind; die jeweils an den radial außen liegenden Tragebalken vorgesehenen Auskragungen bezüg- lich des Auskragungsabstandes um ein halbes Teilungsmaß gegenüber den jeweils an den radial innen liegenden Tragebalken vorgesehenen Auskragungen winkelversetzt sind, und bei wenigstens einem der Statoren die an den radial außen liegenden Trage- balken vorgesehenen Auskragungen und/oder die an den radial innen liegenden Trage- balken vorgesehenen Auskragungen die Wicklungsnut in radialer Ausrichtung wenigs- tens teilweise übergreifen, sodass die Wicklungsnut zwischen Statorrücken, von welchen die Tragebalken gehalten werden, den Tragebalken und den Auskragungen ausgebildet ist, wobei zwischen den Auskragungen jeweils ein sich parallel zur Umfangsrichtung des Rotors erstreckender Luftspalt vorgesehen ist. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfin- dung, einen elektromechanischen Wandler der oben genannten Gattung mit erhöhter Effizienz und technologisch einfacher Herstellbarkeit zur Verfügung zu stellen. Die Auf- gabe wird durch einen elektromechanischen Wandler der oben genannten Gattung ge- löst, bei welchem der Radius, in welchem die radial innen liegenden Tragebalken von der Drehachse des elektromechanischen Wandlers beabstandet sind, größer als die ra- diale Ausdehnung der magnetischen Aktivflächen der Statoren ist.

Description

Elektromechanischer Wandler
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler mit wenigstens einem Scheiben- oder ringförmigen Rotor, in und/oder auf dem Permanentmagnete konzentrisch strahlenförmig angeordnet sind, und wenigstens zwei beidseitig des Rotors vorgesehenen Statoren, wobei die Statoren zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material gefertigt sind; jeder Stator einen ersten Statorabschnitt mit radial au ßen liegenden Tragebalken für dem Rotor gegenüber liegende erste magnetische Aktivflächen des Stators und einen zweiten Statorabschnitt mit radial innen liegenden Tragebalken für dem Rotor gegenüber liegende zweite magnetische Aktivflächen des Stators aufweist; zwischen diesen Statorabschnitten eine ringförmige Wicklungsnut zur Aufnahme wenigstens einer Wicklung vorgesehen ist; die Tragebalken jeweils ringförmig angeordnet sind und sich jeweils parallel zur Rotorachse in Richtung des Rotors erstrecken; die magnetischen Aktivflächen der Statoren Stirnflächen von voneinander gleichmäßig beabstande- ten, in Richtung des Rotors von den Tragebalken vorstehenden Auskragungen sind; die jeweils an den radial au ßen liegenden Tragebalken vorgesehenen Auskragungen bezüglich des Auskragungsabstandes um ein halbes Teilungsmaß gegenüber den jeweils an den radial innen liegenden Tragebalken vorgesehenen Auskragungen winkelversetzt sind, und bei wenigstens einem der Statoren die an den radial außen liegenden Tragebalken vorgesehenen Auskragungen und/oder die an den radial innen liegenden Tragebalken vorgesehenen Auskragungen die Wicklungsnut in radialer Ausrichtung wenigstens teilweise übergreifen, sodass die Wicklungsnut zwischen Statorrücken, von welchen die Tragebalken gehalten werden, den Tragebalken und den Auskragungen ausgebildet ist, und wobei zwischen den Auskragungen jeweils ein sich parallel zur Umfangsrichtung des Rotors erstreckender Luftspalt vorgesehen ist.
Aus der Druckschrift EP 2 255 431 B1 ist ein elektromechansicher Wandler bekannt, der eisenlose, scheibenförmige Rotoren besitzt, welche in einem konzentrischen Kreis einreihig angeordnete Permanentmagnete tragen. Beidseitig der Rotorscheiben sind kreisringförmige Statoren angeordnet. Die Seiten der Statoren, die dem Rotor gegenüber liegen, weisen radial au ßen liegende und radial innen liegende, jeweils genutete Grenzflächen auf. Diese Grenzflächen sind gegeneinander bezüglich der Nutteilung um ein hal- bes Maß zueinander winkelversetzt angeordnet. Darüber hinaus sind die radial au ßen und die radial innen liegenden Grenzflächen durch eine umlaufende Ringnut voneinander getrennt. In der Ringnut sind die Wicklungen angeordnet, welche bei beiden, beidseitig des Rotors angeordneten Statoren mit gleich gerichteter Polung elektrisch kontaktiert sind.
Die Rotoren sind aus einem eisenlosen, amagnetischen Material ausgebildet und mit den Permanentmagneten derart bestückt, dass die Verbindungslinie der magnetischen Nord- und Südpole der Permanentmagnete in Umfangsrichtung zeigt und sich benachbarte Permanentmagnete abstoßen.
Der bekannte Direktantrieb zeichnet sich durch eine axial kurze Baulänge und eine hohe Gleichförmigkeit des Drehmomentes bei hohen spezifischen Drehmomenten aus. Problematisch ist jedoch die relativ aufwändige Herstellungstechnologie, bei welcher die einzelnen Permanentmagnete in den Rotor geeignet eingebracht werden müssen. Zudem ist die Effizienz des bekannten Direktantriebes nicht optimal, da die Verwendung eisenloser Permanentmagnete hier von Nachteil ist und zu einer geringeren Kraftdichte führt.
Die Druckschrift DE 29 13 691 A1 offenbart einen Elektromotor, der acht etwa U-förmige lamellierte Polschuhe besitzt, die rittlings auf einer etwa quadratischen Ständerwicklung mit abgerundeten Ecken sitzen. Die Schenkel der ungeradzahligen Polschuhe sind gleich lang und ragen radial nach innen. Die Schenkel der geradzahligen Polschuhe sind ebenfalls gleich lang und ragen radial nach au ßen. Beidseitig des Ständers sind Läuferscheiben aus ferromagnetischem Material angeordnet. Auf den den Stirnflächen der Polschuhe des Ständers zugekehrten Radialseiten der Läuferscheiben sind in gleichen Winkelabständen einander abwechselnde Nord- und Südpole mittels Dauermagneten ausgebildet. Die oberen und unteren U-Seiten der Polschuhe übergreifen die Ständerwicklung klauenförmig in radialer Ausrichtung.
Nachteilig ist an dem Elektromotor der Druckschrift DE 29 13 691 A1 , dass hier nur einseitig Kräfte auf die vorgesehenen Rotorscheiben wirken. Das vorgestellte Motorprinzip wird daher seit vielen Jahren nicht mehr verwendet. Aus der Druckschrift DE 103 22 474 A1 ist ferner eine elektrische Maschine der oben genannten Gattung bekannt, die in Axialflussweise als Scheibenläufer ausgebildet ist. Der Stator dieser elektrischen Maschine weist eine Polscheibe mit vom Statorumfang und von der Statormitte ausgehenden, ineinander greifenden, trapezförmigen, flachen Polsegmenten auf. Dabei werden die nach innen ausgerichteten Polsegmente durch einen äu ßeren Hohlzylinder und die nach au ßen gerichtete Polsegmente von einem in der Statormitte, also auf der Verlängerung der Drehachse der Maschine liegenden, zentralen Vollzylinder verbunden und gehalten. Die äquidistanten Polsegmente bestehen aus magnetisch leitfähigem Material und sind so angeordnet, dass in Umfangsrichtung ein nach au ßen gerichtetes Polsegment auf ein nach innen gerichtetes Polsegment folgt. Rückseitig des Stators ist ein Rückschlussjoch vorgesehen, das den äu ßeren Verbindungshohlzylinder mit dem zentralen Verbindungsvollzylinder verbindet. Zwischen Rückschlussjoch und der Polscheibe ist eine als Ringspule ausgeführte Erregerwicklung koaxial zu Rückschlussjoch und Polscheibe angeordnet.
Der Rotor der bekannten Maschine besitzt einen scheibenförmigen Rotorkörper, dessen dem jeweiligen Stator zugekehrte Scheibenfläche vollflächig mit aneinander angrenzenden Permanentmagneten besetzt ist. Die Magnetisierungsrichtung ist in in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Permanentmagneten gegensinnig.
In einer ersten Ausführungsform weist diese elektrische Maschine einen Rotor und nur einen Stator auf. Um Lagerprobleme durch die auf den Rotor wirkenden elektromagnetischen Kräfte zu vermeiden, ist die elektrische Maschine in einer verbesserten Ausführungsform symmetrisch aufgebaut, wobei beidseitig des Rotors Statoren vorgesehen sind.
Die bekannte elektrische Maschine ist besitzt nur wenige Pole. Da sich bei der elektrischen Maschine die Statorpolsegmente jeweils nahezu über den gesamten Radius des Stators erstrecken, ist die Polanzahl auch geometrisch begrenzt, sodass sich die bekannte elektrische Maschine nicht für hohe spezifische Drehmomente eignet. Zudem sind bei einem symmetrischen Aufbau der bekannten elektrischen Maschine die Permanentmagneten auf beiden Scheibenseiten des Rotors anzuordnen, beispielsweise aufzukleben, wodurch der Rotor relativ schwer wird. Alternativ kann bei der bekannten elektrischen Maschine auch die gesamte Rotorscheibe aus Magnetmaterial ausgebildet sein. Aus der Druckschrift DE 298 14 964 U1 ist ferner ein Generator vom Rotationstyp bekannt, der ebenfalls der oben aufgeführten Gattung zugeordnet werden kann. Der Generator ist zur Befestigung an einer Nabe eines Fahrrades vorgesehen. Der bekannte Generator weist einen magnetischen Rotor auf, der aus einer Anzahl aneinander angrenzender, einander in der Polarität abwechselnder Permanentmagneten zu einem Rotorring zusammengesetzt ist. Der Rotor wird durch die käfigförmig ausgebildete Nabe von au ßen gehalten und mit der rotierenden Nabe mitgedreht, wodurch sich ein Außenläuferprinzip ergibt. Die Nabe ist auf eine Welle aufgesetzt, deren beide Enden an einem Fahrradrahmen befestigt sind. Die Welle ist durch ein Durchgangsloch des Rotors hindurchgeführt.
Beidseitig des Rotors sind Statorelemente vorgesehen, die jeweils eine Wicklung umschließen. Jedes der Statorelemente hat einen ringförmigen inneren Rahmen, von welchem sich zueinander beabstandete, schwalbenschwanzförmige erste Statorpolsegmente radial nach außen erstrecken, sowie einen ringförmigen äußeren Rahmen, von dem sich zueinander beabstandete, schwalbenschwanzförmige zweite Statorpolsegmente radial nach innen erstrecken und in dem der innere Rahmen mit den daran vorgesehenen ersten Statorpolsegmenten aufgenommen wird. Die Anzahl der ersten Statorpolsegmente ist gleich der Anzahl der zweiten Statorpolsegmente. Zudem sind die Statorpolsegmente und deren Abstände so ausgebildet, dass die ersten Statorpolsegmente in die Abstände zwischen den zweiten Statorpolsegmente eingreifen, ohne einander zu kontaktieren, und umgekehrt. Die Wicklung befindet sich jeweils in dem Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Rahmen. Dieser Generator weist ebenfalls nur wenige Pole auf und ist damit nicht für hohe Drehmomente vorgesehen. Der aus einzelnen Permanentmagneten zusammengesetzte Rotor ist auch nicht zur Aufnahme hoher Kräfte geeignet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromechanischen Wandler der oben genannten Gattung mit erhöhter Effizienz und technologisch einfacher Herstellbarkeit zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Wandler der eingangs genannten Gattung gelöst, bei welchem der Radius, in welchem die radial innen liegenden Trage- balken von der Drehachse des elektromechanischen Wandlers beabstandet sind, größer als die radiale Ausdehnung der magnetischen Aktivflächen der Statoren ist.
Während bei dem in der Druckschrift EP 2 255 431 B1 offenbarten Direktantrieb die radial außen und radial innen angeordneten magnetisch aktiven Grenzflächen der Statoren durch die Wicklungsnut voneinander getrennt sind, ragen die Auskragungen der Statoren des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers über die Wicklungsnut. Damit sind die magnetischen Aktivflächen des elektromechanischen Wandlers der vorliegenden Erfindung deutlich größer als in der Druckschrift EP 2 255 431 B1 . Entsprechend kann ein höherer magnetischer Fluss zwischen Stator und Rotor und damit auch eine erhöhte Kraftdichte im Vergleich zu dem bekannten elektromechanischen Wandler erzielt werden.
Zudem sind bei dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler die radial außen und radial innen angeordneten magnetisch aktiven Grenzflächen der Statoren bzw. die von den Tragebalken ausgehenden Auskragungen, in einem deutlich Abstand zu der Drehachse des Rotors vorgesehen. Die radial außen und radial innen angeordneten magnetisch aktiven Grenzflächen der Statoren bilden dabei einen von der Drehachse be- abstandeten Kreisring um die Drehachse des elektromechanischen Wandlers aus. Diese Anordnung erlaubt es, entlang des Kreisringes eine Vielzahl von Statorpolsegmenten in Umfangsrichtung nebeneinander anzuordnen, die entsprechend vielen Permanentmagneten des Rotors gegenüber sind. Der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler kann daher sehr hochpolig ausgebildet werden.
Erfindungsgemäß bilden die radial innen liegenden Tragebalken des Stators eine Hohlwelle um die Drehachse des Rotors aus. Auch der Rotor ist vorzugsweise ringförmig mit einem entsprechend der Größe des Statorinnenhohlraums ausgebildeten Innenloch, also als Hohlwelle, vorgesehen. Damit kann der Innenhohlraum des elektromechanischen Wandlers zum Beispiel im mobilen Anwendungsbereich für eine Unterbringung eines Getriebes und/oder einer Bremseinrichtung oder beispielsweise im stationären Anwendungsbereich für eine Leitungs- und/oder Werkstückzuführung genutzt werden.
Dadurch, dass erfindungsgemäß zwischen den Auskragungen jeweils ein sich parallel zur Umfangsrichtung des Rotors erstreckender Luftspalt vorgesehen ist, ist gewährleis- tet, dass die einander gegenüber befindlichen Auskragungen einander nicht berühren und somit keinen magnetischen Kurzschluss verursachen.
In einer favorisierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers sind in Umfangsrichtung des wenigstens einen Rotors zwischen den Permanentmagneten oder zwischen jeweils einen Nordpol und einen Südpol aufweisenden Permanentmagnetpaaren radial verlaufende Stege aus festem, amagnetischen Material vorgesehen. Bei dem vorgeschlagenen Rotor wird, anders als im Stand der Technik, kein magnetisches Material im Verbund verwendet. Die zwischen den Permanentmagneten oder den Permanentmagnetpaaren vorgesehenen nichtmagnetische Stege sorgen für Zwischenversteifungen aus nichtmagnetischem Material. Dieses nichtmagnetische Material kann so ausgewählt werden, dass es eine im Vergleich zu dem magnetischen Material der Permanentmagneten erhöhte mechanische Beanspruchbarkeit besitzt. Durch die amagnetischen Stege kann somit die Gesamtstabilität des Rotors bedeutend heraufgesetzt werden, ohne dass die Permanentmagneten auf eine versteifende Trägerplatte aufgeklebt werden müssen. Damit kann der erfindungsgemäße Wandler mit geringem Rotorgewicht ausgebildet und trotzdem zur Herstellung großer Motoren mit hoher Leistungsdichte genutzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Permanentmagneten oder die Permanentmagnetpaare zueinander beabstandet in einen amagnetischen Rotorgrundträger, wie beispielsweise einen Rotorgrundträger aus faserverstärktem Kunststoff, eingebunden sind. Mit einer solchen Anordnung können die Permanentmagneten so angeordnet werden, dass ihre magnetisch aktiven Flächen auf beiden Seiten des Rotorgrundträgermaterials wirksam sind, also nicht auf beiden Seiten des Rotorgrundträgers Permanentmagnete aufgeklebt werden müssen. Dadurch wird der Rotor insgesamt sehr leicht und ist dennoch bei Wahl eines geeigneten Rotorgrundträgermaterials und bei Vorsehen entsprechender amagnetischer Zwischenversteifungen zwischen den Permanantmagneten oder Permanentmagnetpaaren hochstabil.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers sind der erste Statorabschnitt und der zweite Statorabschnitt separat voneinander ausgebildete Statorsegmente. Diese Art der konstruktiven Gestaltung erleichtert die technologische Fertigung der Statoren des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers. Somit können der erste und der zweite Statorabschnitt mit Statorrücken, Tragebalken und Auskragungen separat voneinander hergestellt und nachfolgend geeignet montiert werden. Zudem können die beiden Statorabschnitte mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften zur Verfügung gestellt werden.
Gemäß einer Ausbildungsvariante des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers sind die Auskragungen in Form von die Wicklungsnut zumindest teilweise übergreifenden Auskragungszähnen vorgesehen. Die Zahnform der Auskragungen hat sich besonders bewährt. Dabei wird am Zahnrücken der Auskragungszähne die jeweilige magnetische Aktivfläche, die der Rotoroberfläche gegenübersteht, vorzugsweise flächig ausgebildet, während der Zahnspitzenbereich die Wicklungsnut übergreift. Der Zahnspitzenbereich kann so ausgestaltet werden, dass Wicklungen mit geeigneter Größe und Anzahl in der Wicklungsnut platziert werden können.
Werden beispielsweise die Auskragungszähne so gestaltet, dass sie eine sich zumindest über der Wicklungsnut keilförmig verringernde Dicke parallel zur Rotorachse aufweisen, wird der Platz für die Wicklungen in der Wicklungsnut effektiv vergrößert.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Auskragungszähne eine sich zumindest in ihrer radialen Erstreckung über der Wicklungsnut trapezförmig verringernde Breite aufweisen. Hierdurch wird ein geeignet großer Luftspalt zwischen den Auskragungen in Umfangs- richtung eingestellt.
In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung ist die Stirn bzw. der Zahnspitzenbereich, der der Rotoroberfläche, in bzw. auf welcher die Permanentmagneten vorgesehen sind, gegenüber ist, flach ausgebildet. Um bestimmte gewünschte Flussdichten zu erzielen, kann es jedoch auch günstig sein, wenn die Auskragungszähne zum Rotor hin abgerundet ausgeführt sind, wobei die magnetisch aktiven Flächen der Auskragungszähne ein in Umfangsrichtung des Rotors verlaufendes, also in Umfangsrichtung des Rotors ansteigendes und absteigendes, Wölbungsprofil aufweisen. Die Abrundung bzw. Wölbung der zum Rotor hin weisenden Stirnkante bzw. Stirnfläche der Auskragungszähne kann, je nach Anwendung, konvex oder konkav ausgebildet sein. Eine zum Rotor hin konkave Ausbildung der Stirn der Auskragungszähne eignet sich dann, wenn an die querverlaufende Wicklung rechteckförmige Wellen angelegt werden, dagegen ist die konvexe Ausbildung der Stirn der Auskragungszähne dann von Vorteil, wenn eine sinusförmige Anregung der Wicklung zum Einsatz kommt.
In einer besonders hocheffizienten Bauform des erfindungsgemäßen elektromechani- schen Wandlers setzen sich der erste Statorabschnitt und der zweite Statorabschnitt aus einzelnen Statorklauen zusammen, wobei an jeder der Statorklauen eine der Auskragungen vorgesehen ist, welche die Wicklungsnut abwechselnd von radial außen und von radial innen übergreifen. Bei dieser Ausführungsform bilden somit die Tragebalken keinen in sich geschlossenen Ring, sondern sind jeweils separat voneinander ausgebildet. Jede der Statorklauen besitzt einen Klauenrücken, der einen Bestandteil des Statorrückens ausbildet, einen Tragebalken und eine Auskragung, wobei Klauenrücken und Auskragung im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, sodass jede der Statorklauen bügeiförmig bzw. klemmenförmig um die Wicklungsnut platziert werden kann. Die Statorklauen sind so wechselseitig einander gegenüber angeordnet, dass die Auskragungen kammförmig ineinander greifen, ohne einander zu berühren. Dabei wird im Zwischenraum zwischen den Klauenrücken, den Tragebalken und den Auskragungen die Wicklungsnut ausgebildet. Diese Ausführungsform ist besonders einfach technologisch umsetzbar, da jede der Statorklauen separat auf einfache Weise gefertigt werden kann und die Statorklauen nachfolgend, ebenfalls auf einfache Weise, ringförmig unter Ausbildung eines Stators verbunden werden können.
Der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler besitzt vorzugsweise einen Rotorgrundträger, in oder auf welchem die Permanentmagnete des Rotors vorgesehen sind. Der Rotorgrundträger kann in der vorliegenden Erfindung sowohl aus eisenhaltigem als auch aus eisenlosem Material ausgebildet sein. Eine Einschränkung auf nicht eisenhaltige Materialien ist hier nicht notwendig.
Bei dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler können die in dem Rotor vorgesehenen Permanentmagnete aus Eisenwerkstoffen oder aus Nichteisenwerkstoffen ausgebildet sein. Der Vorteil der Verwendung von Permanentmagneten aus Eisenwerkstoffen besteht in der höheren erzielbaren Energiedichte, die beispielsweise bei Einsatz von Neodym-Eisen-Bor als Werkstoff für die Permanentmagneten höher als bei allen Nichteisenwerkstoffen ist. Dagegen haben bestimmte Nichteisenwerkstoffe Vorteile bei höheren Temperaturen, da deren Curiepunkt teilweise höher als der von eisenhaltigen Werkstoffen liegt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers sind die Permanentmagnete mit einander in Umfangsrichtung des Rotors abwechselnden Nord- und Südpolen in und/oder auf dem Rotor angeordnet. Somit stoßen sich bei dieser Ausführungsform die Permanentmagneten in dem Rotor nicht in Umfangsrichtung des Rotors ab, wie dies beispielsweise in dem Direktantrieb der Druckschrift EP 2 255 431 B1 der Fall ist. Durch die abwechselnde Nord- und Südpolanordnung in dem erfindungsgemäß gestalteten Rotor kann der magnetische Fluss direkt in axialer Richtung ausgehend von den Auskragungen eines Stators über den Nord- und den Südpol der Permanentmagneten im Rotor zu den Auskragungen des auf der anderen Seite des Rotors liegenden Stators geleitet werden. Durch den gerade in Axialrichtung verlaufenden Flussverlauf können parasitäre Streufelder minimiert werden. Insbesondere wird durch die andere Magnetanordnung mit der Polarisierung in Flussrichtung der Magnetfluss gebündelt und zudem verkürzt. Dagegen ist durch die Permanentmagnetanordnung in dem Direktantrieb der Druckschrift EP 2 255 431 B1 ein Flussverlauf gegeben, der sich vom Stator zum Rotor zunächst axial, im Rotor in Umfangsrichtung des Rotors und daraufhin vom Rotor zum weiteren Stator wieder axial verläuft, womit Effizienzeinbußen verbunden sind.
Besonders von Vorteil ist es hierbei, wenn die elektrische Anschlusspolung der Wicklungen der beidseitig des Rotors vorgesehenen Statoren zueinander entgegengesetzt ist. Bei dieser Form der Bestromung erhalten die beiden Statorabschnitte eines Stators bzw. die diesen Statorabschnitten zugehörigen Statorklauen eine unterschiedliche Polarität. Das hei ßt, dass dann, wenn die Statorabschnitte aus einzelnen Statorklauen zusammengesetzt sind, die jeweils nebeneinander angeordneten Auskragungen der Statorklauen jeweils zueinander entgegengesetzte magnetische Pole aufweisen. Die magnetische Wirkung der Statorklauen führt zu zusätzlichen Krafteinwirkungen auf den Rotor, wodurch die Effizienz des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers noch weiter erhöht werden kann.
Die abwechselnde Anordnung von Nord- und Südpolen in dem Rotor besitzt ferner den Vorteil, dass in einem weiteren Konstruktionsbeispiel des erfindungsgemäßen elektro- mechanischen Wandlers der Rotor aus einem magnetischen Werkstoff und die Permanentmagnete in dem Rotor auf unkomplizierte Weise durch Magnetisierung des magnetischen Werkstoffes ausgebildet werden können. Die Magnetisierung kann beispielsweise durch Anlegen entsprechender Klemmen einer Magnetisiervorrichtung am äußeren und am inneren Rand eines ringförmigen Rotors erfolgen. Mit einer solchen Anordnung entfällt das aufwändige Bestücken des Rotors mit Einzelpermanentmagneten, sodass der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler technologisch einfacher und damit auch kostengünstiger herstellbar ist.
In einer bevorzugten Ausbildung ist der elektromechanische Wandler nach einem Innen- läuferprinzip, das hei ßt, mit wenigstens einem, an einer zentralen, drehbaren Welle des elektromechanischen Wandlers befestigten Rotor, ausgebildet.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind die Statoren in Umfangsrich- tung des elektromechanischen Wandlers segmentiert ausgebildet. Diese Ausbildung vereinfacht es, um jeden Stator eine separate Wicklung vorzusehen und damit den elektromechanischen Wandler mehrphasig zu betreiben.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
Figur 1 schematisch einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers in einer perspektivischen Ansicht zeigt;
Figur 2 schematisch einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit einer kaskaden- förmig ausgebildeten Zweifach-Stator-Rotor-Stator-Anordnung in einer perspektivischen Ansicht zeigt;
Figur 3 schematisch den Verlauf des magnetischen Flusses bei den in den Figuren
1 und 2 gezeigten Ausführungsformen des elektromechanischen Wandlers zeigt; Figur 4 schematisch im Vergleich zu Figur 3 den magnetischen Flussverlauf entsprechend der Druckschrift EP 2 255 431 B1 zeigt;
Figur 5 schematisch eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers zeigt;
Figur 6 schematisch einen Rotor der Ausführungsform von Figur 5 in einer perspektivischen Draufsicht zeigt;
Figur 7 schematisch in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt des elektromechanischen Wandlers von Figur 1 zeigt, in welchem exemplarisch zwei einander gegenüber angeordnete Statorklauen und die durch diese Statorklauen verlaufende Wicklung dargestellt sind;
Figur 8 schematisch in einer perspektivischen Draufsicht einen Stator des elektromechanischen Wandlers aus Figur 1 mit durch den Stator verlaufenden Wicklungen zeigt;
Figur 9 schematisch eine Detaildarstellung des elektromechanischen Wandlers aus Figur 1 zeigt, wobei exemplarisch beidseitig des Rotors vorgesehene einzelne Statorklauen und eine jeweils durch die Statorklauen eines Stators verlaufende Wicklung gezeigt sind und wobei der Übersichtlichkeit halber die weiteren Statorklauen des Stators weggelassen wurden;
Figur 10 schematisch eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit einer Kaskadenanordnung aus Stator, Rotor und Stator in einer perspektivischen Ansicht zeigt;
Figur 1 1 schematisch noch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit einer Dreifach-Kaskadenanordnung aus Stator, Rotor und Stator in einer perspektivischen Ansicht zeigt; und Figur 12 schematisch eine nach dem Innenläuferprinzip ausgebildete Rotoranordnung gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektro- mechanischen Wandlers veranschaulicht.
Figur 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 1 a. Die Details des elektromechanischen Wandlers 1 a sind in Figur 1 in perspektivischer Ansicht dargestellt.
Der elektromagnetische Wandler 1 a weist einen Rotor 2 auf, von dem in Figur 1 lediglich in dem Rotor 2 vorgesehene Permanentmagneten 21 , 22 dargestellt sind. Die Permanentmagneten 21 , 22 sind in einem in Figur 1 nicht, aber in Figur 6 dargestellten Rotorgrundträger 23 vorgesehen und in dem Rotorgrundträger 23 ringförmig angeordnet.
Der Rotor 2 ist um eine Rotorachse rotierbar, die der in Figur 7 dargestellten Drehachse A des elektromagnetischen Wandlers 1 c entspricht. Die Permanentmagneten 21 , 22 sind in radialer Ausrichtung r des Rotors 2 stern- bzw. strahlenförmig in dem Rotor 2 vorgesehen. Die Nordpole N und Südpole S der Permanentmagneten 21 , 22 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dabei so angeordnet, dass jeweils nebeneinander vorgesehene Permanentmagneten 21 , 22 einander abstoßen.
In den Ausführungsbeispielen von Figur 1 und Figur 2 sind die Permanentmagneten 21 , 22 in Form von Permanentmagnetpaaren 20, die jeweils einen Nordpol N und einen Südpol S umfassen, die direkt aneinander angeordnet sind, angeordnet. In den Ausführungsformen von Figur 1 , 2 und 6 sind die Permanentmagnetpaare 20 als auch die Permanentmagnete 21 , 22 jeweils voneinander beabstandet vorgesehen. Zwischen den Permanentmagnetpaaren 20 bzw. zwischen den Permanentmagneten 21 , 22 sind jeweils amagnetische, sich in radialer Ausrichtung zwischen den Permanentmagnetpaaren 20 bzw. zwischen Permanentmagneten 21 , 22 erstreckende Stege 24 vorgesehen. Die aus amagnetischem Material, wie beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff, bestehenden Stege 24 bilden Zwischenversteifungen des Rotors 2 zwischen den permanentmagnetischen Bereichen aus. In anderen, nicht gezeigten Varianten des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers können die Stege 24 auch weggelassen werden. Beidseitig des Rotors 2 sind Statoren 3, 3' vorgesehen. Die Statoren 3, 3' sind jeweils in gleichem Abstand zu dem Rotor 2 unter Ausbildung eines Doppelluftspaltes zwischen Stator 3, 3' und Rotor 2 vorgesehen. Die Statoren 3, 3' sind zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material gefertigt.
Jeder der Statoren 3, 3' hat einen ersten, radial außen angeordneten Statorabschnitt 31 und einen zweiten, radial innen, in einem radialen Abstand zu der Drehachse A des elektromechanischen Wandlers 1 a angeordneten Statorabschnitt 32. Die Statorabschnitte 31 , 32 sind separat voneinander ausgebildete und nachfolgend geeignet in dem elektromechanischen Wandler 1 a angeordnete und gegebenenfalls miteinander verbundene Segmente der Statoren 3, 3'. Jeder der Statoren 31 , 32 weist einen Statorrücken 43, 53 auf. Von den Statorrücken 43, 53 erstrecken sich axial in Richtung des Rotors 2 Tragebalken 4, 5. Die Tragebalken 4 des ersten Statorabschnittes 31 liegen radial außen, während die Tragebalken 5 des zweiten Statorabschnittes 32 radial innen angeordnet sind.
An den Enden der Tragebalken 4, 5 sind Auskragungen 41 , 51 vorgesehen. Die Auskragungen 41 , 51 weisen eine in Richtung des Rotors 2 weisende Dicke d und in Umfangs- richtung des elektromechanischen Wandlers 1 a eine Breite b auf. Sie sind in radialer Richtung r jeweils entgegengesetzt ausgerichtet. Die Auskragungen 41 weisen radial nach innen und die Auskragungen 51 radial nach außen. Die Auskragungen 41 , 51 besitzen ferner ebene, dem Rotor 2 zugewandte Stirnflächen, die die magnetischen Aktivflächen 42, 52 der Statoren 3, 3' ausbilden. Die magnetischen Aktivflächen 42, 52 weisen eine in radialer Richtung r des elektromechanischen Wandlers 1 a verlaufende Länge c auf.
Der radial innen angeordnete Tragebalken 5 ist in einem radialen Abstand zu der Drehachse A des elektromechanischen Wandlers 1 a vorgesehen. Der radiale Abstand des Tragebalkens 5 zu der Drehachse A ist dabei größer als die radiale Ausdehnung c der magnetischen Aktivflächen 42, 52 der Auskragungen 41 , 51. Beispielsweise kann der radiale Abstand des Tragebalkens 5 zu der Drehachse A des elektromechanischen Wandlers 1 a 1 ,5 bis 10 mal so groß wie die radiale Ausdehnung c der magnetischen Aktivflächen 42, 52 der Auskragungen 41 , 51 der Statoren 3, 3' sein. Besonders bevorzugt ist der radiale Abstand des Tragebalkens 5 zu der Drehachse A 1 ,5 bis 6 mal so groß wie die radiale Ausdehnung c der magnetischen Aktivflächen 42, 52 der Auskragungen 41 , 51 . In einem zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der radiale Abstand des Tragebalkens 5 zu der Drehachse A 1 ,5 bis 3 mal so groß wie die radiale Ausdehnung c der magnetischen Aktivflächen 42, 52 der Auskragungen 41 , 51.
Das heißt, bei dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler 1 a sind genau genommen sowohl der radial außen liegende erste Statorabschnitt 31 als auch der radial innen liegende zweite Statorabschnitt 32 im Vergleich zur Wandlermitte radial außen, einen Wandlerrandbereich ausbildend, vorgesehen.
An den Tragebalken 4 und 5 ist jeweils eine Vielzahl von Auskragungen 41 , 51 mit daran befindlichen magnetischen Aktivflächen 42, 52 vorgesehen. Zwischen den Statoren 3, 3' weist entsprechend auch der Rotor 2 eine Vielzahl von den magnetischen Aktivflächen 42, 52 der Statoren 3, 3' gegenüber liegenden Permanentmagneten 21 , 22 auf. Hieraus ergibt sich eine hochpolige Anordnung. Der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler 1 a ist damit für hohe spezifische Drehmomente geeignet.
In den Ausführungsformen von Figur 1 und Figur 2 sind jeweils der Statorrücken 43, der Tragebalken 4 und die Auskragung 41 des ersten Statorabschnittes 31 sowie der Statorrücken 53, der Tragebalken 5 und die Auskragung 51 des zweiten Statorabschnittes 32 einstückig, das heißt, ohne Zwischenluftspalt, ausgebildet.
Die Statorrücken 43, 53 weisen mit den in Richtung des Rotors 2 auskragenden Tragebalken 4, 5 in den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen im Querschnitt eine T-Form auf. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, an den Statorrücken 43, 53 Befestigungsanschlüsse 9 vorzusehen, an welchen die Statoren 3, 3' mit einem anderen Bauteil verbunden werden können.
Sowohl die Auskragungen 41 an dem ersten Statorabschnitt 31 als auch die Auskragungen 51 an dem zweiten Statorabschnitt 32 sind jeweils gleichmäßig voneinander beabstandet an den zugehörigen Tragebalken 4, 5 vorgesehen. Zwischen den Auskragungen 41 und zwischen den Auskragungen 51 sind jeweils nutförmige Aussparungen 44, 54 vorgesehen. Zwischen den Auskragungen 41 und zwischen den Auskragungen 51 ist somit jeweils ein Abstand a vorgesehen, welcher sich typischerweise aufgrund der radia- len Anordnung radial nach außen vergrößert. In den Ausführungsformen von Figur 1 und Figur 2 sind die nutförmigen Aussparungen 44, 54 in der dargestellten Draufsicht, also in ihrer radialen Erstreckung, U-förmig, mit zum jeweiligen Tragebalken 4, 5 hin abgerundeten U-Innenecken ausgebildet
Die Auskragungen 41 , 51 sind so an den zugehörigen Tragebalken 4, 5 vorgesehen und derart ausgerichtet, dass sie die zwischen den radial außen und den radial innen liegenden Tragebalken 4, 5 des jeweiligen Stators 3, 3' ausgebildete Wicklungsnut 6 zumindest teilweise übergreifen. So sind in den Ausführungsformen von Figur 1 und 2 die Auskragungen 41 , 52 in Form von Auskragungszähnen ausgebildet, die den Freiraum für die Wicklungsnut 6 in radialer Richtung r, ausgehend von den jeweiligen Tragebalken 4, 5 überragen.
In den Ausführungsformen von Figur 1 und Figur 2 liegen die Enden 45, 55 der sich jeweils in radialer Richtung r versetzt gegenüber stehenden Statorzähne bzw. Auskragungen 41 , 51 auf einem Radius bzw. auf einer Linie. Das heißt, die Auskragungszähne verlaufen hier nur bis zu Hälfte der Wicklungsnut 6. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Auskragungen 41 , 51 , wie es in den Figuren 8 und 9 gezeigt ist, die Wicklungsnut 6 derart übergreifen, dass sie über der Wicklungsnut 6 fingerartig ineinander greifen, ohne jedoch einander seitlich zu berühren. Andererseits funktioniert der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler auch dann, wenn die Auskragungen 41 , 51 die Wicklungsanut 6 unvollständig, also in Form von nur über den Rand der Wicklungsnut 6 ragenden Auskragungsstummeln, überlappen.
Die Auskragungszähne haben, wie bereits oben erwähnt, bevorzugt ebene Stirnflächen, die dem Rotor 2 gegenüberstehen. Wie es in Figur 1 durch die Zahnform 42' schematisch angedeutet ist, kann die magnetisch aktive Stirnfläche 42, 52 der Auskragungen 41 , 51 auch zu dem Rotor 2 hin abgerundet ausgebildet sein. Die Wölbung der Stirnfläche der Auskragungen 41 , 51 kann dabei zu dem Rotor 2 hin konvex, wie in Figur 1 angedeutet, oder auch zu dem Rotor 2 hin konkav ausgebildet sein.
Die Zahnform ist in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des elektromecha- nischen Wandlers 1 a derart ausgebildet, dass die Auskragungen 41 , 51 sich zumindest über der Wicklungsnut 6 in axialer Ausrichtung des elektromechanischen Wandlers 1 a hinsichtlich ihrer Dicke d keilförmig verringern. Die sich über der Wicklungsnut 6 keilförmig verringernde Dicke d hat den Vorteil, dass insgesamt mehr Platz innerhalb der Wicklungsnut 6 für die Aufnahme von Wicklungen 7 besteht.
Darüber hinaus ist es gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 vorgesehen, dass die Auskragungszähne sich in ihrer radialen Erstreckung r zumindest über der Wicklungsnut 6 trapezförmig hinsichtlich ihrer Breite b verringern. Die sich verringernde Breite b der Auskragungszähne in radialer Richtung r sorgt dafür, dass zwischen den Auskragungen 41 , 51 ein geeigneter Luftspalt vorliegt und somit ein magnetischer Kurzschluss zwischen den einander gegenüberstehenden Auskragungen 41 , 51 verhindert wird.
Figur 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 1 b. Der elektromechanische Wandler 1 b ist eine Zwei- fach-Kaskaden-Anordnung der Ausführungsform des elektromechanischen Wandlers 1 a aus Figur 1 . Der elektromechanische Wandler 1 b weist somit zwei Rotoren 2 auf, wobei beidseitig beider Rotoren 2 Statoren 3, 3' vorgesehen sind. Hinsichtlich der Ausbildung der Rotoren 2 und der Statoren 3, 3' sei an dieser Stelle auf obige Ausführungen zu Figur 1 verwiesen.
Anders als in den Figuren 1 und 2 können in weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Permanentmagnete 21 , 22, die in den jeweiligen Rotoren 2 vorgesehen sind, auch derart ausgerichtet werden, dass Nordpole N und Südpole S einander in Umfangsrichtung U des elektromechanischen Wandlers abwechseln. Dies hat den Vorteil, dass sich ein direkter Verlauf des magnetischen Flusses von einem Stator 3 über den Rotor 2 zu dem anderen Stator 3', wie er in Figur 3 schematisch dargestellt ist, ergibt.
Im Vergleich dazu ist in Figur 4 der Verlauf des magnetischen Flusses bei einer Ausführungsform gezeigt, in welcher die Permanentmagnete, ähnlich wie in der Druckschrift EP 2 255 431 B1 , so in dem Rotor 2 vorgesehen sind, dass sich die nebeneinander angeordneten Permanentmagneten 21 , 22 abstoßen.
Figur 5 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 1 c in einer perspektivischen Ansicht. Der elektromechanische Wandler 1 c weist einen Rotor 2 und zwei beidseitig des Rotors 2 vorgesehene Statoren 3, 3' auf. Der Rotor 2 ist um eine Rotorachse A rotationssymmetrisch ausgebildet und um die Rotorachse A drehbar. Die Statoren 3, 3' sind positionsfest. Jeder der Statoren 3, 3' weist zwei Statorabschnitte 31 , 32 auf, welche im Folgenden noch näher erläutert werden. Wie es bereits aus Figur 5 ersichtlich ist, ist jeder dieser Statorabschnitte 31 , 32 aus einzelnen Statorklauen 40, 50 zusammengesetzt, die einander abwechselnd die in der Wicklungsnut 6 vorgesehenen Wicklungen 7 von radial au ßen bzw. von radial innen übergreifen. Jede der Statorklauen 40, 50 weist einen Statorrücken 43 bzw. 53, einen mit dem Statorrücken 43, 53 verbundenen, sich in axialer Richtung A erstreckenden Tragebalken 4, 5 und jeweils an den Tragebalken 4, 5 vorgesehene, sich in radialer Richtung erstreckende Auskragungen 41 , 51 auf, welche ebenfalls im Folgenden noch näher erläutert werden.
Figur 6 zeigt den Rotor 2 des elektromechanischen Wandlers 1 c aus Figur 5 in einer perspektivischen Draufsicht auf den Rotor 2.
Der Rotor 2 besitzt einen Rotorgrundträger 23 aus einem amagnetischen Material. In dem Rotorgrundträger 23 sind Permanentmagnete 21 , 22 vorgesehen. Die Permanentmagnete 21 , 22 weisen in Umfangsrichtung U des Rotors 2 abwechselnde Nordpole N und Südpole S auf. Es versteht sich von selbst, dass die jeweils entgegengesetzten Pole zu den in Figur 6 dargestellten Nord- und Südpolen sich auf der jeweiligen Rückseite des Rotors 2 befinden.
In der Ausführungsform von Figur 6 besteht der Rotorgrundträger 23 beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff. Die Permanentmagnete 21 , 22 sind derart in den Rotorgrundträger 23 eingelassen, dass ihre magnetisch aktiven Oberflächen an den oberen und unteren Scheibenoberflächen des Rotors 2 wirksam sind. Die magnetisch aktiven Oberflächen der Permanentmagnete 21 , 22 schließen dabei flächenbündig mit den oberen und unteren Scheibenoberflächen des Rotors 2 ab. Die Zwischenbereiche des Rotorgrundträgers 23 zwischen den in das Rotorgrundträgermaterial integrierten Permanentmagneten 21 , 22, das heißt, die zwischen den Permanentmagneten 21 , 22 ausgebildeten amagnetischen Stege 24, versteifen den Rotor 2 derart, dass er hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden kann. In den Ausführungsformen von Figur 1 , 2 und 6 sind die Permanentmagneten 21 , 22 jeweils quaderförmig und die Statorpole mit rechteckiger magnetischer Aktivfläche 42, 52 ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine einfache und preisgünstige Herstellung. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Permanentmagnete 21 , 22 als auch die magnetischen Aktivflächen 42, 52 der Statorpole trapezförmig auszubilden. Dies empfiehlt sich insbesondere bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, in welchen die radiale Ausdehnung der Permanentmagnete 21 , 22 bzw. der Statorpole relativ groß ist.
Figur 7 zeigt schematisch und nur zur Demonstration ein Detail des elektromechani- schen Wandlers 1 c aus Figur 5. In der Darstellung von Figur 7 sind zwei einander gegenüber stehende Statorklauen 40, 50 des elektromechanischen Wandlers 1 c dargestellt, wobei die Statorklauen 40, 50 eine Wicklungsnut 6 mit darin eingebrachten Wicklungen 7 übergreifen. In der Darstellung von Figur 7 sind die weiteren, neben den dargestellten Statorklauen 40, 50 vorgesehenen Statorklauen der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Die Statorklaue 40 ist dem ersten Statorabschnitt 31 des Stators 3 oder 3' zuzuordnen. Die Statorklaue 40 weist einen sich in radialer Richtung r erstreckenden Statorrücken 43 auf, der in der Darstellung von Figur 7 unterhalb der Wicklungen 7 liegt. Radial au ßen erstreckt sich ausgehend von dem Statorrücken 43 in axialer Richtung A des elektromechanischen Wandlers 1 c der Tragebalken 4. Von dem Tragebalken 4 erstreckt sich wiederum in radialer Richtung r in Richtung zur Rotorachse A die Auskragung 41 . Auf der Stirnfläche der Auskragung 41 ist die magnetische Aktivfläche 42 vorgesehen, welche im Betrieb des elektromechanischen Wandlers 1 c dem die Permanentmagneten 21 , 22 enthaltenden Rotorbereich des Rotors 2 gegenübersteht.
Die Auskragung 41 weist eine Dicke d in axialer Ausrichtung A sowie eine Breite b in Umfangsrichtung U auf. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Dicke d und/oder die Breite b der Auskragung 41 in Richtung zur Rotorachse A allmählich geringer werden.
Die Statorklaue 40 umgreift die Wicklungen 7 in der Wicklungsnut 6 bügelartig von radial au ßen. In dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die Auskragung 41 der Statorklaue 40 den Nordpol der Statorklaue 40 aus, während der Statorrücken 43 den Südpol S der Statorklaue 40 ausbildet.
Neben der Statorklaue 40 ist die Statorklaue 50 vorgesehen. Die Statorklauen 40, 50 des elektromechanischen Wandlers l e greifen kammartig ineinander.
Die Statorklaue 50 weist einen sich radial erstreckenden Statorrücken 53 auf, der in der Ansicht von Figur 7 zwischen den Wicklungen 7 und dem Statorrücken 43 der Statorklaue 40 angeordnet ist. Von dem Statorrücken 53 erstreckt sich in axialer Richtung der Tragebalken 51 , von welchem wiederum radial nach außen die Auskragung 51 mit der darauf vorgesehenen magnetischen Aktivfläche 52 auskragt.
Die Statorklaue 50 ist entgegengesetzt zu der Statorklaue 40 gepolt. Das heißt, in dem Ausführungsbeispiel von Figur 7 bildet die Auskragung 51 den Südpol S und der Statorrücken 53 den Nordpol N der Statorklaue 50 aus.
Die Statorklauen 40, 50 sind so angeordnet, dass sich in Umfangsrichtung U zwischen den Auskragungen 41 , 51 ein Luftspalt 8 ergibt. Der Abstand zwischen den Auskragungen 41 , 51 vergrößert sich typischerweise aber nicht notwendigerweise von radial nach außen.
Figur 8 zeigt schematisch den Stator 3 des elektromechanischen Wandlers 1 c aus Figur 5 in einer perspektivischen Draufsicht.
Wie es aus Figur 8 ersichtlich ist, sind die an den radial außen liegenden Tragebalken 4 vorgesehenen Auskragungen 41 bezüglich des Auskragungsabstandes a um ein halbes Teilungsmaß gegenüber den jeweils an den radial innen liegenden Tragebalken 5 vorgesehenen Auskragungen 51 winkelversetzt. Auf diese Weise können die Auskragungen 41 ungehindert in den Abstand zwischen den benachbarten Auskragungen 51 eingreifen. Umgekehrt können die an den radial innen liegenden Tragebalken 5 vorgesehenen Auskragungen 51 ungehindert in den Abstand zwischen den Auskragungen 41 eingreifen. Dabei ist der Auskragungsabstand a zwischen den Auskragungen 41 beziehungsweise zwischen den Auskragungen 51 deutlich größer als die Breite b der Auskragungen 41 , 51 . Die Statorklauen 40, 50 umgreifen die Wicklungsnut 6 mit den darin vorgesehenen Wicklungen 7. Obwohl in den Ausführungsbeispielen jeweils zwei Wicklungen 7 dargestellt sind, versteht es sich von selbst, dass grundsätzlich auch eine Wicklung 7 oder mehr als zwei Wicklungen 7 vorgesehen werden können. Vorzugsweise sind die Wicklungen 7 innen hohle Wicklungen, sodass die Wicklungen 7 von innen, beispielsweise mit einem Kühlfluid, kühlbar sind. Die Wicklungen 7 sind, wie es in Figur 8 schematisch dargestellt ist, an wenigstens einer Seite des Stators 3 geeignet nach außen geleitet, um geeignet elektrisch kontaktiert werden zu können.
Die Auskragungen 41 , 51 der Statorklauen 40, 50 umgeben zwar die Wicklungsnut 6, sind jedoch an ihren, den Tragebalken 4, 5 gegenüber befindlichen Auskragungsenden nicht mit dem jeweils zugehörigen Statorrücken 43, 53 verbunden.
Figur 9 zeigt schematisch ein Detail von Figur 8 in einer perspektivischen Seitenansicht auf den Rotor 2 und zwei beidseitig des Rotors 2 vorgesehene Statorklauenpaare. Hier sind ebenfalls, wie in Figur 7, die weiteren Statorklauen 40, 50 der Statoren 3, 3' der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Wie es aus Figur 9 ersichtlich ist, sind die magnetischen Aktivflächen 42, 52 der Statorklauen 40, 50 der Statoren 3, 3' jeweils gleich zu dem Rotor 2 beabstandet. Entsprechend ist der Rotor 2 in der Lage, sich zwischen den Statoren 3, 3' ungehindert zu drehen.
Figur 10 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 1 d mit zwei axial übereinander angeordneten Stator- Rotor-Stator-Anordnungen. Hinsichtlich der Details der Rotoren 2 und der Statoren 3, 3' wird auf die obigen Ausführungen zu den Figuren 5 bis 9 verwiesen.
In Figur 1 1 ist schematisch noch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 1 e dargestellt. Der elektromechanische Wandler 1 e weist eine Dreifach-Kaskaden-Anordnung basierend auf der Ausführungsform des elektromechanischen Wandlers 1 c aus Figur 5 auf. Entsprechend besitzt der elektromechanische Wandler 1 e drei in axialer Richtung übereinander gestapelte Stator-Rotor-Stator- Anordnungen, zu deren Details auf die obigen Ausführungen bezüglich Figur 5 bis Figur 9 verwiesen wird. Der elektromechanische Wandler 1a, 1b, 1c, 1d, 1e kann sowohl als Motor als auch Generator verwendet werden. Insbesondere eignet sich der elektromechanische Wandler 1a, 1b, 1c, 1d, 1e als Direktantrieb, welcher mit axial kurzer Baulänge zur Verfügung gestellt werden kann. Der elektromechanische Wandler 1a, 1b, 1c, 1d, 1e weist eine besonders Effizienz auf, wobei hohe spezifische Drehmomente beim Einsatz des elektromechanischen Wandlers 1a, 1b, 1c, 1d, 1e in elektrischen Maschinen erzielbar sind. Ferner zeichnet sich der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler 1a, 1b, 1c, 1d, 1e durch eine technologisch vereinfachte Herstellbarkeit und dadurch verringerte Fertigungskosten aus.
Der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler 1a, 1b, 1c, 1d, 1e kann, wie es im Stand der Technik bekannt ist, auf verschiedene Weise beschaltet werden.
Bei der Ausführungsform des elektromechanischen Wandlers 1c, der in den Figuren 5 bis 9 dargestellt ist, werden die Wicklungen 7 der Statoren 3, 3' mit zueinander entgegengesetzter elektrischer Polarität beschälten.
In einer günstigen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird der elektromechanische Wandler 1a, 1b, 1c, 1d, 1e3-phasig unter Verwendung einer Sternpunktschaltung betrieben. Grundsätzlich sind jedoch auch zwei, vier oder auch mehr als vier Phasen beim Betrieb des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 1a, 1b, 1c, 1d, 1e möglich. Außerdem ist es auch denkbar, den elektromechanischen Wandler 1a, 1b, 1c, 1d, 1e mit Dreieckschaltung zu betreiben.
Für einen mehrphasigen Betrieb des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 1a, 1b, 1c, 1d, 1e können in einer in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsform dessen Statoren 3, 3' in Umfangsrichtung U des elektromechanischen Wandlers 1a, 1b, 1c, 1d, 1e segmentiert ausgebildet sein.
Ferner sind verschiedene Anordnungen von Wicklungen möglich.
Ein Vorteil in den Figuren 5 bis 11 dargestellten Ausführungsform des elektromechanischen Wandlers 1c, 1d, 1e besteht zudem darin, dass die dargestellten elektromechani- sehen Wandler 1 c, 1 d, 1 e mit einem optimierten Polteilungsmaß, das hei ßt einer im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Polzahl, zur Verfügung gestellt werden kann, obwohl der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler 1 c, 1 d, 1 e eine wenigstens gleich hohe Effizienz wie bekannte Synchronmaschinen aufweist.
Figur 12 veranschaulicht schematisch eine Rotoranordnung einer nach einem Innenläu- ferprinzip arbeitenden Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers. Der Rotor 2 ist bei der dieser Ausführungsform an einer um die Drehachse A drehbaren Welle 25 montiert, die beispielsweise eine Hohlwelle sein kann. Die Anbin- dung des Rotors 2 an die Welle 25 erfolgt mit wenigstens einem Verbindungsflansch 26.

Claims

Patentansprüche Elektromechanischer Wandler (1 a, 1 b, 1 c, 1 d, 1 e) mit wenigstens einem scheiben- oder ringförmigen Rotor (2), in und/oder auf dem Permanentmagnete (21 , 22) konzentrisch strahlenförmig angeordnet sind, und wenigstens zwei beidseitig des Rotors (2) vorgesehenen Statoren (3, 3'), wobei
die Statoren (3, 3') zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material gefertigt sind;
jeder Stator (3, 3') einen ersten Statorabschnitt (31 ) mit radial außen liegenden Tragebalken (4) für dem Rotor (2) gegenüber liegende erste magnetische Aktivflächen (42) des Stators (3, 3') und einen zweiten Statorabschnitt (32) mit radial innen liegenden Tragebalken (5) für dem Rotor (2) gegenüber liegende zweite magnetische Aktivflächen (52) des Stators (3, 3') aufweist;
zwischen diesen Statorabschnitten (31 , 32) eine ringförmige Wicklungsnut (6) zur Aufnahme wenigstens einer Wicklung (7) vorgesehen ist;
die Tragebalken (4, 5) jeweils ringförmig angeordnet sind und sich jeweils parallel zur Rotorachse (A) in Richtung des Rotors (2) erstrecken;
die magnetischen Aktivflächen (42, 52) der Statoren (3, 3') Stirnflächen von voneinander gleichmäßig beabstandeten, in Richtung des Rotors (2) von den Tragebalken (4, 5) vorstehenden Auskragungen (41 , 51 ) sind;
die jeweils an den radial au ßen liegenden Tragebalken (4) vorgesehenen Auskragungen (41 ) bezüglich des Auskragungsabstandes (a) um ein halbes Teilungsmaß gegenüber den jeweils an den radial innen liegenden Tragebalken (5) vorgesehenen Auskragungen (51 ) winkelversetzt sind, und
bei wenigstens einem der Statoren (3, 3') die an den radial außen liegenden Tragebalken (4) vorgesehenen Auskragungen (41 ) und/oder die an den radial innen liegenden Tragebalken (5) vorgesehenen Auskragungen (51 ) die Wicklungsnut (6) in radialer Ausrichtung (r) wenigstens teilweise übergreifen, sodass die Wicklungsnut (6) zwischen Statorrücken (43, 53), von welchen die Tragebalken (4, 5) gehalten werden, den Tragebalken (4, 5) und den Auskragungen (41 , 51 ) ausgebildet ist, wobei zwischen den Auskragungen (41 , 51 ) jeweils ein sich parallel zur Umfangsrich- tung (U) des Rotors (2) erstreckender Luftspalt (8) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r), in welchem die radial innen liegenden Tragebalken (5) von der Drehachse (A) des elektromechanischen Wandlers (1 a, 1 b, 1 c, 1 d, 1 e) beabstandet sind, größer als die radiale Ausdehnung (c) der magnetischen Aktivflächen (42, 52) der Statoren (3, 3') ist.
2. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung (U) des wenigstens einen Rotors (2) zwischen den Permanentmagneten (21 , 22) oder zwischen jeweils einen Nordpol (N) und einen Südpol (S) aufweisenden Permanentmagnetpaaren (20) radial verlaufende Stege (24) aus festem, amagnetischen Material vorgesehen sind.
3. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten (21 , 22) oder die Magnetpaare (20) jeweils voneinander beabstandet in einem Rotorgrundträger (23) aus amagnetischem Material integriert sind.
4. Elektromechanischer Wandler nacheinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Statorabschnitt (31 ) und der zweite Statorabschnitt (32) separat voneinander ausgebildete Statorsegmente sind.
5. Elektromechanischer Wandler nacheinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (41 , 51 ) in Form von die Wicklungsnut (6) zumindest teilweise übergreifenden Auskragungszähnen vorgesehen sind.
6. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungszähne die Wicklungsnut (6) nur teilweise überlappen oder nur so weit überlappen, dass die Enden (45, 55) der versetzt einander gegenüber befindlichen Auskragungszähne auf einem Radius liegen.
7. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungszähne eine sich zumindest über der Wicklungsnut (6) keilförmig verringernde Dicke (d) parallel zur Rotorachse (A) aufweisen.
8. Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungszähne eine sich zumindest in ihrer radialen Erstre- ckung über der Wicklungsnut (6) trapezförmig verringernde Breite (b) aufweisen.
9. Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungszähne zum Rotor (2) hin abgerundet ausgeführt sind, wobei die magnetisch aktiven Flächen (41 , 42) der Auskragungszähne ein in Umfangsrichtung (U) des Rotors (2) verlaufendes Wölbungsprofil aufweisen.
10. Elektromechanischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Statorabschnitt (31 ) und der zweite Statorabschnitt (32) aus einzelnen Statorklauen (40, 50) zusammensetzen, wobei an jeder der Statorklauen (40, 50) eine der Auskragungen (41 , 51 ) vorgesehen ist, welche die Wicklungsnut (6) abwechselnd von radial au ßen und von radial innen übergreifen.
1 1 . Elektromechanischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) einen eisenlosen oder einen eisenhaltigen Rotorgrundträger (23) aufweist, in und/oder auf dem die Permanentmagnete (21 , 22) vorgesehen sind.
12. Elektromechanischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (21 , 22) aus eisenhaltigem Material ausgebildet sind.
13. Elektromechanischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (21 , 22) mit einander in Umfangsrichtung (U) des Rotors (2) abwechselnden Nord- und Südpolen (N, S) in und/oder auf dem Rotor (2) angeordnet sind.
14. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Anschlusspolung der Wicklungen (7) der beidseitig des Rotors (2) vorgesehenen Statoren (3, 3') zueinander entgegengesetzt ist.
15. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) aus einem magnetischen Werkstoff ausgebildet ist und die Permanentmagnete (21 , 22) in dem Rotor (2) durch Magnetisierung des magnetischen Werkstoffes ausgebildet sind.
16. Elektromechanischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (1 a, 1 b, 1 c, 1 d, 1 e) nach einem Innenläuferprinzip ausgebildet ist.
17. Elektromechanischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoren (3, 3') in Umfangsrichtung (U) des elekt- romechanischen Wandlers (1 a, 1 b, 1 c, 1d, 1 e) segmentiert ausgebildet sind.
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