DE102007011369B3

DE102007011369B3 - Rotoranordnung für eine einseitige Transversalflussmaschine mit Flusskonzentration

Info

Publication number: DE102007011369B3
Application number: DE102007011369A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Lange; Uwe Mühlberger; Rolf Dr. Hoffmann; Joana Verde
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2027-03-08
Also published as: US20080218021A1; SE531984C2; GB2447549A; GB2447549B; GB0804330D0; SE0800535L; US7560840B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung (1) für eine einseitige Transversalflussmaschine mit mindestens einer Phase, welche über einen Luftspalt hinweg mit einer koaxial angeordneten Statoranordnung (2), die für jede Phase zwei Statorpoleinheiten (3) und eine Ankerwicklung (4) aufweist, wechselwirkt. Die Rotoranordnung (1) weist in Umfangsrichtung (U) alternierende Permanentmagneten (8) und Rotorpolschuhe (9) auf. Zu jeder der Statorpoleinheiten (3) ist jeweils eine Rotorpoleinheit (7) mit in Umfangsrichtung alternierender Anordnung von Permanentmagneten (8) und Rotorpolschuhen (9) vorgesehen. Dabei sind benachbarte Rotorpolschuhe (9) der einzelnen Rotorpoleinheit (7) einer Phase jeweils mit einem Rückschlusselement (10) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine einseitige Transversalflussmaschine mit Flusskonzentration gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. (gemäß DE 10 2004 057 101 A1 )
Synchronmaschinen mit transversaler Flussführung weisen einen magnetischen Fluss auf, der nicht wie üblich longitudinal, sondern transversal gerichtet ist. Im Folgenden wird für eine solche elektrische Maschine der Begriff einer Transversalflussmaschine verwendet.
Bei einer rotierend ausgebildeten Transversalflussmaschine sind am Rotor in Umfangsrichtung Permanentmagnete entsprechend der Polzahl der Maschine angeordnet. Hierbei kann der magnetische Full der Permanentmagnete mittels Flussleiterstücken zum Luftspalt geführt werden. Koaxial zum Rotor ist unter Ausbildung eines Luftspalts ein Stator der elektrischen Maschine angeordnet, bei dem eine elektrische Ankerwicklung mittels eines u-förmigen Jochs aus einem magnetisch gut leitenden Material im Wesentlichen dreiseitig umgeben ist. Den als Pole des Stators wirkenden Endflächen der u-förmigen Joche werden jeweils jenseits des Luftspalts Permanentmagnete des Rotors zugeordnet. In einer möglichen Ausgestaltung werden die u-Joche des Stators gegenüber einer zur Drehachse der Maschine parallelen Richtung verschränkt orientiert, so dass bei einer Anordnung der Permanentmagnete des Rotors in Parallelrichtung zur Drehachse aufgrund der magnetischen Potentialdifferenz ein Drehmoment bildender magnetischer Fluss erzeugt wird. Für die verschränkte Anordnung der Statorpole wird ein Versatz um eine Polteilung bevorzugt. Alternativ wird anstatt einer verschränkten Ausbildung der magnetischen Polstruktur des Stators eine verschränkte Rotorbaueinheit vorgesehen.
Für gattungsbildende Ausführungen von Transversalflussmaschinen wird beispielsweise auf die Druckschriften DE 37 05 089 C2 , DE 35 36 538 A1 und DE 39 04 516 C1 erwiesen.
Transversalflussmaschinen weisen gegenüber herkömmlichen Maschinen den Vorteil auf, dass eine Erhöhung des Drehmoments durch eine Vergrößerung der Polzahl erreicht werden kann. Allerdings wird dieser Vorteil durch die Komplexität der aus einer Vielzahl von Einzelteilen bestehende Struktur einer Transversalflussmaschine relativiert, so dass Lösungen zur Vereinfachung der mechanischen Konstruktion von Transversalflussmaschinen gesucht werden.
In der vorliegenden Anmeldung werden einseitige Transversalflussmaschinen behandelt. Bei einer solchen einseitigen Transversalflussmaschine sind nur auf einer Seite der Permanentmagnete des Rotors wicklungsumschließende u-Joche zur Führung des magnetischen Flusses im Stator angeordnet. Der Bautyp einer einseitigen Transversalflussmaschine geht beispielsweise aus der Druckschrift EP 1 005 136 A1 hervor. Insbesondere bei Anwendungen mit einem in radialer Richtung begrenzten Bauraum, etwa bei Antrieben für Fahrzeuge oder für Schiffe, ist eine besonders schlanke Ausführung von Transversalflussmaschinen vorzuziehen, so dass hierfür insbesondere einseitige Transversalflussmaschinen in Frage kommen.
Als Nachteil der EP 1 005 136 A1 muss gesehen werden, dass die Anordnung und Befestigung der u-Joche im Stator und insbesondere im Rotor sehr kompliziert ist. Ferner müssen an die Flussleitstücke höchste Materialanforderungen hinsichtlich der magnetischen Flussleitung gestellt werden.
Ferner beschreibt die DE 10 2004 057 101 A1 einen Aufbau einer einseitigen Transversalflussmaschine bei welchem im Stator geblechte Statorpoleinheiten und Rückschlusselementen zur Anwendung kommen. Zwischen jeweils zwei dieser in Umfangrichtung um eine Polteilung versetzten Statorpoleinheiten ist die Ankerwicklung angeordnet. Die korrespondierende Rotoreinheit besteht dabei aus u-förmigen Flussleitstücken, welche alternierend mit den Permanentmagneten angeordnet sind. Bei den hohen Ummagnetisierungsfrequenzen und der in alle drei Raumrichtungen notwendigen magnetischen Flussführung sind besonders hohe Anforderungen an das Material der Flussleitstücke zu stellen. In der bevorzugten Ausführung des Rotors sind Schnittbandkerne oder verpresste weichmagentische Pulververbundwerkstoffe als Material vorgesehen.
Die verpressten weichmagentischen Pulververbundwerkstoffe weisen jedoch den Nachteil auf, dass es in ihnen zu hohen Ummagnetisierungs- und Leitungsverlusten zu einer entsprechenden schädlichen Erwärmung kommt. Die Schnittbandkerne haben den Nachteil, dass sie eher große Herstellungstoleranzen aufweisen, und dass nur bestimmte Richtungen der Blechung fertigungsbedingt möglich sind. Damit gehen zumindest deutliche Einschränkungen in der Flexibilität des Bauraums einher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotoranordnung für eine einseitige Transversalflussmaschine anzugeben, die eine hohe räumliche Flexibilität bietet und eine ideale Raumausnutzung bei besten magnetischen und fertigungstechnischen Voraussetzungen gewährleistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass für eine einseitige Transversalflussmaschine schlanker Bauform die Rotoranordnung Elemente zur Flusskonzentration aufweisen muss, welche so geformt sind, dass eine wirksame Konzentration der magnetischen Flüsse bei gleichzeitig geringen Streuverlusten bewirkt wird.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung wird in jeder Statorpoleinheit eine über einen Luftspalt korrespondierende Rotorpoleinheit zugeordnet. In Umfangsrichtung zwischen den weichmagnetischen Rotorpolschuhen jeder Rotorpoleinheit sind die Permanentmagnete angeordnet. Außerdem sind die jeweils benachbarten Rotorpolschuhe der einzelnen Rotorpoleinheit einer Phase jeweils mit einem Rückschlusselement verbunden.
Konstruktiv können die Rotorpolschuhe und Rückschlusselemente an eine radial außerhalb liegende Tragstruktur angelegt sein.
Bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung ist die erforderliche magnetische Flussführung in allen drei Raumrichtungen gewährleistet. Dabei spielen die verwendeten Materialen prinzipiell keine Rolle. Es können zum Beispiel verpresste weichmagnetische Werkstoffe zum Einsatz kommen, wie sie auch im oben genannten Stand der Technik beschreiben sind. Allerdings weisen diese den bekannten Nachteil einer relativ starken Erwärmung bei hoher Ummagnetisierungsfrequenz auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 einen Abschnitt der erfindungsgemäßen Rotoranordnung mit korrespondierender Statoranordnung;
2 eine detaillierte Darstellung eines einzelnen Rotorpolschuhs; und
3 eine Ansicht gemäß III in 1 mit Rotorpolschuhen, Rückschlusselement und Permanentmagneten.
In 1 ist ein Abschnitt einer Rotoranordnung 1 mit korrespondierender Statoranordnung 1 einer Transversalflussmaschine dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde der Abschnitt unter Verzicht auf die Krümmung der Elemente um die Rotationsachse eben dargestellt. Der Aufbau der Statoranordnung 2 besteht dabei aus zwei Statorpoleinheiten 3, einer in Umfangsrichtung U der Transversalflussmaschine verlaufenden Ankerwicklung 4, sowie Stator-Rückschlusselementen 5. Die einzelnen Statorpole 6 der jeweiligen Statorpoleinheit 3 sind dabei in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet. Die Statorpoleinheiten 3 sowie die Stator-Rückschlusselemente 5 können dabei – wie exemplarisch angedeutet – geblecht aufgebaut sein. Vorzugsweise sind die Richtungen der Blechungen um 90° zueinander verdreht. Der Aufbau kann analog dem eingangs zitierten Stand der Technik verstanden werden.
Die Rotoranordnung 1 besteht aus den jeweiligen Statorpoleinheiten 3 zugeordneten Rotorpoleinheiten 7, welche entsprechend der Anzahl Phasen mehrfach vorhanden sind. Der in 1 dargestellte ideale Aufbau der Rotoranordnung 1 zeigt in Umfangsrichtung U alternierend angeordnete Permanentmagnete 8 und Rotorpolschuhe 9. Benachbarte Rotorpolschuhe 9 der einzelnen Rotorpoleinheit 7 einer Phase sind jeweils mit einem Rückschlusselement 10 verbunden.
Die Rotorpolschuhe 9 sind in einer senkrecht zur Rotor- beziehungsweise Rotationsachse liegenden Ebene im Wesentlichen u-förmig ausgebildet. Wie es aus der Detaildarstellung eines Rotorpolschuhs 9 in 2 zu erkennen ist, weist die u-förmige Ausgestaltung eine Basis 11 und zwei Schenkel 12 auf, wobei die Basis 11 in Richtung der Statoranordnung 2 orientiert ist. An den Schenkeln 12 der Rotorpolschuhe 9 liegen auf ihren in Umfangsrichtung U außen liegenden Seiten jeweils die Permanentmagnete 8 an. Diese sind in ihrer magnetischen Orientierung in Umfangrichtung U alternierend ausgerichtet.
Durch die u-förmige Ausführung jedes Rotorpolschuhs 9 ist es möglich, an die Schenkel 12 die Permanentmagnete 8 anzuordnen, wobei deren Magnetisierungsrichtungen (wie durch die Pfeile in 2 angedeutet) jeweils parallel zur Umfangsrichtung U jedoch entgegengesetzt zueinander verlaufen, das heißt ein erster Permanentmagnet 8 auf einer Seite eines Schenkels 12 ist in Drehrichtung magnetisiert und ein zweiter Permanentmagnet auf der anderen Seite des jeweils anderen Schenkels 12 ist entgegen der Drehrichtung magnetisiert. In dem Rotorpolschuh 9 wird dann der Feldlinienverlauf eine radiale Richtungskomponente erhalten, so dass der magnetische Fluss an den Stirnflächen 13 der Basis 11, welche in Richtung der Pole der Statorpoleinheit 3 weisen, im Wesentlichen radial austritt. Ferner ist die der Statoranordnung zugewandte Seite der Basis 11 so ausgebildet, dass der Luftspalt zu den Statorpolen 6 im Bereich einer mittigen Umfangsfläche der Basis 11 kleiner ist, als im Bereich der Schenkel der Polschuhe mit den angrenzenden Permanentmagneten.
Durch diese Lösung ist es möglich, die Form der Permanentmagnete 8 so anzupassen, dass das Verhältnis von verbauter und wirksam angeordneter Magnetmasse verbessert wird. Dies liegt daran, dass entlang wesentlicher Teile der Kontaktfläche zwischen den Permanentmagneten 8 und den Schenkeln 12 der u-förmigen Rotorpolschuhe 8 das magnetische Feld der Permanentmagneten eingekoppelt werden kann. Demnach kann für einen Permanentmagneten 8, der eine größere Axialausdehnung im Vergleich zur Ausdehnung in Umfangsrichtung und damit eine vergrößerte Querschnittsfläche aufweist, eine höhere magnetische Flussdichte in die u-förmigen Rotorpolschuhe 9 eingekoppelt werden, wobei diese dann zusammen mit dem Rückschlusselement 10 die Funktion einer Flussleitung und -konzentration sowie einer Umlenkung des magnetischen Flusses in Richtung auf den Luftspalt zwischen der Rotoranordnung 1 und der Statoranordnung 2 und damit in Richtung auf die Pole der Statorpoleinheiten 3 bewirken.
Wird die Statoranordnung 2 so ausgebildet, dass deren Pole den zur Aufbringung eines Drehmoments notwendigen Versatz in Umfangsrichtung aufweisen, so ist es möglich, die u-förmigen Rotorpolschuhe 9 über gerade Rückschlusselement 10 ohne Versatz in Umfangsrichtung auszubilden, so dass die über die Rückschlusselemente 10 verbundenen Rotorpolschuhe 9 gegenüber der die Rotationsachse der Transversalflussmaschine enthaltenden Ebene nicht verschränkt sind. Demnach sind die Rotorpolschuhe 9 jeder Rotorpoleinheit 7 beziehungsweise deren in dieselbe Richtung weisenden Schenkel 12 nicht in Umfangsrichtung zueinander versetzt. Folglich kann in der alternierenden Anordnung aus Permanentmagneten 8 und Rotorpolschuhen 9 zwischen zwei in der jeweiligen Rotorpoleinheit 7 benachbart zu einander angeordneten und in jeder Rotorpoleinheit 7 aufeinander folgenden Rotorpolschuhen 9 ein einziger Permanentmagnet 8 oder jeweils den Schenkeln 12 jedes Rotorpolschuhs 9 in jeder der Rotorpoleinheiten 7 zugeordnete Permanentmagnete 8 mit gleicher Magnetisierungsrichtung verwendet werden. In 3 ist dies durch die teilweise gestrichelte Darstellung der Permanentmagnete 8 beispielhaft angedeutet.
An den in Umfangsrichtung U innen liegenden Seiten der Schenkel 12 der Rotorpolschuhe 9 liegen die Rückschlusselemente 10 an. Jeder Rotorpolschuh 9 umfasst mit seinen Schenkeln 12 also ein Ende des Rückschlusselement 10, so dass das Rückschlusselement 10 jeweils 2 der Rotorpolschuhe 9 verbindet. In 3 ist eine solche Kombination aus Rotorpolschuhen 9 und Rückschlusselement 10 aus der Blickrichtung von der Rotationsachse her zu erkennen. Das Rückschlusselement 10, welcher hier in etwa die Form eines flachen Kreuzes aufweist, ist dabei in axialer Richtung gerade ausgeführt, so dass die Rotorpolschuhe 9 zueinander nicht verschränkt sind.
Auch hier sind die Permanentmagneten 8 zu erkennen, welche zwischen den Rotorpoleinheit 7 durchgehend ausgebildet sind, oder auch aus zwei diskreten Permanentmagneten 8 bestehen können, welche im Bereich zwischen den Rotorpoleinheit 7 unterbrochen sind.
Die magnetische Flussführung erfolgt von den Permanentmagneten 8 in tangentialer und radialer Richtung durch die Rotorpolschuhe 9 und in tangentialer und axialer Richtung durch die Rückschlusselement 10. Durch die jeweilige Blechung werden anders verlaufende Flussführungen weitgehend unterbunden. Um die Flussführung noch weiter zu optimieren und einen Austritt des magnetischen Flusses aus den axialen Stirnseiten 14 der Schenkel 12 der Rotorpolschuhe 9 zu verhindern, sind dort bevorzugt Luftspalte vorgesehen. Die Rotorpolschuhe 9 und die Rückschlusselemente 10 berühren sich somit nur an ihren senkrecht zur Umfangsrichtung orientierten Flächen direkt, während die axialen Stirnseiten 14 durch einen Luftspalt voneinander getrennt ausgeführt sind. Vergleichbares gilt für die Permanentmagnete 8, welche die Rotorpolschuhe 9 an ihren senkrecht zur Umfangsrichtung orientierten Flächen der Schenkel 12 direkt berühren. Eine Berührung zwischen dem Rückschlusselement 10 und den durchlaufend ausgeführten Permanentmagneten 8 ist nicht gegeben. Im Bereich der vorzusehenden Luftspalte können in besonders günstiger Weise die Seiten der Bleche angeordnet sein, welche aufgrund der Fertigung durch das Ausstanzen eine geringere Maßhaltigkeit aufweisen, während die Berührungsflächen als die flachen höchsten Maßhaltigkeit auszuführen sind.
Durch die Kombination der Rotorpolschuhe 9 und der Rückschlusselemente 10 der Rotoranordnung 1 ergibt sich somit ein hinsichtlich der magnetischen Flussführung optimierter Aufbau, bei dem in Verbindung mit der Statoranordnung 2 der magnetische Kreis mit geringen Streuverlusten geschlossen werden kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Kombination aus Rotorpolschuhen 9 und Rückschlusselementen 10 mit ihrer der Rotationsachse zugewandten Seite an ein schlecht magnetisierbares Material mit μr ≈ 1, beispielsweise Aluminium oder einem geeigneten Stahl, anliegt. Wird zur Ausbildung der Rotoranordnung 1 ein Außenrotor gewählt, so kann die Kombination aus Rotorpolschuhen 9 und Rückschlusselementen 10 an einem Rotorzylinder anliegen, welcher auch die Außenhülle der einseitigen Transversalflussmaschine bilden kann.
Da mittels einer Transversalflussmaschine mit der erfindungsgemäßen Rotoranordnung 1 Maschinen mit kleinen äußeren Abmessungen und einem hohen Drehmoment möglich sind, liegen die bevorzugten Anwendungsmöglichkeiten bei einseitigen Transversalflussmaschinen.
Insbesondere bei solchen in elektrischen Antriebseinheiten von Fahrzeugen, wie zum Beispiel Hybridfahrzeugen oder Bussen mit Radnabenmotoren, oder bei Schiffen.

Claims

Rotoranordnung für eine einseitige Transversalflussmaschine mit Flusskonzentration, welche über einen Luftspalt mit einer koaxial angeordneten Statoranordnung mit Statorpolen und dazwischen liegender ringförmiger Wicklung in Wechselwirkung steht, und in Umfangsrichtung Rotorpolschuhe mit zwischen ihnen angeordneten Permanentmagneten mit wechselnder Polung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder Statorpoleinheit (3) der Statoranordnung (29) jeweils eine Rotorpoleinheit (7) mit Rotorpolschuhen (9) vorgesehen ist, wobei benachbarte Rotorpolschuhe (9) einer Phase jeweils mit einem Rückschlusselement (10) verbunden sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlusselemente (10) aus in radialer Richtung gestapelten Blechelementen bestehen.
Rotoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpolschuhe (9) aus in axialer Richtung gestapelten Blechelementen bestehen.
Rotoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechelemente aus gestanztem Weicheisenblech bestehen.
Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rotorpolschuhe (9) und die Rückschlusselemente (10) nur an ihren senkrecht zur Umfangsrichtung (U) orientierten Flächen direkt berühren, während die axialen Stirnseiten (14) durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.
Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpolschuhe (9) und die Permanentmagnete (8) sich an ihren senkrecht zur Umfangsrichtung (U) orientierten Flächen direkt berühren.
Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlusselemente (10) und die Permanentmagnete (8) keine gemeinsamen Berührungsflächen aufweisen.
Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpolschuhe (9) in einer senkrecht zur Rotorachse liegenden Ebene im wesentlichen u-förmig mit einer Basis (11) und zwei Schenkeln (12) ausgebildet sind, wobei die Basis (11) mit der Stirnfläche (13) in Richtung der Statoranordnung (2) orientiert ist.
Rotoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (12) der Rotorpolschuhe (9) auf ihren in Umfangsrichtung (U) außen liegenden Seiten jeweils an den Permanentmagneten (8) anliegen, und dass die in Umfangsrichtung (U) innen liegenden Seiten an dem Rückschlusselement (10) anliegen.
Rotoranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die der Statoranordnung (2) zugewandte Stirnfläche (13) der Basis (11) so ausgebildet ist, dass der Luftspalt im Bereich der Statorpole (6) kleiner ist, als im Bereich der Schenkel der Polschuhe mit den angrenzenden Permanentmagneten.