DE102013200890A1

DE102013200890A1 - Transversalflussmaschine

Info

Publication number: DE102013200890A1
Application number: DE201310200890
Authority: DE
Inventors: Manuel Gaertner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Eine Transversalflussmaschine mit einer ringförmigen Erregerwicklung in einem Stator und einem gegenüber dem Stator verstellbar gelagerten Rotor weist im Stator zusätzlich eine Ankerwicklung auf. Der Rotor ist passiv ausgebildet und besteht aus weichmagnetischem Material.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Transversalflussmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Bekannt sind Transversalflussmaschinen mit stator- und rotorseitigen Wicklungen, die ringförmig ausgebildet sind und interagierende elektromagnetische Wechselfelder erzeugen. Die Bestromung der rotorseitigen Wicklung erfolgt hierbei über Schleifringe.
Des Weiteren sind Transversalflussmaschinen bekannt, die als permanentmagneterregte Synchronmaschinen ausgebildet sind und eine Ringwicklung im Stator sowie Permanentmagnete im Rotor aufweisen. Eine derartige Transversalflussmaschine, die als Außenläufermotor ausgebildet ist, wird beispielsweise in der WO 2011/080294 A1 beschrieben. Eine entsprechende Transversalflussmaschine, die als Innenläufermotor ausgeführt ist, ist aus der EP 0 677 914 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine konstruktiv einfach aufgebaute, mechanisch robuste Transversalflussmaschine zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die erfindungsgemäße Transversalflussmaschine weist einen Stator und einen gegenüber dem Stator verstellbar, insbesondere drehbar gelagerten Rotor auf. Der Stator ist mit einer Erregerwicklung versehen und zusätzlich mit einer Ankerwicklung. Der Rotor ist passiv ausgebildet und weist somit keine eigene Magnetfelderregungseinrichtung wie Permanentmagnete oder bestrombare Spulen auf. Der Rotor ist zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material gefertigt.
Bei dieser Transversalflussmaschine werden die bezogen auf die Motorachse ringförmig ausgebildete Erregerwicklung im Stator sowie die Ankerwicklung, welche ebenfalls im Stator angeordnet ist, jeweils zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes bestromt, wobei das Erregerfeld als elektromagnetisches Gleichfeld und das Ankerfeld als elektromagnetisches Wechselfeld gebildet wird. Auf Grund der Ausführung des Rotors aus weichmagnetischem Material breitet sich das Magnetfeld der Ankerwicklung, welches den Luftspalt zwischen Stator und Rotor überbrückt, in den Rotor hinein aus, wobei das Magnetfeld im Rotor mit dem Magnetfeld der Erregerwicklung in Stator interagiert, wodurch ein den Rotor im Motorbetrieb antreibendes Moment und im Generatorbetrieb bremsendes Moment erzeugt wird.
Der Vorteil dieser Ausführung liegt in dem konstruktiv besonders einfachen Aufbau des Rotors, für den weder Permanentmagnete noch erregbare Spulen erforderlich sind. Auch ein Käfigläufer im Rotor, so wie dies bei einem Asynchronmotor erforderlich ist, wird nicht benötigt. Der Rotor besteht lediglich zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig aus einem weichmagnetischen Material, in welchem sich das in der Ankerspule im Stator erzeugte Magnetfeld ausbreiten kann. Als Material für den weichmagnetischen Motor kommt beispielsweise ein Soft-Magnetic-Composite (SMC) in Betracht. Das Material kann auch für weichmagnetische Abschnitte im Stator eingesetzt werden.
Grundsätzlich kommen verschiedene Ausführungsvarianten der Transversalflussmaschine in Betracht. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist die Transversalflussmaschine als ein Außenläufermotor mit außen liegendem, den Stator umgreifenden Rotor ausgeführt. Da der Rotor passiv ausgebildet ist, kann dieser dünnwandig ausgeführt werden, was eine in Radialrichtung klein bauende Transversalflussmaschine ermöglicht. Alternativ hierzu kommt aber auch eine Ausführung als Innenläufermotor in Betracht.
Des Weiteren kann die Transversalflussmaschine mit radialem Luftspalt ausgebildet sein, bei dem Stator und Rotor einander zumindest teilweise umgreifen. Alternativ hierzu kommt auch eine Ausführung als Axialflussmaschine in Betracht, bei der Stator und Rotor zumindest teilweise axial versetzt angeordnet sind und der Luftspalt zwischen Stator und Rotor als ein Axialspalt ausgebildet ist.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsvariante ist die Transversalflussmaschine als eine Linearmaschine ausgeführt, vorzugsweise mit langem Fahrweg.
Um eine hohe magnetische Flussdichte im Rotor zu gewährleisten ist es vorteilhaft, dass die Ankerwicklung im Stator benachbart zum Luftspalt, vorteilhafterweise unmittelbar benachbart zum Luftspalt zwischen Stator und Rotor angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind am Stator Statorzähne bzw. -klauen und am Rotor Rotorzähne bzw. -klauen ausgebildet, wobei die Zahn- bzw. Klauenstirnseiten jeweils dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor benachbart und zugewandt sind. Bei einer Ausführung der Transversalluftmaschine mit umgreifendem Stator und Rotor sind die Zähne bzw. Klauen vorteilhafterweise jeweils radial ausgerichtet. Die Zähne bzw. Klauen bestehen insbesondere jeweils aus weichmagnetischem Material.
Die Ankerwicklung kann bezogen auf die Motorachse ringförmig ausgebildet sein, wobei grundsätzlich auch eine sattelförmige Ausführung der Ankerwicklung, insbesondere mit einer sich über einen Winkel von beispielsweise 90° erstreckenden Sattelform in Betracht kommt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Stator mit mindestens zwei verschiedenen Strängen ausgebildet und weist zwei axial versetzte Scheiben auf, die jeweils mit Wicklungen versehen sind. Auf diese Weise können drehmomentfreie Positionen vermieden werden. Es kommen sowohl axial versetzte als auch zirkulär bzw. in Umfangsrichtung versetzte Stränge in Betracht.
Zur Kompensation eines Streuflusses kann es vorteilhaft sein, der Erregerwicklung im Stator Permanentmagnete zuzuordnen, welche insbesondere zirkulär bzw. in Umfangsrichtung abwechselnd magnetisiert sein können.
Die Erregerwicklung und die Ankerwicklung im Stator sind zueinander radial versetzt angeordnet, wobei die Ankerwicklung auf der dem Rotor benachbarten Seite liegt. Das Erregerteil im Stator kann entsprechend einem Klauenpolläufer aufgebaut sein und eine Erregerwicklung aufweisen, die um einen Eisenrückschluss im Stator gelegt ist und von Klauen bzw. Zähnen umschlossen ist, wobei die äußeren Kanten der Klauen bzw. Zähne parallel oder zumindest annähernd parallel liegen. Zwischen den Erregerklauen bzw. -zähnen können, wie oben ausgeführt, zur Kompensation des Streuflusses Permanentmagnete mit einer Magnetisierung in Umfangsrichtung eingefügt sein.
Auf die Erregerklauen können je zu diesem Erregersystem gehörender Spur zwei Statorzähne in radialer Richtung aufgesetzt sein. Bei mehreren Spuren können diese einem Statorstrang zugeordnet sein (z.B. zwei Spuren bei zirkulärem Strangversatz und Nutzung der Statorrückwicklung durch Einsatz sattelförmiger Ankerwicklungen) oder durch einen eingefügten Abstand zwischen den Zähnen zweier Spuren für verschiedene Stränge genutzt werden. Die Statorzähne können klauen- oder blockförmig ausgeführt sein. Vorteilhafterweise überlappen sich zwei axial gegenüberstehende Klauen nicht, wobei die Länge einer Klaue in axialer Richtung nicht mehr als die Hälfte der zu einer Spur zugeordneten, aktiven Länge beträgt.
Vorteilhafterweise ist zwischen zwei zu einer Spur gehörenden Statorzähnen eine Ankerwicklung gelegt, die entweder ringförmig oder sattelförmig ausgeführt sein kann. Bei sattelförmiger Ausführung wird vorteilhafterweise die Rückwicklung in der zweiten Spur genutzt.
Bei einer Ausführung als Außenläufermotor ist der Rotor hohlzylindrisch ausgebildet und weist bevorzugt einen weichmagnetischen Rückschlussring und radial nach innen ragende, weichmagnetische Zähne auf. Die Rotorzähne sind den Statorzähnen gegenüberliegend angeordnet. Zweckmäßigerweise ist nur jede zweite Polteilung mit einem Rotorzahn besetzt, wobei die jeweils andere Polteilung frei bleibt. Zwischen den Rotorzähnen der einen Reihe und den Rotorzähnen der zweiten, der Spur zugeordneten Reihe besteht ein Versatz von einer Polteilung, so dass die Rotorzähne der beiden Reihen immer abwechselnd angeordnet sind. Zur Vermeidung einer magnetischen Verkopplung der Stränge muss entweder statorseitig oder rotorseitig ein nicht-magnetischer, axialer Abstand eingefügt werden. Werden Spuren auf einem Erregerklauensystem mehreren Strängen zugeordnet, so ist dieser Abstand auf dem Rotor einzubringen, es ist je Strang beispielsweise eine nichtmagnetische Distanzhülse erforderlich.
Die Erregerwicklung im Stator wird vorteilhafterweise mit Gleichstrom bestromt, was zu zirkulär abwechselnden, magnetischen Polen führt. Soweit Permanentmagnete zwischen den Erregerklauen angeordnet sind, unterstützen diese die Führung des erzeugten Flusses über die Statorzähne hin zum Luftspalt. Die Ankerwicklung wird vorteilhafterweise mit Wechselstrom bestromt, wobei die beiden Zahnreihen einer Rotorspur unterschiedlich magnetisiert werden, was zu Abstoßungs- und Anziehungskräften zwischen den Stator- und Rotorzähnen führt, welche durch Umkehrung des Ankerstroms gewendet werden können.
Im Hinblick auf die Fertigung (Pressbarkeit der weichmagnetischen Teile, Einbringen der Wicklung) ist eine Zerlegung der weichmagnetischen Teile insbesondere des Stators zweckmäßig. Um die Anzahl der Einzelteile zu reduzieren, können die Klauen des Stators im radialen Bereich außerhalb der Erregerwicklung axial derart verlängert werden, dass sie axial hinter den entgegengesetzten Polen verbunden werden können.
Möglich ist des Weiteren sowohl ein zirkulärer als auch ein axialer Strangversatz. Bei zirkulärem bzw. in Umfangsrichtung versetztem Strangversatz kommt die Nutzung der Rückwicklung in der zweiten Spur in Betracht. Ein axialer Strangversatz vereinfacht die Komplexität der weichmagnetischen Statorteile und trägt dadurch zur Fertigbarkeit bei. Bei axialem Strangversatz kann außerdem das Erregungssystem je Strang ausgeführt werden, wobei alle Stränge als Scheiben unabhängig voneinander aufgebaut sind; hierdurch ergibt sich ein elektrisch symmetrischer Aufbau. Je Strang kann auch lediglich ein Zahnsystem auf die Klauen eines Gesamterregersystems aufgebaut werden, wodurch geringe Erregerverluste entstehen.
Die Transversalflussmaschine wird beispielsweise als Generator, insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingesetzt.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 einen Schnitt quer zur Längsachse durch eine Transversalflussmaschine, die als Außenläufermotor ausgebildet ist, wobei der innen liegende Stator sowohl eine ringförmige Erregerwicklung als auch eine ringförmige, radial nach außen versetzte Ankerwicklung trägt und der Rotor passiv ausgebildet ist,
2 einen Schnitt durch die Transversalflussmaschine in Radialrichtung,
3 eine Darstellung gemäß 1 einer Transversalflussmaschine in einer Ausführungsvariante,
4 einen Schnitt durch die Transversalflussmaschine gemäß 3 in Radialrichtung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1 und 2 ist eine Transversalflussmaschine 1 dargestellt, die als Außenläufermotor ausgebildet ist und einen radial innen liegenden Stator 2 und einen umgreifenden, außen liegenden Rotor 3 umfasst. Der Stator 2 weist eine bezogen auf die Motorachse 11 ringförmige Erregerwicklung 4 auf, die einen innen liegenden Erregerrückschluss 6 aus weichmagnetischem Material umgreift, sowie im radial außen liegenden Bereich eine ebenfalls ringförmig ausgebildete Ankerwicklung 5, welche unmittelbar benachbart zum ringförmigen Luftspalt zwischen der Außenseite des Stators 2 und der Innenseite des Rotors 3 angeordnet ist. Die Erregerwicklung 4 ist mit Gleichstrom, die Ankerwicklung mit Wechselstrom zu beaufschlagen.
Der Stator 2 weist über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von Statorzähnen 7 auf, die auf Klauen des Stators aufgesetzt sind und sich radial nach außen bis zu dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor erstrecken, wobei die außen liegende Stirnseite der Statorzähne 7 an den ringförmigen Luftspalt angrenzt.
Zwischen den Erregerklauen des Stators, auf die die Statorzähne 7 aufgesetzt sind, sind Permanentmagnete 8 zur Kompensation des Streuflusses eingefügt.
Der Rotor 3 ist passiv aufgebaut und daher nicht in der Lage, selbsttätig ein Magnetfeld aufzubauen, das mit dem Magnetfeld der Erregerwicklung 4 interagiert. Vielmehr besteht der Rotor 3 aus weichmagnetischem Material, in das sich das Magnetfeld der Ankerwicklung 5 des Stators 2 ausbreitet. Der Rotor 3 umfasst einen radial außen liegenden Rückschlussring 9 und an der Innenseite des Rückschlussringes 9 angeordnete, sich radial nach innen erstreckende Rotorzähne 10, die über den Umfang verteilt an der Innenseite des Rückschlussringes angeordnet sind.
Der Schnittdarstellung gemäß 2 ist die axiale Erstreckung von Stator und Rotor zu entnehmen, die jeweils scheibenförmig ausgebildet sind. Die Rotorzähne 10 sind in Achsrichtung versetzt zueinander angeordnet, wobei der axiale Abstand zwischen den Statorzähnen 7 und den Rotorzähnen 10 gleich ist.
Um drehmomentfreie Positionen zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, einen zweiten Strang als separate Scheibe axial versetzt zu der dargestellten, ersten Scheibe von Stator und Rotor vorzusehen.
Bei der Ausführungsvariante gemäß 3 und 4 ist ebenfalls eine Transversalflussmaschine 1 dargestellt, die als Außenläufermotor ausgebildet ist und deren Stator 2 wie beim ersten Ausführungsbeispiel eine ringförmige Erregerwicklung 4, welche um einen innen liegenden Erregerrückschluss 6 gelegt ist, sowie eine radial weiter nach außen versetzte Wicklung 5 aufweist. Der Rotor 3 ist passiv ausgebildet und besteht aus weichmagnetischem Material, er weist einen außen liegenden Rückschlussring 9 sowie radial nach innen gerichtete Rotorzähne 10 auf.
Im Stator 3 ist jedoch nicht nur eine einzige Ankerwicklung 5 vorgesehen, sondern über den Umfang verteilt mehrere Ankerwicklungen 5, insbesondere vier Ankerwicklungen, die jeweils sattelförmig ausgebildet sind und in Achsrichtung sich über einen Winkelbetrag von beispielsweise 90° erstrecken. Jede Ankerwicklung 5 ist umlaufend geschlossen ausgebildet, was anhand der Schnittdarstellung gemäß 4 zu erkennen ist. Die Transversalflussmaschine gemäß den 3 und 4 weist somit zwei Spuren mit zirkulärem Strangversatz auf, bei dem gegenüberliegende Segmente demselben Strang zugeordnet sind, um Radialkräfte zu vermeiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/080294 A1 [0003]
EP 0677914 A1 [0003]

Claims

Transversalflussmaschine, mit einer ringförmigen Erregerwicklung (4) in einem Stator (2) und mit einer Ankerwicklung (5), mit einem gegenüber dem Stator (2) verstellbar, insbesondere drehbar gelagerten Rotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Erregerwicklung (4) auch die Ankerwicklung (5) im Stator (2) angeordnet ist, wobei der Rotor (3) passiv ausgebildet und zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung (5) im Stator (2) benachbart zum Spalt zwischen Stator (2) und Rotor (3) angeordnet ist.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Statorzähne (7) am Stator (2) und Rotorzähne (10) am Rotor (3) ausgebildet sind und die Zahnstirnseiten dem Spalt zwischen Stator (2) und Rotor (3) zugewandt sind.
Transversalflussmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Statorzähne (7) am Stator (2) und Rotorzähne (10) am Rotor (3) jeweils radial ausgerichtet sind.
Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung (5) ringförmig ausgebildet ist.
Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung (5) sattelförmig ausgebildet ist.
Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) mit mindestens zwei Strängen ausgebildet ist und zwei axial versetzte Scheiben aufweist, die jeweils mit Wicklungen versehen sind.
Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerwicklung (4) zur Kompensation des Streuflusses Permanentmagnete (8) im Stator (2) zugeordnet sind.
Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) und der Rotor (3) einander zumindest teilweise umgreifen und der Spalt zwischen Stator (2) und Rotor (3) als Ringspalt ausgebildet ist.
Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Stator (2) und Rotor (3) zumindest teilweise axial versetzt angeordnet sind und der Spalt zwischen Stator (2) und Rotor (3) als Axialspalt ausgebildet ist.
Transversalflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Ausführung als Außenläufermotor.
Generator, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einer Transversalflussmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.