DE19728172A1 - Elektrische Maschine mit weichmagnetischen Zähnen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen mit weichmagnetischen Zähnen an der Luftspalt­ oberfläche und Verfahren zur ihrer Herstellung.

Elektrische Maschinen mit weichmagnetischen Zähnen an der Luftspaltoberfläche, sind unter den Bezeichnungen Schrittmotor oder geschaltete Reluktanzmaschine in vielfältigen Bauformen bekannt. Durch die Zahnung ändert sich beim Bewegen des Läufers der magnetischen Wider­ stand für den über den Luftspalt geführten magnetischen Fluß. Die nutzbaren Kräfte sind von der Zahngeometrie, der Magnetisierbarkeit des weichmagnetischen Materials und der Flußdichte im Luftspalt abhängig.

Eine Bauart die sich insbesondere durch eine einfache Wickeltechnik auszeichnet ist die Transversalflußmaschine. Der weichmagnetische Körper weist in Umfangsrichtung Lücken auf die in etwa der halben Polbreite entsprechen. In den Lücken kann der im Leiterring fleißende Strom nur ein schwaches Magnetfeld ausbilden, so daß diese Umfangsabschnitte mehr zur Verlustleistung als zur Nutzleistung beitragen.

Aus der DE 43 25 740 C1 ist eine Transversalflußmaschine bekannt in der um den Leiterring U-förmige weichmagnetische Kerne angeordnet sind deren tangentiale Breite mit dem Radius überproportional zunimmt. Hierdurch entstehen zwischen den radial inneren Enden der Kerne in Umfangsrichtung Lücken die breiter als die Kernbreite sind.

In der DE-OS 28 05 333 und der DE 40 40 116 C2 werden segmentierte weichmagnetische Körper beschrieben, in denen die Schichtung der Polkerne senkrecht zur Schichtung der Jochbleche erfolgt.

Aus der DE 34 14 312 A1 ist eine permanenterregte Maschine mit Elektromagnet­ gruppen bekannt, die in Bewegungsrichtung an beiden Enden unbewickelte Halbpole aufweisen. Durch eine Lücke zwischen den Elektropoleinheiten wird der Phasenversatz gebildet. Die Pole und Halbpole weisen Polschuhe auf, die mit einer ebenen Luftspaltoberfläche nur enge Nut­ schlitze zum Einlegen der Drahtwicklung offen lassen. Der elektromagnetische Eisenkreis der Elektromagnetgruppen ist einstückig ausgeführt.

Weiterhin ist aus der DE 42 41 085 A1 bekannt, Polschuhe mit einer Schwalben­ schwanzverbindung auf Polkernen zu befestigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach dem Reluktanzprinzip funktionierende Maschine derart weiterzuentwickeln, daß bei vertretbaren Herstellungskosten der auf die Luftspaltfläche bezogene Drehschub vergrößert und die ohmschen und magnetischen Verluste vermindert werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Merkmalen der Ansprüche 1, 4, 6, 8 oder 9 wieder­ gegebene Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß bestehen die in die Luftspaltoberfläche angrenzenden weichmagnetischen Zähne aus einem Material, das gegenüber dem übrigen weichmagnetischen Körper eine höher Flußdichte bei gleicher magnetischer Feldstärke und/oder eine höhere magnetische Sättigungs­ flußdichte aufweist. Vorzugsweise wird in den Zähnen kornorientiertes Elektroblech oder eine Kobalteisen-Legierung eingesetzt.

Damit der leistungssteigernde Effekt nicht beeinträchtigt wird, weist der übrige weich­ magnetische Körper in Richtung des magnetischen Flusses insgesamt einen größeren Querschnitt auf, als die Summe der an den Luftspalt grenzenden Zahnoberflächen.

Beispiel

Durch den Einsatz von kornorientiertem Elektroblech kann die Flußdichte in den Zähnen bei gleicher Bestromung der Maschine um bis zu 20% gesteigert werden (1,88 T anstatt 1,57 T). Bei gleicher Luftspaltoberfläche bzw. in etwa gleicher Maschinengröße steigt die Leistungsfähigkeit der Maschine um 44%.

Ein ähnlicher Effekt wird erreicht, wenn die Zahnung eines bereits aus kornorientiertem Elek­ troblech bestehenden Polsegmentes aus einer Kobalteisen-Legierung besteht, wodurch die Flußdichte am Luftspalt auf bis zu 2,3 T ansteigen kann.

Alternativ oder ergänzend besteht der weichmagnetische Körper, in dem die Leiterspulen angeordnet sind, aus einzeln vorgefertigten Polsegmenten, die vorzugsweise aus kornorientier­ tem Elektroblech hergestellt werden. Jeder zweite Pol ist unbewickelt und besteht aus zwei Halbpolen, die durch ein unmagnetisches Halterungselement verbunden sind. Die Anzahl der Zähne auf der Luftspaltoberfläche des bewickelten Poles entspricht der doppelten Anzahl der Zähne eines Halbpols. Das vorzugsweise T-förmige Halteelement besteht aus einem Material mit niedriger magnetischer und elektrischer Leitfähigkeit und verhindert die Bewegung der Halbpole in Richtung des magnetischen Flusses im Luftspalt. Die Halbpole fixieren wiederum das bewickelte Polsegment in seiner Position.

Dieser modulare Aufbau entspricht dem zweiten Grundgedanken der Erfindung und erlaubt ebenfalls den vorteilhaften Einsatz kornorientierten Materials, wobei im Luftspaltbereich und in dem Maschinenbereich, in dem der Raum zwischen Leiter- und Eisenmaterial aufgeteilt werden muß, die gute Magnetisierbarkeit optimal genutzt werden kann. Ein die Leistungsfähigkeit der Maschine beeinträchtigende Erhöhung des magnetischen Widerstandes tritt in den kornorientier­ ten Polsegmenten erst bei ca. 1,9 T auf. Dagegen tritt die gleiche Erhöhung des magnetischen Widerstandes in nichtkornorientiertem Elektroblech bereits bei 1,6 T auf. Erst die gegenüber dem Stand der Technik neuartige Segmentierung des bewickelten Körpers ermöglicht die optimale Nutzung der Kornorientierung im Nutbereich der Pole.

Die höher Flußdichte im Pol ermöglicht bei gleichem Luftspaltdurchmesser und gleicher Durchflutung eine Vergrößerung der Nutbreite und der zusätzliche Nutraum ermöglicht eine Senkung der Wicklungsverluste. Zusätzlich muß die Polwicklung nicht durch einen engen Nutschlitz eingefädelt werden und kann unter Zug sehr kompakt gewickelt werden.

Beispiel

Ausgehend von einer konventionellen Maschine mit Polbreite = Nutbreite in der Mitte des Nutbereichs kann durch die Herstellung der Polsegmente aus korn­ orientiertem Elektroblech bei gleicher Flußdichte im Luftspalt die Polbreite um 15% vermindert werden. Zusätzlich ist die Polspule - dank der günstigeren Wickeltechnik - mit 65% anstatt 50% Füllfaktor herstellbar. Zusammen ergibt sich eine 50% größerer Kupferquerschnittsfläche pro Nut bzw. eine Abnahme der Wicklungsverluste um 33%.

Wesentlich für diese Verbesserung ist die Segmentierung des bewickelten weichmagnetischen Körpers in bewickelte Pole und unbewickelte Halbpole, wobei der Halbpol mindestens einen Zahn am Luftspalt ausbildet. Der bewickelte Pol und die beiden mit ihm im Jochbereich ver­ bundenen Halbpole bilden eine magnetische Einheit, die durch die unmagnetischen Halterungs­ elemente von benachbarten baugleichen magnetischen Einheiten getrennt ist. Die Zähne der durch das Halterungselement getrennten Halbpole weisen einen größeren Abstand in Bewe­ gungsrichtung auf als die Zähne innerhalb der magnetischen Einheit und erzeugen hierdurch einen Phasenversatz zwischen benachbarten elektromagnetischen Einheiten.

Die unmagnetischen Malterungselemente vermeiden Rückstellkräfte durch unerwünschte Streuflüsse und steigern damit ebenfalls die Kraftdichte der Maschine. Der negative Einfluß des sekundären Luftspaltes wird durch ein Anpressen der Polsegmente gegeneinander und eine deutliche Erhöhung der Übergangsfläche durch einen schrägen Schnitt weitgehend vermieden. Zusätzlich wird eine Erhöhung des magnetischen Widerstandes im Jochbereich vermieden, indem die Jochdicke in Richtung der Nuttiefe ca. 75% der Breite des bewickelten Pols ent­ spricht. Die Kombination der Effekte

• - günstigere Magnetisierung durch kornorientierte Polsegmente
• - kompakte Wickeltechnik der Polspulen
• - kurze Flußwege und Entkoppelung der Phasen durch magnetisch getrennte Einheiten

führt zu einer deutlichen Steigerung der Leistungsdichte.

Neben der Verbesserung der Leistungsfähigkeit und geringerer Wicklungsverluste vermindert die erfindungsgemäße Segmentierung auch die Komplexität des Stanzwerkzeuges und den Stanz­ verschnitts. Das Wickeln der Polspulen wird vereinfacht und der zusätzlich Montageaufwand durch die Vielzahl der vorgefertigten Polteile ist beim Einsatz flexibler Montageautomaten vertretbar. Die erfindungsgemäße Segmentierung der Doppelschenkelpolmaschine eignet sich für rotierende Bauformen mit radialem und axialem Luftspaltfeld und auch für Linearantriebe.

Ebenfalls zu einer besseren Raum- und Materialausnutzung in rotierenden Maschinen, besonders bei transversaler Flußführung, trägt die Verwendung von schräg gewalzten Blechen bei. Bisher werden im Elektromaschinenbau ausschließlich Elektroblech mit konstanter Dicke eingesetzt. Entsprechend dem dritten Grundgedanken der Erfindung werden die Bleche vor, beim oder nach dem Stanzen in Richtung der Blechdicke verformt. Vorzugsweise erfolgt dies in einen Walzvor­ gang vor dem Stanzen, wobei das Elektroband einen trapezförmigen Querschnitt erhält.

Das trapezförmige Band kann vorteilhaft in Transversalflußmaschinen eingesetzt werden, wobei mit zwei unterschiedlichen Blechschnitten ein kompletter Eisenring um die Leiterringe ange­ ordnet werden kann. Der Fluß wird lediglich in der Nähe des magnetisch aktiven Luftspalts in den Zähnen konzentriert, die vorzugsweise aus einer Kobalteisen-Legierung bestehen. Der Einsatz von Elektroblechlamellen mit trapezförmigem Querschnitt ist aber auch in Radialfluß- und Axialflußmaschinen, besonders in Zwischenstatoren oder -rotoren, vorteilhaft.

In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Umfangsausschnitt aus dem Querschnitt einer Reluktanzmaschine mit elektromagnetischen Einheiten,

Fig. 2 zeigt den halben Querschnitt einer Transversalflußmaschine, mit Zahneinsätzen aus einer Kobalteisen-Legierung,

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus der axiale Seitenansicht des weichmagnetischen Körpers der Transversalflußmaschine aus Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt einer erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine 1, die aus sechs baugleichen elektromagnetischen Einheiten 2 mit jeweils vier Zähnen 3 besteht. Im Ausschnitt ist eine elektromagnetische Einheit vollständig dargestellt. Sie besteht aus einem bewickelten Polsegment 4 das zwischen zwei baugleichen, unbewickelten Halbpollsegmenten 5 angeordnet ist. Pol- und Halbpolsegmente bestehen aus axial hintereinandergeschichteten kornorientierten Elektroblechen, wobei die Vorzugsrichtung radial ausgerichtet ist. Die Halbpole weisen an der Luftspaltoberfläche einen Zahn 3 auf, dessen tangentiale Breite in etwa dem 52-ten Teil des Umfangs entspricht.

Den 24 Statorzähnen liegen am Luftspalt 6 insgesamt 26 Zahnsegmente 7 des Rotors 8 gegen­ über. Der Abstand zwischen den Zähnen benachbarter Halbpole 5 ist um 2/3 der Zahnbreite größer als der Abstand der Zähne innerhalb einer elektromagnetischen Einheit.

Der Phasenversatz in der Mitte der halbierten Pole kann in eisenreicheren Maschinen auch nur 1/3 der Zahnbreite betragen, so daß nur 25 Rotorzähne 7 den 24 Statorzähnen 3 gegenüber­ liegen. Die Zähnezahl pro elektromagnetischer Einheit kann auf 8, 12, 16 [bzw. 4.k mit k = ganzzahlig] gesteigert werden und die Anzahl der elektromagnetischen Einheiten kann eine beliebiges Vielfaches der Phasenanzahl betragen.

Damit die Rotorzähne 7 nicht bereits vor den Statorzähnen 3 einen erhöhten magnetischen Widerstand erzeugen, bestehen sie ebenfalls aus kornorientiertem Elektroblech, während der Jochring 9 aus nichtkornorientierten Elektroblechen besteht. Die tangential geblechten Rotor­ zähne 7 weisen einen leicht trapezförmigen Querschnitt auf. Dieser entsteht durch den Einsatz trapezförmig gewalzter Elektrobänder. Diese werden nach dem Walzen lediglich in der Länge abgeschnitten und als paketierte Stäbe axial in einen erwärmten Jochring gepreßt. Beim Ab­ kühlen erhöht sich der Druck des Jochrings 9 auf die Rotorzähne 7, so daß ein stabiler Sitz gewährleisten ist. Zusätzlich wird der tangentiale Raum zwischen den Rotorzähnen mit einem mechanisch stabilen Isolierstoff 10 ausgefüllt, der ebenfalls zur Stabilisierung beiträgt.

Im Stator ist der Raum zwischen benachbarten Zähnen 3 unterschiedlicher elektromagnetischer Einheiten durch das breite Ende des T-förmigen Halterungselements 11 ausgefüllt. Die Halte­ rungselemente bestehen ebenfalls aus einem unmagnetischen Werkstoff mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit. Sie trennen die elektromagnetischen Einheiten magnetisch voneinander, so daß Rückstellkräfte durch Streuflüsse vermieden werden.

Die Polspule 12 wird in einen vorgelagerten Fertigungsschritt auf das Polsegment 4 gewickelt wobei durch ein exaktes Legen des unter Zugspannung stehenden Drahtes ein erheblich höherer Füllfaktor realisierbar ist, als wenn die Wicklung durch den Nutspalt 13 eingelegt werden muß. Anschließend werden die beiden angrenzenden Halbpole 5 tangential aufgepreßt und dabei vorzugsweise durch Kleben angefügt. Die fertig montierte elektromagnetische Einheit 2 wird nun in den vorgewärmten Halterungskörper 14 axial eingeschoben. Beim Abkühlen verkürzen sich die T-förmigen Halterungselemente 11 und es entsteht eine Vorspannung, die den drei­ teiligen weichmagnetischen Körper der elektromagnetischen Einheit auch bei den hohen Schwankungen der magnetischen Normalkräfte im Luftspalt stabilisiert. Zusätzlich wird der Aufbau nach der Montage vergossen. Ergänzend kann in die Nuten der Polsegmente ein klauenförmiger Körper (nicht dargestellt) eingreifen und so zur Stabilisierung beitragen.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch den halben Querschnitt einer Transversalflußmaschine 15 dargestellt. In dem Blechschnitt 16 aus nichtkornorientierten Elektroblechen sind kleiner Zahneinsätze 17 aus einer Kobalteisen-Legierung eingefügt. In Bewegungsrichtung liegen den ebenfalls aus einer Kobalteisen-Legierung bestehenden Rotorsegmenten 18 immer nur Zahn­ einsätze oder Vertiefungen 19 gegenüber. Dagegen umschließen die Blechschnitte 16 den Leiterring 20 über den gesamten Umfang und die Flußdichte ist auch bei maximaler Flußdichte (2,3 T) in den Zahneinsätzen 17 im übrigen weichmagnetischen Körper 21 auf für die magneti­ sche Verlustleistung günstige Werte zwischen 1,2 und 1,4 T begrenzt. Da der weichmagnetische Körper 21 den Leiterring 20 an drei Seiten in tangentiale Richtung lückenlos einbettet, kann der elektrische Strom auf der gesamten Leiterlänge gleichmäßig zur Magnetfelderzeugung beitragen. Nur an den kritischen Verengungen des magnetischen Flusses wird das wesentlich teurere hochpermeable Material eingesetzt.

Der Anteil der Rotorsegmente und Zahneinsätze am Gewicht des weichmagnetischen Körpers kann durch die erfindungsgemäße Bauform auf 10 bis 20% reduziert werden. Hierdurch entstehen bei in etwa gleicher Leistungsfähigkeit erhebliche Einsparungen bei den Material­ kosten gegenüber einer vollständig aus einer Kobalteisen-Legierung bestehenden Maschine konventioneller Bauart.

Die Verbesserung der Wandlung von elektrischer Energie in magnetische Energie wird hierbei durch den Einsatz von Elektroblechen mit variabler Dicke bewirkt. In Fig. 3 ist erkennbar, wie ein lückenloser weichmagnetischer Ring 21 durch tangentiale Schichtung von Elektroblechen 22 mit trapezförmigem Querschnitt hergestellt wird.

Wie die Rotorzähne in Fig. 1 zeigen sind Elektrobleche mit trapezförmigen Querschnitt vorteilhafte Radialflußmaschinen einsetzbar. Auch in segmentierten Axialflußmaschinen und sind derartige umgeformte Elektrobleche zur besseren Ausnutzung des Raumes und damit zur Steigerung der Leistungsfähigkeit vorteilhaft in Zahn- und Polsegmenten einsetzbar.

Im Raum zwischen den weichmagnetischen Zähnen können auch Permanentmagnete als mag­ netische Blenden eingesetzt werden. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf reine Reluktanz­ maschinen, sondern schließt auch Hybridmotoren und -generatoren ein, die zusätzlich zur weichmagnetischen Zahnung am Luftspalt Permanentmagneten, Kurzschluß- oder Erregerwick­ lungen aufweisen.

Claims (9)

1. Elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Körpern (4, 5, 7, 21) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weichmagnetischer Körper (21), einen Teilbereich (7, 17) in der Nähe des Luftspaltes (6) aufweist, der aus einem Werkstoff mit höherer Magnetisierbarkeit und/oder höherer Sättigungsflußdichte besteht, als der ein weiter vom Luftspalt entfernt angeordnete Teilbereich (9, 16) des weichmagnetischen Körpers (21), der zum gleichen magnetischen Kreis gehört.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weichmagnetischer Körper am Luftspalt Zähne (7) aus kornorientiertem Elektroblech aufweist und minde­ stens ein weiterer Teil (9) des weichmagnetischen Körpers aus nichtkornorientiertem Elektroblech besteht.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weichmagnetischer Körper (21) am Luftspalt Zähne (17) aus einer Kobalteisen-Legierung aufweist und mindestens ein weiterer Teil (16) des weichmagnetischen Körpers (21) aus einer anderen Eisenlegierun­ gen besteht.

4. Elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Körpern (4, 5, 7, 21) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weichmagnetischer Körper (21) Elektrobleche mit variabler Blechdicke aufweist.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer rotierenden Maschine der weichmagnetische Körper (21) in tangentiale Richtung geblecht ist und die Blechdicke mit dem Radius zunimmt.

6. Elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Körpern (4, 5, 7) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Baugruppe mindestens zwei elektromagnetische Einheiten (2) aufweist, die aus mindestens einem bewickelten Polsegment (4) und zwei unbewickelten Halbpolsegmenten (5) besteht und die Halbpol­ segmente (5) im Jochbereich flächig an mindestens einem Polsegment (4) anliegen.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarte Halbpol­ segmenten (5) ein T-förmiges Halterungselement angeordnet ist, das die elektromagne­ tischen Einheiten (2) magnetisch trennt und eine Bewegung der an im anliegenden Halbpolsegmente (5) verhindert.

8. Verfahren zur Herstellung einer elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Körpern (4, 5, 7, 21) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrobleche vor, beim oder nach dem Stanzen derart umgeformt werden, daß die Blechdicke variiert.

9. Verfahren zur Herstellung einer elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Körpern (4, 5, 7, 21) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische Körper eines Polsegmentes unabhängig von anderen Teilen des weichmagnetischen Körpers vor­ gefertigt und nach dem Auftragen einer Kernisolierung mit einem gespannten Leiterdraht bewickelt wird, und an den vorgefertigen, bewickelte Pol anschließend zwei unbe­ wickelte Halbpole von unterschiedlichen Seiten angefügt werden.