EP2122809A2 - Electric machine - Google Patents

Electric machine

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Publication number
EP2122809A2
EP2122809A2 EP08706364A EP08706364A EP2122809A2 EP 2122809 A2 EP2122809 A2 EP 2122809A2 EP 08706364 A EP08706364 A EP 08706364A EP 08706364 A EP08706364 A EP 08706364A EP 2122809 A2 EP2122809 A2 EP 2122809A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
winding structure
rotor
machine according
webs
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08706364A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rolf Gloor
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gloor Engineering
Original Assignee
Gloor Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gloor Engineering filed Critical Gloor Engineering
Publication of EP2122809A2 publication Critical patent/EP2122809A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K17/00Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02Asynchronous induction motors
    • H02K17/12Asynchronous induction motors for multi-phase current
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/02Synchronous motors
    • H02K19/10Synchronous motors for multi-phase current
    • H02K19/103Motors having windings on the stator and a variable reluctance soft-iron rotor without windings
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02Details
    • H02K21/04Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation
    • H02K21/046Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation with rotating permanent magnets and stationary field winding
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • H02K99/20Motors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/12Transversal flux machines

Definitions

  • the present invention relates to the field of electric machines. It relates to such an electrical machine for converting electrical energy into mechanical energy and vice versa, comprising a movable part and a fixed part, wherein in transverse magnetic flux guide, the movable part is designed as an in-line, winding-free rotor, wherein the rotor for the purpose of magnetic flux guide at least two axially spaced from each other magnetic conductor, so that form a first and a second impeller, and the fixed part in the circumferential direction of the machine comprises a number of magnetically effective webs, which are in operative connection with the magnetic conductors of the rotor, said fixed part having at least one first winding structure which is also operatively connected to the axially spaced magnetic conductors of the rotor.
  • Machine for conversion of electrical to mechanical energy and vice versa comprising a movable part and a fixed part, wherein in transverse magnetic flux guide, the movable part is designed as an internal, winding-free rotor.
  • transversal flux machines measured an increased interest because of their very good torque-to-mass ratio, they are called complicated and therefore pose a challenge for the production.
  • transversal flux machines are considered to be complicated to produce, and indeed, known transversal flux machines today have a Onellen electrical rotary machines large number of different components whose assembly is time-consuming and therefore costly.
  • the transversal flux machine has not been supplied with great interest in mass production because of the complicated production.
  • WO2006126552 discloses an electric machine for converting electrical to mechanical energy and vice versa, comprising a movable part and a fixed part, wherein in transverse magnetic flux guide, the movable part is designed as an internal, winding-free rotor, wherein the rotor for the purpose of magnetic flux guide at least two axially spaced from each other magnetic conductor, so that form a first and a second impeller, and the fixed part in the circumferential direction of the machine comprises a number of magnetically effective webs, which are in operative connection with the magnetic conductors of the rotor, said fixed part having at least one first winding structure which is also operatively connected to the axially spaced magnetic conductors of the rotor.
  • the object of the present invention is to provide an electrical machine which shows an improved torque - machine volume ratio with good centrifugal force resistance.
  • the object underlying this invention is achieved by an electrical machine according to claim 1.
  • Advantageous embodiments of this machine are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.
  • the present electric-to-mechanical electrical machine and vice versa comprises a movable part and a stationary part, wherein in transverse magnetic flux guide, the movable part is formed as an in-line, winding-free rotor and the rotor is at least two axially spaced from each other for magnetic flux guidance comprises magnetic conductors on so-called impellers, between which the fixed part in the circumferential direction of the machine has a number of magnetically effective webs, which are in operative connection with the magnetic conductors of the rotor and wherein said fixed part has at least one first winding structure with the axial spaced magnetic conductors of the rotor is also in operative connection.
  • the inventive machine has a second winding structure on the webs, wherein either the first winding structure acts as an armature winding and the second winding structure as a field winding or vice versa and wherein the at least one first and a second impeller radially inward magnetically effective by means of another magnetic Ladder are connected.
  • the magnetic flux thus proceeds from the magnetically active web of the stationary part via a first magnetic conductor of the rotor to an axially adjacent second magnetic conductor of the rotor and back to the magnetically active web.
  • This magnetic circuit encloses the first winding structure of the stationary part of the electric machine according to the invention.
  • the design of the machine essential to the invention essentially shows rotor elements which are equipped as impellers with individual magnetic conductors and have annular structures of the stationary part of the machine, hereinafter also referred to as stator. called, such as the first winding structure.
  • stator such as the first winding structure.
  • the entire machine disc-shaped (rotor), or annular (stator) to build up axially.
  • the impellers and the near-axis, magnetically active connection of adjacent impellers belonging to a phase rotate.
  • a significant advantage of the new electric machine is that a significantly higher torque can be provided with the best possible centrifugal force resistance and thus robustness of the machine, as in state-of-the-art machines, that is, the same size as a known machine provides the new Machine, the larger torque, or if the machine is designed for torque, shows the new electric machine with significantly smaller volume.
  • the magnetic circuit structure shows a particularly effective frictional connection, since the first winding structure can be arranged particularly close to the axis in the stator and the magnetic flux is radially closed achsfem on the vanes and the webs in the stator. Because of the winding arrangement close to the axis of the first winding structure comparatively little line copper is used on the one hand, this first winding arrangement is very robust to produce, and on the other hand arises due to the low copper consumption compared to the prior art comparatively high efficiency of the machine with the already mentioned, improved specific torque.
  • an advantageous embodiment of the electric machine provides that axially adjacent impellers are connected by means of a magnetic conductor;
  • the impellers may have an L-shaped or a T-shaped structure, viewed in a radial section, or may alternatively be spaced apart by a magnetically conductive ring.
  • a further embodiment provides that adjacently arranged impellers may be spaced by a permanent magnet ring. It is advantageous if the machine has an additional, second winding structure between the radially inner, first winding structure and the radially outer web ends in the stator. It is provided that either the first or the second winding structure acts as a field winding or as an armature winding.
  • each of the webs surrounded by a second winding structure can advantageously be designed as permanent magnets.
  • the second winding structure may be formed as a single, independent coil windings, wherein each individual coil winding is arranged as a short-circuit winding between the radially inner, first winding structure and the radially outer web ends.
  • the second winding structure in the circumferential direction of the machine can also be arranged wave-like or loop-shaped between the first winding structure and the radially outer web ends.
  • each web of a machine pole on both sides in the circumferential direction radially extending winding parts and adjacent webs alternately only a tangentially outer or a tangentially inner winding part.
  • each web of a machine pole is surrounded along its radial and tangential web sides by a coil having a number of turns, adjacent coils being respectively the same at the radial web sides Number of turns lie together and at the tangential outer and the tangential inner web pages each only the simple number of turns of a coil occurs;
  • this loop-shaped, second winding structure allows a more compact design of the machine according to the invention and the compensation of an axial magnetic flux component of this second winding structure.
  • a further advantageous embodiment of the machine provides that the second winding structure is arranged between the first winding structure and a housing bounding the machine, wherein this second winding structure is formed as an embedded winding structure and each part winding of this second winding structure between each two circumferentially adjacent webs is arranged.
  • This second winding structure can be designed as a short-circuit winding, as a wave winding or as a loop winding.
  • axially adjacent two or more phases may be realized in the fixed part, bounded as a composite of only two impellers of the rotating part of the machine, or each of the two or more phases are each located between directly associated impellers.
  • the two or more phases are installed offset from each other with a desired phase shift.
  • the new electric machine is further characterized by the fact that it can be implemented as an asynchronous machine or as a synchronous machine.
  • the synchronous machine with asynchronous startup option is also an interesting design,
  • 1 a, b is a longitudinal sectional view, or a cross-sectional view of the invention according to the electric machine in the embodiment of a three-phase synchronous A with an excitation in the form of short-circuited rings, or a three-phase synchronous machine with an excitation in the form of a loop winding.
  • 2a, b is a longitudinal sectional view, or a cross-sectional view of the inventive electrical machine in the embodiment of the three-phase synchronous machine with an excitation in the form of a wave-shaped winding structure.
  • 3a, b is a longitudinal sectional illustration, or a cross-sectional view of the erfindungsdorfen electrical machine in the embodiment of a three-phase synchronous A with an excitation in the form of short-circuiting rings, said shorting rings are each formed between embedded in the circumferential direction of the machine webs as embedded shorting rings , or with an excitation in the form of a corresponding loop winding, and the
  • Fig. I a, b show by way of a three-phase machine, an embodiment of the inventive electric machine in a longitudinal sectional view (Fig. I a) or 1 in a cross-sectional view (Fig. I b).
  • This is a three-phase asynchronous machine or a synchronous machine with phases Pl, P2 and P3.
  • This machine comprises a rotationally symmetrical housing G, which carries a stationary part S, M 1 L, W of the machine, wherein on an inner wall of the housing G three axially spaced web rings with a number of webs S, M are arranged.
  • the number of webs S, M in the example of embodiment 32 is what corresponds to the number of poles of the machine.
  • the webs S, M of the second phase P2 are in the present, three-phase design with respect to the webs S, M of the first phase Pl rotated by one-third of the pole pitch.
  • the third phase P3 by two-thirds compared to the first phase PI.
  • a concentric winding is attached as a first winding structure W.
  • a movable part k, k ', f of the machine is arranged on a rotor axis a, on the per phase PI, P2, P3 two impellers fr, fr 1 are mounted with magnetically conductive vanes f.
  • the wings f are aligned in this embodiment, aligned with each other, said wings f radially and viewed from the rotor axis a from at least in the region of the webs S, M are formed as spaced circumferentially of the machine wings f; below that you can be connected. In the region of the webs S, M are then the number of pole pairs according to a number of wings f, in the present example 16 wings f, distributed over the circumference.
  • Adjacent vanes fr, fr 1 of a respective phase Pl, P2, P3 are connected by means of a magnetically conductive core k, or a permanent magnet k '. Furthermore, the machine has a second winding structure L, Lk, Ls.
  • This second winding structure L, Lk, Ls is formed in the form of individual short-circuit windings Lk or in the form of a loop winding Ls on the webs S 1 M.
  • the short-circuit windings Lk or the loop winding Ls with their respective coil axes are arranged parallel to the rotor axis a on the webs S, M.
  • These short-circuit windings Lk, or loop winding Ls extend in the present example between the radially inner web ends Si and the radially outer web ends Sa and thus frame the webs S, M completely.
  • This machine has 32 poles, that is, 16 pairs of poles and 16 wings f on the impellers fr, fr '.
  • the vanes fr, fr 'of all adjacent phases Pl, P2, P3 are in this embodiment aligned with each other, whereas the webs S, M of the phases have a phase shift. This is clear in Fig. I a 1 in which the corresponding phase-shifted phases PI, P2, P3 appear cut differently.
  • the cut passes radially through a short-circuit winding Lk, or a loop winding Ls
  • the phases P2, P3 have sections through the webs S, M and the short-circuit windings Lk, and the loop winding Ls at the inner web ends Si and the outer bridge ends Sa on.
  • the present machine is used with its short-circuit windings Lk for the excitation and the first winding structure W for the armature winding as an asynchronous machine used; With a loop winding Ls as excitation, this machine according to the invention functions as a synchronous machine or as a non-slip asynchronous machine.
  • the magnetic circuit consists of the core k, k ', two axially adjacent wings f, the two air gaps between wings f and the associated web S, M.
  • M is formed attractive force (Maxwell force) in the axial and tangential direction between wing f and web S 1 M.
  • the force in the axial direction causes only a mechanical stress on the components but no remarkable movement, since the wings f and webs S, M can not move in this direction outside their elasticity.
  • the tangential force causes a movement of the wings f, since they can rotate with the rotor axis a. Due to the above-mentioned phase shift of the phases Pl, P2 and P3 results in an approximately constant force in the circumferential direction - depending on the phase sequence in the drive- and thus a torque.
  • FIGS. 2a, b (longitudinal and cross section) has, in addition to the first winding structure W, a second winding structure L, Lw, which is arranged as wave-shaped winding Lw on the webs S, M.
  • This wave-shaped winding Lw is characterized in that all the webs S, M are provided on their radial sides with the wave-shaped winding Lw, whereas in the circumferential direction immediately adjacent webs S, M each alternately only one winding part of the wave-shaped winding Lw at the radially inner web end Si or at the radially outer web end Sa have.
  • the wave-shaped winding Lw serves as a field winding
  • adjacent webs S, M an opposite, magnetic polarity on and there are for example again 16 pole pairs of webs S, M before and 16 wings on the impellers fr, fr '.
  • the first winding structure W as armature winding, this machine functions as a synchronous machine.
  • the webs S, M of the individual phases Pl, P2, P3 are arranged with a phase shift to each other; Fig.
  • FIG. 2a illustrates this at the different sections of the wave-shaped winding Lw, namely with a radial section through this wave-shaped winding Lw in phase Pl and with cuts through the webs S, M of the phases P2 and P3 and through the wave-shaped winding Lw at the outer web end Sa , or at the inner web end Si.
  • FIGS. 3a, b an asynchronous machine according to the invention is shown in a longitudinal section (FIG. 3a) or in a cross-sectional view (FIG. 3b), similar to that shown in FIGS. 1a, b.
  • the difference lies in the arrangement of the second winding structure L, Lk, which is embodied here as an embedded winding structure, wherein each individual short-circuit winding Lk is respectively arranged between two circumferentially adjacent webs.
  • the short-circuit windings are Lk in Fig. 3a, rotated 90 °, and thus have a tangential magnetic flux direction through.
  • the vanes fr, fr 'of each phase are rotated by one pole pitch, because of the tangential flow through the short-circuit windings Lk.
  • the machine shown in FIGS. 3a, b can also be equipped with a loop winding Ls instead of the short-circuit windings Lk described above; Thus, this machine can also be used as a synchronous machine or as a slip ringless Schleifringasynchronmaschine.
  • FIGS. 4a, b show a further embodiment of the asynchronous machine, as shown in FIGS. 3a, b.
  • the essential difference here is that the air gap is not axially, but radially directed, wherein the webs S, M and embedded between two webs S short-circuit windings Lk extend radially outward of the machine over the entire width of two adjacent vanes fr, fr 1 .
  • a loop winding Ls be arranged, as already explained above.
  • FIGS. 3 a, b and 4 a, b are provided with an embedded wave winding Lw as second winding structure instead of short-circuit windings.
  • impellers fr, fr ' are designed as discs with a flange attachment articulated radially inward; that is, the vanes fr, fr 'would have an L-shaped structure in an axial section.
  • an impeller fr, fr ' would be T-shaped in an axial section; these two variants are not the subject of figurative representation in the drawing.

Landscapes

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Abstract

In an electric machine for converting electrical energy into mechanical energy and vice-versa, comprising a movable part (k, k', f, fr, fr') and a stationary part (S, M, L, W), the movable part (k, k', f, fr, fr') is designed as an inner rotor (k, k', f, fr, fr') without a winding for transverse magnetic flux. For the purposes of magnetic flux guidance, the rotor (k, k', f, fr, fr') has at least two axially spaced apart magnetic conductors (f), and the stationary part (S, M, L, W) has in the circumferential direction of the electric machine a number of magnetic webs (S, M) which operationally interact with the magnetic conductors (f) of the rotor (k, k', f, fr, fr'). The stationary part (S, M, L, W) has at least one first winding structure (W) and a second winding structure (L) arranged between the axially spaced apart magnetic conductors (f) of the rotor.

Description

Elektrische Maschine Technisches Gebiet Electrical machine Technical field
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen. Sie betrifft eine solche elektrische Maschine zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt, umfassend einen beweglichen Teil und einen feststehenden Teil, wobei bei transversaler Magnetflussführung der bewegliche Teil als innenlaufender, wicklungsfreier Rotor ausgebildet ist, wobei der Rotor zwecks Magnetflussführung mindestens zwei voneinander axial beabstandete magnetische Leiter umfasst, so dass sich ein erstes und ein zweites Flügelrad bilden, und der feststehende Teil in Umfangsrichtung der Maschine eine Anzahl magnetisch wirksamer Stege umfasst, die mit den magnetischen Leitern des Rotors in Wirkverbindung stehen, wobei dieser feststehende Teil mindestens eine erste Wicklungsstruktur aufweist, die mit den axial beabstandeten magnetischen Leitern des Rotors ebenfalls in Wirkverbindung steht.The present invention relates to the field of electric machines. It relates to such an electrical machine for converting electrical energy into mechanical energy and vice versa, comprising a movable part and a fixed part, wherein in transverse magnetic flux guide, the movable part is designed as an in-line, winding-free rotor, wherein the rotor for the purpose of magnetic flux guide at least two axially spaced from each other magnetic conductor, so that form a first and a second impeller, and the fixed part in the circumferential direction of the machine comprises a number of magnetically effective webs, which are in operative connection with the magnetic conductors of the rotor, said fixed part having at least one first winding structure which is also operatively connected to the axially spaced magnetic conductors of the rotor.
Maschine zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt, umfas- send einen beweglichen Teil und einen feststehenden Teil, wobei bei transversaler Magnetflussführung der bewegliche Teil als innenlaufender, wicklungsfreier Rotor ausgebildet ist.Machine for conversion of electrical to mechanical energy and vice versa, comprising a movable part and a fixed part, wherein in transverse magnetic flux guide, the movable part is designed as an internal, winding-free rotor.
Solche so genannten Transversalflussmaschinen gemessen zwar ein gesteigertes Interesse wegen ihres ausgesprochen guten Drehmoment-zu-Masse-Verhä)tnisses, hingegen werden sie als kompliziert bezeichnet und stellen somit eine Herausforderung für die Fertigung dar.Although such so-called transversal flux machines measured an increased interest because of their very good torque-to-mass ratio, they are called complicated and therefore pose a challenge for the production.
Technologischer HintergrundTechnological background
Die Technologie der transversalen Flussführung ist für elektrische Maschinen seit Jahrzehnten bekannt. Jedoch gelten Transversalflussmaschinen als kompliziert in der Herstellung und tatsächlich zeigen bekannte Transversalflussmaschinen heute eine im Vergleich zu konventi- onellen elektrischen Rotationsmaschinen grosse Anzahl verschiedener Bauteile, deren Zusammenbau zeitintensiv und damit kostenintensiv ist.The technology of transversal flux guidance has been known for electrical machines for decades. However, transversal flux machines are considered to be complicated to produce, and indeed, known transversal flux machines today have a Onellen electrical rotary machines large number of different components whose assembly is time-consuming and therefore costly.
Auf der anderen Seite bedürfen herkömmliche, elektrische Maschinen der Antriebstechnik beispielsweise auf der mechanischen Seite besondere Anpassungen für die Kraftübertragung, wie ein Reduktionsgetriebe, um ein entsprechend grosses Drehmoment zum Beispiel auf die Flügelnabe eines Windkraftwerkes führen zu können. Diese Getriebe sind nicht nur mit Zusatzkosten verbunden, sie erfordern auch Platz, Unterhalt und Reibungsverluste. Diese Unzulänglichkeiten können nur dann verhindert werden, wenn Antriebe getriebefrei ausgeführt werden können. Hierfür ist ein grosses Drehmoment nötig, welches von einer Transversal- flussmaschine mit den hervortretenden Eigenschaften hinsichtlich des spezifischen Drehmoments und des Wirkungsgrads erfüllt werden kann. Aus diesem Grund erscheint eine Transversalflussmaschine besonders geeignet als Direktantriebsmaschine.On the other hand, conventional electrical machines of the drive technology require, for example, on the mechanical side special adjustments for the power transmission, such as a reduction gear, to be able to lead a correspondingly large torque, for example, on the wing hub of a wind power plant. These transmissions are not only associated with additional costs, they also require space, maintenance and friction losses. These shortcomings can only be prevented if drives can be executed without transmission. For this purpose, a large torque is required, which can be met by a transverse flux machine with the outstanding properties in terms of specific torque and efficiency. For this reason, a transverse flux machine appears particularly suitable as a direct drive machine.
Ungeachtet ihrer guten Eigenschaften wurde die Transversalflussmaschine wegen der komplizierten Herstellung bisher nicht mit grossem Interesse der Serienfertigung zugeführt.Regardless of their good properties, the transversal flux machine has not been supplied with great interest in mass production because of the complicated production.
Aus der DE 35 36 538 Al ist bekannt, dass bei einer Transversalflussmaschine entsprechend der Anzahl Polpaare U-profilartige Weicheisenelemente in einem feststehenden Maschinenteil verbaut werden, die den magnetischen Kreis schliessen. Der bewegliche Maschinenteil ist hier als innenlaufender, scheibenförmiger Rotor ausgebildet; er weist an seinen senkrecht zu einer Rotorachse angeordneten Scheibenflächen in alternierender Folge Per- manentmagnete auf zwecks Erregung. Diese Permanentmagnete sind entsprechend der Drehzahl der Maschine Fliehkräften ausgesetzt, die eine grosse Belastung für eine Klebeverbindung zwischen solchen Permanentmagneten und den Rotoren darstellen kann.From DE 35 36 538 Al it is known that in a transverse flux machine according to the number of pole pairs U-profile soft iron elements are installed in a stationary machine part, which close the magnetic circuit. The movable machine part is designed here as an internal, disk-shaped rotor; On its disk surfaces arranged perpendicular to a rotor axis, it has permanent magnets in an alternating sequence for the purpose of excitation. These permanent magnets are subjected to centrifugal forces in accordance with the rotational speed of the machine, which can be a great burden for an adhesive bond between such permanent magnets and the rotors.
Die DE 195 47 159 AI offenbart eine Transversalflussmaschine, die als Aussenläuferma- schine mit rotierenden Weicheisenelementen funktioniert. Ihr Aufbau zeigt zwar hinsichtlich der entstehenden Fliehkräfte eine günstigere Aufbauvariante gegenüber der DE 35 36 538 Al 1 hingegen ist ihr Aufbau vergleichsweise komplizierter, da die aussen umlaufenden Rotorelemente mittels einer ringförmigen Struktur je Phase gehalten werden,DE 195 47 159 AI discloses a transverse flux machine, which works as Außenläuferma- machine with rotating soft iron elements. Their structure does show respect the resulting centrifugal forces a more favorable design variant with respect to the DE 35 36 538 Al 1, however, their structure is relatively complicated, since the outer rotating rotor elements are held by means of an annular structure for each phase,
Die WO2006126552 offenbart eine Elektrische Maschine zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt, umfassend einen beweglichen Teil und einen feststehenden Teil, wobei bei transversaler Magnetflussführung der bewegliche Teil als innenlaufender, wicklungsfreier Rotor ausgebildet ist, wobei der Rotor zwecks Magnetflussführung mindestens zwei voneinander axial beabstandete magnetische Leiter umfasst, so dass sich ein erstes und ein zweites Flügelrad bilden, und der feststehende Teil in Umfangsrichtung der Maschine eine Anzahl magnetisch wirksamer Stege umfasst, die mit den magnetischen Leitern des Rotors in Wirkverbindung stehen, wobei dieser feststehende Teil mindestens eine erste Wicklungsstruktur aufweist, die mit den axial beabstandeten magnetischen Leitern des Rotors ebenfalls in Wirkverbindung steht.WO2006126552 discloses an electric machine for converting electrical to mechanical energy and vice versa, comprising a movable part and a fixed part, wherein in transverse magnetic flux guide, the movable part is designed as an internal, winding-free rotor, wherein the rotor for the purpose of magnetic flux guide at least two axially spaced from each other magnetic conductor, so that form a first and a second impeller, and the fixed part in the circumferential direction of the machine comprises a number of magnetically effective webs, which are in operative connection with the magnetic conductors of the rotor, said fixed part having at least one first winding structure which is also operatively connected to the axially spaced magnetic conductors of the rotor.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine elektrische Maschine anzugeben, die bei guter Fliehkraftresistenz ein verbessertes Drehmoment - Maschinenvolumen - Verhältnis zeigt.Based on this prior art, the object of the present invention is to provide an electrical machine which shows an improved torque - machine volume ratio with good centrifugal force resistance.
Die dieser Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschi- ne gemäss dem Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Maschine sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. Die vorliegende elektrische Maschine zur Umwandlung von elektrischer in mechanische E- nergie und umgekehrt umfasst einen beweglichen Teil und einen feststehenden Teil, wobei bei transversaler Magnetflussführung der bewegliche Teil als innenlaufender, wicklungsfreier Rotor ausgebildet ist und der Rotor zwecks Magnetflussführung mindestens zwei voneinan- der axial beabstandete magnetische Leiter an hier so genannten Flügelrädern umfasst, zwischen denen der feststehende Teil in Umfangsrichtung der Maschine eine Anzahl magnetisch wirksamer Stege aufweist, die mit den magnetischen Leitern des Rotors in Wirkverbindung stehen und wobei dieser feststehende Teil mindestens eine erste Wicklungsstruktur aufweist, die mit den axial beabstandeten magnetischen Leitern des Rotors ebenfalls in Wirkverbindung steht. Zusätzlich weist die erfindungsgemässe Maschine eine zweite Wicklungsstruktur an den Stegen auf, wobei entweder die erste Wicklungsstruktur als eine Ankerwicklung fungiert und die zweite Wicklungsstruktur als eine Erregerwicklung oder umgekehrt und wobei das mindestens eine erste und das eine zweite Flügelrad radial innen magnetisch wirksam mittels eines weiteren magnetischen Leiters verbunden sind.The object underlying this invention is achieved by an electrical machine according to claim 1. Advantageous embodiments of this machine are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments. The present electric-to-mechanical electrical machine and vice versa comprises a movable part and a stationary part, wherein in transverse magnetic flux guide, the movable part is formed as an in-line, winding-free rotor and the rotor is at least two axially spaced from each other for magnetic flux guidance comprises magnetic conductors on so-called impellers, between which the fixed part in the circumferential direction of the machine has a number of magnetically effective webs, which are in operative connection with the magnetic conductors of the rotor and wherein said fixed part has at least one first winding structure with the axial spaced magnetic conductors of the rotor is also in operative connection. In addition, the inventive machine has a second winding structure on the webs, wherein either the first winding structure acts as an armature winding and the second winding structure as a field winding or vice versa and wherein the at least one first and a second impeller radially inward magnetically effective by means of another magnetic Ladder are connected.
Der magnetische Fluss verläuft somit ausgehend vom magnetisch wirksamen Steg des stehenden Teils über einen ersten magnetischen Leiter des Rotors weiter zu einem axial benachbarten zweiten magnetischen Leiter des Rotors und zurück zum magnetisch wirksamen Steg. Dieser magnetische Kreis umschliesst dabei die erste Wicklungsstruktur des stehenden Teils der erfindungsgemässen elektrischen Maschine.The magnetic flux thus proceeds from the magnetically active web of the stationary part via a first magnetic conductor of the rotor to an axially adjacent second magnetic conductor of the rotor and back to the magnetically active web. This magnetic circuit encloses the first winding structure of the stationary part of the electric machine according to the invention.
Es versteht sich von selbst, dass diese den magnetischen Kreis bestimmenden Maschinenteile für eine einphasige Maschine genügen; selbstverständlich sind entsprechend der gewünschten Phasenanzahl mehrere Einheiten axial nebeneinander anzuordnen.It goes without saying that these magnetic circuit determining machine parts suffice for a single-phase machine; Of course, several units are to be arranged axially next to each other according to the desired number of phases.
Der erfindungswesentliche Aufbau der Maschine zeigt im Wesentlichen Rotorelemente, die als Flügelräder mit einzelnen magnetischen Leitern ausgestattet sind und ringförmig ausge- bildete Strukturen des feststehenden Teils der Maschine -im Folgenden auch Stator ge- nannt-, wie beispielsweise die erste Wicklungsstruktur. Somit ist es möglich die gesamte Maschine scheibenförmig (Rotor), bzw. ringförmig (Stator), axial aufzubauen. Darüber hinaus rotieren in der erfindungsgemässen Maschine im Wesentlichen die Flügelräder und die achsnahe magnetisch wirksame Verbindung benachbarter, zu einem Phase gehöriger Flügel- räder. Ein massgeblicher Vorteil der neuen elektrischen Maschine zeigt sich darin, dass bei möglichst guter Fliehkraftresistenz und damit Robustheit der Maschine ein signifikant höheres Drehmoment bereitgestellt werden kann, als bei Maschinen des Standes der Technik, dass heisst, bei gleicher Baugrösse wie eine bekannte Maschine erbringt die neue Maschine das grossere Drehmoment, oder falls die Maschine nach Drehmoment ausgelegt wird, zeigt die neue elektrische Maschine mit deutlich kleinerem Volumen.The design of the machine essential to the invention essentially shows rotor elements which are equipped as impellers with individual magnetic conductors and have annular structures of the stationary part of the machine, hereinafter also referred to as stator. called, such as the first winding structure. Thus, it is possible the entire machine disc-shaped (rotor), or annular (stator) to build up axially. In addition, in the machine according to the invention, essentially the impellers and the near-axis, magnetically active connection of adjacent impellers belonging to a phase rotate. A significant advantage of the new electric machine is that a significantly higher torque can be provided with the best possible centrifugal force resistance and thus robustness of the machine, as in state-of-the-art machines, that is, the same size as a known machine provides the new Machine, the larger torque, or if the machine is designed for torque, shows the new electric machine with significantly smaller volume.
Zudem zeigt der Magnetkreisaufbau einen besonders wirksamen Kraftschluss, da die erste Wicklungsstruktur besonders achsnah im Stator angeordnet sein kann und der magnetische Fluss radial betrachtet achsfem über die Flügelräder und die Stege im Stator geschlossen wird. Wegen der achsnahen Wicklungsanordnung der ersten Wicklungsstruktur wird einer- seits vergleichsweise wenig Leitungskupfer verwendet, wobei diese erste Wicklungsanordnung sehr robust herstellbar ist, und andererseits ergibt sich wegen des geringen Kupferverbrauchs ein gegenüber dem Stand der Technik vergleichsweise hoher Wirkungsgrad der Maschine mit dem bereits erwähnten, verbesserten spezifischen Drehmoment.In addition, the magnetic circuit structure shows a particularly effective frictional connection, since the first winding structure can be arranged particularly close to the axis in the stator and the magnetic flux is radially closed achsfem on the vanes and the webs in the stator. Because of the winding arrangement close to the axis of the first winding structure comparatively little line copper is used on the one hand, this first winding arrangement is very robust to produce, and on the other hand arises due to the low copper consumption compared to the prior art comparatively high efficiency of the machine with the already mentioned, improved specific torque.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der elektrischen Maschine sieht vor, dass axial benachbarte Flügelräder mittels eines magnetischen Leiters verbunden sind; die Flügelräder können hierfür -in einem radialen Schnitt betrachtet- eine L-förmige oder eine T-förmige Struktur aufweisen oder alternativ durch einen magnetisch leitenden Ring beabstandet sein. Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass nebeneinander angeordnete Flügelräder durch einen Permanentmagnetring beabstandet sein können. Es ist vorteilhaft, wenn die Maschine zwischen der radial innen liegenden, ersten Wicklungsstruktur und den radial äusseren Stegenden im Stator eine zusätzliche, zweite Wicklungsstruktur aufweisen. Es ist vorgesehen, dass entweder die erste oder die zweite Wicklungsstruktur als Erregerwicklung oder als Ankerwicklung fungiert.An advantageous embodiment of the electric machine provides that axially adjacent impellers are connected by means of a magnetic conductor; For this purpose, the impellers may have an L-shaped or a T-shaped structure, viewed in a radial section, or may alternatively be spaced apart by a magnetically conductive ring. A further embodiment provides that adjacently arranged impellers may be spaced by a permanent magnet ring. It is advantageous if the machine has an additional, second winding structure between the radially inner, first winding structure and the radially outer web ends in the stator. It is provided that either the first or the second winding structure acts as a field winding or as an armature winding.
Des Weiteren können mit Vorteil jeweils die von einer zweiten Wicklungsstruktur umgebenen Stege als Permanentmagnete ausgebildet sein.Furthermore, each of the webs surrounded by a second winding structure can advantageously be designed as permanent magnets.
Die zweite Wicklungsstruktur kann als einzelne, unabhängige Spulenwicklungen ausgebildet sein, wobei jede einzelne Spulenwicklung als Kurzschlusswicklung zwischen der radial innen liegenden, ersten Wicklungsstruktur und den radial äusseren Stegenden angeordnet ist.The second winding structure may be formed as a single, independent coil windings, wherein each individual coil winding is arranged as a short-circuit winding between the radially inner, first winding structure and the radially outer web ends.
Mit Vorteil kann die zweite Wicklungsstruktur in Umfangsrichtung der Maschine auch wellenförmig oder schlaufenförmig zwischen der ersten Wicklungsstruktur und den radial äusseren Stegenden angeordnet sein. Im Falle der wellenförmigen, zweiten Wicklungsstruktur weist jeder Steg eines Maschinenpols beidseitig in Umfangsrichtung radial verlaufende Windungsteile auf und benachbarte Stege alternierend lediglich einen tangential äusseren oder einen tangential inneren Wicklungsteil. Im Falle einer schlaufenförmigen zweiten Wicklungsstruktur zwischen der ersten Wicklungsstruktur und den radial äusseren Stegenden in Umfangsrichtung der Maschine ist jeder Steg eines Maschinenpols entlang seiner radialen und tangentialen Stegseiten von einer Spule mit einer Anzahl Windungen umgeben, wobei an den radialen Stegseiten benachbarte Spulen mit jeweils der gleichen Anzahl Windung zusammen liegen und an den tangential äusseren und den tangential inneren Stegseiten jeweils lediglich die einfache Anzahl Windungen einer Spule auftritt; somit erlaubt diese schlaufenförmige, zweite Wicklungsstruktur eine kompaktere Bauform der erfindungsgemäs- sen Maschine und die Kompensation einer axialen Magnetflusskomponente von dieser zweiten Wicklungsstruktur. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Maschine sieht vor, dass die zweite Wicklungsstruktur zwischen der ersten Wicklungsstruktur und einem die Maschine begrenzenden Gehäuse angeordnet ist, wobei diese zweite Wicklungsstruktur als eine eingebettete Wicklungsstruktur ausgebildet ist und eine jede Teilwicklung dieser zweiten Wicklungsstruktur zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Stegen angeordnet ist. Diese zweite Wicklungsstruktur kann dabei als Kurzschlusswicklung, als Wellenwicklung oder als Schlaufenwicklung ausgebildet sein.Advantageously, the second winding structure in the circumferential direction of the machine can also be arranged wave-like or loop-shaped between the first winding structure and the radially outer web ends. In the case of the wave-shaped, second winding structure, each web of a machine pole on both sides in the circumferential direction radially extending winding parts and adjacent webs alternately only a tangentially outer or a tangentially inner winding part. In the case of a loop-shaped second winding structure between the first winding structure and the radially outer web ends in the circumferential direction of the machine, each web of a machine pole is surrounded along its radial and tangential web sides by a coil having a number of turns, adjacent coils being respectively the same at the radial web sides Number of turns lie together and at the tangential outer and the tangential inner web pages each only the simple number of turns of a coil occurs; Thus, this loop-shaped, second winding structure allows a more compact design of the machine according to the invention and the compensation of an axial magnetic flux component of this second winding structure. A further advantageous embodiment of the machine provides that the second winding structure is arranged between the first winding structure and a housing bounding the machine, wherein this second winding structure is formed as an embedded winding structure and each part winding of this second winding structure between each two circumferentially adjacent webs is arranged. This second winding structure can be designed as a short-circuit winding, as a wave winding or as a loop winding.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sehen vor, die elektrische Maschine zwei- und mehrphasig aufzubauen. Wahlweise können axial benachbarte zwei- oder mehr Phasen im festste- henden Teil realisiert werden, die als Verbund von lediglich zwei Flügelrädern des rotierenden Teils der Maschine begrenzt werden, oder jede der zwei oder mehr Phasen ist jeweils zwischen direkt zugeordneten Flügelrädern lokalisiert. In Umfangrichtung sind die zwei oder mehr Phasen gegeneinander mit einer gewünschten Phasenverschiebung versetzt installiert.Further advantageous embodiments provide to build the electric machine two and more phases. Optionally, axially adjacent two or more phases may be realized in the fixed part, bounded as a composite of only two impellers of the rotating part of the machine, or each of the two or more phases are each located between directly associated impellers. In the circumferential direction, the two or more phases are installed offset from each other with a desired phase shift.
Die neue elektrische Maschine zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass sie als Asyn- chronmaschine oder als Synchronmaschine realisierbar ist. Dabei ist auch die Synchronmaschine mit asynchroner Hochlaufmöglichkeit eine interessante Ausgestaltung,The new electric machine is further characterized by the fact that it can be implemented as an asynchronous machine or as a synchronous machine. The synchronous machine with asynchronous startup option is also an interesting design,
Ihre Einsatzmöglichkeiten erstrecken sich vom generatorischen bis zum motorischen Betrieb. Beispielhaft seien hier Windkraftwerke erwähnt oder Direktantriebe für Fahrzeuge. Es ist ebenfalls denkbar, dass die neue elektrische Maschine -wegen ihres oben beschriebenen, robusten Aufbaus- mit ihren Flügelrädern unmittelbar als Generatorturbine und/oder Pumpe -beispielsweise in Pumpspeicherkraftwerken- genutzt wird, wobei dann die Flügelräder des Rotors und die Stege des Stators eine entsprechend angepasste, strömungstechnisch optimierte Geometrie aufweisen. Selbstverständlich ist jedes fluide Medium in einer derartigen Strömungsmaschine denkbar, wie beispielsweise Flüssigkeiten oder Gase; es wäre also auch eine Verwendung als Gebläse denkbar. Kurze Beschreibung der ZeichnungTheir applications range from regenerative to motorized operation. By way of example, wind power plants may be mentioned here or direct drives for vehicles. It is also conceivable that the new electrical machine-because of its above-described, robust construction-is used directly with its impellers as a generator turbine and / or pump, for example in pumped storage power plants, in which case the impellers of the rotor and the webs of the stator correspondingly have adapted, fluidically optimized geometry. Of course, any fluid medium in such a turbomachine is conceivable, such as liquids or gases; it would also be conceivable use as a blower. Short description of the drawing
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt, und zwar zeigenIn the drawing, several embodiments of the invention are shown in simplified form, namely show
Fig. 1 a, b eine Längsschnittdarstellung, bzw. eine Querschnittdarstellung der erfindungs- gemässes elektrischen Maschine in der Ausführungsform einer dreiphasigen A- synchronmaschine mit einer Erregung in Form von Kurzschlussringen, oder einer dreiphasigen Synchronmaschine mit einer Erregung in Form einer Schlaufenwicklung;1 a, b is a longitudinal sectional view, or a cross-sectional view of the invention according to the electric machine in the embodiment of a three-phase synchronous A with an excitation in the form of short-circuited rings, or a three-phase synchronous machine with an excitation in the form of a loop winding.
Fig. 2a, b eine Längsschnittdarstellung, bzw. eine Querschnittdarstellung der erfindungs- gemässes elektrischen Maschine in der Ausführungsform der dreiphasigen Synchronmaschine mit einer Erregung in Form einer wellenförmigen Wicklungsstruktur;2a, b is a longitudinal sectional view, or a cross-sectional view of the inventive electrical machine in the embodiment of the three-phase synchronous machine with an excitation in the form of a wave-shaped winding structure.
Fig. 3a, b eine Längsschnittdarstellung, bzw. eine Querschnittdarstellung der erfindungs- gemässes elektrischen Maschine in der Ausführungsform einer dreiphasigen A- synchronmaschine mit einer Erregung in Form von Kurzschlussringen, wobei diese Kurzschlussringe jeweils zwischen in Umfangsrichtung der Maschine benachbarten Stegen als eingebettete Kurzschlussringe ausgebildet sind, oder mit einer Erregung in Form eine entsprechenden Schlaufenwicklung, und die3a, b is a longitudinal sectional illustration, or a cross-sectional view of the erfindungsgemäßen electrical machine in the embodiment of a three-phase synchronous A with an excitation in the form of short-circuiting rings, said shorting rings are each formed between embedded in the circumferential direction of the machine webs as embedded shorting rings , or with an excitation in the form of a corresponding loop winding, and the
Fig. 4a, b eine weitere Ausführungsform der Maschine nach Fig. 3. Wege zur Ausführung der Erfindung4a, b, a further embodiment of the machine according to Fig. 3rd Ways to carry out the invention
Die Fig. I a, b zeigen anhand einer Drehstrommaschine eine Ausführungsform der erfin- dungsgemässen elektrischen Maschine in einer Längsschnittdarstellung (Fig. I a)1 bzw. in einer Querschnittdarstellung (Fig. I b). Es handelt sich hier um eine dreiphasige Asynchron- maschine oder einer Synchronmaschine mit den Phasen Pl , P2 und P3. Diese Maschine um- fasst ein rotationssymmetrisches Gehäuse G, das einen stehenden Teil S, M1 L, W der Maschine trägt, wobei an einer Innenwandung des Gehäuses G drei axial voneinander beabstandete Stegkränze mit einer Anzahl Stegen S, M angeordnet sind. In Umfangsrich- tung beträgt die Anzahl der Stege S, M im Beispielsfall der Ausführungsform 32, was der Polzahl der Maschine entspricht.Fig. I a, b show by way of a three-phase machine, an embodiment of the inventive electric machine in a longitudinal sectional view (Fig. I a) or 1 in a cross-sectional view (Fig. I b). This is a three-phase asynchronous machine or a synchronous machine with phases Pl, P2 and P3. This machine comprises a rotationally symmetrical housing G, which carries a stationary part S, M 1 L, W of the machine, wherein on an inner wall of the housing G three axially spaced web rings with a number of webs S, M are arranged. In the circumferential direction, the number of webs S, M in the example of embodiment 32 is what corresponds to the number of poles of the machine.
Die Stege S, M der zweiten Phase P2 sind bei der vorliegenden, dreiphasigen Ausführung gegenüber den Stegen S, M der ersten Phase Pl um Eindrittel der Polteilung verdreht. Bei der dritten Phase P3 um Zweidrittel gegenüber der ersten Phase PI . Innen an diesen Stegen S, M ist als eine erste Wicklungsstruktur W eine konzentrische Wicklung angebracht.The webs S, M of the second phase P2 are in the present, three-phase design with respect to the webs S, M of the first phase Pl rotated by one-third of the pole pitch. In the third phase P3 by two-thirds compared to the first phase PI. On the inside of these webs S, M, a concentric winding is attached as a first winding structure W.
Ein beweglicher Teil k, k', f der Maschine ist an einer Rotorachse a angeordnet, auf der pro Phase PI , P2, P3 jeweils zwei Flügelräder fr, fr1 mit magnetisch leitenden Flügeln f angebracht sind. Die Flügel f sind in dieser Ausführungsform fluchtend zueinander ausgerichtet, wobei diese Flügel f radial und von der Rotorachse a aus betrachtet zumindest im Bereich der Stege S, M als in Umfangsrichtung der Maschine voneinander beabstandete Flügel f ausgebildet sind; darunter können Sie miteinander verbunden sein. Im Bereich der Stege S, M sind dann der Polpaarzahl entsprechend eine Anzahl Flügel f, im vorliegenden Beispiel 16 Flügel f, über den Umfang verteilt. Benachbarte Flügelräder fr, fr1 einer jeweiligen Phase Pl , P2, P3 sind mittels einem magnetisch leitenden Kern k verbunden, oder einem Permanentmagneten k'. Des Weiteren weist die Maschine eine zweite Wicklungsstruktur L, Lk, Ls auf. Diese zweite Wicklungsstruktur L, Lk, Ls ist in Form von einzelnen Kurzschlusswicklungen Lk oder in Form einer Schlaufenwicklung Ls auf den Stegen S1 M ausgebildet. Dabei sind die Kurzschlusswicklungen Lk, bzw. die Schlaufenwicklung Ls mit ihren jeweiligen Spulenachsen parallel zur Rotorachse a auf den Stegen S, M angeordnet. Diese Kurzschlusswicklungen Lk, bzw. Schlaufenwicklung Ls erstrecken sich im vorliegenden Beispiel zwischen den radial innen liegenden Stegenden Si und den radial aussen liegenden Stegenden Sa und umrahmen die Stege S, M somit vollständig. Diese Maschine weisst 32 Pole, das heisst, 16 Polpaare auf und 16 Flügel f an den Flügelrädern fr, fr'. Die Flügelräder fr, fr' aller benachbarten Phasen Pl , P2, P3 sind in dieser Ausführungsform fluchtend zueinander ausgerichtet, wohingegen die Stege S, M der Phasen eine Phasenverschiebung aufweisen. Dies wird deutlich in der Fig. I a1 in der die entsprechend phasenverschobenen Phasen PI , P2, P3 unterschiedlich geschnitten erscheinen. In der Phase Pl geht der Schnitt radial durch eine Kurzschlusswicklung Lk, bzw. eine Schlaufenwicklung Ls, die Phasen P2, P3 weisen Schnitte durch die Stege S, M und die Kurz- schlusswicklungen Lk, bzw. die Schlaufenwicklung Ls an den inneren Stegenden Si und den äusseren Stegenden Sa auf. Die vorliegende Maschine gelangt mit ihren Kurzschlusswicklungen Lk für die Erregung und der ersten Wicklungsstruktur W für die Ankerwicklung als Asynchronmaschine zum Einsatz; mit einer Schlaufenwicklung Ls als Erregung funktioniert diese erfindungsgemässe Maschine als Synchronmaschine oder als schleifringlose Asyn- chronmaschine.A movable part k, k ', f of the machine is arranged on a rotor axis a, on the per phase PI, P2, P3 two impellers fr, fr 1 are mounted with magnetically conductive vanes f. The wings f are aligned in this embodiment, aligned with each other, said wings f radially and viewed from the rotor axis a from at least in the region of the webs S, M are formed as spaced circumferentially of the machine wings f; below that you can be connected. In the region of the webs S, M are then the number of pole pairs according to a number of wings f, in the present example 16 wings f, distributed over the circumference. Adjacent vanes fr, fr 1 of a respective phase Pl, P2, P3 are connected by means of a magnetically conductive core k, or a permanent magnet k '. Furthermore, the machine has a second winding structure L, Lk, Ls. This second winding structure L, Lk, Ls is formed in the form of individual short-circuit windings Lk or in the form of a loop winding Ls on the webs S 1 M. In this case, the short-circuit windings Lk or the loop winding Ls with their respective coil axes are arranged parallel to the rotor axis a on the webs S, M. These short-circuit windings Lk, or loop winding Ls extend in the present example between the radially inner web ends Si and the radially outer web ends Sa and thus frame the webs S, M completely. This machine has 32 poles, that is, 16 pairs of poles and 16 wings f on the impellers fr, fr '. The vanes fr, fr 'of all adjacent phases Pl, P2, P3 are in this embodiment aligned with each other, whereas the webs S, M of the phases have a phase shift. This is clear in Fig. I a 1 in which the corresponding phase-shifted phases PI, P2, P3 appear cut differently. In the phase Pl, the cut passes radially through a short-circuit winding Lk, or a loop winding Ls, the phases P2, P3 have sections through the webs S, M and the short-circuit windings Lk, and the loop winding Ls at the inner web ends Si and the outer bridge ends Sa on. The present machine is used with its short-circuit windings Lk for the excitation and the first winding structure W for the armature winding as an asynchronous machine used; With a loop winding Ls as excitation, this machine according to the invention functions as a synchronous machine or as a non-slip asynchronous machine.
Durch einen Strom in der ersten Wicklungsstruktur W entsteht eine Durchflutung, welche im magnetischen Kreis einen magnetischen Fluss Φ entstehen lässt. Der magnetische Kreis besteht aus dem Kern k, k', zwei axial benachbarten Flügeln f, den beiden Luftspalten zwischen Flügel f und dem zugehörigen Steg S, M. Abhängig von der Magnetisierung der Flügel f und ihrer Position gegenüber den Stegen S, M entsteht eine anziehende Kraft (Maxwellkraft) in axialer und tangentialer Richtung zwischen Flügel f und Steg S1 M. Die Kraft in axialer Richtung bewirkt nur eine mechanische Beanspruchung der Bauteile aber keine nen- nenswerte Bewegung, da sich die Flügel f und Stege S, M in diese Richtung ausserhalb ihrer Elastizität nicht bewegen können. Die tangentiale Kraft bewirkt eine Bewegung der Flügel f, da diese mit der Rotorachse a rotieren können. Durch die oben erwähnte Phasenverschiebung der Phasen Pl , P2 und P3 ergibt sich eine etwa konstante Kraft in Umfangsrichtung - abhängig von der Phasenfolge in der Ansteuerung- und somit ein Drehmoment.By a current in the first winding structure W creates a flooding, which leaves a magnetic flux Φ arise in the magnetic circuit. The magnetic circuit consists of the core k, k ', two axially adjacent wings f, the two air gaps between wings f and the associated web S, M. Depending on the magnetization of the wings f and their position relative to the webs S, M is formed attractive force (Maxwell force) in the axial and tangential direction between wing f and web S 1 M. The force in the axial direction causes only a mechanical stress on the components but no remarkable movement, since the wings f and webs S, M can not move in this direction outside their elasticity. The tangential force causes a movement of the wings f, since they can rotate with the rotor axis a. Due to the above-mentioned phase shift of the phases Pl, P2 and P3 results in an approximately constant force in the circumferential direction - depending on the phase sequence in the drive- and thus a torque.
Die in den Fig. 2a, b (Längs- und Querschnitt) gezeigte Ausführungsform der erfindungsge- mässen Maschine weisst neben der ersten Wicklungsstruktur W eine zweite Wicklungsstruktur L, Lw auf, die als wellenförmige Wicklung Lw an den Stegen S, M angeordnet ist. Diese wellenförmige Wicklung Lw zeichnet sich dadurch aus, dass alle Stege S, M an ihren radialen Seiten mit der wellenförmigen Wicklung Lw versehen sind, wohingegen in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarte Stege S, M jeweils alternierend lediglich einen Wicklungsteil der wellenförmigen Wicklung Lw an dem radial inneren Stegende Si oder an dem radial äusse- ren Stegende Sa aufweisen. Wenn die wellenförmige Wicklung Lw als Erregerwicklung dient, dann weissen benachbarte Stege S, M eine gegensinnige, magnetische Polarität auf und es liegen beispielhaft wieder 16 Polpaare an Stegen S, M vor und 16 Flügel an den Flügelrädern fr, fr'. Mit der ersten Wicklungsstruktur W als Ankerwicklung funktioniert diese Maschine als Synchronmaschine. Auch hier sind die Stege S, M der einzelnen Phasen Pl , P2, P3 mit einer Phasenverschiebung zueinander angeordnet; Fig. 2a verdeutlicht dies an den unterschiedlichen Schnitten der wellenförmigen Wicklung Lw, nämlich mit einem Radialschnitt durch diese wellenförmige Wicklung Lw in Phase Pl und mit Schnitten durch die Stege S, M der Phasen P2 und P3 und durch die wellenförmige Wicklung Lw am äusseren Stegende Sa, bzw. am inneren Stegende Si.The embodiment of the machine according to the invention shown in FIGS. 2a, b (longitudinal and cross section) has, in addition to the first winding structure W, a second winding structure L, Lw, which is arranged as wave-shaped winding Lw on the webs S, M. This wave-shaped winding Lw is characterized in that all the webs S, M are provided on their radial sides with the wave-shaped winding Lw, whereas in the circumferential direction immediately adjacent webs S, M each alternately only one winding part of the wave-shaped winding Lw at the radially inner web end Si or at the radially outer web end Sa have. If the wave-shaped winding Lw serves as a field winding, then adjacent webs S, M an opposite, magnetic polarity on and there are for example again 16 pole pairs of webs S, M before and 16 wings on the impellers fr, fr '. With the first winding structure W as armature winding, this machine functions as a synchronous machine. Again, the webs S, M of the individual phases Pl, P2, P3 are arranged with a phase shift to each other; Fig. 2a illustrates this at the different sections of the wave-shaped winding Lw, namely with a radial section through this wave-shaped winding Lw in phase Pl and with cuts through the webs S, M of the phases P2 and P3 and through the wave-shaped winding Lw at the outer web end Sa , or at the inner web end Si.
In den Fig. 3a, b ist wiederum eine erfindungsgemässe Asynchronmaschine in einer Längsschnittdarstellung (Fig. 3a), bzw. in einer Querschnittdarstellung (Fig. 3b) dargestellt, ähn- lieh wie sie in den Fig. 1 a, b gezeigt ist. Der Unterschied besteht in der Anordnung der zweiten Wicklungsstruktur L, Lk die vorliegend als eingebettete Wicklungsstruktur ausgebildet ist, wobei jede einzelne Kurzschlusswicklung Lk jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Stegen angeordnet ist. Gegenüber der Darstellung in den Fig. I a1 b sind in Fig. 3a, b die Kurzschlusswicklungen Lk um 90° gedreht und weisen somit eine tangentiale magnetischen Flussrichtung durch sich auf. Um den magnetischen Fluss Φ, der vorliegend über axiale Luftspalte geführt ist, zu schliessen, sind in dieser Ausführungsform der erfin- dungsgemässen Maschine die Flügelräder fr, fr' einer jeden Phase um eine Polteilung gedreht ausgerichtet, wegen der tangentialen Durchströmung der Kurzschlusswicklungen Lk.In FIGS. 3a, b, in turn, an asynchronous machine according to the invention is shown in a longitudinal section (FIG. 3a) or in a cross-sectional view (FIG. 3b), similar to that shown in FIGS. 1a, b. The difference lies in the arrangement of the second winding structure L, Lk, which is embodied here as an embedded winding structure, wherein each individual short-circuit winding Lk is respectively arranged between two circumferentially adjacent webs. Compared to the illustration in Fig. I a 1 b b the short-circuit windings are Lk in Fig. 3a, rotated 90 °, and thus have a tangential magnetic flux direction through. In order to close the magnetic flux Φ, which in the present case is guided via axial air gaps, in this embodiment of the machine according to the invention, the vanes fr, fr 'of each phase are rotated by one pole pitch, because of the tangential flow through the short-circuit windings Lk.
Die in den Fig. 3a, b gezeigte Maschine kann anstelle der oben beschriebenen Kurzschlusswicklungen Lk auch mit einer Schlaufenwicklung Ls ausgestattet werden; somit kann diese Maschine auch als Synchronmaschine zum Einsatz gelangen oder als schleifringlose Schleifringasynchronmaschine.The machine shown in FIGS. 3a, b can also be equipped with a loop winding Ls instead of the short-circuit windings Lk described above; Thus, this machine can also be used as a synchronous machine or as a slip ringless Schleifringasynchronmaschine.
Die Fig. 4a, b zeigen eine weitere Ausgestaltung der Asynchronmaschine, wie sie in den Fig. 3a, b gezeigt ist. Wesentlicher Unterschied ist hier, dass der Luftspalt nicht axial, sondern radial gerichtet ist, wobei die Stege S, M und die zwischen zwei Stegen S eingebetteten Kurzschlusswicklungen Lk sich nach radial aussen der Maschine über die gesamte Breite zweier benachbarter Flügelräder fr, fr1 erstrecken. Auch hier kann selbstverständlich anstelle der Kurzschlusswicklungen Lk eine Schlaufenwicklung Ls angeordnet sein, wie bereits oben erläutert.FIGS. 4a, b show a further embodiment of the asynchronous machine, as shown in FIGS. 3a, b. The essential difference here is that the air gap is not axially, but radially directed, wherein the webs S, M and embedded between two webs S short-circuit windings Lk extend radially outward of the machine over the entire width of two adjacent vanes fr, fr 1 . Again, of course, instead of the short-circuit windings Lk a loop winding Ls be arranged, as already explained above.
Ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen ist denkbar, dass die in den Fig. 3a, b und Fig. 4a, b dargestellten Maschinen anstatt mit Kurzschlusswicklungen mit einer eingebetteten Wellenwicklung Lw als zweiter Wicklungsstruktur versehen wird.Without departing from the spirit of the invention, it is conceivable that the machines illustrated in FIGS. 3 a, b and 4 a, b are provided with an embedded wave winding Lw as second winding structure instead of short-circuit windings.
Des Weiteren ist im Sinne der Erfindung denkbar, dass die Flügelräder fr, fr' als Scheiben mit einem radial innen angelenkten Flanschansatz ausgebildet sind; das heisst, die Flügelräder fr, fr' würden in einem axialen Schnitt eine L-förmige Struktur aufweisen. Im Falle eines beid- seitig ausgebildeten Flanschs, würde ein Flügelrad fr, fr' in einem Axialschnitt T-förmig ausgebildet sein; diese beiden Varianten sind nicht Gegenstand figürlicher Darstellung in der Zeichnung. Furthermore, within the meaning of the invention, it is conceivable that the impellers fr, fr 'are designed as discs with a flange attachment articulated radially inward; that is, the vanes fr, fr 'would have an L-shaped structure in an axial section. In the case of a formed side flange, an impeller fr, fr 'would be T-shaped in an axial section; these two variants are not the subject of figurative representation in the drawing.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrische Maschine zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt, umfassend einen beweglichen Teil (k, k1, f, fr, fr') und einen feststehenden Teil (S1 M, L1 W), wobei bei transversaler Magnetflussführung der bewegliche Teil (k, k', f, fr, fr') als innenlaufender, wicklungsfreier Rotor (k, k", f, fr, fr') ausgebildet ist, wobei der Rotor (k, k', f, fr, fr') zwecks Magnetflussführung mindestens zwei voneinander axial beabstandete magnetische Leiter (f) umfasst, so dass sich ein erstes und ein zweites Flügelrad (fr, fr') bilden, und der feststehende Teil (S, M1 L, W) in Umfangsrichtung der Maschine eine Anzahl magnetisch wirksamer Stege (S, M) umfasst, die mit den magnetischen Leitern (f) des Rotors (k, k' f, fr, fr') in Wirkverbindung stehen, wobei dieser feststehende Teil (S, M, L, W) mindestens eine erste Wicklungsstruktur (W, L) aufweist, die mit den axial beabstandeten magnetischen Leitern (f) des Rotors (k, k', f, fr, fr') e- benfalls in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur ersten Wicklungsstruktur (W) eine zweite Wicklungsstruktur (L) an den Stegen (S, M) angeordnet ist, wobei entweder die erste Wicklungsstruktur (W) als eine Ankerwicklung fungiert und die zweite Wicklungsstruktur (L) als eine Erregerwicklung oder umgekehrt und wobei das mindestens eine erste und das eine zweite Flügelrad (fr, fr') radial innen magnetisch wirksam mittels eines weiteren magnetischen Leiters (k, k') verbun- den sind.An electric machine for converting electrical energy into mechanical energy and vice versa, comprising a movable part (k, k 1 , f, fr, fr ') and a fixed part (S 1 M, L 1 W), wherein in transverse magnetic flux guidance of movable part (k, k ', f, fr, fr') is formed as an in-line, winding-free rotor (k, k ", f, fr, fr '), the rotor (k, k', f, fr, fr ') for the purpose of magnetic flux guide at least two axially spaced apart magnetic conductor (f), so that a first and a second impeller (fr, fr') form, and the fixed part (S, M 1 L, W) in the circumferential direction of the machine a number of magnetically active webs (S, M) which are in operative connection with the magnetic conductors (f) of the rotor (k, k 'f, fr, fr'), said fixed part (S, M, L, W ) has at least one first winding structure (W, L), which with the axially spaced magnetic conductors (f) of the rotor (k, k ', f, fr, fr') e- benfalls in Wirkverb Indung is, characterized in that in addition to the first winding structure (W) a second winding structure (L) on the webs (S, M) is arranged, wherein either the first winding structure (W) acts as an armature winding and the second winding structure (L) as an excitation winding or vice versa, and wherein the at least one first and a second impeller (fr, fr ') radially magnetically inwardly magnetically connected by means of another magnetic conductor (k, k') are connected.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende Teil (S, M, L, W) die einer Polzahl der Maschine entsprechende Anzahl Stege (S, M) mit jeweils einem radial innen liegenden Stegende (Si) und mit jeweils einem radial aussen liegenden Stegende (Sa) aufweist, wobei die erste Wicklungsstruktur (W) als eine Ringwicklung ausgebildet ist, und die zweite Wicklungsstruktur (L) sich radial be- trachtet zwischen den innen liegenden und den aussen liegenden Stegenden (Si, Sa) erstreckt.2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the fixed part (S, M, L, W) corresponding to a number of poles of the machine number of webs (S, M), each with a radially inner web end (Si) and with each a radially outer web end (Sa), the first winding structure (W) being designed as a ring winding, and the second winding structure (L) being radially strives between the inside and the outside lying bridge ends (Si, Sa) extends.
3. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wicklungsstruktur (W) als eine Ringwicklung (W) koaxial zu einer Rotor- achse (a) ausgebildet ist.3. Electrical machine according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first winding structure (W) as a ring winding (W) coaxially to a rotor axis (a) is formed.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wicklungsstruktur (L) als eine der Polzahl der Maschine entsprechenden Anzahl Kurzschlusswicklungen (Lk) zwischen der ersten, radial innen liegenden Wicklungsstruktur (W) und den radial aussen liegenden Stegenden (Sa) ausgebildet ist.4. Electrical machine according to claim 3, characterized in that the second winding structure (L) as one of the number of poles of the machine corresponding number of short-circuit windings (Lk) between the first radially inner winding structure (W) and the radially outer web ends (Sa) is trained.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wicklungsstruktur (L) zwischen der ersten Wicklungsstruktur (W) und den radial äusseren Stegenden (Sa) in Umfangsrichtung wellenförmig ausgebildet ist, wobei jeder Steg (S1 M) eines Maschinenpols von radial verlaufenden Windungsteilen begrenzt ist und benachbarte Stege (S, M) alternierend lediglich einen tangential äusseren Wicklungsteil oder einen tangential inneren Wicklungsteil der zweiten Wicklungsstruktur (Lw) aufweisen.5. Electrical machine according to claim 3, characterized in that the second winding structure (L) between the first winding structure (W) and the radially outer web ends (Sa) in the circumferential direction is wave-shaped, each web (S 1 M) of a Maschinenpols of radially extending Windungsteilen is limited and adjacent webs (S, M) alternately only a tangentially outer winding part or a tangentially inner winding part of the second winding structure (Lw) have.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wicklungsstruktur (L) zwischen der ersten Wicklungsstruktur (W) und den radial äusseren Stegenden (Sa) in Umfangsrichtung der Maschine schlaufenförmig angeordnet ist, wobei jeder Steg (S1 M) eines Maschinenpols in Umfangsrichtung und entlang seiner radialen und tangentialen Stegseiten von einer Spule (Ls) mit einer Anzahl Windungen umgeben ist, wobei an den radialen Stegseiten benachbarte Spulen (Ls) mit jeweils der gleichen Anzahl Windung zusammen liegen und mit alternierendem Wicklungssinn ausgeführt werden. 6. Electrical machine according to claim 3, characterized in that the second winding structure (L) between the first winding structure (W) and the radially outer web ends (Sa) is arranged loop-shaped in the circumferential direction of the machine, wherein each web (S 1 M) of a Machine pole circumferentially and along its radial and tangential web sides of a coil (Ls) is surrounded by a number of turns, wherein at the radial web sides adjacent coils (Ls) each with the same number of turns together and are performed with alternating winding sense.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wicklungsstruktur (L) zwischen der ersten Wicklungsstruktur (W) und einem die Maschine begrenzenden Gehäuse (G) angeordnet ist, wobei diese zweite Wicklungsstruktur (L) als eine eingebettete Wicklungsstruktur ausgebildet ist und eine jede Teilwicklung dieser zweiten Wicklungsstruktur (L) zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Stegen (S) angeordnet ist.7. Electrical machine according to claim 3, characterized in that the second winding structure (L) between the first winding structure (W) and a machine-limiting housing (G) is arranged, said second winding structure (L) is formed as an embedded winding structure and each partial winding of this second winding structure (L) is arranged between in each case two circumferentially adjacent webs (S).
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wicklungsstruktur (L) als Kurzschlusswicklung (Lk), als Wellenwicklung (Lw) oder als Schlaufenwicklung (Ls) ausgebildet ist.8. Electrical machine according to claim 7, characterized in that the second winding structure (L) as a short-circuit winding (Lk), as a wave winding (Lw) or as a loop winding (Ls) is formed.
9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine zwei- oder mehrphasig ausgestaltet ist, wobei jeweils pro Phase ein feststehender Teil (S, M, L, W) vorhanden ist, und diese mindestens zwei feststehenden Teile (S, M, L, W) in einer axialen Richtung der Maschine nebeneinander angeordnet sind.9. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the machine is configured in two or more phases, wherein in each case a fixed part (S, M, L, W) is present per phase, and these at least two fixed parts (S , M, L, W) are arranged side by side in an axial direction of the machine.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei feststehenden Teile (S, M, L, W) in Umfangsrichtung gegeneinander mit einer Phasenverschiebung verdreht angeordnet sind.10. Electrical machine according to claim 9, characterized in that the at least two fixed parts (S, M, L, W) are arranged circumferentially against each other with a phase shift twisted.
1 1. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei feststehenden Teile (S, M, L, W) zwischen zwei voneinander axial beabstandeten magnetischen Leitern (f) des Rotors angeordnet sind, oder dass die mindestens zwei feststehenden Teile (S, M, L, W) voneinander axial beabstandet sind und jeweils zwischen zwei voneinander axial beabstandeten magnetischen Leitern (f) des Rotors (k, k', f, fr, fr') angeordnet sind. 1 1. Electrical machine according to one of claims 9 or 10, characterized in that the at least two fixed parts (S, M, L, W) are arranged between two axially spaced apart magnetic conductors (f) of the rotor, or that at least two fixed parts (S, M, L, W) are axially spaced from each other and each between two axially spaced apart magnetic conductors (f) of the rotor (k, k ', f, fr, fr') are arranged.
12. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Leiter (k, k1) des wicklungsfreien Rotors (k, k', f, fr, fr1) als Permanentmagnet (k1) ausgebildet sind.12. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic conductor (k, k 1 ) of the winding-free rotor (k, k ', f, fr, fr 1 ) as a permanent magnet (k 1 ) are formed.
13. Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass jeweils die von einer zweiten Wicklungsstruktur (L) umgebenen Stege (S, M) als Permanentmagnete (M) ausgebildet sind. 13. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized marked, that in each case by a second winding structure (L) surrounded webs (S, M) as permanent magnets (M) are formed.
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