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Title:
ELECTRIC AXIAL FLOW MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/011755
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electric axial flow machine comprising an ironless disc-shaped rotor (1) which is arranged on a machine shaft (2), and comprising two stators (3, 4) which are arranged next to the rotor (1). The rotor (1) comprises permanent magnets (11) which are embedded in a fiber-reinforced or fabric-reinforced plastic (12). The permanent magnets (11) are each joined with positive fit to the surrounding plastic (12). The plastic (12) forms, together with the permanent magnets (11) and the machine shaft (2), a dimensionally stabile unit.

Inventors:
KNOERZER KARL-HEINZ (DE)
VON KOENIG HERBERT (DE)
Application Number:
PCT/CH2000/000417
Publication Date:
February 15, 2001
Filing Date:
August 04, 2000
Export Citation:
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Assignee:
PERM MOTOR COMPANY AG (DE)
KNOERZER KARL HEINZ (DE)
VON KOENIG HERBERT (DE)
International Classes:
H02K21/24; F04B35/04; H02K1/27; H02K29/08; (IPC1-7): H02K1/27; H02K29/08
Foreign References:
US5619087A1997-04-08
US4629920A1986-12-16
US4864175A1989-09-05
DE4442869A11996-06-13
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 008, no. 123 (E - 249) 8 June 1984 (1984-06-08)
Attorney, Agent or Firm:
A. BRAUN BRAUN HERITIER ESCHMANN AG (Holbeinstrasse 36-38 Basel, CH-4051, CH)
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Claims:
Patentansprüche
1. Elektrische Axialflussmaschine mit einem an einer Maschinenwelle (2) angeordneten eisenlosen scheiben förmigen Rotor (1), der Permanentmagnete (Il) aufweist, die in einen faseroder gewebearmierten Kunststoff (12) einge bettet sind, und beidseits neben dem Rotor (1) je einem Stator (3,4), dadurch gekennzeichnet, dass die Permanent magnete (11) jeweils formschlüssig mit dem umgebenden faseroder gewebearmierten Kunststoff (12) verbunden sind und dieser zusammen mit den Permanentmagneten (11) und der Maschinenwelle (2) eine formstabile Einheit bildet.
2. Elektrische Axialflussmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Permanentmagnete (11) kreisförmig um die Maschinenwelle (2) herum angeordnet sind und sich der faseroder gewebearmierte Kunststoff (12), insbesondere ein Duroplast, zwischen den Permanentmagneten (11) insgesamt aber mindestens 10%, vorzugsweise zwischen 15% und 20%, des Kreises erstreckt.
3. Elektrische Axialflussmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) am äus seren Umfang oder in der Nahe des äusseren Umfangs eine Versteifungsbandage (13) aufweist, die vormprägniertes Fasermaterial umfasst, das vorzugsweise Glas, Kohleoder Kevlarfasern enthält, und vorzugsweise der Rotor (1) zur Versteifung sich von innen nach aussen verdickend ausge bildet ist.
4. Elektrische Axialflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Ermittlung der Magnetpollage des Rotors (1) aufweist, die vorzugsweise ein am äusseren Umfang des Rotors (1) an geordnetes Magnetband (14), das eine radial magnetisierte Folge von Magnetpolen bildet, die jeweils entsprechend den im faseroder gewebearmierten Kunststoff (12) eingebette ten Permanentmagneten (11) angeordnet sind, und mit diesen zusammenwirkende ortsfest angeordnete Hallsonden (5) umfas sen.
5. Elektrische Axialflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der faser oder gewebearmierte Kunststoff (12) ein Epoxidharz oder ein Imidharz mit Glasfaserarmierung und vorzugsweise zur besse ren Wärmedehnung und Wärmeleitung zusätzlich Mineralstoffe umfasst.
6. Elektrische Axialflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Perma nentmagnete (11) jeweils in Umfangsrichtung nebeneinander mindestens zwei separate Magnetsegmente (111) umfassen, die vorzugsweise mittels eines Metallklebers verbunden sind.
7. Elektrische Axialflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aie Sta toren (3,4) jeweils ein ringförmiges Joch (31,41) um fassen, in dem ungefähr radial von innen nach aussen sich erstreckende Nuten (32,42) angebracht sind, durch die Mehrphasenwicklungen (33,43) geführt sind.
8. Elektrische Axialflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Perma nentmagnete (11) oder die Nuten (32,42) in Umfangsrichtung geschränkt sind.
9. Elektrische Axialflussmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Statoren (3,4) in Umfangsrichtung elektrisch um 180° zu einander versetzt sind, so dass die entsprechenden Magnet flüsse in Umfangsrichtung im Rotor (1) gegenläufig orien tiert sind und sich somit faktisch zumindest grösstenteils aufheben.
10. Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) für eine elektrische Axialflussmaschine nach einem der Ansprü che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maschinen welle (2) und Permanentmagnete (11) in einer Form angeord net werden und anschliessend ein vorgeheizter faseroder gewebearmierter Kunststoff unter Druck in aie Form, die be heizt wird, gegossen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, dass das Eingiessen des faseroder gewebearmier ten Kunststoffs bei einer Temperatur von mndestens 200 °C und unter einem Druck von 5001500 bar erfolgt.
Description:
Elektrische Axialflussmaschine Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Axialflussmaschine, wie sie im Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 definiert ist.

Unter elektrischer Axialflussmaschine wird ein Motor oder Generator mit einem Rotor und einem Stator verstanden, bei dem der Magnetfluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors erfolgt. Derartige Axialflussmaschinen sind auch unter den Bezeichnungen bürstenloser Gleichstrom- motor, permanenterregter Synchronmotor oder Scheibenläufer- motor bekannt.

Ein effizienter bürstenloser Gleichstrommotor mit einem um eine Welle angeordneten eisenlosen Rotor mit Permanentmag- neten ist beispielsweise in der DE-U-298 16 561 beschrie- ben. Bei diesem Gleichstrommotor sind beidseits des schei- benförmigen Rotors je eine Elektromagneteinheit als Stator parallel zum Rotor um die Welle angeordnet. Der Rotor be- sitzt kreisförmig um die Welle herum angeordnete Permanent- magnete, die beispielsweise in einen Kunststoff eingebettet sind und deren Magnetisierungsrichtung parallel zur Welle verläuft. Jeweils zwei benachbarte Permanentmagnete weisen eine umgekehrte Magnetisierungsrichtung auf. Der eine Sta- tor ist mit ersten elektromagnetischen Bereichen und der andere Stator ist mit zweiten elektromagnetischen Bereichen versehen, deren Anzahl der Anzahl der Permanentmagnete ent- spricht, wobei zwei benachbarte erste elektromagnetische Bereiche und zwei benachbarte zweite elektromagnetische Be-

reiche jeweils umgekehrte Magnetisierungsrichtungen haben, die abwechselnd geändert werden. Die ersten und zweiten elektromagnetischen Bereiche sind zueinander versetzt ange- ordnet und weisen eine Phasendifferenz von 90° auf.

Ein Nachteil dieses Gleichstrommotors besteht darin, dass der Rotor aufgrund seiner Beschaffenheit relativ instabil und daher nur für langsame Drehungen geeignet ist.

Aus der US-A-5 619 087 ist eine elektrische Axialflussma- schine bekannt, die mindestens zwei eisenlose scheibenför- mige Rotoren mit relativ kleinen, stabförmigen Permanent- magneten umfasst, die in einen faser-oder gewebearmierten Kunststoff eingebettet sind. Mehrere nebeneinander angeord- nete gleich magnetisierte Permanentmagnete formen jeweils eine Gruppe, die einen magnetischen Pol bildet. Dadurch, dass anstatt mehrerer grosser viele relativ kleine Perma- nentmagnete im Kunststoff angeordnet sind, ist die effekti- ve Magnetfläche und somit der Magnetfluss reduziert, was durch die Verwendung von mindestens zwei Rotoren kompen- siert wird. Ausserdem bereitet die Verankerung der vielen einzelnen Permanentmagnete im Kunststoff Fertigungs-und Festigkeitsprobleme.

Angesichts der Nachteile der bisher bekannten Axialfluss- motoren und-generatoren liegt der Erfindung die folgende Aufgabe zugrunde. Zu schaffen ist eine elektrische Axial- flussmaschine der eingangs erwähnten Art, deren Rotor mög- lichst masse-und trägheitsarm, aber trotzdem stabil und auch für hohe Drehzahlen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemässe elektrische Axialflussmaschine gelöst, wie sie im unabhängigen Patent- anspruch 1 definiert ist. Patentanspruch 10 bezieht sich auf ein erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine derartige elektrische Axialflussmaschine.

Bevorzugte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den abhän- gigen Patentansprüchen.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass bei einer elek- trischen Axialflussmaschine mit einem an einer Maschinen- welle angeordneten eisenlosen scheibenförmigen Rotor, der Permanentmagnete aufweist, die in einen faser-oder gewebe- armierten Kunststoff eingebettet sind, die Permanentmagnete jeweils formschlüssigmit dem umgebenden faser-oder gewe- bearmierten Kunststoff verbunden sind und dieser zusammen mit den Permanentmagneten und der Maschinenwelle eine form- stabile Einheit bildet. Beidseits neben dem Rotor ist je- weils ein Stator angeordnet.

Bereits dadurch, dass der Kunststoff faser-oder gewebear- miert ist, hat der Rotor eine hohe Steifigkeit. Diese wird noch dadurch erhöht, dass die Permanentmagnete jeweils formschlüssig mit dem umgebenden faser-oder gewebearmier- ten Kunststoff verbunden sind und dieser zusammen mit den Permanentmagneten und der Maschinenwelle eine formstabile Einheit bildet. Letzteres kann durch geeignetes Anordnen der Permanentmagnete und der Maschinenwelle und Giessen des faser-oder gewebearmierten Kunststoffs erreicht werden.

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung des Rotors dienen die steifen Permanentmagnete gleichzeitig als Versteifungs- elemente, wobei durch die formschlüssige Verbindung mit dem

umgebenden Kunststoff gewährleistet ist, dass sich die Per- manentmagnete nicht lösen.

Vorteilhafterweise sind mehrere Permanentmagnete kreisför- mig um die Maschinenwelle herum angeordnet und erstreckt sich der Kunststoff, insbesondere ein Duroplast, zwischen den Permanentmagneten insgesamt aber mindestens 10%, vor- zugsweise zwischen 15% und 20%, des Kreises. Durch ein der- artiges Anordnen und Einbetten der Permanentmagnete kann der Rotor im Hinblick auf Festigkeit und Effizienz optimal ausgebildet werden.

Im folgenden wird die erfindungsgemässe Axialflussmaschine unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels detaillierter beschrieben. Es zeigen : Fig. 1-eine erfindungsgemässe Axialflussmaschine in einer Seitenansicht ; Fig. 2-die Axialflussmaschine in einer teilweisen Schnittansicht gemäss der Linie E-E in Fig. 1 ; Fig. 3-den Rotor mit Maschinenwelle und mit Mitteln zur Ermittlung der Magnetpollage des Rotors in einer Seitenansicht ; Fig. 4-den Rotor inklusive Maschinenwelle in einer teil- weisen Schnittansicht gemäss der Linie A-A in Fig. 3 ;

Fig. 5-eine vergrösserte Detailansicht des Rotors von Fig. 4 ; Fig. 6-eine Draufsicht auf einen segmentierten Perma- nentmagnet ; Fig. 7-eine Schnittansicht des segmentierten Permanent- magneten gemäss der Linie C-C in Fig. 6 ; Fig. 8-einen Permanentmagnet mit einer ersten speziellen Kontur zur formschlüssigen Verbindung mit dem um- gebenden Kunststoff ; Fig. 9-einen Permanentmagnet mit einer zweiten speziel- len Kontur zur formschlüssigen Verbindung mit dem umgebenden Kunststoff ; Fig. 10-einen Stator in einer Seitenansicht ; und Fig. 11-eine Schnittansicht des Stators gemäss der Linie D-D in Fig. 10.

Figuren 1 und 2 Die dargestellte erfindungsgemässe Axialflussmaschine um- fasst einen scheibenförmigen Rotor 1, der fest mit einer Maschinenwelle 2 verbunden ist und Permanentmagnete 11 auf- weist, die in einen faserarmierten Kunststoff 12, bei- spielsweise einen Duroplast, eingebettet sind. Beidseits des Rotors 1 ist jeweils parallel zu diesem je ein ringför- miger Stator 3 bzw. 4 angeordnet, der jeweils an einem La-

gerschild 6 befestigt ist. Die Statoren 3,4 weisen jeweils ein ringförmiges Joch 31 bzw. 41 mit Nuten 32 bzw. 42 an ihren dem Rotor 1 zugewandten Seiten auf, in denen Mehrpha- senwicklungen 33 bzw. 43 geführt sind, die äussere Wick- lungsköpfe 331 bzw. 431 besitzen. Die Lagerschilde 6 sind vorzugsweise aus Aluminium und weisen ausserdem Verstei- fungs-und Kühlrippen 63 auf, so dass die erzeugte Wärme gut abgeführt wird. Ausnehmungen 64 in den Lagerschilden 6 haben zum Zweck, das Gewicht zu reduzieren. Zur Montage der Lagerschilde 6 sind Bolzenlöcher 61 vorgesehen, während Ge- windelöcher 62 zu ihrer Befestigung an einem nicht darge- stellten Maschinenteil, z. B. einem Getriebe, dienen. Die Lagerschilde 6 und ein ringförmiger Gehäuseteil 8 bilden zusammen ein Gehäuse für den Rotor 1 und die Statoren 3,4.

Die Maschinenwelle 2 ist über Kugellager 7 drehbar an den Lagerschilden 6 gelagert.

Die beiden Statoren 3,4 sind in Umfangsrichtung elektrisch um 180° zueinander versetzt, so dass die entsprechenden sich in Umfangsrichtung im Rotor 1 ergebenden Magnetflüsse gegenläufig orientiert sind und sich somit faktisch zumin- dest grösstenteils aufheben. Dadurch ist es möglich, auf ein Eisen im Rotor 1 zu verzichten.

Für die gesamte weitere Beschreibung gilt folgende Festle- gung. Sind in einer Figur zum Zweck zeichnerischer Eindeu- tigkeit Bezugszeichen enthalten, aber im unmittelbar zuge- hörigen Beschreibungstext nicht erwähnt, oder umgekehrt, so wird auf deren Erläuterung in vorangehenden Figurenbe- schreibungen Bezug genommen.

Figuren 3 bis 5 Erfindungsgemäss bilden der Rotor 1 und die Maschinenwelle 2 eine formstabile Einheit. Der eisenlose scheibenförmige Rotor 1 weist acht kreisförmig um die Maschinenwelle 2 herum angeordnete Permanentmagnete 11 auf, die in den fa- serarmierten Kunststoff 12 eingebettet sind. Der faserar- mierte Kunststoff 12 erstreckt sich zwischen den Permanent- magneten 11 insgesamt aber zwischen etwa 15% und 20% des Kreises, und zwar so, dass gleichmässige Stege gebildet werden. Zwischen den mechanisch sehr steifen Permanentmag- neten 11 ist so genügend faserarmierter Kunststoff 12 vor- handen, dass der Rotor 1 stabil ist, und es kann bei höch- ster Fertigungsökonomie ein Rotor 1 mit minimalstem Massen- trägheitsmoment erreicht werden.

Auch die Maschinenwelle 2 ist in einem mittleren Bereich in den faserarmierten Kunststoff 12 eingebettet, wobei zwei Flansche 21 und 22 für eine stabile Verbindung zwischen Ro- tor 1 und Maschinenwelle 2 sorgen.

Zur Aufnahme der Fliehkräfte ist am äusseren Umfang des Ro- tors 1 eine Versteifungsbandage 13 angebracht, die vorim- prägniertes Fasermaterial umfasst, das vorzugsweise Glas-, Kohle-oder Kevlarfasern enthält, die zu einem grossen Teil in Umfangsrichtung ausgerichtet sind. Die Versteifungsban- dage 13 ist breiter als die Permanentmagnete 11 und der fa- serarmierte Kunststoff 12, was insbesondere in Fig. 5 deut- lich erkennbar ist. Mit Vorteil sind zur Versteifung auch der faserarmierte Kunststoff 12 und die Permanentmagnete 11 sich von innen nach aussen verdickend ausgebildet.

Aussen um die Versteifungsbandage 13 herum ist ein Magnet- band 14 aufgeklebt, das eine radial magnetisierte Folge von Magnetpolen bildet, die jeweils entsprechend den im faser- armierten Kunststoff 12 eingebetteten Permanentmagneten 11 angeordnet sind, wobei aber 1000-, des Umfangs überdeckt wer- den. Dieses Magnetband 14 ermöglicht es, die Magnetpollage des Rotors 1 an der Peripherie mittels dreier ortsfester Hallsonden 5 zu ermitteln. Die drei Hallsonden 5 sind in Umfangsrichtung je 30° voneinander beabstandet und bei- spielsweise auf einer gedruckten Schaltung angeordnet, die am Gehäuseteil 8 befestigt ist. Die ermittelte Magnet- pollage erlaubt es, den Zündwinkel für die Mehrphasenwick- lungen 33,43 der Statoren 3,4 optimal einzustellen.

Die Permanentmagnete 11 bestehen vorzugsweise aus gesinter- tem Magnetmaterial, beispielsweise NdFeB, mit einer Biege- festigkeit von ungefähr 270 N/mm2 und einem E-Modul von un- gefähr 150 kN/mm. Der faserarmierte Kunststoff 12 ist z. B. ein Epoxidharz oder ein Imidharz mit Glasfaserarmierung.

Die erzielten mechanischen Festigkeitswerte liegen auch hier im Bereich von Stahl 37. Die Temperaturfestigkeit liegt für das Epoxidharz bei etwa 200 °C und für das Imid- harz bei etwa 250 °C. Zur besseren Wärmedehnung und Wärme- leitung können dem Harz noch zusätzlich Mineralstoffe zuge- fügt werden.

Zur Herstellung des Rotors 1 werden die Maschinenwelle 2 und die Permanentmagnete 11 in einer Form angeordnet und anschliessend der vorgeheizte faserarmierte Kunststoff unter Druck in die Form, die beheizt wird, gegossen. Das Eingiessen des faserarmierten Kunststoffs erfolgt je nach

Harz bei einer Temperatur von mindestens 200 °C bzw. min- destens 250 °C und unter einem Druck von 500-1500 bar.

Dabei kommt es zu einer Plastifizierung, die ein lückenlo- ses Füllen der Form sowie einen guten Formschluss mit den Permanentmagneten 11 und der Maschinenwelle 2 gewährlei- stet.

Figuren 6 und 7 Die Permanentmagnete 11 umfassen beim vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel jeweils in Umfangsrichtung nebeneinander drei separate Magnetsegmente 111. Dadurch können die Wirbel- stromverluste verringert werden. Die Magnetsegmente 111 sind vorzugsweise mittels eines Metallklebers verbunden, können aber auch nur vom faserarmierten Kunststoff 12 zu- sammengehalten werden.

Figuren 8 und 9 Da bei hohen Drehzahlen und relativ kleinen Luftspalten zwischen dem Rotor 1 und den Statoren 3,4 eine grosse Ei- gensteifigkeit des Rotors 1 unerlässlich ist, sind die Per- manentmagnete 11 jeweils formschlüssig mit dem umgebenden faserarmierten Kunststoff 12 verbunden. In den Figuren 8 und 9 sind zwei mögliche Magnetkonturen dargestellt, die geeignet sind, um die auftretenden Scherkräfte aufzufangen.

Beim dargestellten Rotor 1 kann auf die be-dseitige Anbrin- gung von magnetisch leitfähigen Blechen zum Halten der Per- manentmagnete 11 oder eine anders geartete Sandwichkon- struktion verzichtet werden, wodurch die Massenträgheit, die Menge an Magnetmaterial sowie die Oberilächenverluste

niedrig gehalten und unerwünschte Streupfade zwischen be- nachbarten Permanentmagneten 11 vermieden werden können.

Figuren 10 und 11 Der Aufbau der beiden Statoren 3,4 wird nachfolgend am Beispiel des Stators 3 erläutert. Der Stator 3 umfasst ein ringförmiges Joch 31, in dem ungefähr radial von innen nach aussen sich erstreckende Nuten 32 angebracht sind. Das Joch 31 setzt sich aus mehreren Lagen 311 hochwertigem Dynamo- blech zusammen, die beim Nutenstanzen zu Paketen gerollt und anschliessend durch einen Schweisspunkt verbunden wer- den. Die Nuten 32 sind im Innern des Jochs 31 relativ breit, weisen aber zum Rotor 1 hin eine relativ schmale Öffnung 321 auf.

Durch die Nuten 32 sind, wie in Figur 2 dargestellt, Mehr- phasenwicklungen 33, beispielsweise Dreiphasenwicklungen, geführt. Durch die Unterbringung der Mehrphasenwicklungen 33 in den Nuten 32 kann der Stator 3 nahe an die Permanent- magnete 11 des Rotors 1 herangeführt werden, d. h. es ergibt sich ein sehr kleiner Luftspalt, der einen sehr hohen ma- gnetischen Fluss zur Folge hat und damit eine sehr grosse Leistungsdichte ermöglicht.

Aufgrund einer Schränkung der Nuten 32 in Umfangsrichtung und gegenüber den Permanentmagneten 11 des Rotors 1 können Rastmomente und Geräusche minimiert werden.

Zu der vorbeschriebenen Axialflussmaschine sind weitere konstruktive Variationen realisierbar. Hier ausdrücklich erwähnt seien noch :

Die Ermittlung der Magnetpollage des Rotors 1 muss nicht unbedingt mittels des Magnetbands 14 und den Hallsonden 5 erfolgen. Denkbar ist unter anderem auch eine optische Abtastung von hellen und dunklen Bereichen an der Peri- pherie des Rotors 1.

Anstatt die Nuten 32 und damit die darin geführten Mehr- phasenwicklungen 33 zu schränken, können auch die Perma- nentmagnete 11 geschränkt werden.

Der Kunststoff 12 des Rotors 1 kann anstatt faserarmiert auch gewebearmiert sein.