DE10242833A1

DE10242833A1 - Elektrische Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE10242833A1
Application number: DE10242833A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Schwamm
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2002-09-14
Filing date: 2002-09-14
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-15
Also published as: US6979925B2; US20050189832A1; DE10242833B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung, nämlich einen Transversalflussmotor. DOLLAR A Der Transversalflussmotor weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Stator U-förmige Statorlamellen umfasst, die einen zylindrischen Ring bilden, und wobei der Rotor Permanentmagnete aufweist, die zu Polenden der Statorlamellen angeordnet sind und die zylindrische bzw. ringförmige Rotorelemente bilden. DOLLAR A Erfindungsgemäß bilden die U-förmigen Statorlamellen (34) des Stators (30) zwei zylindrische Ringe (32, 33), wobei jeweils einer der beiden Ringe (32, 33) zu einer Seite des Rotors (31) angeordnet ist, derart, dass der Rotor (31) von den beiden Ringen (32, 33) seitlich eingeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl elektrischer Antriebsvorrichtungen bekannt. So unterscheidet man nach dem Stand der Technik Gleichstrommotoren von Drehstrommotoren und Synchronmotoren von Asynchronmotoren.

Ein gegenüber den bislang geläufigen elektrischen Antriebsvorrichtungen völlig neues Konzept für eine solche elektrische Antriebsvorrichtung stellt der sogenannte Transversalflussmotor dar. Transversalflussmotoren erlauben eine Optimierung wichtiger Eigenschaften von elektrischen Antriebsvorrichtungen, nämlich die Erzielung einer kompakten Bauform, die Beschränkung der Masse und damit des Gewichts sowie gleichzeitig die Gewährleistung einer hohen Leistungsdichte und damit hohen Effizienz der elektrischen Antriebsvorrichtung.

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Transversalflussmotoren.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine verbesserte elektrische Antriebsvorrichtung, nämlich einen verbesserten Transversalflussmotor, zu schaffen.

Dieses Problem wird durch eine elektrische Antriebsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1: eine schematisierte Darstellung einer elektrischen Antriebsvorrichtung nach dem Stand der Technik in einer teilweise aufgebrochenen, perspektivischen Seitenansicht,
2: ein Detail der elektrischen Antriebsvorrichtung nach dem Stand der Technik gemäß 1 ebenfalls in perspektivischer Seitenansicht,
3: eine stark schematisierte Darstellung einer elektrischen Antriebsvorrichtung im Sinne der Erfindung mit einer am Rotor der elektrischen Antriebsvorrichtung befestigten Verdichterschaufel, und
4: eine stark schematisierte Darstellung eines Rotors der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvorrichtung.
1 zeigt eine als Transversalflussmotor 10 ausgebildete elektrische Antriebsvorrichtung nach dem Stand der Technik. Der dort gezeigte Transversalflussmotor 10 umfasst einen zylindrisch ausgebildeten Stator 11 und einen zylindrisch ausgebildeten Rotor 12, wobei der Rotor 12 außerhalb des Stators 11 angeordnet ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, umschließt also der außenliegende Rotor 12 den innenliegenden Stator 11. Ein vom Transversalflussmotor 10 anzutreibendes Objekt 13, zum ein Rad oder eine Turbinenschaufel, ist unmittelbar mit dem Rotor 12 verbunden.
Bei dem in 1 dargestellten Transversalflussmotor 10 sind drei Phasen 14, 15 und 16 nebeneinander angeordnet, so dass ein nicht dargestellter Standardumrichter für Drehstrom verwendet werden kann.
2 verdeutlicht dass dem Transversalflussmotor 10 zu Grunde liegende Wirkungsprinzip am Beispiel einer Phase 14, 15 bzw. 16. Der magnetische Fluss ist durch Flusslinien visualisiert. So zeigt 2 eine der Phasen 14, 15 bzw. 16 bestehend aus Rotor 12 und Stator 11. Der Stator 11 umfasst mehrere mit Abstand voneinander angeordnete, U-förmig ausgebildete Statorlamellen 17, wobei die Statorlamellen 17 von stromführenden Wicklungen 18 umschlossen sind bzw. solche umschließen. Die Statorlamellen 17 einer jeden Phase 14, 15 und 16 bilden einen zylindrischen Ring (siehe 1).
Permanentmagnete 19, 20 des Rotors 12 sind mit alternierender Polarität ausgeführt, d.h. zwischen jeweils zwei als Südpol ausgebildeten Permanentmagneten 19 ist jeweils ein als Nordpol ausgebildeter Permanentmagnet 20 angeordnet. Gemäß 2 ist benachbart zu beiden gegenüberliegenden Polenden 21, 22 der U-förmigen Statorlamellen 17 jeweils ein ringförmig bzw. zylindrisch ausgebildetes Rotorelement 23, 24 des Rotors 12 mit polaritätsalternierenden Permanentmagneten 19, 20 angeordnet. Jeder Phase 14, 15 bzw. 16 des Transversalflussmotors 10 sind demnach zwei solcher Rotorelemente 23, 24 zugeordnet, jeweils einer im Bereich einer der Polenden der U-förmigen Statorlamellen 17.
Weiterhin ist gemäß 2 auch zu den beiden gegenüberliegenden Polenden 21, 22 einer einzelnen Statorlamelle 17 jeweils ein Permanentmagnet 19, 20 mit ebenfalls alternierender Polarität angeordnet. Daraus folgt, dass zum einen innerhalb eines einzigen Rotorelements 23 bzw. 24, welches sich im Bereich eines Polendes der Statorlamellen 17 erstreckt, zwei benachbarte Permanentmagnete 19, 20 des Rotorelements 23 bzw. 24 eine unterschiedliche Polarität aufweisen. Zum anderen sind auch gegenüberliegende Permanentmagnete 19, 20, die gegenüberliegenden Polenden 21, 22 einer Statorlamelle 17 zugeordnet sind, in ihrer Polarität unterschiedlich ausgebildet.
Zur Vervollständigung des magnetischen Flusses und damit Erhöhung des Wirkungsgrades ist zwischen jeweils zwei U-förmig ausgebildeten Statorlamellen 17 jeweils ein I-förmig ausgebildetes Statorelement 25 angeordnet. Auf die Statorelemente 25 kann jedoch auch bei geringfügig abgewandeltem Konstruktionsprinzip verzichtet werden.
Wie insbesondere 1 entnommen werden kann, ist der Hohlraum zwischen benachbarten Statorlamellen 17 durch Stege 26 aus nicht-magnetischem Material ausgefüllt, um einerseits eine stabile Bauform zu erhalten und anderseits den magnetischen Fluss nicht zu beinträchtigen. Die Stege 26 ragen radial aus einem ebenfalls nicht-magnetischen, zylindrischen Grundkörper 27 hervor.
Beim Transversalflussmotor 10 wird demnach der Fluss in den Statorlamellen 17 in Ebenen senkrecht zur Bewegungsrichtung bzw. parallel zur Drehachse des Rotors 12 geführt. Die Wicklungen 18 verlaufen hingegen in Bewegungsrichtung des Rotors. Die Querschnitte der Wicklungen 18 und Statorlamellen 17 können unabhängig voneinander gewählt werden. Daraus resultiert eine kleine realisierbare Polteilung, wodurch bei gleichbeleibenden Wicklungsverlusten ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann.
Im Sinne der Erfindung wird nun eine als Transversalflussmotor 28 ausgebildete elektrische Antriebsvorrichtung vorgeschlagen, wie sie in den 3 und 4 gezeigt ist. 3 und 4 verdeutlichen die erfindungsgemäße elektrische Antriebsvorrichtung am Beispiel einer Phase 29, wobei auch hier wie beim Stand der Technik gemäß 1 und 2 insgesamt drei Phasen vorhanden sein können.
Gemäß 3 umfasst die dort gezeigte Phase 29 des Transversalflussmotors 28 wiederum einen Stator 30 und einen Rotor 31. Im Unterschied zum Stand der Technik verfügt der Stator 30 des erfindungsgemäßen Transversalflussmotors 28 jedoch über zwei zu beiden Seiten des Rotors 31 angeordnete, zylindrische Ringe 32, 33 aus U-förmigen Statorlamellen 34, wobei die Statorlamellen 34 wiederum von stromführenden Wicklungen 35 umschlossen sind bzw. solche umschließen.
Der scheiben- bzw. ringförmig ausgebildeten Rotor 31 ist demnach von dem ebenfalls ringförmig ausgebildeten Stator 30 derart eingeschlossen bzw. umschlossen, dass jeweils einer der beiden Ringe 32, 33 aus U-förmigen Statorlamellen 34 zu einer Seite des Rotors 31 angeordnet ist.
Der Rotor 31 verfügt wiederum über zu den gegenüberliegenden Polenden der U-förmigen Statorlamellen 34 angeordnete, ringförmig bzw. zylindrisch ausgebildete Rotorelemente 36, 37 mit polaritätsalternierenden Permanentmagneten 38, 39. Im Unterschied zum Stand der Technik gemäß 1 und 2 umfasst jedes der Rotorelemente 36, 37 jedoch nicht nur einen Ring aus polaritätsalternierenden Permanentmagneten 38, 39, sondern zwei Ringe aus polaritätsalternierenden Permanentmagneten 38, 39.
Gegenüberliegende Permanentmagnete 38, 39 gegenüberliegender Rotorelemente 36, 37 weisen eine alternierende Polarität (Nordpol, Südpol) auf. Weiterhin verfügen auch benachbarte Permanentmagnete 98, 39 der beiden benachbarten Ringe innerhalb eines Rotorelements 36 bzw. 37 über eine alternierende Polarität. Ferner verfügen benachbarte Permanentmagnete 38, 39 innerhalb eines Rings eines Rotorelements 36 bzw. 37 über eine alternierende Polarität.
Der Rotor 31 des erfindungsgemäßen Transversalflussmotors 28 verfügt demnach im Bereich einer Phase 29 über zwei Rotorelemente 36 bzw. 37, die beide von den zwei zylindrischen Ringen 32, 33 aus den U-förmigen Statorlamellen 34 dieser Phase 29 umgeschlossen sind. Jeweils eines der beiden Rotorelemente 34 bzw. 37 ist zwischen gegenüberliegenden Polenden gegenüberliegendender Statorlamellen 34 angeordnet. Jedes Rotorelement 3b bzw. 37 verfügt über zwei Ringe aus Permanentmagneten 38, 39 (siehe 3).
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung von Rotor 31 und Stator 3Q kann bei gleichbleibender kompakter Bauform eine noch größere Leistungsdichte des Transversalflussmotors erzielt werden. Auch lässt sich bei gleichbleibender Leistungsdichte gegenüber dem Stand der Technik nochmals eine Gewichtsreduzierung des Transversalflussmotors erzielen. Darüber hinaus wird eine Redundanz hinsichtlich der stromführenden Wicklungen geschaffen, was insbesondere für Anwendungen in der Luftfahrtechnik von Wichtigkeit ist.
Gemäß 3, 4 sind einerseits um die U-förmigen Statorlamellen 34 des Stators 30 und andererseits um die Permanentmagnete 38, 39 des Rotors 31 herum weitere Permanentmagnete 40, 41 angeordnet, die der magnetischen Zentrierung des Rotors 31 dienen. Auch hierdurch lässt sich nochmals die Bauform komprimieren. Der Stator 30 ist über Federelemente 43 federnd gelagert. Auftretende Kreiselkräfte können mit geringer mechanischer Versteifung abgefangen werden.
Gemäß 3 ist an einem Ende des Rotors 31 ein anzutreibendes Objekt 42, eine Turbinenschaufel eines Hochdruckverdichters, angeordnet.
Das erfindungsgemäße Konzept für eine elektrische Antriebsvorrichtung kann gleichermaßen bei einem Motorbetrieb und bei einem Generatorbetrieb verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Konzepts in der Luftfahrttechnik, wo es eine Gewichtseinsparung und eine hohe Leistungsdichte von besonderem Interesse sind. Eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung kann zum Beispiel zum elektrischen Starten eines Flugzeugtriebwerks oder für die elektrische Versorgung eines Flugzeugs verwendet werden.

10: Transversalflussmotor
11: Stator
12: Rotor
13: Objekt
14: Phase
15: Phase
16: Phase
17: Statorlamelle
18: Wicklungen
19: Permanentmagnet
20: Permanentmagnet
21: Polende
22: Polende
23: Rotorelement
24: Rotorelement
25: Statorelement
26: Steg
27: Grundkörper
28: Transversalflussmotor
29: Phase
30: Stator
31: Rotor
32: Ring
33: Ring
34: Statorlamelle
35: Wicklungen
36: Rotorelement
37: Rotorelement
38: Permanentmagnet
39: Permanentmagnet
40: Permanentmagnet
41: Permanentmagnet
42: Objekt
43: Federelement

Claims

Elektrische Antriebsvorrichtung, mit einem Stator (30) und mit einem Rotor (31), wobei der Stator (30) U-förmige Statorlamellen (34) umfasst, die einen zylindrischen Ring bilden, und wobei der Rotor (31) Permanentmagnete (38, 39) aufweist, die zu Polenden der Statorlamellen (34) angeordnet sind und die zylindrische Rotorelemente (36, 37) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die U-förmigen Statorlamellen (34) des Stators (30) zwei zylindrische Ringe (32, 33) bilden, wobei jeweils einer der beiden Ringe (32, 33) zu einer Seite des Rotors (31) angeordnet ist, derart, dass der Rotor (31) von den beiden Ringen (32, 33) seitlich eingeschlossen ist.
Elektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorelemente (36, 37), die sich im Bereich der Polenden der U-förmigen Statorlamellen (34) des Stators (30) erstrecken, jeweils zwei Ringe aus polaritätsalternierenden Permanentmagneten (38, 39) aufweisen.
Elektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Rotorelements (36, 37) benachbarte Permanentmagnete (38, 39) eines Rings und benachbarte Permanentmagnete (38, 39) benachbarter Ringe eine unterschiedliche Polarität aufweisen.
Elektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegende Permanentmagnete (38, 39) gegenüberliegender Rotorelemente (36, 37) eine unterschiedliche Polarität aufweisen.
Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass um die U-förmigen Statorlamellen (34) des Stators (30) und um die Permanentmagnete (38, 39) des Rotors (31) herum weitere Permanentmagnete (40, 41) zur magnetischen Zentrierung des Rotors (31) angeordnet sind.