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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Transversalflussmotor, in einer
Ausführung als Außenläufermotor, mit
wenigstens einem Stator und wenigstens einem Rotor, wobei magnetisch
aktive Elemente des Stators ringförmig und mit einem U-förmigen
Innenprofil an dem Stator ausgebildet sind und der Rotor scheiben-
oder ringförmig ausgebildet ist, wobei der Rotor magnetisch
aktive Stege aufweist, die ringförmig in radialer Ausrichtung
auf wenigstens einer Stirnfläche des Rotors vorgesehen
sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Antriebsverfahren
nach dem Transversalflussprinzip, wobei magnetisch aktive Stege
wenigstens eines scheiben- oder ringförmigen Rotors, die
ringförmig in radialer Ausrichtung auf wenigstens einer
Stirnfläche des Rotors angeordnet sind, mit ringförmig
an wenigstens einem Stator vorgesehenen magnetisch aktiven Elementen
mit einem U-förmigen Innenprofil zusammenwirken, um den
Rotor in Rotation zu versetzen.
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Ein
Antriebsverfahren der oben genannten Gattung sind aus der Druckschrift
EP 1 720 236 A1 bekannt.
Diese Druckschrift offenbart einen geräuscharmen, modularen
Direktantrieb nach dem Reluktanzprinzip. Der Direktantrieb weist
einen im Querschnitt ringförmigen Rotor mit radialen Nuten
an beiden Stirnseiten auf. Ferner besitzt der bekannte Direktantrieb
einen aus U-förmigen Platten zusammengesetzten Statorring.
Die U-Platten sind entweder so zusammengesetzt, dass sich die U-förmigen Innenprofile
der U-Platten im Statorring radial nach innen oder radial nach außen öffnen.
In einer Ausführungsvariante der Druckschrift
EP 1 720 236 A1 ist der
Rotorring innerhalb der U-förmigen Innenprofile der U-Platten
des Statorringes so angeordnet, dass er innerhalb des Statorringes
rotieren kann (Innenläufer). In einer anderen Ausführungsvariante,
in der die U-Platten des Statorringes nach Außen radial
geöffnet sind, ist der Rotorring so zwischen den U-förmigen
Innenprofilen eingepasst, dass er außen am Statorring rotieren
kann (Außenläufer). Bei beiden Ausführungsvarianten
sind Stator- und Rotorring räumlich um 90° zueinander
versetzt angeordnet.
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In
der in der Druckschrift
EP
1 720 236 A1 beschriebenen Reluktanzmaschine wirken die
radial ausgerichteten U-Platten des Stators aus weichmagnetischem
Material als Statorzähne, während die Radialnuten
des Rotors aus weichmagnetischem Material als Rotorzähne
dienen. Die Statorzähne sind mit Spulen bewickelt, die
abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Die Zähne mit
den bestromten Wicklungen ziehen jeweils die nächstgelegenen
Zähne des Rotors elektromagnetisch an und werden abgeschaltet,
wenn oder kurz bevor die Zähne des Rotors den sie anziehenden
Statorzähnen gegenüberstehen. In dieser Position
wird die nächste Phase auf anderen Statorzähnen
eingeschaltet, die andere Rotorzähne anzieht. Auf diese
Weise wird der Rotor in Rotationsrichtung bewegt.
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Da
sich bei der bekannten Ausführungsform relativ kleine Polteilungen
realisieren lassen, sind hohe spezifische Drehmomente erzielbar.
Darüber hinaus wird bei der bekannten Anordnung der Kraftflussweg
für die pulsierenden Anzugskräfte zwischen Stator
und Rotor auf kurzem Wege geschlossen und es bestehen vorteilhafte
Symmetriebedingungen zwischen Stator und Rotor, um diese Kräfte
in ihrer Wirkung auf Stator und Rotor möglichst zu kompensieren.
Entsprechend kann eine relativ geringe Geräuschemission
erreicht werden.
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Um
ein weitgehend konstantes Drehmoment in allen Rotorstellungen zu
erzielen, schlägt die Druckschrift
EP 1 720 236 A1 ferner vor,
eine Mindestanzahl von drei separaten Strängen, das heißt, drei
phasenverschoben elektrisch gespeisten Statorwicklungen, vorzusehen,
was durch axiale Reihenanordnung von drei Maschinen realisiert werden
kann.
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Soll
bei der bekannten Anordnung ein möglichst kleiner, durchgehend
gleichbleibender Luftspalt zwischen Stator und Rotor erzielt werden,
müssen insbesondere die U-förmigen Innenprofile
der U-Platten des Stators sehr genau gefertigt werden. Der Hohlzylinder
des Rotors ist exakt in den Zwischenraum zwischen den U-förmigen
Innenprofilen der U-Platten einzupassen. Dies bedeutet einen erheblichen
technologischen Aufwand. Auch ist davon auszugehen, dass sich im
Verlauf der Verwendung der bekannten Reluktanzmaschine, insbesondere
durch deren Verschleiß, Varianzen in der Luftspaltgröße
ergeben, wodurch Änderungen im Wirkungsgrad der bekannten
Reluktanzmaschine auftreten können. Zudem sind bei der
bekannten Reluktanzmaschine sowohl die U-Platten als auch der für
den Rotor verwendete Hohlzylinder aus weichmagnetischem Material ausgebildet,
wodurch der Direktantrieb relativ schwer ist und sich für
viele Einsatzmöglichkeite, wie beispielsweise direkt an
den Rädern eines Fahrzeugs, nicht eignet.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Direktantrieb
auf Basis des Transversalflussprinzips bereit zu stellen, mit dem
ein hohes Drehmoment bei gleichzei tig möglichst geringem Gewicht,
hoher Zuverlässigkeit und möglichst gleichbleibender
Effektivität des Direktantriebs zur Verfügung
gestellt werden kann, der sowohl nach dem Reluktanzprinzip als auch
als Permanentmagnet erregte Synchronmaschine, die eine noch höhere
Leistungsdichte erreicht, arbeiten kann.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Transversalflussmotor der oben genannten
Gattung gelöst, bei welchem senkrechte Profilseiten des
U-förmigen Innenprofils parallel zur axialen Ausrichtung
des Stators ausgerichtet sind und freie Enden der senkrechten Profilseiten
des U-förmigen Innenprofils voneinander beabstandete Pole
aufweisen, wobei der der Rotor mit einem rotierbaren Motorkäfig
bzw. einer Motorhülle verbunden ist und der Stator mit
einem fest stehenden Träger oder einer fest stehenden Achse
verbunden ist. Der Motorkäfig ist hierbei ein außen liegendes
Rotationselement bzw. ein außen rotierendes Bauteil, beispielsweise
eine Walze oder Felge, mit welchem der Rotor rotiert. Im Ergebnis
wird ein Außenläufermotor zur Verfügung
gestellt, der innen feststehend ist und bei welchem das äußere
Teil, das heißt der Motorkäfig, des Motors rotierend
ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung ist der wenigstens
eine Stator somit parallel zu dem wenigstens einen Rotor ausgerichtet,
wobei eine Stirnseite des Stators einer Stirnseite des Rotors direkt
gegenüber ist. Auf diese Weise kann mit einfachen technologischen
Mitteln ein sehr genauer Luftspalt zwischen Stator und Rotor eingestellt
werden, wodurch ein hoher Wirkungsgrad und eine kontinuierlich gleichbleibende
Effektivität des Transversalflussmotors bereitgestellt
werden kann. Bedingt durch die damit erzielbare vorteilhafte Symmetrie
zwischen Stator und Rotor können Geräuschemissionen
weitgehend minimiert werden, ohne das Gewicht der Anordnung erhöhen
zu müssen. Zudem können durch die ringförmigen
Anordnungen der magnetisch aktiven Elemente am Stator der magnetisch
aktiven Stege am Rotor eine Vielzahl von Polen ausgebildet werden, wodurch
hohe spezifische Drehmomente erzielt werden können.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind bei ansonsten
identischer Bauweise die Zähne des Rotors aus weichmagnetischem
Werkstoff (Reluktanzmaschine) oder aus Permanentmagneten (permanentmagneterregte
Synchronmaschine) ausgebildet. Damit bietet der als Außenläufermotor
ausgebildete erfindungsgemäße Motor optimale Voraussetzungen
für den Einsatz als innen liegender Walzenantrieb oder
als Radantrieb.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn die Rotorstege aus permanentmagnetischem
Material bestehen und damit den Betrieb der vorliegenden Erfindung
als permanentmagneterregte Synchronmaschine erlauben. Während
beim Reluktanzmotor die Rotationsbewegung nur durch elektromagnetisch
erzeugte Zugkräfte zustande kommt, können bei
der permanentmagneterregten Synchronmaschine Zug- und Schubkräfte
genutzt werden, was in einer höheren Leistungsdichte resultiert.
Darüber hinaus sind bei einer erfindungsgemäßen
permanentmagneterregten Synchronmaschine 2 Phasen ausreichend, um
eine kontinuierliche Rotationsbewegung zu erzeugen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
weisen die senkrechten Profilseiten des U-förmigen Innenprofils
in radialer Ausrichtung des Stators einen Abstand auf, der etwa
der Länge der radialen Ausdehnung der Stege am Rotor entspricht.
Somit können auf geeignete Weise die Pole von Stator und
Rotor miteinander in Deckung gebracht werden, um eine effektive
Rotation des Rotors zu ermöglichen.
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In
einem bevorzugten Beispiel der vorliegenden Erfindung weist der
Stator drei, vier oder mehr gleichmäßig am Stator
angeordnete und voneinander gleichmäßig beabstandete,
als Ringe oder Ringsegmente ausgebildete magnetisch aktive Elemente auf.
In den Ringsegmenten können jeweils eine Vielzahl von magnetisch
aktiven Polen zusammengefasst werden und gemeinsam mit einer oder
mehreren Wicklungen versehen werden, so dass eine Mehrzahl von Polen
gleichzeitig bestromt werden kann, um verschiedene Phasen zu erzeugen.
Dies bedeutet, dass es möglich ist, mehrere Phasen pro Ring
anzuordnen oder auch nur eine Phase pro Ring.
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Hierbei
ist es besonders günstig, wenn die Ringe oder Ringsegmente
mit einer Phasenverschiebung zueinander verstrombar sind. Somit
können die drei, vier oder mehr Ringsegmente sequentiell,
paarweise oder in einer anderen geeigneten Abfolge oder Gruppierung
bestromt werden, um den Rotor in Rotation zu versetzen.
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In
einer besonders günstigen Ausführungsvariante
der vorliegenden Erfindung sind die Pole zahnartig ausgebildet,
wobei jedem Pol auf einer senkrechten Profilseite eines Ringsegmentes
ein Pol auf der anderen senkrechten Profilseite des Ringsegmentes
in radialer Ausrichtung des Stators gegenüber ist. Somit
wird durch die jeweils gegenüber angeordneten Pole ein
separates U-Profil ausgebildet, das gegenüber einem Steg
an dem Rotor angeordnet und mit diesem in Deckung gebracht werden
kann, um den Rotor geeignet anzutreiben.
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In
einem bevorzugten Beispiel der vorliegenden Erfindung ist der Transversalflussmotor
sandwichartig ausgebildet, wobei ein Rotor zwischen einem ersten
und einem zweiten Stator derart angeordnet ist, dass jede der Stirnflächen
des Rotors einer Statorstirnfläche mit davon axial, in
Richtung des Rotors hervor ragenden Ringsegmenten gegenüber
ist. Die sandwichartige Ausbildung bietet den Vorteil, dass dann,
wenn die zwei Statoren gleichartig bestromt werden, ein Kräfteausgleich
stattfindet, da axial- und radialsymmetrische Belastungen an einer
solchen Struktur ausgeglichen werden. Entsprechend kann ein besserer
Gleichlauf des erfindungsgemäßen Transversalflussmotors
erzielt werden.
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Es
ist besonders von Vorteil, wenn auf dem ersten Stator und auf dem
zweiten Stator jeweils vier gleiche Ringsegmente vorgesehen sind,
wobei die Statoren so angeordnet sind, dass sich die Ringsegmente
jeweils gegenüber sind, und wobei die Ringsegmente so mit
einer Phasenverschiebung von 180° bestrombar sind, dass
jeweils gegenüberliegende Ringsegmente bestromt sind. Hierdurch
lässt sich auf einfache anschlusstechnische Weise ein geeigneter
axial- und radial symmetrischer Kräfteausgleich zwischen
den Statoren und dem Rotor des erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors erzielen. Bei dieser Anordnung wirken pro
Phase vier Ringsegmente auf eine Rotorscheibe bzw. einen Rotorring. Entsprechend
wirkt bei gleicher Polzahl aufgrund der beidseitigen Anordnung die
doppelte Zahl von Polen auf den Rotor, was einen größeren
Fluss und damit ein höheres Drehmoment zur Folge hat.
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In
einer weiteren favorisierten Ausführungsvariante der vorliegenden
Erfindung weist der Transversalflussmotor mehrere, gestapelte sandwichartige Stator-Rotor-Stator-Anordnungen
auf. Durch diese Ausführungsform ist ein besonders großes
Drehmoment erreichbar. Zusätzlich eröffnet diese
Ausführungsvariante die Möglichkeit, die Stapelebenen
der gestapelten Sandwichstrukturen unterschiedlich zu bestromen,
so dass bei einer geeigneten, sequentiellen Bestromung der einzelnen
Stapelebenen ein besonders hoher Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors erzielt werden kann. Durch die Erweiterung
auf mehrere Stapelebenen kann neben einer direkt proportionalen
Drehmomenterhöhung, eine Verbesserung der Positionierbarkeit, ein
besserer Gleichlauf und eine Verringerung des Maximalstroms trotz
proportionalem Leistungsanstieg erreicht werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist
der Stator einen Träger aus einem nicht magnetischen Material
auf und die Ringsegmente sind aus weichmagnetischem Material ausgebildet.
Somit lässt sich das Gewicht des Stators stark reduzieren,
wodurch sich die Einsatzmöglichkeiten für den
erfindungsgemäßen Transversalflussmotor, insbesondere
für Antriebskonfigurationen im Fahrzeugbereich, bedeutend
erhöhen.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante der Erfindung ist der Träger aus einem
Faserverbundwerkstoff ausgebildet. Beispielweise kann ein glasfaserverstärkter
Faserverbundwerkstoff eingesetzt werden. Solche Trägerwerkstoffe
besitzen den Vorteil, dass sie ein sehr geringes Gewicht besitzen
und damit für den erfindungsgemäßen Transversalflussmotor
eine bessere Dynamik zur Verfügung stellen. Ferner lassen
sich mit derartigen Materialien glatte Scheiben bzw. Ringe herstellen,
wodurch der Luftwiderstand geringer wird und der erfindungsgemäße Transversalflussmotor
leiser wird. Faserverbundwerkstoffe, wie CFK oder AFK vermeiden
magnetische Nebenschlüsse, da die Bewegungsenergie eine Funktion
der Differenz des Flusses zwischen ausgerichtetem und nicht ausgerichtetem
Zustand ist, was eine Drehmomenterhöhung zur Folge hat.
Ferner können durch den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen
als Trägermaterialien für den Stator gezielt Beeinflussungen
der Eigenschaften der Statorscheibe bzw. des Statorringes, wie der
Elastizität und/oder des Schwingungsverhaltens, erlaubt
werden.
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Es
hat sich zudem als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens
eines der Ringsegmente aus mehreren Einzelsegmenten zusammengesetzt ist.
Die Einzelsegmente können auf einfache technologische Weise
hergestellt werden und daraufhin geeignet auf dem Stator zu einem
Ringsegment zusammengesetzt werden. Hierdurch können die
Technologiekosten zur Herstellung des erfindungsgemäßen Transversalflussmotors
verringert und die Genauigkeit der Ausbildung der Ringsegmente verbessert werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
weist der Stator wenigstens eine innen hohle Wicklung auf. Die innen
hohle Wicklung kann neben ihrer Spulenfunktion an dem erfindungsgemäßen
Transversalflussmotor genutzt werden, um den Transversalflussmotor
während seines Betriebs zu kühlen, da durch die
innen hohle Wicklung eine Kühlflüssigkeit geleitet
werden kann.
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In
einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist die innen
hohle Wicklung aus Kupferrohr ausgebildet. Dieses eignet sich besonders
gut, um die gewünschten elektromagnetischen Eigenschaften
des Transversalflussmotor zur Verfügung zu stellen und darüber
hinaus als Kühlmechanismus eingesetzt zu werden, indem
durch das innen hohle Kupferrohr eine Kühlflüssigkeit
geleitet wird.
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In
einem günstigen Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird durch die Verbindung des Stators mit einem U-förmigen
Träger eine freie Rotation um die Rotationsachse ermöglicht.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der Statorträger,
die Stator-Ringsegmente und die Leiterwicklung, beispielsweise durch Verguss
oder ein Laminierverfahren unter Nutzung elektrisch nicht leitender
Bindemittel zu einem Statorblock zusammengefasst. Dadurch wird die
mechanische Robustheit des Stators erhöht, das Schwingungsverhalten
verbessert und eine optimale Fixierung und Isolation der Leiterwicklung
erreicht. Zudem wird dadurch der Montageaufwand verringert.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ferner durch ein Antriebsverfahren
der oben genannten Gattung gelöst, bei welchem die magnetisch
aktiven Elemente an dem Stator wenigstens drei Ringe oder Ringsegmente
sind, die unterschiedlich bestromt werden, wobei senkrechte Profilseiten
des U-förmigen Innenprofils der Ringsegmente parallel zur
axialen Ausrichtung des Stators ausgerichtet sind und freie Enden
der senkrechten Profilseiten des U-förmigen Innenprofils
voneinander beabstandete Pole aufweisen, und wobei bei jeder Bestromung
der Rotor in Relation zu dem Stator um einen Pol in Rotationsrichtung
bewegt wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Antriebsverfahren kann der
Stator flächig dem Rotor gegenüber angeordnet
werden. Das hat den Vorteil, dass der Luftspalt zwischen Stator
und Rotor sehr gering eingestellt werden kann. Darüber
hinaus lassen sich auf der scheiben- bzw. ringförmigen
Oberfläche des Stators eine Vielzahl an Polen anordnen,
so dass mit dem erfindungsgemäßen Antriebsverfahren
ein hoher Wirkungsgrad und ein hohes Drehmoment erzielbar sind.
Darüber hinaus lassen sich die wenigstens drei an dem Stator
vorgesehen Ringe oder Ringsegmente auf einfache Weise unterschiedlich
bestromen, so dass basierend auf dem erfindungsgemäßen
Antriebsverfahren ein Antrieb zur Verfügung gestellt werden
kann, der auf einfache Art und Weise elektrisch angeschlossen und
betrieben werden kann.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird
der Rotor sandwichartig zwischen einem ersten Stator mit vier Ringsegmenten
und einem zweiten Stator mit vier Ringsegmenten angeordnet, die
Ringsegmente des ersten und des zweiten Stators werden mit einer
Phasenverschiebung von 180° bestromt werden und wobei die
auf den Statoren gegenüberliegenden Ringsegmente gleich
bestromt werden. Somit lässt sich eine symmetrische Stator-Rotor-Stator-Anordnung
realisieren, bei welcher eine geeignete Kräftekompensation zwischen
den Statoren und dem Rotor erfolgt. Auf diese Weise kann ein sehr
ruhig laufender Transversalflussmotor mit hohem Wirkungsgrad zur
Verfügung gestellt werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung werden mehrere sandwichartig aufgebaute Stator-Rotor-Stator-Anordnungen
als Stapelanordnung vorgesehen, wobei die Stapelebenen sequentiell
mit einer Phasenverschiebung zueinander bestromt werden. Durch die
Stapelanordnung ergibt sich eine Reihe von Kombinationsmöglichkeiten
für die Schaltung der Anordnung. Entsprechend ist es möglich,
jede der Stapelebenen der Stapelanordnung seltener zu schalten,
aber durch die Kombination der Phasen, Pole und Ebenen der Stapelanordnung
dennoch ein hohes Drehmoment bei dem erfindungsgemäßen Antriebsverfahren
zu erzielen.
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Es
ist besonders günstig, wenn bei einer Anordnung, in der
dem Rotor ein Stator gegenüber angeordnet und zugeordnet
ist, der Stator wenigstens an drei, gleichmäßig
an dem Stator angeordneten Ringen oder Ringsegmenten sequentiell
bestromt wird. Die Bestromung an wenigstens drei Ringen oder Ringsegmenten,
das heißt drei Phasen, sind mindestens notwendig, um eine
kontinuierliche Drehbewegung bei dem erfindungsgemäßen
Antriebsverfahren zu erzielen.
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Es
ist jedoch noch günstiger, wenn die minimale Anzahl der
Phasen und damit der Ringe oder Ringsegmente des Stators drei +
eins beträgt, um eine radial symmetrische Belastungsverteilung
an dem Transversalflussmotor zu erreichen. In dieser Konfiguration
ist es auch möglich, mehrere Phasen gleichzeitig zu bestromen,
wodurch eine Erhöhung von Drehmoment und Leistung möglich
wird.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im
Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert,
wobei:
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1 schematisch
in einer geschnittenen Seitenansicht ein gegenüber einem
Rotorsteg angeordnetes magnetisch aktives Element eines Stators gemäß einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors zeigt, in welcher nur ein Stator und ein
Rotor vorgesehen sind;
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2 schematisch
in einer geschnittenen Seitenansicht einen zwischen zwei magnetisch
aktiven Elementen von zwei Statoren angeordneten Rotorsteg gemäß einer
weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßem
Transversalflussmotors zeigt, bei welchem ein Rotor sandwichartig
zwischen den zwei Statoren vorgesehen ist;
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3 schematisch
in einer geschnittenen Seitenansicht eine Anordnung von Statoren
und Rotoren gemäß einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Transversalflussmotors zeigt,
welcher aus einer Stapelanordnung von sandwichartig zwischen Statoren
vorgesehenen Rotoren ausgebildet ist;
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4 schematisch
in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführungsvariante
eines Stators des erfindungsgemäßen Transversalflussmotors
zeigt;
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5 schematisch
in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführungsvariante
eines Rotors des erfindungsgemäßen Transversalflussmotors
zeigt;
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6 schematisch
in einer perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Transversalflussmotors zeigt,
welcher eine Stapelanordnung aus zwei Sandwich-Stapelebenen aufweist;
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7 schematisch
noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors mit einer Stator-Rotor-Stator-Rotor-Stator-Sandwich-anordnung
in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt;
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8 schematisch
in einer perspektivischen Ansicht einen Stator gemäß einer
Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors zeigt, wobei der Stator aus Einzelsegmenten
aufgebaute Ringsegmente aufweist;
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9 schematisch
in einer perspektivischen Ansicht einen Stator gemäß einer
weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors mit innen hohlen Wicklungen zeigt;
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10 schematisch
eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Antriebsverfahrens zeigt, wobei die Positionen von Rotorelementen
zu Statorelementen für jede Phase in vier Hauptrotationslagen am
Beispiel eines Transversalflussmotors mit vier sandwichartig aufgebauten
Stator-Rotor-Stator-Anordnungen dargestellt sind.
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11 schematisch
eine geschnittene Seitenansicht und einen Querschnitt des erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors als Außenläufermotor zeigt;
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12 schematisch
eine Ausführungsform des Außenläufermotors
mit einer Aufhängung und Lagerung, die beispielsweise Lenkbewegungen
von 180 Grad zulässt, zeigt; und
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13 schematisch
die Möglichkeit der modularen Aneinanderreihung von Rotor-Stator-Anordnungen
zeigt.
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1 zeigt
schematisch ein Grundprinzip eines erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors 11 in einer geschnittenen Seitenansicht
auf durch ein magnetisch aktives Element eines Stators 21 und
einen magnetisch aktiven Steg 33 eines Stators 31.
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Das
magnetisch aktive Element des Stators 21 ist ringförmig
an dem Stator 21 vorgesehen und weist im Querschnitt ein
U-förmiges Innenprofil 25 auf. Die senkrechten
Profilseiten 26, 27 des U-förmigen Innenprofils 25 sind
parallel zur axialen Ausrichtung B des Stators 21 ausgerichtet.
Der die senkrechten Profilseiten 26, 27 verbindende
Quersteg 67 ist in radialer Ausrichtung A des Stators 21 ausgerichtet.
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Wie
beispielsweise in 4 gezeigt, ist eine Vielzahl
magnetisch aktiver Elemente des, Stators 21, jeweils zusammengefasst
zu Ringsegmenten 41, 42, 43, 44,
auf einer Stirnfläche 40 des Stators 21 angeordnet.
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Wie
es weiter in 4 gezeigt ist, bilden die freien
Enden 28, 29 der senkrechten Profilseiten 26, 27 des
U-förmigen Innenprofils 25 des Stators 21 aus 1 voneinander
beabstandete zahnförmige Pole 30 aus.
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Dem
Stator 21 ist in axialer Ausrichtung B des Stators 21 gegenüber
ein magnetisch aktiver Steg 33 des Rotors 31 vorgesehen.
In Abhängigkeit von der Rotation des Rotors 31 relativ
zu dem Stator 21 befindet sich der Rotorsteg 33 nur
in bestimmten Situationen direkt gegenüber dem magnetisch
aktiven Element des Stators 21, wie es in 1 gezeigt ist.
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Wie
in 5 gezeigt, ist eine Vielzahl von Stegen 33 in
radialer Ausrichtung A' auf einer Stirnseite 34 des Rotors 31 ringförmig
angeordnet. Die Stege 33 weisen eine Länge l in
radialer Ausdehnung am Rotor 31 auf, welche etwa einem
Abstand b zwischen den senkrechten Profilseiten 26, 27 des
U-förmigen Innenprofils 25 der magnetisch aktiven
Elemente an dem Stator 21 in radialer Ausrichtung A des Stators 21 entspricht.
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An
dem Stator 21 ist nun jedes der Ringsegmente 41, 42, 43, 44 wenigstens
eine Wicklung 50 vorgesehen.
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Die
magnetisch aktiven Elemente des Stators 21 und die magnetisch
aktiven Stege 33 des Rotors 31 bestehen aus einem
weichmagnetischem Material.
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Da
die Anzahl der Statorpole 30 geringer als die Anzahl der
Rotorstege 33 ist, ist der Rotor 31, welcher rotationsbeweglich
an einer Welle 60, die beispielsweise in 7 gezeigt
ist, befestigt ist, bestrebt, wenigstens einen seiner Stege 33,
in Abhängigkeit von dem bestehenden Magnetfeld, zu einem der
Pole 30 des Stators 21 derart auszurichten, dass ein
Statorpol 30 mit einem Rotorsteg 33 in Deckung kommt
und sich somit in Richtung des geringsten magnetischen Widerstandes
ausrichtet.
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Um
eine Drehbewegung zu erzeugen, müssen an dem Stator 21 wenigstens
drei Phasen, das heißt wenigstens drei Ringsegmente 41, 42, 43 aus magnetisch
aktiven Elementen, unterschiedlich bestrombar sein. Es können
jedoch auch mehr als drei Phasen bzw. Ringsegmente 41, 42, 43, 44,
wie in 4 gezeigt, vorgesehen werden.
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Soll
eine radiale Symmetrie hinsichtlich der Belastung erreicht werden,
empfiehlt es sich, eine minimale Anzahl von vier Phasen bzw. verschieden
bestrombaren Ringsegmenten 41, 42, 43, 44 an
einen Stator 21, 22, 23, 24 vorzusehen.
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2 zeigt
schematisch das Grundprinzip einer weiteren Ausführungsvariante
eines erfindungsgemäßen Transversalflussmotors 12,
wobei ein magnetisch aktives Element eines ersten Stators 21,
ein Rotorsteg 33 und ein magnetisch aktives Element eines
zweiten Stators 22 in einer geschnittenen Seitenansicht
dargestellt sind. Der Rotorsteg 33 ist sandwichartig zwischen
den magnetisch aktiven Elementen des ersten Stators 21 und
des zweiten Stators 22 vorgesehen. Die Statoren 21, 22 sind,
wie es in 4 gezeigt ist, ringförmig
ausgebildet, wobei der Rotor 31 als Ring, wie in 5 gezeigt,
ausgebildet und zwischen den beiden Statoren 21, 22 angeordnet ist.
Hierfür weist der Rotorring nicht nur, wie in 5 gezeigt,
auf seiner oberen Stirnseite 34 sondern auch auf seiner
unteren Stirnseite 35 Rotorstege 33 auf, die im
gleichmäßigen Abstand, radial ausgerichtet auf
der jeweiligen Stirnseite 34, 35 angeordnet sind.
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Die
magnetisch aktiven Elemente der Statoren 21, 22 weisen
jeweils ein U-förmiges Innenprofil 25 auf, wobei
die senkrechten Profilseiten 26, 27 der U-förmigen
Innenprofile parallel zur axialen Ausrichtung B der Statoren 21, 22 ausgerichtet
sind und die freien Enden 28, 29 der senkrechten
Profilseiten 26, 27 der U-förmigen Innenprofile 25 voneinander
beabstandete zahnförmige Pole 30 aufweisen. An
jedem der Ringsegmente 41, 42, 43, 44 der
Statoren 21, 22 ist wenigstens eine Wicklung 50 vorgesehen.
Typischerweise sind pro Ringsegment 41, 42, 43, 44 der Statoren 21, 22 drei
bis fünf Wicklungen vorgesehen.
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In 2 ist
schematisch anhand der Kreise M die Ausbildung der Magnetfelder
zwischen den Statoren 21, 22 und dem Rotor 31 dargestellt.
Entsprechend den Kreisen M verläuft jeweils der magnetische
Fluss ausgehend von dem jeweiligen Stator 21, 22 in
den Rotor 31 und zurück in den jeweiligen Stator 21, 22.
Durch die parallele Anordnung jeweils eines Stators 21, 22 auf
beiden Seiten des Rotors 31 wird eine axial symmetrische
Belastung des Rotors 31 und eine Verdopplung der in den
Rotor 31 eingeleiteten Bewegungsenergie erreicht.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors 13. Der Transversalflussmotor 13 weist
eine Stapelanordnung aus mehreren sandwichartigen Stator-Rotor-Stator-Anordnungen
wie in 2 auf. Pro Stapelebene ist somit eine Anordnung
aus jeweils zwei Statoren 21, 22; 21', 22'; 21'', 22'' vorgesehen,
zwischen welchen jeweils ein Rotor 31, 31', 31'' angeordnet
ist. Dabei steht jeweils eine Stirnseite 40 eines Stators 21, 22; 21', 22'; 21'', 22'' einer
Stirnseite 34 bzw. 35 eines Rotors 31, 31', 31'' gegenüber.
Darüber hinaus sind die magnetisch aktiven Elemente der Statoren 21, 22; 21', 22'; 21'', 22'' mit
einem U-förmigen Innenprofil 25 derart ausgebildet,
dass die senkrechten Profilseiten 26, 27 der U-förmigen
Innenprofile parallel zur axialen Ausrichtung B der Statoren 21, 22; 21', 22'; 21'', 22'' und
axial in Richtung des Rotors 31, 31', 31'' ausgerichtet
sind. Die beidseitig der Rotoren 31, 31', 31'' angeordneten
Statoren 21, 22; 21', 22'; 21'', 22'' weisen
an den freien Enden 28, 29 der U-förmigen
Innenprofile 25 voneinander beabstandete zahnförmige
Pole 30 auf.
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Durch
diese Form der Anordnung aus gestapelten Sandwichanordnungen von
Statorscheiben und Rotorscheiben ist es möglich, den Transversalflussmotor 13 derart
zu bestromen, dass die Stapelebenen sequentiell bestromt werden.
Auf diese Weise kann eine Drehmomenterhöhung, eine Verbesserung der
Positionierbarkeit, ein besserer Gleichlauf und eine Verringerung
des Maximalstroms trotz proportionalem Leistungsanstieg erreicht
werden. Eine Möglichkeit einer geeigneten Bestromung des
Transversalflussmotors 13 ist in 10 näher
erläutert.
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4 zeigt
schematisch einen Stator 21, auf welchem magnetisch aktive
Elemente in Form von vier Ringsegmenten 41, 42, 43, 44 vorgesehen
sind. Die Ringsegmente 41, 42, 43, 44 sind
auf einer Stirnseite 40 des Stators 21 mit dazwischen
vorgesehenen pollosen Zwischenräumen angeordnet und weisen
in ihren Querschnitten jeweils U-förmige Innenprofile 25,
wie in den 1 bis 3 gezeigt,
auf. An den freien Enden 28, 29 der senkrechten
Profilseiten 26, 27 der U-förmigen Innenprofile 25 sind
jeweils zahnartig ausgebildete Pole 30 vorgesehen.
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Werden,
wie in 4 gezeigt, vier Ringsegmente auf dem Stator 21 angeordnet,
kann grundsätzlich jedes dieser Ringsegmente separat bestromt werden.
Es ist jedoch besonders günstig, wenn die Ringsegmente 41, 42, 43, 44 mit
einer Phasenverschiebung von 180° bestromt werden, um hierdurch zwei
Phasen zu erzeugen, wobei jeweils gegenüberliegende Ringsegmente 41, 43,
bzw. 42, 44 gleich bestromt sind. Somit kann eine
radial symmetrische Belastung des Rotors 31 erzielt werden.
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5 zeigt
schematisch einen ringförmigen Rotor 31, auf dessen
Stirnseite 34 eine Vielzahl von Rotorstegen 33 vorgesehen
ist, die sich jeweils in radialer Ausdehnung A' des Rotors 31 auf
diesen gleichmäßigen Abstand voneinander erstrecken. Wird
eine Anordnung, wie in 1 gezeigt, verwendet, so sind
die Rotorstege 33 auf nur einer Stirnseite 34 des
Rotors 31 angeordnet. Bei Transversalflussmotoren 12, 13,
wie in den 2 und 3 gezeigt, sind
Rotorstege 33 sowohl auf der oberen als auch der unteren
Stirnseite des Rotors 31 radial symmetrisch angeordnet.
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6 zeigt
schematisch eine Stapelanordnung aus zwei sandwichartig aufgebauten
Stator-Rotor-Stator-Anordnungen gemäß 2 bzw. 3 im Querschnitt.
Wie in 6 gezeigt, sind pro Sandwichanordnung jeweils
zwei Statoren 21, 22; 21', 22' und
ein Rotor 31, 31' parallel zueinander vorgesehen.
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7 zeigt
schematisch die sandwichartig aufgebaute Stator-Rotor-Stator-Rotor-Stator-Anordnung
in einer geschnittenen Seitenansicht. Hier sind die Kräfte
von den Rotoren 31, 32 auf eine Welle 60 übertragbar
sind, um somit einen Antrieb zu gewährleisten.
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8 zeigt
schematisch einen Stator 24 gemäß einer
weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors 13, wobei der Stator 24 Ringsegmente 41', 42', 43', 44' aufweist,
die aus Einzelsegmenten 45 zusammengesetzt sind. Die Einzelsegmente 45 können
technologisch einfacher als die Ringsegmente 41, 42, 43, 44 aus
den oben beschriebenen Ausführungsformen hergestellt werden,
wobei diese nur geeignet zu einem jeweiligen Ringsegment 41', 42', 43', 44' zusammengesetzt
werden müssen. Somit ist es möglich, beispielsweise
nur die Ringsegmente 41, 42, 43, 44 bzw.
die Einzelsegmente 45 der Ringsegmente 41', 42', 43', 44' aus
einem weichmagnetischen Material auszubilden, während der
Träger 20, auf welchem die Ringsegmente 41, 42, 43, 44 bzw. 41', 42', 43', 44' vorgesehen
sind, aus einem anderen Material bestehen kann.
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Beispielsweise
kann der Träger 20 aus einem glasfaserverstärkten
Faserverbundwerkstoff ausgebildet sein, der sich dadurch auszeichnet,
dass er leicht und stabil ist und darüber hinaus eine glatte Oberfläche
zur Verfügung stellen kann. Entsprechend ergibt sich ein
geringes Gewicht bei hoher Haltbarkeit des Stators 24 und
durch die glatte Oberfläche eine Geräuscharmut
dieses Stators 24.
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9 zeigt
schematisch einen Stator 21 gemäß einer
weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors, wobei als Wicklung für die einzelnen
Ringsegmente 41, 42, 43, 44 wenigstens
eine innen hohle Wicklung 50 pro Ringsegment 41, 42, 43, 44 eingesetzt
wurde. Die innen hohle Wicklung 50 kann beispielsweise
durch ein Kupferrohr realisiert werden.
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Durch
die innen hohle Wicklung 50 kann eine Kühlflüssigkeit
geleitet werden, so dass der erfindungsgemäße
Transversalflussmotor während seines Betriebes gekühlt
werden kann.
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10 zeigt
schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Antriebsverfahrens für einen Transversalflussmotor 13,
wie er beispielsweise in 3 schematisch gezeigt ist.
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Hierfür
sind in 10 schematisch die Positionen
der Rotorstege 33 zu den Statorelementen 21, 22, 23, 24 für
jede Phase in jeder der vier Hauptrotationslagen am Beispiel eines
Motors mit vier Phasen und zwei Gruppen gezeigt.
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11 zeigt
schematisch den Aufbau des erfindungsgemäßen Transversalflussmotors
in der Ausführung als Außenläufermotor.
Die Statorelemente 203 sind dabei auf einem Statorträger 205 angeordnet
und mit einem Träger oder einer Achse 204 durch
geeignete Verbindungselemente 207 fest verbunden. Die Anschlüsse
für die Leiterwicklung 206 können dabei
auf einfache Weise über die Achse 204 nach außen
geführt werden. Der Rotor 202 wird im äußeren
Bereich beispielsweise über die Bohrungen 212 einer
Flanschverbindung mit einem rotierenden Motorkäfig 201 oder
einer Motorhülle bzw. einem anderen geeigneten, außen
rotierenden Bauteil, beispielsweise einer Walze oder einer Felge,
verbunden. Lager 211 fixieren dabei die axiale und radiale Position
von Rotor 202 und Stator 203, 205 zueinander,
ohne dabei die beabsichtigte Rotation um die Rotationsachse 213 zu
behindern.
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12 zeigt
eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors mit einer Vorrichtung zur Aufhängung
und Lagerung. Durch einen U-förmigen Träger 215 besteht
die Möglichkeit, den gesamten Motor im Lager 216 um
eine Rotationsachse 214 zu bewegen. Dies bietet bespielsweise
beim Einsatz als Radnabenantrieb die Möglichkeit einer
Veränderung des Lenkwinkels um 180°.
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13 zeigt
die Ausführung des erfindungsgemäßen
Transversalflussmotors in einer aus mehreren Stapelebenen bestehenden
Variante im Schnittbild.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1720236
A1 [0002, 0002, 0003, 0005]