PL191102B1

PL191102B1 - Wielofazowy silnik poprzeczno-strumieniowy

Info

Publication number: PL191102B1
Application number: PL335966A
Authority: PL
Inventors: Uwe Schäfer
Original assignee: Daimlerchrysler Rail Systems
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 2006-03-31
Also published as: EP0972331A1; EP0972331B1; JP2002511229A; RU2190291C2; ZA982825B; JP4140783B2; PL335966A1; DE19714895C2; BR9809065A; WO1998045927A1; ATE204411T1; US6236131B1; DE59801217D1; ES2160413T3; DE19714895A1

Abstract

1. Wielofazowy silnik poprzeczno-strumieniowy, ze stojanem i wirnikiem umieszczonym z jednej strony, w którym to stojanie, zawierajacym elektrycz- ne uzwojenia pierscieniowe, sa usytuowane na przemian jedno za drugim w jednej plaszczyznie jarzma majace ksztalt zblizony do litery U i przypo- rzadkowane do uzwojen fazowych oraz jarzma ma- jace ksztalt zblizony do litery I, natomiast na po- wierzchni wirnika, sasiadujacej z jarzmami, nad plaskim i pierscieniowo uformowanym przewodem powrotnym sa zamocowane magnesy trwale, które sa rozmieszczone w rzedach przesunietych wzgle- dem siebie tak, ze prady przeplywajace przez uzwo- jenia pierscieniowe sa odpowiednio elektrycznie przesuniete w fazie, znamienny tym, ze sasiadujace kolumny (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) jarzm o ksztalcie zblizo- nym do litery U, w kazdym sektorze uzwojenia fazo- wego, sa w czesci czolowej odgiete ku sobie, przy czym srodkowe kolumny (7.2, 7.3) jarzm sektora uzwojenia fazowego sa ze soba integralnie polaczo- ne i sa usytuowane w sasiedztwie dwóch rzedów magnesów trwalych (5), przy czym grubosc polaczo- nych ze soba srodkowych kolumn (7.2, 7.3) jarzm jest mniejsza od sumy grubosci zewnetrznych ko- lumn (7.1, 7.4) jarzm sektora uzwojenia fazowego. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest wielofazowy silnik poprzeczno-strumieniowy ze stojanem i wirnikiem umieszczonym z jednej strony.

Tego rodzaju silniki mają bardzo dużą gęstość momentu obrotowego. Są wykorzystywane w pojazdach drogowych albo szynowych, korzystnie jako napędy bezpośrednie, wbudowane w piastę koła. Przy tym, zakres zastosowania rozciąga się od samochodów osobowych, o napędzie na pojedyncze koła, aż do lokomotyw i dużych pojazdów terenowych. Możliwe jest też zastosowanie tych silników w stacjonarnych napędach bezpośrednich, o dużym zakresie stałej mocy wyjściowej, np. w napędach nawijarek i w maszynach włókienniczych.

Silniki poprzeczno-strumieniowe są wykonane przeważnie jako silniki o dwu uzwojeniach fazowych, ponieważ mają one dwuczęściową konstrukcję stojana, która ze względu na technikę wytwarzania uniemożliwia umieszczenie więcej niż dwóch uzwojeń fazowych.

Silnik poprzeczno-strumieniowy jest znany z artykułu M. Bork'a i G. Henneberger'a „New Transverse Flux Concept for an Electric Vehicle Drive System”, ICEM 1996. Silnik ten ma unilateralny stojan i styczny przewód powrotny w wirniku. Takie rozwiązanie umożliwia wykonanie silnika z więcej niż dwoma przewodami, ponieważ poszczególne przewody dają się umieścić w określonych odstępach od siebie.

W opisach patentowych DE 44 43 999 A1 i DE 195 22 382 A1 zostały ujawnione silniki poprzeczno-strumieniowe o dwuczęściowej konstrukcji stojana, które umożliwiają uzyskanie dużej gęstości momentu obrotowego, jednak ich wytwarzanie wymaga znacznych nakładów.

Z opisu patentowego DE 195 32 614 A1, jest znany unilateralny wielofazowy silnik poprzeczno-strumieniowy, który jest wytwarzany w prosty sposób, jednak z powodu dużego rozproszenia strumienia w wirniku wykazuje znacznie mniejszą gęstość momentu napędowego.

Silnik poprzeczno-strumieniowy, ujawniony w opisie patentowym DE 36 02 687 A1, posiada prostokątne wygięcie ramion jarzma w kształcie litery U. Jednak w tekście opisu brak bliższych informacji na ten temat.

Z opisu patentowego EP 0 243 425 jest znana konstrukcja silnika poprzeczno-strumieniowego, w której dwa umieszczone obok siebie jarzma stojana o kształcie zbliżonym do litery U są połączone. Przy tym, każda połówka środkowej kolumny przenosi swój strumień. Nie są podane ewentualne możliwości oszczędności.

Na rysunku Pos. I przedstawiona jest para biegunów znanego układu wielobiegunowego. Pary biegunów p mogą być uszeregowane liniowo jak w silniku liniowym, a w przypadku pierścieniowego wygięcia uzwojenia mogą być wykorzystane w silniku wirującym. Poniższy opis dotyczy silnika wirującego.

Czynna część stojana silnika składa się z: uzwojenia pierścieniowego 1, p jarzm 2 z materiału magnetycznie miękkiego o kształcie zbliżonym do litery U, które częściowo obejmują uzwojenie 1, a także z jarzm 3 z materiału magnetycznie miękkiego o kształcie zbliżonym do litery I, które są usytuowane między jarzmami 2 o kształcie zbliżonym do litery U. Jarzma 2 i jarzma 3 mają różne szerokości bu i bI aby przenosić strumienie o różnych natężeniach. Czynna część wirnika, dla każdego przewodu, składa się z dwóch pierścieniowych jarzm wirnika 4 z materiału magnetycznie miękkiego, na których są odpowiednio zamocowane 2p magnesy trwałe 5 o przemiennym namagnesowaniu promieniowym. Jednostkowy moment napędowy, w tym przypadku, jest ograniczony z powodu nasycenia drogi rozpraszania.

Wielofazowy silnik poprzeczno-strumieniowy ze stojanem i wirnikiem umieszczonym z jednej strony, w którym to stojanie, zawierającym elektryczne uzwojenia pierścieniowe, są usytuowane na przemian jedno za drugim w jednej płaszczyźnie jarzma mające kształt zbliżony do litery U i przyporządkowane do uzwojeń fazowych oraz jarzma mające kształt zbliżony do litery I, natomiast na powierzchni wirnika, sąsiadującej z jarzmami, nad płaskim i pierścieniowo uformowanym przewodem powrotnym są zamocowane magnesy trwałe, które są rozmieszczone w rzędach przesuniętych względem siebie tak, że prądy przepływające przez uzwojenia pierścieniowe są odpowiednio elektrycznie przesunięte w fazie, według wynalazku jest charakterystyczny tym, że sąsiadujące kolumny jarzm o kształcie zbliżonym do litery U, w każdym sektorze uzwojenia fazowego, są w części czołowej odgięte ku sobie, przy czym środkowe kolumny jarzm sektora uzwojenia fazowego są ze sobą integralnie połączone i są usytuowane w sąsiedztwie dwóch rzędów magnesów trwałych. Grubość połąPL 191 102 B1 czonych ze sobą środkowych kolumn jarzm jest mniejsza od sumy grubości zewnętrznych kolumn jarzm sektora uzwojenia fazowego.

Korzystnie, wysokość bieguna w obszarze gdzie kolumny jarzm o kształcie zbliżonym do litery U nie są zagięte ku sobie, przynajmniej w obszarze uzwojeń, jest większa niż wysokość bieguna jarzm o kształcie zbliżonym do litery I.

Korzystnie, kolumny jarzm o kształcie zbliżonym do litery U i jarzma o kształcie zbliżonym do litery I są walcowane w kierunku osiowym.

Korzystnie, środkowe kolumny jarzm są rozwidlone od strony wirnika, tworząc oddzielne nabiegunniki.

Korzystnie, kolumny jarzm o kształcie zbliżonym do litery U i jarzma o kształcie zbliżonym do litery I są dzielonymi rdzeniami taśmowymi.

Korzystnie, silnik ma wirnik wewnętrzny albo zewnętrzny albo jest silnikiem liniowym.

Korzystnie, silnik ma przewody chłodzące w postaci pierścieniowych kanałów usytuowane w kolumnach jarzm o kształcie zbliżonym do litery U, przebiegające równolegle do uzwojeń pierścieniowych.

Korzystnie, co najmniej w obszarze silnie rozproszonego strumienia, między kolumnami jarzm o kształcie zbliżonym do litery U a jarzmami o kształcie zbliżonym do litery I jest umieszczona izolująca konstrukcja nośna.

Korzystnym skutkiem stosowania wielofazowego silnika poprzeczno-strumieniowego ze stojanem umieszczonym z jednej strony wirnika, według wynalazku, jest to, że zredukowano drogi upływu przez zagięcia ku sobie kolumn jarzm o kształcie zbliżonym do litery U. W efekcie wzrósł jednostkowy moment napędowy.

Jarzma o kształcie zbliżonym do litery U i jarzma o kształcie zbliżonym do litery I mogą być umieszczone bezpośrednio blisko siebie bez niebezpieczeństwa powstania przebicia w miejscu zagięcia. Zmniejszono w ten sposób długość całkowitą silnika. Dzięki wielokrotnemu wykorzystaniu środkowych kolumn jarzm o kształcie zbliżonym do litery U zmniejszono zużycie materiału magnetycznie miękkiego na bieguny.

Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig.1 przedstawia schematycznie trójfazowy silnik poprzeczno-strumieniowy, w przekroju promieniowym. Stojan silnika ma trzy uzwojenia pierścieniowe 1.1, 1.2, 1.3, przez które przepływają prądy przesunięte w fazie. Uzwojenia pierścieniowe 1.1, 1.2, 1.3 są usytuowane stycznie do linii działania siły. Szereg jarzm o kształcie zbliżonym do litery U częściowo otacza uzwojenia pierścieniowe 1.1, 1.2, 1.3, a jarzma są odpowiednio zagięte pod kątem prostym ku sobie, dla każdego uzwojenia fazowego. Każde jarzmo o kształcie zbliżonym do litery U ma cztery kolumny 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 jarzm w jednej płaszczyźnie, przy czym środkowe kolumny 7.2 i 7.3 jarzm są rozdwojone od strony wirnika. Kolumny mają wspólny przewód powrotny.

Sąsiednie środkowe kolumny jarzma 7.2 i 7.3 trzech przewodów są połączone ze sobą i są wykorzystywane wspólnie przez dwa przewody do kierowania strumienia. Środkowe kolumny 7.2 i 7.3 jarzm o kształcie zbliżonym do litery U są cieńsza od sumy grubości zewnętrznych kolumn 7.1 i 7.4 tych jarzm, stosownie do wielkości całkowitego strumienia magnetycznego, powstającego przez nakładanie się strumieni pochodzących od poszczególnych przewodów.

Do każdego jarzma stojana, o kształcie zbliżonym do litery U, są przyporządkowane trzy jarzma 3 o kształcie zbliżonym do litery I, które znajdują się za jarzmem o kształcie zbliżonym do litery U. Wysokość bieguna du, w obszarze gdzie kolumny 7.1,7.2, 7.3, 7.4 jarzm o kształcie zbliżonym do litery U nie są zagięte ku sobie, a przynajmniej w obszarze uzwojeń 1.1, 1.2, 1.3, jest większa niż wysokość bieguna dI jarzm 3 o kształcie zbliżonym do litery I.

Na wirniku w sześciu rzędach usytuowanych naprzeciwko kolumn 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 jarzm o kształcie zbliżonym do litery U, stojana są umieszczone magnesy trwałe 5. Rzędy magnesów są geometrycznie przesunięte względem siebie, odpowiednio do elektrycznego przesunięcia faz przewodów tak, że namagnesowanie kolumn 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 jarzm o kształcie zbliżonym do litery U, jest różne i zależy od położenia wirnika. Każdy rząd magnesów trwałych 5 ma od strony wirnika magnetycznie miękki przewód powrotny 4 w kierunku stycznym.

Na fig. 1 jest przedstawiony również korzystny układ chłodzenia cieczą silnika poprzeczno-strumieniowego, według wynalazku. Dzięki zagięciu ku sobie kolumn 7.1,7.2, 7.3, 7.4 jarzm o kształcie zbliżonym do litery U, jest możliwe prowadzenie cieczy chłodzącej w pierścieniowych kanałach 8, równolegle do uzwojeń 1.1, 1.2, 1.3. Dzięki temu zarówno uzwojenia pierścieniowe 1.1, 1. 2, 1.3, jak

PL 191 102 B1 i obszary jarzm stojana obciążone termicznie są skutecznie chłodzone. Umożliwia to wykonanie przynajmniej części konstrukcji nośnej stojana z materiału izolacyjnego. Odnosi się to do obszaru dużego rozproszenia przepływu między jarzmami o kształcie zbliżonym do litery U oraz jarzmami 3 o kształcie zbliżonym do litery I. Tym samym straty pochodzące od prądów wirowych, które w znanych rozwiązaniach powstają w metalowych częściach, zostają znacznie zredukowane.

Korzystna postać wykonania wielofazowego silnika poprzeczno-strumieniowego powstaje w wyniku połączenia w kierunku osiowym szeregu jednoprzewodowych postaci wykonania, w której według wynalazku, w przeciwieństwie do znanych dotychczas układów, nie wymaga się zachowania odstępu między uzwojeniami. Korzystnie stosuje się trzy uzwojenia, jednak możliwe jest zastosowanie większej lub mniejszej ilości uzwojeń.

Claims

1. Wielofazowy siinikpoprzeczno-strumieniowy, ze stojanem i wirnikiem z j ednej strony, w którym to stojanie, zawierającym elektryczne uzwojenia pierścieniowe, są usytuowane na przemian jedno za drugim w jednej płaszczyźnie jarzma mające kształt zbliżony do litery U i przyporządkowane do uzwojeń fazowych oraz jarzma mające kształt zbliżony do litery I, natomiast na powierzchni wirnika, sąsiadującej z jarzmami, nad płaskim i pierścieniowo uformowanym przewodem powrotnym są zamocowane magnesy trwałe, które są rozmieszczone w rzędach przesuniętych względem siebie tak, że prądy przepływające przez uzwojenia pierścieniowe są odpowiednio elektrycznie przesunięte w fazie, znamienny tym, że sąsiadujące kolumny (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) jarzm o kształcie zbliżonym do litery U, w każdym sektorze uzwojenia fazowego, są w części czołowej odgięte ku sobie, przy czym środkowe kolumny (7.2, 7.3) jarzm sektora uzwojenia fazowego są ze sobą integralnie połączone i są usytuowane w sąsiedztwie dwóch rzędów magnesów trwałych (5), przy czym grubość połączonych ze sobą środkowych kolumn (7.2, 7.3) jarzm jest mniejsza od sumy grubości zewnętrznych kolumn (7.1,7.4) jarzm sektora uzwojenia fazowego.

2. Siinik według zasSrz. 1, tym, że wysokość bieguna (d_uu w obszarze gdzie kc^lium ny (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) jarzm o kształcie zbliżonym do litery U nie są zagięte ku sobie, przynajmniej w obszarze uzwojeń (1.1, 1.2, 1.3), jest większa niż wysokość bieguna (d|) jarzm (3) o kształcie zbliżonym do litery I.

3. Siinik według zasS/rz. j albo 2, znamiennytym, że Μυϋηγ j(^.1,7.2, 7.3, 7.4) j arzm o k^^z^łł^i<^ zbliżonym do litery U i jarzm (3) o kształcie zbliżonym do litery I są walcowane w kierunku osiowym.

4. Siinik wedługzastrz. 3, znamienny t^i^, że śródkowekroumnn j7.2, 7.3) j arzm są jozwidlone od strony wirnika, tworząc oddzielne nabiegunniki.

5. Siinik według ζ33^ζ. j albo 2, znamiennytym, że Μυϋηγ j/d, 7.2, 7.3, 7.4) j airzm o k^^z^łł^i<^ zbliżonym do litery U i jarzm (3) o kształcie zbliżonym do litery I są dzielonymi rdzeniami taśmowymi.

6. Siinik według 1, znamienny tym, że ma wirnik wewnęftzny albo zewnętrzny albo jesS silnikiem liniowym.

7. Siinik według zastrz.1, znamienny tym, że ma przewody chłodzące w postaci pierścieniowych kanałów (8), usytuowane w kolumnach (7.1,7.2, 7.3, 7.4) jarzm o kształcie zbliżonym do litery U, przebiegające równolegle do uzwojeń pierścieniowych (1.1, 1.2, 1.3).

8. Siinik według zasSrz.1, znamiennytym, że co n£^jmn^j w o bszarzesiinie rozproszonego sSirumienia między kolumnami (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) jarzm o kształcie zbliżonym do litery U a jarzmami (3) o kształcie zbliżonym do litery I jest umieszczona izolująca konstrukcja nośna.