WO2014166811A2 - Axialflussmaschine in leichtbauweise - Google Patents

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WO2014166811A2
WO2014166811A2 PCT/EP2014/056712 EP2014056712W WO2014166811A2 WO 2014166811 A2 WO2014166811 A2 WO 2014166811A2 EP 2014056712 W EP2014056712 W EP 2014056712W WO 2014166811 A2 WO2014166811 A2 WO 2014166811A2
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axis
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Marco Schramm
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Siemens AG
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    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
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    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/18—Windings for salient poles

Definitions

  • Lightweight axial flow machine The present invention relates to an electric axial flow machine
  • stator having a number of stator teeth each extending in the direction of the axis of rotation between two end regions
  • stator teeth are arranged at a radial distance from the Ro ⁇ tion axis uniformly around the rotation axis ver ⁇ divided and carry a stator winding system.
  • Such axial flow machine is known for example from the paper "Analysis of the Yokeless and Segmented Armature Machine” by TJ Woolmer and MD McCulloch.
  • Electric axial flow machines are known in various designs.
  • Axialhnemaschi ⁇ NEN known which comprise a single rotor and an active part a stator ⁇ ziges active part.
  • AxialLast ⁇ machines which have two stator active parts and a einzi ⁇ ges rotor active part or vice versa two rotor active parts and a single stator active part.
  • the windings of the stator winding system ⁇ are formed as single windings, which are each wound on ei ⁇ nen coil carrier.
  • the coil carriers are mechanically stable elements. They usually exist made of plastic.
  • the bobbins are each on one
  • Axial flux machines have the potential to provide relatively high torque and relatively high rated power in a relatively small and lightweight design. They are therefore used for example as compact traction drives in vehicles. For example, in the state of the art mentioned at the outset, it is intended to describe the one described therein
  • Axialenmaschine as drive for a motor vehicle to ver ⁇ turn.
  • the object of the present invention is to widelytwickeln ⁇ an axial flow machine of the type mentioned in that while maintaining the relatively lightweight construction in a simple way, a mechanical fixation of the stator relative to each other and a mechanical fixation of the stator altogether in a radially outward the stator - Benden housing is possible.
  • an axial flow machine of the initially named kind ge ⁇ is configured in that the stator teeth are connected in the end regions of a respective ring structure together and to a stator housing radially surrounding the outside.
  • the ring structures form a light yet stable connection of said components with each other.
  • the stator winding system has windings. It is in
  • stator winding system consist of individual windings, each wound on a single stator tooth.
  • stator winding system is formed as a distributed winding system.
  • a distributed winding system has electromagnetic advantages over a winding system consisting of single windings. This applies in particular in the case of a so-called two-layer winding.
  • the ring structures may be made of a magnetically conductive material, such as steel or other iron alloys.
  • the ring structures consist of an electrically non-conductive material to avoid eddy currents.
  • the ring structures are made to avoid undesirable influences on the electromagnetic behavior of the axial flow machine, preferably of a like ⁇ genetically non-conductive material.
  • the ring structures are formed in solid construction. Preferably, however, the ring structures are formed in sandwich construction. This leads to particularly lightweight, yet mechanically stable ring structures.
  • the ring structures seen tangential to the Ro ⁇ around tationsachse formed as closed rings are. This embodiment is particularly easy to implement.
  • the ring structures may consist of a number of ring segments. This embodiment can offer manufacturing advantages.
  • the ring structures are formed as a continuous structures seen radially to the axis of rotation. In this case, the ring structures are particularly stable. Al ⁇ ternatively, the ring structures may consist of a radially inner inner ring and a radially outer ring. This can have manufacturing advantages.
  • the ring structures between the stator teeth on the one hand and the rotors on the other hand are arranged. This design is very simple. Alternatively, it is possible that the stator teeth protrude between the ring structures or the stator teeth protrude beyond the ring structures. These designs lead to a particularly compact design of the axial flow machine.
  • the stator teeth have in the end regions of the webs, so that the stator teeth ⁇ seen in the end areas around the rotation axis a larger angle than overlap between the end regions.
  • This embodiment may be advantageous technical assembly, be advantageous to the other during operation of the machine to a ⁇ Axial Wegma.
  • the connection of the stator teeth with the ring structures may be formed as needed.
  • the stator teeth and the ring structures can be positively, non-positively, cohesively or detachably connected to each other.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an axial flow machine
  • FIG. 2 shows a cross section through a stator of an axial flow machine
  • FIG. 5 shows an axial flow machine in unrolled representation
  • FIG. 6 shows a perspective view of another
  • FIG. 7 shows a detail of FIG. 6,
  • FIG. 9 shows a detail of FIG. 8
  • an electric axial-flow machine has a rotor shaft 1.
  • the rotor shaft 1 is about an axis of rotation
  • the stator 4 has, according to FIG. 2, a number of stator teeth 5.
  • SMC soft magnetic composites
  • the respective axially outermost 10% of the stator teeth 5 or less, preferably the respectively axially outermost 5% of the stator teeth 5 or less apply as end regions 6.
  • the stator teeth 5 are arranged at a radial distance r from the Rota ⁇ tion axis. 2 They are arranged distributed uniformly in the tangential direction (ie around the axis of rotation 2).
  • the Statorwicklungssys ⁇ system 7 is preferably directly onto the stator teeth 5 waxed ⁇ oped.
  • an insulating layer 9 is present, for example, an insulating layer 9 made of paper.
  • a mechanically stable supporting structure ie a coil carrier
  • the stator teeth 5 are connected to the end portions 6 via a ring jewei ⁇ celled structure 10 together.
  • the stator teeth 5 are further connected via the ring structures 10 with a housing 11 which surrounds the stator 4 radially outside.
  • the connection of the ring structures 10 to the housing 11 may be formed as needed.
  • the housing 11 may be shrunk onto the ring structures 10.
  • the stator teeth 5 are connected to the end portions 6 via a ring jewei ⁇ celled structure 10 together.
  • the stator teeth 5 are further connected via the ring structures 10 with a housing 11 which surrounds the stator 4 radially outside.
  • the connection of the ring structures 10 to the housing 11 may be formed as needed.
  • the housing 11 may be shrunk onto the ring structures 10.
  • the stator teeth 5 are connected to the end portions 6 via a ring jewei ⁇ celled structure 10 together.
  • the stator teeth 5 are further connected via the
  • Ring structures 10 radially outward recesses (for example, U-shaped grooves), in which engage corresponding projections of the housing 11.
  • the ring structures 10 may be screwed to the housing 11 or be ver ⁇ sticks.
  • the ring structures 10 are preferably made of an electrically non-conductive and / or magnetically non-conductive material. The material should continue to be as light as possible.
  • the ring structures 10 may consist of a fiber-reinforced plastic, in particular of CFRP or GFRP.
  • the ring structures 10 according to FIG. 3 may be designed in sandwich construction. In this
  • Case have the ring structures 10 according to FIG 3 a plurality of layers 12 which MITEI ⁇ Nander are connected via a truss-like structure. 13
  • the ring structures 10 are arranged in the axial direction between the stator teeth 5 on the one hand and the rotors 3 on the other hand. This can be seen in the perspective view of FIG 4 and particularly clear from the unrolled
  • stator teeth 5 and the ring structures 10 may be connected together in almost any desired manner.
  • the stator teeth 5 and the ring structures 10 can be positively connected to one another.
  • the ring structures 10 may, for example, comprise pins which extend in the axial direction.
  • the stator teeth 5 may in this case korres ⁇ ponding recesses, in which engage the pins.
  • the stator teeth 5 and the ring structures 10 may be connected to one another in a material-locking manner, for example glued or potted together.
  • a cohesive connection but optionally as an alternative or in addition to a form-locking connection - the stator teeth 5 and the ring structures 10 can be releasably connected to one another, for example screwed together.
  • stator teeth 5 are preferably first connected to the one ring structure 10 and only then to the other ring structure 10. It is possible that the stator winding system 7 consists of individual windings 8, as shown in FIG. In this case, for example, the stator teeth 5 are wound before connecting to the one ring structure 10 and then with the stator winding system 7 .
  • Ring structure 10 are connected.
  • the stator teeth 5 may be connected to one ring structure 10 prior to winding.
  • the stator winding system 7 may consist of the individual windings 8.
  • the stator winding system 7 it is also possible for the stator winding system 7 to be a distributed winding system - be it as a single-layer winding, be it as a two-layer winding - is formed.
  • the ring structures 10 are according to the illustrations of Figures 1 and 4 in the radial direction (ie seen on the rotation axis 2 to or away from her) as a continuous structures, that is, they extend in the radial direction without interruption in one piece from a minimum distance from the axis of rotation. 2 up to a maximum distance from the axis of rotation 2. It is alternatively possible that the ring structures 10 as shown in FIGS. 6 and 7 consist of a radially inner inner ring 14 and a radially outer outer ring 15 in the radial direction.
  • the ring structures 10 in the inner ring 14 and the outer ring 15 may - as already mentioned in connection with Figures 1 and 4 - the ring structures 10 with the stator teeth 5 positively, materially or releasably connected.
  • the outer ring 15 can be shrunk from radially outward onto the stator teeth 5.
  • the stator teeth 5 may be pressed against the inner ring 14 from radially outside.
  • the ring structures 10 are formed according to the Dar-positions of Figures 1 and 4 seen in the tangential direction as closed rings.
  • the ring ⁇ structures 10 as shown in FIGS 6 and 7 of a number of ring segments 16, 17 exist.
  • the ring segments 16, 17 extend in the tangential direction over a plurality of stator teeth 5.
  • the ring segments 16, 17 are each connected to four to ten stator teeth 5.
  • the ring segments extend 16, 17, relative to the axis of rotation 2, usually over a circumferential angle which is between 10 ° and 60 °.
  • the division of the ring structures 10 into the ring segments 16, 17 is shown in FIGS. 6 and 7 in conjunction with the division of the ring structures 10 into the inner ring 14 and the outer ring 15. However, the division of the ring structures 10 into the ring segments 16, 17 can also be realized without the division of the ring structures 10 into the inner ring 14 and the outer ring 15.
  • the ring segments 16, 17 may in particular be positively connected to each other.
  • gron- NEN the ring segments 16, 17, dovetail-like at their abutment surfaces 18 according to FIG 7 recesses 19 and korrespondie ⁇ Rende dovetail-like projections 20 have, so that the ring segments 16, 17 form-locking manner to the inner ⁇ ring 14 and the outer ring 15, or - in the case of a radially continuous structure - the respective ring structure 10 are connectable.
  • the inner ring 14 and / or the outer ring 15 - or the corresponding ring segments 16, 17 - webs 21, 22 which extend from the inner ring 14 to the outer ring 15 and vice versa from the outer ring 15 on the inner ring 14 to extend , If both the webs 21 and the webs 22 are present, the webs 21, 22 alternatively abut each other or be spaced from each other. If only the webs 21 or only the webs 22 are present, the existing webs 21, 22 may alternatively abut or be spaced from the respective other ring 15, 14.
  • FIGS. 6 and 7 show some further modifications of the stator 4 of the axial flow machine. These modifications, which will be explained in more detail below, are alternatively or alternatively in addition to the embodiments explained above realizable.
  • Such a configuration is shown in Figures 6 and 7, for example, in which the stator teeth have in the end regions ⁇ chen 6 webs 23. 5
  • the webs 23 extend, starting from the respective stator tooth 5, in the tangential direction toward the two stator teeth 5 which are directly adjacent to the respective stator tooth 5.
  • the stator teeth 5 thereby cover in the end regions 6 in the tangential direction a larger angle than between the end regions 6.
  • the stator teeth 5 can protrude beyond the ring structures 10 in the axial direction.
  • This embodiment is particularly advantageous if the webs 23 are present.
  • the webs 23 of the stator teeth 5 can be arranged axially outside the ring structures 10.
  • protruding beyond the ring structures 10 is also possible if the webs 23 are not present.
  • the ring structures 10 are preferably divided into the inner ring 14 and the outer ring 15 in accordance with the representation of FIGS. 6 and 7. However, this is not necessary. Alternatively, it is also possible for the stator teeth 5 to protrude between the ring structures 10, but not overhang the ring structures 10. In this case, there is an axially inner region of the stator 4, to which in the direction of the two rotors 3 in each case an axially middle region of the stator 4 and in each case an axially outer Be ⁇ rich of the stator 4 connect. In the axially inner region of the stator 4, there are only the stator teeth 5 and the stator winding system 7, but no components of the ring structures 10. In the axially central regions of the stator
  • Stators 4 are the end portions 6 of the stator teeth 5 and axially inner portions of the ring structures 10. In the axially outer regions of the stator 4 are exclusively axially outer regions of the ring structures 10, but no Be ⁇ constituents of the stator teeth. 5
  • the ring structures 10 are preferably - as before - divided into the inner ring 14 and the outer ring 15. However, this is not necessary.
  • FIGS. 8 and 9 show a further possible modification of the stator 4.
  • the ring structures 10 are subdivided into the inner rings 14 and the outer rings 15.
  • the inner rings 14 are connected to each other via an inner connection structure 24.
  • the inner connection structure 24 may alternatively be punctiform or closed.
  • a selective connecting structure 24 could for example be realized by a Git ⁇ ter Modell by a truss structure, or by simple, purely axially extending rods.
  • the outer rings 15 are connected to each other via an outer Ver ⁇ bond structure 25th
  • the outer connection structure 25 can - analogously to the inner connection structure 24 - alternatively be selective or closed.
  • both of the connecting structures 24, 25 are closed, for example, can be a stand-alone cooling agent circuit realized in the space enclosed by the two connection ⁇ structures 24, 25 space.
  • a formed by the two inner rings 14 and the inner Verbin ⁇ making structure 24 inside unit may be integrally formed. Alternatively, it may be segmented in the tangential direction. The same applies to by the two Au ⁇ racringe 15 and the external connection structure 25 formed external unit.
  • the inner rings 14 have the webs 21.
  • the stator teeth 5 are held and fixed, preferably by positive engagement.
  • the webs 21 - see particularly FIG 9 - preferably in accordance with contoured.
  • the webs 22 may be present. In this case, the statements above apply in an analogous manner instead of the webs 21 for the webs 22. It is even possible that both the webs 21 and the webs 22 are present. In this case, however, the inner unit and / or the outer unit are preferably segmented before ⁇ .
  • the compound of the ring structures 10 and the stator teeth 5 takes place in the embodiment according to Figures 8 and 9, by virtue ⁇ force fit, for example by shrink-fitting. In principle, however, other types of connection are possible.
  • the axial flow machine according to the invention is preferably used as a traction drive, such as a slide ⁇ nenGerman.
  • the axial flow ⁇ machine according to the invention is universally applicable, for example in road, water or air vehicles or stationary.
  • the axial flow machine according to the invention has many advantages. In particular, a simple, stepwise production of the axial flow machine is possible.

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Eine elektrische Axialflussmaschine weist eine um eine Rotationsachse (2) rotierbare Rotorwelle (1) auf. Auf der Rotorwelle (1) sind zwei Rotoren (3) angeordnet sind, die in Richtung der Rotationsachse (2) gesehen voneinander beabstandet sind. In Richtung der Rotationsachse (2) gesehen ist zwischen den beiden Rotoren (3) ein Stator (4) angeordnet. Der Stator (4) weist eine Anzahl von Statorzähnen (5) auf, die sich jeweils in Richtung der Rotationsachse (2) zwischen zwei Endbereichen (6) erstrecken. Die Statorzähne (5) sind in einem radialen Abstand (r) von der Rotationsachse (2) gleichmäßig um die Rotationsachse (2) herum verteilt angeordnet und tragen ein Statorwicklungssystem (7). Die Statorzähne (5) sind in den Endbereichen (6) über eine jeweilige Ringstruktur (10) miteinander und mit einem den Stator (4) radial außen umgebenden Gehäuse (11) verbunden.

Description

Beschreibung
Axialflussmaschine in Leichtbauweise Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Axial- flussmaschine,
- wobei die Axialflussmaschine eine um eine Rotationsachse rotierbare Rotorwelle aufweist, auf der zwei Rotoren ange¬ ordnet sind, die in Richtung der Rotationsachse gesehen voneinander beabstandet sind,
- wobei in Richtung der Rotationsachse gesehen zwischen den beiden Rotoren ein Stator angeordnet ist,
- wobei der Stator eine Anzahl von Statorzähnen aufweist, die sich jeweils in Richtung der Rotationsachse zwischen zwei Endbereichen erstrecken,
- wobei die Statorzähne in einem radialen Abstand von der Ro¬ tationsachse gleichmäßig um die Rotationsachse herum ver¬ teilt angeordnet sind und ein Statorwicklungssystem tragen. Eine derartige Axialflussmaschine ist beispielsweise aus dem Fachaufsatz „Analysis of the Yokeless and Segmented Armature machine" von T.J. Woolmer und M.D. McCulloch bekannt.
Elektrische Axialflussmaschinen sind in verschiedenen Ausge- staltungen bekannt. So sind beispielsweise Axialflussmaschi¬ nen bekannt, welche ein einziges Läuferaktivteil und ein ein¬ ziges Ständeraktivteil aufweisen. Weiterhin sind Axialfluss¬ maschinen bekannt, die zwei Ständeraktivteile und ein einzi¬ ges Läuferaktivteil oder umgekehrt zwei Läuferaktivteile und ein einziges Ständeraktivteil aufweisen.
Bei Axialflussmaschinen, die zwei Läuferaktivteile und ein einziges Ständeraktivteil aufweisen, ist es möglich, die Axi¬ alflussmaschine ohne Ständerjoch auszubilden. In diesem Fall sind im Stand der Technik die Wicklungen des Statorwicklungs¬ systems als Einzelwicklungen ausgebildet, die jeweils auf ei¬ nen Spulenträger gewickelt sind. Die Spulenträger sind in sich mechanisch stabile Elemente. Sie bestehen in der Regel aus Kunststoff. Die Spulenträger sind jeweils auf einen
Statorzahn aufgesteckt. Die Statorzähne werden am Umfang verteilt angeordnet. Axialflussmaschinen bieten das Potenzial, bei relativ kleiner und leichter Bauweise ein relativ hohes Drehmoment und eine relativ hohe Nennleistung zur Verfügung zu stellen. Sie werden daher beispielsweise als kompakte Traktionsantriebe bei Fahrzeugen eingesetzt. Im eingangs genannten Stand der Tech- nik ist beispielsweise beabsichtigt, die dort beschriebene
Axialflussmaschine als Antrieb für ein Kraftfahrzeug zu ver¬ wenden .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Axialflussmaschine der eingangs genannten Art derart weiter¬ zuentwickeln, dass unter Beibehaltung der relativ leichten Bauweise auf einfache Weise eine mechanische Fixierung der Statorzähne relativ zueinander und eine mechanische Fixierung des Stators insgesamt in einem den Stator radial außen umge- benden Gehäuse möglich ist.
Die Aufgabe wird durch eine Axialflussmaschine mit den Merk¬ malen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 11.
Erfindungsgemäß wird eine Axialflussmaschine der eingangs ge¬ nannten Art dadurch ausgestaltet, dass die Statorzähne in den Endbereichen über eine jeweilige Ringstruktur miteinander und mit einem den Stator radial außen umgebenden Gehäuse verbunden sind. Die Ringstrukturen bilden eine leichte und dennoch stabile Verbindung der genannten Komponenten untereinander aus . Das Statorwicklungssystem weist Wicklungen auf. Es ist im
Rahmen der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine - ebenso wie im Stand der Technik - möglich, dass die Wicklungen auf Spulenträger gewickelt sind, die ihrerseits auf die Statorzähne aufgesteckt sind. Vorzugsweise ist das Statorwicklungssystem jedoch direkt auf die Statorzähne gewickelt. Die Spulenträ¬ ger, die zum einen (wenn auch nur relativ geringfügig) zum Gewicht der Axialflussmaschine beitragen und zum anderen (und dies meist in nennenswertem Umfang) Bauvolumen beanspruchen, können also entfallen.
Es ist - ebenso wie im Stand der Technik - möglich, dass das Statorwicklungssystem aus Einzelwicklungen besteht, die je- weils auf einen einzelnen Statorzahn gewickelt sind. Aufgrund der direkten Bewicklung der Statorzähne mit dem Statorwicklungssystem ist es jedoch alternativ ebenso möglich, dass das Statorwicklungssystem als verteiltes Wicklungssystem ausgebildet ist. Ein verteiltes Wicklungssystem weist elektromag- netische Vorteile gegenüber einem aus Einzelwicklungen bestehenden Wicklungssystem auf. Dies gilt insbesondere im Falle einer sogenannten Zweischichtwicklung.
Die Ringstrukturen können aus einem magnetisch leitfähigen Material bestehen, beispielsweise aus Stahl oder anderen Eisenlegierungen. Vorzugsweise bestehen die Ringstrukturen jedoch zur Vermeidung von Wirbelströmen aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material. Weiterhin bestehen sie zur Vermeidung unerwünschter Einflüsse auf das elektromagnetische Verhalten der Axialflussmaschine vorzugsweise aus einem mag¬ netisch nicht leitfähigen Material. Insbesondere können die Ringstrukturen aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen. Beispiele derartiger Kunststoffe sind CFK (= kohlefaserverstärkte Kunststoffe) oder GFK (= glasfaserverstärkte
Kunststoffe) .
Es ist möglich, dass die Ringstrukturen in Massivbauweise ausgebildet sind. Vorzugsweise jedoch sind die Ringstrukturen in Sandwichbauweise ausgebildet. Dies führt zu besonders leichten und dennoch mechanisch stabilen Ringstrukturen.
Es ist möglich, dass die Ringstrukturen tangential um die Ro¬ tationsachse herum gesehen als geschlossene Ringe ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach realisierbar. Alternativ können die Ringstrukturen aus einer Anzahl von Ringsegmenten bestehen. Diese Ausgestaltung kann fertigungstechnische Vorteile bieten.
Es ist möglich, dass die Ringstrukturen radial zur Rotationsachse gesehen als durchgängige Strukturen ausgebildet sind. In diesem Fall sind die Ringstrukturen besonders stabil. Al¬ ternativ können die Ringstrukturen aus einem radial inneren Innenring und einem radial äußeren Außenring bestehen. Dies kann fertigungstechnische Vorteile aufweisen.
Es ist möglich, dass in Richtung der Rotationsachse gesehen die Ringstrukturen zwischen den Statorzähnen einerseits und den Rotoren andererseits angeordnet sind. Diese Gestaltung ist besonders einfach. Alternativ ist es möglich, dass die Statorzähne zwischen die Ringstrukturen hineinragen oder die Statorzähne über die Ringstrukturen hinausragen. Diese Gestaltungen führen zu einer besonders kompakten Bauweise der Axialflussmaschine.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weisen die Statorzähne in den Endbereichen Stege auf, so dass die Stator¬ zähne in den Endbereichen um die Rotationsachse herum gesehen einen größeren Winkel überdecken als zwischen den Endbereichen. Diese Ausgestaltung kann zum einen montagetechnisch vorteilhaft sein, zum anderen beim Betrieb der Axialflussma¬ schine vorteilhaft sein. Die Verbindung der Statorzähne mit den Ringstrukturen kann nach Bedarf ausgebildet sein. Insbesondere können die Statorzähne und die Ringstrukturen formschlüssig, kraftschlüssig, Stoffschlüssig oder lösbar miteinander verbunden sein. Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei- spiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:
FIG 1 einen Längsschnitt durch eine Axialflussmaschine, FIG 2 einen Querschnitt durch einen Stator einer Axial- flussmaschine,
FIG 3 ein Detail einer Ringstruktur,
FIG 4 eine perspektivische Darstellung eines Stators,
FIG 5 eine Axialflussmaschine in abgerollter Darstellung, FIG 6 eine perspektivische Darstellung eines weiteren
Stators ,
FIG 7 einen Ausschnitt von FIG 6,
FIG 8 eine weitere perspektivische Darstellung eines
Stators und
FIG 9 einen Ausschnitt von FIG 8.
Gemäß FIG 1 weist eine elektrische Axialflussmaschine eine Rotorwelle 1 auf. Die Rotorwelle 1 ist um eine Rotationsachse
2 rotierbar. Auf der Rotorwelle 1 sind zwei Rotoren 3 ange- ordnet. Die Rotoren 3 weisen in Axialrichtung (d.h. parallel zur Rotationsachse 2 gesehen) einen Abstand voneinander auf, sind also voneinander beabstandet. Zwischen den Rotoren 3 ist in Axialrichtung gesehen ein Stator 4 angeordnet. Die Rotoren
3 weisen üblicherweise Permanentmagnete und magnetisch leit- fähige Joche auf.
Der Stator 4 weist gemäß FIG 2 eine Anzahl von Statorzähnen 5 auf. Die Statorzähne 5 können beispielsweise aus laminiertem Dynamoblech (SiFe, CoFe, ...) bestehen. Alternativ können sie beispielsweise aus SMC-Materialien (SMC = soft magnetic com- posites) gepresst oder aus magnetisch leitfähigen Pulverwerkstoffen gesintert sein. Die Statorzähne 5 erstrecken sich in Axialrichtung gemäß FIG 1 zwischen zwei Endbereichen 6. Als Endbereiche 6 gelten im Zweifelsfalle die jeweils axial äu- ßersten 10 % der Statorzähne 5 oder weniger, vorzugsweise die jeweils axial äußersten 5 % der Statorzähne 5 oder weniger. Die Statorzähne 5 sind in einem Radialabstand r von der Rota¬ tionsachse 2 angeordnet. Sie sind in Tangentialrichtung (d.h. um die Rotationsachse 2 herum) gesehen gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Statorzähne 5 tragen ein in FIG 2 schematisch angedeutetes Statorwicklungssystem 7. Das Statorwicklungssys¬ tem 7 ist vorzugsweise direkt auf die Statorzähne 5 gewi¬ ckelt. Es ist zwar möglich, dass zwischen den Statorzähnen 5 und den Wicklungen 8 eine Isolierschicht 9 vorhanden ist, beispielsweise eine Isolierschicht 9 aus Papier. Eine in sich mechanisch stabile Tragstruktur (d.h. ein Spulenträger) ist vorzugsweise jedoch nicht vorhanden.
Die Statorzähne 5 sind in den Endbereichen 6 über eine jewei¬ lige Ringstruktur 10 miteinander verbunden. Die Statorzähne 5 sind über die Ringstrukturen 10 weiterhin mit einem Gehäuse 11 verbunden, welches den Stator 4 radial außen umgibt. Die Verbindung der Ringstrukturen 10 mit dem Gehäuse 11 kann nach Bedarf ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Gehäuse 11 auf die Ringstrukturen 10 aufgeschrumpft sein. Alternativ kann ein Formschluss bestehen. Beispielsweise können die
Ringstrukturen 10 radial außen Ausnehmungen aufweisen (beispielsweise U-förmige Nuten) , in welche korrespondierende Vorsprünge des Gehäuses 11 eingreifen. Alternativ sind auch andere Verbindungsarten möglich. Beispielsweise können die Ringstrukturen 10 mit dem Gehäuse 11 verschraubt oder ver¬ klebt sein.
Die Ringstrukturen 10 bestehen vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitenden und/oder magnetisch nicht leitenden Ma- terial. Das Material sollte weiterhin möglichst leicht sein. Beispielsweise können die Ringstrukturen 10 aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen, insbesondere aus CFK oder GFK. Zur möglichst weitgehenden Verringerung des Eigengewichts der Ringstrukturen 10 können die Ringstrukturen 10 ge- mäß FIG 3 in Sandwichbauweise ausgebildet sein. In diesem
Fall weisen die Ringstrukturen 10 gemäß FIG 3 mehrere Schichten 12 auf, die über eine fachwerkähnliche Struktur 13 mitei¬ nander verbunden sind. Bei der Ausgestaltung der Axialflussmaschine gemäß den FIG 1 und 2 sind die Ringstrukturen 10 in Axialrichtung zwischen den Statorzähnen 5 einerseits und den Rotoren 3 andererseits angeordnet. Dies ist in der perspektivischen Darstellung von FIG 4 erkennbar und besonders deutlich aus der abgerollten
Darstellung von FIG 5 sichtbar. Bei dieser Ausgestaltung können die Statorzähne 5 und die Ringstrukturen 10 auf nahezu beliebige Weise miteinander verbunden sein. Beispielsweise können die Statorzähne 5 und die Ringstrukturen 10 form- schlüssig miteinander verbunden sein. Zur Realisierung einer formschlüssigen Verbindung können die Ringstrukturen 10 beispielsweise Stifte aufweisen, welche sich in Axialrichtung erstrecken. Die Statorzähne 5 können in diesem Fall korres¬ pondierende Ausnehmungen aufweisen, in welche die Stifte ein- greifen. Alternativ oder zusätzlich können die Statorzähne 5 und die Ringstrukturen 10 Stoffschlüssig miteinander verbunden sein, beispielsweise miteinander verklebt oder vergossen. Alternativ zu einer stoffschlüssigen Verbindung - gegebenenfalls aber alternativ oder zusätzlich zu einer formschlüssi- gen Verbindung - können die Statorzähne 5 und die Ringstrukturen 10 lösbar miteinander verbunden sein, beispielsweise miteinander verschraubt.
Bei der Fertigung des Stators 4 werden vorzugsweise die Sta- torzähne 5 zuerst mit der einen Ringstruktur 10 verbunden und erst danach mit der anderen Ringstruktur 10. Es ist möglich, dass das Statorwicklungssystem 7 aus Einzelwicklungen 8 besteht, so wie in FIG 2 dargestellt. In diesem Fall können beispielsweise die Statorzähne 5 vor dem Verbinden mit der einen Ringstruktur 10 bewickelt werden und danach mit der
Ringstruktur 10 verbunden werden. Alternativ können die Statorzähne 5 vor dem Bewickeln mit der einen Ringstruktur 10 verbunden werden. Auch in diesem Fall kann das Statorwicklungssystem 7 aus den Einzelwicklungen 8 bestehen. Falls die Statorzähne 5 vor dem Bewickeln mit der einen Ringstruktur 10 verbunden werden, ist es jedoch ebenso möglich, dass das Statorwicklungssystem 7 als verteiltes Wicklungssystem - sei es als Einschichtwicklung, sei es als Zweischichtwicklung - ausgebildet ist.
Die Ringstrukturen 10 sind gemäß den Darstellungen der FIG 1 und 4 in Radialrichtung (d.h. auf die Rotationsachse 2 zu bzw. von ihr weg gesehen) als durchgängige Strukturen ausgebildet, das heißt sie erstrecken sich in Radialrichtung ohne Unterbrechung einstückig von einem Minimalabstand von der Rotationsachse 2 bis zu einem Maximalabstand von der Rotation- sachse 2. Es ist alternativ möglich, dass die Ringstrukturen 10 gemäß den FIG 6 und 7 in Radialrichtung gesehen aus einem radial inneren Innenring 14 und einem radial äußeren Außenring 15 bestehen. Im Falle der Aufteilung der Ringstrukturen 10 in den Innenring 14 und den Außenring 15 können - wie bereits in Verbindung mit den FIG 1 und 4 erwähnt - die Ringstrukturen 10 mit den Statorzähnen 5 formschlüssig, Stoffschlüssig oder lösbar verbunden sein. Insbesondere im Falle der Aufteilung der Ringstrukturen 10 in den Innenring 14 und den Außenring 15 ist alternativ jedoch ebenso möglich, dass die Statorzähne 5 und die Ringstrukturen 10 - zumindest teilweise - kraft¬ schlüssig miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann der Außenring 15 von radial außen auf die Statorzähne 5 aufge- schrumpft sein. In diesem Fall können - ebenso beispielsweise - die Statorzähne 5 von radial außen an den Innenring 14 an- gepresst sein.
In analoger Weise sind die Ringstrukturen 10 gemäß den Dar- Stellungen der FIG 1 und 4 in Tangentialrichtung gesehen als geschlossene Ringe ausgebildet. Alternativ können die Ring¬ strukturen 10 gemäß den FIG 6 und 7 aus einer Anzahl von Ringsegmenten 16, 17 bestehen. Im Falle von Ringsegmenten 16, 17 erstrecken sich die Ringsegmente 16, 17 in Tangentialrich- tung über mehrere Statorzähne 5. Meist sind die Ringsegmente 16, 17 jeweils mit vier bis zehn Statorzähnen 5 verbunden. Alternativ oder zusätzlich erstrecken sich die Ringsegmente 16, 17, bezogen auf die Rotationsachse 2, in der Regel über einen Umfangswinkel , der zwischen 10° und 60° liegt.
Die Aufteilung der Ringstrukturen 10 in die Ringsegmente 16, 17 ist in den FIG 6 und 7 in Verbindung mit der Aufteilung der Ringstrukturen 10 in den Innenring 14 und den Außenring 15 dargestellt. Die Aufteilung der Ringstrukturen 10 in die Ringsegmente 16, 17 ist jedoch ebenso ohne die Aufteilung der Ringstrukturen 10 in den Innenring 14 und den Außenring 15 realisierbar.
Im Falle der Aufteilung der Ringstrukturen 10 in die Ringsegmente 16, 17 können die Ringsegmente 16, 17 insbesondere formschlüssig miteinander verbunden sein. Beispielsweise kön- nen die Ringsegmente 16, 17 gemäß FIG 7 an ihren Stoßflächen 18 schwalbenschwanzartige Ausnehmungen 19 und korrespondie¬ rende schwalbenschwanzartige Vorsprünge 20 aufweisen, so dass die Ringsegmente 16, 17 formschlüssig miteinander zum Innen¬ ring 14 und zum Außenring 15 oder - im Falle einer radial durchgängigen Struktur - zur jeweiligen Ringstruktur 10 verbindbar sind.
Weiterhin können der Innenring 14 und/oder der Außenring 15 - bzw. die entsprechenden Ringsegmente 16, 17 - Stege 21, 22 aufweisen, die sich ausgehend vom Innenring 14 auf den Außenring 15 zu bzw. umgekehrt vom Außenring 15 auf dem Innenring 14 zu erstrecken. Wenn sowohl die Stege 21 als auch die Stege 22 vorhanden sind, können die Stege 21, 22 alternativ aneinander anstoßen oder voneinander beabstandet sein. Wenn nur die Stege 21 oder nur die Stege 22 vorhanden sind, können die vorhandenen Stege 21, 22 alternativ an den jeweils anderen Ring 15, 14 anstoßen oder von ihm beabstandet sein.
Die FIG 6 und 7 zeigen einige weitere Modifikationen des Stators 4 der Axialflussmaschine. Diese Modifikationen, die nachstehend näher erläutert werden, sind wahlweise alternativ oder zusätzlich zu den obenstehend erläuterten Ausgestaltungen realisierbar. So ist in den FIG 6 und 7 beispielsweise eine Ausgestaltung dargestellt, bei welcher die Statorzähne 5 in den Endberei¬ chen 6 Stege 23 aufweisen. Die Stege 23 erstrecken sich, ausgehend vom jeweiligen Statorzahn 5, in Tangentialrichtung auf die beiden bezüglich des jeweiligen Statorzahns 5 unmittelbar benachbarten Statorzähne 5 zu. Die Statorzähne 5 überdecken dadurch in den Endbereichen 6 in Tangentialrichtung einen größeren Winkel als zwischen den Endbereichen 6. Weiterhin können die Statorzähne 5, wie insbesondere aus FIG 7 ersichtlich ist, in Axialrichtung gesehen über die Ringstrukturen 10 hinausragen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Stege 23 vorhanden sind. In diesem Fall können insbesondere die Stege 23 der Statorzähne 5 axial außerhalb der Ringstrukturen 10 angeordnet sein. Ein Hinausragen über die Ringstrukturen 10 ist jedoch auch dann möglich, wenn die Stege 23 nicht vorhanden sind.
Wenn die Statorzähne 5 in Axialrichtung über die Ringstruktu- ren 10 hinausragen, sind die Ringstrukturen 10 vorzugsweise entsprechend der Darstellung der FIG 6 und 7 in den Innenring 14 und den Außenring 15 unterteilt. Zwingend ist dies jedoch nicht erforderlich. Alternativ ist es ebenso möglich, dass die Statorzähne 5 zwar zwischen die Ringstrukturen 10 hineinragen, die Ringstrukturen 10 aber nicht überragen. In diesem Fall existiert ein axial innerer Bereich des Stators 4, an den sich in Richtung auf die beiden Rotoren 3 zu jeweils ein axial mittlerer Be- reich des Stators 4 und daran jeweils ein axial äußerer Be¬ reich des Stators 4 anschließen. Im axial inneren Bereich des Stators 4 befinden sich ausschließlich die Statorzähne 5 und das Statorwicklungssystem 7, aber keine Bestandteile der Ringstrukturen 10. In den axial mittleren Bereichen des
Stators 4 befinden sich die Endbereiche 6 der Statorzähne 5 und axial innere Bereiche der Ringstrukturen 10. In den axial äußeren Bereichen des Stators 4 befinden sich ausschließlich axial äußere Bereiche der Ringstrukturen 10, aber keine Be¬ standteile der Statorzähne 5.
Wenn die Statorzähne 5 in Axialrichtung zwischen die Ring- strukturen 10 hineinragen, sind die Ringstrukturen 10 vorzugsweise - wie zuvor - in den Innenring 14 und den Außenring 15 unterteilt. Zwingend ist dies jedoch nicht erforderlich.
Die FIG 8 und 9 zeigen eine weitere mögliche Modifikation des Stators 4. Gemäß den FIG 8 und 9 sind die Ringstrukturen 10 in die Innenringe 14 und die Außenringe 15 unterteilt. Die Innenringe 14 sind über eine innere Verbindungsstruktur 24 miteinander verbunden. Die innere Verbindungsstruktur 24 kann alternativ punktuell oder geschlossen sein. Eine punktuelle Verbindungsstruktur 24 könnte beispielsweise durch eine Git¬ terstruktur, durch eine Fachwerkstruktur oder auch durch einfache, sich rein axial erstreckende Stäbe realisiert sein. In analoger Weise sind die Außenringe 15 über eine äußere Ver¬ bindungsstruktur 25 miteinander verbunden. Die äußere Verbin- dungsstruktur 25 kann - analog zur inneren Verbindungsstruktur 24 - alternativ punktuell oder geschlossen sein. In dem Fall, dass beide Verbindungsstrukturen 24, 25 geschlossen sind, kann beispielsweise in dem von den beiden Verbindungs¬ strukturen 24, 25 umschlossenen Raum ein eigenständiger Kühl- mittelkreislauf realisiert werden.
Eine durch die beiden Innenringe 14 und die innere Verbin¬ dungsstruktur 24 gebildete innere Einheit kann einstückig ausgebildet sein. Alternativ kann sie in Tangentialrichtung segmentiert sein. Gleiches gilt für eine durch die beiden Au¬ ßenringe 15 und die äußere Verbindungsstruktur 25 gebildete äußere Einheit.
Gemäß den FIG 8 und 9 weisen die Innenringe 14 die Stege 21 auf. Mittels der Stege 21 werden die Statorzähne 5 gehalten und fixiert, vorzugsweise mittels Formschluss. Falls die Sta¬ torzähne 5 ihrerseits ihre Stege 23 aufweisen, sind die Stege 21 - siehe insbesondere FIG 9 - vorzugsweise entsprechend konturiert. Alternativ zum Vorhandensein der Stege 21 können die Stege 22 vorhanden sein. In diesem Fall gelten die oben stehenden Aussagen in analoger Weise anstelle der Stege 21 für die Stege 22. Es ist sogar möglich, dass sowohl die Stege 21 als auch die Stege 22 vorhanden sind. In diesem Fall sind jedoch die innere Einheit und/oder die äußere Einheit vor¬ zugsweise segmentiert.
Die Verbindung der Ringstrukturen 10 und der Statorzähne 5 erfolgt bei der Ausgestaltung gemäß den FIG 8 und 9 vorzugs¬ weise durch Kraftschluss , beispielsweise durch Aufschrumpfen. Prinzipiell sind jedoch auch andere Verbindungsarten möglich.
Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine wird vorzugsweise als Traktionsantrieb eingesetzt, beispielsweise bei einem Schie¬ nenfahrzeug. Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Axialfluss¬ maschine jedoch universell einsetzbar, beispielsweise bei Straßen-, Wasser- oder Luftfahrzeugen oder auch stationär. Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine weist viele Vorteile auf. Insbesondere ist eine einfache, schrittweise Fertigung der Axialflussmaschine möglich.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Axialflussmaschine,
- wobei die Axialflussmaschine eine um eine Rotationsachse (2) rotierbare Rotorwelle (1) aufweist, auf der zwei Roto¬ ren (3) angeordnet sind, die in Richtung der Rotationsachse (2) gesehen voneinander beabstandet sind,
- wobei in Richtung der Rotationsachse (2) gesehen zwischen den beiden Rotoren (3) ein Stator (4) angeordnet ist,
- wobei der Stator (4) eine Anzahl von Statorzähnen (5) aufweist, die sich jeweils in Richtung der Rotationsachse (2) zwischen zwei Endbereichen (6) erstrecken,
- wobei die Statorzähne (5) in einem radialen Abstand (r) von der Rotationsachse (2) gleichmäßig um die Rotationsachse (2) herum verteilt angeordnet sind und ein Statorwick¬ lungssystem (7) tragen,
- wobei die Statorzähne (5) in den Endbereichen (6) über eine jeweilige Ringstruktur (10) miteinander und mit einem den Stator (4) radial außen umgebenden Gehäuse (11) verbunden sind.
2. Axialflussmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Statorwicklungssystem (7) direkt auf die Statorzähne (5) gewickelt ist.
3. Axialflussmaschine nach Anspruch 2, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass das Statorwicklungssystem (7) aus Einzelwicklungen (8) besteht, die jeweils auf einen ein¬ zelnen Statorzahn (5) gewickelt sind, oder als verteiltes Wicklungssystem ausgebildet ist.
4. Axialflussmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ringstruk¬ turen (10) aus einem elektrisch nicht leitenden und/oder mag- netisch nicht leitenden Material bestehen.
5. Axialflussmaschine nach Anspruch 4, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass die Ringstrukturen (10) aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen, insbesondere aus CFK oder GFK .
6. Axialflussmaschine nach einem der obigen Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ring¬ strukturen (10) in Sandwichbauweise ausgebildet sind.
7. Axialflussmaschine nach einem der obigen Ansprüche, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ring- strukturen (10) tangential um die Rotationsachse (2) herum gesehen als geschlossene Ringe ausgebildet sind oder aus ei¬ ner Anzahl von Ringsegmenten (16, 17) bestehen.
8. Axialflussmaschine nach einem der obigen Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ring¬ strukturen (10) radial zur Rotationsachse (2) gesehen als durchgängige Strukturen ausgebildet sind oder aus einem radi¬ al inneren Innenring (14) und einem radial äußeren Außenring (15) bestehen.
9. Axialflussmaschine nach einem der obigen Ansprüche, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in Richtung der Rotationsachse (2) gesehen die Ringstrukturen (10) zwischen den Statorzähnen (5) einerseits und den Rotoren (3) an- dererseits angeordnet sind oder die Statorzähne (5) zwischen die Ringstrukturen (10) hineinragen oder die Statorzähne (5) über die Ringstrukturen (10) hinausragen.
10. Axialflussmaschine nach einem der obigen Ansprüche, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stator¬ zähne (5) in den Endbereichen (6) Stege (23) aufweisen, so dass die Statorzähne (5) in den Endbereichen (6) um die Rota¬ tionsachse (2) herum gesehen einen größeren Winkel überdecken als zwischen den Endbereichen (6) .
11. Axialflussmaschine nach einem der obigen Ansprüche, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stator¬ zähne (5) und die Ringstrukturen (10) formschlüssig, kraft- 10
schlüssig, Stoffschlüssig oder lösbar miteinander verbunden sind .
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