EP1344300A2 - Statordesign einer unipolar-transversalflussmaschine - Google Patents

Statordesign einer unipolar-transversalflussmaschine

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Publication number
EP1344300A2
EP1344300A2 EP01989389A EP01989389A EP1344300A2 EP 1344300 A2 EP1344300 A2 EP 1344300A2 EP 01989389 A EP01989389 A EP 01989389A EP 01989389 A EP01989389 A EP 01989389A EP 1344300 A2 EP1344300 A2 EP 1344300A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
rotor
torque
module
transverse flux
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01989389A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Guenter Kastinger
Hartmut Krueger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1344300A2 publication Critical patent/EP1344300A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/20—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having windings each turn of which co-operates only with poles of one polarity, e.g. homopolar machine

Definitions

  • the invention is based on a unipolar
  • Such a unipolar transverse flux machine which is proposed in the unpublished DE 100 39 466.3, has the advantage of a simple construction in a modular design, the concentricity of the machine improving with an increasing number of module units each consisting of a stator module and a rotor module.
  • the torque curve shows a considerable ripple, the so-called torque ripple.
  • Stator poles spaced 360 electrical degrees from each other, achieving the best efficiency. At the same time, this also maximizes the torque component caused by harmonics or harmonics or harmonics. In order to reduce the harmonic content, the stator poles are now set individually and by different amounts against those determined by the pole pitch
  • the unipolar transverse flux machine according to the invention has the advantage that, due to the symmetrical displacement of the stator pole groups according to claim 1 and the asymmetrical displacement of individual stator pole pairs, each of which is associated with a magnetic circuit, harmonic components in torque are largely " reduced " and thus also with a unipolar - Transversal flux machine with only one or two Module units a fairly good concentricity is achieved. While the symmetrical displacement of the stator pole groups requires a stator pole number that satisfies the relationship 2 n ' with n as an integer, the asymmetrical displacement of the stator pole pairs is tied to an even-numbered stator pole number.
  • 1 is a partial perspective view of a two-strand, 32-pin unipolar
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a module unit of the unipolar
  • FIG. 3 shows an arrangement diagram of the stator pole groups in the stator module in FIG. 2 to explain their displacement
  • 4 shows a diagram of the torque curve of the four stator groups formed in the machine according to FIG. 3 over an electrical angle of 360 °
  • FIG. 6 shows a diagram of one of the and 7 amplitude spectra of the torques in FIG. 5,
  • Fig. 9 is an arrangement diagram of the stator poles in
  • FIG. 10 shows a diagram of the torque profiles of three stator groups from a total of sixteen stator pole group pairs
  • FIG. 11 shows a diagram of the resulting total torque from FIG. 10 in comparison with the torque in the case of non-displaced stator pole pairs
  • FIG. 12 shows a diagram of the amplitude spectrum of the resulting total torque in FIG. 11. Description of the embodiments
  • a two-strand, 32-pole unipolar transverse flux machine is shown in perspective. It has a machine housing 10 with a stator 11 held thereon and a coaxial rotor 12 which rotates in the stator 11 and which is non-rotatably seated on a rotor shaft 13 mounted in the machine housing 10.
  • the rotor 12 has two rotor modules 15 and the stator 11 has the same number of stator modules 14.
  • the rotor modules 15 are mounted axially one behind the other directly on the rotor shaft 13 in a rotationally fixed manner, and the stator modules 14 are fastened axially one behind the other in a radial alignment with the associated rotor module 15 on the machine housing 10.
  • the unipolar transverse flux machine designed here in two strands can be designed in a simple manner with one or three or more strands by removing or adding a module unit consisting of stator module 14 and rotor module 15.
  • the rotor module 15 consists of two coaxial, toothed, ferromagnetic rotor rings 16, 17 which sit on the rotor shaft 13 in a rotationally fixed manner and clamp between them a permanent magnet ring 18 which is unipolarly magnetized in the axial direction, that is to say in the direction of the rotor or stator axis 19.
  • Each rotor ring 16, 17 is toothed on its outer circumference facing away from the rotor axis 19 with constant tooth pitch, so that the through. in each case a tooth gap 21 separate teeth 22 of the resulting Zahnre 'ihen a same angle of rotation distance from one another have.
  • the teeth 22 on the rotor ring 16 and on the rotor ring 17 are aligned with each other in the axial direction.
  • the rotor rings 16, 17 with the teeth 22 formed thereon in one piece are laminated and are preferably composed of the same sheet metal die cuts which abut one another in the axial direction.
  • the stator module 14 which concentrically surrounds the rotor module 15 with a radial spacing while leaving air gaps, has an annular coil 23 arranged coaxially to the rotor axis 19 and U-shaped, yoke-like stator poles 24, 25 which extend over the annular coil 23.
  • a magnetic circuit closes via a stator pole 24, a stator pole 25 and a tooth 22 of the rotor 12, the stator poles 24 with their yoke legs overlapping the ring coil 23 and the stator poles 25 with their yoke web lying radially below the ring coil 23, which is why Stator poles 24 ' long and the stator poles 25 have short yoke legs.
  • the stator poles 24, 25, which are also laminated and are composed of stamped sheets to form laminated cores, are fixed here on the machine housing 10 with a pole pitch ⁇ corresponding to half the tooth pitch on the rotor module 15.
  • the stator poles 24, 25 are arranged such that the one yoke leg with the one rotor ring 16 and the other yoke leg are radially aligned with the other rotor ring 17 of the associated rotor module 12, the free end faces of the yoke legs forming the pole faces of the rotor ring 16 and 17 face each other with a radial air gap distance.
  • the two are arranged axially next to one another in the machine housing 10 Stator modules 14 of the two module units are rotated by 90 electrical degrees relative to one another, which corresponds to half a pole pitch ⁇ .
  • the offset angle in the direction of rotation is 5.625 ° spatially.
  • Torque ripples expresses to reduce or to press below a required level. These measures are described below using a module unit as schematically shown in plan view in FIG. 2. The second module unit shown in FIG. 1 is then modified in the same way.
  • Stator pole groups 131-134 formed, which have an equal number of stator poles 24, 25.
  • four stator pole groups 131-134, each with eight stator poles 24, 25, are formed.
  • This k Stator pole groups form m »k / 2 stator pole group pairs, each stator pole group belonging to 131-134 m pairs.
  • stator pole group 131 + 132 stator pole group 133 + 134
  • FIG. 4 shows the torque curve for the four stator pole groups 131-134 over an electrical angle of 360 °.
  • Curve a shows the torque curve for the stator pole group 131
  • curve b the torque curve for the stator pole group 132
  • curve c the torque curve for the stator pole group 133
  • curve d the torque curve for the stator pole group 134.
  • this is the case total moment of the module unit resulting from the summation of these curves a, b, c, d is marked with e.
  • curve f indicates the total torque of the module unit with the stator poles 24, 25 not shifted.
  • stator poles 24, 25 are eight in total Stator pole groups each with four in order to subdivide the stator poles 24, 25 offset from one another ⁇ . These eight stator pole groups alternately belong to a total of twelve stator pole group pairs.
  • FIG. 8 - 12 a second way of reducing the harmonic content in the unko-compensated unipolar transverse flux machine according to FIG. 1 is illustrated.
  • This type of displacement of the stator poles 24, 25 requires a number of stator poles 24, 25 which is only an even number and does not have to satisfy the condition 2 n , with n as an integer.
  • n as an integer.
  • a harmonic reduction in the torque of a 50-pole or 36-pole unipolar transverse flux machine can be achieved.
  • a module unit with thirty-two stator poles 24, 25 is shown in FIG. 8, again shown schematically, wherein all stator poles 24, 25 symmetrically ⁇ by one pole pitch offset from one another are arranged.
  • a stator pole 24 and a stator pole 25 each form a stator pole pair 135.
  • a stator pole pair or a plurality of stator pole pairs 135 are made from their symmetrical angle ß by an electrical angle
  • the size of the angle ⁇ is calculated so that the fundamental vibration generated by the respective stator pole pair 135 is greater in torque than a predetermined upper value and the torque components due to the selected harmonics do not exceed a predetermined upper value.
  • the upper limits are set, for example, so that the amplitude of the harmonics or harmonics is less than 3% of the fundamental oscillation amplitude in the case of an uncompensated machine and, moreover, the fundamental oscillation amplitude is not less than 90% of the fundamental oscillation amplitude in the uncompensated machine.
  • N P is the number of stator poles 24, 25 and N w is the number of possible angular positions ⁇ . From this number N tot of the possible solutions, one filters out those solutions which meet the above-mentioned upper limits, that is to say cause an at least 90% fundamental oscillation amplitude while simultaneously reducing the amplitudes of the harmonics, preferably the 3rd and 5th harmonics, to below 3%.
  • Curve g in the diagram of FIG. 10 shows the accumulated torque curve of the seven undisplaced stator pole pairs 135, the accumulated torque curve of the five stator pole pairs 135 electrically shifted by 36 ° and curve h and the accumulated one
  • the resulting torque of the module unit shows the curve k in FIG. 11.
  • the torque curve of the uncompensated module unit with curve f is shown in FIG.
  • the amplitude spectrum of the torque in FIG. 12 shows that the amplitudes of the 3rd and 5th harmonics are much smaller than in the uncompensated machine (cf. FIG. 7) and are less than 3% of the uncompensated fundamental oscillation amplitude.
  • the amplitude of the torque has not dropped below 90% of the amplitude of the torque of the uncompensated machine.
  • the second harmonic (FIG. 12) still present in the torque of the module unit can also be disregarded here, because the second harmonic, as already explained above, is largely compensated for by the second module unit with its 90 ° shift.

Abstract

Bei einer Unipolar-Transversalflussmaschine besitzt für deren modularen Aufbau mindestens ein Rotormodul (15) zwei koaxiale, über ihren Aussenumfang mit konstanter Zahnteilung gezahnte, ferromagnetische Rotorringe (16, 17) und einen dazwischen eingespannten, unipolar magnetisierten Permanentmagnetring (18) sowie mindestens ein dazu konzentrisches Statormodul (14) eine der doppelten Zähnezahl des Rotormoduls (15) entsprechende zahl von jochartigen Statorpolen (24, 25), die um eine Polteilung ( tau ) zueinander versetzt sind und mit ihren Jochschenkeln den beiden Rotorringen (16, 17) mit Luftspalt gegenüberliegen, und eine Ringspule (23). Zur Reduzierung des Oberwellengehalts im Drehmoment der Maschine ist mindestens ein Paar eine gleiche Statorpolzahl aufweisende Statorpolgruppen (131 134) gebildet, die um einen elektrischen Winkel alpha = 180 DEG / nu gegeneinander verschoben sind, wobei nu die Ordnungszahl der im Drehmoment durch diese Verschiebung unterdrückten Oberwelle ist.

Description

Unipolar-Transversalfluß aschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Unipolar-
Transversalflußmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche, in der nicht vorveröffentlichten DE 100 39 466.3 vorgeschlagene Unipolar-Transversalflußmaschine hat den Vorteil einer einfachen Konstruktion in Modulbauweise, wobei mit zunehmender Zahl der aus jeweils einem Statormodul und einem Rotormodul sich zusammensetzenden Moduleinheiten sich der Rundlauf der Maschine verbessert. Bei ein- und zweisträngigen Maschinen, also mit einer oder zwei Moduleinheiten, zeigt der Drehmomentverlauf eine erhebliche Welligkeit , die sog. Drehmomentrippel.
Bei einem Mikroschrittschaltmotor mit Scheibenläufer (US 4 629 916) ist es bekannt, durch Verschieben der Position von symmetrischen Polgruppen den Oberwellengehalt bezüglich bestimmter Oberwellen zu verringern bzw. letztere vollständig zu unterdrücken. Der Betrag α der Verschiebung in elektrischen Graden bestimmt, welche der Oberwellen oder Harmonischen unterdrückt wird und gehorcht der Beziehung α = π/v, wobei v die Ordnungszahl der unterdrückten Harmonischen ist.
Bei einem bekannten, gleichen Mikroschrittschaltmotor
(DE 37 13 148 AI) sind zunächst die radialen Mittellinien der
Statorpole um 360 elektrische Grad voneinander beabstandet, wodurch der beste Wirkungsgrad erzielt wird. Zugleich erhält man dadurch aber auch eine Maximierung des von Oberwellen oder Oberschwingungen oder Harmonischen bedingten Drehmomentanteils. Um den Oberwellengehalt zu reduzieren werden nunmehr die Statorpole einzeln und um verschiedene Beträge gegen ihre durch die Polteilung festgelegten
Mittellinien versetzt, wobei der Effekt der Versetzung für jede einzelne Position berechnet wird, und zwar in seiner Auswirkung auf das Ausgangsdrehmoment, d. h. auf die Größe des resultierenden Grundwellen-Drehmoments sowie des Anteils an Oberwellen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Unipolar-Transversalflußmaschine hat den Vorteil, daß durch die symmetrische Verschiebung der Statorpolgruppen gemäß Anspruch 1 sowie durch die unsymmetrische Verschiebung von einzelnen Statorpolpaaren, die jeweils einem Magnetkreis zugehörig sind, gemäß Anspruch 3 Oberwellenanteile im Drehmoment weitgehend "reduziert und dadurch auch bei einer Unipolar- Transversalflußmaschine mit nur einer oder zwei Moduleinheiten ein recht guter Rundlauf erreicht wird. Während die symmetrische Verschiebung der Statorpolgruppen eine Statorpolzahl erfordert, die der Beziehung 2n 'mit n als ganze Zahl genügt, ist die unsymmetrische Verschiebung der Statorpolpaare an eine nur geradzahlige Statorpolzahl gebunden.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Unipolar-Transversalflußmaschine möglich.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ausschnittweise eine perspektivische Ansicht einer zweisträngigen, 32-poligen Unipolar-
Transversalflußmaschine, teilweise schematisiert,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Moduleinheit der Unipolar-
Transversalflußmaschine gemäß Fig. 1,
Fig. 3 ein Anordnungsschema der Statorpolgruppen im Statormodul in Fig. 2 zur Erläuterung deren Verschiebung, Fig. 4 ein Diagramm des Drehmomentverlaufs der in der Maschine gemäß Fig. 3 gebildeten vier Statorgruppen über einen elektrischen Winkel von 360°,
Fig. 5 ein Diagramm des resultierenden Gesamtmoments im Vergleich zum Diagramm einer Maschine bei unverschobenen Statorpolgruppen,
Fig. 6 jeweils ein Diagram eines der und 7 Ämplitudenspektren der Drehmomente in Fig. 5,
Fig. 8 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 2 zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Unipolar-
Transversalflußmaschine,
Fig. 9 ein Anordnungsschema der Statorpole im
Statormodul gemäß Fig. 8 zur Erläuterung der Verschiebung der Statorpolpaare,
Fig. 10 ein Diagramm der Drehmomentverläufe von drei Statorgruppen von insgesamt sechzehn Statorpolgruppen-Paaren,
Fig. 11 ein Diagramm des resultierenden Gesamtmoments aus Fig. 10 im Vergleich zum Drehmoment bei nicht verschobenen Statorpolpaaren,
Fig. 12 ein Diagramm des Amplitudenspektrums des resultierenden Gesamtmoments in Fig. 11. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist ausschnittweise eine zweisträngige, 32-polige Unipolar-Transversalflußmaschine perspektivisch dargestellt. Sie weist ein Maschinengehäuse 10 mit einem daran gehaltenen Stator 11 sowie einen im Stator 11 umlaufenden, koaxialen Rotor 12 auf, der drehfest auf einer im Maschinengehäuse 10 gelagerten Rotorwelle 13 sitzt. Der Rotor 12 weist zwei Rotormodule 15 und der Stator 11 eine gleiche Anzahl von Statormodulen 14 auf. Die Rotormodule 15 sind axial hintereinander unmittelbar auf die Rotorwelle 13 drehfest aufgesetzt, und die Statormodule 14 sind axial hintereinander in radialer Ausrichtung zum zugehörigen Rotormodul 15 am Maschinengehäuse 10 befestigt. Die hier zweisträngig ausgeführte Unipolar-Transversalflußmaschine kann in einfacher Weise einsträngig oder drei- oder mehrsträngig konzipiert werden, indem jeweils eine aus Statormodul 14 und Rotormodul 15 bestehende Moduleinheit entfernt oder hinzugefügt wird.
Das Rotormodul 15 besteht aus zwei koaxialen, gezahnten, ferromagnetischen Rotorringen 16, 17, die auf der Rotorwelle 13 drehfest sitzen und zwischen sich einen Permanentmagnetring 18 einspannen, der in axialer Richtung, also in Richtung der Rotor- oder Statorachse 19 unipolar magnetisiert ist. Jeder Rotorring 16, 17 ist an seinem von der Rotorachse 19 abgekehrten Außenumfang mit konstanter Zahnteilung gezahnt, so daß die durch. eweils eine Zahnlücke 21 voneinander getrennten Zähne 22 der sich ergebenden Zahnre'ihen einen gleichen Drehwinkelabstand voneinander haben. Die Zähne 22 am Rotorring 16 und am Rotorring 17 fluchten in Axialrichtung miteinander. Die Rotorringe 16, 17 mit den daran einstückig angeformten Zähnen 22 sind lamelliert und werden bevorzugt aus gleichen Blechstanzschnitten, die in Achsrichtung aneinanderliegen, zusammengesetzt.
Das das Rotormodul 15 mit Radialabstand unter Belassung von Luftspalten konzentrisch umschließende Statormodül 14 weist eine koaxial zur Rotorachse 19 angeordnete Ringspule 23 sowie längs der Ringspule 23 übergreifende U-förmige, jochartige Statorpole 24, 25 auf. Über einen Statorpol 24, einen Statorpol 25 und einen Zahn 22 des Rotors 12 schließt sich jeweils ein magnetischer Kreis, wobei die Statorpole 24 mit ihren Jochschenkeln die Ringspule 23 übergreifen und die Statorpole 25 mit ihrem Jochsteg in Radialrichtung unterhalb der Ringspule 23 liegen, weshalb die Statorpole 24' lange und die Statorpole 25 kurze Jochschenkel besitzen. Die ebenfalls lamellierten, aus Stanzblechen zu Blechpaketen zusammengesetzten Statorpole 24, 25 sind hier am Maschinengehäuse 10 mit einer der halben Zahnteilung am Rotormodul 15 entsprechenden Polteilung τ festgelegt. Die Statorpole 24, 25 sind dabei so angeordnet, daß jeweils der eine Jochschenkel mit dem einen Rotorring 16 und der andere Jochschenkel mit dem anderen Rotorring 17 des zugeordneten Rotormoduls 12 radial fluchtet, wobei die Polflächen bildenden, freien Stirnseiten der Jochschenkel dem Rotorring 16 bzw. 17 mit radialem Luftspaltabstand gegenüberstehen.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, sind bei der zweisträngigen Ausführung der Unipolar-Transversalflußmaschine die beiden im Maschinengehäuse 10 axial nebeneinander angeordneten Statormodule 14 der beiden Moduleinheiten um 90 elektrische Grad gegeneinander verdreht, was einer halben Polteilung τ entspricht. Bei der in Fig. 1 dargestellten 32-ρoligen Ausführung der Maschine beträgt somit der Versatzwinkel in Drehrichtung 5,625° räumlich. Alternativ ist es möglich, die beiden Statormodule 14 in Achsrichtung miteinander fluchtend auszurichten und die auf der Rotorwelle 13 sitzenden Rotormodule 15 um den genannten elektrischen Winkel von 90° bzw. dem räumlichen Winkel von 5,625° gegeneinander zu verdrehen.
Zur Verbesserung des Rundlaufs der zweisträngigen Maschine gemäß Fig. 1 sind nunmehr Maßnahmen getroffen, um den Oberwellengehalt des an der Maschine abnehmbaren resultierenden Gesamtdrehmoments, der sich in sog.
Drehmomentrippeln äußert, zu reduzieren bzw. unter ein gefordertes Maß zu drücken. Diese Maßnahmen werden folgend anhand einer Moduleinheit, wie sie in Fig. 2 in Draufsicht schematisch dargestellt ist, beschrieben. Die zweite in Fig. 1 zu sehenden Moduleinheit wird dann in gleicher Weise modifiziert .
Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet ist, wird aus den in jedem Statormodul 14 vorhandenen 2n mit n=5 vorhandenen Statorpolen 24, 25 eine Mehrzahl von gleichen
Statorpolgruppen 131 - 134 gebildet, die eine gleiche Anzahl von Statorpolen 24, 25 aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind vier Statorpolgruppen 131 - 134 mit jeweils acht Statorpolen 24, 25 gebildet. Grundsätzlich beträgt die Zahl der Statorpolgruppen k = 2m, wobei m die Anzahl der im Drehmoment unterdrückten Harmonischen ist. Diese k Statorpolgruppen bilden m»k/2 Statorpolgruppen-Paare, wobei jede Statorpolgruppe 131 - 134 m Paaren zugehörig ist. Die einem Statorpolgruppen-Paar zugehörigen Statorpolgruppen sind um einen elektrischen Winkel α = 180°/v gegeneinander verschoben wobei v die Ordnungszahl derjenigen Harmonischen im Drehmoment ist, die unterdrückt werden soll.
In dem in Fig. 2 bis 7 behandelten Ausführungsbeispiel zeigt das Amplitudenspektrum des Drehmoments der unkompensierten Maschine, d. h. der wie in Fig. 1 ausgeführten Maschine, bei der die Statorpolgruppen nicht verschoben sind, sondern alle Statorpole 24, 25 mit der Polteilung t symmetrisch angeordnet sind, deutliche Amplituden der 3. und 5. Harmonischen, die zu wesentlichen Drehmomentrippeln im resultierenden Drehmoment der Moduleinheit führen. Die ebenfalls vorhandene 2.
Harmonische im Drehmoment ist unbeachtlich, da sie durch die Zweisträngigkeit der Maschine und den Versatz der beiden Moduleinheiten um 90 elektrische Grad gegeneinander im Gesamtdrehmoment der Maschine nicht auftreten sollte. Zur Kompensierung der 3. und 5. Harmonischen sind nach dem vorstehend Ausgeführten im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 von den insgesamt vorhandenen zweiunddreißig Statorpolen 24, 25 vier gleiche Statorpolgruppen 131- 134 gebildet (m = 2 , k = 22 = 4). Wie in Fig. 3 illustriert ist ergeben diese vier Statorpolgruppen 131 - 134 vier Statorpolgruppen-Paare
(ιtiok/2 = 2-2 = 4) mit den Paarungen: Statorpolgruppe 131 + 132, Statorpolgruppe 133 + 134, Statorpolgruppe 131 + 133 und Statorpolgruppe 132 + 134. In den Statorpolgruppen-Paaren 131, 132 sowie 133, 134 sind die Statorpolgruppen 131 und 132 bzw. 133 und 134 um 36° elektrisch gegeneinander verschoben (v = 5, α = 180°/v = 36°), während in den Statorpolgruppen-Paaren 131, 133 und 132, 134 die Statorpolgruppen 131 und 133 bzw. die Statorpolgruppen 132 und 134 um 60° elektrisch gegeneinander verschoben sind (v = 3, α = 180°/3 = 60°). Damit ergibt sich, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, gegenüber der Statorpolgruppe 131 eine Verschiebung der Ξtatorpolgruppe 132 um 36° elektrisch, der Statorpolgruppe 133 um 60° elektrisch und der Statorpolgruppe 134 um 96° elektrisch.
In Fig. 4 ist der Drehmomentverlauf für die vier Statorpolgruppen 131 - 134 über einen elektrischen Winkel von 360° dargestellt. Dabei zeigt die Kurve a den Drehmomentverlauf für die Statorpolgruppe 131, die Kurve b den Drehmomentverlauf für die Statorpolgruppe 132, die Kurve c den Drehmoment erlauf für die Statorpolgruppe 133 und die Kurve d den Drehmomentverlauf für die Statorpolgruppe 134. In Fig. 11 ist das sich aus der Summation dieser Kurven a, b, c, d ergebende Gesamtmoment der Moduleinheit mit e gekennzeichnet. Im Vergleich hierzu gibt die Kurve f das Gesamtmoment der Moduleinheit bei unverschobenen Statorpolen 24, 25 an. Deutlich ist zu sehen, daß nach der beschriebenen symmetrischen Verschiebung der Statorpolgruppen 131 - 134 der Drehmomentverlauf nahezu sinusförmig ist, wobei das Drehmoment allerdings um ca. 25 % abgenommen hat. Das in Fig. 6 dargestellte Amplitudenspektrum des Drehmoments gemäß Kurve e in Fig. 5 zeigt, daß die bei der uhkompensierten
Moduleinheit (Fig. 7) noch vorhandenen 3. und 5. Harmonischen nahezu vollständig unterdrückt sind.
Sollen bei der 32-poligen Unipolar-Transversalflußmaschine drei Harmonische oder Oberschwingungen unterdrückt sein, so sind die zweiunddreißig Statorpole 24, 25 in insgesamt acht Statorpolgruppen mit jeweils vier, um die Polteilung τ zueinander versetzten Statorpole 24, 25 zu unterteilen. Diese acht Statorpolgruppen gehören wechselweise zu insgesamt zwölf Statorpolgruppen-Paaren. Sollen die 3., 5. und beispielsweise die 9. Harmonische im Drehmoment unterdrückt sein, so werden in jeweils vier Statorpolgruppen-Paaren die beiden Statorpolgruppen um 20° (α = 180°/9 = 20°), in vier Statorpolgruppen-Paaren die beiden Statorpolgruppen um 36° und in vier Statorpolgruppen-Paaren die beiden Statorpolgruppen um 60° elektrisch jeweils gegeneinander verschoben.
In Fig. 8 - 12 ist eine zweite Möglichkeit der Reduzierung des Oberwellengehalts in der unko pensierten Unipolar- Transversalflußmaschine gemäß Fig. 1 illustriert. Hier erfolgt keine symmetrische Verschiebung von Statorpolgruppen, sondern eine unsymmetrische Verschiebung von einzelnen Statorpol-Paaren, die jeweils einen Magnetkreis bilden. Diese Art der Verschiebung der Statorpole 24, 25 erfordert eine Anzahl von Statorpolen 24, 25 die lediglich geradzahlig ist und nicht der Bedingung 2n, mit n als ganze Zahl, genügen muß. So kann beispielsweise eine Oberwellenreduzierung im Drehmoment einer 50~poligen oder 36-poligen Unipolar- Transversalflußmaschine erreicht werden. Außerdem werden bei dieser Art der Kompensierung die gewünschten Harmonischen nicht vollständig unterdrückt, sondern lassen sich auf eine gewünschte, im Gesamtdrehmoment nicht mehr merkbare Gröüe reduzieren. Ebenso kann man die unvermeidlich mit der Oberwellenkompensation einhergehende Absenkung der Grundschwingungsamplitude auf einen gewünschten Wert begrenzen. Zur Erläuterung der unsymmetrischen Verschiebung der • Statorpolpaare ist in Fig. 8 wiederum eine Moduleinheit mit zweiunddreißig Statorpolen 24, 25 schematisch dargestellt, bei welcher alle Statorpole 24, 25 symmetrisch um eine Polteilung τ zueinander versetzt angeordnet sind. Jeweils ein Statorpol 24 und ein Statorpol 25 bilden ein Statorpolpaar 135. Zur Reduzierung einer oder mehrerer gewünschter Harmonischen im Drehmoment der unkompensierten Maschine wird ein Statorpolpaar oder werden mehrere Statorpolpaare 135 um einen elektrischen Winkel ß aus ihrer symmetrischen
Polteilung verschoben. Die Größe des Winkels ß wird dabei so berechnet, daß die von dem jeweiligen Statorpolpaar 135 erzeugte Grundschwingung im Drehmoment größer ist als ein vorgegebener Oberwert und die auf die ausgewählten Oberschwingungen zurückgehenden Drehmomentanteile einen vorgegebenen Oberwert nicht übersteigen. Die Obergrenzen sind dabei beispielsweise so festgelegt, daß die Amplitude der Oberschwingungen oder Harmonischen weniger als 3% der Grundschwingungsamplitude bei unkompensierter Maschine beträgt und außerdem die Grundschwingungsamplitude nicht kleiner als 90% der Grundschwingungsamplitude bei der unkompensierten Maschine ist. Bei der Berechnung der Drehmomente für die einzelnen, um verschiedene Winkel ß verschobenen Statorpolpaare 35 gibt es eine Vielzahl von Lösungen, die der Formel aus der dem Kombinatorik
genügen, wobei NP die Zahl der Statorpole 24, 25 und Nw die Zahl der möglichen Winkelstellungeή ist. Aus dieser Zahl Nges der möglichen Lösungen filtert man diejenigen Lösungen heraus, die den vorstehend genannten Obergrenzen genügen, also eine mindestens 90%ige Grundschwingungsamplitude bei gleichzeitiger Reduzierung der Amplituden der Harmonischen, vorzugsweise der 3. und 5. Harmonischen, auf unter 3% bewirken.
In dem in Fig. 8 - 12 illustrierten Ausführungsbeispiel einer 32-poligen Unipolar-Transversalfluß aschine ist eine dieser möglichen Lösungen: ein Verschiebungswinkel ß = 0° elektrisch für sieben Statorpolpaare 135, ß = 36° elektrisch für fünf Statorpolpaare 135 und ß = 60° elektrisch für vier Statorpolpaare 135. Diese Verschiebung der Statorpolpaare 135 gegenüber der gleichmäßigen Polteilung τ ist in Fig. 9 angegeben. Danach werden die in der Reihenfolge ersten sieben Statorpolpaare 135 nicht verschoben, behalten also ihre symmetrische Lage wie bei der unkompensierten Maschine bei, die nächsten fünf Statorpolpaare 135 um 36° elektrisch gegenüber der symmetrischen Polteilung τ und die folgenden vier Statorpolpaare um 60° elektrisch gegenüber der symmetrischen Polteilung τ verschoben. Den aufsummierten Drehmomentverlauf der sieben unverschobenen Statorpolpare 135 zeigt Kurve g im Diagramm der Fig. 10, den aufsummierten Drehmomentverlauf der fünf um 36° elektrisch verschobenen Statorpolpaare 135 Kurve h und den aufsummierten
Drehmomentverlauf der vier um 60° elektrisch verschobenen Statorpolpaare 135 Kurve i. Das resultierende Drehmoment der Moduleinheit gibt die Kurve k in Fig. 11 wieder. Zum Vergleich ist in Fig. 11 der Drehmomentverlauf der unkompensierten Moduleinheit mit Kurve f eingezeichnet .
Wiederum ist zu sehen, daß der Drehmomentverlauf sehr viel stärker der Sinusform angeglichen ist. Das
Amplitufdenspektrum des Drehmoments in Fig. 12 zeigt, daß die Amplituden der 3. und 5. Harmonischen sehr viel kleiner sind, als bei der unkompensierten Maschine (vgl. Fig. 7) und weniger als 3% der unkompensierten Grundschwingungsamplitude betragen. Dabei ist die Amplitude des Drehmoments nicht unter 90% der Amplitude des Drehmoments der unkompensierten Maschine abgefallen.
Auch hier kann die im Drehmoment der Moduleinheit noch vorhandene 2. Harmonische (Fig. 12) unbeachtet bleiben, weil die 2. Harmonische, wie vorstehend bereits ausgeführt, durch die zweite Moduleinheit mit ihrer 90°-Verschiebung weitgehend kompensiert wird.

Claims

Ansprüche
1. Unipolar-Transversalflußmaschine mit einem um eine Rotorachse drehbaren Rotor (12), der aus mindestens einem Rotormodul (15) besteht, das aus zwei koaxial, axial beabstandeten, jeweils über ihren Außenumfang mit konstanter Zahnteilung gezahnten, ferromagnetischen Rotorringen (16, 17) und einem zwischen den Rotorringen (16, 17) eingespannten, in Richtung der Rotorachse unipolar magnetisierten Permanentmagnetring (18) zusammengesetzt ist, und mit einem den Rotor (12) umschließenden, zur Rotorachse konzentrischen Stator (11). der aus mindestens einem jedem Rotormodul (15) zugeordneten Statormodul (14) besteht, das eine der doppelten Zähnezahl entsprechende Zahl von vorzugsweise lamellierten, jochartigen Ξtatorpolen (24, 25), die um eine Polteilung (τ) zueinander in Umfangsrichtung versetzt sind und mit ihren beiden Jochschenkeln den beiden Rotorringen (16, 17) unter Belassung eines Luftspalts radial gegenüberliegen, und eine koaxial zur Rotorachse angeordnete Ringspule (23) zur Erzeugung eines Magnetflusses in den Statorpolen (24, 25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem
Statormodul (14) die Zahl der Statorpole (24, 25) 2n beträgt, wobei n eine ganze Zahl ist und mindestens ein Paar eine gleiche Zahl von Statorpolen (24, 25) aufweisende Statorpolgruppen (131 - 134) gebildet ist, die um einen elektrischen Winkel = 180°/v gegeneinander verschoben sind, wobei v die Ordnungszahl der im Drehmoment unterdrückten Oberschwingung ist.
2. Unipolar-Transversalflußmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anzahl von unterdrückten Oberschwingungen im Drehmoment k = 2m gleiche Statorpolgruppen (131 - 134) m»k/2 Statorpolgruppen-Paare (131/132, 133/134, 131/133, 132/134) bilden und jede Statorpolgruppe (131 - 134) m Paaren mit unterschiedlicher elektrischer Verschiebung (α) zugehörig ist.
3. Unipolar-Transversalflußmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Statormodul (14) eine geradzahlige Anzahl von Statorpolen (24, 25) aufweist und daß mindestens ein
Paar einem Magnetkreis zugehöriger, um eine Polteilung (τ) zueinander versetzter Statorpole (24, 25) aus der symmetrischen Polteilung (τ) um einen Winkel (ß) so verschoben ist, daß die Grundschwingungsamplitude im resultierenden Ausgangsdrehmoment der Moduleinheit größer ist als ein vorgegebener Oberwert und die Amplitude mindestens einer ausgewählten Oberschwingung einen vorgegebenen Oberwert nicht übersteigt.
4. Unipolar-Transversalflußmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberwert der Oberschwingungsamplitude im Drehmoment unter einem geforderten Prozentsatz der Grundschwingungsamplitude bei symmetrisch angeordneten, um eine Polteilung (τ) versetzten Statorpolen (24, 25) liegt.
5. Unipolar-Transversalflußmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberwert für die Grundschwingungsamplitude über einen geforderten Prozentsatz der Grundschwingungsamplitude bei symmetrisch angeordneten, um eine Polteilung (τ) versetzten Statorpolen (24, 25) liegt.
6. Unipolar-Transversalflußmaschine nach einem der Ansprüche 3 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Statorpolpaaren (24, 25)um mindestens einen gleichen Winkel (ß) verschoben ist.
7. Unipolar-Transversalflußmaschine nach einem der Ansprüche 3 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Verschiebungswinkels (ß) für einen einzigen Statormodul (14) durchgeführt wird.
8. Unipolar-Transversalflußmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (11) zwei gleiche, axial nebeneinander angeordnete
Statormodule (14) aufweist und die zugehörigen beiden Rotormodule (15) axial nebeneinander drehfest auf einer Rotorwelle (13) sitzen und daß die Stator- oder die Rotormodule (14, 15) um 90° elektrisch gegeneinander verdreht sind.
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