WO1999001924A1 - Elektrische maschine mit weichmagnetischen zähnen und verfahren zur ihrer herstellung - Google Patents

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WO1999001924A1
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soft magnetic
electrical machine
pole
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    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies

Definitions

  • the invention relates to electrical machines with soft magnetic teeth on the surface of the air gap and to processes for their production.
  • stepper motor or switched reluctance machine in various designs.
  • the toothing changes the magnetic resistance for the magnetic flux conducted over the air gap when the rotor moves.
  • the usable forces depend on the tooth geometry, the magnetizability of the soft magnetic material and the flux density in the air gap.
  • the soft magnetic body has gaps in the circumferential direction which correspond to approximately half the pole width.
  • the current flowing in the conductor ring can only form a weak magnetic field in the gaps, so that these peripheral sections contribute more to the power loss than to the useful power.
  • DE-OS 2805333 and DE 4040116 C2 describe segmented soft magnetic bodies in which the tooth cores are layered perpendicular to the layering of the yoke plates.
  • the invention has for its object to develop a machine that works according to the reluctance principle in such a way that the rotary thrust related to the air gap area is increased and the ohmic and magnetic losses are reduced at a reasonable manufacturing cost.
  • This object is achieved by the invention reproduced in the features of claims 1, 4, 6, 8 or 9.
  • the rest of the soft magnetic body has a larger cross section in the direction of the magnetic flux than the sum of the tooth surfaces bordering on the air gap.
  • the soft magnetic body in which the conductor coils are arranged, consists of individually prefabricated pole segments, which are preferably produced from grain-oriented electrical sheet. Every other pole is unwound and consists of two pole halves which are connected by a non-magnetic mounting element.
  • the number of teeth on the air gap top surface of the wound pole corresponds to twice the number of teeth of a half pole.
  • the preferably T-shaped holding element consists of a material with low magnetic and electrical conductivity and prevents the movement of the half-poles in the direction of the magnetic flux in the air gap. The half poles in turn fix the wound pole element in its position.
  • This modular structure corresponds to the second basic idea of the invention and also allows the advantageous use of grain-oriented material, the good magnetizability being optimally used in the air gap area and in the machine area in which the space between the conductor and iron material has to be divided.
  • An increase in the magnetic resistance impairing the performance of the machine only occurs in the grain-oriented pole segments at approx. 1.9 T.
  • the same increase in magnetic resistance in non-grain-oriented electrical sheet occurs at 1.6 T.
  • Only the segmentation of the wound body which is new compared to the prior art, enables the optimal use of the grain orientation in the groove area of the poles.
  • the higher flux density in the pole enables the slot width to be increased with the same air gap diameter and the same throughflow, and the additional slot space enables the winding losses to be reduced.
  • the pole winding does not have to be threaded through a narrow slot.
  • Example: Starting from a conventional machine with pole width groove width in the middle of the groove area, the pole width can be reduced by 15% by producing the pole segments from grain-oriented electrical sheet with the same flux density in the air gap.
  • the pole coil can be manufactured with a fill factor of 65% instead of 50%. Together this results in a 50% larger copper cross-sectional area per slot or a decrease in winding losses by 33%.
  • the segmentation of the wound soft magnetic body into wound poles and unwound half poles is essential for this improvement, the half pole forming at least one tooth at the air gap.
  • the wound pole and the two half poles connected to it in the yoke region form a magnetic unit which is separated from adjacent, identical magnetic units by the non-magnetic mounting elements.
  • the teeth of the half-poles separated by the holding element are at a greater distance in the direction of movement than the teeth within the magnetic unit and thereby produce a phase shift between adjacent electromagnetic units.
  • the non-magnetic mounting elements avoid restoring forces caused by unwanted stray fluxes and thus also increase the force density of the machine.
  • the negative influence of the secondary air gap is largely avoided by pressing the pole segments against each other and a significant increase in the transition area through an oblique cut.
  • an increase in the magnetic resistance in the yoke area is avoided by the yoke thickness in the direction of the groove depth corresponding to approximately 75% of the width of the wound pole.
  • the segmentation according to the invention also reduces the complexity of the punching tool and the punching blended.
  • the winding of the pole coils is simplified and the additional assembly effort due to the large number of prefabricated pole parts is justifiable when using flexible assembly machines.
  • the segmentation of the double salient pole machine according to the invention is suitable for rotating designs with radial and axial air gap fields and also for linear drives.
  • the use of diagonally rolled sheets also contributes to better use of space and materials in rotating machines, especially with transverse flow control. So far, electrical sheet metal has only been used with constant thickness.
  • the sheets are deformed before, during or after punching in the direction of the sheet thickness. This is preferably done in a rolling process before punching, the electrical steel strip having a trapezoidal cross section.
  • the trapezoidal band can advantageously be used in transverse flux machines, a complete iron ring being able to be arranged around the conductor rings with two different sheet metal cuts.
  • the flow is concentrated only in the vicinity of the magnetically active air gap in the teeth, which are preferably made of a cobalt iron alloy.
  • the use of electrical sheet lamellae with a trapezoidal cross section is also advantageous in radial flux and axial flux machines, especially in intermediate stators or rotors.
  • Fig. 1 shows a peripheral section from the cross section of a stepper motor
  • FIG. 2 shows half the cross section of a transverse flux machine, with tooth inserts made of a cobalt iron alloy
  • Fig. 3 shows a section of the axial side view of the soft magnetic
  • FIG. 1 shows a detail from the cross section of a reluctance machine 1 according to the invention, which consists of six identical electromagnetic units 2 with four teeth 3 each.
  • a reluctance machine 1 which consists of six identical electromagnetic units 2 with four teeth 3 each.
  • only one electromagnetic unit is shown, which consists of a wound pole segment 4 and two identical, unwound half-pole segments 5.
  • Pole and half-pole segments consist of grain-oriented electrical sheets laminated axially one behind the other, with the preferred direction being radially aligned.
  • the half-poles have a tooth 3 on the surface facing the air gap 6.
  • 24 stator teeth 3 are opposite 26 tooth segments 7 of the rotor 8.
  • the distance between the teeth 3 of adjacent half-poles 5 is 2/3 of the tooth width larger than the distance of the teeth within an electromagnetic unit.
  • the rotor teeth 7 do not already generate an increased magnetic resistance in front of the stator teeth 3, they also consist of grain-oriented electrical sheet.
  • the rotor ring 9 consists of non-grain-oriented electrical sheet.
  • the tangentially laminated rotor teeth 7 have a slightly trapezoidal cross section. This results from the use of trapezoidal rolled electrical steel. These are pressed as packaged rods into a heated rotor yoke ring. When cooling, the pressure of the rotor ring 9 increases on the rotor teeth 7, so that a stable fit is ensured.
  • the tangential space between the rotor teeth is filled with a mechanically stable insulating material 10, which also contributes to stabilization.
  • the space between adjacent teeth 3 of different electromagnetic units is filled by the wide end of the T-shaped mounting element 11.
  • the mounting elements also consist of a non-magnetic material with low electrical conductivity and high mechanical strength.
  • the pole coil 12 is wound onto the pole segment 4 in an upstream manufacturing step.
  • a significantly higher fill factor can be achieved than when inserting the winding through the slot 13.
  • the two adjacent half-poles 5 are pressed tangentially and are preferably attached by gluing.
  • the fully assembled electromagnetic unit 2 is now inserted axially into the preheated holder body 14.
  • the T-shaped mounting elements 11 are shortened and a pretension arises which stabilizes the three-part soft magnetic body of the electromagnetic unit even with the high fluctuations of the normal magnetic forces in the air gap.
  • the structure is cast after assembly.
  • a claw-shaped body (not shown) can engage in the grooves of the pole segments and thus contribute to stabilization.
  • FIG. 2 shows a section through half the cross section of a two-phase transverse flux machine 15.
  • Small tooth inserts 17 made of a cobalt iron alloy are inserted in the sheet metal cut 16 made of non-grain-oriented electrical sheets.
  • the rotor segments 18, which likewise consist of a cobalt iron alloy are always only opposite tooth inserts or depressions 19.
  • the sheet metal cuts 16 enclose the conductor ring 20 over the entire circumference and the flux density is also at maximum flux density (2.3 T) in the tooth inserts 17 in the rest of the soft magnetic body 21 are limited to values between 1.2 and 1.4 T which are favorable for the magnetic power loss.
  • the soft magnetic body 21 embeds the conductor ring 20 without gaps on three sides in the tangential direction, the electrical current can contribute uniformly to the generation of the magnetic field over the entire length of the conductor.
  • the much more expensive, highly permeable material is used only at the critical constrictions of the magnetic flux.
  • the proportion of the rotor segments and tooth inserts in the weight of the soft magnetic body can be reduced to 10 to 20% by the design according to the invention. This results in considerable savings in material costs compared to a machine of conventional design that is made entirely of a cobalt iron alloy with roughly the same performance.
  • Fig. 3 it can be seen how a gapless soft magnetic ring 21 is produced by tangential layering of electrical sheets 22 with a trapezoidal cross section.
  • Electrical sheets with a trapezoidal cross section can - as the rotor teeth in FIG. 1 show - also be used advantageously in radial flux machines.
  • such formed electrical sheets can be used to make better use of the space and thus to increase the performance of segmented axial flow machines.

Abstract

Nach dem Reluktanzprinzip funktionierende elektrische Maschinen weisen zwischen den bewegten und stehenden Teilen gezahnte Luftspaltoberflächen auf. Die Magnetisierbarkeit der Zähne beeinflußt unmittelbar die Leistungsfähigkeit der Maschine. Erfindungsgemäß bestehen die in den Luftspalt ragenden Zähne aus einem Material, das gegenüber dem übrigen weichmagnetischen Körper eine günstigere Magnetisierbarkeit und/oder eine höher magnetische Sättigungsflußdichte aufweist. Vorzugsweise ist dies kornorientiertes Elektroblech oder eine Kobalteisen-Legierung. Alternativ oder ergänzend kann der weichmagnetische Körper, in dem die Leiterspulen angeordnet sind, durch eine geeignete Segmentierung auch vollständig aus kornorientiertem Material hergestellt werden, wobei jeder zweite Pol unbewickelt ist und aus zwei Polhälften besteht, die durch ein unmagnetisches Halterungselement getrennt sind. Ebenfalls zu einer besseren Raum- und Materialausnutzung in rotierenden Maschinen, besonders bei transversaler Flußführung, trägt die Verwendung von schräg gewaltzten Blechen bei. Die erfindungsgemäßen Bauformmerkmale erhöhen bei geringem Stanzverschnitt die Leistungsfähigkeit von elektrischen Maschinen mit weichmagnetischen Zähnen an der Luftspaltoberfläche und senkt deren Verluste.

Description

Elektrische Maschine mit weichmagnetischen_Zähnen und Verfahren zur ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen mit weichmagnetischen Zähnen an der Luftspaltoberfläche und Verfahren zur ihrer Herstellung.
Elektrische Maschinen mit weichmagnetischen Zähnen an der Luftspaltoberfläche, sind unter den Bezeichnungen Schrittmotor oder geschaltete Reluktanzmaschine in vielfälltigen Bauformen bekannt. Durch die Zahnung ändert sich beim Bewegen des Läufers der magnetischen Widerstand für den über den Luftspalt geführten magnetischen Fluß. Die nutzbaren Kräfte sind von der Zahngeometrie, der Magnetisierbarkeit des weichmagnetischen Materials und der Flußdichte im Luftspalt abhängig.
Eine Bauart die sich insbesonder durch eine einfache Wickeltechnik auszeichnet ist die Transversalflußmaschine. Der weichmagnetische Körper weist in Umfangsrichtung Lücken auf die in etwa der halben Polbreite entsprechen. In den Lücken kann der im Leiterring fleißende Strom nur ein schwaches Magnetfeld ausbilden, sodaß diese Umfangsabschnitte mehr zur Verlustleistung als zur Nutzleistung beitragen.
Aus der DE 4325740 Cl ist eine Transversalflußmaschine bekannt in der um den Leiterring U-förmige weichmagnetische Kerne angeordnet sind deren tangentiale Breite mit dem Radius überproportional zunimmt. Hierdurch entstehen zwischen den radial inneren Enden der Kerne in Umfangsrichtung Lücken die breiter als die Kernbreite sind.
In der DE-OS 2805333 und der DE 4040116 C2 werden segmentierte weichmagnetische Körper beschrieben, in denen die Schichtung der Zahnkerne senkrecht zur Schichtung der Jochbleche erfolgt.
Aus der DE 34 14312 AI ist eine permanenterregte Maschine mit Elektromagnetgruppen bekannt, die in Bewegungsrichtung an beiden Enden unbewickelte Halbpole aufweisen. Durch eine Lücke zwischen den Elektropoleinheiten wird der Phasenversatz gebildet. Die Pole und Halbpole weisen Polschuhe auf, die mit einer ebenen Luftspaltoberfläche nur enge Nut- schlitze zum Einlegen der Drahtwicklung offen lassen. Der elektromagnetische Eisenkreis der Elektromagnetgruppen ist einstückig ausgeführt.
Weiterin ist aus der DE 4241085 AI bekannt, Polschuhe mit einer Schwalbenschwanzverbindung auf Polkernen zu befestigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach dem Reluktanzprinzip funktionierende Maschine derart weiterzuentwickeln, daß bei vertretbaren Herstellungskosten der auf die Luftspaltfläche bezogene Drehschub vergrößert und die ohmschen und magnetischen Verluste vermindert werden. Diese Aufgabe wird durch die in den Merkmalen der Ansprüche 1, 4, 6, 8 oder 9 wiedergegebene Erfindung gelöst.
Erfindungsgemäß bestehen die in die Luftspaltöberfläche angrenzenden weichmagnetischen Zähne aus einem Material, das gegenüber dem übrigen weichmagnetischen Körper eine höher Flußdichte bei gleicher magnetischer Feldstärke und/oder eine höhere magnetische Sättigungsflußdichte aufweist. Vorzugsweise wird in den Zähnen kornorientiertes Elektroblech oder eine Kobalteisen-Legierung eingesetzt.
Damit der leistungssteigernde Effekt nicht beeinträchtigt wird, weist der übrige weichmagnetische Körper in Richtung des magnetischen Flusses insgesamt einen größeren Querschnitt auf, als die Summe der an den Luftspalt grenzenden Zahnoberflächen.
Beispiel: Durch den Einsatz einer Kobalteisenlegierung kann die Flußdichte in den Zähnen bei gleicher Bestromung der Maschine um bis zu 20 % gesteigert werden (2,3 T anstatt 1,9T). Bei gleicher Luftspaltöberfläche bzw. in etwa gleicher Maschinengröße steigt die Leistungsfähigkeit der Maschine um 44 % .
Alternativ oder ergänzend besteht der weichmagnetische Körper, in dem die Leiterspulen angeordnet sind, aus einzeln vorgefertigten Polsegmente, die vorzugsweise aus kornorientiertem Elektroblech hergestellt werden. Jeder jeder zweite Pol ist unbewickelt und besteht aus zwei Polhälften, die durch ein unmagnetisches Halterungselement verbunden sind. Die Anzahl der Zähne auf der Luftspaltöberfläche des bewickelten Poles entspricht der doppelten Anzahl der Zähne eines Halbpols. Das vorzugsweise T-förmige Halteelement besteht aus einem Material mit niedriger magnetischer und elektrischer Leitfähigkeit und verhindert die Bewegung der Halbpole in Richtung des magnetischen Flusses im Luftspalt. Die Halbpole fixieren wiederum das bewickelte Polelement in seiner Position.
Dieser modulare Aufbau entspricht dem zweiten Grundgedanken der Erfindung und erlaubt ebenfalls den vorteilhaften Einsatz kornorientierten Materials, wobei im Luftspaltbereich und in dem Maschinenbereich, in dem der Raum zwischen Leiter- und Eisenmaterial aufgeteilt werden muß, die gute Magnetisierbarkeit optimal genutzt werden kann. Ein die Leistungsfähigkeit der Maschine beeinträchtigende Erhöhung des magnetischen Widerstandes tritt in den kornorientierten Polsegmenten erst bei ca. 1,9 T auf. Dagegen tritt die gleiche Erhöhung des magnetischen Widerstandes in nichtkornorientiertem Elektroblech bereits bei 1,6 T auf. Erst die gegenüber dem Stand der Technik neuartige Segmentierung des bewickelten Körpers ermöglicht die optimale Nutzung der Kornorientierung in denm Nutbereich der Pole. Die höher Flußdichte im Pol ermöglicht bei gleichem Luftspaltdurchmesser und gleicher Durchflutung eine Vergrößerung der Nutbreite und der zusätzliche Nutraum ermöglicht eine Senkung der Wicklungsverluste. Zusätzlich muß die Polwicklung nicht durch einen engen Nutschlitz eingefädelt werden.
Beispiel: Ausgehend von einer konventionellen Maschine mit Polbreite = Nutbreite in der Mitte des Nutbereichs kann durch die Herstellung der Polsegmente aus kornorientiertem Elektroblech bei gleicher Flußdichte im Luftspalt die Polbreite um 15 % vermindert werden. Zusätzlich ist die Polspule - dank der günstigeren Wickeltechnik - mit 65 % anstatt 50 % Füllfaktor herstellbar. Zusammen ergibt sich eine 50 % größerer Kupferquerschnittsfläche pro Nut bzw. eine Abnahme der Wicklungsverluste um 33 % .
Wesentlich für diese Verbesserung ist die Segmentierung des bewickelten weichmagnetischen Körpers in bewickelte Pole und unbewickelte Halbpole, wobei der Halbpol mindestens einen Zahn am Luftspalt ausbildet. Der bewickelte Pol und die beiden mit ihm im Jochbereich verbundenen Halbpole bilden eine magnetische Einheit, die durch die unmagnetischen Halterungselemente von benachbarten baugleichen magnetischen Einheiten getrennt ist. Die Zähne der durch das Halterungselement getrennten Halbpole weisen einen größeren Abstand in Bewegungsrichtung auf als die Zähne innerhalb der magnetischen Einheit und erzeugen hierdurch einen Phasenversatz zwischen benachbarten elektomagnetischen Einheiten.
Die unmagnetischen Halterungselemente vermeiden Rückstellkräfte durch unerwünschte Streuflüsse und steigern damit ebenfalls die Kraftdichte der Maschine. Der negative Einfluß des sekundären Luftspaltes wird durch ein Anpreßen der Polsegmente gegeneinander und eine deutliche Erhöhung der Übergangsfläche durch einen schrägen Schnitt weitgehend vermieden. Zusätzlich wird eine Erhöhung des magnetischen Widerstandes im Jochbereich vermieden, indem die Jochdicke in Richtung der Nuttiefe ca. 75 % der Breite des bewickelten Pols entspricht. Die Kombination der Effekte günstigere Magnetisierung durch kornorientierte Polsegmente kompakte Wickeltechnik der Polspulen kurze Flußwege und Entkoppelung der Phasen durch magnetisch getrennte Einheiten führt zu einer deutlichen Steigerung der Leistungsdichte.
Neben der Verbesserung der Leistungsfähigkeit und geringerer Wicklungsverluste vermindert die erfindungsgemäße Segmentierung auch die Komplexität des Stanzwerkzeuges und den Stanz- verschnitt. Das Wickeln der Polspulen wird vereinfacht und der zusätzlich Montageaufwand durch die Vielzahl der vorgefertigten Polteile ist beim Einsatz flexibler Montageautomaten vertretbar. Die erfindungsgemäße Segmentierung der Doppelschenkelpolmaschine eignet sich für rotierende Bauformen mit radialem und axialem Luftspaltfeld und auch für Linearantriebe.
Ebenfalls zu einer besseren Raum- und Materialausnutzung in rotierenden Maschinen, besonders bei transversaler Flußführung, trägt die Verwendung von schräg gewalzten Blechen bei. Bisher werden im Elektromaschinenbau ausschließlich Elektroblech mit konstanter Dicke eingesetzt. Entsprechend dem dritten Grundgedanken der Erfindung werden die Bleche vor, beim oder nach dem Stanzen in Richtung der Blechdicke verformt. Vorzugsweise erfolgt dies in einem Walzvorgang vor dem Stanzen, wobei das Elektroband einen trapezförmigen Querschnitt erhält.
Das trapezförmige Band kann vorteilhaft in Transversalflußmaschinen eingesetzt werden, wobei mit zwei unterschiedlichen Blechschnitten ein kompletter Eisenring um die Leiterringe angeordnet werden kann. Der Fluß wird lediglich in der Nähe des magnetisch aktiven Luftspalts in den Zähnen konzentriert, die vorzugsweise aus einer Kobalteisen-Legierung bestehen. Der Einsatz von Elektroblechlamellen mit trapezförmigem Querschnitt ist aber auch in Radialfluß- und Axialflußmaschinen, besonders in Zwischenstatoren oder -rotoren, vorteilhaft.
In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Umfangsausschnitt aus dem Querschnitt einen Schrittmotors mit
Außenläufer mit Polschuhkappen und zusammengesetztem Rotorring, Fig. 2 zeigt den halben Querschnitt einer Transversalflußmaschine, mit Zahneinsätzen aus einer Kobalteisen-Legierung, Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus der axiale Seitenansicht des weichmagnetischen
Körpers der Transversalflußmaschine aus Fig. 2.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt einer erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine 1, die aus sechs baugleichen elektromagnetischen Einheiten 2 mit jeweils vier Zähnen 3 besteht. Im Ausschnitt ist nur eine elektromagnetische Einheit dargestellt, die aus einem bewickelten Polsegment 4 und zwei baugleichen, unbewickelten Halbpolsegmenten 5 besteht. Pol- und Halbpolsegmente bestehen aus axial hintereinandergeschichteten kornorientierten Elektroblechen, wobei die Vorzugsrichtung radial ausgerichtet ist. Die Halbpole weisen an der zum Luftspalt 6 weisenden Oberfläche einen Zahn 3 auf. 24 Statorzähnen 3 liegen 26 Zahnsegmente 7 des Rotors 8 gegenüber. Der Abstand zwischen den Zähnen 3 benachbarter Halbpole 5 ist um 2/3 der Zahnbreite größer als der Abstand der Zähne innerhalb einer elektromagnetischen Einheit. Die Zähnezahl pro elektromagnetischer Einheit kann auf 4, 8, 12, 16 [bzw. 4»k mit k = ganzzahlig] und die Anzahl der elektromagnetischen Einheiten kann eine beliebiges Vielfaches der Phasenanzahl betragen.
Damit die Rotorzähne 7 nicht bereits vor den Statorzähnen 3 einen erhöhten magnetischen Widerstand erzeugen, bestehen sie ebenfalls aus kornorientiertem Elektroblech. Dagegen besteht der Rotorring 9 aus nichtkornorientierten Elektroblech. Die tangential geblechten Rotorzähne 7 weisen einen leicht trapezförmigen Querschnitt auf. Dieser entsteht durch den Einsatz trapezförmig gewalzter Elektrobänder. Diese werden als paketierte Stäbe in einen erwärmten Rotorjochring gepreßt. Beim Abkühlen erhöht sich der Druck des Rotorrings 9 auf die Rotorzähne 7, so daß ein stabiler Sitz gewährleistet ist. Zusätzlich wird der tangentiale Raum zwischen den Rotorzähnen mit einem mechanisch stabilen Isolierstoff 10 ausgefüllt, der ebenfalls zur Stabilisierung beiträgt.
Im Stator ist der Raum zwischen benachbarten Zähnen 3 unterschiedlicher elektromagnetischer Einheiten durch das breite Ende des T-förmigen Halterungselements 11 ausgefüllt. Die Halterungselemente bestehen ebenfalls aus einem unmagnetischen Werkstoff mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit.
Die Polspule 12 wird in einen vorgelagerten Fertigungsschritt auf das Polsegment 4 gewickelt. Hierbei ist durch ein exaktes Legen des unter Zugspannung stehenden Drahtes ein erheblich höherer Füllfaktor realisierbar, als beim Einlegen der Wicklung durch den Nutspalt 13. Anschließend werden die beiden angrenzenden Halbpole 5 tangential aufgepreßt und dabei vorzugsweise durch Kleben angefügt. Die fertig montierte elektromagnetische Einheit 2 wird nun in den vorgewärmten Halterungskörper 14 axial eingeschoben. Beim Abkühlen verkürzen sich die T-förmigen Halterungselemente 11 und es entsteht eine Vorspannung, die den dreiteiligen weichmagnetischen Körper der elektromagnetischen Einheit auch bei den hohen Schwankungen der magnetischen Normalkräfte im Luftspalt stabilisiert. Zusätzlich wird der Aufbau nach der Montage vergoßen. Ergänzend kann in die Nuten der Polsegmente ein klauenförmiger Körper (nicht dargestellt) eingreifen und so zur Stabilisierung beitragen.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch den halben Querschnitt einer zweiphasigem Transversalflußmaschine 15 dargestellt. In dem Blechschnitt 16 aus nichtkornorientierten Elektroblechen sind kleiner Zahneinsätze 17 aus einer Kobalteisen-Legierung eingefügt. In Bewegungsrichtung liegen den ebenfalls aus einer Kobalteisen-Legierung bestehenden Rotorsegmenten 18 immer nur Zahneinsätze oder Vertiefungen 19 gegenüber. Dagegen umschließen die Blechschnitte 16 den Leiterring 20 über den gesamten Umfang und die Flußdichte ist auch bei maximaler Flußdichte (2,3 T) in den Zahneinsätzen 17 im übrigen weichmagnetischen Körper 21 auf für die magnetische Verlustleistung günstige Werte zwischen 1,2 und 1,4T begrenzt. Da der weichmagnetische Köφer 21 den Leiterring 20 an drei Seiten in tangentiale Richtung lückenlos einbettet, kann der elektrische Strom auf der gesamten Leiterlänge gleichmäßig zur Magnetfelderzeugung beitragen. Nur an den kritischen Verengungen des magnetischen Flusses wird das wesentlich teurere hochpermeable Material eingesetzt.
Der Anteil der Rotorsegmente und Zahneinsätze am Gewicht des weichmagnetischen Körpers kann durch die erfindungsgemäße Bauform auf 10 bis 20 % reduziert werden. Hierdurch entstehen bei in etwa gleicher Leistungsfähigkeit erhebliche Einsparungen bei den Materialkosten gegenüber einer vollständig aus einer Kobalteisen-Legierung bestehenden Maschine konventioneller Bauart.
Die Verbesserung der Wandlung von elektrischer Energie in magnetische Energie wird hierbei durch den Einsatz von Elektroblechen mit varialer Dicke bewirkt. In Fig. 3 ist erkennbar, wie ein lückenloser weichmagnetischer Ring 21 durch tangentiale Schichtung von Elektroblechen 22 mit trapezförmigem Querschnitt hergestellt wird.
Elektrobleche mit trapezförmigen Querschnitt sind - wie die Rotorzähne in Fig. 1 zeigen - auch vorteilhaft in Radialflußmaschinen einsetzbar. Weiterhin sind derartig umgeformte Elektrobleche zur besseren Ausnutzung des Raumes und damit zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von segmentierten Axialflußmaschinen einsetzbar.
Im Raum zwischen den weichmagnetischen Zähnen können auch Permanentmagnete als magnetische Blenden eingesetzt werden. Die Erfindung beschänkt sich nicht auf reine Reluktanzmaschinen, sondern schließt auch Hybridmotoren und -generatoren ein, die zusätzlich zur weichmagnetischen Zahnung am Luftspalt Permanentmagneten, Kurzschluß- oder Erregerwicklungen aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1) Elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Köφern (4, 5, 7, 21) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weichmagnetischer Körper (21), einen Teilbereich (7, 17) in der Nähe des Luftspaltes (6) aufweist, der aus einem Werkstoff mit höherer Magnetisierbarkeit und/oder höherer Sättigungsflußdichte besteht, als der ein weiter vom Luftspalt entfernt angeordnete Teilbereich (9, 16) des weichmagnetischen Körpers (21), der zum gleichen magnetischen Kreis gehört.
2) Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weichmagnetischer Körper am Luftspalt Zähne (7) aus kornorientiertem Elektroblech aufweist und mindestens ein weiterer Teil (9) des weichmagnetischen Körpers aus aus nichtkornorientiertem Elektroblech besteht.
3) Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weichmagnetischer Köφer (21) am Luftspalt Zähne (17) aus einer Kobalteisen-Legierung aufweist und mindestens ein weiterer Teil (16) des weichmagnetischen Köφers (21) aus einer anderen Eisenlegierungen besteht.
4) Elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Köφern (4, 5, 7, 21) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weichmagnetischer Köφer (21) Elektrobleche mit variabler Blechdicke aufweist.
5) Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer rotierenden Maschine der weichmagnetische Köφer (21) in tangentiale Richtung geblecht ist und die Blechdicke mit dem Radius zunimmt. 6) Elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Köφern (4, 5, 7) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Baugruppe mindestens zwei elektromagnetische Einheiten (2) aufweist, die aus mindestens einem bewickelten Polsegment (4) und zwei unbewickelten Halbpolsegmenten (5) besteht und die Halbpolsegmente (5) im Jochbereich flächig an mindestens einem Polsegment (4) anliegen.
7) Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarte Halbpolsegmenten (5) ein T-förmiges Halterungselement angeordnet ist, das die elektromagnetischen Einheiten (2) magnetisch trennt und eine Bewegung der an im anliegenden Halbpolsegmeπte (5) verhindert.
8) Verfahren zur Herstellung einer elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Köφern (4, 5, 7, 21) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrobleche vor, beim oder nach dem Stanzen derart umgeformt werden, daß die Blechdicke varriiert.
9) Verfahren zur Herstellung einer elektrische Maschine mit mindestens zwei zueinander beweglichen Baugruppen (2, 8), die durch einen Luftspalt (6) voneinander getrennt sind und die jeweils mindestens einen weichmagnetischen Köφern (4, 5, 7, 21) aufweisen, wobei Teilbereiche der zum Luftspalt (6) weisenden Oberflächen der mindestens zwei Baugruppen (2, 8) für den magnetischen Fluß inhomogene Eigenschaften aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische Köφer eines Polsegmentes unabhängig von anderen Teilen des weichmagnetischen Köφers vorgefertigt und nach dem Auftragen einer Kernisolierung mit einem gespannten Leiterdraht bewickelt wird, und an den vorgefertige bewickelte Pol anschließend zwei unbewickelte Halbpole von unterschiedlichen Seiten angefügt werden.
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