DE60019564T2

DE60019564T2 - Mehrpoliger elektrischer motor/generator mit axialem magnetischen fluss

Info

Publication number: DE60019564T2
Application number: DE60019564T
Authority: DE
Inventors: Kim Dam Larsen; Peter Rasmussen; Uffe Dam Larsen
Original assignee: NEG Micon Control Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: JP4148647B2; DE1159780T1; EP1159780A1; ES2168235T1; NO323651B1; NO20013869L; DE60019564D1; ATE293848T1; CN1340238A; AU2430500A; EP1159780B1; JP2002537750A; CN100490279C; KR20010102036A; NO20013869D0; WO2000048297A1; ES2168235T3; US6844656B1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und insbesondere eine Synchronmaschine. Die elektrische Maschine kann, wie später beschrieben, entweder als Motor oder Generator arbeiten und wird im Folgenden lediglich als Generator bezeichnet.
Hintergrund der Erfindung
Elektrische Generatoren können in vielen unterschiedlichen Gebieten verwendet werden. Wenn ein Generator beispielsweise in einer Windturbine verwendet wird, ist einer der bedeutsameren ökonomischen Parameter hinsichtlich der Dimensionierung der Windturbine die Größe des Gehäuses. Daher ist es von großer Bedeutung, in der Lage zu sein, den Durchmesser der Windturbine zu minimieren. Um das Gehäuse zu minimieren, muss man das Getriebe/Getrieberad minimieren, das den Flügel und den Generator verbindet. Dies kann erreicht werden, indem ein Generator bereitgestellt wird, der pro Umdrehung eine relativ große Wirkung aufweist.
Ein Weg dies zu erreichen, besteht darin, einen Generator mit einem radialen Umfang so klein wie möglich zu erhalten, weil der Generator eine relativ große Menge des Raums in dem Gehäuse der Windturbine einnimmt.
Ein anderer zu berücksichtigender Aspekt, wenn Generatoren in Windturbinen implementiert werden, ist, dass der Generator sowohl bei einer geringen als auch einer hohen Anzahl von Umdrehungen wirksam sein muss.
Eine elektrische Maschine, die auf einem herkömmlichen Generator mit radialem magnetischen Fluss (siehe 1) basiert, wird am Häufigsten verwendet.
Ein Hauptproblem bei Generatoren dieser Art besteht in bestimmten Situationen darin, dass Durchmesser für eine gegebene Ausgangsleistung aufgrund der Konstruktion mit einem radial aufgebauten Stator relativ groß ist.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Stator den Rotor umgibt/umfasst, wodurch der Durchmesser des Generators vergrößert wird.
Ein weiterer Nachteil ist die relativ geringe Induktion in dem Luftspalt, der durch die einzelne Anordnung des Materials zwischen dem Polkern (7) und der Ausnehmung (2) selbst verursacht ist, da nur das Material (7) den magnetischen Fluss führt und nur etwa 50 % des freien Raums in Richtung zu dem Spalt abdeckt.
Ein weiterer Nachteil ist die Verwendung eines Spulmaterials, das keinem anderen Zweck dient, als die gewickelten Spulen (3) zu verbinden, die in den Ausnehmungen (2) angeordnet sind.
Ein anderer Nachteil ist der komplexe Vorgang, der im Zusammenhang mit dem Einsetzen der Spulen (3) durch die schmalen Öffnungen in den Ausnehmungen (2) durchgeführt wird.
Es gibt viele Generatoren vergleichbarer Art, die auf eine Weise oder eine andere optimiert sind, sie weisen aber alle einen radialen magnetischen Fluss auf und bringen daher das gleiche Problem mit sich, d. h. einen relativ größeren Durchmesser wie der Eine oben beschriebene.
Das US-Patent US 5,436,518 A offenbart einen Elektromotor, der einen an einer Welle mit einer Drehachse befestigten Rotor, wobei der Rotor zwei Permanentmagnete umfasst, und einen durch Luftspalte von dem Rotor getrennten Stator umfasst, wobei der Stator eine Vielzahl an separaten Polkernen umfasst, von denen jeder eine entsprechende separate Spule aufweist, die auf diesen gewickelt ist und diesen umgibt. Jeder Polkern bildet einen Teil von mehr als einem Magnetkreis. Wenigstens ein Teil jedes Statorpolkerns ist so angeordnet, dass er sich parallel zu der Drehachse erstreckt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Maschine bereitgestellt, die umfasst:
einen Rotor, der an einer Welle mit einer Drehachse befestigt ist, wobei der Rotor eine Vielzahl von Magneten oder Mitteln zur Erzeugung eines magnetischen Felds umfasst,
einen Stator mit Luftspalten, die zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet sind, wobei der Stator eine Vielzahl von separaten Polkernen mit entsprechenden separaten Spulen oder einem Satz von Windungen umfasst, die um die Polkerne gewickelt sind und diese umgeben, wobei die Polkerne so angeordnet sind, dass wenigstens ein Teil von einem oder mehreren der Polkerne unter einem Winkel zu der Drehachse angeordnet ist, wobei der Winkel gleich oder größer 0 Grad und kleiner 90 Grad ist, und wobei die Polkerne einen Teil (Teile) eines oder mehrer magnetischer Flusspfade bereitstellen,
wobei ein magnetischer Flusspfad zwei und nur zwei Polkerne und zwei und nur zwei Luftspalte umfasst.
Vorzugsweise weist jeder separate Polkern eine entsprechende separate Spule oder einen Satz von Windungen auf.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Maschine bereitgestellt, die umfasst:
einen Rotor, der an einer Welle mit einer Drehachse befestigt ist, wobei der Motor eine Vielzahl von Magneten oder Mitteln zum Erzeugen eines magnetischen Felds umfasst,
einen Stator mit Luftspalten, die zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet sind, wobei der Stator eine Vielzahl von separaten Polkernen mit entsprechenden separaten Spulen oder einem Satz von Windungen umfasst, die um die Polkerne gewickelt sind und diese umgeben, wobei die Polkerne so angeordnet sind, dass wenigstens ein Teil von einem oder mehreren der Polkerne unter einem Winkel zu der Drehachse angeordnet ist, wobei der Winkel gleich oder größer als 0 Grad oder kleiner 90 Grad ist, und wobei die Polkerne einen Teil (Teile) von einem oder mehreren magnetischen Flusspfaden bereitstellen,
wobei die Vielzahl von Magneten oder Mitteln zum Erzeugen eines magnetischen Felds in Paaren angeordnet ist, die einander zugewandte Pole gleicher Polarität aufweisen.
Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Generator/Motor oder eine elektrische Maschine bereitzustellen, bei der ein magnetischer Flussweg durch einen oder mehrere Polschenkel oder Polkerne bereitgestellt ist, die durch Stromwindungen oder Spulen umgeben sind. Wenn ein Polschenkel oder -kern von einer entsprechenden separaten Spule umgeben ist, kann eine hohe magnetische Flussdichte durch den Polschenkel oder -kern hindurch geführt werden, was verglichen mit bekannten Maschinen, wo zum Beispiel ein großer Statordurchmesser erforderlich sein kann, um einen starken magnetischen Fluss zu leiten, zu einem geringen Materialverbrauch für die Polschenkel oder Polkerne führt.
Indem die Spulen auf Polkerne gewickelt sind und/oder diese umgeben, kann ein Polkern oder ein Teil eines Polkerns in jeder geeigneten Richtung einschließlich einer im Wesentlichen axialen Richtung angeordnet sein. Folglich stellt die vorliegende Erfindung einen Generator/Motor bereit, der einen relativ kleinen Durchmesser aufweisen kann. Es sollte verständlich sein, dass der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung mehrere Ausführungsformen abdeckt. Gemäß der Erfindung sind die Magnete oder Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds in dem Rotor angeordnet und die Polschenkel oder Polkerne in dem Stator angeordnet.
Wenn die Polkerne angeordnet werden, können sie so angeordnet werden, dass wenigstens ein Teil von einem oder mehreren der Polkerne parallel zu oder unter einem Winkel mit der Drehachse angeordnet sind, wobei der Winkel gleich oder größer als 0 Grad und kleiner 90 Grad ist. Hier kann der Winkel kleiner 45 Grad oder kleiner 30 Grad sein.
Es ist jedoch bevorzugt, dass wenigstens ein Teil von einem oder mehreren der Polkerne im Wesentlichen parallel zu der Drehachse ist, wodurch eine Auslegung mit einem kleinen Durchmesser ermöglicht wird. Die Spulen sind um die Polkerne gewickelt, so dass eine oder mehrere Wicklungen oder Spulen Achsen aufweisen können, die im Wesentlichen parallel zu der Drehachse sind.
Die Polkerne können auch so angeordnet sein, dass ein Teil eines Polkerns im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse der Wellen steht. Eine Spule oder Wicklung kann auf den Teil des Polkerns gewickelt sein, der im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse steht, die Spule kann aber auch auf einen anderen Teil des Polkerns gewickelt sein, wobei der andere Teil eine andere Richtung aufweist. Daher können eine oder mehrere Wicklungen oder Spulen Achsen aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse sind.
Der Rotor kann so angeordnet sein, dass wenigstens ein Teil des Rotors im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse ist. Es ist auch bevorzugt, dass der Rotor kreisförmig ist.
Beim Anordnen der Magneten oder Mitteln zum Erzeugen magnetischer Felder und der Polkerne sind diese gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung so angeordnet, dass ein magnetischer Flussweg Flusswege durch zwei Polkerne aufweist. Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung deckt jedoch auch eine Ausführungsform ab, bei der ein magnetischer Flussweg einen Flussweg durch einen Polkern und die Rotorwelle aufweist. Dabei können zwei Rotoren verwendet werden, wobei die Rotoren im Wesentlichen der Welle gegenüberliegend angeordnet sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind, wo Polkerne ein Teil des Stators sind, zwischen dem Rotor und dem Stator Luftspalte ausgebildet. Hier ist es bevorzugt, dass es für einen separaten Polkern oder Polschenkel nur einen entsprechenden Luftspalt gibt. Gemäß der ersten Ausführungsform gibt es für jeden separaten Polkern einen und nur einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor. Für einen magnetischen Flussweg, der zwei und nur zwei Polkerne einschließt, umfasst der magnetische Flussweg daher zwei und nur zwei Luftspalte.
Für Ausführungsformen der Erfindung, die einen Rotor aufweisen, ist es bevorzugt, dass der Stator ferner eine magnetisch leitende Endplatte umfasst, die mit den Polschenkel oder -kernen verbunden ist. Hierbei sollte die Endplatte im Wesentlichen parallel zu dem Rotor sein und diesem gegenüber liegen.
Beim Anordnen der Magnete oder Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds und der Pole können diese so angeordnet sein, dass die Anzahl der Polkerne der Anzahl von Magneten oder Mitteln zum Erzeugen eines magnetischen Felds entspricht.
Es sollte verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung Ausführungsformen mit unterschiedlichen Anordnungen der Magnete oder Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds abdeckt. Diese können daher radial und gleich beabstandet in dem Rotor angeordnet sein. Sie können auch an einer Seite des Rotors angeordnet sein, die Enden der Polkerne zugewandt ist. Alternativ können sie an dem Außenumfang des Rotors angeordnet sein.
Es ist bevorzugt, dass die Maschine der vorliegenden Erfindung ferner Polschuhe umfasst, diese können vorzugsweise zwischen den Magneten oder Mitteln zum Erzeugen eines magnetischen Felds angeordnet sein.
Es sollte verständlich sein, dass die Magnete oder Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds so angeordnet sein können, dass sie den magnetischen Fluss in dem Luftspalt konzentrieren.
Vorteilhafterweise sind daher die Magnete oder Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds so angeordnet, dass sie im Wesentlichen in eine V-, U- oder L-Form passen, wodurch der magnetische Fluss in dem Luftspalt konzentriert wird.
Die V- oder L-Form kann erreicht werden, indem die Magnete oder Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds paarweise angeordnet werden, um die V- oder L-Form zu erreichen.
Es sollte verständlich sein, dass, wenn die Magnete oder Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds in einer V-Form angeordnet sind, die Magnete oder Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds angeordnet sein können, um im Wesentlichen in zwei oder mehr V-Formen zu passen.
Es sollte verständlich sein, dass gemäß der vorliegenden Erfindung die Magnete und/oder die Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds Permanentmagnete oder Elektromagnete sein können.
Bei Herstellung der Windungen oder Spulen der oben beschriebenen Maschinen ist es bevorzugt, eine flache konzentrierte Spule zu verwenden. Beim Erzeugen der Polkerne ist es bevorzugt, dass diese aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt sind, wobei das leitende Material vorzugsweise ein feldorientiertes weichmagnetisches Laminat ist.
Die Maschine gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise als einphasige Synchronmaschine ausgebildet sein. Die Maschine kann die Form eines Generators aufweisen, der über die Welle mit einer mechanischen Kraft/Leistung versorgt werden kann, um eine elektrische Leistung über die Windungen zu erzeugen, oder die Maschine kann die Form eines Motors aufweisen, der mit Leistung von einer elektrischen Quelle über die Windungen versorgt werden kann, um über die Welle eine mechanische Kraft/Leistung zu erzeugen.
Es sollte verständlich sein, dass ein Generator gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gut geeignet sein kann, um in einer Windturbine verwendet zu werden.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Maschine oder Generator/Motor bereitzustellen, der eine mehrphasige Ausgangsleistung bereitstellen kann, ohne dabei den Durchmesser des Generators zu vergrößern. Die mehrfache Anzahl von Phasen kann erreicht werden, indem eine entsprechende Anzahl von einphasigen Maschinen gemäß einer der oben genannten Ausführungsformen in Reihe angeordnet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Polkerne durch im Wesentlichen U-förmige Elemente gebildet sein. Hier können die im Wesentlichen U-förmigen Elemente in dem Stator so angeordnet sein, dass ein Polschenkel oder Polkern durch zwei benachbarte Schenkel von zwei U-förmigen Elementen gebildet wird.
Wenn ein Stator mit Polschenkeln für eine Maschine der vorliegenden Erfindung ausgelegt wird, ist es bevorzugt, dass die Polschenkel so angeordnet sind, dass die Breite eines Polschenkels oder Polkerns im Wesentlichen dem Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Polschenkeln entspricht. Für ein U-förmiges Polkernelement sollte der Abstand zwischen zwei Schenkeln daher vorzugsweise im Wesentlichen dem doppelten der Breite eines einzelnen Schenkels entsprechen.
Für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in dem Rotor angeordnete Polschuhe aufweisen, ist es bevorzugt, dass die Breite eines Polschuhs an dem Außenumfang des Rotors im Wesentlichen der Breite eines Polkerns oder Polschenkels, die einander gegenüberliegend in dem Stator angeordnet sind, entspricht.
Die oben genannten U-förmigen Polkernelemente können durch ein Verfahren hergestellt werden, das umfasst, Windungsblechmaterial oder Transformatorblechmaterial um einen ovalförmigen Körper oder Form zu wickeln, um ein ovalförmiges Element aus Transformatorblechmaterial zu erhalten, und das ovalförmige Element aus Transformatorblechmaterial in zwei im Wesentlichen gleiche Teile zu unterteilen, um dadurch zwei U-förmige Polkernelemente zu erhalten.
Die U-förmigen Polkernelemente können alternativ hergestellt werden, indem die U-Form in Bleche aus Transformatorblechmaterial gestanzt oder geprägt werden und dann eine Anzahl der gestanzten Bleche oder Schichten gestapelt wird, um eine gewünschte Dicke der U-förmigen Polkernelemente zu erhalten.
Wenn die oben genannten U-förmigen Polkernelemente verwendet werden, weist ein magnetischer Flussweg, der durch zwei Polkerne geht, einen Weg auf, der in beiden Schenkeln eines U-förmigen Polkernelements verläuft. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die U-förmigen Polkernelemente auf einer Statorendplatte angeordnet. Wenn ein magnetischer Flussweg durch ein U-förmiges Element verläuft, ist es jedoch nicht erforderlich, einen magnetischen Verlust einzuführen, indem ein Flussweg in der Statorendplatte vorhanden ist.
Daher ist es bevorzugt, dass die U-förmigen Polschenkel oder Polkerne aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt sind. Es ist auch bevorzugt, dass die Statorendplatte aus einem Material hergestellt ist, das eine geringe magnetische Leitfähigkeit aufweist. Es ist ferner bevorzugt, dass die Statorendplatte aus einem Material mit einer geringen elektronischen Leitfähigkeit hergestellt ist.
Wenn die Magnete oder Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds wie oben diskutiert in dem Rotor angeordnet sind, liegt es auch im Umfang der vorliegende Erfindung, eine elektrische Maschine bereitzustellen, bei der ein erster Stator einer ersten Seite des Rotors gegenüberliegend und dieser zugewandt angeordnet ist und ein zweiter Stator der anderen oder zweiten Seite des Motors gegenüberliegend und dieser zugewandt angeordnet ist. Dabei weisen beide Seiten des Rotors Magnete oder Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds auf, und Polkerne oder Polschenkel des ersten Stators sind der ersten Seite des Rotors zugewandt, während Polkerne oder Polschenkel des zweiten Stators der zweiten Seite des Rotors zugewandt sind.
Daher kann eine Maschine der vorliegenden Erfindung in ihrer einfachen Form ein oder mehrere Elemente umfassen, die durch einen Statorteil und einen Rotorteil gebildet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Maschine jedoch ein oder mehrere Elemente umfassen, die durch einen Rotorteil mit zwei entsprechenden Statorteilen gebildet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit einigen bevorzugten Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vollständiger erläutert, in denen:
1 eine Schnittansicht eines Teils eines Generators gemäß dem Stand der Technik zeigt,
2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt,
3 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt,
4a eine schematische Ansicht der in 3 gezeigten Ausführungsform im Längsschnitt veranschaulicht,
4b und 4c eine Schnittansicht weiterer Ausführungsformen gemäß der Erfindung veranschaulichen,
5 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung veranschaulicht,
6a eine schematische Ansicht einer weiteren anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt,
6b eine schematische Ansicht der in 6a gezeigten Ausführungsform im Längsschnitt veranschaulicht,
6c den Stator der in 6a und 6b gezeigten Ausführungsform von einem Ende ausgehend betrachtet zeigt,
7a eine schematische Querschnittsansicht von zwei, in Reihe angeschlossenen Generatoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
7b eine schematische Querschnittsansicht von zwei, in Reihe angeschlossenen Generatoren gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt,
8 eine Querschnittsansicht eines Generators mit einer anderen Anordnung der Magnete gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
9 eine Querschnittsansicht eines Generators mit einer anderen Anordnung der Magnete gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt,
10 eine Querschnittsansicht eines Generators gemäß einer weiteren anderen Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,
11 eine Querschnittsansicht eines Generators gemäß einer alternativen Anordnung zeigt,
12 eine perspektivische Ansicht von in Reihe gekoppelten Ausführungsformen gemäß der Erfindung zeigt,
13 eine Querschnittsansicht einer Maschine gemäß einer weiteren anderen Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,
14 eine Querschnittsansicht einer Maschine gemäß einer weiteren alternativen Anordnung zeigt,
15 eine Querschnittsansicht eines Teils eines Stators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
16 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines nach den gleichen Prinzipien wie der Stator von 15 aufgebauten Stators zeigt,
17 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, die einen Rotor und zwei Statoren umfasst,
18 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt, die einen Rotor und zwei Statoren umfasst.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines Generators gemäß dem Stand der Technik. Die Figur zeigt einen Stator (1), der Ausnehmungen (2) mit Spulen (3) aufweist, die auf herkömmliche Weise gewickelt sind, d. h. ausgehend von einer vergebenen Ausnehmung zu einer anderen abhängig von den Phasen des erzeugten Stroms. Es ist auch ein Rotor (4) mit Magneten (5) gezeigt, die ven dem Rand des Rotors (4) beabstandet sind. Zwischen den Magneten (5) auf dem Rotor (4) und dem Stator (1) befindet sich ein Luftspalt.
Wenn sich der Rotor (4) über eine Welle (nicht gezeigt) relativ zu dem Stator (1) bewegt, werden die Magnete (5) an den Spulen (3) vorbei bewegt, und daher wird Strom in diesen induziert.
Wenn Strom den Spulen (3) zugeführt wird, bewegt ein magnetisches Feld den Rotor (4) und die Welle, und die elektrische Maschine arbeitet als Motor.
Der Aufbau gemäß dem Stand der Technik weist die bereits im Hintergrund der Erfindung genannten Nachteile auf.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform gemäß der Erfindung. Die Figur zeigt ein Polrad (10), das als Rotor arbeitet und an einer Welle (11) befestigt ist. Eine Vielzahl von Magneten (12) ist radial derart angeordnet, dass die Magnete einander zugewandte Pole gleicher Polarität (N) und einander zugewandte Pole gleicher Polarität (S) aufweisen. Die Magnete (12) sind vorzugsweise Permanentmagnete, könnten aber auch Elektromagnete oder dergleichen sein.
Eine Vielzahl von Polschuhen (13), vorzugsweise aus laminiertem Blechmaterial oder massivem Eisen hergestellt, ist zwischen den Magneten (12) angeordnet, die den magnetischen Fluss konzentrieren und eine relativ geringe Remanenz/Restmagnetisierung aufweisen, d. h. sie sind gute magnetische Leiter. Die Polschuhe (13) und die Magnete (12) sind von der Welle (11) magnetisch isoliert.
Von dem Rotor (10) beabstandet ist eine magnetische Begrenzungsplatte/Endschild (17) mit einer Vielzahl von Polschenkeln/Polkernen (15) vorgesehen, die an der Platte (17) so befestigt sind, dass zwischen dem Rotor (10) und den Polschuhen (13) nur ein Luftspalt (14) vorhanden ist. Die Platte (17) und die Polkerne (15) dienen als Stator (15, 17). Die Platte (17) ist vorzugsweise ein kreisförmiger Kern unter Verwendung eines nicht feldorientierten laminierten Eisens, das unter Verwendung eines Eisenstücks in kreisförmige Form gewickelt ist.
Die Platte (17) dient als magnetischer "Kurzschluss" und leitet den magnetischen Fluss zwischen den relevanten Polkernen (15) in einem gegebenen magnetischen Kreis. Daher besteht bei dieser Ausführungsform ein geschlossener lokaler magnetischer Kreis aus: einem Magnet (12), einem Polschuh (13), einem Luftspalt (14) (der den Fluss verstärkt), einem Polkern (15), der magnetischen Begrenzungsplatte (17), einem benachbarten Polkern, einem Nachbarluftspalt, einem Nachbarpolschuh.
Für jeden gegebenen Polkern (15) gibt es zwei benachbarte lokale magnetische Kreise. Zwei von diesen sind durch die Schleifen (18a, 18b) schematisch veranschaulicht.
Elektrische Windungen (16), z. B. Spulen, umgeben vorzugsweise jeden der Polschenkel (15). Vorzugsweise sind die Spulen (16) fest und anliegend um die Polschenkel (15) gewickelt. Diese Anordnung ist hinsichtlich der Induktion in den Windungen/Spulen (16) sehr wirksam, weil der Fluss bei dieser Anordnung in den Polkernen (15) in hohem Maß konzentriert/gleichmäßig ist. Die Windungen (16) sind vorzugsweise durch eine flache konzentrierte Spule gebildet, die einen hohen Füllfaktor aufweist. Indem die Windungen (16) auf den Polkernen (15) konzentriert sind, ist, im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten, bekannten Generator, nahezu das Meiste des Spulmaterials betroffen, weil der Fluss nahezu auf das Meiste des Spulmaterials (natürlich außer dem Material, das den Strom von dem Generator wegleitet) wirkt.
Wenn der Rotor (10) relativ zu dem Stator (15, 17) bewegt wird, ändert der Magnetfluss in einem gegebenen Polkern (15) die Richtung, weil sich die Polarität an dem Luftspalt (14) ändert (von N zu S oder umgekehrt), und Strom wird dadurch in den Windungen (16) induziert. Diese Induktion ist sehr wirksam, weil, wie erwähnt, der magnetische Fluss in dem von den Windungen (16) umgebenen Bereich, d. h. in dem Polkern (15), in hohem Maß konzentriert/gleichmäßig ist.
Bei selbständigen Generatoren ist die Welle (11) vorzugsweise in einem Lager oder dergleichen (nicht gezeigt) in der Platte (17) drehbar angebracht, um die Welle (11) zusätzlich abzustützen und die Drehung des Rotors (10) relativ zu dem Stator (15, 17) zu stabilisieren. Für in Windturbinen verwendete Generatoren ist der Rotor (10) vorzugsweise an der Welle der Windturbinen befestigt und der Stator (15, 17) ist vorzugsweise an einem Lager befestigt, das die Welle der Windturbine hält.
Diese Ausführungsform sorgt auch für eine einfache Weise, eine mehrphasige Ausgangsleistung zu erhalten, weil einige (z. B. einer für jeder Phase) Generatoren an der gleichen Welle befestigt sein können und ihre Statoren unter einem Winkel relativ zu einander versetzt, z. B. ein Drittel des Winkel zwischen zwei benachbarten Polkernen für drei Generatoren mit Rotoren der gleichen Orientierung. Dies sorgt für eine mehrphasige Ausgangsleistung ohne dabei den Durchmesser des Generators zu vergrößern. Dies ist bei Windturbinen sehr wichtig, weil der verwendete Raum in der radialen Richtung sehr bedeutsam ist, in der Längs/Axialrichtung aber nicht so sehr.
Alternativ könnten die Statoren die gleiche Orientierung aufweisen, und die Rotoren sollten dann unter einem Winkel relativ zu einander im gleichen Umfang, wie oben erwähnt, versetzt sein.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung. Diese Figur zeigt einen Rotor (31), der von einer Welle (35) magnetisch isoliert und an dieser befestigt ist, die sich durch eine magnetische Begrenzungsplatte (34), wie oben beschrieben, erstrecken kann oder nicht. Eine Vielzahl von Polkernen (32) ist an der Platte (34) mit Windungen (33), die diese umgeben, befestigt. Ein Stator (32, 34) umfasst die Polkerne (32) und die Begrenzungsplatte (34). Der Rotor (31) ist von dem Stator (32, 34) beabstandet, so dass nur ein Luftspalt (36) diese beiden trennt. Diese Ausführungsform entspricht mehr oder weniger der im Zusammenhang mit 2 beschriebenen und unterscheidet sich nur in der Struktur des Rotors (31) und der Polkerne (32). Diese Unterschiede sind im Folgenden in Verbindung mit 4a – c detaillierter beschrieben und erläutert.
Es sind zusätzliche zwei lokale geschlossene Flusswege (37a, 37b) gezeigt. Diese Flusswege stellen nur eine schematische Ansicht des Hauptwegs dar.
4a veranschaulicht eine schematische Ansicht der in 3 gezeigten Ausführungsform im Längsschnitt. Hier ist ein Rotor (41) an einer Welle (40) befestigt. Polschuhe (45) sind radial an dem Rotor (41) befestigt und ein gegebener Polschuh (45) ist von zwei Magneten (42) vertikal umgeben. Die zwei Magnete (42) für einen gegeben Polschuh (45) weisen einander zugewandte Pole gleicher Polarität auf (z. B. N gegenüber N, wie in der Figur gezeigt). Die zwei benachbarten Polschuhe weisen auch einander zugewandte Pole gleicher Polarität auf, aber mit einer anderen Polarität, als ihr wechselseitiger Nachbar (z. B. S gegenüber S für die zwei Nachbarn des in 4 gezeigten Polschuhs (45)). Beabstandet von den Polschuhen (45) und den Magneten (42), die nur durch den Luftspalt (46) getrennt sind, befinden sich die Polkerne (47), die vorzugsweise aus einem Material mit einer kleinstmöglichen Remanenz/Restmagnetisierung hergestellt sind. Die Polkerne (47) sind von Windungen (43) umgeben, die vorzugsweise anliegend um diese gewickelt und um diese herum konzentriert sind. Die Polschuhe (45) und das den Polschuhen (45) am nächsten liegende Ende der Polkerne (47) sind beide V-förmig, so dass die Polschuhe (45) mit den Magneten (42), lediglich durch den Luftspalt (46) von einander beabstandet, in die Polkerne (45) passen. Der magnetische Fluss in den Polkernen (47) ist bei dieser Art der Anordnung noch mehr konzentriert/gleichförmig, weil die Magnete (42) in die Polkerne (47) "passen". Dieser konzentrierte/gleichförmige Fluss wirkt auf sehr effiziente Weise auf die Windungen (43), weil alle Windungen (43) den konzentrierten/gleichförmigen Fluss umgeben. Eine magnetische Begrenzungsplatte/Endschild (49) ist an dem anderen (von dem oben genannten verschiedenen) Ende der Polkerne (47) befestigt, was den Magnetkreis zu einem anderen Polkern "kurz schließt".
Bei dieser Ausführungsform sind die lokalen magnetischen Kreise (siehe 37a und 37b in 3) mit den im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Kreisen vergleichbar. Der einzige Unterschied besteht darin, dass aufgrund der V-Form der Polschuhe (45) und des einen Endes des Polkerns (47) ein konzentrierterer/gleichförmiger Fluss in den Polschuhen (45) geleitet wird.
Wenn sich der Rotor (41) relativ zu dem Stator bewegt, wird in den Windungen (43) wie oben beschrieben, auf herkömmliche Weise Strom induziert.
4b und 4c veranschaulichen eine Schnittansicht weiterer Ausführungsformen gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsformen entsprechen der Ausführungsform in 4a abgesehen davon, dass die Polkerne (47) relativ zu dem Schaft (40) gewinkelt sind. Daher sind die Polkerne (47) nicht vollständig parallel zu der Drehachse.
13 zeigt eine Schnittansicht eines Generators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Generator dieser Ausführungsform entspricht der Ausführungsform in 4a abgesehen davon, dass, anstelle einen Polschuh und dem entsprechenden Polkern in der Form einer V-Form zu verwenden, diese nun in zwei V-Formen ausgebildet sind.
In 13 ist ein Rotor (131) an einer Welle (130) befestigt. Polschuhe (135a, b) sind radial an dem Rotor (131) befestigt und ein gegebener Polschuh (135a oder 135b) ist durch zwei Magnete (132a oder 132b) vertikal umgeben. Die zwei Magnete (132a oder 132b) für einen gegebenen Polschuh (135a oder 135b) weisen einander zugewandte Pole gleicher Polarität auf (z. B. N gegenüber N). Ein Polkern (137) befindet sich beabstandet von den Polschuhen (135a, b) und den Magneten (132a, b), die nur durch die Luftspalte (136a, b) getrennt sind. Ein Polkern (137) ist durch eine Windung (133) umgeben, die vorzugsweise um diese eng anliegend gewickelt und um diesen herum konzentriert ist. Die Polschuhe (135a, b) und das den Polschuhen (135a, b) nächstliegende Ende des Polkerns (137) bilden beide zwei V-Formen auf eine Weise, so dass die Polschuhe (135a, b) mit den Magneten (132a, b), nur durch die Luftspalte (136a, b) voneinander getrennt, in den Polkern (137) passen. Der Stator umfasst eine Anzahl von Polkernen (137), die an einem Stator oder einer magnetischen Begrenzungsplatte (134) befestigt sind.
5 veranschaulicht eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung. Die Figur zeigt einen Generator mit zwei identischen Rotoren (51, 58). Die Rotoren (51, 58) sind an jedem gegenüber liegenden Ende einer Welle (55) befestigt. Die Rotoren umfassen eine Vielzahl von Magneten (53), die von dem Mittelpunkt der Rotoren (51, 58) radial und gleich beabstandet sind. Die Magnete (53) sind derart angeordnet, dass die Polarität eines Pols eines gegebenen Magnets einer gleichen Polarität eines Pols eines benachbarten Magnets gegenüber liegt, d. h. S liegt S gegenüber oder N liegt N gegenüber. Zwischen den Magneten (53) sind Polschuhe (52) vorgesehen, die den magnetischen Fluss von den Magneten (53) konzentrieren. Die Rotoren (51, 58) sind relativ zu einander so versetzt angeordnet, dass sich die Polarität in einem gegebenem Polschuh (52) in einem Rotor (51) von der Polarität des ihm gegenüber liegenden Polschuhs unterscheidet.
Eine Vielzahl von Polschenkeln/Polkernen (54) ist von der radialen Ausdehnung der Rotoren (51, 58) lediglich durch einen Luftspalt (56) getrennt beabstandet. Die Polkerne (54) sind von Windungen (57) umgeben.
Jeder Polkern (54) ist Teil von zwei unterschiedlichen geschlossenen lokalen magnetischen Kreisen (59a, 59b). Jeder geschlossene magnetische Kreis besteht aus: einem Polschuh an dem ersten Rotor, einem Luftspalt, einem Polkern, einem Luftspalt, einem Polschuh an dem zweiten Rotor, einem Magneten an dem zweiten Rotor, einem zweiten Polschuh an dem zweiten Rotor, einer Welle, einem zweiten Polschuh an dem ersten Rotor, einem Magneten an dem ersten Rotor.
Wenn sich die Rotoren (51, 58) relativ zu den Polkernen (54), die als Stator dienen, bewegen, wird in den Windungen (57) Strom induziert.
6a zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung. Diese Figur zeigt einen Rotor (60), der an einer Welle (61) über eine Vielzahl von Klammern (63) befestigt ist. Der Rotor (60) ist von einem Stator (69) beabstandet, der eine Vielzahl von Polkernen (62) umfasst. Die Polkerne (62) dieser Ausführungsform sind um im Wesentlichen 90° gewinkelt, so dass diese unmittelbar an der Welle (61) befestigt sind. Dies verringert die axiale Länge der Polkerne (62) und damit die axiale Länge des Generators selbst. Diese Ausführungsform wird in Verbindung mit 6b detaillierter erläutert.
6b zeigt eine schematische Ansicht der in 6a gezeigten Ausführungsform im Längsschnitt. Die Figur zeigt einen Rotor (60), der an einer Welle (61) befestigt ist. Der Rotor (60) umfasst ein Polrad (64) mit Polschuhen (65), die an diesem befestigt sind, und einer Vielzahl von Klammern (63), die das Polrad (64) tragen. Zwei Magnete (66) sind an jedem Polschuh (65) befestigt und weisen einander zugewandte Pole gleicher Polarität auf, d. h. N liegt N gegenüber, wie in der Figur, oder S liegt S gegenüber. Die zwei benachbarten Polschuhe (65) weisen Magnete (66) auf, die einander zugewandte Pole entgegengesetzter Polarität aufweisen, d. h. die Polarität der Pole, die einander zugewandt sind, wechselt zwischen N und S. Die Polkerne (62) sind durch einen Luftspalt (68) von dem Magneten (66) und den Polschuhe (65) beabstandet. Die Polschuhe (65) und die Polkerne (62) sind beide V-förmig, so dass diese "zusammen passen" können (nur durch den Luftspalt (66) getrennt). Dies verbessert den in den Polkernen (62) konzentrierten magnetischen Fluss.
Die Polkerne (62) sind, wie oben im Zusammenhang mit 6a beschrieben, um im Wesentlichen 90° gewinkelt und weisen diese umgebende Windungen (67) auf. Die Windungen (67) sind vorzugsweise durch flache konzentrierte Spulen gebildet, die fest und eng anliegend um die Polkerne (62) gewinkelt sind. Dies sorgt für eine sehr wirksame Induktion in den Windungen (67), weil der gleichmäßige/konzentrierte magnetische Fluss in den Polkernen (629 nahezu auf das gesamte Windungsmaterial wirkt.
6c zeigt den Stator der in 6a und 6b gezeigten Ausführungsform von einem Ende ausgehend betrachtet. Hier ist der Stator (69) von einer Seite gezeigt, wo die axialen Enden der Polkerne (62) in das Papier weisen. Es ist auch eine beispielhafte Windung (67) gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform ist für jeden Polkern und jeden seiner Nachbarn ein lokaler magnetischer Kreis vorgesehen. Der in 6a – c gezeigte Polkern (62a) stellt einen Teil von zwei lokalen magnetischen Kreisen dar. Einer (70a) mit seinem benachbarten Polkern (62b) und ein Anderer (70b) mit seinem anderen benachbarten Polkern (62c), weil, wie oben erwähnt, die zwei Nachbarpolschuhe (nicht gezeigt) einander zugewandte Magnete entgegengesetzter Polarität aufweisen (z. B. S liegt S gegenüber). D. h., der geschlossene lokale magnetische Kreis (70a) besteht aus: dem lokalen Teil des Polrads (64), dem Polschuh (65), den zwei Magneten (66), dem Luftspalt (68), dem Polkern (62a), dem benachbarten Polkern (62b), einem benachbarten Luftspalt (nicht gezeigt), zwei benachbarten Magneten (nicht gezeigt), einem benachbarten Polschuh (nicht gezeigt) und einem benachbarten Teil des Polrads (64a).
Auf vergleichbare Weise besteht der geschlossene lokale magnetische Kreis (70b) aus: dem lokalen Teil des Polrads (64), dem Polschuh (65), den zwei Magneten (66), dem Luftspalt (68), dem Polkern (62a), dem benachbarten Polen (62c), einem benachbarten Luftspalt (nicht gezeigt), zwei benachbarten Magneten (nicht gezeigt), einem benachbarten Polschuh (nicht gezeigt) und einem benachbarten Teil des Polrads (64b).
Da der magnetische Fluss in jedem lokalen magnetischen Kreis die gleiche Orientierung in dem gemeinsam genutzten Polkern hat, tragen diese beiden positiv zu dem magnetischen Gesamtfluss in dem gemeinsam genutzten Polkern bei, was zu einer sehr wirksamen Induktion in den umgebenden Windungen führt.
Wenn sich der Rotor (60) relativ zu dem Stator bewegt, ändert der magnetische Fluss in den magnetischen Kreisen die Orientierung, was in den Windungen (67) Strom induziert. Die V-Form und die Anordnung der Magnete (66) und der Polschuhe (65) zusammen mit den die Polkerne (62) zu umgebenden Windungen (67) sorgt für eine sehr hohe Stromabgabe auch bei einer geringen Drehzahl, was insbesondere bei Windturbinen sehr nützlich ist.
7a zeigt eine schematische Schnittansicht von zwei, in Reihe verbundenen Generatoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Hier ist jeder von zwei, durch zwei Magnete (73) umgebenen Polschuhen (72) an einem Rotor (71) befestigt, der selbst an einer Welle (74) befestigt ist. Die Magnete sind so angeordnet, dass sie einander zugewandte Pole gleicher Polarität aufweisen (z. B. N liegt N gegenüber). Ein Polkern (75) ist von den Magneten (73) an jeder Seite des Rotors (71) nur durch einen Luftspalt (78) getrennt beabstandet. Windungen (76) umgeben jeden der Polkerne (75). An einem Ende der Polkerne (75) ist eine Schutzplatte/Endschild (77) vorgesehen, um den magnetischen Fluss zu einem benachbarten Polkern (75) zu leiten.
Die Polschuhe (72) und die Polkerne (75) sind so V-förmig, dass die Polschuhe (72) mit den Magneten (73) in die Polkerne (75) passen können, nur durch die Luftspalt (78) getrennt, die den magnetischen Fluss in den Polkernen (75) konzentrieren.
Die Statoren entsprechen den im Zusammenhang mit 3 und 4 beschriebenen Statoren. Der einzige Unterschied besteht darin, dass lediglich ein Rotor für beide der Statoren benötigt wird. Dies reduziert das benötigte Material und sorgt auch für einen sehr einfachen Weg, eine mehrphasige Ausgangsleistung zu erhalten.
7b zeigt eine schematische Schnittansicht von zwei in Reihe verbundenen Generatoren gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform entspricht der oben im Zusammenhang mit 7a beschriebenen Ausführungsform. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die V-Form so geändert wurde, dass der Polkerne (75) nun in die Polschuhe (72) mit den Magneten (73) nur durch die Luftspalte (78) getrennt passen können.
8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Generators mit einer anderen Anordnung der Magnete gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, Bei dieser Ausführungsform ist ein Rotor (82), wie bei den oben genannten Beispielen, an einer Welle (81) befestigt. Zwei Magnete (84) sind an dem Rotor (82) befestigt, wobei einer an der Oberseite befestigt ist, der andere an der Oberseite einer der Seiten befestigt ist, die einem Polkern (85) zugewandt sind, so dass die Magnete (84) eine L-Form bilden. Die Polkerne (85) weisen einen Ausschnitt auf, so dass der Rotor (82) und die Magnete (84) in diesen Ausschnitt nur durch Luftspalte (83) getrennt passen. Windungen (87) umgeben den Polkern (85). Eine Schutzplatte/Endschild (86) ist an dem anderen Ende des Polkerns (85) befestigt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den anderen Ausführungsformen durch die Magnete (83), die in einer L-Form angeordnet sind, durch den Ausschnitt in den Polkernen (85) und durch das Fehlen eines Polschuhs, arbeiten aber ansonsten auf vergleichbare Weise.
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines Generators mit einer anderen Anordnung der Magneten gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Hier ist ein im Wesentlichen quadratischer oder rechteckiger Polschuh (98) an einem Rotor (92) befestigt und weist Magnete (98) auf, die, wie in der Figur gezeigt, an den anderen Seiten befestigt sind. Ein Polkern (93) weist einen U-förmigen Ausschnitt auf und die Magnete (95) und der Polschuh (98) passen nur durch Luftspalte (95) getrennt in diesen Ausschnitt. Der Polschuh (93) ist von Windungen (96) umgeben und an einer Schutzplatte/Endschild (97) befestigt. Der Generator arbeitet in einer Weise vergleichbar zu den oben beschriebenen und unterscheidet sich lediglich in der Anordnung des Polschuhs (98), den Magneten (94) und dem U-förmigen Ausschnitt.
10 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Generators gemäß einer weiteren anderen Ausführungsform der Erfindung. Dieser Generator entspricht dem in 4 gezeigter. Generator und unterscheidet sich lediglich darin, dass die V-Form so geändert wurde, dass die Polkerne (105) nun nur durch die Luftspalte (108) getrennt in die Polschuhe (104) mit den Magneten (103) passen können.
11 zeigt eine Querschnittsansicht eines Generators gemäß einer alternativen Anordnung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 10 gezeigten Ausführungsform darin, dass Polkerne (112) in dem Rotor angeordnet sind, wobei die Windungen (111) die Polkerne (112) umgeben. Die Magnete (114) sind dann in dem Stator (113) angeordnet, um in den Windungen (111) einen sich ändernden magnetischen Fluss zu erzeugen. Diese Modifikation kann auf andere Ausführungsformen gemäß der Erfindung angewendet worden.
14 zeigt eine Querschnittsansicht einer Maschine gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform. Der Generator dieser Ausführungsform entspricht der Ausführungsform von 11 abgesehen davon, dass, anstatt einen Polschuh und den entsprechenden Polkern in der Form einer V-Form zu verwenden, diese nun in zwei V-Formen ausgebildet sind. In 14 sind Polkerne (142) in dem Rotor angeordnet, wobei die Windungen (141) die Polkerne (142) umgeben. Die Magnete (144a, b) sind dann in dem Stator (143) angeordnet, um in den Windungen (141) einen sich ändernden magnetischen Fluss zu erzeugen.
12 zeigt eine perspektivische Ansicht von in Reihe gekoppelten Ausführungsformen gemäß der Erfindung. Hier sind drei (121, 122, 123) der in 3 gezeigten Ausführungsformen in Reihe an der gleichen Welle verbunden. Sie sind relativ zu einander so versetzt angeordnet, dass eine mehrphasige Ausgangsleistung bereitgestellt wird, ohne dabei den Durchmesser des Generators zu erzeugen, weil jede Ausführungsform eine Phase bereitstellt. Die Rotorteile (124) können aus zwei Rotoren der oben genannten Art bestehen, die Rücken an Rücken angeordnet sind, oder einem einzelnen modifizierten Rotorteil, wo der Rotor zwei Sätze von Polschuhen, Magneten, etc. an jeder Seite aufweist.
15 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teil eines Stators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird ein Polkern oder ein Polschenkel durch zwei benachbarte Schenkel (151b, 152a) oder (152b, 153a) von zwei U-förmigen Polkernelementen (151, 152) oder (152, 153) gebildet. Die U-förmigen Elemente (151, 152, 153) sind an einer Statorendplatte (154) befestigt, wobei Windungen (155, 156) die Polkerne (151b, 152a) und (152b, 153a) umgeben. Ein Polkernelement (152) kann durch Befestigungsmittel (157) an der Endplatte (154) befestigt sein.
16 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Stators, der beruhend auf den gleichen Prinzipien wie der Stator von 15 aufgebaut ist. Hier sind die U-förmigen Polkernelemente in quadratischer U-Form geformt. Wiederum ist ein Polkern oder ein Polschenkel durch zwei benachbarte Schenkel (161b, 162a) oder (162b, 163a) von zwei U-förmigen Polkernelementen (161, 162) oder (162, 163) gebildet. Die U-förmigen Elemente (161, 162, 163) sind an einer Statorendplatte (164) befestigt, wobei Windungen (165, 166) die Polkerne (161b, 162a) und (162b, 163a) umgeben, und das Polkernelement (162) kann durch Befestigungsmittel (167) an der Endplatte (164) befestigt sein.
Es ist erwähnt worden, dass bei den U-förmigen Polkernelementen der Flussweg eines ein durch zwei Polkerne verlaufenden magnetischen Flusses entlang der U-Form in beiden Schenkeln des U-förmigen Polkernelements verläuft. Daher ist es bevorzugt, dass die U-förmigen Polschenkel oder Polkerne aus magnetisch leitendem Material hergestellt sind, während es bevorzugt ist, dass die Statorendplatte aus einem Material hergestellt ist, das eine geringe magnetische Leitfähigkeit und eine geringe elektronische Leitfähigkeit aufweist.
Es ist auch bevorzugt, dass eine elektronische Isolation zwischen den U-förmigen Polkernelementen (152, 162) und der Statorendplatte (154, 164) vorgesehen ist.
17 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die einen Rotor und zwei Statoren umfasst. Die Statoren 171, 172 weisen hier U-förmige Polkernelemente des in 15 gezeigten Typs auf, und die Polkerne oder Polschenkel 173, 174 und 175, 176 liegen einem Rotor 177 gegenüber, der Polschuhe 178, 179 und zwischen den Polschuhen 178, 179 einen Magneten aufweist. Die Polschuhe 178, 179 queren den Rotor 177, wodurch die Polschuhe an jeder Seite des Rotors bereitgestellt sind. Die Breite der Polschuhe 178, 179 kann der Breite der Polschenkel 173, 174 und 175, 176 entsprechen. Der N-Pol des Magneten ist dem Polschuh 178 zugewandt, während der S-Pol dem Polschuh 179 zugewandt ist. Entsprechend ist der N-Pol eines zweiten Magneten der anderen Seite des Polschuhs 178 zugewandt, während der S-Pol eines dritten Magneten der anderen Seite des Polschuhs 179 zugewandt ist.
Die Polschenkel 173, 174 in 17 liegen den Polschenkeln 175, 176 gegenüber, mit dem Ergebnis, dass entsprechende elektrische Signale der zwei Statoren 171 und 172 in Phase sind.
Wenn jedoch die Position der Polschenkel des zweiten Stators verglichen mit der Position der Polschuhe des ersten Stators versetzt ist, sind entsprechende elektrische Signale der zwei Statoren nicht in Phase. Der Phasenunterschied kann durch die versetzte Anordnung der Polschenkel festgelegt werden.
Dies ist in 18 veranschaulicht, die eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, die einen Rotor 187 und zwei Statoren 181 182 umfasst. Hier sind die Polschenkel 186, 185 des zweiten Stators 182 relativ zu der Position der Polschenkel 183, 184 des ersten Stators 181 versetzt angeordnet. Daher erreichen die Polschuhe 188, 189 die Polschenkel 183, 184 und 186, 185 zu unterschiedlichen Zeitpunkten, was zu einer Phasendifferenz bei den elektrischen Signalen führt.
Es sollte verständlich sein, dass für elektrische Maschinen der vorliegenden Erfindung der Stator in den meisten Fällen eine relativ große Anzahl an separaten Polkernen oder Polschenkel zum Beispiel 40 Polkerne und eine entsprechende Anzahl an separaten oder diskreten Spulen oder einen Satz von Windungen umfassen kann.
Eine derartige große Anzahl an diskreten und galvanisch getrennten Spulen eröffnet die Möglichkeit, eine große Anzahl an Kombinationen von Spannungen und Strömen auszugestalten.
Einige Beispiele:
Alle Spulen eines Stators können in Reihe angeordnet sein, um eine Hochspannung zu erzeugen;
alle Spulen eines Stators können parallel angeordnet sein, um die gleiche Spannung wie die von einer Spule zu erhalten, aber einen höheren Strom;
eine, zwei, drei oder mehr Spulen, die parallel angeordnet sind, können mit einer, zwei, drei oder mehr Spulen, die parallel angeordnet sind, in Reihe angeordnet sein, wobei alle Spulen einen Teil des gleichen Stators bilden.

Claims

Elektrische Maschine, mit: einem Rotor (10, 31, 41), der an einer Welle (11, 35, 40) mit einer Drehachse befestigt ist, wobei der Rotor eine Vielzahl von Magneten oder Mitteln zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (12, 42) umfasst, einem Stator (16, 17; 32, 34) mit Luftspalten (14, 36, 46), die zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet sind, wobei der Stator eine Vielzahl von separaten Polkernen (15, 32, 44) mit entsprechenden separaten Spulen oder einem Satz von Windungen (16, 33, 43) umfasst, die um die Polkerne gewickelt sind und sie umgeben, wobei die Polkerne (15, 32, 44) so angeordnet sind, dass zumindest ein Teil von einem oder mehreren der Polkerne unter einem Winkel zu der Drehachse angeordnet ist, wobei der Winkel größer oder gleich 0 Grad und kleiner 90 Grad ist, und wobei die Polkerne einen Teil (Teile) eines oder mehrerer magnetischer Flusspfade (18A, 18B; 37A, 37B) bereitstellen, wobei ein magnetischer Flusspfad zwei und nur zwei Polkerne (15, 32, 44) und zwei und nur zwei Luftspalte (14, 36, 46) umfasst.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Magneten oder Mitteln zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (12, 42) in Paaren angeordnet ist, die einander zugewandte Pole gleicher Polarität aufweisen.
Elektrische Maschine, mit: einem Rotor (31, 41), der an einer Welle (35, 40) mit einer Drehachse befestigt ist, wobei der Rotor eine Vielzahl von Magneten oder Mitteln zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (42) umfasst, einem Stator (32, 34) mit Luftspalten (36, 46), die zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet sind, wobei der Stator eine Vielzahl von separaten Polkernen (32, 44) mit entsprechenden separaten Spulen oder einen Satz von Windungen (33, 43) umfasst, die um die Polkerne gewickelt sind und sie umgeben, wobei die Polkerne (32, 44) so angeordnet sind, dass zumindest ein Teil von einem oder mehreren der Polkerne unter einem Winkel zu der Drehachse angeordnet ist, wobei der Winkel größer oder gleich 0 Grad und kleiner 90 Grad ist, und wobei die Polkerne einen Teil (Teile) von einem oder mehreren magnetischen Flusspfaden (37A, 37B) bereitstellen, wobei die Vielzahl von Magneten oder Mitteln zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (42) in Paaren angeordnet ist, die einander zugewandte Pole gleicher Polarität aufweisen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei ein magnetischer Flusspfad (37A, 37B) Flusspfade durch zwei Polkerne (32) umfasst.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, wobei ein magnetischer Flusspfad (37A, 37B) zwei und nur zwei Polkerne (32) und zwei und nur zwei Luftspalte (36) umfasst.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jeder separate Polkern eine entsprechende separate Spule oder einen Satz von Windungen aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Rotor so angeordnet ist, dass zumindest ein Teil des Rotors (10, 31, 41) im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Winkel gleich oder kleiner 45 Grad ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Winkel kleiner oder gleich 30 Grad ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest ein Teil von einem oder mehreren der Polkerne (15, 32, 44) im Wesentlichen parallel zu der Drehachse ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 10, wobei eine oder mehrere der Windungen oder Spulen (16, 33, 43) eine zugehörige Achse aufweisen, die im Wesentlichen parallel zu der Drehachse ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein oder mehrere Polkerne (62) einen Teil aufweisen, der im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse der Welle angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 12, wobei eine oder mehrere Windungen oder Spulen (67) eine zugehörige Achse aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Rotor (10, 31, 41) kreisförmig ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Stator ferner eine magnetisch leitende Endplatte (17, 34) umfasst, die mit den Polschenkeln oder Polkernen (15, 32, 44) verbunden ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, wobei die Endplatte (17, 34) im Wesentlichen parallel und gegenüberliegend zu dem Rotor (10, 31) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Anzahl von Polkernen gleich der Anzahl von Magneten oder Mitteln zur Erzeugung eines magnetischen Feldes ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die Magnete oder Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (12, 53) radial und gleich beabstandet in dem Rotor (10, 51, 58) angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Magnete oder Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (42) an einer Seite des Rotors (41) angeordnet sind, die Enden der Polkerne (44) zugewandt ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Magnete oder Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes an dem Außenumfang des Rotors angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 18, wobei Polschenkel (13, 45, 52) zwischen den Magneten oder Mitteln zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (12, 42, 53) angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei Magnete oder Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (42, 68, 73, 103) an dem Rotor so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen in eine V-Form passen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 22, wobei die Magnete oder die Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in Paaren angeordnet sind, um die V-Form zu erhalten.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Maschine eine einphasige Synchronmaschine ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Magnete oder Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes Permanentmagnete sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Magnete oder die Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes Elektromagnete sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Windung oder die Spule durch eine flache konzentrierte Spule gebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Polkerne aus einem magnetisch leitenden Material zusammengesetzt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 28, wobei das magnetisch leitende Material ein feldorientiertes weichmagnetisches Laminat ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Maschine ein Generator ist, der über die Welle mit einer mechanischen Kraft/Leistung zur Erzeugung einer elektrischen Leistung über die Windungen versorgt werden kann.
Elektrische Maschine nach Anspruch 30, wobei die Maschine bei einem Windturbine verwendet wird.
Mehrphasenmaschine, wobei eine Anzahl von Phasen durch Anordnen einer entsprechenden Zahl von einphasiger Maschinen nach einem der Ansprüche 24 bis 31 in Reihe erhalten wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 22, wobei die Magnete oder die Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (132A, 132B) an dem Rotor so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen in zwei oder mehr V-Formen passen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 33, wobei jede V-Form ein Paar von Magneten oder Mitteln zur Erzeugung eines magnetischen Feldes umfasst.
Elektrische Maschine nach einem Ansprüche 1 bis 11, wobei die Polkerne durch U-förmige Elemente (152, 153; 162, 163) ausgebildet sind, wobei die Elemente in dem Stator so angeordnet sind, dass ein Polkern durch zwei benachbarte Schenkel von zwei U-förmigen Elementen gebildet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 35, wobei ein magnetischer Flusspfad durch zwei Polkerne hindurchgeht, wobei er einen zugehörigen Pfad in beiden Schenkeln eines U-förmigen Polkernelements aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Polkerne aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt sind und wobei die Polkerne auf einer Statorplatte angeordnet sind, die aus einem Material mit niedriger magnetischer Leitfähigkeit hergestellt ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Breite eines Polkerns im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Polkernen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 21, wobei die Breite eines Polfußes (13, 52) bei der Außenfläche des Rotors im Wesentlichen gleich der Breite eines Polkerns (15, 54) ist, der dem Stator gegenüberliegend angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein erster Stator (171) einer ersten Seite des Rotors (177) gegenüberliegend und dieser zugewandt angeordnet ist und ein zweiter Stator (172) der anderen Seite des Rotors gegenüberliegend und dieser zugewandt angeordnet ist.