Электрическая машина с осевым потоком

1 Данное изобретение относится к электрической машине с осевым потоком согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Под электрической машиной с осевым потоком понимается электродвигатель или генератор с ротором и статором, в которой магнитный поток между ротором и статором проходит параллельно оси вращения ротора. Такие электрические машины с осевым потоком известны также под названием бесщеточного электродвигателя постоянного тока, синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов или электродвигателя с дисковым магнитным ротором. Экономичный бесщеточный электродвигатель постоянного тока с расположенным вокруг вала ротором без ферромагнитного соединения с постоянными магнитами описан, например, вDE-U-298 16 561. В этом электродвигателе постоянного тока по обеим сторонам дискового ротора расположенo вокруг вала параллельно ротору по одному электромагнитному блоку в качестве статора. Ротор имеет расположенные по периферии вокруг вала постоянные магниты,которые заделаны, например, в пластмассу и направление намагничивания которых проходит параллельно валу. Каждые два смежных постоянных магнита имеют противоположное направление намагничивания. Один статор снабжен первыми электромагнитными зонами и другой статор - вторыми электромагнитными зонами, число которых соответствует числу постоянных магнитов, при этом две смежные первые электромагнитные зоны и две смежные вторые электромагнитные зоны имеют соответственно противоположные направления намагничивания, которые изменяются попеременно. Первые и вторые электромагнитные зоны расположены со сдвигом относительно друг друга и имеют разницу фаз 90. Недостаток этого электродвигателя постоянного тока состоит в том, что ротор является относительно нестабильным и поэтому пригоден только для медленного вращения. Из US-A- 5 619 087 известна электрическая машина с осевым потоком, которая содержит,по меньшей мере, два дисковых ротора без ферромагнитного сердечника с относительно небольшими стержневыми постоянными магнитами, которые заделаны в армированную волокном или тканью пластмассу. Несколько расположенных рядом друг с другом одинаково намагниченных постоянных магнитов образуют соответствующую группу, которая образует один магнитный полюс. Благодаря тому, что вместо нескольких больших в пластмассе расположенo множество относительно небольших постоянных магнитов, уменьшается эффективная магнитная поверхность и тем самым магнитный поток, что компенсируется применением, по меньшей мере, двух роторов. Кроме того,закрепление множества отдельных постоянных 2 магнитов в пластмассе создает проблемы при изготовлении и проблемы с прочностью. С учетом недостатков известных до настоящего времени электродвигателей и генераторов с осевым потоком в основе изобретения лежит задача создать электрическую машину с осевым потоком указанного вначале типа, ротор которой имеет по возможности небольшую массу и инерционность и, тем не менее, является стабильным и пригодным также для больших скоростей вращения. Эта задача решается с помощью электрической машины с осевым потоком согласно изобретению, определенной в независимом п.1 формулы изобретения. П.10 формулы изобретения относится к способу согласно изобретению изготовления ротора для такой электрической машины с осевым потоком. Предпочтительные варианты выполнения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения. Сущность изобретения состоит в том, что в электрической машине с осевым потоком с расположенным на машинном валу дисковым ротором без ферромагнитного сердечника, который имеет постоянные магниты, которые заделаны в армированную волокном или тканью пластмассу, постоянные магниты соединены с геометрическим замыканием с окружающей армированной волокном или тканью пластмассой и она вместе с постоянными магнитами и машинным валом образует устойчивый по форме блок. По обеим сторонам рядом с ротором расположено по одному статору. Уже за счет того, что пластмасса армирована волокном или тканью, ротор имеет высокую жесткость. Она повышается еще и за счет того, что каждый постоянный магнит соединен с геометрическим замыканием с окружающей армированной волокном или тканью пластмассой, и она вместе с постоянными магнитами и машинным валом образуeт устойчивый по форме блок. Последнее достигается за счет соответствующего расположения постоянных магнитов и машинного вала и заливки армированной волокном или тканью пластмассой. За счет выполнения ротора согласно изобретению жесткие постоянные магниты служат одновременно в качестве элементов жесткости, при этом за счет соединения с геометрическим замыканием с окружающей пластмассой обеспечивается невозможность отсоединения постоянных магнитов. Предпочтительно вокруг машинного вала располагать множество постоянных магнитов, а пластмасса, в частности дуропласт, занимает между постоянными магнитами, в целом, по меньшей мере, 10%, предпочтительно между 15 и 20% окружности. За счет такого расположения и заделывания постоянных магнитов можно выполнить ротор с оптимальными прочностью и коэффициентом полезного действия. Ниже приводится более подробное описание электрической машины с осевым потоком 3 на основе примера выполнения и прилагаемых чертежей, на которых изображены на фиг. 1 - машина с осевым потоком согласно изобретению, вид сбоку; на фиг. 2 - частичный разрез машины с осевым потоком по линии Е-Е на фиг. 1; на фиг. 3 - ротор с машинным валом и со средствами для определения положения магнитных полюсов, вид сбоку; на фиг. 4 - частичный разрез ротора, включая машинный вал, по линии А-А на фиг. 3; на фиг. 5 - деталь ротора, согласно фиг. 4,в увеличенном масштабе; на фиг. 6 - сегментированный постоянный магнит на виде сверху; на фиг. 7 - разрез сегментированного постоянного магнита по линии С-С на фиг. 6; на фиг. 8 - постоянный магнит с первым специальным контуром для соединения с геометрическим зацеплением с окружающей пластмассой; на фиг. 9 - постоянный магнит со вторым специальным контуром для соединения с геометрическим зацеплением с окружающей пластмассой; на фиг. 10 - статор на виде сбоку; и на фиг. 11 - разрез статора по линии D-D на фиг. 10. Фиг. 1 и 2. Показанная машина с осевым потоком содержит дисковый ротор 1, который неподвижно соединен с машинным валом 2 и имеет постоянные магниты 11, которые заделаны в армированную волокном пластмассу 12, например дуропласт. По обе стороны ротора 1 расположено параллельно ему по одному кольцевому статору 3, соответственно 4, каждый из которых закреплен на соответствующем подшипниковом щите 6. Статоры 3, 4 имеют каждый кольцевое ярмо 31, соответственно 41, с пазами 32, соответственно 42, на своих обращенных к ротору 1 сторонах, в которых проходят многофазные обмотки 33, 43, которые имеют наружные головки 331, соответственно 431, катушек обмотки. Подшипниковые щиты 6 выполнены предпочтительно из алюминия и, кроме того, имеют ребра 63 жесткости и охлаждения, так что обеспечивается хороший отвод создаваемого тепла. Углубления 64 в подшипниковых щитах 6 служат для уменьшения веса. Для монтажа подшипниковых щитов 6 предусмотрены отверстия 61 для болтов, в то время как резьбовые отверстия 62 служат для их крепления на не изображенной машинной части, например на редукторе. Подшипниковые щиты 6 и кольцевая часть 8 корпуса образуют совместно корпус для ротора 1 и статоров 3, 4. Машинный вал 2 с помощью шарикоподшипников 7 установлен с возможностью вращения в подшипниковых щитах 6. Оба статора 3, 4 электрически смещены относительно друг друга в периферийном направлении на 180, так что соответствующие 4 магнитные потоки, образующиеся в окружном направлении в роторе 1, ориентированы противоположно друг другу и тем самым, по меньшей мере, фактически большей частью компенсируют друг друга. За счет этого становится возможным отказаться от применения железа в роторе 1. Для всего последующего описания справедливо следующее правило. Если на фигуре для обеспечения однозначности чертежа имеются обозначения позиций, но в относящемся непосредственно к фигуре тексте описания они не упоминаются, или же наоборот, то их пояснение содержится в предшествующем описании фигур. Фиг. 3-5. Ротор 1 и машинный вал 2 образуют согласно изобретению стабильный по форме блок. Дисковый ротор 1 без ферромагнитного сердечника имеет восемь расположенных по окружности вокруг машинного вала 2 постоянных магнитов 11, которые заделаны в армированную волокном пластмассу 12. Армированная волокном пластмасса 12 проходит между постоянными магнитами 11, в целом, от 15 до 20% окружности, а именно так, что образуются равномерные перемычки. Таким образом, между механически очень жесткими постоянными магнитами 11 имеется достаточное количество армированной волокном пластмассы 12, так что ротор 1 является стабильным и при максимальной экономичности изготовления обеспечивается минимальный момент инерции масс. Машинный вал 2 в средней зоне также заделан в армированную волокном пластмассу 12,при этом два фланца 21 и 22 обеспечивают устойчивое соединение между ротором 1 и машинным валом 2. Для восприятия центробежных сил на наружной периферии ротора 1 предусмотрен укрепляющий бандаж 13, содержащий предварительно пропитанный волоконный материал, который предпочтительно содержит волокна из стекла, угля или кефлара, ориентированные большей частью в окружном направлении. Бандаж 13 шире постоянных магнитов 11 и армированной волокном пластмассы 12, что особенно отчетливо показано на фиг. 5. С преимуществом для увеличения жесткости армированная волокном пластмасса 12 и постоянные магниты 11 также выполнены с утолщением от внутренней части к наружной. Снаружи вокруг укрепляющего бандажа 13 наклеена магнитная лента 14, которая образует радиально намагничиваемую последовательность магнитных полюсов, расположенных в соответствии с заделанными в армированную волокном пластмассу 12 постоянными магнитами 11, при этом, однако, перекрываются 100% окружности. Эта магнитная лента 14 обеспечивает возможность определения положения магнитных полюсов на периферии ротора 1 с по 5 мощью трех неподвижных датчиков 5 Холла. Три датчика 5 Холла расположены под углом 30 друг к другу в окружном направлении и,например, на печатной плате, которая закреплена на детали 8 корпуса. Определение положения магнитных полюсов обеспечивает оптимальную установку угла коммутации многофазовых обмоток 33, 43 статоров 3, 4. Постоянные магниты 11 состоят предпочтительно из металлокерамического магнитного материала, например NdFeB, с прочностью на изгиб около 270 Н/мм 2 и модулем Е около 150 кН/мм 2. Армированная волокном пластмасса 12 является, например, эпоксидной смолой или имидной смолой с армированием волокном. При этом получаемые величины механической прочности находятся в диапазоне, соответствующем стали 37. Температурная стойкость эпоксидной смолы составляет около 200 С и имидной смолы - около 250 С. Для лучшего теплового расширения и увеличения теплопроводности в смолу могут быть добавлены дополнительно минеральные вещества. Для изготовления ротора 1 машинный вал 2 и постоянные магниты 11 помещают в форму и затем заливают под давлением в подогреваемую форму предварительно нагретую армированную волокном пластмассу. Заливание армированной волокном пластмассы выполняют в зависимости от смолы при температуре, по меньшей мере, 200 С, соответственно, по меньшей мере, 250 С и давлении от 500 до 1500 бар. При этом происходит пластификация, которая обеспечивает полное заполнение формы и хорошее геометрическое замыкание с постоянными магнитами 11 и машинным валом 2. Фиг. 6 и 7. Постоянные магниты 11 в данном примере выполнения содержат каждый расположенные в окружном направлении рядом друг с другом три отдельных магнитных сегмента 111. За счет этого обеспечивается уменьшение потерь от вихревых токов. Магнитные сегменты 111 соединены предпочтительно с помощью клея для металла,однако, они могут удерживаться также только армированной волокном пластмассой 12. Фиг. 8 и 9. Так как при высоких скоростях вращения и относительно небольших воздушных зазорах между ротором 1 и статорами 3, 4 обязательно необходима высокая собственная жесткость ротора 1, то каждый постоянный магнит 11 соединен с геометрическим замыканием с окружающей армированной волокном пластмассой 12. На фиг. 8 и 9 показаны два возможных контура магнитов, которые пригодны для восприятия возникающих срезающих усилий. В представленном роторе 1 можно отказаться от расположения на обеих сторонах магнитопроводящих стальных листов для удерживания постоянных магнитов 12 или от другой многослойной конструкции, за счет чего обес 003746 6 печивается снижение инерции масс, количества магнитного материала и поверхностных потерь,а также предотвращается образование нежелательных путей рассеяния между смежными постоянными магнитами 11. Фиг. 10 и 11. Ниже приводится описание конструкции обоих статоров 3 и 4 на примере статора 3. Статор 3 содержит кольцевое ярмо 31, в котором выполнены пазы 32, проходящие приблизительно радиально изнутри наружу. Ярмо 31 состоит из нескольких слоев 311 высококачественной листовой электротехнической стали, которые при штамповке пазов сворачивают в пакеты и затем соединяют с помощью точечной сварки. Пазы 32 внутри ярма 31 относительно широкие,однако, в сторону ротора 1 имеют относительно узкое отверстие 321. Как показано на фиг. 2, через пазы проходят многофазные обмотки 33, например трехфазные обмотки. За счет расположения многофазных обмоток 33 в пазах 32 статор 3 может располагаться вблизи постоянных магнитов 11 ротора 1, т.е. образуется очень небольшой воздушный зазор, что приводит к очень большому магнитному потоку и тем самым к очень большой удельной мощности. На основе перекоса пазов 32 в окружном направлении и относительно постоянных магнитов 11 ротора 1 можно минимизировать фиксирующие моменты и шумность. В описанной выше машине с осевым потоком возможны другие конструктивные изменения. В качестве основных можно назвать следующие: определение положения магнитных полюсов должно осуществляться не обязательно с помощью магнитной ленты 14 и датчиков 5 Холла. Среди прочего, возможно оптическое обнаружение светлых и темных зон на периферии ротора 1; вместо перекоса пазов 32 и тем самым проходящих в них многофазных обмоток 33 можно также выполнять перекос постоянных магнитов 11; пластмасса 12 ротора может быть армирована вместо волокон также тканью. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Электрическая машина с осевым потоком, содержащая расположенный на машинном валу (2) дисковый ротор (1) без ферромагнитного сердечника, который имеет постоянные магниты (11), заделанные в армированную волокном или тканью пластмассу (12), и по обеим сторонам ротора (1) по одному статору (3, 4),отличающаяся тем, что каждый из постоянных магнитов (11) соединен с геометрическим замыканием с окружающей армированной волокном или тканью пластмассой (12) и она вместе с по 7(2) образует неразъемный блок. 2. Электрическая машина с осевым потоком по п.1, отличающаяся тем, что несколько постоянных магнитов (11) расположены по окружности вокруг машинного вала (2) и армированная волокном или тканью пластмасса (12), в частности дуропласт, проходит между постоянными магнитами (11), в целом, по меньшей мере, по 10%, предпочтительно от 15 до 20%, окружности. 3. Электрическая машина с осевым потоком по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что ротор (1) на наружной периферии или вблизи наружной периферии имеет укрепляющий бандаж (13), который содержит предварительно пропитанный волоконный материал,предпочтительно содержащий волокна стекла,угля или кефлара, и ротор (1) для увеличения жесткости выполнен утолщенным изнутри наружу. 4. Электрическая машина с осевым потоком по любому из пп.1-3, отличающаяся тем,что она имеет средства для определения положения магнитных полюсов ротора (1), предпочтительно содержащих расположенную на наружной периферии ротора (1) магнитную ленту(14), которая образует радиально намагничиваемую последовательность магнитных полюсов, которые расположены в соответствии с заделанными в армированную волокном или тканью пластмассу (12) постоянными магнитами(11), и взаимодействующие с ними расположенные неподвижно датчики (5) Холла. 5. Электрическая машина с осевым потоком по любому из пп.1-4, отличающаяся тем,что армированная волокном или тканью пластмасса (12) является эпоксидной смолой или имидной смолой с армированием стекловолокном и для лучшего теплового расширения и теплопроводности предпочтительно дополнительно содержит минеральные вещества. 6. Электрическая машина с осевым потоком по любому из пп.1-5, отличающаяся тем,что постоянные магниты (11) содержат каждый расположенные в окружном направлении рядом друг с другом, по меньшей мере, два отдельных магнитных сегмента (111), которые соединены предпочтительно с помощью клея для металла. 7. Электрическая машина с осевым потоком по любому из пп.1-6, отличающаяся тем,что статоры (3, 4) содержат каждый кольцевое ярмо (31, 41), в котором выполнены проходящие приблизительно радиально изнутри наружу пазы (32, 42), через которые проходят многофазные обмотки (33, 43). 8. Электрическая машина с осевым потоком по любому из пп.1-7, отличающаяся тем,что постоянные магниты (11) или пазы (32, 42) выполнены с перекосом в окружном направлении. 9. Электрическая машина с осевым потоком по любому из пп.1-8, отличающаяся тем,что оба статора (3, 4) в окружном направлении электрически смещены относительно друг друга на 180, так что соответствующие магнитные потоки в окружном направлении в роторе (1) ориентированы противоположно и тем самым фактически взаимно компенсируют друг друга,по меньшей мере, большей частью. 10. Способ изготовления ротора (1) для электрической машины с осевым потоком по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что машинный вал (2) и постоянные магниты (11) располагают в одной форме и затем заливают под давлением предварительно нагретую армированную волокном или тканью пластмассу в форму, которую нагревают. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что заливание армированной волокном или тканью пластмассы выполняют при температуре, по меньшей мере, 200 С и при давлении от 500 до 1500 бар.