DE10009462A1

DE10009462A1 - Pol-Phasen-Modulation (PPM) in permanentmagneterregten elektrischen Maschinen

Info

Publication number: DE10009462A1
Application number: DE2000109462
Authority: DE
Inventors: Vlado Ostovic
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2001-08-30

Abstract

Die in diesem Patent vorgeschlagene technische Lösung dient dazu, den Drehzahlbereich einer permanentmagneterregten (PM) Synchronmaschine deutlich zu erweitern. In herkömmlichen PM Maschinen ist die Polpaarzahl nicht veränderbar und der von den Magneten verusachte Fluß im Leerlauf konstant. Deswegen steigt die induzierte Spannung in der Ständerwicklung proportional mit der Läuferdrehzahl. Über eine bestimmte Läuferdrehzahl wird die induzierte Spannung zu hoch und muß mit einem dauernd fließenden Ständerstrom kompensiert werden. DOLLAR A In der vorgeschlagenen Lösung wird die Polpaarzahl mit Hilfe der Ringwicklung auf der Ständerseite variiert. Gleichzeitig mit der Polpaarzahl kann auch die Ständerphasenzahl geändert werden. Die Läufermagnete werden dabei in Abhängigkeit von der gewünschten Polpaarzahl ummagnetisiert. Der Fluß von Permanentmagneten wird in einer Maschinenausführung dazu so kompensiert, daß eine zusätzliche Komponente des Ständerstroms nur kurzzeitig fließt und dabei einen Teil der Läufermagnete nahe der Welle ummagnetisiert. Durch die Ummagnetisierung der Läufermagnete erhält man die Möglichkeit, bei höherer Drehzahl eine niedrigere induzierte Spannung in den Ständerwicklungen zu haben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, in einer permanentmagneterregten Maschine die Möglichkeit zu schaffen, die Polpaarzahl beliebig zu ändern. Diese Aufgabe wird durch eine Sonderbauart der Ständerwicklung und des Läufers dieser Maschine gelöst.

Der Läufer einer polumschaltbaren permanentmagneterregten elektrischen Maschine hat ummagnetisierbare Permanentmagnete die entweder tangential oder radial eingebaut werden können. Zusätzlich zu den Magneten wird im Läufer noch ein Käfig eingebaut. Der Käfig sorgt dafür, daß der Läufer ein Moment bauen kann, mit dem er sich von einer zu der anderen Drehzahl bewegen kann. Die Magnete bauen ein nützliches Drehmoment bei gegebener Synchrondrehzahl, die durch Ständerwicklung bestimmt wird.

Der Ständer einer Pol-phasen-modulierten permanentmagneterregten Maschine trägt eine Ringwicklung. Jede Spule der Ringwicklung kann unabhängig von anderen gespeist werden. Es können auch mehrere nebeneinander liegende Spulen in Reihe geschaltet werden, und dann unabhängig von anderen Spulengruppen gespeist werden. Eine Ringwicklung mit getrennten Spulen hat gegenüber einer herkömmlichen Wicklung zwei Vorteile:

- zwei beliebige Spulen der Ringwicklung können denselben Strom führen. Damit bauen sie einer herkömmlichen Spule elektrisch einen Pandan. Bei veränderter Polpaarzahl werden andere Spulenkombinationen benutzt, die immer einen guten Wicklungsfaktor und relativ kurze Wickelkopflänge haben.
- da der größte Teil des Wickelkopfs einer Ringwicklung am Ständerjoch befestigt ist, kann er mit entsprechender Einrichtung mit Öl oder Wasser gut gekühlt werden.

Um die Flexibilität einer Ringwicklung für Spulenkombinationen benutzen zu können, benötigt man offensichtlich eine große Anzahl von Schaltern. Die Schalter können entweder mechanisch oder elektronisch werden. Es sind auch Kombinationen mechanischer und elektronischer Schalter vorstellbar.

Da die Spulen der Ringwicklung in einer großen Anzahl der Kombinationen miteinander und an die Außenquellen geschaltet werden können, kann die Polpaarzahl der Maschine, als auch ihre Ständerphasenzahl in breiteren Grenzen geändert werden als bei herkömmlichen polumschaltbaren Maschinen. Dabei spielt die Anzahl der Ständernuten eine entscheidende Rolle, die zusammen mit der Anzahl der verfügbaren Schalter die möglichen Polpaarzahlen und Phasenzahlen bestimmt.

Das Prinzip der Pol-Phasen Modulation kann im folgenden Beispiel illustriert werden: Eine permanentmagneterregte Maschine mit 20 Ständernuten sollte als 4- polige (2p₁ = 4) und als 10-polige (2p₂ = 10) betrieben werden. Nimmt man für niedrigere Polpaarzahl eine fünfphasige Wicklung, d. h. m₁ = 5, muß die Phasenzahl bei höherer Polpaarzahl gleich zwei sein, d. h. m₂ = 2. Bezeichnet man mit q die Anzahl der Nuten pro Pol und Phase, ist sie bei beiden Polpaarzahlen gleich, d. h. q₁ = q₂ = 1. Schematisch werden die Spulen angeschlossen wie in Fig. 3 und 4 dargestellt.

Die vorgeschlagene Lösung kann sowohl für permanentmagneterregte elektrische Maschinen mit konstantem, als auch mit variablem Magnetfluß verwendet werden.

Der Querschnitt einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine mit konstantem Magnetfluß und mit Pol-Phasen Modulation ist in Fig. 1 dargestellt. Der Ständer (1) trägt in seinen Nuten die Spulen der Ringwicklung (2), die mit den Buchstaben a (Spulenanfang) - a' (Spulenende) bis u - u' kennzeichnet sind. Auf der Läuferseite befinden sich sowohl die Stäbe (3) des Hilfskäfigs, als auch rechteckige Permanentmagnete (4). Der Raum zwischen den Magneten und Stäben ist mit weichem magnetischen Material (5) besetzt. Der Läufer ist an der unmagnetischen Welle (6) befestigt.

Der Querschnitt einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine mit variablem Magnetfluß und mit Pol-Phasen Modulation ist in Fig. 2 dargestellt. Der Ständer dieser Maschine ist demjenigen in Fig. 1 identisch: der Ständer (1) trägt in seinen Nuten die Spulen der Ringwicklung (2), die mit den Buchstaben a (Spulenanfang) - a' (Spulenende) bis u - u' kennzeichnet sind. Auf der Läuferseite befinden sich sowohl die Stäbe (3) des Hilfskäfigs, als auch trapezförmige Permanentmagnete (7). Der Raum zwischen den Magneten und Stäben ist mit weichem magnetischen Material (8) besetzt. Der Läufer ist an der unmagnetischen Welle (6) befestigt.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Maschinen können mit mehreren Polaritäten und Phasenzahlen betrieben werden, und zwar als:

- 2-polige, 2-phasige;
- 2-polige, 5-phasige;
- 4-polige, 5-phasige;
- 10-polige, 2-phasige.

Offensichtlich sind bei einer anderen Ständernutenzahl auch andere Kombinationen der Polpaarzahlen und Ständerphasen möglich. Die 4-polige Schaltung der Ständerwicklung ist in Fig. 3 dargestellt, und die 10-polige in Fig. 4.

Nachdem die Polpaarzahl der Maschine nach Fig. 2 mit der Ständerwicklungsschaltung bestimmt ist, kann die induzierte Spannung in ihr der Drehzahl angepaßt werden. Dies wird mit Hilfe einer zusätzlichen Komponente des d- Achsen Stroms erreicht, der Läufermagnete teilweise ummagnetisiert.

Claims

1. Permanentmagneterregte elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Ständer eine Ringwicklung hat, deren Spulen mit Hilfe elektronischer oder mechanischer Schalter beliebig miteinander in Reihe und/oder parallel kombiniert werden können;

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Ständer beliebige Phasenzahl und Polpaarzahl haben kann;

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Läufer einen oder mehrere rechteckige Magnete pro Pol hat;

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Läufer einen oder mehrere trapezförmige Magnete pro Pol hat;

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Läufer zusätzliche Käfigwicklung hat;