DE10062753A1 - Elektrischer Reluktanzbetrieb mit Permanent-Magneterregung zur leistungsarmen Erzeugung von Drehmomenten und gegebenenfalls Tragkräften - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Reluktanzantrieb zur Erzeugung von einem elektromagnetischen Drehmoment und gegebenenfalls von elektromagnetischen Kräften. Durch eine weitestgehend ebene Anordnung von elektromagnetischen Polausbildungen und permanentmagnetischen Polausbildungen, wird in den Luftspalten zum Rotor, der mit einem Reluktanzschnitt ausgeführt ist, ein magnetischer Fluß erzeugt. Wird ein tragkraftbildender und ein drehmomentbildender magnetischer Fluß dem konstanten Fluß überlagert, können sowohl Drehmomente als auch Tragkräfte, zwecks Antrieb und magnetischer Lagerung des Rotors, erzeugt werden. Mit dieser Anordnung ist ein einfacher mechanischer Aufbau von konventionellen und magnetgelagerten Antrieben möglich, die insbesondere für hohe Drehzahlen geeignet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Antrieb, zur Erzeugung von einem elektromagnetischen Drehmoment und gegebenenfalls von elektromagnetischen Kräften, zwecks Antrieb und berührungsfreier magnetischer Lagerung von Rotoren in rotierenden Antrieben.

Die Magnetlagertechnik erschließt Applikationsfelder des Maschinen- und Gerätebaus mit äußerst hohen Anforderungen an den Drehzahlbereich, die Lebensdauer, die Reinheit und die Dichtheit des Antriebssystems - also im wesentlichen Anwendungsgebiete, die unter Verwendung konventioneller Lagertechniken nicht oder nur schwer realisierbar sind. Verschiedene Ausführungen, wie beispielsweise Hochgeschwindigkeitsfräs- und Schleifspindeln, Turbokompressoren, Vakuumpumpen, oder Pumpen für hochreine chemische oder medizinische Erzeugnisse werden bereits mit Magnetlagern ausgerüstet. In der Literatur gibt es Vorschläge (Fig. 1), Maschine und Radialmagnetlager in einer magnetischen Statoreinheit zu integrieren. In einem Stator sind zwei getrennte Wicklungssysteme (11), (12) für Drehmoment- und Tragkraftbildung mehrlagig in Nuten eingebracht. Beide Wicklungssysteme sind dreisträngig und unterscheiden sich in der Polpaarzahl um eins. Die Spulen sind gesehnt und über mehrere Nuten verteilt, wodurch eine annähernd sinusförmige Flußverkettung erreicht wird.

4-polige Maschinenwicklung (11) (außen): Strang 1 (13), Strang 2 (14), Strang 3 (15) 2-polige Tragwicklung (12) (innen): Strang 1 (16), Strang 2 (17), Strang 3 (18).

Wesentlich bei dieser Art von magnetisch gelagerten elektrischen Maschinen - in der Folge als lagerloser Motor bezeichnet - ist, daß zur Entkopplung der Tragkräfte und des Drehmoments sowohl ein Drehfeld (od. Wechselfeld) zur Drehmomenterzeugung als auch ein Drehfeld zur Erzeugung der Tragkräfte erforderlich ist. Speziell für die Tragkrafterzeugung ist die Wirkleistung im Vergleich zur Blindleistung klein, besonders bei hohen Drehzahlen. Damit ist eine sehr stark überdimensionierte Leistungselektronik zur Ansteuerung der Tragkraftwicklungen nötig. Besonders für Applikationen mit sehr hohen Drehzahlen, die nur eine kleine Antriebsleistung benötigen, ist damit eine aufwendige Leistungselektronik erforderlich.

In der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung vorgeschlagen, welche einen sehr einfachen mechanischen Aufbau von konventionellen und magnetgelagerten elektrischen Antrieben ermöglicht, der insbesondere für sehr hohe Rotordrehzahlen geeignet ist. In der Fig. 2 ist eine mögliche Ausführung eines lagerlosen Reluktanzmotors dargestellt. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Anzahl der Pole frei zu wählen, wobei gegebenenfalls die Anzahl der permanentmagneterregten Polausbildungen (29) mit den elektromagnetisch erregten Polausbildungen übereinstimmen können. Durch die Permanentmagnete (21) wird selbst bei unbestromten Wicklungen ein magnetischer Fluß (22) im Motor ausgebildet, welcher einen magnetischen Spannungsabfall in den Luftspalten (45), (46), (47), (31), (35), (36) (in weiterer Folge auch als Vormagnetisierung bezeichnet) bewirkt, wobei die Magnetisierungsrichtung (26) der Permanentmagnete entweder gemeinsam nach innen oder nach außen gerichtet sein kann. Diesem Fluß werden getrennte Steuerflüsse zur Tragkraft und Drehmomentbildung überlagert. Der für die Drehmomentbildung verantwortliche Steuerfluß wird mit den Wicklungen (23) erzeugt. Die Wicklungen (24) sind hingegen für den tragkraftbildenden Steuerfluß verantwortlich. Bei stillstehendem Rotor bzw. bei nur niedrigen Rotordrehzahlen kann die Drehmoment- und Tragkraftbildung nicht als entkoppelt betrachtet werden. Bei hohen Rotordrehzahlen treten zwar gegenseitige Beeinflussungen der drehmoment- und tragkraftbildenden Systeme weiterhin auf, diese wirken sich jedoch aufgrund der Massenträgheit des Rotors (25) nur sehr gering auf die radiale Sollposition sowie auf die Winkelgeschwindigkeit aus, sodaß die drehmoment- und tragkraftbildenden Systeme als entkoppelt betrachtet werden können.

Die Drehmomentbildung ist in Fig. 3 dargestellt. Durch die Bestromung der Spulen (32) kommt es gegenüber dem unbestromten Fall zu einer Erhöhung der Flußdichte in den Luftspalten (46) und (31). Damit wird auf den Rotor (25) ein Drehmoment M im Gegenuhrzeigersinn ausgeübt. Nach einem genau definierten Drehwinkel muß der drehmomentbildende Strom auf ein anderes Wicklungssystem kommutiert werden. Durch eine entsprechende Kommutierung der drehmomentbildenden Wicklungssysteme kann erreicht werden, daß bei einem annähernd konstanten Drehmoment die mittlere, auf den Rotor wirkende, Kraft über eine Rotorumdrehung zu Null wird. Zur Entkopplung der Drehmomentbildung von der Tragkraftbildung, können gegebenenfalls die permanentmagnetischen Polausbildungen zusätzlich elektromagnetisch erregt werden.

Die Tragkraftbildung kann der Fig. 4 entnommen werden. Der durch Bestromung der Spule (41) erzeugte magnetische Fluß (42) wird sich aufgrund der kleinen relativen Permeabilität der Permanentmagnete weitestgehend über die Schenkel (43) und (44) schließen. Nur ein vernachlässigbarer Flußanteil schließt sich über die Streuwege und die Permanentmagnete. Damit kommt es im Luftspalt (45) zu einer Erhöhung der Flußdichte, hingegen nimmt die Flußdichte in den Luftspalten (46) und (47) ab. Somit kommt es zur Ausbildung einer resultierenden Kraft in positive x-Richtung. Mit der Rotordrehung wird sich zwar der Kraftvektor verändern, der über eine Rotorumdrehung gemittelte Kraftvektor zeigt jedoch weiterhin in positive x-Richtung.

Für hohe Drehzahlen kann das drehmomentbildende System des lagerlosen Reluktanzmotors mit PM-Vormagnetisierung wie eine konventionelle Reluktanzmaschine oder ein Schrittmotor angesteuert werden, das tragkraftbildende System kann wie ein Magnetlager mit PM-Vormagnetisierung angesteuert und geregelt werden. Bei niedrigen Rotordrehzahlen ist allerdings eine Entkopplung der beiden Teilsysteme mittels eines speziellen Ansteuerverfahrens erforderlich. Die Entscheidung, ob eine hohe oder niedrige Rotordrehzahl vorliegt, ist einerseits durch die geometrische Ausführung des Rotors bestimmt und ist andererseits vom dynamischen Modell des lagerlosen Antriebssystems abhängig. Letztendlich bestimmt die maximale Abweichung des Rotormittelpunkts von der geometrischen Sollposition die Wahl der eben beschriebenen unterschiedlichen Ansteuerverfahren.

Die an einem ferromagnetischen Körper angreifende magnetische Kraft F ist, wie in Fig. 7 dargestellt, eine quadratische Funktion der Flußdichte B. Ohne Vormagnetisierung ergibt sich mit einer Änderung der Luftspaltflußdichte von ΔB eine Änderung der Normalkomponente der magnetischen Kraft von ΔF. Durch eine Vormagnetisierung B₀ kann bei gleicher Änderung der Flußdichte ΔB eine wesentliche Erhöhung der magnetischen Kraft von ΔF₂ erzielt werden. Gegenüber einem lagerlosen Reluktanzmotor ohne Vormagnetisierung, kann durch die Vormagnetisierung bei gleicher Bestromung sowohl eine größere Tragkraft als auch ein höheres Drehmoment erzielt werden.

Ist die Ausführung eines scheibenförmigen Rotors möglich und treten nur kleine Kräfte in axialer Richtung auf, kann der lagerlose Reluktanzmotor mit PM-Vormagnetisierung zur Stabilisierung von 5 Freiheitsgraden genutzt werden. Die Stabilisierung der beiden radialen Freiheitsgrade in der Rotorebene kann dabei aktiv erfolgen. Hingegen ist eine Stabilisierung in axiale Richtung und in Kipprichtung durch die Reluktanzkräfte (51) und (61), wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, möglich.

Der lagerlose Reluktanzmotor kann auch als Schrittmotor wie in Fig. 8 dargestellt, ausgeführt werden. Dazu ist bei unveränderter Wicklungsanordnung nur die geometrische Ausführung des Rotors (81) und der Schenkelstirnflächen (82) entsprechend Fig. 8 abzuändern. Mit dieser Anordnung ist eine entkoppelte Betrachtung der tragkraftbildenden und der drehmomentbildenden Teilsysteme selbst bei kleinen Drehzahlen möglich.

Werden die Wicklungssysteme zur Erzeugung der Tragkräfte (24) nicht ausgeführt, wie in Fig. 9 und Fig. 11 dargestellt, ist ein Betrieb als konventioneller Schrittmotor mit einer entsprechend feinen Rotorverzahnung (91) oder als Reluktanzmotor (Switched Reluctance Motor) mit Permanentmagnet-Vormagnetisierung mit einer groben Rotorverzahnung (111) möglich.

Ein hinsichtlich des fertigungstechnischen Aufwands optimierter lagerloser Reluktanzmotor ist in Fig. 10 dargestellt. Die drei Permanentmagnete (21) sind bei dieser Ausführung vollständig von ferromagnetischen Material umgeben. Dadurch ist einerseits eine sehr kostengünstige Fertigung möglich, da keine eng tolerierten Permanentmagnete erforderlich sind. Andererseits ist das spröde Magnetmatetial vollständig vom Blechschnitt umgeben, sodaß keine mechanischen Kräfte auf das Magnetmaterial wirken können. Damit ein magnetischer Kurzschluß der Permanentmagnete vermieden wird, müssen die Stege (102) so dünn ausgeführt werden, daß in diesen Bereichen das ferromagnetische Material in Sättigung geht. Durch die mechanische Robustheit dieses lagerlosen Motors, ist ein Einsatz in Applikationen möglich, bei denen aufgrund der mechanischen Beanspruchung eine PM- Vormagnetisierung bislang nicht möglich war.

Der Rotor der hier vorgeschlagenen Motoranordnung kann entweder aus geblechtem oder aus massivem ferromagnetischen Material ausgeführt werden. Damit ist dieses Konzept grundsätzlich für höchste Drehzahlen geeignet.

Durch die Vormagnetisierung kann bei einer Auslenkung des Rotors aus dem geometrischen Mittelpunkt eine ungleichmäßige über den Umfang des Rotors verteilte Luftspaltflußdichte erzeugt werden. Damit wird selbst bei unbestromten Tragwicklungssystemen eine radiale magnetische Kraft auf den Rotor ausgeübt, sodaß statische Lagerkräfte kompensiert werden.

Claims (20)

1. Elektrischer Antrieb zur Erzeugung von einem elektromagnetischen Drehmoment und von magnetischen Tragkräften zwecks Antrieb und Lagerung des Rotors, welcher mit permanentmagnetischer Erregung oder einem Kurzschlußkäfig oder insbesondere mit einem Reluktanzschnitt in geblechter oder massiver Form auf ferromagnetischer Basis ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stator des lagerlosen Motors zwischen elektromagnetischen Polausbildungen (28) permanentmagnetische Polausbildungen (29), gegebenenfalls mit Spulen bewickelt, in der Weise angeordnet sind, daß im Luftspalt in den Bereichen der elektromagnetischen Polausbildungen ein magnetischer Spannungsabfall durch die von den Permanentmagneten erzeugten Flüsse (22) entsteht.

2. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über den Betrag und das Vorzeichen der Spulenströme der Luftspaltfluß im Bereich der elektromagnetischen Polausbildung (45), (46), (47) sowie gegebenenfalls im Bereich der permanentmagnetischen Polausbildung (31), (35), (36) so verändert werden kann, daß dieser größer oder kleiner als der permanentmagnetische Vormagnetisierungsfluß bzw. im stromlosen Zustand gleich dem permanentmagnetischen Vormagnetisierungsfluß ist, sodaß über die Wahl der Spulenströme die Tragkraft sowie das elektromagnetische Drehmoment in Betrag und Richtung gesteuert werden können.

3. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die permanentmagnetischen Polausbildungen als auch die elektromagnetischen Polausbildungen geometrisch im wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind und dabei die überwiegenden Anteile der magnetischen Steuerflüsse zur Erzeugung der Tragkräfte (42) und des Drehmoments mit Ausnahme der Luftspalte in ferromagnetischem Material geführt werden und nur ein verschwindender Anteil des tragkraftbildenden und des drehmomentbildenden magnetischen Flusses durch die Permanentmagnete (21) verläuft.

4. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die permanentmagnetischen Polausbildungen als auch die elektromagnetischen Polausbildungen in einer Ebene angeordnet sind und dabei der wesentliche Teil des tragkrafterzeugenden magnetischen Flußpfads (42) nicht durch die Permanentmagnete (21) verläuft.

5. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die permanentmagnetischen Polausbildungen mit Permanentmagneten in der Weise bestückt sind, daß zumindest im stromlosen Zustand der Luftspaltfluß im Bereich dieser Polausbildungen entweder gemeinsam nach innen oder nach außen gerichtet ist (26).

6. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von konstanten Tragkräften insbesondere bei hohen Rotordrehzahlen im wesentlichen ein magnetisches Gleichfeld nötig ist, sodaß die zur Ansteuerung der Tragwicklungen erforderliche Blindleistung vernachlässigbar klein wird.

7. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Reluktanzschnitt insbesondere durch die Ausführung der Verzahnung des Rotors (25) oder (81) und der Schenkelstirnflächen (82) die Drehzahl-Drehmomentcharakteristik festgelegt werden kann.

8. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorgeometrie sowie die Schenkelstirnflächen mit einer feinen Verzahnung (91) ausgeführt sind, sodaß der Motor als Schrittmotor betrieben werden kann.

9. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorgeometrie mit einer groben Verzahnung (111) ausgeführt ist, sodaß der Motor als Reluktanzmotor betrieben werden kann.

10. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnung des Rotors und gegebenenfalls der Schenkelstirnfläche geometrisch so ausgeführt sind, daß sich ein unterschiedlicher relativer Winkelversatz zwischen der Rotorverzahnung und der Verzahnung der einzelnen Schenkelstirnflächen einstellt.

11. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polzahl des Rotors (Anzahl der Zähne) sich von der Anzahl der Polausbildungen unterscheidet.

12. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der mechanischen Robustheit sowie zur Vereinfachung des mechanischen Aufbaus die Permanentmagnete (21) vollständig von ferromagnetischem Material umgeben sind, wobei ein magnetischer Kurzschlußfluß der Magnete durch entsprechend dünne in der magnetischen Sättigung betriebene Flußleitstücke (102) begrenzt wird.

13. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor und möglichst auch der Stator scheiben-, ring- oder glockenförmig mit gegenüber den radialen Abmessungen kleinen axialen Abmessungen ausgeführt ist, sodaß aufgrund der Kraftwirkung der magnetischen Luftspaltfelder (51), (61) eine stabile passive magnetische Lagerung in axialer Richtung und den beiden Kipprichtungen erfolgt.

14. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorposition in radialer Richtung so eingestellt wird, daß durch die permanentmagnetische Vormagnetisierung eine ungleichmäßige über den Rotorumfang verteilte Flußdichteverteilung ausgebildet wird, wodurch die auf den Rotor wirkenden magnetischen Kräfte gerade die vorhandenen stationären Lagerkräfte kompensieren.

15. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Bildung des elektromagnetischen Drehmoments verantwortliche magnetische Fluß gegenüber dem Nennbetrieb geschwächt wird, sodaß sich die in den Motorsträngen induzierte Spannung gegenüber der Nennspannung verringert, wodurch andererseits höhere Drehzahlen als die Nenndrehzahl erreicht werden können.

16. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des elektromagnetischen Drehmoments und der Tragkräfte unterschiedliche Spulensätze (23), (24) verwendet werden.

17. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über einer permanentmagnetischen oder elektromagnetischen Polausbildung mehrere Spulen angeordnet sind.

18. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über einer permanentmagnetischen oder elektromagnetischen Polausbildung jeweils nur eine einzige Spule angeordnet ist, wobei sowohl die zur Drehmoment- als auch zur Tragkraftbildung erforderlichen Flußkomponenten von dieser Spule erzeugt werden.

19. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen und permanentmagnetischen Polausbildungen durch eine entsprechende Gestaltung der Polgeometrie, insbesondere durch eine hinterschnittsfreie Ausbildung der elektromagnetischen Polschenkel, derart aufgebaut sind, daß zwecks einer einfachen und kostengünstigen Montage vorgefertigte Spulen über die elektromagnetischen Polausbildungen geschoben werden können.

20. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkraftwicklungen nicht ausgeführt sind, sodaß eine Betriebsart als konventioneller Schritt oder Reluktanzmotor mit permanentmagnetischer Vormagnetisierung möglich ist, wobei bei dieser Betriebsart die wesentlichen Anteile des drehmomentbildenden Steuerflusses, mit Ausnahme der Luftspalte, in ferromagnetischem Material geführt werden und nur ein verschwindender Anteil dieses Flusses durch die Permanentmagnete verläuft.