DE102006034578A1

DE102006034578A1 - Electrical machine for use in e.g. roller mill drive, has air gap provided between stator and rotor, where air gap has subareas with different radial expansions arranged side by side in axial middle section

Info

Publication number: DE102006034578A1
Application number: DE200610034578
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Drubel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-01-31

Abstract

The machine (1) has a rotor (5) rotatably supported around a rotational axis (7), and an air gap (8) provided between a stator (3) and the rotor. The air gap has subareas (10, 11) that are arranged side by side in an axial middle section, where the subareas have different radial expansions (W1). The radial expansions have a cascaded progression in a direction of the rotational axis. The subareas are formed by profiling a wall surface. The air gap is implemented in an axial direction.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem um eine Drehachse drehbar gelagerten Läufer.The The invention relates to an electric machine with a stator and a rotatably mounted about a rotation axis runners.

Derartige elektrische Maschinen sind derzeit beispielsweise als Synchron- oder als Asynchronmotoren im Einsatz. Die Anwendungsfelder sind vielfältig. Ein Einsatzbereich mit besonders hohen Anforderungen an den elektrischen Antrieb ist die Walzwerktechnik.such Electrical machines are currently used, for example, as synchronous or as induction motors in use. The application fields are diverse. A field of application with particularly high demands on the electrical Drive is the rolling mill technology.

So wird eine als Walzwerkantrieb eingesetzte elektrische Maschine in Form eines Asynchronmotors oft in einem weiten Drehzahlbereich betrieben, wobei zugleich eine hohe Überlastfähigkeit gewährleistet sein muss. Insbesondere wird eine zulässige Überlast von bis zu 300% und eine maximale Drehzahl gefordert, die bis zu dreimal so groß ist wie eine für den speisenden Umrichter optimale Eckdrehzahl an der Grenze zwischen dem Proportional- oder Spannungsstellbereich und dem Feldstell- oder Feldschwächbereich.So is used as a rolling mill electric machine in Form of an asynchronous motor often operated in a wide speed range, where at the same time a high overload capacity guaranteed have to be. In particular, a permissible overload of up to 300% and Required a maximum speed, which is up to three times as large as one for the feeding inverter optimum corner speed at the boundary between the proportional or voltage range and the field setting or field weakening area.

Bei gängigen Asynchronmotoren nimmt das Kippmoment im Feldschwächbereich quadratisch mit der Drehzahl ab, sodass eine Überdimensionierung des Motors und/oder des speisenden Umrichters vorgesehen ist. Dies ist aufwändig und erhöht die Kosten.at common Asynchronous motors take the overturning moment in the field weakening range square with the speed, thus over-dimensioning the motor and / or the supplying converter is provided. This is expensive and elevated the costs.

Aus der DE 37 18 983 A1 ist eine als Antrieb in einer Werkzeugmaschine oder einem Fahrzeug vorgesehene permanenterregte Synchronmaschine bekannt. Zur Verbesserung des Feldstellbetriebs sind bei dieser bekannten Synchronmaschine die Permanentmagnete am Läufer nur in einem axial mittleren Abschnitt angeordnet, wohingegen die beiden Randabschnitte ein bis an den Luftspalt geführtes weichmagnetisches Material enthalten. Der mittlere Abschnitt und die Randabschnitte haben verschie dene Läuferaußendurchmesser, sodass der Luftspalt in den Randbereichen schmäler ist als im mittleren Abschnitt. Aufgrund dieser räumlichen Trennung der Abschnitte und auch der zugehörigen Felder kann der in den Randabschnitten auftretende Sättigungseffekt zur Reduzierung der unerwünschten Ankerrückwirkung verwendet werden. Dadurch wird eine Regelung der Erregung erreicht. Dieses Prinzip lässt sich hauptsächlich für elektrische Maschinen einsetzen, die nach dem Reluktanzprinzip arbeiten.From the DE 37 18 983 A1 is known as a drive in a machine tool or a vehicle permanent magnet synchronous machine known. To improve the Feldstellbetriebs the permanent magnets are arranged on the rotor only in an axially central portion in this known synchronous machine, whereas the two edge portions contain a guided up to the air gap soft magnetic material. The middle section and the edge sections have different rotor outer diameters, so that the air gap is narrower in the edge regions than in the middle section. Due to this spatial separation of the sections and also of the associated fields, the saturation effect occurring in the edge sections can be used to reduce the undesired armature reaction. As a result, a regulation of the excitation is achieved. This principle can be used mainly for electrical machines that work according to the reluctance principle.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, mittels der mit geringem Aufwand ein möglichst großer Drehzahlbereich abgedeckt werden kann.The The object of the invention is an electric machine of Specify at the beginning designated type, by means of a little effort preferably greater Speed range can be covered.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist zwischen dem Ständer und dem Läufer ein Luftspalt vorgesehen, der zumindest in einem axial mittleren Abschnitt axial nebeneinander angeordnete Teilbereiche mit unterschiedlicher radialer Ausdehnung aufweist.These Task is solved by the characteristics of the independent Patent claim 1. In the electric machine according to the invention between the stand and the runner provided an air gap, at least in an axially middle Section axially juxtaposed partial areas with different having radial extent.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine zeichnet sich insbesondere durch eine Vielzahl an Teilbereichen aus, die axial, d.h. bezogen auf die Richtung der Drehachse, nebeneinander platziert sind und von denen benachbarte Teilbereiche jeweils eine unterschiedliche Breite (= radiale Ausdehnung) des Luftspalts aufweisen.The electrical according to the invention Machine is characterized in particular by a large number of sub-areas which is axial, i. related to the direction of the axis of rotation, side by side are placed and of which adjacent portions each one have different width (= radial extent) of the air gap.

Dies führt dazu, dass es insbesondere im Feldschwächbereich zu einer Konzentration der magnetischen Flussdichte (= Induktion) in den Teilbereichen kommt, die eine geringe Luftspaltbreite haben. Im Idealfall verschwindet die magnetische Flussdichte in den Teilbereichen mit einer größeren Luftspaltbreite vollständig. Somit bleibt auch bei einem Feldschwächbetrieb in den Teilbereichen mit einer kleinen Luftspaltbreite dank der vorteilhaften Konzentration der Flussdichte die günstige Sättigung im Ständer und/oder Läufer er halten. Die Feldschwächung tritt an diesen Teilbereichen mit schmalem Luftspalt also nicht oder erst bei sehr viel größeren Drehzahlen auf.This leads to, that it is especially in the field weakening area to a concentration of the magnetic flux density (= induction) comes in the areas that have a small air gap width. in the Ideally, the magnetic flux density disappears in the subregions with a larger air gap width Completely. Thus, even in a field weakening operation remains in the sub-areas with a small air gap width thanks to the favorable concentration the river density the cheap saturation in the stand and / or runners receive. The field weakening occurs at these areas with narrow air gap so not or only at much higher speeds.

Die mittlere magnetische Flussdichte ist proportional zu der Amplitude und zu dem Kehrwert der Frequenz einer das Ständerwicklungssystem speisenden elektrischen Spannung. Die Drehzahl der Maschine ist im Wesentlichen proportional zur Frequenz der elektrischen Speisespannung. Gemäß den Maxwellschen Flächenspannungen ist das lokale Kippmoment einer elektrischen Maschine proportional zum Quadrat der magnetischen Flussdichte. Für eine herkömmliche elektrische Maschine mit gleichmäßigem Luftspalt resultiert damit die bekannte quadratische Abhängigkeit des Kippmoments vom Kehrwert der Drehzahl.The mean magnetic flux density is proportional to the amplitude and to the inverse of the frequency of a stator winding system feeding electrical voltage. The speed of the machine is essentially proportional to the frequency of the electrical supply voltage. According to Maxwell's surface tension is the local overturning moment of an electrical machine proportional to the square of the magnetic flux density. For a conventional electric machine with even air gap This results in the known quadratic dependence of the overturning moment on Reciprocal of the speed.

Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit der in axialer Richtung insbesondere mehrfach variierenden Luftspaltbreite ergibt sich aufgrund der beschriebenen günstigen Flussdichtekonzentration anstelle der quadratischen eine im Idealfall lineare Abhängigkeit vom Kehrwert der Drehzahl. Jedenfalls reduziert sich der Abfall des Kippmoments mit der Drehzahl im Feldschwächbetrieb deutlich. Die Abhängigkeit des Kippmoments von der Drehzahl nimmt ab.at the electric machine according to the invention with the in the axial direction in particular repeatedly varying air gap width results from the described favorable flux density concentration instead of the quadratic an ideally linear dependence from the reciprocal of the speed. In any case, the waste is reduced the overturning moment with the speed in field weakening clearly. The dependence the overturning moment of the speed decreases.

Damit kann die Maschine bei deutlich größeren Drehzahlregelbereichen betrieben werden als eine vergleichbare herkömmliche Maschine. Zugleich kann die ansonsten übliche Überdimensionierung des Motors und/oder des speisenden Umrichters entfallen oder zumindest erheblich reduziert werden. Bei den Dimensionierungsüberlegungen spielt die Abnahme des Kippmoments nicht mehr die allein ausschlaggebende Rolle. Die Dimensionierung kann vielmehr nun auch nach thermischen Kriterien erfolgen.Thus, the machine can be operated at much larger speed control ranges than a comparable conventional machine. To Equally, the otherwise customary oversizing of the motor and / or the feeding converter can be dispensed with or at least considerably reduced. In the dimensioning considerations, the decrease of the overturning moment no longer plays the decisive role. The dimensioning can now be done according to thermal criteria.

Diese erfindungswesentlichen Vorteile werden insbesondere auch dadurch erzielt, dass insbesondere über die gesamte axiale Luftspaltlänge, also auch in dem axial mittleren Ab schnitt, in dem die Feld- und Flussverhältnisse nicht durch Randeffekte beeinflusst werden, die vorteilhafte Variation der Luftspaltbreite vorgesehen ist. Dadurch resultiert eine günstige Regelung der magnetischen Flussdichte im Luftspalt, im Gegensatz zu der bei der bekannten Synchronmaschine aus dem Stand der Technik vorgesehenen Beeinflussung der Erregung, die außerdem nur in den axialen Randabschnitten stattfindet.These essential to the invention advantages are also characterized achieved that in particular over the total axial air gap length, So also in the axially middle section from where the field and flow conditions not affected by edge effects, the beneficial variation the air gap width is provided. This results in a favorable regulation the magnetic flux density in the air gap, unlike that at provided the known synchronous machine of the prior art Influencing the excitement, moreover, only in the axial marginal sections takes place.

Weiterhin lässt sich das günstige Verhalten der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit vergleichsweise geringem Aufwand erzielen. Im Gegensatz zu der ansonsten für ein ausreichendes Drehzahlverhalten im Feldschwächbereich vorgesehenen sehr kostenträchtigen Überdimensionierung der Maschine und/oder des Umrichters ist die erfindungsgemäße Luftspaltvariation deutlich einfacher zu realisieren. Beispielsweise kann zur Herstellung der den Luftspalt begrenzenden Wände ein gängiges Laser-Verfahren zum Einsatz kommen. Ebenso kann man aber auch für den Ständer und/oder den Läufer Bleche mit im Luftspaltbereich entsprechend variierenden Abmessungen verwenden.Farther let yourself the cheap Behavior of the electrical according to the invention Achieve machine with comparatively little effort. In contrast to the otherwise for a sufficient speed behavior in the field weakening area provided very costly oversizing of the Machine and / or the inverter is the air gap variation according to the invention much easier to realize. For example, for the production of the air gap limiting walls a common laser process be used. But you can also for the stand and / or the runner sheets Use with varying dimensions in the air gap area.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.advantageous Embodiments of the electric machine according to the invention result arising from the features of the dependent claims of claim 1.

Günstig ist eine Variante, bei der sich die Teilbereiche periodisch abwechseln, sodass die radiale Ausdehnung des Luftspalts einen periodischen Verlauf in Richtung der Drehachse hat. Dadurch lässt sich auch im Feldschwächbetrieb ein möglichst einheitlich verteilter Verlauf der Flussdichte erzielen. Die Periodizität erleichtert die lokale Konzentration der Flussdichte auf viele Teilbereiche mit der gleichen geringen Luftspaltbreite. Die Periodenlänge in axialer Richtung sollte dabei insbesondere nicht mehr als das 5fache der mittleren radialen Ausdehnung des Luftspalts betragen. Dies trägt dazu bei, dass lokale thermische Überlastungen vermieden wer den. Es kommt insbesondere nicht zur Ausbildung lokal begrenzter überhitzter Bereiche.Cheap is a variant in which the subregions alternate periodically, so that the radial extent of the air gap has a periodic course in the direction of the axis of rotation. This also allows field weakening one possible achieve uniformly distributed flow density. The periodicity facilitates the local concentration of the flux density over many subareas with the same small air gap width. The period length in the axial direction should in particular not more than 5 times the average radial expansion of the air gap. This contributes to it at that local thermal overloads be avoided. In particular, there is no training locally limited overheated Areas.

Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die radiale Ausdehnung des Luftspalts einen stufenförmigen Verlauf in Richtung der Drehachse hat. Die Variation der Luftspaltbreite kann so einerseits sehr definiert und verfeinert vorgenommen werden. Andererseits ist ein Stufenprofil leicht herzustellen, beispielsweise mittels Blechen mit bereichsweise gleichen, aber von Teilbereich zu Teilbereich verschiedenen Abmessungen.Advantageous it is also if the radial extent of the air gap has a stepped course in the direction of the axis of rotation. The variation of the air gap width On the one hand, this makes it very well defined and refined. On the other hand, a step profile is easy to produce, for example by means of Sheet metal with areawise same, but from partial area to partial area different dimensions.

Vorzugsweise kann außerdem jeder Teilbereich durch bis zu einige Hundert axial hintereinander gestapelter Bleche des Läufers oder des Ständers gebildet sein. Damit kann die radiale Ausdehnung, also die Breite des Luftspalts mit einem weitgehend beliebigen Profil in axialer Richtung hergestellt werden. Im Extremfall kann ein Teilbereich auch nur ein einziges Blech umfassen, dessen Luftspaltgeometrie sich von der des benachbarten Blechs unterscheidet. Typischerweise umfassen die Teilbereiche bei einer Asynchronmaschine bis zu einige zehn Bleche, insbesondere bis zu 10 bis 20 Bleche, und bei einer Synchronmaschine bis zu einige Hundert Bleche, insbesondere bis zu 50 bis 300 Bleche.Preferably can also each sub-area stacked by up to a few hundred axially one behind the other Trays of the runner or the stand be. Thus, the radial extent, ie the width of the air gap manufactured with a largely arbitrary profile in the axial direction become. In extreme cases, a subarea can only be one Sheet metal, the air gap geometry of which of the adjacent Sheet metal is different. Typically, the subareas include an asynchronous machine up to several tens of sheets, in particular up to 10 to 20 sheets, and in a synchronous machine up to a few One hundred sheets, in particular up to 50 to 300 sheets.

Gemäß weiteren vorteilhaften Varianten sind die Teilbereiche mittels einer Profilierung einer dem Luftspalt zugewandten Wandfläche des Läufers oder des Ständers gebildet. Ebenso ist eine Profilierung sowohl der Wandfläche des Läufers als auch der des Ständers möglich. Dies erhöht die Freiheitsgrade und den Gestaltungsspielraum bei der Festlegung des Luftspalts mit variierender Spaltbreite.According to others Advantageous variants are the subregions by means of a profiling formed of the air gap facing wall surface of the rotor or the stator. Likewise, a profiling of both the wall surface of the rotor and the stator is possible. This elevated the degrees of freedom and the design freedom in the determination the air gap with varying gap width.

Günstig ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Teilbereiche mit unterschiedlicher radialer Ausdehnung des Luftspalts über eine gesamte axiale Länge des Luftspalts vorgesehen sind. Dann erfolgt die günstige Flussdichtekonzentration überall, also sowohl im mittleren Abschnitt als auch an den beiden Randabschnitten. Dies verstärkt den positiven Einfluss der Flussdichtekonzentration auf das Drehzahlverhalten.Cheap is furthermore an embodiment the subregions with different radial extent of Air gap over an entire axial length the air gap are provided. Then the favorable flux density concentration is everywhere, So both in the middle section as well as at the two edge sections. This is reinforced the positive influence of the flux density on the speed behavior.

Außerdem ist es bevorzugt, dass der Luftspalt in axialer Richtung zur einen Hälfte mit einer großen radialen Ausdehnung und zur anderen Hälfte mit einer kleinen radialen Ausdehnung ausgeführt ist. Dies gilt insbesondere im Mittel. Die (mittlere) große und die (mittlere) kleine radiale Ausdehnung sind dabei vorzugsweise so gewählt, dass ein über die gesamte axiale Länge bestimmter Mittelwert gleich einer nach den sonstigen Auslegungskriterien ermittelten konstanten radialen Ausdehnung ist. Die Variation der Spaltbreite in axialer Richtung hat dann außer dem erwünschten positiven Einfluss hinsichtlich der Konzentration der magnetischen Flussdichte keine negativen Auswirkungen auf das Verhalten der elektrischen Maschine.Besides that is it is preferred that the air gap in the axial direction to one half with a big one radial expansion and the other half with a small radial Extension performed is. This applies especially on average. The (medium) big and the (middle) small radial extent are preferably so selected that one over the entire axial length certain mean value equal to one according to the other interpretation criteria is determined constant radial extent. The variation of Slit width in the axial direction then has the desired positive influence No negative for the concentration of magnetic flux density Effects on the behavior of the electric machine.

Gemäß anderen bevorzugten Varianten kann sowohl ein Außen- als auch ein Innenläufer vorgesehen sein. Die vorstehend beschriebene günstige Variation der Luftspaltbreite kann bei beiden Läufer-Ausführungsformen mit den genannten Vorteilen eingesetzt werden.According to other preferred variants can be provided both an external and an internal rotor. The favorable variation of the air gap width described above can be used in both runner embodiments with the mentioned advantages.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:Further Features, advantages and details of the invention will become apparent the following description of embodiments with reference to Drawing. It shows:

1 und 2 jeweils ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einer axial variierenden Luftspaltbreite, 1 and 2 in each case an embodiment of an electrical machine with an axially varying air gap width,

3 einen vergrößerten Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer weiteren elektrischen Maschine, wobei im Luftspalt die Flussdichtelinien für den Feldschwächbetrieb eingetragen sind, und 3 an enlarged section of an embodiment of another electric machine, wherein the flux density lines are entered for the field weakening in the air gap, and

4 den Ausschnitt gemäß 3, wobei im Luftspalt die Flussdichtelinien für den Spannungsstellbetrieb eingetragen sind. 4 the clipping according to 3 , wherein in the air gap, the flux density lines are entered for the voltage adjustment operation.

Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are in 1 to 4 provided with the same reference numerals.

In 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele von jeweils als Synchronmotoren ausgeführten elektrischen Maschinen 1 und 2 in einer schematischen Teilquerschnittsdarstellung gezeigt. Bei beiden Maschinen 1 und 2 handelt es sich jeweils um einen Walzwerkantrieb, der als Innenläufer-Maschine ausgebildet ist.In 1 and 2 are exemplary embodiments of each designed as a synchronous electric motors 1 and 2 shown in a schematic partial cross-sectional view. For both machines 1 and 2 each is a rolling mill drive, which is designed as an internal rotor machine.

Beide Maschinen 1 und 2 haben als Hauptkomponenten einen Ständer 3 bzw. 4 und einen im Wesentlichen zylinderförmigen Läufer 5 bzw. 6, der drehbar um eine Drehachse 7 gelagert und innerhalb einer im Wesentlichen hohlzylindrischen Bohrung des Ständers 3 bzw. 4 angeordnet ist.Both machines 1 and 2 have as main components a stand 3 respectively. 4 and a substantially cylindrical runner 5 respectively. 6 which is rotatable about an axis of rotation 7 stored and within a substantially hollow cylindrical bore of the stator 3 respectively. 4 is arranged.

Die Ständer 3 und 4 umfassen jeweils ein Blechpaket, das jeweils ein in 1 und 2 nicht näher gezeigtes Wicklungssystem aufnimmt. Letzteres ist mittels eines ebenfalls nicht gezeigten Umrichters an das elektrische Versorgungsnetz angeschlossen. Der Umrichter speist das Wicklungssystem mit einer in der Amplitude und der Frequenz weitgehend frei einstellbaren mehrphasigen Spannung.The stands 3 and 4 each include a laminated core, each one in 1 and 2 not shown in detail winding system receives. The latter is connected by means of an inverter, also not shown, to the electrical supply network. The inverter feeds the winding system with a multiphase voltage that is largely freely adjustable in amplitude and frequency.

Auch die Läufer 5 und 6 enthalten jeweils ein Blechpaket, in dem jeweils ein in 1 und 2 ebenfalls nicht näher gezeigter Kurzschlusskäfig mit mehreren axial verlaufenden und in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordneten Läuferstäben platziert ist. Letztere sind an den beiden axialen Rand- oder Stirnseiten der Läufer 5 und 6 miteinander elektrisch kurz geschlossen.Even the runners 5 and 6 each contain a laminated core, in each of which a in 1 and 2 also not shown in detail short circuit cage is placed with a plurality of axially extending and circumferentially evenly distributed rotor bars arranged. The latter are at the two axial edge or front sides of the rotor 5 and 6 short electrically closed together.

Zwischen dem Ständer 3 bzw. 4 und dem Läufer 5 bzw. 6 ist jeweils ein in Umfangsrichtung umlaufender Luftspalt 8 bzw. 9 mit variierender Spaltbreite W1 bzw. W2 vorgesehen. Die Variation der Spaltbreite W1 und W2 erfolgt in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Drehachse 7, jeweils mit einem periodischen Rechteckverlauf.Between the stand 3 respectively. 4 and the runner 5 respectively. 6 is in each case a circumferentially circulating air gap 8th respectively. 9 provided with varying gap width W1 or W2. The variation of the gap width W1 and W2 takes place in the axial direction, ie in the direction of the axis of rotation 7 , each with a periodic rectangle.

Der Luftspalt 8 bzw. 9 weist also viele Teilbereiche 10 und 11 bzw. 12 und 13 auf, die axial nebeneinander angeordnet sind. Benachbarte Teilbereiche 10 und 11 bzw. 12 und 13 haben jeweils eine voneinander abweichende radiale Ausdehnung. Ein Teilbereich 10 bzw. 12 mit einer kleineren Spaltbreite W1 bzw. W2 wechselt sich mit einem Teilbereich 11 bzw. 13 mit einer größeren Spaltbreite W1 bzw. W2 ab.The air gap 8th respectively. 9 has many subareas 10 and 11 respectively. 12 and 13 on, which are arranged axially adjacent to each other. Neighboring sections 10 and 11 respectively. 12 and 13 each have a different radial extent. A subarea 10 respectively. 12 with a smaller gap width W1 or W2 alternates with a partial area 11 respectively. 13 with a larger gap width W1 or W2.

Bei der Maschine 1 ergibt sich die variierende Spaltbreite W1 aufgrund einer Innenwand 14 des Ständers 3, die in axialer Richtung mit einem rechteckförmig periodischen Stufenprofil versehen ist. Dagegen weist die Maschine 2 am Läufer 6 eine Außenwand 15 auf, die in axialer Richtung mit einem rechteckförmig periodischen Stufenprofil versehen ist, sodass sich die variierende Spaltbreite W2 einstellt.At the machine 1 results in the varying gap width W1 due to an inner wall 14 of the stand 3 , which is provided in the axial direction with a rectangular periodic step profile. By contrast, the machine points 2 at the runner 6 an outer wall 15 on, which is provided in the axial direction with a rectangular periodic step profile, so that adjusts the varying gap width W2.

Bei einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl die Ständer-Innenwand als auch die Läufer-Außenwand mit einem Profil in axialer Richtung versehen. Auch so wird ein Luftspalt mit variierender Spaltbreite gebildet.at another embodiment not shown are both the stator inner wall as well as the runner outer wall provided with a profile in the axial direction. Even so will one Air gap formed with varying gap width.

Bei den Maschinen 1 und 2 erstreckt sich die Variation der Spaltbreite W1 bzw. W2 über die gesamte axiale Länge des in 1 und 2 jeweils gezeigten aktiven Teils.At the machines 1 and 2 the variation of the gap width W1 or W2 extends over the entire axial length of the in 1 and 2 each shown active part.

In 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 16 mit einem Ständer 17, einem Läufer 18 und einem dazwischen liegenden variierenden Luftspalt 19 in einer vergrößerten Ausschnittsdarstellung eines mittleren Abschnitts 20 gezeigt.In 3 and 4 is another embodiment of an electric machine 16 with a stand 17 a runner 18 and an intermediate varying air gap 19 in an enlarged detail of a middle section 20 shown.

Ähnlich wie bei der Maschine 1 wird auch bei der Maschine 16 der Luftspalt 19 mit der variierenden Spaltbreite W3 mittels einer Innenwand 21 des Ständers 17 gebildet, die in axialer Richtung mit einem rechteckförmig periodischen Stufenprofil versehen ist. Das Stufenprofil der Innenwand 21 hat im Unterschied zu dem der Innenwand 14 mehr als eine Stufe. Im Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier verschiedene Stufenhöhen vorgesehen, die sich zyklisch wiederholen. Grundsätzlich sind aber auch andere Stufenstaffelungen und -abfolgen möglich.Similar to the machine 1 is also at the machine 16 the air gap 19 with the varying gap width W3 by means of an inner wall 21 of the stand 17 formed, which is provided in the axial direction with a rectangular periodic step profile. The step profile of the inner wall 21 has in contrast to that of the inner wall 14 more than one step. In the exemplary embodiment, a total of four different step heights are provided which repeat cyclically. In principle, however, other graduated stages and sequences are possible.

Jeder Stufenhöhe ist ein Teilbereich 22 bis 25 des Luftspalts 19 zugeordnet, der eine bestimmte Spaltbreite W3 aufweist, die innerhalb des jeweiligen Teilbereichs 22 bis 25 konstant ist, sich jedoch von der der jeweils benachbarten Teilbereiche 22 bis 25 unterscheidet.Each step height is a partial area 22 to 25 of the air gap 19 assigned, which has a certain gap width W3, within the respective subarea 22 to 25 is constant, but different from that of the respectively adjacent subareas 22 to 25 different.

Zu den Teilbereichen 22 bis 25 korrespondieren Teilpakete 26 bis 29 des Blechpakets des Ständers 17, die in 3 und 4 durch die gestrichelten Linien angedeutet sind. Jedes der Teilpakete 26 bis 29 setzt sich aus mehreren, im Ausführungsbeispiel aus einigen 10, Einzelblechen zusammen, die axial hintereinander angeordnet und zu dem betreffenden der Teilpakete 26 bis 29 zusammen gestapelt sind. Die einem der Teilpakete 26 bis 29 zugeordneten Einzelbleche haben jeweils eine zentrale Bohrung oder Ausstanzung mit dem gleichen Innendurchmesser.To the subareas 22 to 25 correspond partial packages 26 to 29 the laminated core of the stator 17 , in the 3 and 4 are indicated by the dashed lines. Each of the subpackages 26 to 29 consists of several, in the embodiment of some 10, individual sheets together, arranged axially one behind the other and to the relevant of the sub-packages 26 to 29 stacked together. The one of the subpackages 26 to 29 assigned individual sheets each have a central bore or punched with the same inner diameter.

Prinzipiell ist es möglich, dass axial sehr schmale Teilbereiche 22 bis 25 und Teilpakete 26 bis 29 vorgesehen sind. So kann im Extremfall ein Teilpaket auch nur aus einem einzigen Einzelblech gebildet sein.In principle, it is possible that axially very narrow portions 22 to 25 and subpackages 26 to 29 are provided. Thus, in extreme cases, a partial package may also be formed only from a single single sheet.

Im Folgenden werden die Wirkungsweise und besondere Vorteile der elektrischen Maschinen 1, 2 und 16 insbesondere unter Bezugnahme auf die Darstellungen der Maschine 16 gemäß 3 und 4 beschrieben.The following are the mode of action and special advantages of electric machines 1 . 2 and 16 in particular with reference to the representations of the machine 16 according to 3 and 4 described.

Im in 3 und 4 gezeigten mittleren Abschnitt 20 herrschen weitgehend ungestörte Verhältnisse. Einflüsse, die von den beiden axialen Randabschnitten herrühren, spielen hier praktisch keine Rolle.Im in 3 and 4 shown middle section 20 prevail largely undisturbed conditions. Influences resulting from the two axial edge portions play virtually no role here.

In 3 und 4 sind die Linien der magnetischen Flussdichte B im Luftspalt 19 mit eingetragen, wobei sich die Maschine 16 bei dem in 3 gezeigten Zustand im Feldschwächbetrieb und bei dem in 4 gezeigten Zustand im Spannungsstellbetrieb befindet.In 3 and 4 are the lines of magnetic flux density B in the air gap 19 with registered, whereby the machine 16 at the in 3 shown state in the field weakening operation and in the 4 shown state in the voltage adjustment operation.

Im Feldschwächbetrieb kommt es in den Teilbereichen 22 und 23 mit einer kleineren Spaltbreite W3 zu einer Konzentration der magnetischen Flussdichte B. Letztere ergibt sich insbesondere an der Grenze vom Ständer 17 zum Luftspalt 19 in den Teilpaketen 26 und 27. Dies führt dazu, dass die Einzelbleche dieser beiden Teilpakete 26 und 27 trotz des Feldschwächbetriebs gesättigt bleiben. Die Einzelbleche der übrigen Teilpakete 28 und 29 führen dagegen praktisch keine Flussdichte B und sind dementsprechend weitgehend ungesättigt.Field weakening occurs in the subareas 22 and 23 with a smaller gap width W3 to a concentration of the magnetic flux density B. The latter arises in particular at the boundary of the stator 17 to the air gap 19 in the subpackages 26 and 27 , This leads to the fact that the individual sheets of these two sub-packages 26 and 27 remain saturated despite the field weakening operation. The individual sheets of the remaining parts packages 28 and 29 On the other hand, there are practically no flux density B and are accordingly largely unsaturated.

Im Feldschwächbetrieb wechseln sich Teilbereiche 22 und 23, in denen die angrenzenden Teilpakete 26 und 27 des profilierten Elements, also des Ständers 17, gesättigt sind, mit Teilbereichen 24 und 25 ab, in denen die angrenzenden Teilpakete 28 und 29 des profilierten Ständers 17 praktisch ungesättigt sind.In field weakening, subregions alternate 22 and 23 in which the adjacent sub-packages 26 and 27 of the profiled element, so the stand 17 , are saturated, with subregions 24 and 25 starting in which the adjacent subpackets 28 and 29 of the profiled stand 17 are virtually unsaturated.

Die Variation der Spaltbreiten W1, W2 und W3 ermöglicht also, dass auch im Feldschwächbetrieb zumindest ein Teil der Einzelbleche gesättigt bleibt. Auf diese Weise wird die im Feldschwächbetrieb ansonsten übliche quadratische Abnahme des Kippmoments mit der Drehzahl in Richtung einer linearen Abnahme abgeschwächt. Somit können die Maschinen 1, 2 und 16 in einem größeren Drehzahlbereich betrieben werden.The variation of the gap widths W1, W2 and W3 thus makes it possible for at least part of the individual sheets to remain saturated even in field weakening operation. In this way, the quadratic decrease of the overturning moment otherwise usual in field weakening operation is attenuated with the rotational speed in the direction of a linear decrease. Thus, the machines can 1 . 2 and 16 be operated in a wider speed range.

Auf den Spannungsstellbetrieb hat die Variation der Spaltbreiten W1, W2 und W3 dagegen keine wesentlichen Auswirkungen. Wie aus 4 ersichtlich ist, stellt sich praktisch die gleiche Verteilung der magnetischen Flussdichte B ein wie bei einer Maschine mit konstantem Luftspalt. Hier sind wie gewünscht alle Einzelbleche gesättigt. In den Teilbereichen 10, 12, 22 und 23 mit einer kleineren Spaltbreite W1, W2 bzw. W3 kommt es zu einer besonders starken Sättigung der angrenzenden Einzelbleche. Diese starke Flussdichtebelastung tritt nur bei den im Spannungsstellbetrieb üblichen niedrigen Frequen zen auf, sodass die Erwärmung aufgrund von Eisenverlusten keine maßgebliche Rolle spielt.On the voltage adjustment operation, however, the variation of the gap widths W1, W2 and W3 has no significant effect. How out 4 As can be seen, the same magnetic flux density B distribution is established as in a constant air-gap machine. Here are as desired all individual sheets saturated. In the subareas 10 . 12 . 22 and 23 with a smaller gap width W1, W2 or W3, there is a particularly strong saturation of the adjacent individual sheets. This high flux density load only occurs at the low frequencies that are usual in voltage-setting operation, so that heating due to iron losses does not play a significant role.

Insgesamt bieten die Maschinen 1, 2, und 16 bei unverändert gutem Verhalten im Spannungsstellbetrieb deutlich bessere Eigenschaften im Feldschwächbetrieb. Dadurch ergeben sich völlig neue Möglichkeiten zur Auslegung. Sie kann nun beispielsweise auch nach thermischen Kriterien erfolgen, die bislang vor allem bei den im Walzwerkbereich eingesetzten größeren Maschinen zugunsten des dominanten Kippmoments eine untergeordnete Bedeutung hatten.Overall, the machines provide 1 . 2 , and 16 with unchanged good behavior in the tensioning mode significantly better properties in field weakening operation. This results in completely new possibilities for interpretation. It can now also be done, for example, according to thermal criteria, which previously had a minor importance in particular in the larger machines used in the rolling mill sector in favor of the dominant overturning moment.

Elektrische Maschinen 1, 2 und 16 mit ihren oben genannten Eigenschaften sind insbesondere bei Walzwerksantrieben (Walzgerüst) bei Antrieben von Fahrzeugen und bei Werkzeugmaschinen einsetzbar.Electrical machines 1 . 2 and 16 with their above-mentioned properties can be used in particular for rolling mill drives (rolling stand) in drives of vehicles and machine tools.

Claims

Electric machine with a stand ( 3 ; 4 ; 17 ) and one about a rotation axis ( 7 ) rotatably mounted runners ( 5 ; 6 ; 18 ), where a) between the stand ( 3 ; 4 ; 17 ) and the runner ( 5 ; 6 ; 18 ) an air gap ( 8th ; 9 ; 19 ), b) the air gap ( 8th ; 9 ; 19 ) at least in an axially middle section ( 20 ) axially adjacent subregions ( 10 . 11 ; 12 . 13 ; 22 - 25 ) with different radial extent (W1, W2, W3).

Electrical machine according to claim 1, characterized in that the subregions ( 10 . 11 ; 12 . 13 ; 22 - 25 ) so that the radial extent (W1; W2; W3) of the air gap (W1; 8th ; 9 ; 19 ) a periodic course in Direction of the rotation axis ( 7 ) Has.

Electrical machine according to claim 1, characterized in that the radial extent (W1; W2; W3) of the air gap (W1; W2; W3) of the air gap (W1; 8th ; 9 ; 19 ) a step-shaped course in the direction of the axis of rotation ( 7 ) Has.

Electrical machine according to claim 1, characterized in that each subregion ( 10 . 11 ; 12 . 13 ; 22 - 25 ) by up to a few hundred axially stacked sheets of the rotor ( 5 ; 6 ; 18 ) or the stand ( 3 ; 4 ; 17 ) is formed.

Electrical machine according to claim 1, characterized in that the subregions ( 10 . 11 ; 12 . 13 ; 22 - 25 ) by means of a profiling of the air gap ( 8th ; 9 ; 19 ) facing wall surface ( 14 ; 15 ; 21 ) of the runner ( 6 ) or the stand ( 3 ; 17 ) are formed.

Electrical machine according to claim 1, characterized that the subregions by means of a profiling of the air gap facing wall surface of the runner and a the air gap facing wall surface of the stator are formed.

Electrical machine according to claim 1, characterized in that the subregions ( 10 . 11 ; 12 . 13 ; 22 - 25 ) with different radial extent (W1, W2, W3) of the air gap ( 8th ; 9 ; 19 ) over the entire axial length of the air gap ( 8th ; 9 ; 19 ) are provided.

Electrical machine according to claim 1, characterized in that the air gap ( 8th ; 9 ; 19 ) is designed in the axial direction to one half with a large radial extent and the other half with a small radial extent.

Application of an electric machine after one or more of the claims 1 to 8, in particular in rolling mill drives or in drives of Vehicles or machine tools.