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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Anwendungsgebiete
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Elektrische
Maschinen bieten sich für
die vielfältigsten
Antriebsaufgaben an und haben sich praktisch überall dort durchgesetzt, wo
eine große Dynamik
bezüglich
der Drehzahl, Kraft (Moment) und Leistung gefordert wird. Darüber hinaus
zeichnen sich solche Antriebe, auf Grund völliger Abgasfreiheit gegenüber Verbrennungsantrieben,
durch eine große
Umweltverträglichkeit
am Ort der Antriebsaufgaben aus. Ähnliches gilt auch gegenüber Antrieben, die
durch Entspannung von auf hohem Druckpotential befindenden Medien
(Gase, Flüssigkeiten)
Arbeit verrichten.
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Mehrsträngige Synchronmaschinen
werden als Bremsen, Motoren oder als Generatoren eingesetzt. Zur
betriebsgerechten Energieversorgung solcher Maschinen ist bei variabler
Drehzahl des Rotors ein Frequenzumrichter erforderlich. Dieser passt
die elektrischen Spannungen der einzelnen Maschinenstränge und
damit die Ströme
bezüglich
ihrer Amplitude Frequenz und Phasenlage an die jeweiligen Belastungen (Drehzahl
und Drehmoment) an. Die maximale Drehzahl klassischer PM-erregter
Maschinen ist durch die von der Erregung induzierten Spannungen
begrenzt.
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Stand der Technik für rotierende, mehrsträngige Bauformen
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Die
Ausbildung von rotierenden Synchronmaschinen in Mantelbauweise mit
einem Anker- und einem Erregerfeld, welche vollkommen in einer zur Rotationsachse
orthogonalen Ebene (radial und in Umfangsrichtung) in den Stator-
und Rotorblechpaketen verläuft,
ist Stand der Technik und allgemein bekannt. Dies wird durch zwei
Konstruktionsmerkmale erreicht:
- – Die Feldwirkungen
der elektrischen bzw. permanentmagnetischen Erregersysteme liegen
in dieser Ebene.
- – Weiterhin
verlaufen die Nuten des Statorpaketes, in denen die einzelnen Ankerstränge untergebracht
sind, im Wesentlichen parallel zur Welle, so dass ebenfalls die
Ankerfeldebene mit der des Erregerfeldes koinzidiert.
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Aufgrund
der räumlichen
Verschiebung der einzelnen Stränge
am Umfang und deren Speisung mit phasenversetzen Strömen wird
eine rotierende Strombelags- und damit Induktionswelle erzeugt. Diese
Strombelagswelle erzeugt zusammen mit dem Erregerfeld ein Drehmoment,
welches motorisch antreibend oder generatorisch bzw. motorisch bremsend
technisch angewendet werden kann. Als Generator arbeiten diese Energiewandler,
falls die Klemmenspannungen nicht von außen die Energie in die Maschine
treiben, sondern die vom Erregerfeld in die Statorwicklung induzierten
Spannungen einen Energiefluss aus der Maschine heraus bewirken.
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Zur
Erzeugung einer rotierenden Strombelagswelle sind mindestens zwei
räumlich
und zeitlich versetzte Ströme
in einer in diesem Fall zweisträngigen
Anordnung erforderlich. Üblich
sind Anordnungen mit drei Strängen,
die von einem symmetrischen Drehstromsystem (vom Netz oder von einem
Frequenzumrichter) gespeist werden.
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Nachteile des Standes der
Technik von PM-erregten Synchronmaschinen
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- – Auf
Grund einer, mit PM-Erregung inhärent
verbundenen konstanten Erregung sind diese Maschinen nicht für größte Drehzahlbereiche
geeignet. Mit den hohen Drehzahlen steigen die vom Wechselrichter
bereitzustellenden Spannungen und damit die investiven Kosten des
Speisewechselrichters.
- – Zur
Feldbeeinflussung im Sinne der Feldschwächung sind Konstruktionen bekannt,
bei denen auf dem Rotor im feldfreien Raum zwischen den Polen Zusatzspulen
integriert sind. Diese können über Schleifkontakte
mit einer Gleichstromquelle in der ruhenden Umgebung verbunden werden. Hierdurch
werden diese Maschinen aber sowohl wartungs- und eventuell EMV-intensiv
und weiterhin ist ihr Drehzahlbereich schon auf Grund des Funktionsprinzips
mit Schleifkontakten begrenzt. Eine fortschrittliche, transformatorisch
auf den Rotor übertragene
und dort gleichgerichtete Stromversorgung dieser Zusatzspulen ist
auf Grund der Zusatzkosten aber nur für spezielle Aufgaben sinnvoll.
- – Eine
weitere Anhebung des möglichen
Drehzahlbereiches gelingt durch eine transformatorische Unterstützung des
Kommutierungsvorganges mit Hilfe benachbarter Stränge bzw.
der Erregung. Hierzu werden die Stränge zeitlich vor ihrem natürlichen
Kommutierungspunkt (Umkehr des Erregerfeldes) mit dem Wechselrichter
elektrisch verbunden.
- – Eine
weitere Möglichkeit
der Feldschwächung besteht
darin, den Ankerstrombelag in seiner räumlichen Phasenlage gegenüber dem
Erregerfeld so zu verschieben, dass eine Ankerfeldkomponente in
der Erregerfeldachse entsteht (d-Komponente). Nachteilig hierbei
ist, dass bei konstanter Ankerfeldamplitude die schubbildende Ankerfeldkomponente
(q-Komponente) verringert wird und damit die Schubkraft bzw. das
Drehmoment abnimmt. Wird diese Leistungsverminderung durch Erhöhung des
Ankerfeldes wieder ausgeglichen, ist ein höherer Ankerstrom erforderlich,
der einerseits zu höheren
Ankerverlusten führt,
andererseits die zuzuführende
Gesamtleistung durch den erhöhten
Blindleistungsbedarf erhöht.
- – Allen
diesen Lösungen
ist der Nachteil gemeinsam, dass diese Zusatzerregerfelder die P-Magnete
durchdringen müssen.
Auf Grund ihrer niedrigen Permeabilitäten ist diese Art der Erregerfeldsteuerung
mit großen
Steuerströmen,
d. h. großen
Zusatzverlusten verbunden. Es ist weiterhin zu beachten, dass P-Magnete äußerst temperaturempfindlich
sind, wenn sie mit abgesenkter Flussdichte betrieben werden.
- – Eine
Beeinflussung des Magnetisierungszustandes des Erregermagneten durch
kurzfristig erregte Zusatzspulen ist seit langem hauptsächlich für Anordnungen
mit AlNiCo-Magnete bekannt. Für
hochenergetische Permanentmagnete muss aber eine sehr große Zusatzerregung
z. B. durch eine Kondensatorentladung aufgebracht werde, so dass
sie sich dieses Konzept bisher nicht durchgesetzt hat.
- – Es
ist nicht nur eine Feldabsenkung zur Erzielung höchster Drehzahlen von Antriebsmaschinen von
Interesse. Eine Feldanhebung ist sowohl zur Verbesserung eines Antriebs-Teillastwirkungsgrades
als auch zur Bereitstellung von induktiver Blindleistung im Generatorbetrieb
besonders bei ihrem Einsatz in Windkraftanlagen von essentieller
Bedeutung. Auch dieser Betriebszustand ist mit den oben erwähnten Maßnahmen
möglich. Sie
weisen aber die gleichen, bereits bei der Erregerfeldabschwächung erwähnten Schwierigkeiten auf.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Synchronmaschine so zu konzipieren, dass
die bekannten Leistungspotentiale von Permanentmagneten erregten
Synchronmaschinen nach dem Stand der Technik voll ausgenutzt werden
können,
darüber
hinaus aber ein wesentlich erhöhter
Drehzahlbereich ermöglicht
wird. Weiterhin soll die Erfindung den Teillastwirkungsgrad bei
sehr niedrigen Drehzahlen erhöhen und
ggf. zur Bereitstellung induktiver Blindleistung im Generatorbetrieb
beitragen. Das Erregersystem soll dabei bürstenlos und ohne Zusatzeinrichtungen
gespeist werden.
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Lösung der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird durch eine Synchronmaschine mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den nachfolgenden Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.
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Die
Erfindung kann grundsätzlich
für rotierende
und sich linear bewegende Anordnungen gleichermaßen Anwendung finden. Die nachfolgenden Erläuterungen
beziehen sich auf die Beschreibung einer rotierenden Anordnung.
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Die
besonderen Potentiale der Erfindung werden durch die Ausbildung
des Energiewandlers als mehrsträngige
Drehfeldmaschine mit einer in Richtung der Bewegung ausgerichteten
Ringspule ermöglicht,
welche vorteilhaft auf dem feststehenden Stator zwischen auf dem
Rotor homopolar ausgerichteten Polreihen angeordnet ist. Beidseitig
dieser Ringspule sind um 180°elektrisch
gegeneinander versetzt ggf. P-Magnete angeordnet und bezüglich der
beiden Polreihen entgegengesetzt magnetisiert. Durch die räumlich feste
Verbindung mit dem Stator kann vorteilhaft auf eine Stromzufüh rung mittels Bürsten verzichtet
werde.
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Auf
beiden Seiten der Ringspule befinden sich in Umfangsrichtung hintereinander
angeordnete ferromagnetische Pole. Über diese Pole kann sich Zusatzerregerfluß ausbilden.
Je nach Stromrichtung in der Ringspule kann das Erregerfeld der
P-Magnete zur Erzielung großer
Drehzahlbereiche geschwächt bzw.
für große Drehmomente
und induktive Blindleistungsabgabe verstärkt werden.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung nutzt konsequent die Kraftdichtepotentiale aller Energiewandler
mit PM-Erregung aus, vergrößert jedoch
ihre Anwendungen insbesondere bezüglich des Drehzahlbereiches.
Dieser ist auf Grund einer bürstenlosen
elektrischen Zusatzerregung theoretisch unendlich. Die Drehzahl
ist prinzipbedingt nur durch mechanische Festigkeiten des Aufbaus,
aber nicht mehr den Magnetkreis bzw. durch elektromagnetische Gegebenheiten
wie induzierte Spannung und Wechselrichterscheinleistung begrenzt.
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Wird
diese bürstenlose
Zusatzerregung nicht zur Feldschwächung, sondern zur Erregerfelderhöhung benutzt,
so erlaubt dieser Maschinentyp auch eine Momentenerhöhung in
niedrigeren Drehzahlbereichen, ohne dass dazu der vom Wechselrichter
zu liefernde Ankerstrom erhöht
werden muss. Hierdurch erzielt man einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als
bei allen konventionellen PM-erregten Synchronmaschinen.
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Weiterhin
kann durch Erhöhung
des Erregerflusses über
den einer konventionellen PM-Erregung hinaus der Teillastwirkungsgrad
bei keinen Drehzahlen wesentlich erhöht werden. Das ist besonders
bei allen Anfahrvorgängen
sowohl bei Automobilen als auch im technischen Antriebsbereich (Zentrifugen, Walzstraßen, Pumpen
usw.) von Bedeutung.
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Neben
dem verbesserten Wirkungsgrad kann auch der maximale Wechselrichter-Strom
verringert und können
damit die Investitionskosten reduziert werden.
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Auch
im Generatorbetrieb ist eine Möglichkeit
der Erregerfelderhöhung
von größter Wichtigkeit, da
dadurch z. B. Windkraftanlagen nicht nur zum kapazitiven, sondern
auch zum induktiven Blindleistungsbedarf der angeschlossenen Netze
beitragen können.
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Da
sich der Erregersteuerfluss vorteilhaft transversal zur Bewegungsrichtung über die
Eisenpole mit ihren kleinen Luftspalten schließt, kann er, im Gegensatz zu
den oben erwähnten
klassischen Lösungen,
bereits mit kleinen Strömen,
d. h. reduzierten Leistungen erzeugt werden. Weiterhin ist die Spule fest
mit dem stillstehenden Anker verbunden und kann daher bürstenlos
und damit verschleißfrei über Klemmen
aus einer Gleichstromquelle versorgt werden.
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Die
aufgeführten
Vorteile lassen sich ohne Einschränkungen auf lineare Anordnungen
anwenden. Hierbei wird statorseitig anstelle einer Drehfeldanordnung
eine Wanderfeldanordnung eingesetzt. Anstelle des Rotors tritt ein
Translator und anstelle einer Ringwicklung tritt eine in Bewegungsrichtung
linear ausgedehnte Spule mit parallel zueinander angeordneten Spulenseiten.
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Bevorzugte
Anwendungsgebiete als rotierende Maschine sind daher drehzahlvariable
Direktantriebe u. a. für
Verkehrssysteme, Schiffsantriebe oder aber auch für Windkraftgeneratoren.
Der kompakte Aufbau lässt – zusammen
mit den baulich bedingt reduzierten Verlusten – diesen Maschinentyp auch
in Form eines linearen Direktantriebs z.B. für Fahrstühle oder als Aktuatoren als
besonders geeignet erscheinen.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt und beschrieben.
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Die 1 bis 8 zeigen
lineare Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Diese Darstellungen können aber auch als Abwicklungen
einer entsprechenden rotierenden Anordnung verstanden werden, wie
sie in 9, 10 und 11 dargestellt
sind.
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In 1 ist
die Gesamtdarstellung eines Ausführungsbeispieles
angegeben. Das ferromagnetische Statorelement (1) weist
Nuten auf, in die die Stränge 2a, 2b, 2c eines
mehrsträngigen
Wicklungssystems eingelegt sind. Die Stranganzahl "drei" entspricht einem üblichen
Drehstromsystem, es können auch
andere Strangzahlen ausgeführt
werden. Im allgemeinen ruht das Statorelement, und die Stromzuführung erfolgt über feste
elektrische Verbindungen zu den Strängen der Wicklung.
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Das
ferromagnetische Translator- bzw. Rotorelement 6 bildet
den beweglichen Teil des Motors. Es trägt die ferromagnetischen Pole 4a, 4b,
die z. B. durch Ausfräsungen
gebildet werden können.
Die Länge
eines Poles zusammen mit der Länge
einer Pollücke
in Bewegungsrichtung entsprechen zwei Polteilungen. Es entstehen
zwei Polreihen, zwischen denen die linear ausgedehnte elektrische
Erregerwicklung 3 angeordnet ist. Beide Polreihen sind
zueinander um eine Polteilung im Bewegungsrichtung verschoben. Bei
rotierenden Ausführungsbeispielen ist
diese Wicklung als Ringwicklung ausgeführt. Wird die Erregerwicklung 3 von
einem Gleichstrom durchflossen, entsteht ein Erreger-Magnetfeld
welches quer zur Bewegungsrichtung durch den Translator 6 und
das Statorelement 1 verläuft. Alle Pole 4a der vorderen
Polreihe bzw. Pole 4b der hinteren Polreihe weisen ein
homopolares magnetisches Feld auf. Das magnetische Feld hat jedoch
für die
vordere Polreihe und für
die hintere Polreihe unterschiedliche Richtung. Die Bildung der
Vortriebskraft erfolgt durch Wechselwirkung des Erregermagnetfeldes
an Pol 4a und der stromdurchflossenen Wicklungsstränge 2a, 2b, 2c bzw.
entsprechend an Pol 4b mit der hier entgegen gesetzten
Stromrichtung der Wicklungsstränge.
Die Befestigung der Wicklung kann am Translator 6 oder
aber vorteilhaft am Statorelement 1 erfolgen. Bei Befestigung
am Statorelement 1 ist auch die Wicklung 3 fest,
so dass die Zufuhr des Erregerstromes über eine feste elektrische
Verbindung erfolgen kann und Bürsten
nicht erforderlich sind.
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In
die Lücken
der beiden Polreihen können Permanentmagnete 5a zur
leistungslosen Bereitstellung eines Erregerfeldes eingebracht werden.
Die Magnetisierungsrichtungen aller Permanentmagnete einer Polreihe
sind gleich, beide Polreihen sind jedoch zueinander entgegengesetzt
magnetisiert. In diesem Fall wirken auf die die Stränge der
Statoranordnung jeweils das konstante Permanentmagneterrregerfeld
und das variable Feld der Erregerwicklung. Beide Erregerfeldanteile
sind räumlich
zueinander versetzt. Bezüglich
der in den Strängen
der Statoranordnung induzierten Spannung wirken beide Feldanteile.
Dies entspricht in der Gesamtwirkung einer Feldänderung (Stärkung oder Schwächung),
beruht aber im Gegensatz zu bekannten Lösungen, auf räumlich getrennten
Erregerfeldanteilen. Vorteilhaft kann durch diese Anordnung eine
zerstörende
Entregung der Permanentmagnete nicht auftreten.
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Je
nach Richtung des elektrischen Stromes in der Erregerwicklung 3 kann
die induzierte Gesamtspannung erhöht oder reduziert werden. Vorteilhaft wird
diese Eigenschaft genutzt, um bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw.
Drehzahlen die Schubkraft zu erhöhen
bzw. hohe Drehzahlen bei entsprechender Feldschwächung möglich zu machen.
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Die
in 1 beschriebene Anordnung kann in weiteren Ausführungsbeispielen
quer zur Bewegungsrichtung periodisch mehrfach angeordnet werden,
um die Leistung der Gesamtanordnung zu steigern ohne die Bauhöhe zu vergrößern. Bei
rotierenden Maschinen würde
sich dadurch die axiale Baulänge
vergrößern.
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In 2 ist
zum besseren Verständnis
der Translator 6 zwei ferromagnetische Pole 4a, 4b,
sowie die Erregerwicklung 3 dargestellt.
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In 3 ist
die Darstellung entsprechend 2 ergänzt worden
um die Permanentmagnete 5a, 5b.
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In 4 ist
ein Ausführungsbeispiel
des ferromagnetischen und genuteten Statorelementes 1a dargestellt.
Zur Verringerung der Eisenverluste besteht das Statorelement aus
aufeinander geschichteten Blechen 1f (6).
Da zwischen den aufeinander geschichteten Blechen Luftspalte unvermeidbar
sind, ist die Verteilung des Feldes quer zur Bewegungsrichtung inhomogen,
sie verringert sich zu den Randbereichen des Statorelementes 1a.
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In 5 ist
ein Statorelement entsprechend 4 dargestellt,
wobei das gesamte Statorelement geteilt ist und aus gleichartigen
Statorteilelementen 1b besteht. Zwischen beiden Statorteilementen 1b ist ein
Luftspalt 7 angeordnet. Dieser Luftspalt 7 führt zu einer
Homogenisierung des quer zur Bewegungsrichtung verlaufenden Erregermagnetfeldes.
Durch diese Homogenisierung des Magnetfeldes werden die Eisenverluste
in den Statorteilelementen 1b verringert.
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In 6 ist
das Statorelement entsprechend 4 mit einem
zusätzlichen
massiven ferromagnetischen Rückschluß 1e dargestellt.
Durch diese Maßnahme
wird eine Homogenisierung des Erregerflusses in der Querachse zur
Bewegungsrichtung erreicht.
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In 7 ist
das Statorelement entsprechend 6 dargestellt,
wobei der massive ferromagnetische Rückschluß 1c aus zwei Teilen
besteht, zwischen denen ein Luftspalt 7a angeordnet ist.
Diese Maßnahme
führt ebenfalls
zu einer Homogenisierung des Querflusses.
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8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des Statorelementes 1d aus gebundenem Eisenpulver. Diese
Maßnahme
führt zu
einer Verringerung der Eisenverluste.
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Nachfolgend
wird die Erfindung, die sich auf eine Synchronmaschine mit variabel
einstellbarer Erregung bezieht, am Anwendungsbeispiel einer rotierenden
Synchronmaschine beschrieben. Hierzu findet eine bekannte Statoranordnung
mit einer mehrsträngigen
Wicklung Anwendung. Der Rotor ist im Gegensatz zu den bekannten
Anordnungen in bezüglich
der Axialrichtung nebeneinander liegende Polreihen unterteilt. Beide
Polreihen sind gegeneinander in Umfangsrichtung um eine Polteilung verschoben.
Weiterhin befindet sich im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen
zwischen beiden Rotor-Polreihen eine Ringwicklung. Diese Ringwicklung wird
von einem einstellbaren Gleichstrom gespeist und führt zu einer
variablen homopolaren Erregung der Polreihen. Da magnetische Wirkung
der Ringwicklung bezüglich
der Rotationsrichtung räumlich konstant
ist, muss die Ringwicklung nicht zwangsläufig rotieren. Durch dieses
Merkmal ist es möglich
die Ringwicklung fest mit der ruhenden Statoranordnung zu verbinden.
Somit kann die Stromzuführung
an die Ringwicklung über
feste elektrische Anschlüsse
erfolgen, Bürsten
zur Stromübertragung
auf rotierende Wicklungen sind nicht erforderlich.
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Zusätzliche
können
Permanentmagnete mit je Polreihe jeweils gleicher Magnetisierungsrichtung in
den Pollücken
der rotierenden Polreihen angeordnet werden. Die Magnetisierungsrichtung
beider Polreihen ist entgegengesetzt zu wählen. Beide Polreihen werden
somit ebenfalls homopolar aber entgegengesetzt erregt. Hierdurch
wird das Gesamterregerfeld aus zwei Anteilen generiert, einem invariablem
Permanentmagnet-Anteil, einem variablem elektrischen Anteil. In
diesem Fall wirken auf die die Stränge der Statoranordnung jeweils
das konstante Permanentmagneterrregerfeld und das variable Feld der
Erregerwicklung. Beide Erregerfeldanteile sind räumlich zueinander versetzt.
Bezüglich
der in den Strängen
der Statoranordnung induzierten Spannung wirken beide Feldanteile.
Dies entspricht in der Gesamtwirkung einer Feldänderung (Stärkung oder Schwächung),
beruht aber im Gegensatz zu bekannten Lösungen, auf räumlich getrennten
Erregerfeldanteilen. Vorteilhaft kann durch diese Anordnung eine
zerstörende
Entregung der Permanentmagnete nicht auftreten.
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Somit
sind bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung
einer bürstenlosen
Synchronmaschine ohne weitere Zusatzeinrichtungen eine Feldverstärkung im
Anlaufbereich (hohes Drehmoment) und eine Feldschwächung im
hohen Drehzahlbereich erzielbar. Die für die Drehfeldspeisung zugeführten elektrischen
Größen Spannung
und Strom können
im gesamten Betriebsbereich optimal genutzt werden.
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9 zeigt
die erfindungsgemäße Ausbildung
einer rotierenden Anordnung der Syn chronmaschine. Sie besteht aus
dem nicht rotierenden Statorelement 1, in dessen Nuten
die Drehfeldwicklung angeordnet wird. Der Läufer besteht aus dem Rotor 6, welcher
zwei in axialer Richtung hintereinander liegende Polreihen 4a, 4b,
(10) aufweist. Die Längen von Pol und Nut betragen
in Umfangsrichtung jeweils etwa eine Polteilung. Der Abstand zweier
aufeinander folgender Pole in Umfangsrichtung beträgt eine
Polteilung. In den Nuten zwischen den jeweiligen Polreihen sind
Permanentmagnete 5a, 5b angeordnet, welche je
Polreihe gleichsinnig magnetisiert sind. Die Magnetisierung erfolgt
bezüglich
der beiden Polreihen jedoch entgegengesetzt. In der perspektivischen
Ansicht der 9 ist nur die vordere Polreihe sichtbar.
Die zwischen beiden Polreihen angeordnete Erreger-Ringwicklung 3 ist
in 9 nicht sichtbar.
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10 zeigt
die Rotoranordnung entsprechend 9 ausführlicher.
Die beiden Polreihen 4a, 4b sind in Umfangsrichtung
relativ zueinander um eine Polteilung versetzt. Zwischen beiden
Polreihen 4a, 4b ist die Erreger-Ringwicklung 3 erkennbar.
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11 zeigt
eine anschauliche weitere Vereinfachung entsprechend 10.
Es sind lediglich der Rotor 6, die Polreihen 4a, 4b sowie
die Ringwicklung 3 dargestellt.