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Die
Erfindung betrifft permanenterregte Elektromotoren mit drehzahlabhängiger
Veränderung des Erregerfeldes.
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Bei
Elektromotoren wird ein Drehmoment mittels der auf einen stromdurchflossenen
Leiter im Magnetfeld wirkenden Lorentzkraft erzeugt. Bei permanenterregten
Elektromotoren wird das Magnetfeld von geeignet angeordneten Permanent
bzw. Dauermagneten aufgebracht. Bei den so genannte bürstenlosen
Maschinen, wie z. B. BLDC-Synchronmaschinen (dreiphasig ausgeführte
bürstenlose Gleichstrommaschinen; [BLDC = brushless direct
current]), sind die Leiterwicklungen am Stator des Elektromotors
angebracht, während der Rotor des Motors die Permanentmagnete
trägt. Bürstenlose Maschinen zeichnen sich vor
allem durch ihren gegenüber den Bürstenmaschinen
geringeren Wartungsaufwand und besseren Wirkungsgrad aus.
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Zur
Drehmomenterzeugung wird an die Wicklungen des Elektromotors eine
Spannung angelegt, die den zur Drehmomenterzeugung erforderlichen
Wicklungsstrom bewirkt. Bei sich drehendem Motor erfährt
das die Wicklungen durchsetzende Magnetfeld aufgrund der Relativbewegung
der Wicklung(en) gegenüber den Magneten eine zeitliche
Veränderung, die nach dem Induktionsgesetz zum Aufbau einer
inneren Gegenspannung (Gegen-EMK; EMK = elektromotorische Kraft)
führt. Diese Gegenspannung reduziert somit die effektiv
an der bzw. den Wicklungen anliegende(n) eingeprägten Spannung(en)
mit der Folge einer Reduzierung des einprägsamen Wicklungsstroms
und damit des zu erzeugenden Drehmoments.
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Die
innere Gegenspannung nimmt mit zunehmender Drehzahl des Motors zu,
wodurch das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment der ungeregelten
Maschine mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Im Extremfall, bei der
so genannten Leerlaufdrehzahl, hebt die innere Gegenspannung die
von außen an die Wick lung(en) angelegte Spannung auf, so
dass kein Strom mehr frei durch die Wicklung(en) fließen
kann. Der Motor erzeugt in diesem Fall kein Drehmoment und bewegt
sich mit Leerlaufdrehzahl.
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Aufgrund
der Gegen-EMK ist es zum Erreichen höherer Drehzahlen vorteilhaft,
die innere EMK zu reduzieren, vorzugsweise durch den Einsatz schwächerer
Magnete oder durch Verringerung der verketteten Windungszahlen (genauer
eine geringere die Wicklungen durchsetzende Induktion). Mit stärkeren
Magnetfeldern sind jedoch höhere Drehmomente erzielbar
als mit schwächeren. Eine entsprechende Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
ist in der 1 von der Leistungshyperbel 8 veranschaulicht. Da
die Stärke des Magnetfelds bei permanenterregten Motoren
nicht gesteuert werden kann, können diese Motoren daher
typischerweise nur in einem sehr eingeschränkten, durch
das maximal zu erreichende Drehmoment begrenzten Drehzahlbereich betrieben
werden, wobei wegen des nicht veränderlichen Zusammenhangs
zwischen Drehzahl und innerer EMK auch die Maximaldrehzahl wegen
der im Allgemeinen begrenzten eingeprägten Spannung festgelegt
ist. Entsprechende Arbeitsbereiche verschiedener permanenterregter
Elektromotoren sind in 1 als Rechtecke 3, 4, 5, 6 und 7 angedeutet,
deren Berührungspunkte 2 mit der Leistungshyperbel die
bei optimalem Betrieb maximal mögliche Drehzahl bestimmen.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen permanenterregten
Elektromotor anzugeben, der mit einer Drehzahl betrieben werden
kann, die oberhalb der durch die Stärke seiner Permanentmagnete
und Windungszahl vorgegebenen Beschränkung liegt.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
gelöst.
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Die
Erfindung umfasst einen permanenterregten Elektromotor mit einem
Stator und einem Rotor, wobei die das Erregerfeld erzeugenden Magnetpole entweder
an dem Stator und die zur Drehmomenterzeugung beitragenden Leiterabschnitte
an dem Rotor, oder die das Erregerfeld erzeugenden Magnetpole an
dem Rotor und die zur Drehmomenterzeugung beitragenden Leiterabschnitte
an dem Stator angebracht sind. Die das Erregerfeld erzeugenden Magnetpole
des Elektromotors sind auf einer ersten Fläche und die
zur Drehmomenterzeugung beitragenden Leiterabschnitte sind auf einer
zweiten Fläche angeordnet. Ferner sind die erste Fläche
und die zweite Fläche jeweils im Wesentlichen konusförmig ausgebildet,
wobei die Symmetrieachse der ersten Fläche im Wesentlichen
mit der Symmetrieachse der zweiten Fläche übereinstimmt
und eine der beiden Flächen zumindest teilweise innerhalb
des von der anderen Fläche umschlossenen Raums angeordnet ist.
Weiterhin ist eine der Flächen entlang der im Wesentlichen
gemeinsamen Symmetrieachse relativ zur anderen Fläche verschiebbar.
Zum Verschieben von einer der beiden Flächen entlang der
im Wesentlichen gemeinsamen Symmetrieachse relativ zur anderen Fläche
ist der Rotor auf der Achse des Elektromotors verschiebbar angeordnet.
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In
diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser
Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung
von Merkmalen verwendeten Begriffe "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten"
und "mit", sowie deren grammatikalische Abwandlungen, generell als
nichtabschließende Aufzählung von Merkmalen, wie
z. B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen
und dergleichen aufzufassen sind, die in keiner Weise das Vorhandensein
anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von
anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließt.
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Die
konusförmige Gestaltung der ersten und zweiten Fläche
ermöglicht eine Änderung des Erregerfeldes in
den zur Drehmomenterzeugung beitragenden Leiterabschnitten der Motorwicklung(en) durch
eine einfache Axialverschiebung des Rotors relativ zum Stator. Denn
bei einer entsprechenden Axialverschiebung verändert sich
einerseits die Größe des Luftspalts, in dem die
Leiterabschnitte angeordnet sind, und somit der Wert der magnetischen
Induktion in den Leiterabschnitten, an dererseits verändert
sich der Bereich der Leiterabschnitte, der jeweils vom Magnetfeld
durchsetzt wird. Die konusförmige Ausführung kombiniert
beide Möglichkeiten der Änderung des mit Permanentmagneten
aufgebauten Erregerfeldes und bewirkt auch bei kleinen Axialverschiebungen
bereits eine wirksame Änderung des Erregerfeldes.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen
Unteransprüche.
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Um
eine sichere Übertragung des erzeugten Drehmoments auf
die Achse des Elektromotors zu gewährleisten ohne die Verschiebbarkeit
des Rotors auf der Motorachse zu beeinträchtigen, ist die
Achse des Elektromotors vorzugsweise als Keilwelle ausgebildet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Elektromotor
vorteilhaft eine Verschiebeeinrichtung, die zum Bewirken einer Verschiebung
einer der beiden Flächen entlang der im Wesentlichen gemeinsamen
Symmetrieachse relativ zur anderen Fläche ausgebildet ist.
Dadurch kann eine den Anforderungen entsprechende axiale Relativverschiebung zwischen
dem Rotor und dem Stator des Motors realisiert werden. Ferner ist
die Verschiebeeinrichtung zweckmäßig dazu ausgebildet,
die Verschiebung der einen der beiden Flächen relativ zur
anderen der beiden Flächen in Abhängigkeit der
Drehzahl des Elektromotors zu bewirken, wodurch eine erforderlichenfalls
kontinuierliche Axialverschiebung der Wirkkomponenten des Motors
erreicht werden kann, sodass der Elektromotor im gesamten unterhalb
der oben beschriebenen Leistungshyperbel definierten Arbeitsbereich
optimal verschoben werden kann. Die Verschiebeeinrichtung umfasst
hierzu günstigerweise ein längenveränderbares
Element, das den jeweils gewünschten Abstand zwischen Rotor
und Stator einstellt. Um eine Steuerung der relativen axialen Verschiebung
zu ermöglichen, weist die Verschiebeeinrichtung weiterhin
vorzugsweise ein Stellelement zum Stellen der Länge des
längenveränderbaren Elements auf.
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Das
längenveränderbare Element kann mit einem Hydraulikzylinder
und/oder einen Pneumatikzylinder ausgeführt werden, wobei
das Stellelement ferner eine Zentrifuge umfassen kann, die ein Fluid enthält
das mit der Drehachse des Rotors verbunden ist, ohne bei Drehung
die Geometrie zu verlassen. Somit kann eine einfache, drehzahlregulierte,
von der Fliehkraft getriebene, pneumatische und/oder hydraulische
Steuerung der relativen Axialverschiebung von Rotor und Stator aufgebaut
werden. Die Zentrifuge kann dabei günstigerweise so mit
dem Hydraulikzylinder verbunden sein, dass das Fluid von der Zentrifuge
in den Hydraulikzylinder oder in den Pneumatikzylinder und umgekehrt
fließen kann. Die auf das Fluid wirkende Zentrifugalkraft
kann verstärkt werden, indem die Zentrifuge vorteilhaft
zumindest einen Kolben umfasst, der in der Zentrifuge so angeordnet
und ausgebildet ist, dass er mittels der auf ihn ausgeübten
Fliehkraft einen Druck auf das Fluid ausübt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das
längenveränderbare Element einen Piezoaktor, wodurch
eine elektronische Steuerung der relativen Axialverschiebung ermöglicht
wird. Ferner kann das längenveränderbare Element
auch ein Federelement umfassen, das insbesondere zum Aufbringen
einer Rückstellkraft von Vorteil ist. Für eine elektromechanische
Steuerung der relativen Axialverschiebung kann das längenveränderbare
Element zweckmäßig auch einen Spindeltrieb aufweisen.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. Die
einzelnen Merkmale können bei einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung je für sich oder
zu mehreren verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung
einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die
beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
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1 ein
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinienfeld eines Gleichstrom-Elektromotors
mit einer Veranschaulichung von Betriebsbereichen verschiedener
Motoren zeigt,
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2 einen
Konusläufer im Betriebsbereich mit hohem Erregerfeld veranschaulicht
und
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3 einen
Konusläufer im Betriebsbereich mit niedrigem Erregerfeld
veranschaulicht.
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Die
im Diagramm 1 von 1 dargestellte Leistungshyperbel 8 gibt
den Zusammenhang zwischen dem von einem permanenterregten Elektromotor
bei einer bestimmten Drehzahl n erzeugten Drehmoment M wieder. Motoren
die bei gleicher Spannung für höhere Drehzahlen
ausgelegt sind, weisen entweder ein schwächeres Erregerfeld
auf, als Motoren, die für höhere Drehmomente und
damit für niedrigere Drehzahlen ausgelegt sind, oder haben weniger
verkettete Windungen und damit ein geringeres Moment. In dem Diagramm
sind Beispiele für die Betriebsbereiche 3, 4, 5, 6 und 7 verschieden ausgelegter
permanenterregter Elektromotoren eingezeichnet. Jedem dieser Betriebsbereiche
ist ein optimalen Betriebspunkt 2 zugeordnet, der die für das
jeweilige Drehmoment maximale Drehzahl angibt. Je nach Auslegung
des über das Erregerfeld bestimmten optimalen Betriebspunkts 2 kann
der Motor daher hohe Drehmomente M bei geringen Drehzahlen n (Betriebsbereich 3),
geringe Drehmomente bei hohen Drehzahlen (Betriebsbereich 4)
oder mittlere Drehmomente bei mittleren Drehzahlen (Betriebsbereiche 5, 6 und 7)
abgeben. Die Betriebsbereiche 5, 6 und 7 stellen
im Allgemeinen einen Kompromiss zwischen dem maximal verfügbaren
Drehmoment und der erzielbaren Drehzahl dar.
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Um
einen permanenterregten Elektromotor mit variierendem Betriebspunkt 2,
d. h. sowohl mit niedriger Drehzahl und großem Drehmoment,
als auch mit hoher Drehzahl bei relativ kleinem Drehmoment betreiben
zu können, muss das Erregerfeld dem bei der jeweilige aktuellen
Drehzahl optimalen Betriebspunkt 2 angepasst werden. Dabei
kommt es nicht auf das von den Motor polen erzeugte, sondern lediglich
auf das zur Drehmomenterzeugung wirksame Erregerfeld an, d. h. den
Teil des Erregerfeldes, der die zur Drehmomenterzeugung ausgebildeten Leiterabschnitte
der Ankerwicklungen durchdringt.
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Die
geschlossenen Feldlinien des von den Permanentmagneten erzeugten
Magnetfelds bilden einen magnetischen Kreis, der den Luftspalt zwischen
Rotor und Stator durchsetzt und sich über Rotor und Stator
schließt. Bei einer Vergrößerung des Luftspalts
nimmt der magnetische Widerstand des Kreises zu und die magnetische
Induktion im Luftspalt, d. h. das Erregerfeld, nimmt ab.
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Die
innere Gegenspannung in den zur Drehmomenterzeugung beitragenden
Leiterabschnitten der Motorwicklungen kann ferner auch durch Verringerung
des Erregerflusses durch diese Leiterabschnitte reduziert werden,
indem das Feld der Permanentmagnete nur einen Teil der Leiterabschnitte durchsetzt.
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Beide
Effekte werden in dem in der 2 dargestellten,
als Konusläufer ausgebildeten, permanenterregten Elektromotor
umgesetzt. Der in 2 gezeigte Konusläufer
ist in einem Betriebsmodus 10 mit hohem Erregerfeld, d.
h. hohem Erregerfluss durch die zur Drehmomenterzeugung beitragenden Leiterabschnitte
der Ankerwicklung, dargestellt.
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Der
Konusläufer weist einen Stator 11 auf, innerhalb
dessen ein Rotor 12 angeordnet ist. Der Rotor 12 ist
auf einer Drehachse 13 innerhalb eines bestimmten Bereichs
verschiebbar gelagert. Die Drehachse ist durch eine Öffnung
im Statorgehäuse nach außen geführt.
An der äußeren Umlauffläche des Rotors
sind Permanentmagnete 14 für die Erzeugung eines
Erregerfeldes angeordnet.
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Gegenüber
den Permanentmagneten und parallel zu deren Oberfläche
sind an dem Stator die zur Drehmomenterzeugung beitragenden Leiterabschnitte 15 der
Ankerwicklung bzw. Motorwicklungen angeordnet. Diese Leiterabschnitte
sind an einer, der äußeren Umlauffläche
des Rotors im Wesentlichen gegenüber liegenden, inneren
Umlauffläche des Stators angeordnet.
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Die
Permanentmagnete 14 sind wie in 2 angedeutet
vorzugsweise so magnetisiert, dass das von Ihnen erzeuget Magnetfeld B → ihre
den oben erwähnten Leiterabschnitten 15 zugewandten
Oberflächen im Wesentlichen senkrecht durchdringt. Ferner sind
die Leiterabschnitte 15 so am Stator angebracht, dass die
Richtung des durch sie fließenden Stroms keine Komponente
in Umlaufrichtung des Motors 10 aufweist. Damit steht das
Magnetfeld B → senkrecht auf dem durch die Leiterabschnitte fließenden
Strom I →, so dass auf die Leiterabschnitte die maximal mögliche
Lorentzkraft |F →| = |I →|·|B →|·l (wobei l die
aktive Länge des mit I durchstromten Leiters unter dem
Fluss B darstellt) in Drehrichtung des Motors wirken kann.
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Beide,
die innere Umlauffläche des Stators und die äußere
Umlauffläche des Rotors, sind im Wesentlichen konusförmig
ausgebildet, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform
beide Umlaufflächen, wie in 1 veranschaulicht
ist, jeweils in erster Näherung einer Mantelfläche
eines geraden Kreiskegelstumfs entsprechen. Die Leiterabschnitte 15 umgrenzen
somit auf ihrer dem Rotor zugewandten Innenseite eine konusförmige
Fläche, die eine ebenfalls konusförmig ausgebildete
Fläche umschließt, die von der Umhüllenden
der auf dem Rotor angebrachten Dauermagnetpole gebildet wird.
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In
der in der 2 veranschaulichten Darstellung
stehen sich die Anordnungen der Permanentmagnete 14 und
der Leiterabschnitte 15 direkt und mit geringem Abstand,
d. h. mit einem nur geringen dazwischen liegenden Luftspalt, gegenüber.
Somit kann das von den Permanentmagneten 14 erzeugte Magnetfeld
die Leiterabschnitte 15 über den größtmöglichen
Leiterabschnittbereich und mit maximaler magnetischer Induktion
durchdringen. Auf diese Weise erfahren die Leiterabschnitte die
höchstmögliche Lorentzkraft und der Motor 10 kann
das maximale Drehmoment abgeben. Die dargestellte Betriebsart entspricht
daher einer Einstellung des optimalen Betriebspunkts für
hohe Drehmomente bei kleiner Motordrehzahl, wie er in 1 durch
den Betriebsbereich 3 symbolisiert ist.
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Die
Abbildung der 3 zeigt den Konusläufer
von 2 in einem Betriebsmodus 20 mit geringem
Erregerfeld, d. h. mit geringem Erregerfluss durch die zur Drehmomenterzeugung
beitragenden Leiterabschnitte der Ankerwicklung.
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Im
Vergleich zur Darstellung von 2 befindet
sich der Rotor in einer relativ zum Stator axial nach links verschobenen
Position. Dadurch stehen sich die Anordnungen der Permanentmagnete 14 und
der Leiterabschnitte 15 nicht mehr direkt gegenüber
und der Luftspalt zwischen den beiden Anordnungen ist größer
als im Betriebsmodus von 2. Folglich ist die magnetische
Induktion schwächer und durchdringt darüber hinaus
auch nur einen geringeren Leiterabschnittsanteil als in dem in 2 veranschaulichten
Betriebsmodus. Der Erregerfluss durch die zur Drehmomenterzeugung
beitragenden Leiterabschnitte nimmt somit durch beide Effekte ab,
wodurch die Induktion B sinkt und der Motor mit höherer Drehzahl
betrieben werden kann als im Betriebsmodus 10.
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Aufgrund
der konusförmigen Anordnung der Permanentmagnete 14 und
der Leiterabschnitte 15 kann mit einer geringen axialen
Verschiebung des Rotors eine große Reduktion des wirksamen
Erregerfelds erreicht werden, die außer durch die Veränderung
der aktiven Motorlänge, d. h. des Überlappungsbereichs
zwischen den Magnetpolen 14 und den Leiterabschnitten 15,
wesentlich durch die Größe des Luftspalts bestimmt
wird. Eine zylindrische Anordnung der Permanentmagnete und der sie
umhüllenden, zur Drehmomenterzeugung beitragenden Leiterabschnitte
würde für die gleiche Reduktion des wirksamen
Erregerfeldes eine wesentlich größere Relativverschiebung
von Rotor zu Stator erfordern, und damit auch eine wesentlich größere
Baulänge des Motors.
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Die
Verschiebung des Rotors 12 erfolgt in der gezeigten Ausführungsform
entlang einer als Keilwelle ausgeführten Motor drehachse 13,
die eine Drehmomentübertragung von dem Rotor 12 auf
die Motorwelle 13 bei gleichzeitiger axialer Verschiebbarkeit
des Rotors auf der Welle gewährleistet.
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Zum
Einstellen der axialen Lage des Rotors
12 auf der Motorwelle
13 dient
die Verschiebeeinrichtung
16. Für die Einstellung
der axialen Lage des Rotors
12 enthält die Verschiebeeinrichtung
16 ein
längenveränderbares Element, das je nach Anwendungsfall
verschieden ausgeführt werden kann. Bei kleinen Motorbauformen
und einer elektronischen Steuerung der relativen Lage von Rotor
und Stator kann das längenveränderbare Element
der Verschiebeeinrichtung
16 zweckmäßig
mittels eines Piezoaktors realisiert werden. Hervorzuheben ist,
dass bei einer hydraulischen oder pneumatischen Steuerung des Motorbetriebsbereichs
zur Realisierung des längenveränderbaren Elements
keine weitere aufwändige externe Energie notwendig wird,
da die Verstellenergie vorzugsweise aus der Motorwelle bezogen wird.
Auch mechanische Stellelemente, wie beispielsweise ein Federelement,
oder elektromechanische Stellelemente, wie beispielsweise ein Spindeltrieb,
oder eine wie in der Gebrauchsmusterveröffentlichung
DE 86 23 167 vorgestellte
elektromagnetische Stelleinrichtung und dergleichen mehr können verwendet
werden. Zur kontinuierlichen, drehzahlabhängigen Verstellung
des optimalen Motorbetriebspunkts
2 müssen Rotor
und Stator kontinuierlich entlang ihrer gemeinsamen Symmetrieachse
axial verschoben werden. Dies ist mit den oben erwähnten Verschiebeeinrichtungen
möglich.
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Die
Steuerung der Verschiebeeinrichtung 16 erfolgt so, dass
der relative axiale Abstand zwischen Stator und Rotor bei zunehmender
Drehzahl des Motors vergrößert, bei abnehmender
Motordrehzahl jedoch verkleinert wird. Denn verkleinert die Verschiebeeinrichtung 16 den
Luftspalt (Verringerung der axialen Relativverschiebung), so sinkt
die Drehzahl des Motors und gleichzeitig erhöht sich aufgrund
des nun höheren wirksamen Erregerflusses das erzeugbare Drehmoment.
Vergrößert die Verschiebeeinrichtung 16 dagegen
den Luftspalt durch Vergrößern des axialen Abstands
zwischen Rotor und Stator, so nimmt die wirksame Induktion mit der
Folge einer höheren Drehzahl des Konusläufers
bei gleichzeitig niedrigerem abgebbaren Drehmoment ab.
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Es
sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass abweichend vom
deutschen Sprachgebrauch in dieser Schrift nicht zwischen den Begriffen
Steuern und Regeln unterscheiden wird. Dies betrifft auch grammatikalische
Abwandlungen dieser Begriffe. Vielmehr werden beide Begriffe synonym verwendet,
d. h. der Begriff Steuern kann ebenso eine Rückführung
einer Regelgröße bzw. deren Messwerts umfassen,
wie sich der Begriff Regeln auf eine einfache Steuerkette beziehen
kann.
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In
den 2 und 3 ist der Konusläufer mit
einer hydraulisch ausgeführten Verschiebeeinrichtung veranschaulicht.
Vorzugsweise wird das längenveränderbare Element
der Verschiebeeinrichtung von einem oder mehreren hydraulischen
Zylindern gebildet. Der bzw. die Zylinder sind mit einer Zentrifuge 17 verbunden,
die ein Fluid 18 enthält. Die Zentrifuge 17 ist
mit der Motorwelle 13 verbunden und rotiert mit dieser
um die im Wesentlichen gemeinsame Symmetrieachse von Rotor 12 und
Stator 11. Das Fluid wird durch die der jeweiligen Motordrehzahl
entsprechenden Fliehkraft an den Außenbereich der Zentrifuge
gedrängt. Über eine (in den Figuren als gepunktete
Pfeillinie dargestellte) Verbindung zwischen Zentrifuge 17 und
Verschiebeeinrichtung 16 drückt das Fluid mit
einer der in der Zentrifuge 17 aufgebauten Zentrifugalkraft
entsprechenden Kraft auf die hydraulischen Kolben des längenveränderbaren Elements
und stellt so die axiale Verschiebung zwischen Stator 11 und
Rotor 12 ein. Vorzugsweise arbeitet die Kolbenkraft des
längenveränderbaren Elements gegen die Federkraft
eines Federelements der Verschiebeeinrichtung, so dass der optimale
Betriebspunkt 2 entlang einer Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
verschoben werden kann, die über die der Federkennlinie
entsprechende Kraft-Verschiebeweg-Relation definiert ist. Bei höheren
Motordrehzahlen nimmt die Kolbenkraft und damit die axiale Verschiebung
zu; bei Verringerung der Motordrehzahl nimmt die Kolbenkraft ab
und die Rückstell kraft des Federelements drückt
den Kolben zurück, sodass sich die axiale Verschiebung
verringert und das Fluid teilweise in die Zentrifuge zurückströmt.
Die Fluidbewegung kann wie in den 2 und 3 angedeutet
durch in der Zentrifuge 17 angeordnete Kolben 19 unterstützt
und gesteuert werden.
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Der
vorgestellte Konusläufer ermöglicht eine kontinuierliche
Nachstellung des optimalen Betriebspunkts 2, wodurch der
Motor nicht nur in einem begrenzten Betriebsbereich betrieben wird,
sondern auch das gesamte Leistungsspektrum unterhalb der Leistungshyperbel
ausnutzen kann.
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Neben
der beschriebenen hydraulischen, mit einer Zentrifugenwirkung geregelten,
Axialverschiebung sind andere drehzahlabhängige Steuerungen oder
Regelungen der Axialverschiebung möglich. Insbesondere
können mechanische Fliehkraftregler z. B. unter Verwendung
verstellbarer Gewichte, pneumatische oder von der oben Beschriebenen
abweichende hydraulische Steuerungen oder Regelungen verwendet werden.
Die Verschiebeeinrichtung 16 kann mit einer elektronischen
Steuerung oder Regelung zusammenwirken und wie oben beschrieben piezoelektrische,
elektromechanische oder mechanische Komponenten, beispielsweise
eine exzentrische Nockenverstellung, umfassen.
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Vorzugsweise
dreht sich die Verschiebeeinrichtung 16 zusammen mit dem
Rotor 12, womit keine Lagerung zwischen Verschiebeeinrichtung
und Rotor erforderlich ist. Die Verschiebeeinrichtung kann sich
an der Motorwelle 13 abstützen, bzw. an dieser
fest angebracht sein.
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Die
Axialverschiebung von Rotor 12 und Statur 11 kann
auch als Schutzmaßnahme eingesetzt werden. Wird der Rotor
durch forciert von außen einwirkenden Antrieb in Rotation
versetzt, so wirkt der Motor als Generator und setzt die von außen
eingebrachte mechanische Energie zwanghaft in elektrische Energie
um. Erfolgt diese Situation infolge eines Störfalls (Umrichterschaden,
Motorkurzschluss), so kann dies zu einem unkontrollierten Betriebsverhalten
führen, das schließlich zu einer Zerstörung
der mit dem Motor verbundenen Einrichtungen führen kann.
Mit dem oben beschriebenen Konusläufer kann dieses Sicherheitsproblem
umgangen werden, indem der Rotor 12 von der Verschiebeeinrichtung aktiv
gegenüber dem Stator 11 axial soweit verschoben
wird, dass die Leiterabschnitte 15 gänzlich aus dem
Erregerfeld der Permanentmagnete 14 geschoben werden. Durch
den damit verbundenen Wegfall der Erregung kann eine Rotorbewegung
nicht mehr zu einer unerwünschten Stromerzeugung führen.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Rotor gegenüber
dem Stator verschoben. Da es jedoch nur auf die relative axiale
Einstellung von Rotor und Stator zueinander ankommt, kann der Konusläufer
auch mit einer Verschiebeeinrichtung versehen sein, die den Stator 11 gegenüber
dem Rotor 12 verschiebt. Ebenso ist die beschriebene Anordnung
der Permanentmagnete auf dem Rotor nicht zwingend. Die von den Dauermagneten
gebildeten Magnetpole können in gleicher Weise an der inneren Umlauffläche
des Stators und die zur Drehmomenterzeugung beitragen Leiterabschnitte
können an der äußeren Umlauffläche
des Rotors angebracht sein.
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Der
beschriebene Konusläufer ermöglicht die Nutzung
eines permanenterregten Elektromotors über einen wesentlich
höheren Betriebsbereich, als es mit herkömmlichen
permanenterregten Elektromotoren möglich ist. Die mechanische
Luftspaltvergrößerung gestattet eine stufenlose
Betriebspunktverstellung und das Verbringen des Motors in einen Sicherheits-Ruhezustand,
bei dem jegliche unerwünschte Generatorwirkung ausgeschlossen
ist. Die konische Ausführung von Magnet- und Leiteranordnung
gestattet darüber hinaus eine schnelle Veränderung
des Erregerfeldes bei relativ geringer Axialverschiebung von Rotor
zu Stator und damit eine kompakte Bauform des permanenterregten
Elektromotors.
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- 1
- Drehmoment-Drehzahl-Kennlinienfeld
- 2
- optimaler
Betriebspunkt
- 3
- Betriebsbereich
- 4
- Betriebsbereich
- 5
- Betriebsbereich
- 6
- Betriebsbereich
- 7
- Betriebsbereich
- 8
- Leistungshyperbel
- 10
- Betriebsmodus
mit hohem Erregerfeld
- 11
- Statur
- 12
- Rotor
- 13
- Motorwelle
- 14
- Dauermagnete
- 15
- zur
Drehmomenterzeugung beitragenden Leiterabschnitte
- 16
- Verschiebeeinrichtung
- 17
- Zentrifuge
- 18
- Fluid
- 19
- Zentrifugalkolben
- 20
- Betriebsmodus
mit geringem Erregerfeld
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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