DE102007042935B3 - Permanent-magnet excited electric machine i.e. permanently excited alternating current synchronous machine, for e.g. linear application, has secondary part with magnetic conductive arrangement guided with uniform toothing at pole pitch gird - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine permanent erregte Wechselstrom-Synchronmaschine (PWS) für rotierende und lineare Anwendung, hoher Kraftdichte und einem Reaktionsteil ohne stromführende Komponenten. Für Anwendungen, besonders mit hoher Umfangsgeschwindigkeit oder für Linearantriebe mit größeren Bewegungslängen wird aus mechanischen Gründen ein passives Reaktionsteil bevorzugt und dabei angestrebt, dass hohe Kraftdichte mit geringem Materialaufwand und einfacher Herstelltechnik zu kombinieren ist.The The invention relates to a permanently excited AC synchronous machine (PWS) for rotating and linear application, high power density and a reaction part without live Components. For Applications, especially with high peripheral speed or for linear drives with longer movement lengths for mechanical reasons a passive reaction part preferred and thereby strives that high power density with low material costs and simple manufacturing technology too combine is.
Stand der TechnikState of the art
Die elektromagnetische Energiewandlung stößt vielfach wegen der beträchtlichen notwendigen Masseanteile für die aktiven Komponenten an die Grenze der Anwendbarkeit. Dies gilt sowohl für rotierende Direktantriebe wie für Linearantriebe, so dass trotz verschleißfreier Funktion und günstiger Stell- und Regeleigenschaften energieintensivere, aber einfachere Varianten vorgezogen werden.The Electromagnetic energy conversion often comes across because of the considerable necessary mass shares for the active components to the limit of applicability. this applies as well as rotating direct drives as for Linear drives, so that despite wear-free function and cheaper Adjustment and control properties more energy-intensive, but simpler Variants are preferred.
Für die mechanische
Ausführung
der Wandler, ebenso wie für
deren Integration in die Gesamtanordnung der Anlage spielt dabei
der Faktor begrenzte Komplexität
des Magnetkreises eine bedeutende Rolle. So ist z. B. eine größere Zahl
von Vorschlägen bekannt,
wo mit Hilfe des transversalen Magnetkreises (in TF-Konfiguration)
besonders hohe Kraftdichten bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad,
allerdings auf Kosten eines höheren
Komplexitätsgrads
erzielt werden. In der Patentanmeldung
Es ist bislang noch nicht gelungen, für Magnetkreise mit longitudinaler Anordnung und passivem Reaktionsteil ähnlich hohe Kraftdichten nachzuweisen. Auch für verhältnismäßig langsam laufenden Ringgeneratoren für Windkraftanwendung mit hybrider Erregung liegen bezüglich des mechanischen Aufbaus und Anordnung des Magnetkreises mit longitudinaler Flussführung (in LF-Konfiguration) ungünstigere Bedingungen vor.It has not yet been successful for magnetic circuits with longitudinal Arrangement and passive reaction part to detect similar high power densities. Also for relatively slow running ring generators for Wind power application with hybrid excitation are relative to the mechanical structure and arrangement of the magnetic circuit with longitudinal river guide (in LF configuration) less favorable Conditions.
Den Einsatzbedingungen und den Voraussetzungen einer einfachen Herstellung kann besser und weitgehender entsprochen werden, wenn die Komponenten Wicklung und Permanentmagnete in einem gemeinsamen Maschinenteil integriert sind und dabei ein Magnetkreis der longitudinalen Flussführung zum Einsatz kommt. Den offensichtlichen Vorteilen dieser Konzeption steht bislang der Nachteil gegenüber, dass die erzielbare Kraftdichte im Vergleich zu jener der entsprechenden TF-Variante deutlich kleiner ausfällt. Besonders bei konventionell erregten Maschinen mit Drehfeldwicklung und überlappten Spulen wird als sehr nachteilig empfunden, dass neben großer Masse der aktiven Teile auch ein recht großes Maschinenvolumen und nur ein sehr begrenzter Wirkungsgrad vorliegt. Zur Frage des Einsatzes klassischer Drehstromwicklungen kann aufgrund von Fortschritten bei der Technik der Blechkonturierung etwa nach dem Laserverfahren von einer deutlich flexibleren Gestaltung ausgegangen werden. Damit lassen sich Nutanordnungen nun ohne die Bedingung äquidistanter Nuttopologie verwirklichen.The Conditions of use and the requirements of a simple production can be better and more widely met when the components Winding and permanent magnets in a common machine part are integrated and thereby a magnetic circuit of the longitudinal flux guide to Use comes. The obvious advantages of this concept so far the disadvantage that the achievable power density compared to that of the corresponding TF variant significantly smaller fails. Especially with conventional excited machines with rotating field winding and overlapped coils is called very disadvantageous felt that in addition to large mass of active parts also a big one Machine volume and only a very limited efficiency is present. On the question of the use of classical three-phase windings can due to from advances in sheet metal contouring technology, for example the laser process from a much more flexible design become. This groove arrangements can now be equidistant without the condition Realize Nuttopologie.
Aus
der
Es besteht somit die erfindungsgemäße Aufgabe darin, eine durch Permanentmagnete erregte Magnetkreisvariante mit longitudinaler Flussführung für rotierende und lineare Anwendung anzugeben, deren Kraftdichte den hohen Werten entspricht, die für transversale Magnetkreise belegt sind, wobei das Rektionsteil des Wandlers weder Permanentmagnete noch Wicklung benötigt und mechanisch anspruchslos hergestellt werden kann. Es wird davon ausgegangen, dass die Energiewandlung durch eine mehrsträngige Wechselstromwicklung im Zusammenwirken mit einem Frequenzumrichter bewirkt wird, und die Betriebsdaten den wechselnden Erfordernissen des Einsatzes angepasst werden können. Bei Erreichen dieser Ziele wird es möglich, das Konzept des LF-Magnetkreises für zahlreiche Anwendungen mit hohen Ansprüchen an Wirtschaftlichkeit und Machbarkeit vorzusehen.It is therefore the object of the invention to provide a magnetic circuit variant excited by permanent magnets with longitudinal flux guidance for rotating and linear application whose force density corresponds to the high values occupied for transverse magnetic circuits, wherein the reaction part of the transducer requires neither permanent magnets nor winding and mechanically undemanding can be produced. It is assumed that the energy conversion is effected by a multi-phase AC winding in conjunction with a frequency converter, and the operating data can be adapted to the changing requirements of the application. Achieving these goals makes it possible to provide the concept of the LF magnetic circuit for many applications with high demands on economy and feasibility.
Ausführungsbeispieleembodiments
Im Folgenden wird anhand eines ausführlichen Textes und mit Hilfe mehrerer zeichnerischer Darstellungen die Lösung der Aufgabe beschrieben.in the The following is based on a detailed Textes and with the help of several graphic representations the solution of the Task described.
Die Merkmale des Magnetkreises MKThe characteristics of the magnetic circuit MK
Die
in
Wie
aus
Die
in
Aus
gleichem Grund wird die Magnetabmessung hm in
Magnetisierungsrichtung zweckmäßig größer als
die Luftspaltabmessung δ,
z. B. zu deren dreifachem Betrag gewählt. Mit Blick auf einfache Herstellung
des Blechkörpers
von PT sind entsprechend
Die
Luftspaltlänge δ elektrischer
Maschinen wird aus magnetischer Sicht im allgemeinen möglichst
klein gewählt.
Allerdings erfolgt die Festlegung von δ weitgehend mit Rücksicht
auf mechanische Fragen im Zusammenhang mit betriebsbedingten Beanspruchungen.
Bezogen auf Maschinen kleineren Durchmessers beginnt die untere
Grenze der Magnetabmessung hm damit bei
etwa 1,5 mm, um im Durchmesserbereich von 1,0 m den Wert von 3–4 mm anzunehmen.
Die zugehörigen
Polteilungen durchlaufen folglich Werte zwischen 15 und 35 mm, wobei
die Breiten br und bp nicht
sehr stark von der Polteilung abweichen. Die Polschaftbreite bs ergibt sich ähnlich wie in
Zum Betriebsverhalten,
Die
oben bereits erwähnte,
stellungsabhängige
Flussänderung
zwischen den Extremwerten Maximal- und Minimalwert sind im Diagramm
D1 von
Eine Vergleichmäßigung des Kraftverlaufs folgt aus der Kombination mehrerer Wicklungsabschnitte, die mit Phasenverschiebung betrieben werden.A Equalization of Force curve follows from the combination of several winding sections, which are operated with phase shift.
Die KraftdichteThe power density
Aus der Leistungsgleichung folgt wie erwähnt eine Möglichkeit, die im Magnetkreis entwickelte Kraft F zu ermitteln und von dieser wiederum auf die der Flächeneinheit mitgeteilte Kraftdichte FA in ihrem Zusammenhang zu Strom und Magnetfelddichte B zu schließen.From the power equation follows, as mentioned above, a possibility to determine the force F developed in the magnetic circuit and from this, in turn, to deduce the force density F A communicated to the area unit in relation to current and magnetic field density B.
Fasst
man das Produkt w·Ia, also die Wicklungsdurchflutung durch das
Symbol θa zusammen so folgt die Kraftdichte zu
Der in der FA–Gleichung auftretende Faktor 0,5 ist eine Folge der begrenzten Flussänderung zwischen Maxixmalwert und Null.The factor 0.5 occurring in the F A equation is a consequence of the limited flux change between maximum value and zero.
Vergleicht man dieses Ergebnis mit jenem für TF-Magnetkreise, so stellt man fest, dass sich für das beschriebene LF-Modell der gleiche Wert zeigt. Diese Aussage gilt für jene TF-Magnetkreise, deren Rückschlusselemente im Abstand der doppelten Polteilung angeordnet sind und damit die Ausführung der Ringwicklung ermöglichen.comparing this result with that for TF magnetic circuits, so it is noted that for the described LF model shows the same value. This statement applies to those TF magnetic circuits whose return elements are arranged at a distance of the double pole pitch and thus the Execution of the Ring winding enable.
Weiter
erscheint von Bedeutung, dass die im vorliegenden Modell erzielbaren
B-Werte im stabilen Bereich der Magnetisierung sehr hoch, d. h.
nahe der Sättigungsgrenze
liegen, so dass damit die hohen FA-Werte
mit begrenztem Strom erzielbar sind. FE-Untersuchungen zeigen, dass
sich mit Remanenzinduktionen von 1,2 T und Luftspalten von weniger
als 2 mm Kraftdichten von 70 kN/m2 erreichen lassen.
Dies kann z. B. dem Diagramm von
Das Diagramm lässt erkennen, dass bei den beiden kleinen Luftspalten der Reluktanzkrafteinfluss sehr gering ist und er sich erst beim Spalt von 4 mm geringfügig bemerkbar macht. Neben der mittleren Kraftdichte FA sind zur Beurteilung der angestrebten Brauchbarkeit des Magnetkreis-Konzepts weitere Merkmale, wie etwa die auf die Schubkraft bezogenen Wicklungsverluste Pv und die bezogene Masse ma der MK-Bauteile von Bedeutung.The diagram shows that in the two small air gaps the reluctance force influence is very small and only slightly noticeable at the 4 mm gap. In addition to the average force density F A are to assess the desired usefulness of the magnetic circuit concept more features, such as related to the thrust winding losses P v and the related mass m a of MK components of importance.
Unter
der Voraussetzung des nicht gekrümmten
Magnetkreises und mit der Annahme, dass mit der Polteilung die Abmessungen
proportional verändert
werden, ergeben sich die Funktionsverläufe des Diagramms nach
Zur Wicklungsausführung mehrsträngiger WicklungenFor the winding execution of multi-stranded windings
Die
erwünschte
Ausführung
mehrsträngiger Wicklungen
am Umfang des MK kann in unterschiedlicher Form, z. B. durch eine
Verstimmung der Polteilung von PT gegenüber jener von RT oder durch gruppenförmigen Versatz
der PT-Polteilung, dem so genannten Zonenversatz erfolgen. Hier
wird für
zwei Beispiele die zusetzt erwähnte
Variante dargestellt. So zeigt
Dabei
bestehen die einzelnen Polgruppen, entsprechend
Die
Darstellung
Mit
Es
ist außerdem
wichtig, darauf hinzuweisen, dass sich durch eine zeitliche Verschiebung
der Stromblöcke
gegenüber
dem in
Es kann festgestellt werden, dass in den angestrebten Entwurfszielen günstige Ergebnisse erzielbar sind und hinsichtlich des Betriebsverhaltens sich vorteilhafte Merkmale trotz hoher Kraftdichte ergeben.It can be stated that in the intended design goals favorable Results are achievable and in terms of operating behavior itself give advantageous features despite high power density.
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DE (1) | DE102007042935B3 (en) |
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-
2007
- 2007-09-08 DE DE200710042935 patent/DE102007042935B3/en not_active Expired - Fee Related
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