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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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors

Abstract

The machine has a primary machine part (PT) and a secondary machine part i.e. reaction part (RT), separable by an air gap, where the primary machine part includes a distinctive pole. The pole is connected to a side turned away from the air gap by a magnetic conductive interference element. The secondary part consists of a magnetic conductive arrangement that is guided with a uniform toothing at a pole pitch gird and with a tooth width that is equal to pole width of a pole surface of the primary machine part. The arrangement is limited at the gap.

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 DE 10 2006 023 219 A1 wurden z. B. Konfigurationen permanent erregter Magnetkreise beschrieben, die sich auch mit passivem Reaktionsteil verwirklichen lassen.For the mechanical design of the transducer, as well as for their integration into the overall arrangement of the system, the factor of limited complexity of the magnetic circuit plays an important role. So z. B. a larger number of proposals known where by means of the transverse magnetic circuit (in TF configuration) particularly high power densities at the same time high efficiency, but at the cost of a higher degree of complexity can be achieved. In the patent application DE 10 2006 023 219 A1 were z. B. configurations of permanently excited magnetic circuits described, which can be realized even with passive reaction part.

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 EP 0 373 987 A1 ist eine permanentmagneterregte elektrische Maschine mit longitudinaler Flussführung in rotierender und linearer Anwendung bekannt. Diese besteht aus zwei Maschinenteilen, die durch einen Luftspalt getrennt sind. Das primäre Maschinenteil ist Träger der Magneterregung in Form von mehreren Sammleranordungen je Feldumlauf, wobei eine Polfläche an den Luftspalt grenzt, die Permanentmagnete aber senkrecht zum Luftspalt stehen. Außerdem nimmt es die Wicklung auf, deren magnetisierende Teile von Elementen der Sammleranordnung und den magnetisch leitenden Rückschlusselementen umgeben ist. Das Reaktionsteil besteht aus einer magnetisch leitfähigen Anordnung, die mit einer gleichförmigen Zahnung an den Luftspalt grenzt. Aus der EP 1 045 509 A1 ist bei einer rotierenden elektrischen Maschine die V-förmige Anordnung der Sammlermagnete bekannt. In beiden vorgenannten Fällen erfolgt die Bereitstellung des hauptsächlichen Magnetfeldes über die Wicklung, während die Permanentmagnete die Aufgabe haben, das Feld zu modulieren. Speziell bei der EP 0 373 987 A1 stellen die senkrecht eingebetteten Permanentmagnete aufgrund der großen Streuflüsse an ihren inneren Enden eine wesentliche Behinderung dar; darüber hinaus belastet dieser Streufluss auch innerhalb der Permanentmagnete den Flusspfad. Bei der EP 1 045 509 A1 handelt es sich nicht um eine echte Erregeranordnung, weil die Schenkel der V-Anordnung nicht geschlossen sind. Auch hier wird auf eine Feldmodulierung abgehoben und versucht, eine Feld-Grundwellennutzung zu erzielen.From the EP 0 373 987 A1 is a permanent magnet electric machine with longitudinal flux guidance in rotating and linear application known. This consists of two machine parts, which are separated by an air gap. The primary machine part is the carrier of the magnet excitation in the form of several collector arrangements per field revolution, wherein one pole face adjoins the air gap, but the permanent magnets are perpendicular to the air gap. In addition, it takes on the winding whose magnetizing parts are surrounded by elements of the collector assembly and the magnetically conductive yoke elements. The reaction part consists of a magnetically conductive arrangement which adjoins the air gap with a uniform toothing. From the EP 1 045 509 A1 is in a rotating electric machine, the V-shaped arrangement of the collector magnets known. In both of the above cases, the provision of the main magnetic field takes place via the winding, while the permanent magnets have the task of modulating the field. Especially at the EP 0 373 987 A1 the vertically embedded permanent magnets represent a significant hindrance due to the large stray flux at their inner ends; In addition, this leakage flux also loads the flux path within the permanent magnets. In the EP 1 045 509 A1 it is not a true excitation arrangement, because the legs of the V-arrangement are not closed. Here, too, a field modulation is lifted and an attempt is made to achieve a field basic wave utilization.

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 1 dargestellte Anordnung des Magnetkreises MK besteht aus zwei Teilen, dem Primärteil PT und dem Reaktionsteil RT. Der magnetisch leitfähige Körper von PT trägt die Erregermagnete M und die Spulen der Wicklung W. Das bewegliche Maschinenteil ist durch den Luftspalt δ vom feststehenden Teil getrennt. Die Bewegung erfolgt in Längsrichtung, parallel zur Ebene des magnetischen Feldes.In the 1 shown arrangement of the magnetic circuit MK consists of two parts, the primary part PT and the reaction part RT. The magnetically conductive body of PT carries the excitation magnets M and the coils of the winding W. The movable machine part is separated from the fixed part by the air gap δ. The movement takes place in the longitudinal direction, parallel to the plane of the magnetic field.

Wie aus 2, die einen Längsschnitt der MK-Anordnung zeigt, zu entnehmen ist, sind die Permanentmagnete M innerhalb des Magnetkreises von PT in ihrer Polarität so angeordnet, dass sich in zwei aufeinanderfolgenden Polen unterschiedliche Polarität ergibt. Jedes der V-förmigen Magnetpaare magnetisiert somit einen Polquerschnitt. Da für die Erzeugung einer möglichst hohen induzierten Spannung in den wechselstromführenden Spulen der Wicklung W die Schwankung des magnetischen Flusses von Bedeutung ist, sind die Extremwerte des Flusses bei Bewegung, z. B. von RT, zu optimieren.How out 2 showing a longitudinal section of the MK arrangement can be seen, the permanent magnets M are arranged within the magnetic circuit of PT in their polarity, that results in two consecutive poles different polarity. Each of the V-shaped magnet pairs thus magnetizes a Polquerschnitt. Since for the generation of the highest possible induced voltage in the AC current carrying coil of the winding W, the fluctuation of the magnetic flux of importance, the extreme values of the flow during movement, z. B. RT, to optimize.

Die in 2 links gezeichnete Stellung S1 von RT entspricht dem Zustand höchster Leitfähigkeit, während die Stellung S2 rechts, die gegenüber S1 um eine Polteilung τ versetzt ist, dem Zustand minimaler Leitfähigkeit entspricht. Nach einer weiteren Verschiebung in Stellung S1 ergibt sich somit ein vollständiger Feldwechselzyklus. Die in 2 ebenfalls gezeichneten Spulen der Wicklung W, die jeweils die Pole Pn und Ps umschlingen, erfahren eine der Flussänderung proportionale induzierte Spannung U. Ein hoher Wert des magnetischen Flusses in der Position S1 setzt im Luftspalt höchste Felddichte innerhalb der Polbreite bp voraus. Sie kann grundsätzlich nahe der Sättigungsinduktion des den Luftspalt umgebenden Eisens liegen. Bei der vorliegenden V-förmigen Magnetanordnung wird im Flussbereich der sich dort berührenden Magnete der Streufluss praktisch vermieden, so dass hier ein klein bemessener Luftraum vorzusehen ist. Die für die Felddichte im Luftspalt wichtige Magnetabmessung lm liegt im Größenbereich der Polhöhe und ist zur Verstärkung der Felddichte der Sammleranordnung als ein Mehrfaches der halben Polbreite bp zu wählen.In the 2 The left-hand drawn position S1 of RT corresponds to the state of highest conductivity, while the position S2 on the right, which is offset from S1 by one pole pitch τ, corresponds to the state of minimum conductivity. After a further shift to position S1, this results in a complete field change cycle. In the 2 likewise drawn coils of the winding W, which each wrap around the poles Pn and Ps, undergo a voltage change U proportional to the flux change. A high value of the magnetic flux in the position S1 requires the highest field density within the pole width b p in the air gap. It can in principle be close to the saturation induction of the iron surrounding the air gap. In the present V-shaped magnet arrangement, stray flux is practically avoided in the flow region of the magnets in contact there, so that a small-sized air space is to be provided here. The magnetic dimension l m, which is important for the field density in the air gap, lies in the size range of the pole height and is to be selected as a multiple of half the pole width b p to increase the field density of the collector arrangement.

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 2 die einzelnen Permanentmagnete unterteilt, und das V-förmige Polblech ist über dünne Blechstege mit der Randzone der Pole verbunden. Die Dicke der Stege liegt z. B. bei 1,0 bis 2,0 mm.For the same reason, the magnetic dimension h m in the direction of magnetization expediently larger than the air gap dimension δ, z. B. chosen to the threefold amount. With a view to easy manufacture of the sheet metal body of PT are appropriate 2 divided the individual permanent magnets, and the V-shaped pole plate is connected via thin sheet metal webs with the edge zone of the poles. The thickness of the webs is z. B. at 1.0 to 2.0 mm.

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 2 etwas größer als die Polteilung. Dem Wicklungsquerschnitt verbleibt damit in Umfangsrichtung der Differenzwert 2τ – bs. Bei allen Ma gnetkreisen des LF-Typs tritt die Konkurrenz zwischen feldführendem und stromführendem Querschnitt in Erscheinung. Allerdings bleibt ein gewisser Spielraum zur Festlegung des Wicklungsquerschnitts über die freie Wahl der Polhöhe. hp kann z. B auch größer als lm gewählt werden. Die noch ausstehende Abmessung der Jochhöhe orientiert sich aus dem Wissen, dass hj zur Vermeidung von Sättigung der Eisenzone nicht kleiner als bp/2 gewählt werden darf. Die Zahnhöhe hz des Reaktionsteils muss zur Erzielung eines geringen Flusswerts in Stellung S2 als ein größeres Vielfaches der Luftspaltlänge δ festgelegt werden. Hiermit sind die wesentlichen Abmessungen des Magnetkreises und deren Zusammenhang zum magnetischen Feld beschrieben. Die Wechselstromwicklung W ist zunächst als eine Spulenwicklung ohne Überlappung mit zylindrischer Geometrie entsprechend 1 und 2 erkennbar. Ihre Spulen umfassen jeweils den gesamten Polfluss. In dieser äquidistanten Form erstreckt sie sich über einige Polteilungen, weist aber i. a. über eine größere Maschinenlänge mehrere Gruppen, d. h. Wicklungsstränge auf, die räumlich versetzt sind und entsprechend mit zeitlich verschobenen Strömen gespeist werden.The air gap length δ electrical machines is generally chosen as small as possible from a magnetic point of view. However, the definition of δ is largely based on mechanical issues related to operational stress. Based on machines of smaller diameter, the lower limit of the magnet dimension h m starts at about 1.5 mm, in order to assume the value of 3-4 mm in the diameter range of 1.0 m. The associated pole pitches thus pass through values between 15 and 35 mm, wherein the widths b r and b p do not deviate very much from the pole pitch. The Polschaftbreite b s is similar to in 2 slightly larger than the pole pitch. The winding cross-section thus remains in the circumferential direction of the difference value 2τ - b s . In all magnetic circuits of the LF type, the competition between field-conducting and current-carrying cross-section appears. However, there is still some latitude for defining the winding cross-section via the free choice of the pole height. h p can z. B also be chosen larger than 1 m . The still outstanding dimension of the yoke height is based on the knowledge that h j may not be chosen smaller than b p / 2 to avoid saturation of the iron zone. The tooth height h z of the reaction part must be set to a low flux value in position S2 as a greater multiple of the air gap length δ. This describes the essential dimensions of the magnetic circuit and their relationship to the magnetic field. The AC winding W is initially as a coil winding without overlap with cylindrical geometry accordingly 1 and 2 recognizable. Their coils each cover the entire pole flux. In this equidistant form, it extends over a few pole pitches, but generally has a larger machine length several groups, ie winding strands, which are spatially offset and are fed accordingly with time-shifted currents.

Zum Betriebsverhalten, 3 To the operating behavior, 3

Die oben bereits erwähnte, stellungsabhängige Flussänderung zwischen den Extremwerten Maximal- und Minimalwert sind im Diagramm D1 von 3 dargestellt. Während des Einwanderns des Zahns von RT in den Pol von PT, entsprechend Abschnitt 1, nimmt der von der Wicklung W umfasste magnetische Fluss linear von 0 bis Φ0 zu, um dann im folgenden Abschnitt 2 wiederum auf Null abzunehmen. Ein Schwankungszyklus des Flusses umfasst die Länge zweier Polteilungen. Im Diagramm D2 ist die der Flussänderung entsprechende induzierte Spannung U, aufgetragen, die gemäß der linear verlaufenden Flussänderungen einen konstanten Wert mit unterschiedlichen Vorzeichen in den beiden Abschnitten aufweist. Zur Umsetzung einer möglichst großen Leistung liegt es nahe, im jeweiligen Abschnitt mit Hilfe des Frequenzumrichters einen weitgehend konstanten Stromwert unterschiedlicher Richtung Ia1, bzw. Ia2 = –Ia1 vorzugeben. Im Falle des Motorbetriebs entsteht in beiden Abschnitten nach D3 die gleichgroße und konstante Vortriebskraft F1 = F2, wie sich aus der Leistungsgleichung ermitteln lässt. Im Diagramm D4 ist die Reluktanzkraft Fr in symmetrischer Form vereinfacht den beiden Abschnitten zugeordnet. In dieser Weise beteiligt sich Fr nicht an der Leistungsumsetzung, trägt aber, wie Diagramm D 5 zeigt, zur Störung des gleichmäßigen Kraftfverlaufs bei. Der resultierende Verlauf der Umfangskraft FU ist somit in den beiden Abschnitten 1 und 2 von unterschiedlicher Größe.The above-mentioned, position-dependent flux change between the extreme values maximum and minimum value are shown in diagram D1 of FIG 3 shown. During the migration of the tooth from RT to the pole of PT, according to Section 1, the magnetic flux comprised by the winding W increases linearly from 0 to Φ 0 , and then in the the next section 2 again to zero. A fluctuation cycle of the flow includes the length of two pole pitches. The diagram D2 plots the induced voltage U, corresponding to the flux change, which according to the linearly flowing flux changes has a constant value with different signs in the two sections. To implement the largest possible power, it is obvious to specify a largely constant current value of different direction I a1 , or I a2 = -I a1 , in the respective section with the aid of the frequency converter. In the case of engine operation arises in both sections after D3 the same size and constant driving force F 1 = F 2 , as can be determined from the power equation. In the diagram D4, the reluctance force F r in a simplified form is assigned to the two sections in a simplified manner. In this way, F r does not participate in the power conversion, but contributes, as Diagram D 5 shows, to the disturbance of the uniform Kraftfverlaufs. The resulting course of the circumferential force F U is thus in the two sections 1 and 2 of different size.

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 FA = 0,5Θa/τ·B,wobei nach geltenden Regeln B die bei Strom Ia = 0, also durch die Permanentmagneterregung erzeugte mittlere Felddichte im Bereich einer Polteilung ist. FA ergibt sich für die vorgesehenen idealisierten Verhältnisse als mittlere Kraftdichte.If one summarizes the product w · I a , that is, the winding flux through the symbol θ a , the force density follows F A = 0.5Θ a / Τ · B, wherein, according to the applicable rules B, the mean field density generated in the case of current I a = 0, ie by the permanent magnet excitation, is in the range of a pole pitch. F A results for the envisaged idealized ratios as average force density.

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 4 entnommen werden, das für das Beispiel einer Polteilung von 60 mm und für die drei Luftspaltlängen von 1, 2 und 4 mm ermittelt wurde. Die eingeprägte Magnetdurchflutung liegt für dieses Beispiel bei 7,4 kA.It is also important to note that the B values obtainable in the present model are very high in the stable range of the magnetization, ie close to the saturation limit, so that the high F A values with limited current can be achieved. FE studies show that with remanence inductions of 1.2 T and air gaps of less than 2 mm, force densities of 70 kN / m 2 can be achieved. This can be z. B. the diagram of 4 which was determined for the example of a pole pitch of 60 mm and for the three air gap lengths of 1, 2 and 4 mm. The impressed magnetic flux is 7.4 kA for this example.

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 5. Neben der Stromdichte G sind die auf die Schubkraft bezogenen Werte der Wicklungsverluste Pv und der Masse ma aller aktiven Teile des MK aufgetragen. Zur Erfassung des Einflusses der Maschinenlänge und damit der Wicklungslänge auf das Wicklungsvolumen wurde im Beispiel ein Verhältnis der Magnetkreislänge zur Polteilung von 10 angesetzt. Der Füllfaktor im Wicklungsquerschnitt ist mit 0,55 angenommen. Die Kraftdichte beträgt 70 kN/m2 und ermöglicht offensichtlich bei kleiner Polteilung attraktiv niedrige Massenquotienten. Die Stromdichte ist in diesem Bereich nicht ganz niedrig, erreicht jedoch bereits bei Polteilungen von mehr als 2 cm den für Dauerbetrieb und die üblichen Kühlungsverhältnisse interessanten Bereich. Die zugrunde gelegten Modellgesetze führen für größere Polteilungen zu annähernd proportionaler Zunahme des Massenquotienten aber auch zu weiter fallenden Verlusten. Magnetkreise für rotierende Maschinen lassen sich mit außen oder innen liegendem Rotor ausführen. Vorteilhaft erweist sich dabei, dass die magnetisch erforderliche Rotormasse sehr gering ist und als Paket z. B. durch ebene Blechronden einfach hergestellt werden kann.On the assumption that the dimensions are changed proportionally with the pole pitch, the function curves of the diagram are given 5 , In addition to the current density G, the values relating to the thrust force of the winding losses P v and the mass m a of all active parts of the MK are plotted. To determine the influence of the machine length and thus the winding length on the winding volume, a ratio of the magnetic circuit length to the pole pitch of 10 was set in the example. The fill factor in the winding cross-section is assumed to be 0.55. The force density is 70 kN / m 2 and apparently allows for low pole division attractively low mass quotients. The current density is not quite low in this range, but reaches even at pole pitches of more than 2 cm the range of interest for continuous operation and the usual cooling conditions range. The underlying model laws lead to larger pole pitches to approximately proportional increase of the mass quotient but also to further falling losses. Magnetic circuits for rotating machines can be performed with external or internal rotor. It proves advantageous that the magnetically required rotor mass is very low and as a package z. B. can be easily produced by flat circular blanks.

6 zeigt in den beiden Beispielen 6a und 6b die Variante mit innen bzw. außen liegendem Rotor. Wie bereits erwähnt, liegt es nahe, für Maschinen großen Durchmessers dem größeren Luftspalt dadurch Rechnung zu tragen, dass auch eine größere Polteilung gewählt wird. Dies zeigt als Beispiel die Darstellung nach 6b. Eine verbesserte Nutzung des jeweils keilförmigen Wicklungsraums wird durch Unterteilung des Wicklungsquerschnitts in W1, W2 in beiden Beispielen erreicht. Durch die geringe radiale Rotorausdehnung lässt sich ein großer Luftspaltdurchmesser bei Maschinen mit begrenztem Außendurchmesser erzielen. Die erwähnte kleine Radialabmessung des passiven Rotors lässt es auch naheliegend erscheinen, dass MK-Konfigurationen mit Doppelausführung des Luftspalts zu einer weiteren Steigerung des Kompaktheitsgrades herangezogen werden. 6 shows in the two examples 6a and 6b the variant with inside and outside rotor. As already mentioned, it makes sense to take into account for large diameter machines the larger air gap in that even a larger Pole division is selected. This shows as an example the representation after 6b , An improved use of each wedge-shaped winding space is achieved by dividing the winding cross-section in W1, W2 in both examples. Due to the small radial rotor expansion, a large air gap diameter can be achieved in machines with limited outside diameter. The mentioned small radial dimension of the passive rotor also makes it obvious that MK configurations with double execution of the air gap are used to further increase the degree of compactness.

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 7 eine auf der Grundlage des zweigliedrigen Stromsystems gebildete Achtzonen-Variante der Wicklung W.The desired execution of multi-strand windings on the circumference of the MK can in different form, for. B. by a detuning of the pole pitch of PT over that of RT or by group offset of the PT pole pitch, the so-called zone offset. Here for two examples the additionally mentioned variant is shown. So shows 7 an eight-zone variant of winding W. formed on the basis of the two-part current system.

Dabei bestehen die einzelnen Polgruppen, entsprechend 7a, 7b jeweils aus 4 Polen, 8 Polteilungen entsprechen, so dass mit den 4 Strängen a, b, –a, –b, 4 × 8 = 32 Polteilungen aktiv zur Kraftbildung beitragen. Im Reaktionsteil stehen der Primäranordnung 34 Polteilungen gegenüber.The individual pole groups exist accordingly 7a . 7b each of 4 poles, corresponding to 8 pole pitches, so that contribute actively with the 4 strands a, b, -a, -b, 4 × 8 = 32 pole pitches for force. In the reaction part, the primary arrangement faces 34 pitches.

Die Darstellung 7d macht deutlich, dass die 8 Stromzonen gegenüber dem Kreisumfang in zwei senkrecht aufeinander stehenden Achsen symmetrisch verteilt sind. Dieselbe Symmetrieverteilung gilt somit auch für die Normalkräfte, die für die Schwingungsanregung und die Geräusche hauptsächlich verantwortlich sind. Hierbei ist erfahrungsgemäß ein möglichst hoher Symmetriegrad anzustreben, wenn kleine radiale Auslenkungen bei gegebener mechanischer Struktur erreicht werden sollen.The representation 7d makes it clear that the 8 current zones are distributed symmetrically with respect to the circumference in two mutually perpendicular axes. The same distribution of symmetry thus also applies to the normal forces, which are mainly responsible for the vibration excitation and the noises. In this case, experience shows that the highest possible degree of symmetry is desirable if small radial deflections are to be achieved for a given mechanical structure.

Mit 8 sei darauf hingewiesen, dass natürlich auch dreisträngige Wicklungstopologien ausführbar sind. 8 zeigt für die Hälfte des Umfangs das Polteiungsmuster mit einer vierpoligen Wicklungsgruppe und 6 Zonen, wobei 8b die drei Ströme a, b und c in der bekannten 120° Symmetrie als Stromzeiger repräsentiert. Wie sich herausstellt, wird im Vergleich zu 7d nach 8c ein niedrigerer Grad an örtlicher Symmetrie erreicht. Die dabei entstehende Deformationsfigur ist eine Ellipse, während sich nach 7d ein Quadrat ergibt. Die beiden Beispiele der Wicklungsanordnung zeigen, dass durch die Maßnahme des Zonenversatzes bei vielpoligen Strukturen eine sehr weitgehende Nutzung des Umfangs zur Krafterzeugung gegeben ist, und eine nennenswerte Schwächung der oben für einsträngige Verhältnisse angegebenen Kraftdichte hierdurch nicht erfolgt. Die vorausgesetzte Speisung der Wicklung über den Wechselrichter mit der sich jeweils über eine Polteilung, also über 180° el erstreckenden Stromführung gilt als Idealfall. Die praktisch verwirklichte Stromform hat Ähnlichkeit mit einem Trapez und lässt sich mit begrenzter Scheinleistung, die vom Anstieg der Stromflanken abhängt, verwirklichen, wobei Leistungseinbußen vermieden werden können.With 8th it should be noted that, of course, three-phase winding topologies are executable. 8th shows for half of the circumference the Polteiungsmuster with a four-pole winding group and 6 zones, where 8b represents the three currents a, b and c in the known 120 ° symmetry as a current vector. As it turns out, compared to 7d to 8c achieves a lower degree of local symmetry. The resulting deformation figure is an ellipse, while after 7d gives a square. The two examples of the winding arrangement show that by the measure of the zone offset in multi-pole structures, a very extensive use of the scope for force generation is given, and a significant weakening of the strength density indicated above for single-stranded conditions does not occur. The presupposed feed of the winding via the inverter with the current distribution extending over one pole pitch, ie over 180 ° el, is considered to be ideal. The practically realized current form is similar to a trapezoid and can be realized with limited apparent power, which depends on the rise of the current edges, whereby power losses can be avoided.

Es ist außerdem wichtig, darauf hinzuweisen, dass sich durch eine zeitliche Verschiebung der Stromblöcke gegenüber dem in 2 gezeichneten Bild eine magnetisierende oder entmagnetisierende Wirkung der Ströme dem Erregerfeld direkt überlagert, und so z. B. das Verfahren der Feldschwächung im Bereich hoher Drehzahlen praktiziert werden kann. Bei Abgabe konstanter Leistung wird es hierdurch möglich, die Ankerspannung konstant zu halten. Somit gelingt es die Scheinleistung und mit ihr die Auslegungsleistung des Wechselrichters zu beschränken.It is also important to point out that a shift in the timing of the blocks of electricity relative to the in 2 drawn image a magnetizing or demagnetizing effect of the currents directly superimposed on the excitation field, and so z. B. the method of field weakening in the high-speed range can be practiced. When delivering constant power, this makes it possible to keep the armature voltage constant. Thus, it is possible to limit the apparent power and with it the design performance of the inverter.

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.

Claims (7)

Permanentmagneterregte elektrische Maschine mit longitudinaler Flussführung für rotierende oder lineare Anwendung, mit zwei Maschinenteilen, die durch einen Luftspalt (δ) getrennt sind, wobei – das primäre Maschinenteil (PT) ausgeprägte Pole aufweist, die zum Luftspalt (δ) hin in einem Polteilungsraster angeordnet sind und die sowohl je Pol eine Magneterregung in Form mindestens einer Sammleranordnung von Permanentmagneten (M) mit geschlossenen Schenkeln, deren an den Luftspalt (δ) grenzenden Polflächen (Ps, Pn) gleiches magnetisches Potential aufweisen, als auch Spulen einer Wicklung (W) trägt, wobei die Pole auf der dem Luftspalt (δ) abgewandten Seite durch magnetisch leitenden Rückschlusselemente verbunden sind, und – das sekundäre Maschinenteil als Reaktionsteil (RT) aus einer magnetisch leitfähigen Anordnung besteht, die mit einer gleichförmigen Zahnung im Polteilungsraster und mit der Zahnbreite etwa gleich der Polbreite der Polflächen (Ps, Pn) des primären Maschinenteils (PT) ausgeführt ist und an den Luftspalt (δ) grenzt.Permanent magnet excitation linear motion machine for rotating or linear application, comprising two machine parts separated by an air gap (δ), wherein - the primary machine part (PT) has salient poles arranged in a pole pitch grid towards the air gap (δ) and which each have a magnet excitation in the form of at least one collector arrangement of permanent magnets (M) with closed legs whose pole faces (P s , P n ) adjoining the air gap (δ) have the same magnetic potential, as well as coils of a winding (W) carries, wherein the poles on the air gap (δ) facing away from each other by magnetically conductive yoke elements are connected, and - the secondary machine part as a reaction part (RT) consists of a magnetically conductive arrangement with a uniform toothing in Polteilungsraster and with the tooth width approximately equal to the pole width of the pole faces (P s , P n ) of the prim Machine part (PT) is executed and adjacent to the air gap (δ). Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammleranordnung der Permanentmagnete (M) V-förmig ausgeführt ist, wobei jeweils zwei Magnetenden an die Polkanten auf der Luftspaltseite des jeweiligen Pols führen und die Permanentmagnete (M) innerhalb jedes Pols so angeordnet sind, dass die Polarität der Permanentmagnete (M) in Bewegungsrichtung gesehen von Pol zu Pol wechselt, wobei die Querausdehnung (Im) der Sammleranordnung deutlich größer als die Ausdehnung der Flussaustrittsfläche am Luftspalt (δ) gewählt wird und die Magnethöhe (hm) größer als die Länge des Luftspalt (δ) ist.Permanent magnet excited electric machine according to claim 1, characterized in that the collector arrangement of the permanent magnets (M) In each case two magnet ends lead to the pole edges on the air gap side of the respective pole and the permanent magnets (M) are arranged inside each pole such that the polarity of the permanent magnets (M) changes from pole to pole, as seen in the direction of movement, wherein the transverse extent (Im) of the collector arrangement is chosen to be significantly greater than the extent of the flux exit surface at the air gap (δ) and the magnetic height (h m ) is greater than the length of the air gap (δ). Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (M) in ihrer Querausdehnung (lm) unterteilt ausgeführt werden und das V-förmige Polinnenteil des Pols durch dünne Stege mit den äußeren Polbegrenzungen verbunden ist.Permanent magnet excited electric machine according to claim 2, characterized in that the permanent magnets (M) in their transverse extension (l m ) are performed divided and the V-shaped inner pole part of the pole is connected by thin webs with the outer Polbegrenzungen. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewickelten Pole des primären Maschinenteils (PT) mit parallelen Polflanken ausgeführt sind, die Spulen der Wicklung (W) symmetrisch jeden einzelnen Pol umschließen und im Fall gekrümmter Magnetkreise der Spulenquerschnitt in zylindrische Teilspulen aufgeteilt ist.Permanent magnet excited electric machine after one of the preceding claims, characterized in that the wound poles of the primary machine part (PT) are executed with parallel pole edges, the coils of the winding (W) symmetrically enclose each pole and in the case of curved magnetic circuits the coil cross section is divided into cylindrical partial coils. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewickelten Pole des primären Maschinenteils (PT) in gegeneinander versetzte Polgruppen gegliedert sind, deren Längsversatz der zeitlichen Phasenverschiebung der in den Wicklungen (W) fließenden Ströme entspricht, innerhalb einer Gruppe der Polabstand gleich der doppelten Polteilung ist und die Zahl der gebildeten Gruppen für rotierende Maschinen mindestens gleich der doppelten Zahl der Stränge ist.Permanent magnet excited electric machine after one of the preceding claims, characterized in that the wound poles of the primary machine part (PT) are divided into mutually offset pole groups whose longitudinal offset the temporal phase shift of the currents flowing in the windings (W), within a group the pole distance equals the double pole pitch is and the number of groups formed for rotating machines at least is equal to twice the number of strands. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je Magnetkreis zwei Luftspalte zur Kraftbildung beitragen.Permanent magnet excited electric machine after one of the preceding claims, characterized in that each magnetic circuit two air gaps for Force building contribute. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch leitfähigen Teile des primären Maschinenteils (PT) und des Reaktionsteil (RT) aus lamellierten Paketen ebener Bleche bestehen und die Kühlung von verlustbehafteten Komponenten hauptsächlich an den Paketgrenzen durch Kühlmittel wie Luft oder kühlende Flüssigkeiten erfolgt.Permanent magnet excited electric machine after one of the preceding claims, characterized in that the magnetically conductive parts of the primary Machine part (PT) and the reaction part (RT) made of laminated Packages of flat sheets exist and the cooling of lossy components mainly at the package limits by coolant like air or cooling Liquids takes place.
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