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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Elektrische
Maschinen, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, umfassen mehrere
ringförmige Polelemente und mehrere Permanentmagnete, die
in Luftspalten der Polelemente angeordnet sind. Die Polelemente
werden mittels eines oder mehrerer elektrischer Leiter angeregt
und führen einen magnetischen Fluss, der auf die Magnete
wirkt. Dieses Funktionsprinzip ist beispielsweise bei Transversalflussmaschinen
realisiert, die u. a. in Magnetschwebebahnen eingesetzt werden.
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Transversalflussmaschinen,
wie sie beispielsweise aus der
EP
1 063 754 oder der
DE
196 39 670 bekannt sind, haben den Nachteil, dass zur Herstellung
einer mehrphasigen Maschine mehrere 1-phasige Maschinen aneinandergereiht
werden müssen, wobei die Stränge der einzelnen
Maschinen voneinander magnetisch und elektrisch isoliert sind. Eine
Summenanregung aller Polelemente mittels eines einzigen elektrischen
Leiters ist nicht möglich. Darüber hinaus verfügt
jede einzelne Maschine über eigene Permanentmagnete.
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Es
ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische
Maschine mit vorstehend beschriebener Bauart zu schaffen, die kompakter
ist als bekannte Transversalflussmaschinen und darüber
hinaus eine möglichst hohe Leistung und ein hohes Drehmoment
bereitstellt.
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Gelöst
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die
im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die Polelemente
der Maschine derart auszulegen, dass der magnetische Fluss jeweils
in einem Polelement zirkuliert und nicht auf ein benachbartes Polelemente übergeleitet
wird, und außerdem mehrere der Polelemente durch den selben
Leiter anzuregen. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass die elektrische
Maschine sehr kompakt gebaut werden kann und eine hohe Leistung
sowie ein hohes Drehmoment aufweist.
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Die
Polelemente sind vorzugsweise so angeordnet, dass der magnetische
Fluss in einer Ebene verläuft, die zur Bewegungsrichtung
des Läufers am jeweiligen Ort orthogonal ist. Der magnetische
Fluss weist also keine Komponente in Bewegungsrichtung auf.
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Die
Polelemente haben vorzugsweise jeweils wenigstens einen Luftspalt.
Die Luftspalte benachbarter Polelemente sind vorzugsweise fluchtend zueinander
angeordnet.
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Zwei
benachbarte Polelemente werden vorzugsweise entweder von verschiedenen
Phasen oder von derselben Phase, jedoch in unterschiedlicher Richtung
angeregt.
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Die
elektrische Maschine kann wahlweise als Rotationsantrieb oder als
Linearmotor ausgelegt sein. Die Magnetanordnung bildet vorzugsweise
den Läufer der Maschine und die Polelemente den Statur. Die
umgekehrte Auslegung ist jedoch ebenfalls möglich.
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Im
Falle eines Rotationsantriebs sind die Magneten vorzugsweise in
einer Magnetscheibe integriert, die z. B. ringförmig gebildet
ist. Bei einem Linearantrieb sind die Magneten entlang einer geraden Bewegungsbahn
angeordnet.
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Die
Polelemente können wahlweise 1-phasig oder mehrphasig ausgelegt
sein. Bei der 1-phasigen Auslegung werden ein erstes und ein benachbartes zweites
Polelement von derselben Phase (z. B. L1), aber in entgegen gesetzter
Richtung angeregt. Der elektrische Leiter wird also so geführt,
dass ein erstes Polelement von der Phase in einer ersten Richtung, und ein
benachbartes zweites Polelement von derselben Phase in umgekehrter
Richtung durchlaufen wird. Bei der mehrphasigen Auslegung werden
ein erstes und ein benachbartes zweites Polelement von unterschiedlichen
Phasen (z. B. L1, L2, L3) vorzugsweise in derselben Richtung angeregt.
In diesem Fall sind n Leiter vorgesehen, die vorzugsweise so geführt
sind, dass ein erstes Polelement von der ersten Phase (z. B. L1)
ein benachbartes zweites Polelement von der zweiten Phase (z. B.
L2) und gegebenenfalls weitere Polelemente jeweils von einer weiteren
Phase (z. B. L3) angeregt werden.
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Bei
der mehrphasigen Auslegung sind die Polelemente vorzugsweise in
aufeinander folgenden Gruppen zu je n Polelementen angeordnet. Betrachtet
man z. B. zwei aufeinander folgende Gruppen, so ist die Reihenfolge
der Phasen vorzugsweise immer gleich, z. B. immer L1, L2 und L3.
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Bei
1-phasiger Auslegung der Polelemente ist die Teilung der Magneten
vorzugsweise gleich der Teilung der Polelemente. Die relative Position
der Magneten bezüglich der Polelemente ist in verschiedenen
Abschnitten der elektrischen Maschine jedoch vorzugsweise unterschiedlich.
Bei einer 3-phasigen Maschine mit 1-phasiger Auslegung der Polelemente umfasst
die Maschine z. B. drei Abschnitte mit einem Winkel zu je 120° mechanisch.
Die Magneten eines Abschnitts sind gegenüber den Magneten
eines anderen Abschnitts jeweils um 120° elektrisch versetzt angeordnet.
Entsprechendes gilt allgemein für n-phasige Maschinen bei
1-phasiger Auslegung der Polelemente.
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Im
Falle einer mehrphasigen Auslegung der Polelemente ist die Teilung
der Magneten ungleich der der Polelemente. Die Anzahl der Magneten
kann also grundsätzlich größer oder kleiner
sein als die der Polelemente. Der Abstand der Magneten zueinander ist
dabei vorzugsweise immer konstant. Art und Weise der unterschiedlichen
Magnet-zu-Zahnverteilung ist entsprechend der Theorie der Oberwellenmaschinen
frei zu wählen. Unterschiede ergeben sich dabei jeweils
im Verhältnis des verbleibenden Reluktanzmomentes zum erzielbaren
mittleren Gesamtmoment der Maschine.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform der Erfindung sind Flussleitstücke
in den Luftspalten der Polelemente vorgesehen. Die Polelemente können
somit auf beiden Seiten entlang der Strecke angeordnet werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen
beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Rotationsmaschine mit 1-phasig ausgelegten
Polen;
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2 eine
schematische Ansicht eines Pol-Grundelementes;
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3 eine
schematische Ansicht einer Polanordnung in 1-phasiger Auslegung;
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4 eine
Seitenansicht auf die Polanordnung von 3;
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5 eine
schematische Seitenansicht einer 3-phasigen Rotationsmaschine mit
1-phasiger Auslegung der Polelemente;
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6 eine
schematische Ansicht einer Polanordnung in 2-phasiger Auslegung;
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7 eine
Seitenansicht auf eine 2-phasige Rotationsmaschine mit 2-phasiger
Polauslegung;
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8 eine
schematische Ansicht einer Polanordnung in 3-phasiger Auslegung;
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9–11 Prinzipskizzen
einer Polanordnung bei 1-, 2- und 3-phasiger Anordnung;
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12 eine
Seitenansicht auf eine Polanordnung mit je zwei Luftspalten pro
Polelement, in 2-phasiger Auslegung;
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13 eine
Magnetscheibe der Anordnung von 12; und
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14 eine
schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit Flussweiche.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Rotationsmaschine 1 mit
mehreren Polelementen 2a, 2b und einer ringförmigen
Magnetscheibe 8 mit mehreren Magneten 3. Die Polelemente 2a, 2b bilden
hier den Stator, und die Magnetscheibe 8 den Rotor der Maschine 1.
Die umgekehrte Ausführung wäre jedoch ebenfalls
denkbar.
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Die
Polelemente 2 sind gleichmäßig über den
Umfang der Maschine verteilt und isoliert voneinander, im Abstand
angeordnet. Die in der Magnetscheibe 8 integrierten Magnete 3 sind
jeweils mit abwechselnder Polarität angeordnet, z. B. N,
S, N, S.
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Zum
Betreiben der Maschine 1 werden die Polelemente 2 mittels
eines oder mehrerer elektrischer Leiter 4 angeregt. Dadurch
wird in den Polelementen 2 ein zirkulierender magnetischer
Fluss Φ erzeugt, der auf die Magneten 3 wirkt.
Die Maschine 1 dreht sich dann in Richtung des Pfeils A
oder in Gegenrichtung.
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2 zeigt
die Grundform G1 eines Polelements 2 von 1.
Das Polelement 2 ist ringförmig gebildet und hat
einen Luftspalt 5, in dem die Magneten 3 des Rotors 8 laufen.
Luftspalt 5 und Magnetscheibe 8 sind in Ihrer
Größe so aneinander angepasst, dass der magnetische
Fluss Φ möglichst stark ist. Das Polelement besteht
aus einem Material mit möglichst guter magnetischer Leitfähigkeit,
wie z. B. Eisen.
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Im
Inneren des Polelements 2 verläuft ein elektrischer
Leiter 4, der das Polelement 2 anregt. Durch Anlegen
einer Spannung wird ein magnetischer Fluss Φ erzeugt, der
im Polelement 2 zirkuliert, ohne maßgeblich auf
benachbarte Polelemente übergeleitet zu werden.
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Der
Leiter 4 ist hier als einfache Faser durch das Auge des
Polelements 2 gelegt, könnte aber auch ein- oder
mehrmals um den Schenkel des Polelements gewickelt sein.
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Im
stromlosen Zustand wird der Magnet 3 von einer der Seitenflächen
des Polelements 2 angezogen. Das Anlegen einer Spannung
führt nun dazu, dass der Magnet 3 aus dem Spalt
heraus gedrängt wird.
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Die
Polelemente 2 können 1-phasig oder mehrphasig
ausgelegt sein, d. h. von einer oder mehreren Phasen angeregt werden.
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3 zeigt
zwei Polelemente 2a, 2b, in 1-phasiger Auslegung,
die von verschiedenen Abschnitten eines einzigen elektrischen Leiters 4,
in unterschiedlicher Richtung angeregt werden. Der in den Polelementen 2a, 2b fließende
magnetische Fluss Φ verläuft somit in entgegengesetzten
Richtungen.
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Die
beiden Polelemente 2a, 2b sind in geringem Abstand
voneinander angeordnet und somit elektrisch sowie magnetisch voneinander
isoliert. Bei unmittelbar benachbarter Anordnung muss ein Isolationsmaterial
vorgesehen sein. Der in den Polelementen 2a, 2b geführte
magnetische Fluss Φ zirkuliert hauptsächlich in
den einzelnen Polelementen 2a, 2b und wird nur
mit geringer Streuung auf das benachbarte Polelement 2a bzw. 2b übergeleitet.
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4 zeigt
eine seitliche Ansicht der Anordnung von 3 in Bewegungsrichtung.
Wie zu erkennen ist, haben die Polelemente 2a, 2b in
dieser Richtung betrachtet eine nahezu brezenförmige Projektion.
Der Leiter 4 verläuft dabei durch die seitlichen Öffnungen
der Breze, einmal in Bewegungsrichtung, das andere Mal entgegen
der Bewegungsrichtung.
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5 zeigt
eine Seitenansicht auf eine 3-phasige Rotationsmaschine mit jeweils
1-phasig ausgebildeten Polelementen 2. Die Phase L1 ist
einem Segment A, die Phase L2 einem Segment B und die Phase L3 einem
Segment C zugeordnet, die sich jeweils über einen mechanischen
Winkel von 120° erstrecken.
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Der
Leiter 4 verläuft in jedem Segment A, B, C in
einer Schleife und ist in der einen Richtung durch jeden Pol 2a und
in der Gegenrichtung durch jeden anderen Pol 2b gefädelt.
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Die
Magnetteilung ist in den Segmenten A, B, C gleich der Teilung der
Pole 2. D. h. auf jeden Pol 2 kommt genau ein
Magnet 3. Der Abstand der einzelnen Magnete 3 innerhalb
eines Segments ist jeweils gleich groß. Zwischen dem letzten
Magneten eines Segments A, B oder C und dem ersten Magneten 3 eines
nachfolgenden Segments A, B oder C ist je ein Abstand von 120° elektrisch
vorgesehen. Dadurch wird erreicht, dass sich die elektrische Maschine 1 aus
jeder Startposition zu bewegen beginnt.
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In 5 ist
eine 3-phasige elektrische Maschine 1 gezeigt. Wahlweise
können auch mehr oder weniger Phasen vorgesehen sein.
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6 zeigt
eine Grundform G2 aus zwei Polelementen 2a, 2b in
2-phasiger Auslegung. In diesem Fall werden die Polelemente 2a, 2b jeweils
von unterschiedlichen elektrischen Leitern 4a, 4b in
gleicher Richtung durchlaufen. Der in den Polelementen 2a, 2b erzeugte
magnetische Fluss Φ1 bzw. Φ2 zeigt daher in die
gleiche Richtung. Die an die Leiter 4a, 4b angelegte
Wechselspannung ist vorzugsweise um 90° phasenverschoben.
Es gilt beispielsweise L1: = sinx und L2: = cosx. Die Maschine 1 wird als
Oberwellenmaschine betrieben.
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Die
Teilung der Magneten 3 ist hier größer als
die der Polelemente 2 und beträgt beispielsweise 3:2
(Magneten:Polelemente). Die Anzahl der Magneten 3 ist vorzugsweise
so gewählt, dass innerhalb der Segmente A, B, C, etc. eine
möglichst große Fläche eines Magneten
(z. B. N-Pol oder S-Pol) gegenüber den Flächen
der Polelemente 2 zu stehen kommt.
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7 zeigt
eine Seitenansicht auf eine 2-phasige Rotationsmaschine mit 2-phasiger
Polauslegung. Die Pole 2a, 2b werden jeweils abwechselnd von
den Phasen L1 bzw. L2 durchlaufen. Der Umfang der Magnetscheibe 8 ist
in vier Segmente A, B, C und D unterteilt. Die Magnete sind dabei
derart angeordnet, dass sich ein statistisch verteilter Nordpol
ergibt, der zum überwiegenden Teil gegenüber den
optimal zugehörigen Zähnen des Stators dieser
Phase liegt.
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8 zeigt
eine Grundform einer Polanordnung in 3-phasiger Auslegung. Bei dieser
Ausführungsform sind drei Polelemente 2a–2c vorgesehen, denen
jeweils ein anderer elektrischer Leiter 4a–4c zugeordnet
ist. An den Leitern 4a–4c sind beispielsweise
die Phasen L1, L2 und L3 eines um 120° elektrisch verschobenen
Wechselstrom-Systems angeschlossen.
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Das
Verhältnis von Magneten 3 zu Polelementen 2 ist
hier 4:3. Dem äußeren Polelement 2a ist dabei
die Phase L1, dem mittleren Polelement 2b die Phase L2
und dem anderen äußeren Polelement 2c die
Phase L3 zugeordnet.
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Die 9 bis 11 zeigen
nochmals das Grundprinzip der 1-, 2- und 3-phasigen Anordnung. In
den Figuren sind jeweils zwei identische Grund-Bauformen G1, G2
oder G3, wie sie in den 3, 6 und 8 dargestellt
sind, aneinandergereiht.
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12 zeigt
eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1 mit
je zwei Magneten 3 pro Polelement 2. Jedes ringförmige
Polelement 2a, 2b hat entsprechend zwei Luftspalte 5,
in denen die Magnete 3 laufen. Im Falle einer Rotationsmaschine
liegen diese Luftspalte auf einer Radiuslinie.
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Bei
der hier dargestellten 2-phasigen Variante ist durch jede Hälfte
(links und rechts der Magneten 3) eines Polelements 2a bzw. 2b ein
Leiter 4a bzw. 4b durchgeführt. An den
Leitern 4a, 4b sind unterschiedliche Phasen L1
und L2 angeschlossen. Analog zur 1-phasigen Auslegung von 3 sind
die Leiter 4a, 4b durch jeden zweiten Pol (z.
B. 2a) in der einen Richtung und durch jeden anderen zweiten
Pol (2b) in der Gegenrichtung verlegt.
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13 zeigt
eine Magnetscheibe 8 von 12 mit
zwei konzentrisch angeordneten Magnetkreisen. Die Magnete 3 des äußeren
und inneren Magnetkreises liegen dabei jeweils auf einer Raduslinie.
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14 zeigt
eine spezielle Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1 mit
Flussleitstücken 9 in einer beliebigphasigen Auslegung.
Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen befinden
sich hier jeweils ein Flussleitstück 9 und ein
daran befestigter Magnet 3 im Luftspalt 5 der
Polelemente 2. Die einzelnen Flussleitstücke 9 sind
gegeneinander magnetisch isoliert und über ein Rotorelement 10 miteinander
verbunden, und bilden zusammen eine Rotoreinheit.
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Die
Flussleitstücke 9 sind hier trapezförmig geformt.
Dies hat den Vorteil, dass Polelemente 2a auf einer Seite
und andere Polelemente 2b auf der anderen Seite der Flussleitstücke 9 angeordnet
werden können. Die Polelemente 2a, b sind kreisförmig gebildet
und haben eine zentrale Öffnung, die links bzw. rechts
der Rotoreinheit angeordnet sind. Dadurch wird insbesondere das
Durchfädeln der Leiter 4 erleichtert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1063754 [0003]
- - DE 19639670 [0003]