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Die
Erfindung betrifft eine permanenterregte Wechselstrommaschine in
transversaler Bauform für rotierende
und lineare Anwendung und besonders streufeldarmer Bauweise mit
hoher Kraftdichte. Bei der Weiterentwicklung der TF-Bauformen wird
versucht, weiter erhöhte
Kraftdichte mit minimalem Einsatz an Permanentmagneten zu erzielen
und die Baubarkeit des Magnetkreises den Herstellungsbedingungen
anzupassen. Es gilt dabei einen erhöhten Leistungsfaktor und eine
höhere Überlastbarkeit
zu erreichen.
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Stand der Technik
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Bei
Anwendungen mit hoher Kompaktheit und gleichzeitig hohem Wirkungsgrad
stellt die elektrische Maschine mit transversalem Magnetkreis eine nicht
zu übersehende
Variante dar. Sie ist besonders im Leistungsbereich bis zu einigen
hundert Kilowatt gegenüber
der Variante mit longitudinalem Magnetkreis die überlegene Lösung. In einer Vielzahl von Vorschlägen wurden
bauliche Möglichkeiten
und Magnetkreisvarianten für
bestimmte Anwendungsziele beschrieben und in Versuchsmaschinen umgesetzt. Als
Voraussetzung für
die Erzielung höchster
Kraftdichten gilt die als Sammlerkonzept bekannte Anordnung der
Permanentmagnete, die eine Dichtesteigerung des magnetischen Feldes
im Luftspalt ermöglicht
und somit hohe Kraftwirkung mit begrenztem Strom erzielt. Eine herstellungsfreundliche
Geometrie dieser Erregeranordnung bei gleichzeitig höchster magnetischer
Wirksamkeit wurde jedoch bislang nicht überzeugend nachgewiesen.
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In
DE 10 2006 023 249
A1 wird der Sammler als vielpoliges Bauteil mit prismatisch
in Gruppen angeordneten Permanentmagneten, die durch Eisenelemente
getrennt sind, beschrieben und dabei sowohl im Primärteil als
auch als eigenständiges
Maschinenteil eingesetzt werden kann. Diesem Bauprinzip folgend
entsteht an allen nicht dem Nutzfluss vorbehaltenen Oberflächen ein
Streufeld, dessen Anteile auch die Permanentmagnete belasten. Sie
sind in den
1,
2 und
3,
so wie sie in der Zeichenebene verlaufen, angegeben. Auch den beiden Stirnflächen sind
Streufeldanteile zuzuordnen, die nicht gezeichnet sind. Es wird
erkennbar, dass die in der obigen Anordnung als herstellungsfreundlich
gekennzeichnete Sammlervariante hinsichtlich der Nutzfeldausbeute
Nachteile aufweist, die auf vergrößerte Abmessungen führen. Sie
wirken sich besonders stark bei geringer Querabmessung des Sammlers
aus und sind dafür
verantwortlich, dass Maschinen kleiner Abmessung nicht die gewünschten
hohen Kraftdichten erreichen. Zur Vermeidung des in
2 gezeichneten
Streufeldanteils in einem unteren Sammlerspalt wurde mit
3a eine
Hilfsmaßnahme
beschrieben, die jedoch nur eine graduelle Schwächung der Problematik herbeiführt. Eine
Umgehung der Problematik gelang letztlich dadurch, dass mit den
6 und
7 eine
Doppelspaltkonfiguration empfohlen wurde.
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Eine
V-förmige
Anordnung von Permanentmagneten zur Modulierung der von stromführenden Wicklungen
erzeugten Felddichte am Luftspalt wird in der
EP 1 045 509 A1 beschrieben.
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Die
Magnete bewirken dabei nicht unmittelbar eine Kraftdichtesteigerung,
sondern denen hauptsächlich
der Anpassung des magnetischen Feldes an die Rotorkontur.
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Auch
bei der
WO 2005/117
235 A1 handelt es sich um ein für longitudinale Magnetkreise
beschriebenes Erregerkonzept mit V-förmiger Magnetanordnung. Ihr
Hauptmerkmal gilt dabei dem Baukonzept und ist weniger auf streuungswarme
und hochleitfähige
Ausführung
gerichtet.
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Vermeidbare
Streuzonen an beiden Magnetenden sowie die Missachtung eines günstigen
Verhältnisses
von Magnetlänge
zur halben Polteilung verweisen den Vorschlag in den Bereich weniger
leistungsstarker Maschinenentwürfe.
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Mit
einem deutlich verbesserten Ansatz wurde zur Anwendung beim longitudinalen
Magnetkreiskonzept in der nicht vor veröffentlichten
DE 10 2007 059 203.7 eine V-
bzw. W-förmige
Anordnung der Permanentmagnete innerhalb der Eisenstruktur vorgeschlagen.
Dabei entsteht im Berührungspunkt,
der vom Nutzluftspalt entfernt liegt, eine Erregungsneutralisierung,
d. h., dass in dieser Umgebung das Streufeld verschwindend klein
ist. Hingegen addieren sich an den Berührungspunkten am Nutzluftspalt
die magnetischen Anregungen in einer besonders günstigen Weise. Die Anregungsneutralisierung
am unteren Ende ermöglicht
durch das Eisenmaterial eine aus mechanischen Gründen erwünschte Längsverbindung über mehrere
Pole hinweg. Wie sich nachweisen lässt, führt die weitgespreizte V-Form
mit Magnetberührung
zum Nachbarpol zu der höchstmöglichen
magnetischen Leitfähigkeit
und erweist sich als besonders günstig
zur Kombination mit Primärteilen, deren
Zähne eine
verhältnismäßig große Breite
aufweisen, wie dies naturgemäß bei einsträngigen Wicklungsteilen
realisiert werden kann. Mit der V-förmigen Erregeranordnung werden,
im Gegensatz zur Anordnung mit Streufeld behafteter Sammlergeometrie,
die bei stromführender
Wicklung stark zu lokaler Sättigung
neigt, solche Probleme umgangen. Für den Betrieb zeigt sich, dass
dadurch sowohl ein höherer Leistungsfaktor
als auch eine höhere Überlastbarkeit ermöglicht werden.
Der Er folg, der sich durch die Anwendung der streuungsarmen Sammlervariante
ergibt, ist naturgemäß besonders
stark ausgeprägt, wenn,
wie erwähnt,
die Formgebung des Primärteils eine
hohe Leitfähigkeit
für den
magnetischen Fluss erlaubt. Beim longitudinalem Magnetkreis, mit
der in
DE 10 2007 042 935.7 beschriebenen
Variante mit passivem Reaktionsteil, sind diese Voraussetzungen nicht
in idealer Form realisierbar.
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Es
darf jedoch erwartet werden, dass bei der Anwendung des V-Konzepts
der Sammlergeometrie im Falle des TF-Magnetkreises sich für die beiden Fälle, aktives
und passives Reaktionsteil, günstige Voraussetzungen
zur Erzielung hoher Leitfähigkeit ergeben.
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Somit
besteht die erfindungsgemäße Aufgabe
darin, transversale Magnetkreise für rotierende und lineare Anwendung
anzugeben, deren Kraftdichte, bereits im Dauerbetrieb hohe Werte
annimmt und in kurzzeitigen Überlastphasen
einen annähernd schubproportionalen
Stromanstieg zeigen. Erreicht wird dieses Verhalten durch den Einsatz
V-förmig
angeordneter P-Magnete mit maximaler Spreizung und ausreichend hohem
Sammelfaktor sowie durch weitere Maßnahmen zur Unterdrückung des
stirnseitigen Streufelds, wobei die Alternativen bestehen:
Die
Erregung durch Permanentmagnete erfolgt im Reaktionsteil, die Erregung
durch Permanentmagnete erfolgt im Primärteil, die Magnetkreisanordnung basiert
auf der Kraftbildung in einem Luftspalt, die Magnetkreisanordnung
basiert auf der Kraftbildung in zwei oder mehreren Luftspalten.
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Zur
Beeinflussung des Schwingungsverhaltens und der Vermeidung von zusätzlichen
Eisenverlusten bei rondenförmigen
Blechen im Erregerbereich werden besondere Maßnahmen der Fluss- und Stromführung zur
Wirkung gebracht.
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Im
Folgenden wird anhand eines ausführlichen
Textes, unter Einbezug mehrerer zeichnerischer Darstellungen die
Lösung
dieser Aufgabe beschrieben.
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Ausführungsbeispiele
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Als
Grundmodell einer streufeldarmen Erregeranordnung gilt die Konfiguration
nach 1, deren V-förmig
angeordnete Permanentmagnete mit alternierender Polarität und so
eingesetzt sind, dass nur die am oberen Spalt stehenden Magnetenden
zur Erzeugung des Nutzflusses wirksam werden. Die Magnetlänge lm ist mindestens um den Faktor 2 größer, als
die Länge
des halben Poldreiecks von Pe. Aus mechanischen Gründen wird
die Verbindung hk des magnetisch leitfähigen Teils
Le über
mehrere Polteilungen hinweg benötigt.
Es entsteht die am Nutzluftspalt gewünschte Feldkonzentration, die
um mehr als den Faktor 2 größer ist,
als die Felddichte innerhalb der Permanentmagneten. Herstellungstechnisch
vorteilhaft erweist sich der in Längsrichtung geblechte Aufbau
von Le und der Poldreiecke Pe.
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Im
Stirnbereich der Anordnung bildet sich um die Enden der Permanentmagneten
M ein Streufeld aus, das mit einer Belastung für den innerhalb des Eisens
verlaufenden Magnetfluss verbunden ist. Besonders bei Querabmessungen,
die klein gegenüber der
Polteilung sind, führt
dies zu einer starken Schwächung
des Nutzflusses. Dieser Effekt ist bei TF-Maschinen bekannt und
wird als 3D-Effekt gekennzeichnet.
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Durch
stirnseitiges Aufsetzen von Streufelddämpfern Ms aus Permanentmagnetmaterial
gleicher Eigenschaft und gleicher Dicke kann das die Magnete belastende
Stirnfeld kompensiert werden, wie 2 und 2a zeigen.
Ausgehend von der Vorstellung, dass die magnetische Wirkung der
Permanentmagnete M durch die sie repräsentierenden Ströme am Außenrand
in dünner
Schicht ersetzt werden können,
zeigt 2, dass bei entsprechender Wahl der Polarität des Dämpfermagnets
längs der Flanken
der M-Magnete Gegenströme
gleicher Größe verlaufen.
In der Summe ergibt sich damit eine vernachlässigbar kleine Anregung für die Streufelder im
Stirnbereich.
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Während sich
beim Magnetkreis nach 1 die Feldlinien innerhalb des
Erregerkreises von Magnet zu Magnet direkt in Längerichtung schließen, und so
dem Feldverlauf an einem Nutzluftspalt entsprechen, eignet sich
das Erregerkonzept auch für
Anordnungen mit einem zusätzlichen
Luftspalt, wenn eine Erweiterung wie in 3, vorgenommen
wird. Hierbei ist die oben als mechanisch notwendige Längsverbindung
nicht vorgesehen. Ihre Berücksichtigung bedeutet,
wie 3a zeigt, eine Vergrößerung des Querschnitts zwischen
den Luftspalten. Aus baulichen Gründen wird der TF-Magnetkreis
eine geringe Querabmessung als vorteilhaft angesehen.
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Die
Minimierung des Spaltabstandes kann, wie 3b zeigt,
durch eine Formmodifikation der V-förmigen Magnetpaare vollzogen
werden. Es entsteht nun eine sägezahnförmige Längsverbindung, die
mechanisch ähnliche
Eigenschaften aufweist wie eine Verbindung mit geradliniger Berandung.
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Es
soll erwähnt
werden, dass durch die Anwendung von dünnen Stegen zwischen Le und
Pe sowie einer entsprechenden Unterteilung der eingeklebten Magneten
M die mechanische Festigkeit der Erregeranordnung gegenüber Biegekräften weiter
erheblich verbessert werden kann. Bei kleinen Abmessungen der Stege
ist die hierdurch bewirkte Verringerung der Felddichte im Luftspalt
sehr gering.
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Mit
diesen Möglichkeiten
der Formgebung für
das Erregerteil ET mit den darin eingebetteten Magneten M lassen
sich sowohl Maschinenanordnungen mit aktiven wie auch passiven Reaktionsteilen
konzipieren.
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So
zeigt 4a die Skizze einer linearisierten
Magnetkreisanordnung mit aktivem Reaktionsteil, das grundsätzlich der 2 entspricht,
jedoch einen aktiven äußeren und
einen inaktiven inneren Spalt zwischen dem Primärteil PT und dem Erregerteil
ET aufweist. Hierbei besteht das Primärteil aus den C-förmigen Statorelementen
Sr, die im Abstand der doppelten Polteilung stehen, mit der in Längsrichtung über mehrere
Polteilungen laufenden Wicklung W, die in 4b im
Querschnitt gezeichnet ist. Das Magnetfeld zwischen ET und den Fluss-Leitelementen Sr
schließt
sich vornehmlich über
den äußeren aktiven
Spalt δ1 und den inaktiven inneren Spalt δ2.
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Im
Falle rotierender Anwendung des Magnetkreises sind die Statorbauteile
Sr mit dem Gehäuse
und das Erregerteil ET mit der Welle der Maschine über das
Verbindungsteil Lk verbunden.
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Bei
linearer Anwendung ist ein mobiler Einsatz von ET ebenso möglich, wie
der bewegliche Einsatz des Primärteils.
Die Darstellungen 4a, 4b sind
als Ausschnitte aus einer in Längsrichtung
ausgedehnten Magnetkreisanordnung zu betrachten. Dies gilt ebenso
für die
Magnetkreisvariante nach 5. Gegenüber dem
Querschnitt nach 4b sind in 5a zwei
Erregerteile ET zu einem Statorkörper
kombiniert, wobei, wie in 5b gezeichnet,
Joch-Verbindungsteile Lj den magnetischen Fluss transversal um die
Wicklung W herumführen.
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Das
Reaktionsteil besteht hier lediglich aus dem magnetisch leitfähigen Rückschlusselement
Lr, das in Querrichtung die Pole von ET über den Luftspalt verbindet.
Es sei erwähnt,
dass die beiden Erregerteile in der Querschnittsebene unterschiedliche
Polarität
aufweisen müssen,
damit der magnetische Fluss die gewünschte Größe erreicht.
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Mit
Blick auf höchste
Kompaktheit bei begrenzten Wicklungsverlusten bringt eine Verdoppelung
des Magnetkreises nach 5 mit 4 Spalten, wie
in 6 dargestellt, eine sehr günstige Lösung. Wird
davon ausgegangen, dass in der Querschnittsebene, die in 6a dargestellt
ist, innerer und äußerer Magnetkreis
identisch sind, so entsteht gegenüber 5 eine
Magnetkreisverdoppelung, bei der die Wicklungsströme bei gleicher
Größe unterschiedliche
Richtung aufweisen. Der magnetische Fluss schließt sich über die im Querschnitt verdoppelten Jochelemente
und verläuft
ausschließlich
in der Querschnittsebene. Die gleichgroßen Ströme ungleicher Richtung lassen
sich durch die zwei Seiten einer Spule mit deren Hin- und Rückleiter
verwirklichen. Es liegt nahe, zum Übergang auf größere Strangzahlen Spulen
mit einer Umfangsunterteilung, etwa in 4 gleichgroßen Abschnitten,
den 4 Strängen
zuzuweisen. Damit wird im Vergleich zum einsträngigen Ringstrom ein gewisser
Mehranteil an Kupfer und Kupferverlusten eingesetzt. Auf der anderen
Seite ergeben sich deutliche Vorteile für den Bau der Eisenstruktur
des Magnetkreises. Diese kann in durchgehenden ebenen Blechronden
konventionell paketiert werden. Durch die Anordnung einer mehrsträngigen symmetrischen
Wicklungsform arbeitet der Magnetkreis mit einer sich am Umfang
zu Null ergänzenden Spannung.
Im Gegensatz hierzu wird bei der Ringwicklung gerade diese Umfangsspannung
als Nutzspannung für
die Wicklung eingesetzt.
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7a zeigt
einen Ausschnitt aus der linearisierten Form einer viersträngigen Spulenanordnung bei
Doppelluftspalt mit dem Stromsystem nach 7b. Die
4 Abschnitte der Erregerteile sind hierbei jeweils um τ/2 versetzt.
Die Jochteile bilden an der Strang-Trennstelle eine vergrößerte Lücke. Bei
Wegfall eines Jochelements steht für den radialen Spulendurchtritt
ein entsprechender Raum zur Verfügung.
Mit den 5 bis 7 wurde
gezeigt, dass für
rotierende und lineare Anwendung, Magnetkreisvarianten mit streuungsarmem
Sammler auch in der Form des passiven Reaktionsteils ohne magnetische Nachteile
und mit geringer Masse ausführbar
sind, und für
die Nutzung der mehrsträngigen
Wicklungsvariante in einem Magnetkreisprofil durchaus günstige Voraussetzungen
bestehen.
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Im
Falle der durch 4 dargestellten Maschine
mit aktivem Erregerteil und C-förmigen
Statorelementen Sr besteht, ähnlich
wie bei 5, die Möglichkeit, durch Querschnittsverdoppelung
zu einer Magnetkreisvariante zu gelangen, bei der die magnetisierende
Wirkung der Wicklungsquerschnitte von den Leitern einer Spule übernommen
wird. Eine solche Maschinenvariante ist in Ausschnitten in den 8a und 8b dargestellt.
Der Magnetkreis basiert im Stator auf einem Doppel-C, den beiden
Wicklungsteilen W1 und W2 mit gegenläufigem Strom und den beiden
Erregerteilen ET1 und ET2.
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Die
beiden Erregerteile werden über
die Läuferkonstruktionsteile
Lk1 und Lk2 mit der Welle We verbunden. Diese ist ihrerseits über die
Rollenlager R1 und R2 gegenüber
dem Gehäuse
G gelagert. Im Gehäuse
G sorgen entsprechende Befestigungen für toleranzarme Aufnahme der
Magnetkreisteile S, deren innere Justierung durch das Gehäuseteil
Gi gesichert wird. Gi wird durch nicht gezeichnete radial verlaufende
Spannbolzen mit dem äußeren Gehäuseteil G
verbunden. Durch die im Vergleich zu den 6 und 7 geringere radiale Ausdehnung des Erregerteils
ET bietet sich die auch baulich einfachere Variante nach 8 insbesondere auch für Maschinen kleiner Durchmesser
an. Die in den 5 bis 8 gezeichneten
Flussleitelemente Lr lassen sich alternativ durch jeweils zwei gezahnte
in Längsrichtung
geblechte Pakete in der Breite der Et-Pole darstellen, die durch
Jochteile axial verbunden sind.
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Es
sei erwähnt,
dass sich durch die Heranziehung der mehrsträngigen Wicklung mit Nutzung der
Stromrückleiter
für TF-Varianten
das Anwendungspotential sowohl zu kleineren als auch zu größeren Maschinenanwendungen
hin verbessert.
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Eine
doppelseitige Magnetkreisnutzung, entsprechend 6,
in Verbindung mit einer verlustarmen Mehrstrangwicklung führt auf
günstige
Betriebsdaten mit deutlich verbessertem Laufkomfort und verminderter
Schwingungsanregung. Aufgrund des gewählten streuungsarmen Erregerkonzepts
und der bereichsweise einsträngigen
Wicklung wird erhöhte Überlastbarkeit
und eine Verbesserung des Leistungsfaktors mit minimaler Magnetmasse
erzielt.
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Bezüglich der
mehrsträngigen
Ausführung sei
darauf hingewiesen, dass für
größere Maschineneinheiten
auch eine axiale Querschnittsverdoppelung der Anordnung nach 6a,
mit einem dann zur Mitte symmetrischen Rotor, eine nahe liegende
Maßnahme
ist. Es braucht auch kaum erwähnt
zu werden, dass nicht nur der Einsatz von viersträngigen Wicklungen
zur Symmetrierung der räumlichen
Feldverhältnisse
am Umfang empfehlenswert ist, sondern auch dreisträngige Stromsysteme
mit davon abgeleiteten Wicklungsvarianten in Betracht zu ziehen
sind. Wie an derer Stelle beschrieben, sind allerdings deren Symmetrievoraussetzungen
gegenüber
der viersträngigen
Variante und ihren Ableitungen als weniger günstig einzuschätzen.