DE102008061681A1

DE102008061681A1 - Anwendungen des permanentmagneterregten Wanderfeldes für die Energietechnik

Info

Publication number: DE102008061681A1
Application number: DE200810061681
Authority: DE
Inventors: Herbert Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Aus einer Magnetkreisanordnung deren Wechselfeldanteile durch permanentmagnetbestückte Rotoren erzeugt werden, entsteht ein magnetisches Feld, das in Wechselwirkung mit entsprechend gestalteten Reaktionsteilen in synchronem oder asynchronem Verhalten Tangential- und Normalkräfte entwickelt und gegenüber stromerregten Wanderfeldkonzepten Vorteile aufweist (Fig. 9).

Description

Stand der Technik
Der weitaus größte Teil der elektromagnetischen Energiewandlung basiert auf der Anwendung der stromerregten Wander- bzw. Drehfeldtechnik. Dies betrifft etwa 90% der elektrischen Antriebe und den größten Teil der elektrischen Maschinen in Kraftwerken. Diese Technik kommt insbesondere für anspruchsvolle Antriebsaufgaben durch den Einsatz von Geräten der Leistungselektronik zur Frequenzstellung und verbesserter Steuerbarkeit zu günstigen Prozessdaten und hoher Effizienz. Auch verschiedene Möglichkeiten der Magnetkreisoptimierung und die Einführung von besonders wirksamen Kühltechniken für die stromführenden Wicklungen sind speziell bei Maschinen großer Leistung im Einsatz. Für kleinere und mittlere Leistungen ist der Einsatz dieser Techniken aus Gründen zu hoher Komplexität und damit mangelnder Wirtschaftlichkeit nicht vertretbar. Die Anwendung leistungsfähiger und hocheffizizienter magnetischer Wandler in der Antriebs- und Energieerzeugungstechnik ist jedoch ein wichtiges Ziel der weiterführenden Entwicklung. Neben der durch Elektronik bewirkten Stellbarkeit und Anpassung der Antriebe an die Systemabläufe geht es um die Vermeidung von Wandlerverlusten, die Reduktion von Blindleistung, die Steigerung der Kraftdichte und mit ihr der Kompaktheit sowie auch der Funktionsvielfalt der Konzepte.
Durch die Einführung energiestarker Permanentmagnete zur Erregung des magnetischen Kreises besteht der grundsätzliche Vorteil einer leistungslosen Erzeugung des magnetischen Feldes und damit die Verbesserung von Betriebseigenschaften in Kombination mit der Steigerung von Feld- und Kraftdichte.
Es besteht somit die erfindungsgemäße Aufgabe darin nachzuweisen, dass es möglich ist, Magnetkreisvarianten anzugeben, die ein durch Permanentmagneten erregtes Feld so entstehen lassen, dass es ähnliche Eigenschaften wie bei einem drehstromerregten Wanderfeld aufweist. Die Interaktionen eines solchen magnetischen Feldes sollen die Vorteile der verlustlosen Felderregung mit den Möglichkeiten der Wanderfeldverwertung in Motoren und Generatoren mit synchronem und asynchronem Betriebsverhalten für rotierende und lineare Anwendung verwirklichen. Dabei ist auch die Erzeugung von verwertbaren Kraftkomponenten senkrecht zur Bewegungsrichtung in vorteilhafter Weise zu erfassen.
Im Folgenden wird anhand eines ausführlichen Textes und mit Hilfe mehrerer zeichnerischer Darstellungen die anstehende Aufgabe beschrieben.
Beschreibung
Zahlreiche Anwendungen der elektromagnetischen Wechselwirkung mit stromerregten magnetischen Feldern in Motoren und Generatoren sind stark durch interne Verluste und schwache Kompaktheit beeinträchtigt, weil bei verhältnismäßig großen, mechanisch bedingten Luftspalten die Erzeugung hoher Felddichten verlustarm nicht gelingt. Stromführende Wicklungen beanspruchen einen Teil des für die Feldführung notwendigen Magnetkreisvolumens und schränken so die Möglichkeit der Erzeugung hoher Felddichten und die Führung des größtmöglichen magnetischen Flusses stark ein. Es kommt hinzu, dass die thermische Grenze der Isolation zur Ausführung niedriger Stromdichten zwingt, so dass das steigende Magnetkreisvolumen häufig den Einsatz des elektromagnetischen Wandlers behindert.
Die Einführung von Permanentmagneten war bislang darauf beschränkt, innerhalb des Magnetkreises eingebettet, die Aufgabe einer gleichstromführenden Wicklung zu ersetzen und verlustlos mit begrenztem Volumen den bei seiner Magnetisierung eingeprägten Strom zur Verfügung zu stellen.
Die hierdurch erwarteten Merkmale eines Wandlerkonzeptes ergeben sich aus dem Wegfall der Wicklung und werden weniger durch Möglichkeiten einer gleichzeitigen Effizienzsteigerung durch Erhöhung der Felddichte wahrgenommen. In allen Fällen wurde die Aufgabe darauf beschränkt, vom Erregerteil ausgehend ein zeitlich konstantes Magnetfeld zu erzeugen.
Im Falle eines Wanderfeldes besteht die Aufgabe hingegen darin, vom Erregerteil ausgehend ein magnetisches Feld zu erzeugen, das am Ort spezifische Polaritätswechsel vollzieht. Das Muster der Polaritätswechsel wandert dabei mit einer definierten Geschwindigkeit. Seit der Erfindung des Wanderfeldes ist bekannt, dass seine Existenz auf der Überlagerung von zwei oder mehreren Teilfeldern beruht. Es gilt der Satz, dass ein Wanderfeld aus zwei oder mehreren sogenannten symmetrischen Wechselfeldanteilen besteht, wobei letzteres ein sich zeitlich periodisch veränderndes, an den Ort gebundenes, Magnetfeld ist.
Durch die Heranziehung von Permanentmagneten wird der magnetische Kreis zunächst von der Aufgabe befreit, mit Hilfe elektrischer Energie ein Magnetfeld erzeugen zu müssen, und die Felderregung wird auf die in den Permanentmagneten konzentrierten hohen eingeprägten Ströme verlagert. Hier gelingt es, z. B. für ein Magnetmaterial mit der Remanenzinduktion B_τ = 1,3 T durch einen Permanentmagneten der Dicke von 1 cm im Magnetkreis einen eingeprägten Strom von 10 kA verlustlos anzuwenden.
Um diese Wirkung als Wechselfeld darstellen zu können, muss entsprechend 1 von den Erregermagneten M in einem Rotor ER ein Feld erzeugt werden, das unter Zuhilfenahme von an den kreisförmigen Hilfsluftspalt angrenzenden Polteilen Ek zum Arbeitsluftspalt δ geführt und dort zur Wirkung gebracht wird. Gemeinsam mit den benachbarten Erregereinheiten ER, deren Polarität alternierend ist und die mit gleicher Geschwindigkeit rotieren, kann so im Luftspalt leistungslos eine hohe magnetische Felddichte im gewünschten Wechselfeldrhythmus entstehen. Die angestrebte hohe Konzentration der Felddichte kommt zustande, wenn für die Erregermagnete M ein Verhältnis 2r/0,5 τ > 2 für ihre Länge und h_m/δ > 2 für ihre Dicke eingehalten wird. Bei gleichförmiger Drehung der Erregereinheiten ER wechselt die Polarität des Feldes f wie die Drehgeschwindigkeit n der Rotoren, so dass gilt: n = f. Die Erregerteile ER sind reibungsarm drehbar gegenüber dem Konstruktionsteil Ks gelagert. Mit dem Reaktionsteil RT, in dem radial stehende Permanentmagneten Mr im Abstand der Polteilung τ mit dazwischen angeordneten magnetisch leitfähigen Einlagen Lr über das Konstruktionsteil Ke verbunden sind, übt das magnetische Feld in 1 eine nach rechts zeigende Schubkraft F aus. Sie weist in der gezeichneten Stellung ihren Maximalwert auf. Der Kraft F folgend, bewegt sich das Reaktionsteil wie bei einer Synchronmaschine mit der Geschwindigkeit v = 2τ·f, solange die bremsende Belastungskraft den übertragbaren Maximalwert nicht überschreitet.
2 zeigt den um die halbe Polteilung τ/2 bzw. den Winkel π/2 zurückversetzten Zustand F = 0 mit waagerecht liegenden Magneten M, wobei sich die Feldlinien innerhalb der Polteile Ek schließen.
Im Gegensatz hierzu sind in 1 die Feldbahnen über dem Luftspalt δ hinweg innerhalb des Reaktionsteils RT voll ausgebildet. Es soll davon ausgegangen werden, dass infolge der großen Leitfähigkeitsunterschiede im Bereich der unmagnetischen Konstruktionsteile Ks und Ke sowie im angrenzenden Luftraum keine nennenswerten magnetischen Wirkungen entstehen.
Etwas idealisiert stellt sich bei der vorliegenden Geometrie über dem Drehwinkel α ein sinusförmiger Verlauf der Normalkomponente des Feldes ein. Im Polbereich von Ek ist das Feld näherungsweise gleichförmig verteilt und dringt, wegen der dort verminderten Leitfähigkeit, etwas reduziert in den Randbereich der Magnete Mr ein. Geht man vom bewegten Reaktion steil RT in der für die Kraftbildung günstigsten Position entsprechend 1 aus, so kann die für den Magnetrand wechselwirkende Felddichte B ebenfalls sinusförmig über der Wegkoordinate x aufgetragen werden. Wird noch ein weiterer Denkschritt angeschlossen und die Kraftbildung als Produkt zwischen dem charakterisierten B-Wert und dem dort eingeprägten Strom Θ_mr begriffen, so folgt auch für den Kraftverlauf eine sinusförmige Abhängigkeit. Wie sich zeigt, schließt bei Weiterbewegung von ER und RT ein sinusförmiges Verhalten an, das durch die Richtungsänderung von Feld und Strom die Bedingung zur Erzielung einer gleichbleibend positiven Kraft erfüllt.
Gegenüber dem in der Stellung von 1 erreichten Maximum der Kraft ist ihr Mittelwert F_m um den Faktor 2/π kleiner. Dies setzt streng genommen voraus, dass schmale Magneten Mr und ein Verhältnis h_mr/τ << 1 vorliegen.
Bei breiteren Magneten nimmt der Faktor F_m/F_max etwas kleinere Werte an. Bekanntlich erreicht dieser Mittelwertfaktor bei einer sinusförmigen Verteilung wechselwirkender Ströme im Reaktionsteil, also bei herkömmlichen Wanderfeld-Wandlern, den Wert 0,5.
Zur Vermeidung von Kraftabsenkungen bis zum Wert Null bietet sich an, ein zweites oder mehrere wechselwirkende Magnetkreispaare quer zur Bewegungsrichtung nebeneinander so zu betreiben, dass ihre Erregerteile ER versetzt sind und von einer Welle aus betrieben werden und auch das Reaktionsteil entsprechend versetzt ist. Der einfachste Fall von zwei symmetrisch versetzten Anordnungen von ER und RT mit dem Versatz von π/2 und π/2 entspricht den in 2 gezeichneten Kraftverläufen der Magnetkreispaare a und b. Es zeigt sich, dass deren Summen-Kraftkurve F_a(x) + F_b(x) geglättet ist, dabei allerdings einen geradzahligen Oberschwingungsanteil aufweist. Der Glättungseffekt tritt ähnlich auch bei der Überlagerung von stromerregten Wechselfeldern durch zwei symmetrisch verteilte Spulenanordnungen auf. Ein wichtiger Unterschied besteht darin, dass bei der vorliegend beschriebenen Permanenterregung zwei axial nebeneinander liegende Anordnungen zur ausgleichenden Wirkung führen, während bei Stromerregung die Feldüberlagerung in ein und demselben Magnetkreis erfolgt.
Bei Bewegung von RT und dessen Belastung durch Gegenkräfte wird an den Maschinenteilen Leistung umgesetzt. Da sich über das magnetische Feld die Belastung auch auf der Erregerseite bemerkbar macht, ist auch dort, dem Energieerhaltungssatz entsprechend, der gleiche Leistungsumsatz zu berücksichtigen.
Zu erwähnen ist, dass die im Falle einer reinen Wechselfeldvariante auftretenden Reluktanzeinflüsse den in 3 gezeichneten sinusförmigen Kraftverlauf beeinträchtigen, dass jedoch bei einer Zweikomponentenvariante sich der größte Teil dieses Einflusses aufhebt.
Es ist offensichtlich, dass die mit 1 und 1a gezeichnete Anordnung der Maschinenpartner in beiden Richtungen generatorisch und motorisch wirken kann und dabei in der Lage ist, mechanische Leistung berührungslos zu übertragen. Die permanentmagnetbestückte Anordnung der Magnetkreisanordnung erfüllt die Aufgabe eines Wandlers, zu dessen Betrieb auch bei großem Luftspalt keine Blindleistung von außen zugeführt werden muss. Die zum Betrieb von den Erregereinheiten RE eingesetzten Maschinen EM lassen sich als elektrische Maschinen mit begrenztem Durchmesser und kleinem Luftspalt und folglich mit einem kompakten Magnetkreis und hoher Leistungsdichte konzipieren. Sie ersetzen somit eine weit weniger effiziente großvolumige Maschine, die aus mechanischen Gründen mit großem Luftspalt und hoher Blindleistung auszuführen wäre.
Es leuchtet ein, dass 1 vereinfacht auch für die Darstellung einer Maschine mit größerem Durchmesser steht, bei der das Bauteil ET dem Stator und RT dem Rotor zuzuschreiben ist.
In der Tabelle 3 ist anhand einer der 1 entsprechenden Position der mögliche Berechnungsgang für die maximal auftretende Umfangskraft F auf die Wechselwirkung zwischen dem Magnet-Randstrom Θ_mr und dem im Randbereich wirkenden Felddichtewert B wiedergegeben. Der Randstrom Θ_mr wird aus der Magnetdicke h_mr der Remanenzinduktion des Magnetmaterials B_r sowie der Permeabilität der Magnete μ_p ermittelt.
Hierbei ist vorausgesetzt, dass die Felddichte B als Normalkomponente zu sehen ist und somit sich die Kraft F als reine Tangentialkraft versteht. Mit dem Mittelwert der Kraft F_m lässt sich auch der Mittelwert der Kraftdichte F_A berechnen. Sie dient als Vergleichswert gegenüber konventionell erregten elektrischen Maschinen und erreicht hier sehr viel höhere Werte. Die Relation zwischen Schubkraft F und Drehmoment M folgt aus der Beziehung gleicher Leistung an beiden Maschinenteilen.
Es liegt nahe, der Kraftdichtegleichung folgend, eine Optimierung darin zu sehen, dass der Strom Θ_mr durch ein größeres Verhältnis h_mr/τ vergrößert wird. Eine günstige Lösung ergibt sich bei Anordnung mehrerer Magnete gleicher Polarität und dazwischenliegenden Blechlamellen, ähnlich der für die Erregereinheiten ER gewählten Magnetanordnung.
Wie 4 vermittelt, verhält sich das Magnetkreissystem so, dass es ohne Belastung von außen auch keine Übertragungskräfte erzeugt. Gegenüber dem in 1 dargestellten belasteten System ist der Magnetkreisausschnitt nach 4 eine kraftlose Anordnung.
Mit 5 wird vermittelt, dass zwischen diesen Grenzzuständen bei anderen Positionszuordnungen die Kraft einer Sinushalbwelle in Abhängigkeit von der Winkelkoordinate folgt. Der stabile Bereich kann mit dem elastischen Verhalten einer Feder verglichen werden. Der zweite Teil der Halbwelle ist vergleichbar mit der Wirkung eines negativen Elastizitätskoeffizienten und dem kennzeichnenden instabilen Bereich. Das Überschreiten der maximal übertragbaren Kraft bewirkt die Auflösung der Magnetfeldverbindung zwischen den Maschinenteilen.
In 6 wird auf das zur Glättung des Kraftverlaufs erforderliche Zusammenwirken zweier Magnetkreispaare und die Kopplung der Erregereinheiten mit einer elektrischen Maschine EM hingewiesen. Hier handelt es sich z. B. im Falle einer Antriebsvariante um die Kopplung mit einem Elektromotor, der mit seinen Nachbarpartnern in einer Art Gleichlaufschaltung mit Drehwinkelregelung betrieben wird. Der Winkelsensor S überträgt an den Regler R, der über die Steuerleitung Informationen erhält und diese in aufbereiteter Form zur Ansteuerung der Leistungselektronik weitergibt, so dass sich die Energiezufuhr aus der Zuleitung E in EM zu der erwarteten Antriebswirkung entfaltet. Für die mechanische Ausführung von EM besteht zusätzlich zu der in 6 gegebenen Darstellung die Möglichkeit, durch seitenversetzte Ankopplung auch größere Durchmesser der Maschinen zum Einsatz zu bringen.
7 zeigt eine modifizierte Magnetkreisanordnung, die gegenüber 1 bei gleicher Polteilung Erregungszylinder ER mit kleinerem Durchmesser r aufweist, da im Spaltbereich mit reduzierter Polabmessung und einer Art gezahnten Ausführung der leitfähigen Teile Lr ein geringerer Fluss je Polteilung erwartet wird. Dabei wird etwa die gleiche Größe der Tangentialkraft F_x erzeugt, wie bei der Anordnung nach 1. Ein wesentlicher Unterschied zeigt sich insofern, als die mit der Teilung τ/2 gezahnte Ausführung des Reaktionsteils RT zu einer kleineren Normalkraft F_y führt. Es zeigt sich weiter, dass durch die sparsame Anwendung von magnetisch leitfähigem Material auch die Gesamtmasse des Magnetkreises und auch seine Abmessung quer zur Bewegungsrichtung reduziert werden kann.
Gleichstromerregte Synchronmaschine
Eine der konventionellen Wanderfeld-Synchronmaschine nahekommende Magnetkreisanordnung ist in 8 gezeichnet. Sie zeigt einen Wechselfeldanteil einer mindestens zweiteiligen Anordnung, bei der das Erregerteil ET mit sich drehenden Erregerzylindern ER ausgestattet ist und mit einem Reaktionsteil RT, das im Polteilungsraster Spulen W aufweist, wechselwirkt. Die Anordnung ist in der Stellung des größten Erregerflusses gezeichnet, in der sich die Polflächen von Ek und Lr in symmetrischer Überdeckung gegenüberstehen, und die Erregermagnete M die Stellung geringsten magnetischen Widerstands finden. Der Wicklungsstrom I bewirkt in dieser Stellung gerade die Kraft Null. Die Stellung entspricht somit auch der Leerlaufstellung. Bei Versatz von RT um τ/2 entsteht der Größtwert der Umfangskraft. In der nicht gezeichneten zweiten Wechselfeld-Magnetkreisanordnung sind gegenüber der Stellung in 8 die Erregerzylinder ER und das Reaktionsteil Winkel- bzw. lageversetzt. Während die erste Anordnung z. B. die Kraft Null entwickelt, kommt die zweite Anordnung auf ihren Kraft-Maximalwert. Mit den beiden versetzten Wicklungen verhält sich die Magnetkreisanordnung ähnlich derjenigen einer Wanderfeld-Synchronmaschine.
Kurzschlussläufer als Reaktionsteil
Die Auffassung, zwei oder mehrere Wechselfeld-Erregersysteme als Bestandteil einer permanenterregten Wanderfeldanordnung zu betrachten, legt es nahe, auch den Kurzschlussläufer als Reaktionsteil heranzuziehen. Hier werden somit auch elektrische Ströme als Reaktionspartner für das von Permanentmagneten erzeugte Wechselfeld angewendet. Sie verursachen zwar unvermeidliche Verluste, fließen jedoch in einem Maschinenteil, das nicht notwendigerweise die gleiche Geschwindigkeit aufweist wie das Wanderfeld. Zwischen beiden Partnern besteht ein Schlupf s, in Abhängigkeit dessen der Kraftverlauf einen stabilen Bereich aufweist. Einfacher Aufbau und einfache Stellbarkeit ohne Lageregelung kennzeichnen das asynchrone Verhältnis zwischen Erregersystem und Reaktionspartner.
9 stellt eine Schnittzeichnung eines zweipoligen Magnetkreises dar, dessen Erregerteil auch Merkmale von 1 aufweist, und dessen Reaktionsteil RT vereinfacht eine elektrisch leitfähige Schicht am Luftspalt δ und eine magnetisch leitfähige Schicht anschließend an Ls zeigt. Wenn wiederum zur Unterdrückung von Kraftabsenkungen zwei oder mehrere symmetrisch versetzte Teilkreise zum Einsatz kommen ergibt die Summe der Kraftwirkungen wieder angenähert das Verhalten einer durch ein Wanderfeld erregten Maschine.
9 zeigt die Wirkung einer Wechselfeldanordnung und lässt erkennen, dass die stromführende Schicht Ls Ströme im Verteilungsmuster des Erregerfeldes B führt. Dies entspricht der Annahme verhältnismäßig kleiner Schlupfwerte s. Es lässt erkennen, dass auch hier der Kraftbildungsvorstellung nach 1 gefolgt werden kann, wonach sich die Kraft proportional dem Produkt aus Erregerfelddichte und Strom ergibt. Demnach ist zu erwarten, dass sich bei zwei um π/2 versetzte Anordnungen ein qualitativ ähnlicher Kraftverlauf wie nach 2 erschließt, und das Ergebnis sich im Grundsatz nicht wesentlich von dem einer stromerregten Wanderfeldmaschine unterscheidet.
Es sei darauf hingewiesen, dass im letzteren Fall, z. B. durch Heranziehung von drei Wicklungssträngen ein etwas anderer Kraftverlauf als in 2 entsteht. Es werden z. B. durch die Wahl der Strangzahl 3 im magnetischen Feld alle geradzahligen Oberwellen unterdrückt, so dass sich hierdurch Änderungen geg3enüber einer zweiteiligen Anordnung einstellen. Die in Tabelle 10 aufgeführten Definitionsgleichungen für zwei Wechselfelder und ein durch Überlagerung entstehendes Wanderfeld weisen auf den sich aus der mathematischen Formulierung ergebenden Sachverhalt der Überlagerung hin. So führen die beiden Wechselfeldkomponenten nur dann zu einem Wanderfeld, wenn nicht nur zeitliches und örtliches Verhalten qualitativ symmetrisch sind, sondern mit B_a = B_b auch örtliche Identität erfüllt ist. Letzteres ist, wie oben erwähnt, im Falle der permanentmagnetischen Erregung nicht verwirklichbar, so dass insoweit die letzte Übereinstimmung mit einem stromerregten Wanderfeld nicht geschaffen werden kann.
Die beim Motorbetrieb erzielbare Kraftwirkung erweist sich im Falle des asynchronen Betriebs zunächst als dem Schlupf proportional, erreicht dann einen Höchstwert, um mit noch größerem Schlupf wiederum zu fallen. Die dem Magnetkreis von 9 entsprechende Ersatzschaltung ist, auf die Erregerfrequenz bezogen, in 11 gezeichnet und besitzt nur eine Masche. Das entsprechende Kreisdiagramm für den Wicklungsstrom zeigt 11a. Bei größer werdendem Schlupf tritt als Folge des mit dem Läufer verbundenen Streufelds eine Phasenverschiebung des Stromes ein, die schließlich die Verringerung der Kraft als Folge der nicht übereinstimmenden Verteilung von Feld und Strom auslöst.
Wird die zugeführte Leistung mit PS als die über den Luftspalt übertragene Leistung bezeichnet, so folgt die an dem Reaktionsteil RT verfügbare Leistung mit dem Schlupf s zu P_mech = (1 – s)·P_δ.
Gegenüber dem stromerregten Wanderfeldmotor ist der Vorteil der verringerten Blindleistung und des damit einhergehenden günstigeres Leistungsfaktors zu erkennen. Als Folge hiervon sind auch unter Berücksichtigung der auf mehrere kleinere Maschinen verteilten Leistung die Systemverluste kleiner als im Falle der konventionellen Anordnung.
Wandler mit abstoßenden Normalkräften
Mit 12 wird eine spezielle Gestaltung von Erreger- und Reaktionsteil mit Blick auf einen Wandler mit stabil wirkenden Normalkräften gezeigt. Auch hierbei sind sowohl lineare als auch rotierende Anwendungen denkbar.
Die Gestaltungsmerkmale sind dabei so gewählt, dass zur Verstärkung des Erregerfeldes und der Überwindung eines großen magnetischen Widerstandes eine insgesamt größere Magnethöhe im Vergleich zur Polteilung bereitgestellt wird und im Reaktionsteil bei sparsamer Anwendung von magnetisch leitfähigem Material sowie verstärkter Magnetausstattung Mx, My günstige Bedingungen für die Erzeugung der Normalkomponente geschaffen werden. Die Erhöhung des magnetischen Widerstandes muss in Kauf gen9ommen werden, da anderenfalls anziehende Kräfte überhand nehmen und den Erfolg der Zielsetzung in Frage stellen. Bei praktisch verschwindend kleiner Anziehungskraft entsteht die nach außen zeigende radiale Normalkraftkomponente Fy aus der Wechselwirkung zwischen einer tangentialen Bx-Komponente und dem axial gerichteten Magnetstrom Θ_mr der Magnete My.
12 stellt dar, dass in der Position großer Wechselwirkung zur Erzeugung von F_y für einen kleineren Teil Mx der Magnete mit ihrer Durchflutung eine normal gerichtete Feldkomponente B_y die Erzeugung der tangentialen Kraft F_x übernimmt.
Der in 12 angedeutete Feldlinienverlauf mit starker tangentialer Komponente lässt eine mit zunehmendem Abstand von Erregerteil abnehmende Felddichte erwarten. Umgekehrt folgt daraus, dass sich die abstoßende Kraft mit kleiner werdendem Abstand vergrößert, und die entsprechende Tragfunktion ein stabiles Verhalten aufweist. Die durchgehende Bestückung von RT mit Magneten dient dem Ziel, bei gegebener Kraftgröße F_x eine möglichst hohe Stützkraft F_y erzielen zu können. Der Verlauf der erwarteten Kraftkomponenten F_x(x) und F_y(x) ist in Abhängigkeit vom Drehwinkel in 13 dargestellt.
Das praktisch verlustfrei arbeitende kombinierte Trag- und Vortriebsverfahren wird zur Vermeidung von Kraftabsenkungen in ähnlicher Weise wie bei den vorausgehenden Beispielen durch zwei oder mehrere versetzte Wechselfeldmagnetkreis verwirklicht.
Im Falle einer rotierenden Anordnung wirkt die Normalkomponente der Stützkraft zentrierend und kann gemeinsam mit der Momentenübertragung die Grundlage für eine Maschine mit integrierter magnetischer Lagerung bilden. Die Übertragung von Umfangskräften ist in Verbindung mit Antriebs- oder Bremswirkungen an der Welle von ET möglich und folgt den Merkmalen, die bereits im Zusammenhang mit 1 geschrieben wurden. Wie sich zeigt, ist das in 13 als Beispiel beschriebene Größenverhältnis der Kraftkomponenten F_x und F_y in gewissem Umfange durch Entwurfsmerkmale gestaltbar; es kann auch durch die betriebliche Einflussnahme auf die Wahl des Winkels für die maximale Kraftbildung von F_x verändert werden.

Claims

Auf magnetischer Wechselwirkung beruhender Wandler für rotierende und lineare Anwendung, der aus mindestens zwei, quer zur Bewegungsrichtung wirkenden Teilsystemen besteht, deren jedes wiederum mindestens zwei Teile umfasst, die durch einen Luftspalt getrennt sind, wobei in einem dieser Teile jeweils sich drehende und im wesentlichen zylindrische Magnetanordnungen ein Wechselfeld erzeugen, das über den Luftspalt hinweg im jeweils anderen Magnetkreisteil der tangential zum Luftspalt beweglich ist, Kräfte erzeugt, wobei die nebeneinander angeordneten Teilsysteme entsprechend ihrer Anzahl in ihren drehbaren Teilen und im Reaktionsteil einen symmetrischen Versatz aufweisen, und die Wechselfelder Kraftwirkungen auslösen, die in der Summe grundsätzlich denjenigen von stromerregten Wanderfeldern entsprechen.
Magnetischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregereinheiten der einzelnen Teilsysteme auf eine gemeinsame Welle arbeiten und diese mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist.
Magnetischer Wandler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in größerem Umfange durch Auslegungsmerkmale des magnetischen Kreises das Verhältnis von Normal- zu Vortriebskraft beeinflussbar ist.
Magnetischer Wandler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch betrieblich durchführbare Eingriffe Einfluss auf die Größe des magnetischen Feldes und der Kraftkomponenten genommen werden kann.
Magnetischer Wandler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Magnetkreisteilen erzeugten Normalkräfte als Trag- und Stützkräfte herangezogen werden.
Magnetischer Wandler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragkräfte als stabil wirkende Stützkräfte erzeugt werden.
Magnetischer Wandler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stabil wirkenden Stützkräfte vom gleichen System von Magnetkreisen in Kombination mit Vortriebskräften erzeugt werden.
Magnetischer Wandler nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen in Gruppen zusammengefasst von einer den Gleichlauf sichernden Schaltung betrieben werden.