DE102009025342B4

DE102009025342B4 - Permanent magnet excited arrangement with adjustable additional magnets in energy converters

Info

Publication number: DE102009025342B4
Application number: DE102009025342.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: DE102009025337B4; DE102009025342A1; DE102009025337A1

Abstract

Magnetischer Kreis für rotierende oder lineare Anwendung, bestehend aus mindestens zwei Teilen, die durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, • von denen einer als Erregerteil (ET) ausgebildet ist, dessen Pole durch feststehende Permanentmagnete (Mp) in streufeldarmer Sammleranordnung gebildet werden, • wobei auf der dem Luftspalt abgewandten Seite des Erregerteils (ET) zwischen den Polen eine aus Permanentmagneten (Mj) und Eisenteilen (Ek2) bestehende zweipolige, drehbare Zusatzerregung (Re) mit kreisförmigem Querschnitt und kleinem Übertrittsluftspalt zu den Polen angeordnet ist, • und wobei der mindestens zweite Teil aus einem an den Luftspalt der Pole angrenzenden, magnetisch gut leitfähigen Rückschlussteil (PT) besteht.Magnetic circuit for rotary or linear application, consisting of at least two parts, which are separated by an air gap, • one of which is formed as excitation part (ET) whose poles are formed by fixed permanent magnets (Mp) in streufeldmermer collector assembly, • wherein on the side facing away from the air gap of the excitation part (ET) between the poles of a permanent magnet (Mj) and iron parts (Ek2) existing two-pole, rotatable auxiliary excitation (Re) is arranged with a circular cross-section and small clearance air gap to the poles, and wherein the at least second part of an adjacent to the air gap of the poles, magnetically good conductive return part (PT) consists.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Bedeutung von permanenterregten Magnetkreisen konnte durch zahlreiche Anwendungen z. B. in der Antriebstechnik unter Beweis gestellt werden. Sowohl höhere Kraftdichten auch ein verlustärmerer Betrieb konnten durch die Konzepte der permanentmagneterregten Maschinen in linearer und rotierender Anwendung bestätigt werden.The importance of permanent magnet circuits has been demonstrated by numerous applications such. B. be proven in the drive technology. Both higher force densities and a lower-loss operation could be confirmed by the concepts of permanent magnet excited machines in linear and rotating applications.

Zu den noch nicht überzeugend gelösten Fragen gehört die Stellbarkeit durch geringen Aufwand und darin eingeschlossen auch die Frage der Abschaltung der Erregung in Extremsituationen. Bei Fahrzeugantrieben wird daneben auch erwartet, dass bei hohen Drehzahlen ein verlustfreier Leerlauf ermöglicht werden soll Dies setzt eine deutliche Schwächung des magnetischen Flusses ohne Strombeeinflussung voraus und ist bei den bislang bekannt gewordenen Lösungen nicht in gewünschter Weise darstellbar. Soll von einer durch stromführende Wicklung ausgelösten Wirkung abgesehen werden, kann nur ein mechanischer Eingriff in den Magnetkreis als zielführend angesehen werden. Hierbei weisen die sogenannten passiven Eingriffe, also jene, die auf eine durch Teilverschiebung hervorgebrachte Änderung des magnetischen Widerstandes abzielen, den Nachteil auf, dass sie nur zu einer Schwächung des Magnetflusses geeignet sind. Allerdings ist auch ihre Verwirklichung an die Voraussetzung eines Verschiebemechanismus gebunden und damit aufwendig realisierbar.Among the not yet convincingly solved questions is the ability to adjust by little effort and including the question of switching off the excitement in extreme situations. In the case of vehicle drives, it is also expected that loss-free idling should be possible at high rotational speeds. This requires a significant weakening of the magnetic flux without influencing the current and can not be represented as desired in the solutions that have become known hitherto. If it is intended to dispense with an effect triggered by current-carrying winding, only a mechanical intervention in the magnetic circuit can be considered expedient. In this case, the so-called passive interventions, ie those which aim at a change in the magnetic resistance brought about by partial displacement, have the disadvantage that they are only suitable for weakening the magnetic flux. However, their realization is bound to the requirement of a displacement mechanism and thus consuming feasible.

Dies gilt z. B. für die in DE 44 21 594 A1 beschriebene Lösungsvariante. Wenn also eine mechanisch zu bewirkende Verschiebetechnik in Anspruch genommen werden muss, dann sollen sich daraus für die hauptsächlichen Eigenschaften des magnetischen Kreises zusätzliche Vorteile ableiten lassen. Andernfalls ist der zusätzliche Aufwand nicht zu rechtfertigen. Die erzielbaren Vorteile sollten dann z. B. darin bestehen, dass durch den Eingriff ein großer Bereich der Feldstellung erschlossen werden kann. Es müsste die Feldverstärkung ebenso möglich sein wie die Schwächung. Außerdem sollte nachweisbar sein, dass gegenüber der konventionellen Magnetanordnung Vorteile durch höhere erzielbare Kraftdichten möglich werden. Letztere könnten sich etwa dadurch ergeben, dass nun für Maschinen mit großen Luftspalten Felddichten zur Anwendung kommen, die sich bislang mit begrenzten Polteilungen nicht erzeugen ließen. Dies setzt voraus, dass die Erregeranordnung durch besondere Wahl der Bemessung ihrer Magnete und deren Anordnung z. B. in streuungsarmer V-Form mit hohem Sammelfaktor erfolgt. Die zusätzliche Erregung durch stellbare Permanentmagnete muss dann an die Primärerregung so angepasst werden, dass sie in ihrer Wirkung den Optimierungswünschen gerecht wird. Als Maximalwert der Felddichten werden Werte erwartet die über den Marken der Remanenzinduktion liegen.This applies z. B. for in DE 44 21 594 A1 described solution variant. If, therefore, a mechanical displacement technique has to be used, then additional advantages should be derived for the main properties of the magnetic circuit. Otherwise, the extra effort is unjustifiable. The achievable benefits should then z. B. be that a large area of the field position can be developed by the intervention. It would have to be the field gain as possible as the weakening. In addition, it should be demonstrable that advantages can be achieved by higher achievable force densities compared to the conventional magnet arrangement. The latter could result, for example, from the fact that field densities are now used for machines with large air gaps, which could not be produced until now with limited pole pitches. This requires that the excitation arrangement by special choice of the design of their magnets and their arrangement z. B. takes place in low scattering V-shape with high collection factor. The additional excitation by adjustable permanent magnets must then be adapted to the primary excitation so that their effect meets the optimization wishes. The maximum value of the field densities is expected to be higher than the marks of the remanent induction.

Beim Patent US 2007/0205 684 A1 wird durch eine gegenseitige Verschiebung von Flachmagneten nahe dem Arbeitsspalt ein Eingriff in den Erregerkreis beschrieben. Als Flachmagnetanordnung kann man den oben genannten Optimierungsforderungen jedoch nicht entsprechen. Auch aus mechanischen Gründen ist eine Lösung mit zwei zur Welle konzentrischen Magnetanordnungen kaum als leicht realisierbar zu betrachten. Eine Übertragbarkeit dieses Verfahrens auf andere magnetische Konfigurationen ist ebenfalls nicht erkennbar.In the patent US 2007/0205 684 A1 is described by a mutual displacement of flat magnet near the working gap an intervention in the exciter circuit. As a flat magnet arrangement, however, one can not meet the above-mentioned optimization requirements. Also, for mechanical reasons, a solution with two magnetic arrangements concentric with the shaft can hardly be regarded as easily realizable. A transferability of this method to other magnetic configurations is also not apparent.

Es besteht demnach die erfindungsgemäße Aufgabe darin, für durch Permanentmagnete erregte magnetische Kreise bei rotierender und linearer Anordnung eine durch Permanentmagnete dargestellte Zusatzerregung zu beschreiben, die auf der Grundlage der Felddichtekonzentration im Arbeitsspalt die Erzeugung von Felddichten ermöglicht, die höher als die Remanenzinduktion sind und dabei durch einfache mechanische Beeinflussung sowohl Feldverstärkung als auch Schwächung in weitem Bereich zulassen.It is therefore the object of the invention is to describe for magnetically excited by permanent magnets magnetic circuits in rotating and linear arrangement represented by permanent magnets additional excitation, which allows the generation of field densities based on the field density concentration in the working gap, which are higher than the remanence and thereby allow simple mechanical interference both field enhancement and weakening in a wide range.

Die Lösung der Aufgabe wird durch einen ausführlichen Text und mit mehreren Bilddarstellungen erläutert.The solution to the problem is explained by a detailed text and several image representations.

Beschreibungdescription

In den 1a und 1b wird dargestellt, dass durch die zusätzlichen Magnete Mj eines drehbaren Erregerteils Re zwischen den durch eine primäre Magnetanordnung Mp gebildeten Polen im Arbeitsspalt δ_a ein in weiten Grenzen stellbares Magnetfeld hoher Felddichte erzeugt werden kann.In the 1a and 1b is shown that can be generated by the additional magnets Mj a rotatable exciter part Re between the poles formed by a primary magnet assembly Mp in the working gap δ _a an adjustable magnetic field of high field density within wide limits.

Während in 1a angenommen ist, dass sich das Feld in einer magnetisch gut leitfähigen Tragschiene PT rückschließt, ist in 1b das Rückschlussteil als Primärteil einer elektrischen Maschine ausgebildet, indem dort eine Wechselstromwicklung Wi am Luftspalt angelegt ist.While in 1a it is assumed that the field is reflected in a magnetically good conductive support rail PT is in 1b formed the return part as a primary part of an electric machine by there is an AC winding Wi is applied to the air gap.

Wie ersichtlich, sind die P-Magnete Mp so bemessen, dass ihre Länge etwa dem doppelten Wert der halben Polbreite entspricht und der Durchmesser 2r von Re, der etwa die Länge der Magneten Mj bestimmt, ungefähr die gleiche Länge aufweist wie die Magneten Mp. Die Summe beider Magnetdicken sollte etwa den zweifachen Betrag der Luftspaltlänge aufweisen, wobei angenommen ist, dass δ_a > δ_b, gilt. Durch diese Bemessungsregel kann sichergestellt werden, dass die Felddichte im Arbeitsspalt höher ist als die Remanenzinduktion von B_r. Dies ist ein wichtiges Merkmal im Hinblick auf hohe Kraftdichte.As can be seen, the P magnets Mp are dimensioned so that their length corresponds to about twice the half pole width and the diameter 2r of Re, which determines the length of the magnet Mj, approximately the same length as the magnet Mp. Die The sum of both magnet thicknesses should be approximately twice the air gap length, assuming that δ _a > δ _b . This design rule ensures that the field density in the working gap is higher than the remanence induction of B _r . This is an important feature in terms of high power density.

Durch die Aufteilung der Magnete in zwei Gruppen, deren eine dem Verbindungsteil zwischen den Polen zugeordnet ist, lässt sich die Gruppe der im Pol fest eingesetzten Magnete schlanker dimensionieren, wodurch ein Beitrag zur Verbreiterung der Pole entsteht. Der zweite Beitrag kommt dadurch zustande, dass die Breite b_p der Pollücke nur mit Rücksicht auf den interpolaren Streufluss, also verhältnismäßig schmal gewählt werden kann. Durch das nun ehr große Verhältnis b_p/τ wird die Voraussetzung zur Erzielung einer hohen Kraftdichte verbessert. By dividing the magnets into two groups, one of which is assigned to the connecting part between the poles, the group of magnets firmly inserted in the pole can be made slimmer, thereby contributing to the broadening of the poles. The second contribution is due to the fact that the width b _{p of} the pole gap can be selected only with regard to the interpolar leakage flux, ie relatively narrow. By now ehr large ratio b _p / τ the condition for achieving a high power density is improved.

Mit 1a wird durch die Magnetstellung von Re eine Addition der Magneterregung Mj mit derjenigen von Mp erzeugt. 1b zeigt hingegen, dass bei einer Drehung von Re um 180° eine Totalentregung für das Luftspaltfeld resultiert. Dies ist auch ein Ergebnis der Wahl gleicher Magnetdicken für Mp und Mj. Werden hierfür unterschiedliche Magnetdicken eingesetzt, lässt sich dieses Ergebnis variieren. Es leuchtet ein, dass durch andere Stellungen von Re sich Zwischenwerte der beschriebenen Felddichtegrößen erzielen lassen. Die Erregerzylinder Re sind durch leitfähiges Material Ek2 zu einer Kreisquerschnittsform ergänzt. Dies erleichtert die Anwendung eines kleinen Luftspaltes gegenüber dem Teil Ek1. Die drehbaren Magnete sind gegenüber diesem Bauteil reibungsarm gelagert und besitzen einen die Stellbarkeit bestimmenden Antrieb. Durch eine Gleichlaufschaltung kann im Falle eines elektrischen Antriebsmotors ermöglicht werden, dass mehrere Stelleinheiten Re in gleicher Weise den Befehl zur Einnahme der beabsichtigten Winkelstellung durchführen.With 1a By the magnetic position of Re, an addition of the magnet excitation Mj to that of Mp is generated. 1b shows, however, that with a rotation of Re by 180 ° total de-excitation results for the air gap field. This is also a result of choosing equal magnet thicknesses for Mp and Mj. If different magnet thicknesses are used for this purpose, this result can be varied. It is clear that other positions of Re can achieve intermediate values of the field density quantities described. The excitation cylinders Re are supplemented by conductive material Ek2 to a circular cross-sectional shape. This facilitates the use of a small air gap with respect to the part Ek1. The rotatable magnets are mounted with low friction relative to this component and have a drive that determines the adjustability. By a synchronizing circuit can be made possible in the case of an electric drive motor that several actuators Re perform the same command to take the intended angular position in the same way.

Die Anwendung im Bereich rotierender elektrischer Maschinen kommt der Auslegung der elektronischen Stellorgane im Sinne der Aufwandsbeschränkung entgegen. Ohne Magnetkreiseingriff wird normalerweise der Wechselstromwicklung die Rolle des Stellorgans übertragen. Dies führt dazu, dass deren Wechselrichter stark überdimensioniert werden muss.The application in the field of rotating electrical machines counteracts the design of the electronic actuators in terms of effort limitation. Without magnetic circuit intervention usually the AC winding is transferred to the role of the actuator. As a result, their inverters must be oversized.

Für lineare Anwendung kann davon ausgegangen werden, dass die beschriebene Stelltechnik der Feldbeeinflussung, bei entsprechender Auslegung ihres Antriebs, schnell genug ist, um auch eine Tragkraftstabilisierung zu ermöglichen. Dies gilt zumindest für kleine und mittlere Betriebsgeschwindigkeiten der Fahrzeuge.For linear application, it can be assumed that the described control technology of the field influence, with appropriate design of their drive, fast enough to allow a load capacity stabilization. This applies at least for small and medium operating speeds of the vehicles.

Beispiel für Tragmagnet-AnwendungExample of carrying magnet application

Für die Anwendung als stellbarer Tragmagnet zeigen die Darstellungen von 2 und 3 Magnetkreiszustände und ihren Einfluss auf die Tragkraftkennlinien im Diagramm, 4. 2 zeigt drei, 3 zwei Stellungen der Erregereinrichtungen Re mit den zugehörigen Feldzuständen. Es wurde angenommen, dass die Permanentmagneten Mj gleiche Erregerwirksamkeit wie die Magnete Mp aufweisen. Die verschiedenen Rotorstellungen von Re zeigen als Beispiel mit 2a.: Feldverstärkung, 2b: fast kein Einfluss, 2c: Feldentregung, 3a: fast abgeschlossene Entregung, 3b: fast abgeschlossene Zusatzerregung. Die Magnetkreisteile Ek1 sind durch das nicht magnetische Konstruktionsteil Ks verbunden.For the application as an adjustable support magnet show the representations of 2 and 3 Magnetic circuit states and their influence on the load capacity curves in the diagram, 4 , 2 shows three, 3 two positions of the excitation device Re with the associated field states. It was assumed that the permanent magnets Mj have the same excitation efficiency as the magnets Mp. The different rotor positions of Re show as an example 2a .: Field enhancement, 2 B : almost no influence, 2c : Field delirium, 3a : almost complete relaxation, 3b : almost completed auxiliary excitation. The magnetic circuit parts Ek1 are connected by the non-magnetic construction part Ks.

4 zeigt als Beispiel den quantitativen Einfluss der Drehbewegung von Mj auf die Tragkraftkennlinie. Im Vergleich zu F_A0 von Stellung 2b kann in erster Näherung dadurch ein stabiles Verhalten erreicht werden, dass für Spalte δ > δ_n auf Stellung 2a „geschaltet” wird und für Spalte δ < δ_n hingegen auf Stellung 2c. 4 shows as an example the quantitative influence of the rotational movement of Mj on the load capacity curve. Compared to F _A0 of position 2b, a stable behavior can be achieved in a first approximation that is "switched" to column 2a for column δ> δ _n and, for column δ <δ _n , to position 2c.

Der vorgesehenen Magnetdimensionierung entsprechend erfolgt für die großen Spalte eine Anhebung der Tragkraft auf etwa 4 F_A0, während für kleine Spalte die Tragkraft gegen Null geht. Gemäß dem trägheitsbehafteten Rotorkörper wird der Einstellvorgang mit geringer Verzögerung erfolgen, was durch eine gestrichelte Linie der Funktion F_Ap(δ) angedeutet ist.The proposed magnetic dimensioning is carried out for the large column an increase in the carrying capacity to about 4 F _A0 , while for small column, the carrying capacity approaches zero. According to the inertia-bearing rotor body, the adjustment process will take place with a slight delay, which is indicated by a dashed line of the function F _Ap (δ).

Wie aus 4 zu entnehmen ist, kann durch die Zusatzerregung Mj mit sehr geringem Leistungsaufwand bereits eine Näherung an die gewünschte bzw. erforderliche stabile Kraftkennlinie erzielt werden. Der Aufwand für die elektrische Stabilisierung lässt sich damit stark reduzieren.How out 4 can be seen, can be achieved by the additional excitation Mj with very little effort already an approximation to the desired or required stable force curve. The effort for electrical stabilization can thus be greatly reduced.

Verstellung von Re durch integrierten StellmotorAdjustment of Re by integrated servomotor

5 zeigt einen Ausschnitt der Erregeranordnung mit Magnetgruppen Mp im Pol und Mj in Re. Die Drehung der Hilfserregung Re kann durch Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und stromführenden Spulen im Bauteil Ek1 erreicht werden. Die Wechselstrom führenden Wicklungen sind in Form einer zweisträngigen Wicklung mit den Strängen Wha und Whb gebildet. Der Wicklungsstrang Wha ist nach der vertikalen Achse Av, der Strang Whb nach der horizontalen Achse Ah ausgerichtet. Um Re aus der gezeichneten Richtung zu bewegen, sind in dem Strang Whb Ströme aufzuschalten, während Wha zunächst stromlos bleibt. Die Bewegungsrichtung ergibt sich aus der Stromrichtung. 5 shows a section of the exciter arrangement with magnet groups Mp in the pole and Mj in Re. The rotation of the auxiliary excitation Re can be achieved by interaction between the magnetic field and current-carrying coils in the component Ek1. The AC windings are formed in the form of a two-strand winding with the strands Wha and Whb. The winding strand Wha is aligned with the vertical axis Av, the strand Whb with the horizontal axis Ah. In order to move Re from the drawn direction, currents are to be switched on in the strand Whb, while wha remains initially de-energized. The direction of movement results from the current direction.

Der mit geringer Leistung stellbare Antrieb von Re lässt sich auch für mehrere Re-Elemente zusammenfassen, indem mehrere Elemente mechanisch gekoppelt werden oder als Gruppe gemeinsam angesteuert werden.The low-power Re drive can also be grouped into multiple Re elements by mechanically coupling several elements or driving them together as a group.

Claims

Magnetic circuit for rotary or linear application, consisting of at least two parts separated by an air gap, One of which is designed as an excitation part (ET) whose poles are formed by fixed permanent magnets (Mp) in a scatter field-poor collector arrangement, Wherein on the side facing away from the air gap of the excitation part (ET) between the poles of a permanent magnet (Mj) and iron parts (Ek2) existing two-pole, rotatable auxiliary excitation (Re) is arranged with a circular cross-section and a small clearance air gap to the poles, And wherein the at least second part consists of a magnetically highly conductive return-path part (PT) adjoining the air gap of the poles.

Magnetic circuit according to Claim 1, characterized in that the return part (PT) adjoining the air gap carries an alternating current-carrying winding (Wi) whose coil width is matched to the pole pitch (T) of the excitation part (ET).

Magnetic circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the rotatable auxiliary excitation (Re) is about the same size as the magnet length of the permanent magnets (Mp) of the excitation part (ET), by the choice of the magnet thicknesses of the permanent magnets (Mj) of the additional excitation ( Re) the size of the maximum and minimum achievable field density can be varied, and the sum of the magnet thicknesses of the excitation part (ET) and the additional excitation (Re) per pole is chosen to be greater than the air gap at the pole.

Magnetic circuit according to one of the above claims, characterized in that the electric actuator is included in the magnetic circuit by the use of a winding (Wha, Whb) to be fed via an inverter on the circumference of the additional excitation unit (Re).