DE102009025343A1

DE102009025343A1 - Durch Gleichstrom erregte Wechselfelder hoher Dichte

Info

Publication number: DE102009025343A1
Application number: DE102009025343A
Authority: DE
Inventors: Herbert Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2010-12-23
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: DE102009025343B4

Abstract

Die Erzeugung hoher Feld- und Kraftdichten mit Hilfe von Gleichstrom erzeugten Wechselfeldern setzt bestimmte Abmessungsrelationen zwischen Erregerzentrum und Wechselwirkungsbereich voraus. Durch eine Erweiterung des Erregerkonzeptes auf der Grundlage der Feldinverter lassen sich die Kraftdichten beträchtlich erhöhen. Es wird beschrieben, wie der für den Betrieb der Feldinverter erforderliche elektromagnetische Wandler zu bemessen ist und die integrierte Geschwindigkeitsstufe zu einer hilfreichen Krafttransformation wird (Fig. 5).

Description

Stand der Technik
Durch den Einsatz von gleichstromführenden Kupferleitern zur Erregung magnetsicher Felder lassen sich bei konventionell gekühlter Ausführung zusammen mit dem hochpermeablen Eisen magnetische Felder großflächiger Art unter wirtschaftlichen Bedingungen bereitstellen. Das mit hohen Felddichten verbundene Streben nach erhöhter Kompaktheit stößt dabei jedoch an Grenzen. Die geforderten hohen Strombelastungen der Spulen führen zu Problemen mit der Wärmeabfuhr und zwingen auch im Hinblick auf die Leistungsbilanz zum Einsatz wirksamerer Mittel.
Der Supraleitertechnik wird vor allem der Vorteil der Verlustreduktion bei gleichzeitiger Steigerung der Stromdichte zugeschrieben. Allerdings wird ein Teil der damit verbundenen Kompaktheitsschritte durch die notwendigen Kühlungsmaßnahmen zusammen mit der Anwendung des Hochvakuums zur thermischen Isolation wieder aufgezehrt. Hinsichtlich der Anlagenwirtschaftlichkeit zeigt sich, dass der hauptsächliche Einfluss aus der Beschränkung der Erregerleistung durch Wegfall der Gleichstromverluste resultiert, dass hingegen bauliche Vorteile aufgrund erhöhter Felddichten in den Hintergrund treten. Soweit sie vorhandnen sind, muss hingenommen werden, dass infolge der anspruchsvollen Kühltechnik die Kosten nicht gesenkt werden können. In der Gesamtbilanz muss auch dem Umstand Rechnung getragen werden, dass der Einsatz der Tiefkühltechnik mit einem flexiblen Betriebsmuster nur in wenigen Fällen vereinbar ist. Weil bei supraleitenden Erregersystemen kurzfristige technische Eingriffe nicht durchführbar sind, entfällt ein wesentlicher Betriebsvorteil elektromagnetischer Wandler. Die zuletzt genannten betrieblichen Schwächen der Supraleitertechnik sind für mittlere und größere Leistungen gleichermaßen bedeutungsschwer; sie stehen einer optimalen Prozessführung im Wege und behindern somit die Systemgestaltung.
Wie gezeigt werden konnte, lassen sich Verfahren zur Erzeugung von Wechselfeldern angeben, die bestehende Nachteile umgehen.
In der noch nicht vorveröffentlichen Patentanmeldung DE 10 2009 022 423.8 wird die Möglichkeit beschrieben, durch Einsatz eines Feldinverters in einer stationären Magnetkreisanordnung mit Gleichstromerregung Wechselfelder zu erzeugen. Die dem Wechselfeld mitzuteilende Leistung wird dabei nicht elektrisch, sondern über die mechanische Leistung dem Feldinverter übertragen. Der magnetische Fluss der gleichstromführenden Spule kann dabei konstant gehalten werden. Für beide Richtungen des Energieflusses ergeben sich hierdurch günstige Möglichkeiten, mit hohen Leistungsdichten die Energieumsetzung vorzunehmen. Elektrische Verluste im klassischen Sinne, also Wicklungsverluste, entstehen hierbei nicht. Das Konzept des nachgeschalteten Feldinverters ist offensichtlich für transversale und longitudinale Magnetkreise anwendbar. Wie gezeigt wurde, kann bei transversalem Magnetkreis auch dem Gedanken der Felddichtekonzentration im Arbeitsspalt durch konfiguratorische Maßnahmen entsprochen werden. Hingegen zeigen die Funktionsbeschreibungen für longitudinale Kreise mit 12÷15 eine deutliche Beschränkung aufgrund der Geometrie. Die größtmögliche Felddichte im Arbeitsspalt liegt in diesem Falle unterhalb der Hälfte des Grenzwertes, der durch die Eisensättigung bestimmt wird. Mit Blick auf das Ziel einer möglichst hohen Felddichte, nahe am Sättigungsgrenzwert, ist dies ein unzufriedenstellendes Ergebnis. Recht positiv ist für die longitudinale Magnetkreisanordnung zu erwähnen, dass für die erforderliche Leistungsumsetzung am Rotor von Re dessen Queranordnung zur Bewegung von RT eine günstige Voraussetzung darstellt.
Es besteht demnach die erfindungsgemäße Aufgabe darin, für die Inverter-gestützte Wechselfelderzeugung bei Gleichstrom führenden Spulen im longitudinalen Konzept Felddichte-Steigerungsmaßnahmen einzuführen, um im Arbeitsspalt Felddichten zu ermöglichen, die näher an die Sättigungsgrenze des Eisens heranreichen. Zu beachten ist dabei die Anwendungsvoraussetzung der Flusskonstanz in der Gleichstrom führenden Erregerspule. Es ist weiter der Gedanke einer elektromagnetischen Leistungsumsetzung am Inverterrotor in Betracht zu ziehen und für dessen Realisierungsvoraussetzung zu sorgen. Zusammen mit der Möglichkeit der Wechselfelderzeugung in einem stationären Erregerteil entstehen somit günstigere Voraussetzungen für den anlagetechnischen Einsatz supraleitender Spulen im Energiesektor.
Die Lösung der Aufgabe wird durch einen ausführlichen Text beschrieben und durch mehrere Bilddarstellungen verdeutlicht.
Beschreibung
Mit den 1, 1a, 2 wird die Ausgangslage im Zusammenhang mit dem Einsatz von Feldinvertern bei Gleichstrom führenden Spulen und dem zu optimierenden Kraftbildungsvorgang dargestellt. Der magnetische Kreis mit dem in 1 gezeichneten zweipoligen Ausschnitt besitzt ein stationäres Erregerteil ET, in dessen Zentrum die gleichstromführende Spule mit den Leitern El steht. Ihre kreisförmigen Querschnitte sind gegenüber der Röhre Gi elektrisch isoliert gelagert und im Falle von Supraleitern durch ein Kühlmedium auf tiefe Temperaturen gekühlt. Die Röhre Gi ist gegenüber dem Flussleitteil Lp und damit dem Erregerteil ET befestigt, wie die Draufsicht 2 zeigt. Wälzlager La ermöglichen die reibungsarme Rotation der Invertersegmente Re, die über einen kleinen Luftspalt δ_e kreisförmig an das Teil Lp anschießen und in unterschiedlichen Polen Lz gleiche Stellung, d. h. gleiche Drehwinkel aufweisen. Sie weisen in der Längsschnitt-Darstellung 1 die Form von Kreisring-Abschnitten auf, wobei der Winkel des abgeschnittenen Teils etwas weniger als 180° einnimmt. Ihr innerer Rand schließt mit nur kleinem Spalt an die Oberfläche von Gi an. Die axiale Längsausdehnung der Teile Re und Lp ist in 2 mit l_g bezeichnet. Auch das Reaktionsteil RT weist diese Länge auf und bildet für das von El erregte Feld mit der im Spalt δ_E auftretenden Felddichte B_p in Längsrichtung eine gegenüber Luft stark verbesserte Rückflussmöglichkeit. Die im vorliegenden Modell, bezüglich ihres Maximalwertes noch nicht vollständig optimierte Felddichteerzeugung, weist bereits das Merkmal des Wechselfeldes auf, bei dem definitionsgemäß ein bestehender stationärer Pol 1 nahe einer dem Bewegungsablauf des Reaktionsteils RT entsprechenden Zeitspanne seine Polarität wechselt, und sein Nachbarpol 2 im Gleichtakt den entgegengesetzten Polaritätswechsel erfährt. Das den Feldwechsel bestimmende Bauteil, der Inverterrotor Re als Schleusentor und gemeinsam mit der Einschnürungsstelle T, auch Verschlusselement, übernimmt durch seine Rotationsgeschwindigkeit auch die taktgebende Funktion. Es besteht zwischen Rotationsgeschwindigkeit Ω von Re und der Bewegungsgeschwindigkeit v bei stationärem Betrieb der Zusammenhang Ω = π/τ·v.
Dies besagt, dass bei gegebener Geschwindigkeit v durch die Wahl der Polteilung τ eine Gestaltungsmöglichkeit zur Nutzung einer Geschwindigkeitstransformation gegeben ist. Die Kraftkopplung der Bauteile ET und RT erfolgt über das von den Spulenleitern El erzeugte magnetische Feld unter den Polen Lz. Wie 1a in vergrößertem Maßstab schematisch dargestellt, zeigt die Felddichte an der Oberfläche von RT einen durch die Lage der Magnete Mr gekennzeichneten Verlauf, der zwei tiefe Einsattelungen gegenüber dem durch den Eisenabstand δ_E gekennzeichneten Höchstwert B_c aufweist. Die erzeugte Polkraft je Längeneinheit berechnet sich aus dem Produkt von wirksamer magnetischer Felddichte B_m und dem im Magneten eingeprägten Strom Θ_m. Eine Kraftmaximierung setzt ein möglichst hohes B_m voraus, das allerdings mit der Nebenbedingung einer durch die Sättigung bestehende Obergrenze für B_c versehen ist. Als optimiert kann demnach eine Spaltkontur von RT gelten, die durch verhältnismäßig großes δ_E ein günstiges Verhältnis B_m/B_c ermöglicht. Der Mittelwert B_p der Felddichte wird hierdurch nahe an den Grenzwert B_c herangeführt.
Der vorteilhafte Einsatz der Supraleitung zeigt sich somit darin, dass durch Erhöhung der Erregerdurchflutung, also der vom Leiterquerschnitt El getragenen Stormsumme, verlustlos eine hohe Felddichte B_p bei großem Luftspalt δ_E generiert werden kann, ohne dass die Kompaktheit der Magnetkreisanordnung geschwächt wird.
Das Bauteil RT stellt bezüglich der Geschwindigkeitsübereinstimmung mit dem periodisch sich verändernden Wechselfeld eine synchrone Wechselwirkungsvariante dar. Die Wechselwirkung selbst ist frei von strombedingten Verlusten und stellt, abgesehen von Eisenverlusten, die hauptsächlich auf die Bauteile Lp und Re beschränkt sind, eine weitgehend verlustfreie Energieübertragung dar.
In 1 dargestellt sind die Feldlinien des Erregerflusses in ET. Von den Magneten Mr wird in der gezeichneten Stellung A das magnetische Rückwirkungsfeld erzeugt, das sich dem Erregerfeld überlagert. Wird dieser Vorstellung gefolgt, so zeigt sich z. B. im Pol 1, dass der untere Kreisabschnittsrand von Re durch die Feldüberlagerung von der Erregerkomponente befreit wird, während am oberen Rand die dort austretenden Feldkomponenten bestehen bleiben. Die Wirkung dieser Überlagerung erzeugt eine in Umfangsrichtung wirkende Kraft auf Re. Zur Leistungsübertragung auf das Bauteil Re muss dieser Reluktanzkraft durch Drehung im entgegengesetzten Sinne entsprochen werden.
Wie 2 zeigt, kann dies durch einen zweiten Rotor einer elektrischen Maschine EmR erfolgen. Er ist über das Bauteil V direkt mit dem Inverter Re verbunden. Seine Länge l_e liegt im Größenbereich der Länge l_g von Lp, während sein Durchmesser 2r_e dadurch etwas geringer als 2 r sein muss, weil hier angenommen wird, dass der Rotor EmR von einem Statorteil EmS einer elektrischen Maschine umschlossen ist, sh. 6. Die elektrische Maschine als elektromagnetischer Wandler übernimmt dabei die Leistungsbereitstellung für Re.
Im Gegensatz zu der Anordnung RT liegt für die Leistungsumsetzung in elektrische Form eine deutlich günstigere Voraussetzung vor. Sie besteht in einer sehr zweckmäßigen Magnetkreisgestaltung mit nur kleinem Spalt und gegenüber v mit erhöhter Geschwindigkeit v_e.
In der Tabelle 3 ist in der ersten Zeile das Felddichteverhältnis B_p/B_i angegeben und durch die relevanten Abmessungen erfasst. B_i ist dabei die dem Polinneren von Re entsprechende Felddichte. Mit den durch 1 verdeutlichten Relationen ergibt sich für das Verhältnis ein Zahlenwert, der deutlich unter der Zahl 1, ja sogar unter 0,5 liegt. Da die Felddichte B_i in Re nicht höher als der Sättigungswert von 1,8 T sein kann, ergibt sich bei der vorgesehen Geometrie das Ergebnis einer unzureichend hohen Felddichte für B_p und B_m.
Es liegt auf der Hand, dass für die Erhöhung der Erregerdurchflutung allein die Felddichte B_m nicht beliebig erhöht werden kann. Ihre Erhöhung ist jedoch Voraussetzung für die Erzielung hoher Kraftdichten. Die Lösung dieser Problematik gelingt durch Erhöhung des in Zeile 1 der Tabelle 3 angegebenen Abmessungsverhältnisses.
Um einen größeren magnetischen Polfluss bereitzustellen, wird mit 4 der Weg beschritten, eine zusätzliche Flussquelle in Form einer rotierenden zweipoligen Erregereinheit Me jeweils zwischen die spulenerregten Nachbarpole unterschiedlicher Polarität einzubringen. Mit annähernd gleichem Durchmesser, wie Re wird so zusätzlich eine Wechselfelderregerquelle zur Beschickung des Polfeldes wirksam. Das entsprechende Verhältnis der Flussdichten B_p/B_i ermittelt man mit der Annahme für die Felddichte in Rm B'_m = B_p und für B_p < B_r zu 0,5 (b_i – d_i)/(b_p – 2r) als eine Art Grenzwert.
Dieser Wert kann nun die Zahl 1 erreichen und auch überschreiten. Im Falle eines mit Permanentmagneten bestückten Reaktionsteils RT sind somit deutlich höhere Kraftdichten als Folge eines erhöhten Verhältnisses B_m/B_p gemäß Tabelle 3 realisierbar.
In der Tabelle 3 wird unter „Kraftdichten” darauf verwiesen, dass durch die an der elektrischen Maschine Ein auftretende hohe Umfangsgeschwindigkeit eine im Vergleich zu F_A kleinere Kraftdichte F_Ae entsteht. Die dort stattfindende Energieumsetzung lässt sich mit vergleichsweise kleinem Aufwand bewirken.
Die weiteren Bilder 5 und 6 zeigen, gegenüber 4, die Wirkung der zusätzlichen Winkeldrehung um π/2 und π der rotierenden Einheiten. Die den Stellungen B und C entsprechenden Feldverläufe sind angegeben. Erwartungsgemäß wird in der Stellung B der Felddurchtritt zu den Polflächen blockiert und die Anregung durch die Symmetriestellung ausgeschaltet. In der Stellung C entsteht die zu A gegensinnige Feldrichtung, so dass auch für diese Magnetkreisvariante der Wechselfeldcharakter ersichtlich ist.
7 vermittelt durch eine baunähere Schnittzeichnung von Spule Sp, den Feldinvertern Re und der angekoppelten elektrischen Maschine EM einen verbesserten Einblick in das Wandlerkonzept. Es wurde darauf verzichtet, den mit Permanentmagneten bestückten Erreger Rm im Bild aufzunehmen. Auch in diesem Fall ist eine direkte Kopplung mit der elektrischen Maschine EM als zweckmäßige Lösung dargestellt.
In 7 wird davon ausgegangen, dass die Teilrotoren Re und EmR über Verbindungsstücke V zu einer mechanischen Einheit verbunden sind, die gegenüber der Röhre Gi über die beiden Lager La drehbar gelagert ist. Die Röhre Gi ist ihrerseits mit den ortsfesten Bauteilen und auch mit dem Körper Lp fest verbunden. Der Rotor EmR ist zylindrisch vom Stator der elektrischen Maschine EmS umschlossen, dessen Gehäuse, wie in 7 angedeutet, mit der Röhre Gi im Lagerbereich eine Einheit bildet.
8 stellt den der Magnetkreisanordnung nach 4 entsprechenden Magnetflussverlauf schematisch dar. Der den Polfluss im Arbeitsspalt entsprechende Wert ist mit Φ₁ bezeichnet. Der Stellung A der Invertereinheiten von 4 folgt nach einer 45°-Drehung Stellung B, entsprechend 5, und nach einer weiteren 45°-Drehung der der Position C entsprechende Wert. Der Flusswert Φ₁ setzt sich aus zwei Anteilen, dem Supraleiterteil Φ_s und dem permanentmagnetischen Anteil Φ_p zusammen. Dabei durchsetzt ein Teil des permanentmagnetischen Teils, nämlich Φ_ps, auch die supraleitende Spule, wie in 4 durch Feldlinien angedeutet ist. Die beiden Anteile Φ_s und Φ_ps bilden den konstant zu haltenden Spulenfluss. Durch einen, wie oben angedeutet, zu modellierenden Streufluss Φ_σ schließt sich die im Übergangsbereich der Stellung B bestehende Flusslücke. Die durch das Rückwirkungsfeld verursachten Störungen der Flusskonstanz gelten als sehr gering. Die Störeinflüsse werden außerhalb der Spule wirksam und haben Einfluss auf die Feldverteilung an den Invertereinheiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102009022423 [0004]

Claims

Aus mindestens zwei Teilen bestehender magnetischer Kreis zur Wechselfelderzeugung für longitudinale Flussführung mit Gleichstrom führenden Spulen im Erregerteil, wobei je Pol eine magnetisierende Spulenseite eingesetzt ist, zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes am Arbeitsluftspalt gegenüber dem Reaktionsteil je Pol ein segmentartiger magnetisch leitfähiger Rotor, der um die Spule im Zentrum geführt ist, als Feldinverter Verwendung findet, und zwischen den Nachbarpolen unterschiedlicher Polarität zur Feldverstärkung ein mit Permanentmagneten bestückter Rotor dient.
Magnetischer Kreis nach Anspruch 1 zur Erzeugung gleichstromerregter Wechselfelder, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wahl des Kreisabschnittswinkels der Inverterrotoren und der diametralen Einschnürungsstellen an den Polen die Größe des Streuflusses zur Konstanthaltung des Spulenflusses herangezogen wird.
Magnetischer Kreis nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet bestückte Rotor mit gleichem Durchmesser wie die magnetisch passiven Inverterrotoren ausgeführt wird.
Magnetischer Kreis nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung hoher Kraftdichten im Arbeitsspalt dessen Länge zwischen den Eisenkonturen von Polfläche und Reaktionsteil in Abhängigkeit von der Ausdehnung der an den Spalt grenzenden Permanentmagneten gewählt wird.
Magnetischer Kreis nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Betrieb erforderliche mechanische Leistungsaustausch mit den Inverterrotoren durch axial direkt über den Rotor gekoppelte elektrische Maschinen erfolgt.