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Stand der Technik
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Durch den Einsatz von gleichstromführenden Kupferleitern zur Erregung magnetischer Felder lassen sich bei konventionell gekuhlter 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
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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.
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Wie gezeigt werden konnte, lassen sich Verfahren zur Erzeugung von Wechselfeldern angeben, die bestehende Nachteile umgehen.
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In der
DE 10 2009 022 423 A1 mit älterem Zeitrang 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 Beschrankung 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 Sattigungsgrenzwert, ist dies ein unzufriedenstellendes Ergebnis. Recht positiv ist für die longitudinale Magnetkreisanordnung zu erwahnen, dass für die erforderliche Leistungsumsetzung am Rotor von Re dessen Queranordnung zur Bewegung von RT eine gunstige Voraussetzung darstellt.
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In verschiedenen Vorschlagen, wie auch in den Entgegenhaltungen 1 und 3 hat man sich die Aufgabe gestellt, variable Felddichten und auch Wechselfelder durch Magnetkreisanordnungen zu erzeugen, bei denen bewegliche und insbesondere rotierende Permanentmagneten innerhalb einer das Feld führenden Rahmenstruktur eingesetzt werden. Innerhalb eines Arbeitsraums lässt sich je nach Stellung der Erregermagnete eine unterschiedlich große Felddichte zur weiteren Anwendung erzeugen Die dabei gestellte Aufgabe muss sich im Gegensatz zur Felderregung durch eine Gleichstrom führende Spule nicht der Aufgabe zur Vermeidung der Feldruckwirkungen (auf den Permanentmagneten) stellen Da die ihm eingeprägte Magnetisierung und der dieselbe bewirkende Randstrom konstant und verlustfrei bleibt, sind Gegenmaßnahmen bei Feldschwankungen verzichtbar. Bei der Gleichstrom führenden Spule sind hingegen Maßnahmen zur Verhinderung zusatzlicher Verluste durch Feldschwankungen auf Grund anderer Voraussetzungen erforderlich.
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Im Falle der Entgegenhaltung 2) wird anhand mehrerer Beispiele, so auch durch die 25 bis 27 (mit dem zugehörigen Text) neben der Anwendung von rotierenden Permanentmagneten auch der Einsatz Gleichstrom führender rotierender Erregerteile in einem Zwischenrotor einer Asynchronmaschine in Betracht gezogen.
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Diese Anwendung erfordert offensichtlich keine Maßnahmen gegen Feldrückwirkungen, da es sich um eine Asynchronmaschine handelt. Es wird darüber hinaus die Erregung über bewegliche Spulen bereitgestellt, wodurch sich deutliche Unterschiede zu der Aufgabenstellung mit der vorliegenden Patentbeschreibung ergeben.
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Es besteht demnach die erfindungsgemäße Aufgabe darin, für die Inverter-gestützte Wechselfelderzeugung bei Gleichstrom führenden Spulen im stationären Teil beim 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 Moglichkeit der Wechselfelderzeugung in einem stationären Erregerteil entstehen somit günstigere Voraussetzungen für den anlagetechnischen Einsatz supraleitender Spulen im Energiesektor
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Die Losung der Aufgabe wird durch einen ausführlichen Text beschrieben und durch mehrere Bilddarstellungen verdeutlicht.
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Beschreibung
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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 stationares Erregerteil ET, in dessen Zentrum die gleichstromführende Spule mit den Leitern E1 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 δe 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 lg bezeichnet. Auch das Reaktionsteil RT weist diese Länge auf und bildet für das von E1 erregte Feld mit der im Spalt δE auftretenden Felddichte Bp 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 Verschluss-element, übernimmt durch seine Rotationsgeschwindigkeit auch die taktgebende Funktion. Es besteht zwischen Rotationsgeschwindigkeit Ω von Re und der Bewegungs-geschwindigkeit v bei stationärem Betrieb der Zusammenhang Ω = π/τ·v.
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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 E1 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 δE gekennzeichneten Höchstwert Bc aufweist. Die erzeugte Polkraft je Längeneinheit berechnet sich aus dem Produkt von wirksamer magnetischer Felddichte Bm und dem im Magneten eingeprägten Strom Θm. Eine Kraftmaximierung setzt ein möglichst hohes Bm voraus, das allerdings mit der Nebenbedingung einer durch die Sättigung bestehende Obergrenze für Bc versehen ist. Als optimiert kann demnach eine Spaltkontur von RT gelten, die durch verhältnismäßig großes δE ein günstiges Verhältnis Bm/Bc ermöglicht. Der Mittelwert Bp der Felddichte wird hierdurch nahe an den Grenzwert Bc herangeführt
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Der vorteilhafte Einsatz der Supraleitung zeigt sich somit darin, dass durch Erhöhung der Erregerdurchflutung, also der vom Leiterquerschnitt E1 getragenen Stormsumme, verlustlos eine hohe Felddichte Bp bei großem Luftspalt δE generiert werden kann, ohne dass die Kompaktheit der Magnetkreisanordnung geschwächt wird.
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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
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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 Uberlagerung erzeugt eine in Umfangsrichtung wirkende Kraft auf Re. Zur Leistungsübertragung auf das Bauteil Re muss dieser Reluktanzkraft durch Drehung im entgegengesetzten Sinne entsprochen werden
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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 le liegt im Größenbereich der Länge lg von Lp, während sein Durchmesser 2re dadurch etwas geringer als 2r 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
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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 ve.
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In der Tabelle 3 ist in der ersten Zeile das Felddichteverhältnis Bp/Bi angegeben und durch die relevanten Abmessungen erfasst. Bi 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 Bi in Re nicht hoher als der Sättigungswert von 1,8 T sein kann, ergibt sich bei der vorgesehen Geometrie das Ergebnis einer unzureichend hohen Felddichte für Bp und Bm.
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Es liegt auf der Hand, dass für die Erhöhung der Erregerdurchflutung allein die Felddichte Bm 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
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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 Bp/Bi ermittelt man mit der Annahme für die Felddichte in Rm B'm = Bp und für Bp < Br zu 0,5 (bi – di)/(bp – 2r) als eine Art Grenzwert.
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Dieser Wert kann nun die Zahl 1 erreichen und auch uberschreiten. Im Falle eines mit Permanentmagneten bestückten Reaktionsteils RT sind somit deutlich höhere Kraftdichten als Folge eines erhöhten Verhältnisses Bm/Bp gemaß Tabelle 3 realisierbar.
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In der Tabelle 3 wird unter „Kraftdichten” darauf verwiesen, dass durch die an der elektrischen Maschine Em auftretende hohe Umfangsgeschwindigkeit eine im Vergleich zu FA kleinere Kraftdichte FAe entsteht Die dort stattfindende Energieumsetzung lässt sich mit vergleichsweise kleinem Aufwand bewirken
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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.
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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 zweckmaßige Lösung dargestellt.
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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.
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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 Φs und dem permanentmagnetischen Anteil Φp zusammen. Dabei durchsetzt ein Teil des permanentmagnetischen Teils, nämlich Φps, auch die supraleitende Spule, wie in 4 durch Feldlinien angedeutet ist. Die beiden Anteile Φs und Φps bilden den konstant zu haltenden Spulenfluss. Durch einen, wie oben angedeutet, zu modellierenden Streufluss Φσ 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