Stand der TechnikState of the art
Zur
Beeinflussung der Umfangsgeschwindigkeit elektrischer Maschinen
ist dort das Mittel der sogenannten Polumschaltung bekannt. Hierbei
werden mit konstanter Frequenz gespeiste Dehstromwicklungen so gestaltet,
dass sie z. B. mit zwei um einen festen Faktor verschiedenen Polteilungen
betrieben werden können. Dies erfordert eine bestimmte Schaltkreisform
und zwingt zu Zugeständnissen hinsichtlich der ausführbaren
Kraftdichte gegenüber den nicht umschaltbaren Wicklungen.
Auch hinsichtlich der Ausführung des Wechselwirkungspartners
im zweiten Maschinenteil müssen besondere Voraussetzungen
erfüllt sein. Am einfachsten sind die Verhältnisse
bei Wechselwirkung asynchroner Art, also bei Einsatz von Kurzschlussläufern
erfüllbar.to
Influencing the peripheral speed of electrical machines
is there the means of so-called Polumschaltung known. in this connection
Dehnstromwicklungen fed with constant frequency are designed so
that they z. B. with two pole divisions different by a fixed factor
can be operated. This requires a certain circuit shape
and forces to make concessions regarding the executable
Power density compared to the non-reversible windings.
Also regarding the execution of the interaction partner
in the second machine part have special requirements
be fulfilled. The easiest are the conditions
in interaction of asynchronous type, so when using squirrel cage rotors
fulfilled.
Mit
der Einführung Wechselrichter gespeister Maschinen, die
in einem weiteren Frequenzbereich betrieben werden können,
schwindet das Interesse am polumschaltbaren Konzept. Allerdings
zeigen Erfahrungen aus verschiedenen Einsatzfeldern, dass die Hinnahme
eines großen Frequenzbereichs für den Magnetkreis
des Wandlers, aber auch für die verlustarme Auslegung des
Frequenzumrichters große Bemessungsprobleme mit sich bringt.
In der Fahrzeugtechnik ist bei elektrischen Antrieben im hohen Geschwindigkeitsbereich
meist eine Drehmoment-Charakteristik für konstante Leistung
verlangt. In Verbindung mit einem Auslegungsziel für minimale Wechselrichterleistung
mit einer möglichst konstanten Betriebsspannung ergeben
sich für die Magnetkreisauslegung ungünstige Zwangsbedingungen.
Sie haben zur Folge, dass sich sowohl bei stromerregten wie auch
bei permanenterregten Magnetkreisen die erzielbaren Kraftdichten
drastisch verringern und durch hohe Frequenzen und feldbedingte
Verluste ein schwacher Wirkungsgrad entsteht. Weder für
den elektromagnetischen Wandler noch für den Frequenzumrichter
werden dabei zufriedenstellende Daten erreicht. Die Einführung
magnetischer Getriebe auf der Grundlage von rotierenden Magneteinheiten nach
den noch unveröffentlichten Patentanmeldungen DE 10 2008 050 410.6 und DE 10 2008 059 853.7 ermöglichen
die Erzeugung von Wechselfeldern hoher Dichte an Arbeitsspalten
die größer sein können, als der durch
mechanische Bedingungen notwendige Minimalspalt. Sie lassen bei
Wechselwirkungen mit Permanentmagnet-bestückten Reaktionsteilen
synchrone Wechselwirkung hoher Kraftdichtre erwartet. Das Geschwindigkeitsverhältnis
der Reaktionspartner ist durch Abmessungsrelationen gegeben und
durch einen begrenzten Spielraum dieser Werte bestimmt. Zu den Vorteilen
des magnetischen Wandlerkonzepts zählt, dass die Leistungsumsetzung
in Verbindung mit den rotierenden Erregereinheiten günstige
Dimensionierungsbedingungen hinsichtlich der Drehzahl freisetzt.
Es werden so niedrige aktive Masse bei begrenzten Verlusten ermöglicht.
Wie sich jedoch zeigt, ist bei einem großen Geschwindigkeitsspiel
die Auslegung der Umwandlungsstufe zwischen Getriebe und Leistungszuführung
beeinträchtigt. Auch hierbei wirkt sich ein hoher oberer
Frequenzwert der elektrischen Spannung negativ für die
Magnetkreisgestaltung und die Bemessung des Frequenzumrichters aus.
Auch im Falle einer Integration des elektromagnetischen Wandlers
in den Erregerkreis der rotierenden Magneteinheiten zeigen sich
Bemessungsprobleme.With the introduction of inverter-fed machines that can be operated in a wider frequency range, interest in the pole-changing concept is dwindling. However, experience from various fields of application shows that the acceptance of a large frequency range for the magnetic circuit of the converter, but also for the low-loss design of the frequency converter brings large design problems. In vehicle technology, electric drives in the high speed range usually require a torque characteristic for constant power. In conjunction with a design target for minimum inverter power with a constant operating voltage as possible unfavorable constraints arise for the magnetic circuit design. As a result, the achievable power densities are drastically reduced both in the case of current-excited and permanent-magnetized magnetic circuits, and weak efficiency is created by high frequencies and field-related losses. Neither for the electromagnetic converter nor for the frequency converter satisfactory data are achieved. The introduction of magnetic transmissions based on rotating magnet units according to the still unpublished patent applications DE 10 2008 050 410.6 and DE 10 2008 059 853.7 allow the generation of alternating fields of high density at working gaps which can be larger than the minimum gap required by mechanical conditions. They are expected to interact with permanent magnet-equipped reaction parts synchronous interaction of high Kraftdichtre. The velocity ratio of the reactants is given by dimensional relations and determined by a limited latitude of these values. Among the advantages of the magnetic transducer concept is that the power conversion in conjunction with the rotating exciter units releases favorable speed sizing conditions. It allows such low active mass with limited losses. However, as it turns out, in a high speed game, the design of the conversion stage between the transmission and the power supply is impaired. Here too, a high upper frequency value of the electrical voltage has a negative effect on the magnetic circuit design and the dimensioning of the frequency converter. Even in the case of integration of the electromagnetic transducer in the field circuit of the rotating magnet units, there are design problems.
Es
besteht demnach die erfingdungsgemäße Aufgabe
darin, eine zweckmäßigere Anpassung des elektromagnetischen
Wandlers dadurch zu erreichen, dass das magnetische Getriebe mindestens stufenweise
stellbar gestaltet wird. Es wird hiernach angestrebt, den Frequenzbereich
des elektromagnetischen Wandlers sowie des magnetischen Getriebes einzuschränken.
Neben der stufenweisen Stellbarkeit wird auch eine stufenlose Einflussnahme
auf das vom Getriebe bestimmte Geschwindigkeitsverhältnis der
Getriebepartner als Ziel gesehen.It
is therefore the erfingdungsgemäße task
in it, a more appropriate adaptation of the electromagnetic
Transducer by the fact that the magnetic transmission at least gradually
is designed adjustable. It is hereafter sought, the frequency range
of the electromagnetic transducer and the magnetic transmission.
In addition to the gradual adjustment is also a stepless influence
at the speed ratio determined by the transmission
Gear partner seen as a target.
Die
Aufgabe wird durch eine ausführliche Textdarstellung beschrieben
und durch eine Anzahl Bilder ergänzt.The
Task is described by a detailed text representation
and supplemented by a number of pictures.
Beschreibungdescription
Magnetkreiskonzepte
mit variabler Polteilung sind bei Anwendung von stromführenden
Wicklungen äußerst schwer verwirklichbar. Im Falle
von Erregersystemen, deren Feldquellen in Form rotierender Permanentmagneten
bestehen, ergeben sich etwas günstigere Ausgangsbedingungen.
Polteilungsänderungen werden hier nicht durch sich überdeckende
Wicklungssteile behindert. Allerdings sind auch im Falle der permanenterregten
Magnetkreise Bedingungen einzuhalten, um Polteilungsänderungen
möglich zu machen.Magnetic circuit concepts
with variable pole pitch are when using current-carrying
Windings extremely difficult to realize. In the event of
of exciter systems whose field sources are in the form of rotating permanent magnets
exist, there are slightly more favorable starting conditions.
Pole pitch changes are not overlapping here
Winding parts impeded. However, even in the case of the permanent-magnet
Magnetic circuits comply with conditions for pole pitch changes
to make possible.
In 1 wird
eine aus einem Erregerteil ET und einem Reaktionsteil RT bestehende
Magnetkreisanordnung dargestellt, die im Spalt δ ein magnetisches
Wechselfeld der Polteilung τ1 erzeugt.
Die Polteilung entspricht hierbei dem einfachen Polabstand des von
ET erzeugten magnetischen Feldes. Während des stationären
Arbeitszustandes ist das untere Magnetkreisteil RT, das stellbare
Magneteinheiten RE besitzt, als ein in sich unbewegliches Teil anzusehen.
Im Bild sind die der Magnetisierungsrichtung der Magnete zugeordneten
Randströme kenntlich gemacht. Sie wechseln in ihrer Richtung
von Pol zu Pol. Das mit den Erregereinheiten EM bestückte Erregerteil
ET weist die Permanentmagneten M auf, deren Drehgeschwindigkeiten
an die Wandergeschwindigkeit von RT angepasst sind. Zwischen den Magneteinheiten
bestehen in Längsrichtung magnetisch leitfähige
Verbindungen. Sie sind im Erregerteil mit Lp und im Reaktionsteil
mit Lz bezeichnet. Als Wechselwirkung zwischen Erregerfluss und
Randstrom der Magneten Mr des Reaktionsteils entsteht die Tangentialkraft
F auf das Reaktionsteil. Die Gegenkraft F' tritt im Erregerteil
ET auf. Aufgrund der Abmessungen der Permanentmagnete M, deren Dicke
hm deutlich größer ist
als die Summe der Luftspaltlängen, und deren Breitenausdehnung
2r etwa der Polbreite von Lz entspricht, kann geschlossen werden,
dass sich im Arbeitsspalt magnetische Felddichten verwirklichen
lassen, die nahe dem Remanenzwert Br des
Magnetmaterials liegen. Im Zusammenhang mit dem Randstrom Θmr der Magneten Mr entstehen somit hohe Polkräfte
und bezogen auf die Flächeneinheit hohe Kraftdichten. Obgleich
für eine Begrenzung der magnetischen Rückwirkung
anzustreben ist, dass die Magnetdicke hm des
Erregerteils größer ist als diejenige des Reaktionsteils,
liegen die erzielbaren Kraftdichten um ein Mehrfaches höher
als im Falle elektrisch erregter Wandler.In 1 a magnetic circuit arrangement consisting of an exciter part ET and a reaction part RT is shown which generates an alternating magnetic field of the pole pitch τ 1 in the gap δ. The pole pitch corresponds to the simple pole distance of the magnetic field generated by ET. During the stationary working state, the lower magnetic circuit part RT, which has adjustable magnet units RE, is to be regarded as a self-immovable part. The picture shows the edge currents associated with the magnetization direction of the magnets. They change in their direction from pole to pole. The excitation part ET equipped with the excitation units EM has the permanent magnets M whose rotational speeds are adapted to the migration speed of RT. There are magnets in the longitudinal direction between the magnet units table conductive connections. They are designated in the exciter part with Lp and in the reaction part with Lz. As an interaction between the excitation flux and the edge current of the magnets Mr of the reaction part, the tangential force F arises on the reaction part. The counterforce F 'occurs in the exciter part ET. Due to the dimensions of the permanent magnets M, whose thickness h m is significantly greater than the sum of the air gap lengths and whose width 2r corresponds approximately to the pole width of Lz, it can be concluded that magnetic field densities can be realized in the working gap which are close to the remanence value B r of the magnetic material. In connection with the edge current Θ mr of the magnets Mr, high pole forces thus arise and, based on the area unit, high force densities. Although it is desirable for a limitation of the magnetic reaction that the magnet thickness h m of the excitation part is greater than that of the reaction part, the achievable force densities are several times higher than in the case of electrically excited transducers.
Die
in 2 gezeichnete Magnetstellung in den Magnetkreisteilen
ET und RT weist gegenüber 1 für
50% der Magneten Positionsdrehungen um 180° und damit entsprechende
Polaritätswechsel auf. Somit vergrößert
sich die Polteilung τ2 auf den doppelten
Betragt von τ1. Die in RT erfolgte
Drehung der Magneteinheiten RE wird z. B. an einer jeweils in senkrechten
Richtung anschließenden Welle vorgenommen, während
für die Magneteinheiten EM von ET elektromagnetische Wandler
und deren Steuerung die Verdrehung vornehmen können. Aus 2 ist
ersichtlich, dass nun in beiden Magnetkreisteilen jeweils zwei Magneteinheiten
mit gleicher Polarität benachbart sind und sich die Wirkbreite
der magnetischen Felder verdoppelt hat, wobei die Felddichten gleichen
Wert behalten. Auch die Kraftdichte bleibt somit konstant. Bei gleicher
Relativgeschwindigkeit geht die Feldänderungsfrequenz auf
den halben Betrag zurück. Sie bleibt hingegen konstant,
wenn die Geschwindigkeit auf den doppelten Betrag erhöht wird.
Gegenüber der unveränderten Polteilung lassen
sich somit die Feldverluste stark reduzieren.In the 2 drawn magnetic position in the magnetic circuit parts ET and RT faces 1 for 50% of the magnets position rotations by 180 ° and thus corresponding polarity change. Thus, the pole pitch τ 2 increases to twice the value of τ 1 . The rotation of the magnet units RE in RT is carried out, for example, by B. on a respective subsequent shaft in the vertical direction, while for the magnetic units EM of ET electromagnetic transducers and their control can make the rotation. Out 2 It can be seen that two magnet units with the same polarity are now adjacent in both magnetic circuit parts and the effective width of the magnetic fields has doubled, the field densities retaining the same value. The force density thus remains constant. At the same relative speed, the field change frequency returns to half the amount. It remains constant when the speed is increased to double the amount. Compared to the unchanged pole pitch, the field losses can thus be greatly reduced.
Für
die Auslegung der Frequenzumrichter entstehen ebenfalls Verlustvorteile,
die deren Bemessung begünstigen.For
the design of the frequency inverters also results in loss advantages,
which favor their design.
Die
Schaltmöglichkeiten zur Änderung der Feldfrequenz
sind nicht auf das Zahlenverhältnis 1:2 beschränkt.
Abhängig von der Gesamtzahl der Pole lassen sich auch die
Polteilungsverhältnisse 1:3, 1:4 usw. realisieren. Der
Anteil der hierzu zu verändernden Magnetpolarität
erhöht sich damit. Er steigt von 1/2 auf 2/3, 3/4 usw.The
Switching options for changing the field frequency
are not limited to the numerical ratio 1: 2.
Depending on the total number of poles can also be the
Pole division ratios 1: 3, 1: 4, etc. realize. Of the
Proportion of the magnetic polarity to be changed for this purpose
increases with it. It increases from 1/2 to 2/3, 3/4, etc.
Polumschaltung beim transversalen
MagnetkreisPole change in the transversal
magnetic circuit
In 3 wird zur Lösung des Problems
der schaltbaren Polteilung davon ausgegangen, dass der transversale
Magnetkreis als Erregungssystem ET vorliegt und das Reaktionsteil
RT sich quer zur Ebene des Erregerfeldes bewegt. Das von den rotierenden
Magneteinheiten RE und ET zu erzeugende Wechselfeld kommt entsprechend
in den Reaktionsteilen RT1 links oder RT2 rechts zur Wirkung. Mit
Hilfe der sich drehenden Permanentmagneten M kann das Erregerfeld
in beiden Arbeitsbereichen angeboten werden. Ist – wie
im Falle von 3 gezeichnet – das
Reaktionsteil RT2 eingerückt, entsteht dank des Aufbaus
des Bauteils Tr und dessen verhältnismäßig hoher
magnetischer Leitfähigkeit an den Magneten des Reaktionsteils
eine hohe Felddichte. Dies ist die Voraussetzung für eine
große Tangentialkraft F. Dazu trägt auch bei,
dass zur gleichen Zeit der gegenüberliegende Spalt wegen
des dort ausgerückten Reaktionsteils RT1 einen großen
magnetischen Widerstand darstellt, so dass praktisch der gesamte
magnetische Fluss zur rechten Seite umgeleitet wird. Ähnliche
magnetische Verhältnisse entstehen im umgekehrten Fall
bei ausgerücktem Teil RT2 und eingerücktem Teil RT1.In 3 In order to solve the problem of the switchable pole pitch, it is assumed that the transverse magnetic circuit is present as an excitation system ET and the reaction part RT moves transversely to the field of the exciter field. The alternating field to be generated by the rotating magnet units RE and ET accordingly takes effect in the reaction parts RT1 on the left or RT2 on the right. With the help of the rotating permanent magnet M, the excitation field can be offered in both work areas. Is - as in the case of 3 drawn - the reaction part RT2 indented, created thanks to the structure of the component Tr and its relatively high magnetic conductivity at the magnets of the reaction part, a high field density. This is the prerequisite for a large tangential force F. It also contributes to the fact that at the same time the opposite gap represents a large magnetic resistance due to the reaction part RT1 disengaged there, so that practically the entire magnetic flux is diverted to the right side. Similar magnetic conditions arise in the reverse case with disengaged part RT2 and eingentrem part RT1.
3a zeigt
als Beispiel gegenüber 3b eine
um den Faktor 2 vergrößerte Polteilung. Hierfür sind
die Polansätze Lz1 gegenüber jenen von Lz2 auf die
doppelte Breite vergrößert. Gleichzeitig ist Tr1
gegenüber Tr2 mit mehreren Magneten Mr bestückt,
so dass bei etwa gleicher Erregerfelddichte die Polkraft je Flächeneinheit
konstant gehalten werden kann. Es kann davon ausgegangen werden,
dass z. B. die Polanordnung nach 3a der
linken Magnetkreisseite und die Anordnung nach 3b der
rechten Magnetkreisseite von 3 zugeordnet
ist. 3a shows as an example opposite 3b a larger by a factor of 2 pole pitch. For this purpose, the Polansätze Lz1 are compared to those of Lz2 enlarged to twice the width. At the same time Tr1 is equipped with several magnets Mr opposite Tr2, so that with approximately the same excitation field density, the pole force per unit area can be kept constant. It can be assumed that z. B. the pole arrangement after 3a the left side of the magnetic circuit and the arrangement after 3b the right side of the magnetic circuit of 3 assigned.
Der
die Polteilungsänderung bewirkende Eingriff in den Magnetkreis
ergibt sich hier verhältnismäßig einfach.
Es bestehen dabei zwei Optionen: Die beiden Reaktionsteile sind
mit ihren Konstruktionsteilen Kr1 und Kr2 z. B. über eine
gemeinsame Welle so verbunden, dass sie sich auf der Welle axial um
den Verschiebebetrag bewegen lassen. Der Eingriff wird somit über
die Reaktionsteile vorgenommen. Als zweite Möglichkeit
kommt in Betracht, dass statt der Reaktionseinheiten die Erregereinheit
im Stator des Wandlers axial verschieblich angeordnet ist. Zu erwähnen
bleibt, dass außer der in 3a und 3b gezeichneten
Längenrelation der Pollteilung von 1:2 auch andere Zahlenverhältnisse
realisierbar sind. Es sollte auch erwähnt werden, dass
dank der freieren Wahl von Erregermagnetabmessung und Polteilung
beim transversalen Magnetkreis für die Felddichteoptimierung
günstigere Bedingungen als bei der longitudinalen Magnetkreisanordnung
bestehen. Dank hoher Sammelfaktoren für die Flusskonzentration
lassen sich sehr hohe Felddichten erzeugen. Die für die
Effizienzbeurteilung wichtigen Maximalwerte der Kraftdichte sind
jeweils ganz bestimmten Magnetstellungen der Wechselwirkungspartner zugeordnet.
Es liegt auf der Hand, dass bei Abweichungen von dieser Optimalzuordnung
sich kleinere Felddichten und kleinere Kräfte ergeben.
Es kann somit festgestellt werden, dass in Abhängigkeit
von der winkelabhängigen Magnetstellung der Magneteinheiten
in ET und RT auf die Größe des magnetischen Flusses
und die Größe der Kraft eingewirkt wird. Die Kraftkopplung
wird hierdurch stufenlos veränderbar.The Polteilungsänderung effecting intervention in the magnetic circuit arises here relatively simple. There are two options: The two reaction parts are with their structural parts Kr1 and Kr2 z. B. connected via a common shaft so that they can be moved axially on the shaft to the displacement amount. The intervention is thus made via the reaction parts. As a second possibility is considered that instead of the reaction units, the excitation unit is arranged axially displaceable in the stator of the converter. It should be mentioned that except in 3a and 3b drawn length relation of the poll division of 1: 2 also other numerical ratios can be realized. It should also be mentioned that thanks to the freer choice of excitation magnet dimension and pole pitch in the transverse magnetic circuit for field density optimization, more favorable conditions exist than in the longitudinal magnetic circuit arrangement. Thanks to high collection factors for the flux concentration, very high field densities can be generated. The maximum values of the force density which are important for the efficiency evaluation are in each case specific magnet positions of the interaction partners assigned. It is obvious that deviations from this optimal allocation result in smaller field densities and smaller forces. It can thus be stated that the magnitude of the magnetic flux and the magnitude of the force are influenced in dependence on the angle-dependent magnetic position of the magnet units in ET and RT. The power coupling is thereby continuously variable.
Stufenlos stellbare ÜbersetzungInfinitely variable translation
Mit
den bislang beschriebenen Magnetkreisvarianten lassen sich Polteilungsverhältnisse
und Frequenzverhältnisse ganzzahliger Art verwirklichen. Dies
entspricht für bestimmte Anwendungen dem Einsatz von schaltbaren
mechanischen Getrieben, die dabei allerdings nicht reibungsfrei
arbeiten. Es ist bekannt, dass stufenlos stellbare mechanische Getriebe
sich für größere Leistungen wegen der
damit verbundenen Verlustleistung nicht durchsetzen können.
Mit 4 und folgenden Bildern wird ein Konzept eines
magnetischen Getriebes mit stufenlos stellbarer Polteilung und Frequenz
dargestellt. Angestrebt wird hierbei, dass gleichzeitig mit der
Polteilungsänderung auch eine Momentenwandlung, d. h. eine
Veränderung des Drehmoments in seiner Größe erfolgt.
Der großen Polteilung soll hierbei ein großes Drehmoment
zugeordnet werden. Die Topologie des Magnetkreises basiert auf jener
von 1. Es handelt sich also um einen longitudinalen
Magnetkreis, bestehend aus einem Erregerteil ET und dem Reaktionsteil
RT. In ET sind die rotierenden Magneteinheiten innerhalb der verschieblich
angeordneten Pole EP zur Erzeugung des Wechselfeldes positioniert. Die
Magneten Mr sind im Reaktionsteil fest eingebaut. Die Form des Reaktionsteils
ist eine Scheibe. Durch das feststehende Joch Lj wird die Flussleitfähigkeit zwischen
den Polen EP hergestellt, wobei zwischen den Einheiten EP und dem
scheibenförmigen Joch ein kleiner Spalt δj besteht. Die Größe des Arbeitsluftspaltes δ ist
im Allgemeinen größer als der Spalt δj. Die Poleinheiten EP sind in der Weise
verschieblich, wie auch die Polteilung des Reaktionsteils mit dem
Radius sich ändert.With the magnetic circuit variants described so far can be Polteilungsverhältnisse and frequency ratios of integer kind realize. This corresponds to the use of switchable mechanical gearboxes for certain applications, although they do not work without friction. It is known that infinitely adjustable mechanical transmission can not prevail for greater performance because of the associated power loss. With 4 and the following pictures shows a concept of a magnetic gear with infinitely adjustable pole pitch and frequency. The aim here is that simultaneously with the Polteilungsänderung also a torque conversion, ie a change in the torque takes place in its size. The large pole pitch is to be assigned here a large torque. The topology of the magnetic circuit is based on that of 1 , It is therefore a longitudinal magnetic circuit consisting of an excitation part ET and the reaction part RT. In ET, the rotating magnet units are positioned within the displaceably arranged poles EP for generating the alternating field. The magnets Mr are permanently installed in the reaction part. The shape of the reaction part is a disk. Due to the fixed yoke Lj, the flux conductivity is produced between the poles EP, wherein a small gap δ j exists between the units EP and the disk-shaped yoke. The size of the working air gap δ is generally larger than the gap δ j . The pole units EP are displaceable in the same way as the pole pitch of the reaction part with the radius changes.
5 zeigt
in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt für
den Einsatz der um den Faktor 2 vergrößerbare
Polteilung. Auch hierbei ist erkennbar, dass der für den
größtmöglichen Fluss verantwortliche
magnetische Widerstand sich durch die Polverschiebung nur wenig ändert
und somit von einer praktisch konstanten Felddichte auszugehen ist. Hierdurch
bleibt auch die Kraft je Pol konstant. Die gegenüber 4 in
Bewegungsrichtung hinzukommende Ausdehnung ergibt sich entsprechend 6 aufgrund
der Scheibengeometrie, mit den dort für die zwei Extrempositionen
EP1 und EP2 gezeichneten Stellungen der Polanordnung. Die eingezeichneten strahlenförmig
angeordneten Magneten Mr stehen in der Position der maximalen Kraft.
Diese wird für das Reaktionsteil RT auf die Welle We übertragen.
In der Darstellung von 6a ist die Zuordnung der Magnetkreisteile
in einem Axialschnitt angedeutet. Das Verhältnis der die
Polstellung kennzeichnenden mittleren Radien rm1 und
rm2 entspricht dabei dem Verhältnis
der zugeordneten Polteilungen. Zwischen den Extrempositionen der
Polanordnung kann durch radiale Verschiebung eine stufenlose Änderung
des Polabstands erreicht werden. Durch die annähernd konstante
Polkraft ergibt sich eine mit dem Verschieberadius proportionale
Drehmomentzunahme. Dies ermöglicht eine günstigere
Betriebsweise des elektromagnetischen Wandlers, der die Antriebsleistung der
rotierenden Permanentmagnete bereitstellt. Für niedrige
Drehzahl wird die Übersetzungsstufe mit großem
Poldurchmesser bei hohen Drehzahlen mit niedrigem Poldurchmesser
betrieben. Eine Magnetflussbeschränkung lässt
sich durch veränderte Winkelstellung der Magnete M erreichen. 5 shows an enlarged view of a section for the use of the factor 2 enlargeable pole pitch. Here, too, it can be seen that the magnetic resistance responsible for the largest possible flux changes only slightly as a result of the pole displacement, and thus a practically constant field density can be assumed. As a result, the force per pole remains constant. The opposite 4 in the direction of movement added expansion results accordingly 6 due to the disc geometry, with the there drawn for the two extreme positions EP1 and EP2 positions of the pole arrangement. The drawn radially arranged magnets Mr are in the position of maximum force. This is transmitted to the wave We for the reaction part RT. In the presentation of 6a the assignment of the magnetic circuit parts is indicated in an axial section. The ratio of the pole position characterizing mean radii r m1 and r m2 corresponds to the ratio of the associated pole pitches. Between the extreme positions of the pole arrangement, a stepless change of the pole spacing can be achieved by radial displacement. Due to the approximately constant Polkraft results in a proportional to the Verschiebadius torque increase. This allows a more favorable operation of the electromagnetic converter, which provides the driving power of the rotating permanent magnets. For low speed, the gear ratio is operated with large pole diameter at high speeds with low pole diameter. A magnetic flux restriction can be achieved by changing the angular position of the magnets M.
Integrierter elektromagnetischer
WandlerIntegrated electromagnetic
converter
7 zeigt
am Beispiel einer in longitudinaler Flussführung gezeichneten
Polanordnung für die Erregereinheit EP eine integrierte
Version des elektromagnetischen Wandlers. Hierbei wird davon ausgegangen,
dass die Rückwirkung der Magnete des Wechselwirkungspartners
verhältnismäßig klein ist. Die stromführende
Wicklung ist am Umfang von RE in gleichförmig verteilten
Nuten N mit den Spulenseiten Sp' und Sp'' in diametraler Position
angeordnet. Mit Hilfe eines Frequenzumrichters FU und eines Lagesensors
Se sowie dem Regler St wird die Stromrichtung winkelabhängig
von der Position des Erregerteils RE bestimmt und führt
zur Drehung der Magneten M. Die Überwindung der magnetischen
Reaktionskraft wird durch die Leistungszufuhr über den Frequenzumrichter
gedeckt. 7 shows an integrated version of the electromagnetic transducer using the example of a longitudinally flux-guided pole arrangement for the excitation unit EP. It is assumed that the reaction of the magnets of the interaction partner is relatively small. The current-carrying winding is arranged on the circumference of RE in uniformly distributed grooves N with the coil sides Sp 'and Sp "in a diametric position. With the aid of a frequency converter FU and a position sensor Se and the regulator St, the current direction is determined as a function of the position of the excitation part RE and leads to the rotation of the magnets M. The overcoming of the magnetic reaction force is covered by the power supply via the frequency converter.
In 8 ist
vereinfacht ein Axialschnitt durch eine Getriebeanordnung skizziert,
bei dem zwischen der feststehenden Jochscheibe Lj und der Rotorscheibe
RT die mit integrierter Wicklung bestückten Poleinheiten
EP in radialer Richtung über die Führung PF und
das Lager PL für EP verschiebbar angeordnet sind. Die Spannungsversorgung
erfolgt über den Frequenzumrichter FU aus einem Netz konstanter
Spannung durch die flexible Zuleitung Vs. Das Bauteil Lj ist fest
mit dem Gehäuseteil Ks' verbunden, das mit einem weiteren
Gehäuseteil Ks'' über Lager La die Welle We stützt.
Auf letzterer ist das Reaktionsteil RT, das den scheibenförmigen
Rotor bildet, befestigt.In 8th simplified is an axial section outlined by a gear arrangement in which between the fixed yoke disc Lj and the rotor disk RT equipped with integrated winding pole units EP are arranged in the radial direction on the guide PF and the bearing PL for EP slidably. The voltage is supplied via the frequency converter FU from a constant voltage network through the flexible supply line Vs. The component Lj is fixedly connected to the housing part Ks', which supports the shaft We with a further housing part Ks''via bearings La. On the latter, the reaction part RT, which forms the disk-shaped rotor, attached.
Geht
man von der Masse des einzusetzenden aktiven Materials aus, so zeigt 8 einen
gewissen Mehraufwand gegenüber einer nicht stufenlos stellbaren
Magnetkreisanordnung mit zwei unterschiedlichen Polteilungen. Eine
Anordnung dieser Art ist in 9 dargestellt.
Die Erreger- und Reaktionsteile sind für die beiden unterschiedlichen
Polteilungen auf unterschiedlich großen Durchmessern angeordnet.
Entsprechend der Zeichnung ist nur die Wechselwirkungspaarung EP1/RT1
im Einsatz. Im ausgerückten Zustand mit großem
Spalt und entregt befindet sich mit großem Durchmesser
die Paarung EP2/RT2. Die Erregerpole EP1 und EP2 sind an die Stromversorgung,
d. h. über den Frequenzumrichter FU, der seinerseits am
Netz der Spannung U liegt, getrennt betreibbar angeschlossen. Die
rotierenden Magneteinheiten RM1, RM2 sind über das Gehäuseteil
Ks drehbar gelagert. Die scheibenförmig ausgeführten
Konstruktionsteile Kr1 und Kr2 ermöglichen die Verbindung
der Rotorscheiben mit der Welle. Die Joche Lj1 und Lj2 sind feststehend.
Eine mechanische Antriebseinheit Av gestattet während der
Drehung eine Axialverschiebung von RT2. Die Anordnung mit der großen
Polteilung wird hier als Ergänzungseinheit für
die Erzeugung großer Drehmomente eingesetzt. Bei hohen
Geschwindigkeiten ermöglicht der ausgerückte Zustand
von ET2 die Entregung und damit den verlustarmen Betrieb.If one starts from the mass of the active material to be used, it shows 8th a certain overhead compared to a non-adjustable magnetic circuit arrangement with two different pole pitches. An arrangement of this kind is in 9 shown. The pathogen and reaction Parts are arranged on different diameters for the two different pole pitches. According to the drawing, only the interaction pair EP1 / RT1 is in use. In the disengaged state with a large gap and de-energized, the pairing EP2 / RT2 is located with a large diameter. The exciter poles EP1 and EP2 are connected to the power supply, ie via the frequency converter FU, which in turn is connected to the network of the voltage U, operable connected separately. The rotating magnet units RM1, RM2 are rotatably supported via the housing part Ks. The disk-shaped design parts Kr1 and Kr2 allow the connection of the rotor disks with the shaft. The yokes Lj1 and Lj2 are fixed. A mechanical drive unit Av allows an axial displacement of RT2 during rotation. The arrangement with the large pole pitch is used here as a supplementary unit for the generation of large torques. At high speeds, the disengaged state of ET2 allows for de-excitation and thus low-loss operation.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
-
- DE 102008050410 [0002]
- DE 102008050410 [0002]
-
- DE 102008059853 [0002]
- DE 102008059853 [0002]
