DE102009054267A1

DE102009054267A1 - Transversalflussmaschine mit Permanentmagnetregelung in Blockform

Info

Publication number: DE102009054267A1
Application number: DE200910054267
Authority: DE
Inventors: Herbert Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-23
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2011-06-01

Abstract

Zum Einsatz bei hochtourigen Anwendungen mit geringer Polzahl und für hochpolige Maschinen bei großem Durchmesser oder in linearer Bauform und großem Luftspalt wird eine Transversalfluss-Magnetkreisvariante beschrieben, die hohe Kraftdichten und geringen Masseeinsatz aufweist. Die Gestaltung des Magnetkreises berücksichtigt sowohl das magnetisch-elektrische Verhalten als auch eine zweckmäßige Ausbildung im Hinblick auf die mechanische Beanspruchung; Fig. 2, 2a.

Description

Stand der Technik
Mit hochpoligen Transversalflussmaschinen als Antriebsmotoren oder als Generatoren für begrenzte Drehzahlen konnten mit hoher Kraftdichte und hohem Wirkungsgrad überzeugende Betriebsdaten nachgewiesen werden. Magnetkreise mit verhältnismäßig kleinen Polteilungen bei geringen Luftspaltlängen wurden mit Hilfe der Sammlermerkmale mit hohen Flussdichten und dadurch verstärkter Kraftbildung dimensioniert.
Wie sich zeigte, lässt sich das gewählte Topologieschema zwar für Magnetkreise mit großem Spalt und erhöhter Polteilung einsetzen, allerdings ohne dass dabei ähnlich günstige Verhältnisse von Masse zu Schubkraft erzielbar wären. Weil sich herausstellte, dass zahlreiche Anwendungen für Maschinen hoher Drehzahl, aber auch für Langsamläufer mit großem Spalt beim Einsatz von Permanentmagneten hinsichtlich ihrer Betriebsmerkmale ungünstig abschneiden, wird vielfach der stromerregten Synchronmaschine, trotz ihrer Nachteile, der Vorzug gegeben.
Die bislang in verschiedenen Vorschlägen beschriebenen Magnetkreise für transversale und longitudinale Varianten weisen den Nachteil auf, dass ihr Bedarf an aktiver Masse, das heißt an Masse für Permanentmagneten, Wicklung und magnetisch leitfähigem Material sehr stark von der Luftspaltlänge und der Polteilung abhängig ist.
Anders ausgedrückt, der Materialeinsatz ist stark geometrieabhängig und für große Spalten sehr hoch. Diese Aussage ist in Übereinstimmung mit dem Befund, dass TF-Maschinen mit kleiner Luftspaltlänge und kleiner Polteilung außerordentlich effizient entworfen werden können. Die Anwendung des Sammlerkonzepts erweist sich hierbei als gut durchführbar.
Naturgemäß ist ein bestimmtes Maß an Anstieg der auf die Schubkraft bezogenen Magnetkreismasse mit zunehmendem Luftspalt und größeren Polteilungen für alle denkbaren Magntekreise unvermeidlich. Allerdings zeigt sich, dass die Stärke der Zunahme für verschiedene Geometrievarianten unterschiedlich ist. Mit Berücksichtigung der Sammlereigenschaften ergeben sich für verschiedene Erregerteile unterschiedliche Voraussetzungen zur Erzielung hoher Felddichten bei gegebener Polteilung.
Für Maschinen hoher Drehzahl ist die beschriebene Problemstellung zusätzlich damit verbunden, dass rotierende Erregerteile, die mit Permanentmagneten zu bestücken sind, nach bisheriger Bauform aus mechanischen Gründen nur wenig für den Einsatz bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten geeignet sind. Dies gilt nicht nur für die in Sammlerform vorgesehenen Magnetanordnungen, sondern auch für die klassische Form der Flachmagnetanordnung im Rotor.
Die vielfach in Betracht gezogene Anwendung von Faserbandagen als Fliehkraft kompensierendes Mittel leidet unter der fasertypischen hohen Dehnungsrate, die sich nicht gut mit der Anwendung von Klebeverbindungen zwischen einzelnen Rotorteilen und auch nicht mit einem kleinen Luftspalt verträgt. Der Einsatz metallischer Ringe mit kleineren Dehnungsraten konnte bislang nicht in das Rotorkonzept einbezogen werden. Es leuchtet ein, dass die Geschwindigkeitstauglichkeit nicht dadurch erzielt werden kann, dass sogenannte versenkte Magnete, also Magnete mit Eisenabdeckung durch leitfähiges Material gegenüber dem Luftspalt eingesetzt werden. Hierbei werden entweder zu niedrige Festigkeitsdaten oder zu ungünstige Merkmale magnetischer Art hervorgerufen.
Die zum Einsatz in schnelldrehenden Antrieben geeigneten Magnetkreisformen sollten demnach auch für Polteilungen im Bereich von etwa 3 cm hohe Luftspalt-Felddichte und hohe Kraftdichte ermöglichen. Ihre Entwurfsvoraussetzungen sollten bei Luftspalten von mehr als 1 mm Umfangsgeschwindigkeiten bis zu etwa 80 m/s zulassen, wobei die leistungsbezogene aktive Masse unter 1 kg/kW liegen sollte.
Für die Anwendung bei großen Durchmessern und hohen Polzahlen sollte es gelingen auch bei Luftspaltlängen im Bereich von 1 cm die für hohe Kraftdichten erforderliche Konzentration der Felddichte im Luftspalt zu verwirklichen, auch wenn die Polteilung im Bereich von mehr als 5 cm Länge liegt.
Für das Verhältnis von Magnetkreismasse zu Schubkraft wird auch hier einen günstiger Wert angestrebt. Es lassen sich somit Maschinen mit großem Durchmesser an die mechanischen Herstellungsforderungen anpassen, ohne dass ungünstige Bedingen für den wirtschaftlichen Einsatz entstehen.
Zusammenfassend kann die erfindungsgemäße Aufgabe darin gesehen werden, dass ein Magnetkreiskonzept zu beschreiben ist, das durch Einsatz ausgeprägter Sammlermerkmale für hohe Umfangsgeschwindigkeiten, kleine Polzahlen und kleinen Durchmesser, aber auch für Maschinen großer Polzahl und großen Durchmesser den Vorzug besonders kleiner aktiver Masse mit Fliehkrafttauglichkeit bei verhältnismäßig großem Luftspalt vereint.
Wie bereits erwähnt, lassen sich die gewünschten Merkmale nicht bei allen bekannten Magnetkreisvarianten erzielen. Es muss hingenommen werden, dass sie beim transversalen Magnetkreis günstiger zu entwickeln sind als beim longitudinalen Konzept.
Die Aufgabe wird durch einen ausführlichen Text und eine Anzahl von textbezogenen Bilddarstellungen beschrieben.
Beschreibung
Der einsträngige Magnetkreis
Der Lösungsansatz zur Konzeptverbesserung des permanentmagneterregten Magnetkreises für die oben beschriebenen Einsatzziele macht davon Gebrauch, dass bei einer Block- oder Segmentanordnung der Permanentmagnete in einem TF-Magnetkreis das Sammlerprinzip besonders effektiv zur Wirkung kommt.
1 zeigt für eine sechspolige Magnetanordnung die Segmentierung, wobei vier der insgesamt sechs axial polarisierten Magnete M dargestellt sind. Im Mittelbereich ist Raum für die Durchführung einer nichtmagnetischen Welle. Die Außenform der Anordnung ist zylindrisch. Zur Umleitung des axial generierten magnetischen Flusses in die radiale Richtung dienen mit 1a je Seite, 6 aus magnetisch leitfähigem Material gefertigte Umlenkteile Le mit ihren Polen am Luftspalt. Innerhalb ihres Volumens spielt sich die Flusskonzentration ab. Ihre Stirnfläche ist um etwa einen Faktor zwei größer als ihre Mantelfläche am Luftspalt. Seitlich versetzt sind 4 von 6 Umlenkelementen Le einer Rotorseite in 1a gezeichnet.
2 und 2a zeigen eine Maschinenanordnung ausschnittsweise in zwei Ebenen. Der Rotor als Erregerteil ET mit Welle We, den 6 Magneten M, den Umlenkteilen Le sowie das an den Luftspalt δ grenzenden Reaktionsteil RT. Letzteres besteht aus den C-förmigen Leitteilen Ls mit den Spulenwicklungen Sp, deren Teilung in Umfangsrichtung der Magnetteilung des Rotors entspricht. Die Statorelemente des Magnetkreises sind im Gehäuse Gh befestigt, das die Lager Lg aufnimmt, mit denen die Welle We reibungsarm gestützt ist. Durch Wechselwirkung zwischen den elektrischen Strömen der Spulen Sp und dem Erregerfeld der Magneten M entstehen die Umfangskräfte, die zur Energieumsetzung der Maschinen führen. Die Magnetkreiselemente des Rotors, insbesondere die Teile Le, sind mit der Welle kraftschlüssig verbunden und übertragen die auftretenden Kräfte. Der Schrumpfring Br bürgt für axiale Fixierung der Läuferteile. Besondere Maßnahmen zu einer die Fliehkräfte aufnehmenden mechanischen Struktur sind hierbei noch nicht gegeben. Die flussführenden Läuferteile entsprechen, wie erwähnt, bereits dem Sammlermerkmal. Zusätzlich kann der ebenfalls wichtigen Bedingung entsprochen werden, dass die Magnetanregung gegenüber dem hauptsächlichen magnetischen Widerstand eine ausreichende Größe haben soll. In Zahlen ausgedrückt ist zu fordern, dass die Magnetlänge in Polarisierungsrichtung um mindestens den Faktor zwei größer sein soll als die Summe der Luftspaltlängen. Es ist erkennbar, dass die zuletzt genannte Bedingung bei der gewählten geometrischen Anordnung leicht erfüllbar ist. Sie hat offensichtlich bei einer Vergrößerung von h_m nur einen geringen Einfluss auf die Vergrößerung der Gesamtmasse und lässt damit auch die Ausführung verhältnismäßig großer Luftspalte zu. Umgekehrt kann auch darauf hingewiesen werden, dass bei Anforderung einer bestimmten axialen Wicklungsausdehnung im Stator nicht notwendigerweise die Magnetlänge h_m gleich der Stator-Nutbreite h_s gemacht werden muss. In diesem Fall erfolgt eine entsprechende axiale Erweiterung der Leitteile Le.
Das für den Sammlereffekt wichtige Flächenverhältnis q_m/q_s wird bei gegebenem Segmentquerschnitt q_m wesentlich durch die Breite b_e bestimmt und ist durch diese gestaltbar. Wichtig ist im Zusammenhzang mit der Aufgabenbeschreibung der Hinweis, dass dieses Verhältnis praktisch unabhängig von der Polteilung ist. Der beschriebene Magnetkreis ergibt sich so in seinen Sammlereigenschaften weitgehend unabhängig von der Polzahl der Polteilung. Eine starke Feldfokussierung im Spalt verlangt jedoch eine Begrenzung der Abmessung b_e. Mit Blick auf die Anwendung bei Maschinen kleinen Durchmessers bedeutet dies auch eine Ausführung mit begrenzten Relationen b_e/D. Hierbei ist als Folge der ausgeprägten Sammlermerkmale die Luftspaltfelddichte im Allgemeinen größer als der Wert der Remanenzinduktion B_r.
In den Bildern 1, 2, 2a wird davon Gebrauch gemacht, dass beide Schenkel der Leitteile Ls Spulen Sp tragen, die ihrerseits gleiche Wechselströme führen. Sie sind in zylindrischer Form gezeichnet und lassen sich durch Vorfertigung mit hoher Füllrate mit Kupfer bestücken. Bei gleichartiger Ausführung der Pole entspricht die gezeichnete Anordnung einer einsträngig wirkenden TF-Maschine bei günstiger Voraussetzung zur Erzielung hoher Kraftdichten. Die Wicklungsanordnung ermöglicht durch freizügige Wahl der radialen Spulenhöhe eine hohe Durchflutung je Pol und einen hohen Strombelag, der zur intensiven Kraftbildung neben der Felddichte sehr wichtig ist. Es soll erwähnt werden, dass bei Anwendung der Spulenwicklung und Wechselstromspeisung die Kraftbildung in beiden benachbarten Polteilungen in gleicher Größe erfolgen kann. Im Falle der oft bei TF-Maschinen ausgeführten Ringwicklung wird jeweils nur eine von zwei aufeinanderfolgenden Polteilungen zur Kraftbildung genutzt. Das wicklungsbedingte Kraftdefizit muss bei diesen Maschinen durch andere Möglichkeiten ausgeglichen werden.
Magnetkreis mit zweisträngiger Wicklungsanordnung
Die mit 2 gezeichnete einsträngige Magnetkreisanordnung erfüllt die wesentlichen Forderungen der bestehenden Zielsetzung, weist jedoch den Nachteil des stark pulsierenden Kraftverlaufs auf. Es liegt nahe, zur Reduktion des pulsierenden Anteils ein geometrisch identisches Teil, das jedoch mit phasenversetztem Wechselstrom arbeitet, dem ersten Maschinenteil axial anzugliedern. Es ist vorstellbar, dass die in 2 gezeichnete Anordnung auf gleicher Welle We ein entsprechend arbeitendes zweites Maschinenteil aufweist, dessen Kräfte sich addieren. Dem Wicklungsstrang a der ersten Teilmaschine wird im zweiten Teil der mit Strang b bestückte, um eine halbe Polteilung versetzte Stator zugeordnet, dessen Wechselströme um 90° phasenverschoben sind. Dies entspricht dem in 3 gezeichneten Schema von je zwei sechspoligen Strangeinheiten a und b. Soll die Maschinenleistung in einem einzigen Magnetkreispaar umgesetzt werden, erfordert diese Maßnahme innerhalb des Systems Polverschiebungen oder macht Polteilungsänderungen notwendig.
4 zeigt schematisch für eine zehnpolige Erregeranordnung eine achtpolige Statoreinheit. Letztere teilt sich hälftig auf die beiden Stränge a und b auf. Der notwendige Polversatz einer halben Polteilung tritt bei symmetrischer Anordnung am Umfang viermal auf und zieht den Kraftschwund nach sich, der zwei fehlenden Polteilungen entspricht.
Rotorausführung bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten
Die mit 2 und 2a gezeichneten Magnetkreisteile des Rotors zeigen noch keine besonderen Maßnahmen für die Erzielung einer hohen Geschwindigkeitstauglichkeit. Es wurde allerdings mit dem Hinweis auf die Möglichkeit eines großen Luftspaltes bei gleichzeitig hoher Felddichte ausgeführt, dass eine wichtige Voraussetzung darin besteht, dass für den Materialverband des Läufers nun höhere Dehnungen zugelassen werden können. Die Anwendung von Faserbandagen hoher Festigkeit wird hierdurch erleichtert.
5 zeigt einen im Vergleich zu 2 modifizierten Erregerteilquerschnitt. Für den Verlauf des magnetischen Flusses und seine Erzeugung ergeben sich keine wesentlichen Veränderungen. Dies stellt für den aus Segmenten geklebten zylindrischen Magnetteil nun die Möglichkeit dar, ohne nennenswerten Querschnittsverzicht am Außenumfang die Bandage Bd aufzubringen.
Die von den Bauteilen Le aufgenommenen Kräfte werden nun auf die mit ihnen verbundenen nichtmagnetischen Scheiben Se übertragen. In diesen entsteht eine in Umfangsrichtung wirkende Zugspannung. Zu deren Begrenzung lassen sich, wenn erforderlich, noch die hochfesten metallischen Ringe Re mit Vorspannung aufbringen, so dass insgesamt für den Bereich der Polelemente Le in radialer Richtung nur begrenzte Dehnungen entstehen.
Mit den beschriebenen Möglichkeiten wird erreicht, dass das Erregerteil ET mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden kann, ohne dass größere Eingriffe in den magnetsichen Kreis erforderlich sind, und ohne dass nennenswerte Vergrößerungen der Rotormasse gefordert werden. Die bei hohen Geschwindigkeiten aufgrund von Dehnungswirkungen auftretenden Spaltänderungen lassen sich auf ein geringeres Maß begrenzen. Zusätzlich kann ebenfalls ohne größere Magnetkreisbelastung ein größerer Spalt verwirklicht werden.
Streufeldreduktion
Mit den 6, 6a und 6b wird an einem linearen Magnetischen Kreis, der annähernd auch die Geometrie der Maschine großen Durchmessers und hoher Polzahl beschreibt, auf eine Besonderheit der oben dargestellten Erregeranordnung ET hingewiesen. Es handelt sich um die Ausbildung eines von den Magneten M erzeugten Streufeldes zwischen benachbarten Polen. 6a stellt dabei das Schnittbild von 6 senkrecht zur Bewegungsrichtung dar, während 6b die Draufsicht auf die Anordnung nach 6 wiedergibt. Zum Unterschied gegenüber 2 ist angenommen, dass die Magneten M in Bewegungsrichtung die gleiche Ausdehnung besitzen wie die Umlenkelemente Le. Diese wiederum weisen auch etwa gleiche Breite wie die Statorleitteile Ls auf. In 6b sind die zwischen den unterschiedlich polarisierten Magneten M auftretenden Streufeldlinien Fs schematisch angedeutet. Dieser Fluss wächst in seinem Ausmaß gegenüber dem sich über dem Luftspalt schließenden Nutzfluss mit kleiner werdendem Abstand τ – b_p, mit der Polabmessung b_e und mit dem Höhenmaß h_l. Erkennbar ist, dass die Gegenmaßnahmen einer Magnetverbreiterung von M, d. h. die Anwendung von maximal auf die Polteilung verbreiterten Magneten, nur einen begrenzten Effekt aufweisen. Insbesondere, wenn dabei auch der Abstand zwischen den Flussumlenkteilen Le verringert wird, nimmt mit der Leitfähigkeit für den Nutzfluss auch die Leitfähigkeit für das Streufeld stark zu. Die Schließung der Pollücke durch die Leitelemente Le erscheint als keine sehr günstige Lösung. Es sei darauf hingewiesen, dass in den 1a, 2 und 2a die Umfangsabmessung der Magnete M zwar der jeweiligen Polteilung τ entspricht, für die Umlenkteile Le jedoch ein sich axial nach außen erweiternder Abstand gewählt wurde. Dies erscheint als Kompromisslösung im Hinblick auf das Streufeld tragbar, ist aber nicht die Optimallösung.
In 6b ist durch gestrichelte Linien Fs der Verlauf des Streufeldes eingetragen. Es ist weiter angenommen, dass im Zwischenbereich τ – b_p die Streufeldunterdrückung durch Zusatzmagneten Mg erfolgt. Diese werden, wie auch 6 erkennen lässt, nahezu über die gesamte Höhe h_l wirksam, indem sie in Gegenrichtung zum Streufeld der Magneten M ein Kompensationsfeld entwickeln. Durch die Stromrichtungssymbole der Magneten M und Mg ist in 6b gezeigt, dass mit der gewählten Anordnung und den gezeichneten Größenverhältnissen ein Großteil der magnetischen Streuwirkung unterdrückt werden kann. Es erfolgt somit eine Entlastung der Hauptmagneten M, wodurch sich erhöhte Felddichten im Luftspalt erzielen lassen. Eine nennenswerte Vergrößerung der Polteilung ist hierbei vermeidbar.
Streufeldarme Anordnung von ET bei kleiner Polzahl
Die Feldausbildung der Erregermagneten M ist durch die axial polarisierten Magneten primär ebenfalls axial ausgerichtet. Für die Umlenkung in radialer Richtung werden besondere Leitteile Le eingesetzt. Ein Teil des magnetsichen Streufeldes tritt jedoch in axialer Richtung aus den Leitteilen aus und schließt sich in Umfangsrichtung. Die mit 6 beschriebenen Maßnahmen eignen sich insbesondere zur Anwendung bei hohen Polzahlen. Mit der in 2 und 2a gezeichneten Anordnung bilden sich im Bereich der Stirnseiten von ET Streuflussanteile aus, die grundsätzlich auch durch Gegenwirkungsmagnete Mg in den Zwischenbereichen der Umlenkteile Le reduziert werden können. Der erwähnte zusätzliche axial austretende Streufluss kann darüber hinaus dadurch reduziert werden, dass zwei identische Erregerteile ET und ET mit entgegengerichteter Polarisierung der Magnete axial aneinander schließen, wie in 7 gezeichnet. Beide Maschinenteile RT und RT' sollen Spulen Sp aufweisen, die zum gleichen Strang gehören.
In 7 sind die für die Rotorfestigkeit herangezogenen scheibenförmigen Bauteile Se aus hochfestem nichtmagnetischem Stahl so ausgebildet, dass sie die radialgerichteten Fliehkraftwirkungen der Bauteile Le direkt aufnehmen können. Die mittlere Spule Spm umschließt beide mittlere Schenkel Ls, deren magnetische Felder gleichgerichtet sind. Die Anordnung entspricht somit der Forderung nach ausreichender Festigkeit bei hohen Geschwindigkeiten für den Rotor und ermöglicht bei verhältnismäßig großem Spalt die Ausführung hoher Feld- und Kraftdichten. Ein großer Teil des auftretenden Streufeldes kann hierbei unterdrückt werden. Die gemeinsame Spulenanordnung führt auf kleinere Wicklungsverluste.

Claims

Durch Permanentmagneten erregte Magnetkreisanordnung transversaler Art für lineare und rotierende Anwendung mit einem Erregerteil und einem spulentragenden Reaktionsteil, in dem das Erregerfeld Wechselwirkungen mit elektrischen Strömen hervorruft, wobei die den magnetischen Fluss führenden leitfähigen Elemente beider Teile sich am Luftspalt gegenüberstehen, die Statorelemente mindestens abschnittsweise gleiche Polteilung wie die Erregerelemente aufweisen und durch Anwendung des Sammlerprinzips im Luftspaltbereich eine Feldverdichtung gegenüber den axial polarisierten Magneten um etwa den Faktor zwei erreicht wird.
Transversale Magnetkreisanordnung hoher Felddichte nach obigem Anspruch gekennzeichnet dadurch, dass zur Anwendung mit niedrigen Polzahlen und hoher Umfangsgeschwindigkeit die Magneten und die an sie axial anschließenden Fluss-Umlenkteile gegen Fliehkräfte durch nichtmagnetische Ringe zu einem mechanisch festen Verband ergänzt und gestützt werden.
Transversaler Magnetkreis hoher Felddichte nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der Zahl der angewandten wechselstromführenden Wicklungsstränge mehr als eine, mit gleichem Polabstand ausgeführte Teilkreisgruppierung in axialer Nachbarschaft eingesetzt wird, wobei in den Spulen phasenverschobene Wechselströme zum Einsatz kommen.
Transversaler Magnetkreis hoher Felddichte nach einem der obigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge einer Magnetkreisanordnung die Spulen verschiedenen Stranggruppen zugeordnet werden, diese einen gegenseitigen Umfangsversatz aufweisen, der dem Phasenunterschied der in den Spulengruppen eingesetzten Wechselströme entspricht.
Transversaler Magnetkreis hoher Felddichte nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Streuflussreduktion Hilfsmagnete im Erregerteil eingesetzt werden, deren Polarisierungsrichtung entgegen der Streuflussrichtung liegt.
Transversaler Magnetkreis hoher Felddichte nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung im Erregerteil zwei oder mehr entgegengesetzt polarisierte Erregereinheiten aneinander grenzen, und die Statorteilsysteme im Angrenzungsbereich gemeinsame Spulen aufweisen.