DE102010034550A1

DE102010034550A1 - Wanderfeldvariante mit transversalem Magnetkreis

Info

Publication number: DE102010034550A1
Application number: DE201010034550
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Dr.hc. Weh Herbert; Hardo May
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-17
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2012-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft die lineare oder rotatorische Transversalflussmaschine (TFM) in mehrsträngig symmetrischer Wanderfeldausführung für synchrone oder asynchrone Betriebsweise. Zur Symmetrisierung der das Wanderfeld erzeugenden stromführenden Längsleiter sind besondere Maßnahmen erforderlich und zweckmäßig.

Description

Stand der Technik
Die zweisträngig ausgeführte TFM hat sich in Prototypantrieben und generatorisch wirkenden Versuchsmaschinen, insbesondere als Maschine mit hoher Kraftdichte gegenüber Maschinen mit longitudinalem (LF) Magnetkreis als überlegen erwiesen. Was im Hinblick auf die hohen Kraftdichtewerte in Verbindung mit der Erregung durch Permanentmagneten dabei erzielt wird, drückt sich in Form kleiner Maschinenabmessungen, geringer aktiver Masse und günstigem Wirkungsgrad aus. Als Erregermaterial werden Permanentmagneten zur Feldfokussierung (in Sammlerform) herangezogen. Es werden damit hohe magnetische Felddichten im Luftspalt wirksam. Die zweisträngig ausgeführte Wicklung besteht aus zwei ringförmig verlaufenden Spulen (Ringwicklung), wobei bekanntlich nur jeder zweite Pol des Erregerteils zur Wechselwirkung eingesetzt ist. Mit klein ausgeführten Polteilungen und kleinem Luftspalt entstehen günstige Voraussetzungen zur Erzeugung des den Magnetkreis kennzeichnenden Wechselfeldes.
Zur Begrenzung der Verluste trägt die Besonderheit der Ringwicklung bei. Sie beansprucht gegenüber überlappten Spulenwicklungen weniger Volumen und reduziert so die Wicklungsverluste beträchtlich. Es sollte erwähnt werden, dass mit diesem Konzept der Fluss- und Stromführung eine in Umfangsrichtung wirksame Spannungserzeugung verbunden ist. Bauteile, die vom magnetischen Wechselfluss durchsetzt werden, reagieren mit der Erzeugung von Flusskomponenten, die durch Spannungsunterschiede in Längsrichtung entstehen. Eine Vermeidung von zusätzlichen Verlusten in elektrisch leitfähigen Bauteilen wird hierdurch erschwert und trägt zur Verteuerung der Konstruktion bei. Durch die segmentierte Bauweise des magnetischen Kreises ist eine Schwächung der mechanischen Steifigkeit gegeben. Die Art des Magnetkreises und die zweisträngige Ausführung (ohne magnetische Kopplung) bedingen hohe fluktuierende Momentenanteile (Pendelmomente). Als Nebenwirkung der hohen magnetsichen Leitfähigkeit wird bei Vergleichen mit weniger effizienten magnetischen Kreisen ein niedrigerer Leistungsfaktor wirksam.
Diese durchwegs physikalisch begründbaren Merkmale sind durch Abschwächung oder Modifikation des beschriebenen TF-Magnetkreiskonzeptes reduzierbar oder zu beseitigen. Es muss dabei auch beachtet werden, dass nicht in allen Anwendungsfällen das Konzept mit kleiner Polteilung mit seinen Folgen wie hohe Frequenz (bei hoher Drehzahl) realisierbar ist.
Ansätze zur Beseitigung der unerwünschten Merkmale, etwa im Bereich der Momentenschwankungen führten zu Vorschlägen, wie der Einführung größerer Strangzahlen am Umfang einer Magnetkreisanordnung. Es handelt sich dabei um die Anwendung von modifizierten Ringwicklungen begrenzter Länge mit Querverbindungen. Die den Magnetkreis erregenden Leiterteile verlaufen in Längsrichtung. Bei nach wie vor kleiner Polteilung wird zur Vermeidung von Überlappungen der Spulen ein Versatz zwischen unterschiedlichen Strängen angewendet. Der Strangwechsel führt zu einem geringen Verlust an kraftbildendem Querschnitt. Mit der Einführung einer größeren Zahl von Wicklungsabschnitten im Umfang wird auch erreicht, dass für den gesamten Magnetkreis die Wirkung der Umfangsspannung sich zu Null ergänzt. Reduziert wird auch, durch gegenseitige Überlagerung, die Wirkung fluktuierender Kraftanteile.
Da die Versatzlänge zwischen den unterschiedlichen Strängen proportional zur Polteilung Ist, lässt sich das Verfahren nur bei sehr großen Polzahlen je Umfang einsetzen. Im Falle kleiner Polzahlen würde die erzielbare mittlere Kraftdichte auf einen praktisch uninteressant niedrigen Wert absinken.
Es muss festgestellt werden, dass für Maschinen mit größerer Polteilung und geringer Polzahl sowie hoher Umfangsgeschwindigkeit das bislang beschriebene TF-Konzept nicht zur Anwendung kommt. Dies gilt auch für Fälle, bei denen darauf Wert gelegt wird, dass die Speisemöglichkeiten von dreisträngigen Wanderfeldwicklungen eingehalten werden.
Bei der Suche nach einer zweckmäßigen Konzeptverbesserung kann davon ausgegangen werden, dass im Vergleich zur bekannten TF-Magnetkreis- und Wicklungsauslegung durch den Übergang auf größere Polteilungen ein gewisser Kraftdichteschwund hingenommen werden kann. Für die schließlich bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten erzielbare Leistungsdichte werden bei solchen Anwendungen dennoch hohe Werte erreicht. Es erscheint damit zweckmäßig, das Wander- bzw. Drehfeldkonzept auf der Grundlage eines symmetrischen mehrsträngigen, insbesondere auch dreisträngigen Stromsystems anzulegen, um so eine gute Basis zur Vermeidung von Pendelmomenten mit Hilfe des Überlagerungsprinzips zu ermöglichen. Die Speiseproblematik wird durch die Anwendung bekannter Schaltungstopologien ebenfalls vermindert.
Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht somit darin, für lineare und rotatorische Anwendungen den TF-Magnetkreis so abzuwandeln, dass er zum Einsatz durch ein weitgehend symmetrisches, mehrsträngiges Stromsystem geeignet ist, und die Wicklung bei begrenztem Volumen und Verlusten ihre Aufgabe auch mit Blick auf die bekannten Speiseverfahren gut erfüllt. Dabei besteht die Aufgabe darin, eine in Längsrichtung verlaufende Stromwelle zur Erregung des magnetischen Ankerfeldes mit geringen Verlusten zu ermöglichen. Die Längsstromwelle in symmetrischer Form bedeutet, dass ihre Verteilung nach Form und Größe für die Bereiche unterschiedlicher Stromrichtungen gleich sind. Ungleiche Stromgrößen bedeuten verminderte Wirksamkeit für die Krafterzeugung. Als besonders zweckmäßig werden sich dabei jene Spulenformen erweisen, die mit geringem Volumen auskommen. Die Aufgabe wird durch einen ausführlichen Text und mehrere in den Text einbezogene Bilder beschrieben.
Beschreibung
Ausgehend von einer aus einem symmetrischen dreisträngigen Stromsystem gespeisten überlappten dreisträngigen Spulenwicklung werden die Besonderheiten zur Erzeugung einer symmetrischen Längsstromwelle beschrieben. Eine Übertragung der Ergebnisse auf Strom- und Wicklungssysteme symmetrischer Art mit mehr als drei Strängen ist dann sinngemäß gegeben. Für dreisträngige Stromsysteme liegen standardisierte Wechselrichter zur Speisung von Synchron- und Asynchronmaschinen in einem größeren Leistungsbereich vor.
Eine dreisträngige Spulenwicklung mit überlappten Spulen zur Wanderfelderzeugung mit deren Längs- und Querleiter ist in 1 zusammen mit den die Längsleiter teilweise umgebenden magnetisch leitfähigen Elementen Ls schematisch gezeichnet. 1a zeigt in der üblichen Zeigerform das dreisträngige Stromsystem mit dem Phasenwinkel 2π/3 zwischen den drei Stromzeigern a, b und c. Die Spulenachsen sind in 1 jeweils um 2π/6 versetzt. Wie 1b zeigt, ergibt sich für die Längsstromverteilung I_s eine Wellenform mit Nullpunktverschiebung um I_a/2. Die Längsstromwelle ist für die beiden gezeichneten Zeitfestlegungen 1) und 2) unsymmetrisch.
2 zeigt in Ansicht die in der Mitte geteilte Anordnung und lässt die Verteilung der Magnetfeld führenden Leiterstücke Ls sowie der drei Spulen entsprechend 1 erkennen. Im mittleren Teil sind die in Längsrichtung sich addierenden Spulenteile zu denken, während in der Querrichtung jeweils nur ein Spulenteil verläuft.
3 zeigt den zur senkrechten Mittellinie symmetrischen Statorquerschnitt mit dem magnetischen Leitteil Ls'. Zu den symbolisch auf 3 ergänzten Längsleitern der Spulen Wa bis Wc kommen zwei Augleichsleiter Wr. Diese beiden Leiter Wr führen Ströme entgegengesetzter Richtung jedoch gleicher Größe I_a/2 und lassen sich zu einer oder (in Längsrichtung) aufgeteilt zu mehreren Spulen ergänzen. Bei rotatorischer Anordnung sind sie jedoch auch als Ringwicklung ausführbar.
4 zeigt die Anordnung in Längsrichtung für 2 Polteilungen. Die Spulenquerschnitte in Längs- und Querrichtung lassen sich bei Anwendung einer größeren Zahl von Teilleitern mit unterschiedlichem Querschnitt formen, wodurch bei gegebener Querschnittsgröße kleinere Polteilungslängen erreicht werden.
Das unterhalb des Stators ST angedeutete Erregerteil ET mit den magnetisch leitfähigen Teilen Le entspricht im Falle einer Synchronmaschine z. B. Polen, die mit Permanentmagneten bestückt sind und das Erregerfeld erzeugen. Es wird hier in 4 dann innerhalb der Breite b_f zur Magnetisierung von drei magnetisch leitfähigen Elementen Ls bereitgestellt.
In 5 ist die nun durch Ausgleichsleiter ergänzte und symmetrisierte Spulenanordnung schematisch wiedergegeben. Darunter gezeichnet ist in 5a die Verteilung der Längsströme für die zwei Zeitlinien-Positionen 1 und 2 entsprechend 1a. Es zeigt sich, dass durch die Hinzunahme der Ausgleichsleiter, die den halben Strom I_a führen, die Anordnung mit dem 60°-Versatz der Spulenachsen hinsichtlich der Stromwelle symmetrisch wird. Die Verteilung der Querströme ist bekanntlich auch ohne Ausgleichsleiter symmetrisch und wird in dieser Form in LF-Magnetkreisen vielfach eingesetzt.
Die Nullpunktverschiebung der Längsstromkurve in 1b hängt damit zusammen, dass im Wicklungsschema 1 drei Spulenachsen um 2π/6 versetzt sind, während die Spulenweite den dreifachen Wert dagvon beträgt. Sie ist letztlich also der Überlappung geschuldet, die ihrerseits zur Vergrößerung der Querstromamplitude (Strombelagsamplitude) herangezogen wird.
Die Kombination aus durch Permanentmagneten erregtem Rotor ET und (symbolisch) dreisträngig bestücktem Stator zeigt 6 für transversalen Magnetkreis als Beispiel. Den E-förmigen Leitteilen Ls' des Stators ST steht im Erregerteil ET eine P-Magnet-Doppelanordnung M (in Sammlerform) gegenüber. Das zum mittleren Poll führende Leitteil Le ist mit der Rotornabe N verbunden und stellt den Kontakt zur Welle Ar her. Mit Hilfe der mechanisch hoch beanspruchbaren unmagnetischen Ringe Kr lassen sich die äußeren Polstücke Le gegen Zentrifugalkräfte sichern. Die Verwirklichung einer Flusskonzentration im Luftspalt δ wird durch Bemessungsregeln für Magnetbreite h_m und -länge l_m erzielt.
7 zeigt das Spulenschema der dreisträngigen symmetrischen Wicklung in nicht überlappter Form. Es bilden wiederum drei in der Spulenweite auf 2π/6 reduzierte Spulen das Strommuster einer Polteilung. Die Längsstromverteilung ist in 7b für das symmetrische Stromzeigerbild von 7a gezeichnet. Ähnlich wie in 1b sind für die Stromverteilung die zwei Zeitlinienstellungen 1 und 2 festgelegt. Eine Nullpunktverschiebung tritt für die nun verkleinerten Spulen ohne Überlappung nicht auf. Die Stromamplitude entspricht jener von 5a.
8 zeigt eine Möglichkeit der Spulenanordnung bei Annahme konstant bleibender Querschnittsform im Spulenverlauf. Im Zwischenbereich der Transversalfluss führenden Elemente Ls liegen jeweils zwei Spulenteile übereinander. Es schließt damit jeweils ein Ls-Element mit niedriger Nut Ls1 an ein Element mit tiefer Nut Ls2 an.
Wenn die Bedingung konstanter Querschnittsform für die Spulenteile fallen gelassen wird, was im Falle vielgliedriger Drahtwicklungen möglich ist, so kann der Raum zwischen den Ls-Elementen auch in der Höhenrichtung zur Führung der Leiter benutzt werden. Ein Beispiel hierzu bieten die Darstellungen 9a und 9b. Es ist dort gezeichnet, wie die Nutform zu gestalten ist, wenn die Spule Wc, die durch das Element Ls2 von 9b mit annähernd dreieckigem Querschnitt geführt ist, im Zwischenraum in den rechteckigen Querschnitt gleicher Größe von Wc übergehen soll, um sich so in gleicher Breite dem Spulenquerschnitt Wa (ebenfalls in rechteckiger Form) zu überlagern.

Claims

Elektromagnetischer Wandler mit transversalem Magnetkreis für lineare und rotatorische Anwendungen, bestehend aus einem ersten, als Stator ST bezeichneten wicklungstragenden Maschinenteil und einem zweiten, bei Synchronmaschinen mit Erregerteil ET bezeichneten Teil, die durch einen Luftspalt getrennt in einer Richtung eine Bewegung gegeneinander ausführen und in gleicher Richtung als Folge magnetischer Wechselwirkungen zwischen Wechselstrom führenden Spulen Wa, Wb und Wc und magnetisch wirksamen Elementen wie Permanentmagneten M Kräfte im Bauteil ET hervorgerufen werden, wobei die den magnetischen Fluss im ersten Maschinenteil ST führenden Elemente Ls quer zur Bewegungsrichtung und die magnetisierenden Spulenteile eines mehrsträngigen Wicklungssystems in Längsrichtung in den Nuten der flussführenden Elemente Ls liegen, während die Querverbindungen der Spulen in den Zwischenräumen der Elemente Ls verlaufen und durch die Wahl der Verteilung der stromführenden Längsleiter im Verhältnis zu den Querleitern eine symmetrische Längsstromverteilung bei Speisung durch ein symmetrisches mehrsträngiges Stromsystem erreicht wird.
Elektromagnetrischer Wandler mit TF-Magnetkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei sich überlappenden Spulen in Längsrichtung verlaufende Ausgleichsleiter Wr, die bei dreisträngiger Wicklung die halbe Stromsumme der Spule führen, die Nullpunktverschiebung der Stromwelle ausgleichen.
Elektromagnetrischer Wandler mit TF-Magnetkreis nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenweite im Verhältnis zur doppelten Polteilung die gleiche Größe besitzt wie der Phasenwinkel des Stromsystems gegenüber 2π.
Elektromagnetischer Wandler mit TF-Magnetkreis nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch leitfähigen Elemente Ls in E-förmiger Form so gestaltet sind, dass die Hin- und Rückleiter der Längsstrom führenden Teile in den beiden Nuten des Elementes aufgenommen werden.
Elektromagnetischer Wandler mit TF-Magnetkreis nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Synchronmaschinen das zweite Maschinenteil ET axial in zwei Erregerzentren mit Permanentmagneten bestückt ist, die in ihrer Größe nach den Bemessungsregeln des Sammlerkonzeptes festgelegt sind.