DE102012012095B3

DE102012012095B3 - Electromagnetic energy converter for high-pole machines of large dimensions, used for e.g. water and wind power generation, has same lead windings and/or stamped streams of permanent magnets by which the excitation current flow-through

Info

Publication number: DE102012012095B3
Application number: DE201210012095
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2032-06-19

Abstract

The converter has transverse magnetic circuit, and a stator (SM) for carrying two alternately current carrying coil portions (Q,Q') of coil winding, without overlapping on either side of magnetic circuit elements (L1,L2). The circuit elements are formed of same geometry and are arranged in direction of movement within pole pitch in which circuit elements are rotated about 180[deg] so that the pole ends relative to adjacent circuit elements corresponds to pole width (b-e). The excitation current flows through same lead windings (Es,Es') and/or by stamped streams of permanent magnets (M).

Description

Die Namen Transversalflussmaschine oder TF-Magnetkreis tauchen im Zusammenhang mit Ringwicklungen im Stator und der Felderregung durch Permanentmagneten in Patentanmeldungen und Publikationen in den Jahren 1985/1986 auf. 1987 wurde die DE 37 05 089 A1 angemeldet, worin die Magnetanordnung in der effizienten Sammlerform berücksichtigt wurde. Die vorhergesagten hohen Leistungsdichten, insbesondere bei Maschinen kleiner Luftspalte, ließen sich sogar bei begrenzten Umfangsgeschwindigkeiten in zahlreichen Maschinenexperimenten und angewendeten Prototypen nachweisen. Fast ausschließlich wurde dabei die besonders vorteilhafte Zweistrangausführung der Wicklung in einer axial zweiseitigen Anordnung mit zwei Ringspulen genutzt. Bei Polteilungen von nur 5 ÷ 8 mm konnte so die Drehzahl geregelte Synchronmaschine mit hohen Felddichten im Luftspalt und recht begrenzten Stromdurchflutungen der Spule betrieben werden. Es wurden damit die hohen Kraftdichten von 60–70 kN/m² je Luftspalt mit verhältnismäßig kleinen Wicklungsverlusten und hohem Wirkungsgrad ermöglicht. Mit der dem Baupinzip des Magnetkreises innewohnenden Anpassungsmöglichkeit wurden so z. B. auch zwei Luftspalte je Maschinenseite ermöglicht, die in der kompakten Magnetkreisanordnung einen zusätzlichen Beitrag zur Leistungsdichte lieferten. Hinzu kam, dass für Maschinen mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten auch die Anordnung des magnetisch passiven Rotors mit die Permanentmagneten im Stator, sich ohne Nachteile für die Kraftdichte realisieren ließ.The names transversal flux machine or TF magnetic circuit appear in connection with ring windings in the stator and the field excitation by permanent magnets in patent applications and publications in the years 1985/1986. In 1987, the DE 37 05 089 A1 filed, wherein the magnet assembly has been considered in the efficient collector form. The predicted high power densities, especially for small air gap machines, were demonstrated in many machine experiments and prototypes even at limited peripheral speeds. Almost exclusively the particularly advantageous two-strand design of the winding was used in an axial two-sided arrangement with two toroidal coils. With pole pitches of only 5 ÷ 8 mm, the speed-controlled synchronous machine could be operated with high field densities in the air gap and quite limited current throughput of the coil. It was thus the high force densities of 60-70 kN / m ² per air gap with relatively small winding losses and high efficiency possible. With the construction principle of the magnetic circuit inherent customization option have been such. B. also allows two air gaps per side of the machine, which provided an additional contribution to the power density in the compact magnetic circuit arrangement. In addition, for machines with high peripheral speeds, the arrangement of the magnetically passive rotor with the permanent magnets in the stator could be realized without disadvantages for the power density.

Angesichts des meist relativ hochfrequenten Betriebs der Wechselstromwicklung tritt naturgemäß die Begrenzung der Eisen- und der Wirbelstromverluste der Wicklung als Frage auf. Hier ist allerdings zu erwähnen, dass durch die axial verlaufende Wicklung nicht nur grundsätzlich ein kleineres Wicklungsvolumen für die Verluste (der Wicklung) in Frage kommt, sondern dass gegenüber dem Magnetkreis in longitudinaler (LF-)Form auch die Masse an Eisenbauteilen zur Führung des Magnetflusses sehr gering ist. Es ist also festzustellen, dass neben der Anwendung der kleinen Polteilung mehrere Faktoren dazu beitragen, dass auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen sehr hohe Wirkungsgrade erzielt werden können. So stehen starke Einspareffekte beim TF-Magnetkreis und eine unkonventionelle Bauweise der weniger variablen LF-Variante der elektrischen Maschinen gegenüber.In view of the relatively high-frequency operation of the alternating-current winding, the limitation of the iron and the eddy-current losses of the winding naturally occurs as a matter of course. It should be mentioned, however, that not only does a smaller winding volume for the losses (of the winding) come into question due to the axially running winding, but also the mass of iron components for guiding the magnetic flux compared to the magnetic circuit in longitudinal (LF) form is very low. It can therefore be stated that in addition to the application of the small pole pitch, several factors contribute to achieving very high efficiencies even under unfavorable operating conditions. Thus, strong savings in the TF magnetic circuit and an unconventional design contrast with the less variable LF version of the electric machines.

Sie sind zum Teil auch der Besonderheit der Felderregung durch Permanentmagneten geschuldet, deren Anwendungsvorteile allerdings bei großen Luftspaltlängen stark geschwächt werden. Großer Luftspalt erfordert bei gleichem Magnetfluss etwa proportional vergrößerte Magnethöhe, bedeutet aber bei gleicher Polteilung auch stark erhöhte Streuflussanteile. Wird zur Linderung versuchsweise die Polteilung vergrößert, so entstehen Nachteile für die Wirksamkeit des Spulenstroms, wie oben geschildert. An dieser Frage scheitert die Anwendung des TF-Magnetkreises für hochpolige Maschinen großer Abmessungen, z. B. bei Einsatz für Wasser- und Windkraft, und für Linearantriebe im Verkehr. Auch die Anwendung der rein elektrischen Erregung anstelle der Permanentmagneten konnte bei der bisherigen TF-Topologie nicht durchgesetzt werden.They are partly due to the peculiarity of the field excitation by permanent magnets, the application advantages, however, are greatly weakened in large air gap lengths. Large air gap requires about the same magnetic flux about proportionally increased magnetic height, but means at the same pole pitch also greatly increased leakage flux components. If, for the purpose of alleviation, the pole pitch is increased on an experimental basis, disadvantages arise for the efficiency of the coil current, as described above. At this question fails the application of the TF magnetic circuit for high-poled machines of large dimensions, z. B. when used for water and wind power, and for linear drives in traffic. The application of purely electrical excitation instead of permanent magnets could not be enforced in the previous TF topology.

Da es grundsätzlich möglich erscheint, durch magnetische Rückstellkräfte einer Richtung den Rotor oder einzelne Rotorsegmente, z. B. eines Generators, eindimensional in einer bestimmten Position zum Stator zu stabilisieren, kann auch der Maschine mit eigenstabiler Rotorlage und verhältnismäßig großem Spalt eine erhebliche Bedeutung beigemessen werden. Es ist bei guter Spalttauglichkeit des Magnetkreises nach einer Konzeptänderung zur möglichen Aufnahme der elektrischen Erregung sogar zu erwarten, dass damit die Rotorposition auch in zwei aufeinander senkrechten Richtungen stabilisiert werden kann. Dieser Entwicklungsschritt bei vergrößertem Luftspalt ist für Maschinen großer Abmessungen nur denkbar, wenn wirksame Maßnahmen zur Verringerung von Streuflussanteilen im Erregerbereich eingesetzt werden können.Since it seems possible in principle, by magnetic restoring forces of one direction, the rotor or individual rotor segments, for. As a generator to stabilize one-dimensional in a certain position to the stator, the machine with inherent stable rotor position and relatively large gap can be given a considerable importance. It is even to be expected with good splitting capability of the magnetic circuit after a concept change to the possible recording of the electrical excitation, that thus the rotor position can be stabilized in two mutually perpendicular directions. This development step with an increased air gap is only conceivable for machines of large dimensions if effective measures can be used to reduce stray flux components in the pathogen region.

Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung besteht somit darin, die Führung des magnetischen Flusses im transversalen Magnetkreis, also quer zur Bewegungsrichtung für elektrische und Permanentmagnet-basierte Erregung bei Synchronmaschinen mit minimierten Streuflussanteilen im Erregerteil auch für vergrößerte Luftspaltlängen zu verwirklichen. Die Luftspaltlänge wird dabei auf die Breite der Stator- und Rotorpole bezogen und die Anwendung soll bis hin zu dem Verhältnis Spaltlänge gleich Polbreite ermöglicht werden. Die Zweckmäßigkeit des transversalen Magnetkreises für die Anwendung bei kleinen Polteilungen mit ihren Vorteilen für die Wicklungsdimensionierung darf dabei nicht eingeschränkt werden. Auch die Anwendung für ausschließlich elektrische Erregung oder als Ergänzung des Erregeranteils von Permanentmagneten soll ermöglicht sein.The object of the invention is thus to realize the leadership of the magnetic flux in the transverse magnetic circuit, ie transversely to the direction of movement for electrical and permanent magnet-based excitation in synchronous machines with minimized leakage flux in the exciter part also for increased air gap lengths. The air gap length is related to the width of the stator and rotor poles and the application is to be made possible up to the ratio gap length equal pole width. The usefulness of the transverse magnetic circuit for use in small pole pitches with their advantages for the winding dimensioning may not be limited. The application for exclusively electrical excitation or as a supplement to the excitation component of permanent magnets should be possible.

Auch die Mehrfach-Kraftbildung je Wicklungsseite soll erhalten bleiben. Es soll demnach weiterhin ein Betrieb mit hohen Felddichten je Spalt zu hoher Kraftdichte führen und der vergrößerte Spalt soll nicht zu einer Reduktion der Kraftdichte und des Wirkungsgrades führen. Hierdurch wird die Anpassung des Magnetkreises an erweiterte Einsatzmöglichkeiten, insbesondere auch für Maschinen großer Abmessungen verwirklichbar.The multiple force formation per winding side should be preserved. Accordingly, an operation with high field densities per gap should continue to lead to high force density and the enlarged gap should not lead to a reduction of the force density and the efficiency. As a result, the adaptation of the magnetic circuit to extended application possibilities, in particular for machines of large dimensions can be realized.

Durch ausführliche Textteile und durch in den Text einbezogene zeichnerische Darstellungen werden Hinweise auf die Ausführung des Magnetkreises gegeben. Durch einige analytische Zusammenhänge wird die Arbeit ergänzt, so dass eine ausführliche Darstellung der Lösung der Aufgabe entsteht. In den Patentansprüchen werden die erfindungsgemäßen Merkmale erfasst.Through detailed parts of the text and graphic representations included in the text Information about the design of the magnetic circuit is given. Through some analytical contexts, the work is complemented, so that a detailed representation of the solution of the task arises. In the claims, the features of the invention are detected.

Beschreibungdescription

Um bei Erregung durch Permanentmagneten im transversalen Magnetkreis die Eigenschaft hoher Kraftdichte auch bei großem Luftspalt und kleiner Polteilung verwirklichen zu können, muss eine Änderung der Flussführung innerhalb des Magnetkreises vorgenommen werden. Magnetkreise der bislang bekannten Art weisen mit ihrer Anordnung der Permanentmagneten in Sammlerform eine Ausrichtung parallel zur Bewegung auf. Luftspaltlänge und Magnethöhe gehen damit in die Festlegung der Größe der Polteilung ein. Nur bei kleinen Luftspaltlängen lässt sich somit eine kleine Polteilung und mit ihr eine begrenzte Wicklungsdurchflutung mit kleinen Wicklungsverlusten realisieren. Um eine weitgehende Unabhängigkeit zwischen Luftspaltlänge und Polteilung und eine durch Streuflüsse wenig belastete Magnetmasse zu erreichen, werden die Permanentmagneten mit ihrer Magnetisierungsrichtung quer zur Bewegung angewendet. Ihr etwa rechteckiger Flussdurchtrittsquerschnitt wird so gelegt, dass Magneten unterschiedlicher Polarisierung sich mit ihrer Schmalseite gegenüberstehen und dabei einen im Vergleich zur Luftspaltlänge größeren Abstand einhalten. Hierdurch kann eine Reduktion der Streuflussanteile innerhalb des Erregerbereichs erzielt werden. Die flussführenden Stator-Eisenelemente werden in der Form so angepasst, dass jede der beiden Flussrichtungen durch ein eigenes Element vertreten ist. Zwischen den Statorelementen besteht ein kleiner Abstand. Der Mittenabstand zwischen den Erregerelementen beträgt in Bewegungsrichtung zwei Polteilungen.In order to be able to realize the characteristic of high power density even with a large air gap and small pole pitch when excited by permanent magnets in the transverse magnetic circuit, a change in the flow control within the magnetic circuit must be made. Magnetic circuits of the type known hitherto have, with their arrangement of the permanent magnets in collector form, an alignment parallel to the movement. Air gap length and magnetic height thus enter into the determination of the size of the pole pitch. Only with small air gap lengths can thus be realized a small pole pitch and with it a limited Wicklungsdurchflutung with small winding losses. In order to achieve a high degree of independence between the air gap length and pole pitch and a magnetic mass with little stress due to stray fluxes, the permanent magnets are used with their magnetization direction transverse to the movement. Their approximately rectangular flow passage cross-section is placed so that magnets of different polarization face each other with their narrow side and thereby maintain a greater distance compared to the air gap length. As a result, a reduction of the leakage flux components within the exciter area can be achieved. The flux-conducting stator iron elements are adapted in shape so that each of the two flow directions is represented by its own element. There is a small gap between the stator elements. The center distance between the exciter elements is two pole pitches in the direction of movement.

1 zeigt einen Querschnitt durch die Magnetkreisanordnung, bestehend aus Stator SM und Erregerteil ET, mit einer kombinierten Erregung in den seitlich wirkenden Erregereinheiten E1 und E2. 1 shows a cross section through the magnetic circuit arrangement, consisting of stator SM and exciter part ET, with a combined excitation in the laterally acting excitation units E1 and E2.

Die Erregereinheiten E1 und E2 sind mit dem Rotor-Konstruktionsteil RT verbunden, das die Tangentialkräfte z. B. auf eine Welle überträgt. Das Magnetkreisteil SM des Stators ist über ein Konstruktionsteil St mit dem Fundament verbunden. Es besteht aus identischen Magnetkreiselementen L1 und L2. Für die in 1 gezeichnete Position der Erregereinheiten E1 und E2 gegenüber dem Stator SM besteht für die in gleicher Ebene angeordneten Permanentmagneten eine gut leitfähige Verbindung über den Spalt der Länge δ zu dem nach oben erweiterten Statorelement L1. Die Magnetisierung übernimmt von oben der Magnet 1 in N-Richtung und unten der Magnet 3 in S-Richtung. Der Flussverlauf ist symmetrisch zur Mittellinie des Stators eingetragen. Da die Pole 2 und 4 sich in der gezeichneten Stellung nicht im Eingriff mit Ihren Polnachbarn an den Lamellen von L2 befinden, fließt in diesen Elementen kein magnetischer Fluss.The excitation units E1 and E2 are connected to the rotor construction part RT, which controls the tangential forces z. B. transmits to a shaft. The magnetic circuit part SM of the stator is connected via a structural part St to the foundation. It consists of identical magnetic circuit elements L1 and L2. For the in 1 drawn position of the excitation units E1 and E2 relative to the stator SM is for the arranged in the same plane permanent magnet a good conductive connection over the gap of length δ to the upwardly extended stator L1. The magnetization takes over from above the magnet 1 in the N direction and below the magnet 3 in the S direction. The course of the river is registered symmetrically to the center line of the stator. Since the poles 2 and 4 are not in the position shown in engagement with your Polnachbarn on the fins of L2, flows in these elements no magnetic flux.

Gehören z. B. für die Spulenform a die beiden Spulenquerschnitte Q und Q' zu einer gemeinsamen stromführenden Spule mit im Querschnitt unterschiedlichen Stromrichtungen, so beteiligen sich beide Seiten der Anordnung in gleichem Takt an der Bildung der tangentialen Kraftpulse.Belong z. B. for the coil shape a, the two coil cross-sections Q and Q 'to a common current-carrying coil with different cross-sectional flow directions, so participate both sides of the arrangement in the same clock on the formation of the tangential force pulses.

In 2 ist ein Schema der Flussführung mit den 4 Polreihen wiedergegeben. Die in 1 gezeichnete Stellung des Erregerteils ist mit Δx = 0 gekennzeichnet. Die aktiven Pole sind hier durch gekreuzte Flächen der Reihe 1 und 3 gekennzeichnet. Nach Verschiebung der Erregereinheiten E1 und E2 um eine Polteilung τ in Bewegungsrichrtung haben die Reihen 1 und 3 den Kontakt zu ihren Partnerpolen des Stators aufgegeben, während nun die Reihen 2 und 4 über den Spalt δ Fluss führen. Dank geänderter Polarität der Magneten ändert sich die Flussrichtung bezogen auf die Statorspule. Um eine Kraftwirkung gleicher Richtung zu erzielen, muss nun die Stromrichtung um 180° geändert werden. Das Wechselstromprinzip führt bei dieser Formwahl des Magnetkreises trotz Einphasigkeit zu einer in Bewegungsrichtung von Pol zu Pol wandernden Kraft. Die Verteilung der Kraft ist naturgemäß im Sinne einer Gleichkraft mit Oberwellen zu verstehen, wobei die Summe aller Kräfte einen Schwankunganteil aufweist. Durch Einsatz mehrerer Stranganteile hintereinander und bei Phasenverschiebung der Ströme und Strangversatz lassen sich die Oberwellenanteile weiter minimieren.In 2 is a scheme of flux guidance with the 4 rows of poles reproduced. In the 1 drawn position of the exciter part is marked with Δx = 0. The active poles are here marked by crossed areas of the series 1 and 3. After displacement of the exciter units E1 and E2 by one pole pitch τ in the direction of movement, rows 1 and 3 have given up contact with their partner poles of the stator, while now rows 2 and 4 pass through gap δ. Due to the changed polarity of the magnets, the flow direction changes with respect to the stator coil. In order to achieve a force effect in the same direction, the current direction must now be changed by 180 °. The AC principle results in this shape choice of the magnetic circuit despite single-phase to a moving in the direction of movement from pole to pole force. The distribution of the force is naturally to be understood in the sense of a co-efficient with harmonics, the sum of all forces having a fluctuation component. By using several strand components one behind the other and with phase shifting of the currents and strand displacement, the harmonic components can be further minimized.

In 1 ist angenommen, dass die Statorspule in Bewegungsrichtung eine größere Zahl von Polteilungen umschließt und zur Stellbarkeit des Stromes nach Frequenz und Amplitude mit dem Stellgerät Gs verbunden ist, das seinerseits mit dem Wechselstromnetz in Verbindung steht. So wird Generator- und Motorbetrieb ermöglicht. Die Permanentmagneten M weisen in 1 einen größeren Fluss-Durchtrittsquerschnitt auf als der Polquerschnitt am Luftspalt. Weiter ist zu erkennen, dass die Magnetabmessung in Flussrichtung größer als die Luftspaltlänge ist. Beides sind Kennzeichen der sogenannten Sammleranordnung. Die Luftspaltlänge δ ist kleiner als die Polbreite b_e angenommen und kennzeichnet noch nicht den stark vergrößerten Spalt. Auf der Luftspaltseite wird durch einen magnetisch gut leitfähigen Aufsatz Ap eine Polverjüngung vorgenommen. Das leitfähige Teil Le steht in einer Ebene und stellt die Verbindung zwischen den Magneten beider Polaritäten her. Die Formgebung kann so gewählt werden, dass zur Ergänzung der P-Magneterregung eine gleichstromführende Spule mit den in Längsrichtung verlaufenden Teilen der Querschnitte Es und Es' eingebaut werden kann. Mit Gleichstrom stellbarer Größe lässt sich durch Zu- und Gegenschaltung über das Stellgerät Ge der Zusatzfluss, z. B. zur Spannungsbeeinflussung eines Generators in seiner Größe verändern.In 1 It is assumed that the stator coil in the direction of movement encloses a larger number of pole pitches and is connected to the adjustment of the current in frequency and amplitude with the actuator Gs, which in turn is in communication with the AC mains. This enables generator and motor operation. The permanent magnets M point in 1 a larger flow passage area than the pole cross section at the air gap. It can also be seen that the magnetic dimension in the flow direction is greater than the air gap length. Both are hallmarks of the so-called collector arrangement. The air gap length δ is smaller than the pole width b _e assumed and yet does not characterize the greatly enlarged gap. On the air gap side is made by a magnetically good conductive attachment Ap Polverjüngung. The conductive part Le is in a plane and establishes the connection between the magnets of both polarities. The shape can be chosen to complement the P-magnet excitation a DC-carrying coil with the longitudinal parts of the cross sections Es and Es' can be installed. With direct current adjustable size can be connected and disconnected via the actuator Ge, the additional flow, z. B. change the voltage control of a generator in size.

Mit 3 wird auf die Möglichkeit eines verkleinerten Gesamtquerschnitts des Magnetkreises durch jeweils außen um 90° zum Stator hin gewendete Magneten M im Erregerteil ET hingewiesen. Hierdurch ergeben sich auch entsprechende Formänderungen für die am Luftspalt angrenzenden Magnetkreiselemente des Stators. Es ist in diesem Falle denkbar, dass aus mechanischen Gründen die Luftspalte der inneren Magnetenden in der Größe anders gewählt werden als die der äußeren. Um für beide Feldanregungen annähernd gleichhohe Luftspalt-Felddichten zu ermöglichen, werden dann auch die Magnetabmessungen angepasst. Im Hinblick auf die angestrebte Streufeldunterdrückung zwischen äußeren und inneren Magneten bringt die gezeichnete 90°-Drehung ebenfalls einen begrenzten Gewinn.With 3 is pointed to the possibility of a reduced overall cross section of the magnetic circuit by each outside by 90 ° to the stator turned magnet M in the exciter part ET. This also results in corresponding changes in shape for the adjacent at the air gap magnetic circuit elements of the stator. It is conceivable in this case that, for mechanical reasons, the air gaps of the inner magnet ends are selected differently in size than the outer. In order to allow approximately the same air gap field densities for both field excitations, the magnet dimensions are then also adapted. In view of the desired stray field suppression between external and internal magnets, the drawn 90 ° rotation also brings a limited profit.

Wie mit 4 gezeigt wird, ist die rein elektrische Erregung in der Formgebung der nun gekreuzten Luftspaltebene ebenfalls durch gesteigerte Kompaktheit gekennzeichnet. Es soll betont werden, dass bei den Anordnungen der bisherigen TF-Variante für die rein elektrische Erregung keine sehr zweckmäßige Formgebung gefunden wurde.As with 4 is shown, the purely electrical excitation in the shape of the now crossed air gap plane is also characterized by increased compactness. It should be emphasized that in the arrangements of the previous TF variant for the purely electrical excitation no very convenient shape was found.

Die Tabelle der 5 gibt Hinweise auf analytische Zusammenhänge der bisherigen Formgebung und der TF-Variante neuer Art. Die angestrebte Luftspalt-Felddichte B_f ist in der ersten Zeile aufgeführt, wobei B_r die Remanenzinduktion der Permanentmagneten bedeutet. Zur Erzielung großer Verhältnisse B_f/B_r sind die Verhältnisse h^x _m/δ und S/1 + σ möglichst großer als 1 zu wählen. Wie zu entnehmen ist, spielt der Koeffizient σ, der die Größe des Streuflusses in Bezug auf den Nutzfluss erfasst, eine wichtige Rolle. Damit die Magnetabmessung h_m und der Sammelfaktor S nicht zu groß gewählt werden müssen, sollte σ und damit der Streufluss durch die beschriebenen Maßnahmen Magnetabstand (zwischen N und S) und durch Drehung der Magnetachse aus der Bewegungsrichtung begrenzt werden. Dies gilt insbesondere für Maschinen, die aus mechanischen Gründen, z. B. wegen großen Luftspalts und bei großen Abmessungen, ohnehin eine Tendenz zu großen Streufeldanteilen aufweisen.The table of 5 gives hints to the analytical contexts of the previous design and the TF variant of a new kind. The desired air gap field density B _f is listed in the first line, where B _{r is} the remanence induction of the permanent magnet. In order to achieve high ratios B _f / B _r , the ratios h ^x _m / δ and S / 1 + σ should be selected to be as large as possible. As can be seen, the coefficient σ, which measures the size of the leakage flux with respect to the flow of usefulness, plays an important role. So that the magnetic dimension h _m and the collection factor S need not be too large, σ and thus the leakage flux should be limited by the measures described magnet distance (between N and S) and by rotation of the magnetic axis from the direction of movement. This is especially true for machines that for mechanical reasons, eg. B. due to large air gap and large dimensions, anyway have a tendency to large stray field shares.

In der zweiten Zeile von 5 ist die für TF-Magnetkreise verwendete Gleichung für den Kraftdichtemittelwert F_A, der auf die Gesamtfläche des Eisenbereichs bezogen ist, angegeben. Der Strombelag A_a berechnet sich aus dem Quotienten aus Wicklungsdurchflutung und Polteilung. Bei rechteckförmigem Strom entspricht sein Effektivwert dem Mittelwert. B_fm ist die sich aus Maximalwert B_f ergebende gemittelte Größe der Luftspaltfelddichte. Da normalerweise TF-Maschinen mit bereichsweise einsträngigen Wicklungen versehen sind, die mehrsträngig ergänzt werden, können die beiden Stromrichtungen zeitlich nur nacheinander zur Kraftbildung beitragen. Dies impliziert eine Bauweise, für die der Koeffizient k_f sich zu 0,5 ergibt. Dass der Faktor ε > 0 ist, ergibt sich aus der Tatsache, dass in Bewegungsrichrtung durch einen in der nicht genutzten Polteilung zurücklaufenden Feldanteil ein negativer Kraftbeitrag entsteht.In the second line of 5 For example, the equation used for TF magnetic circuits is given for the force density average F _A , which is based on the total area of the iron region. The current load A _{a is} calculated from the quotient of winding flux and pole pitch. For rectangular current, its RMS value is the mean value. B _fm is the average size of the air-gap field density resulting from maximum value B _f . Since usually TF machines are provided with partially single-stranded windings, which are supplemented with multi-stranded, the two current directions can only temporally contribute to the formation of force. This implies a construction for which the coefficient k _f is 0.5. The fact that the factor ε> 0 results from the fact that a negative power contribution arises in the direction of motion due to a field component returning in the unused pole division.

Wie erwartet, trägt besonders bei größerem Luftspalt ein Streukoeffizient σ, der größer als 0,5 werden kann, zur weiteren Reduktion der Felddichte bei. In der dritten Zeile wird zusammengestellt, dass nun durch die neugewählte Formgebung des Magnetkreises eine Verkleinerung von σ < 0,5 zu erwarten ist, was auch für größere Luftspalte gilt und dass darüber hinaus ε = 0 ist, weil die rücktreibende Felddichte entfällt. Es kann damit erwartet werden, dass die Dimensionierung der Permanentmagneten deutlich günstiger ausfällt als im Falle der bereits bekannten TF-Variante.As expected, especially with a larger air gap, a scattering coefficient σ that can be greater than 0.5 contributes to the further reduction in field density. In the third line is compiled that now by the newly selected shape of the magnetic circuit, a reduction of σ <0.5 is expected, which also applies to larger air gaps and that moreover ε = 0, because the repelling field density is eliminated. It can thus be expected that the dimensioning of the permanent magnet turns out much cheaper than in the case of the already known TF variant.

6 zeigt ein Beispiel für die Anwendung eines Magnetkreises mit in vertikaler Richtung magnetisch stabilisiertem Erregerteil. Um große Rückstellkräfte zur Polmitte zu erzeugen, ist eine Dimensionierung zweckmäßig, bei der das Verhältnis Luftspaltlänge δ zu b_e (Polbreite b_e) in der Nähe von 1 liegt. Das Maximum der Rückstellkraft tritt bei Verschiebungen im Größenbereich der Polbreite auf. Sie wirkt bekanntlich symmetrisch zur Polmittellage. Wie gezeichnet, kann diese Lagestabilisierung, z. B. für Generatoren eingesetzt werden, auch wenn deren Erregerteile segmentiert sind. Nach 6 wird in axialer Richtung eine mechanische Führung mit Hilfe eines steifen Rotorkörpers Rk über eine reibungsarme Führung Fr vorausgesetzt, während in radialer Richtung, etwa durch Bauungenauigkeiten, größere Auslenkungen zugelassen werden. Es ist weiter vorausgesetzt, dass das Bauteil ET und mit ihm die Erregeranordnungen ihre tangentialen Kraftanteile in Umfangsrichtung auf das Bauteil Rk übertragen. Die Stabilisierung wirkt quer zum Luftspalt und lässt sich für verschiedene Aufgaben, wie z. B. auch in der Fahrzeugtechnik, einsetzen. Beim linearen Antrieb lassen sich diese Führungskräfte auch zur Stützung des Fahrzeuges oder eines Teils des Fahrzeuges heranziehen. Auch eine Kombination mit einem zusätzlichen magnetischen Stützverfahren erscheint möglich. Es ist naheliegend, auch die erwähnte zusätzliche elektrische Erregung entsprechend 1 zur Stabilisierung des Erregerteils in der Spaltrichtung einzusetzen, um das Erregerteil dann ohne mechanische Teilstützung rein magnetisch zu führen. 6 shows an example of the application of a magnetic circuit with a magnetically stabilized in the vertical direction exciter part. In order to generate large restoring forces to the pole center, a dimensioning is expedient in which the ratio air gap length δ to b _e (pole width b _e ) is in the vicinity of 1. The maximum of the restoring force occurs in the case of displacements in the size range of the pole width. As you know, it acts symmetrically to the pole center position. As drawn, this position stabilization, z. B. are used for generators, even if their exciter parts are segmented. To 6 In the axial direction, a mechanical guide with the aid of a rigid rotor body Rk is assumed via a low-friction guide Fr, while larger deflections are permitted in the radial direction, for example due to construction inaccuracies. It is further assumed that the component ET and with it the exciter arrangements transfer their tangential force components in the circumferential direction to the component Rk. The stabilization acts across the air gap and can be used for various tasks, such. B. also in vehicle technology, use. With linear drive, these executives can also be used to support the vehicle or a part of the vehicle. Also a combination with an additional magnetic support method seems possible. It is obvious, also the mentioned additional electrical excitement accordingly 1 to use for stabilization of the excitation part in the cleavage direction to then lead the exciter part purely mechanical without mechanical partial support.

Die mit 7 gezeigte Ansicht der Stator-Leitelemente für den magnetischen Fluss L1 und L2 lässt erkennen, dass sich ihre Positionierung (Mitte zu Mitte) im Abstand 2τ wiederholt. Die Flussleitteile sind in der Form identisch, aber in der Aufeinanderfolge um 180° gedreht und vertikal leicht versetzt. Auf diese Weise kommt so im Abstand einer Polteilung der wechselnde Feldeingriff mit ET zustande.With 7 As shown, the magnetic flux L1 and L2 stator vanes show that their positioning (center to center) is repeated at a distance 2τ. The Flussleitteile are identical in shape, but rotated in the sequence by 180 ° and vertically slightly offset. In this way, the alternating field engagement with ET occurs at the distance of a pole pitch.

8 zeigt die identische Ausführung von zwei mit Permanentmagneten bestückten Erregerteilen der linken Seite E1 passend zu der Anordnung von 7. Sie stehen auf Lücke im Abstand der doppelten Polteilung 2τ. 8th shows the identical design of two equipped with permanent magnets exciter parts of the left side E1 matching the arrangement of 7 , They stand on gap in the distance of the double pole pitch 2τ.

Wie bei TF-Technik üblich, ergeben sich für die Anordnung der Statorwicklung zwei Alternativen. Die Spulenform lässt sich in der im Bild 7 gestrichelt gezeichneten Form a um die Leitelemente L1 und L2 führen. Der hierdurch bestimmte Stromverlauf mit gegensätzlicher Richtung entspricht der Addition der Flusskomponenten von E1 und E2 in den Mittelteilen von L1 und L2 (sh. 1). Es ist davon auszugehen, dass die Spule jeweils eine größere Gruppe von Doppelpolteilungen umschließt und in Bewegungsrichtung auch mehrere zonenversetzte einsträngige Polanordnungen in symmetrischer Zuordnung betrieben werden. Diese Spulenanordnung ist offenbar passend für große Durchmesser oder Maschinen in linearer Bauweise.As usual with TF technology, there are two alternatives for the arrangement of the stator winding. The coil shape can be seen in the picture 7 dashed lines form a lead to the guide elements L1 and L2. The opposite direction current flow corresponds to the addition of the flux components of E1 and E2 in the middle parts of L1 and L2 (see FIG. 1 ). It can be assumed that the coil in each case encloses a larger group of double-pole divisions and in the direction of movement also a plurality of zone-offset single-pole arrangements are operated in symmetrical association. This coil arrangement is apparently suitable for large diameters or machines in linear design.

Für Maschinen mit kleinem oder mittlerem Durchmesser kommt auch die Spulenform b in Ringform in Betracht. Sie ist in 7a als strichpunktierte Linie schematisiert angedeutet. Die in der in sich zurücklaufenden Spule fließenden Ströme benötigen das kleinstdenkbare Wicklungsvolumen und führen zu kleinen Wicklungsverlusten. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, in Verbindung mit einem entsprechenden Versatz von E2 gegenüber E1 in Umfangsrichtung den Betrieb der Spule Q gegenüber jenem der Spule Q' der Nachbarseite mit Phasenverschiebung und damit auch mit einem zeitlichen Versatz der Kraftpulse zu arbeiten. Mit anderen Worten kann die Zweiphasigkeit der Anordnung an einem zweiseitigen Magnetkreis auch mit Ringspulen verwirklicht werden.For machines with a small or medium diameter, the coil form b in ring form is also suitable. she is in 7a indicated as a dash-dotted line schematized. The currents flowing in the self-circulating coil require the smallest conceivable winding volume and lead to small winding losses. There is also the possibility, in conjunction with a corresponding offset of E2 with respect to E1 in the circumferential direction, to operate the coil Q with respect to that of the coil Q 'of the neighboring side with phase shift and thus also with a time offset of the force pulses. In other words, the two-phase nature of the arrangement on a two-sided magnetic circuit can also be realized with toroidal coils.

Die Anordnung der Erregermagneten mit Erregerachse quer zur Bewegung und nahe dem Luftspalt lässt sich auch mit dem Einbau der Magneten im Statorteil ermöglichen. Dabei werden entsprechend 9 die Flussleitteile Lm oben und Lm' unten mit Magneten ungleicher Polarität bestückt. In der gezeichneten Lage weist das Folgeelement Lm von oben nach unten die gegenteilige Reihenfolge der Polarität auf. Beide Elementtypen sind an ihren Enden mit Permanentmagneten bestückt, während die bisherigen Erregerteile von ET in magnetisch inaktive Rückflusselemente E1 und E2 entarten. Wie 9 zeigt, kann nun auch die Erregerwicklung Es in den Stator SM einbezogen werden. Mit magnetisch passivem Rückschlussteil nimmt nun das zweite Maschinenteil eine minimale Masse an und ist mechanisch robuster als in der Form des Erregerteils nach 1. Es eignet sich für den massearmen Einsatz, z. B. beim Betrieb mit hohen Fliehkräften oder auch für lineare Anwendung.The arrangement of the exciter magnet with exciter axis transverse to the movement and near the air gap can be made possible with the installation of the magnets in the stator. In doing so, accordingly 9 the flux guide parts Lm above and Lm 'below equipped with magnets of unequal polarity. In the illustrated position, the follower element Lm from top to bottom has the opposite order of polarity. Both types of elements are equipped with permanent magnets at their ends, while the previous excitation parts of ET degenerate into magnetically inactive reflux elements E1 and E2. As 9 shows, now also the excitation winding It can be included in the stator SM. With a magnetically passive return part, the second machine part now assumes a minimal mass and is mechanically more robust than in the form of the exciter part 1 , It is suitable for low-mass use, eg. B. when operating with high centrifugal forces or for linear application.

Es kann somit zusammenfassend festgestellt werden, dass die vorgesehenen Formgebungen der Bauteile des TF-Magnetkreises durch die Neuorientierung der Magneten und die streuungsarme Ausführung an mehrere Zielsetzungen angepasst werden können. Die aufwandsarme Verwirklichung größerer Luftspalte im Verhältnis zur Polbreite und zur Polteilung erscheint für zahlreiche Anwendungsfälle realisierbar. Verbunden mit dieser Neuorientierung entstehen Möglichkeiten, außer der Tangentialkraft in Bewegungsrichtung auch Rückstellkräfte quer zum Luftspalt zur Rotorstabilisierung einzusetzen. Die Stellbarkeit der Normalkraft sowie der Spannung wird durch den Einsatz der elektrischen Erregungskomponente ermöglicht.It can thus be stated in summary that the proposed shapes of the components of the TF magnetic circuit can be adapted by the reorientation of the magnets and the low-dispersion design to several objectives. The low-complexity realization of larger air gaps in relation to the Polbreite and the pole pitch appears feasible for many applications. Associated with this reorientation possibilities arise, in addition to the tangential force in the direction of movement, to use restoring forces across the air gap for rotor stabilization. The adjustability of the normal force and the voltage is made possible by the use of the electrical excitation component.

Es soll erwähnt werden, dass der in den Bilddarstellungen 1 bis 9 gewählten Bausymmetrie mit Stator SM in Querschnittsmitte eine andere Form-Alternative gegenübersteht, be3i der das zweite Maschinenteil ET in die Mitte gelegt und der Stator in 2 sich gegenüberstehende Teile seitlich positioniert ist. An den hier beschriebenen Merkmalen ändert sich dabei nur insofern etwas, als die Spulenform a im Stator dann nicht mehr ausführbar ist.It should be mentioned that in the pictorial representations 1 to 9 selected structural symmetry with stator SM in cross-section center faces another alternative form, be3i the second machine part ET placed in the middle and the stator is positioned laterally in two opposing parts. The features described here change only insofar something, as the coil shape a in the stator then no longer executable.

Claims

An electromagnetic energy converter with transverse magnetic circuit for rotary or linear movement, comprising a first component (SM) carrying two AC-conducting coil parts (Q, Q ') of a coil winding, which is designed without overlapping, on both sides of each energy converter side of magnetically conductive magnetic circuit elements (L1, L2 ) are arranged and surrounded by these partially, each magnetic circuit element (L1, L2) has four pole ends of the pole width (be) pointing in pairs to each two air gaps (δ) each energy converter side and are each in the same cross-sectional plane, all magnetic circuit elements (L1, L2) are geometrically identical and are arranged in the direction of movement with pole pitch (τ) arranged magnetic circuit elements (L1, L2) rotated by 180 ° so that their pole ends relative to the adjacent magnetic circuit element (L1, L2) and the pole ends an offset transverse to the flow direction in the air gap (δ), the at least de r pole width (b _e ) corresponds to the pole ends, with a second component which has magnetically conductive magnetic circuit parts (E1, E2) whose identical neighboring elements are at a distance of twice the pole pitch (τ) and have four pole ends in the same plane to the air gaps (δ) arranged for each energy converter side in that a polarity change occurs from the outer two pole ends to the respectively adjacent inner pole ends, the excitation fluxes being generated by a DC-carrying winding (E _s , E _s ') and / or by impressed currents of permanent magnets (M).

Electromagnetic energy converter with transverse magnetic circuit according to claim 1, characterized in that the permanent magnets used for generating the exciting flux (M) in the region of the air gap (δ) pole ends are mounted so that their flux-conducting cross section by at least a factor of two larger than the flux Pole surface, the respective outer permanent magnets (M) to the inner end faces of the inner permanent magnets (M) maintain a distance of at least one Polbreite (be) and by a to the air gap (δ) tapered pole piece (A _p ) a Polflächen-equation to the opposite of the air gap (δ) pole.

Electromagnetic energy converter with transverse magnetic circuit according to one of claims 1 and 2, characterized in that each energy converter side and the side of this associated alternating current coil (Q, Q ') are assigned two longitudinally extending coil parts for guiding direct current for the field excitation, the cross sections respectively are inserted between the outer and the next inner pole end, and the DC current is variable via an electronic actuator in size.

Electromagnetic energy converter with a transverse magnetic circuit according to one of the preceding claims, characterized in that for excitation by permanent magnets in welchselstromführenden first component (SM) permanent magnets (M) are arranged, wherein the same polarity is used in the longitudinal direction in each case in the same radial position.

Electromagnetic energy converter with transverse magnetic circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation by permanent magnets (M) and DC-carrying coil (E _s , E _s ') is used as electrical excitation component together in the fixed alternating current-carrying first component (SM).

Electromagnetic energy converter with transverse magnetic circuit according to one of the preceding claims, characterized in that for generating stabilizing forces transverse to the air gap (δ) at the air gap (δ) adjacent elements are designed with a pole width which corresponds approximately to the length of the air gap (δ) ,

Electromagnetic energy converter with transverse magnetic circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic circuit elements (L1, L2) of the first component (SM) are designed in two parts and arranged so that they the magnetic circuit parts (E1, E2) of the second component (ET ) symmetrical to a centerline.