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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Synchronmaschine,
- – wobei die Synchronmaschine einen um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor und einen den Rotor radial außen umgebenden Stator aufweist,
- – wobei der Rotor in Axialrichtung gesehen eine Anzahl von tangential um die Rotationsachse umlaufenden Rotorringen aufweist,
- – wobei der jeweilige Rotorring in Tangentialrichtung um die Rotationsachse gesehen jeweils eine Mehrzahl von aus einem weichmagnetischen Material bestehenden Klauen aufweist,
- – wobei der jeweilige Rotorring sich in Axialrichtung gesehen von einem axial vorderen zu einem axial hinteren Abschluss erstreckt,
- – wobei der jeweilige Rotorring in Radialrichtung gesehen jeweils einen radial inneren und einen radial äußeren Abschluss aufweist,
- – wobei die Synchronmaschine eine statorfeste Erregereinrichtung aufweist, die jeweils einen mit den Klauen zusammenwirkenden Magnetfeldgenerator aufweist,
- – wobei der Magnetfeldgenerator als Elektromagnet ausgebildet ist.
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Eine derartige elektrische Maschine ist beispielsweise aus der
US 3,132,272 A oder aus der
GB 1,148,304 A bekannt.
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Elektrische Maschinen sind in vielen Ausgestaltungen bekannt, beispielsweise als Gleichstrommaschinen, als einphasige Wechselstrommaschinen oder als Drehstrommaschinen. Bei Drehstrommaschinen wiederum wird zwischen Asynchronmaschinen und Synchronmaschinen unterschieden. Die vorliegende Erfindung betrifft Synchronmaschinen.
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Bei Synchronmaschinen muss der Rotor erregt werden. Es ist möglich, die Erregung mittels Permanentmagneten zu bewirken.
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Bei permanent erregten Synchronmaschinen wird vorwiegend Magnetmaterial auf Basis von seltenen Erden eingesetzt, um eine möglichst hohe Drehmoment- und Leistungsdichte zu erzielen. Weiterhin zeichnen sich diese Synchronmaschinen insbesondere im Teillastbereich, bei geringen Drehzahlen und hohen Drehmomentanforderungen durch einen relativ hohen Wirkungsgrad aus, da aufgrund der permanentmagnetischen Erregung nahezu keine rotorseitigen Verluste entstehen. Alternativ können Synchronmaschinen elektrisch erregt sein. Bei elektrisch erregten Synchronmaschinen entstehen bei hohen Drehmomentanforderungen vergleichsweise hohe Rotorwicklungsverluste, so dass die Effizienz derartiger Synchronmaschinen in diesem Bereich geringer ist als bei permanentmagnetischer Erregung. Elektrisch erregte Synchronmaschinen sind jedoch im Feldschwächungsbereich bei hohen Drehzahlen effizienter zu betreiben. Insbesondere benötigen elektrisch erregte Synchronmaschinen oberhalb der Spannungsgrenze keinen parasitären Feldschwächungsstrom, sondern lediglich eine Reduzierung der Erregung. Dadurch reduzieren sich sowohl die Ummagnetisierungsverluste als auch die statorseitigen Verluste, da nur drehmomentbildender Strom (in Querachse) benötigt wird.
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Es ist auch schon bekannt, eine permanentmagnetische und eine elektrische Erregung miteinander zu kombinieren. Auf diese Weise kann man von den Effizienzvorteilen beider Erregungsarten profitieren. Insbesondere sollte in diesem Fall eine Grunderregung permanentmagnetisch ausgeführt sein. Für kurzzeitige hohe Drehmomentanforderungen wird in diesem Fall aufgrund einer zusätzlichen elektrischen Erregung der magnetische Fluss erhöht.
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Bei elektrischer Erregung wird die benötigte elektrische Energie in der Regel über Schleifringsysteme oder über transformatorische Übertragersysteme in den Rotor eingespeist. Schleifringsysteme sind verschleißbehaftet, transformatorische Übertragersysteme erfordern einen erhöhten Material- und Kostenaufwand.
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Alternativ ist bekannt, mittels einer statorfesten Erregereinrichtung ein magnetisches Gleichfeld zu generieren und das magnetische Gleichfeld auf den Rotor zu übertragen. Diese Vorgehensweise zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Einerseits werden keine Rotorwicklungen benötigt, weshalb im Rotor auch keine Kupferverluste und dadurch verursachte Erwärmungen des Rotors auftreten. Da es sich um ein magnetisches Gleichfeld handelt, kommt es weiterhin nicht zu Ummagnetisierungsverlusten. Etwaige Elektromagnete der statorfesten Erregereinrichtung rotieren nicht und können daher insbesondere auf einfache Weise gekühlt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Synchronmaschine, die eine statorfeste Erregereinrichtung aufweist, in optimierter Weise zu gestalten.
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Die Aufgabe wird durch eine Synchronmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Synchronmaschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 9.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Synchronmaschine der eingangs genannten Art dadurch auszugestalten,
- – dass der Magnetfeldgenerator radial innerhalb des jeweiligen Rotorrings angeordnet ist und im Bereich des radial inneren Abschlusses in Radialrichtung magnetisch an die Klauen des jeweiligen Rotorrings angekoppelt ist,
- – dass der Magnetfeldgenerator sich in Axialrichtung gesehen über die Klauen hinaus erstreckt,
- – dass der jeweilige Rotorring in Axialrichtung gesehen auf mindestens einer Seite neben den Klauen einen Magnetring aufweist,
- – dass der jeweilige Magnetring in Tangentialrichtung um die Rotationsachse gesehen jeweils eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist und
- – dass eine Magnetisierung der Permanentmagnete in Tangentialrichtung um die Rotationsachse gesehen entsprechend der Abfolge der Klauen alterniert.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Synchronmaschine enthält der Magnetfeldgenerator kein permanentmagnetisches Material.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Synchronmaschine gehen die Klauen des jeweiligen Rotorrings in zwei Flussabnehmerringe über, über welche der Magnetfeldgenerator an die Klauen magnetisch angekoppelt ist. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere die Flussübertragung vom Magnetfeldgenerator zu den Klauen vergleichsmäßigt werden.
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Vorzugsweise bestehen die Rotorringe im Bereich zwischen den Klauen sowie zwischen den Klauen und dem Magnetring aus einem Füllmaterial, das dia- oder paramagnetisch ist und elektrisch isolierend oder nur anisotrop leitend ist.
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Vorzugsweise sind die Klauen aus einem Pulvermaterial hergestellt. Durch diese Ausgestaltung lassen sich insbesondere Wirbelströme in den Klauen vermeiden.
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Der Magnetfeldgenerator erstreckt sich in Axialrichtung gesehen über eine Generatorlänge. Vorzugsweise ist die Generatorlänge gleich dem Abstand des axial vorderen Abschlusses vom axial hinteren Abschluss. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Anzahl an Rotorringen größer als eins ist. Insbesondere kann der Magnetfeldgenerator sich in Axialrichtung gesehen vom axial vorderen Abschluss zum axial hinteren Abschluss erstrecken.
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Die Rotorringe weisen in Tangentialrichtung um die Rotationsachse gesehen eine Periodizität auf. In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in Axialrichtung aneinander angrenzende Rotorringe um einen Winkel um die Rotationsachse gegeneinander verdreht. Durch diese Ausgestaltung der Synchronmaschine wird zwar deren Leistungsausbeute (d.h. die bei gegebener Baugröße erzielbare Leistung) verringert. Im Gegenzug ergibt sich jedoch ein besserer Gleichlauf, weil Pendel- und Rastmomente verringert werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine Synchronmaschine in perspektivischer, teilgeschnittener Darstellung,
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2 einen Rotor der Synchronmaschine von 1 in perspektivischer Darstellung,
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3 eine Erregereinrichtung und einen Rotor der Synchronmaschine von 1 in geschnittener Darstellung und
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4 eine mögliche Abfolge von Klauen in abgerollter Darstellung.
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Die 1 bis 3 zeigen verschiedene Darstellungen und Elemente ein und derselben elektrischen Synchronmaschine. Die 1 bis 3 werden daher nachfolgend gemeinsam erläutert.
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Gemäß den 1 bis 3 weist eine Synchronmaschine einen Rotor 1 auf. Der Rotor 1 ist um eine Rotationsachse 2 rotierbar. Der Rotor 1 ist radial außen von einem Stator 3 umgeben.
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Der Begriff „radial“ ist – ebenso wie die Begriffe „axial“ und „tangential“ – stets auf die Rotationsachse 2 bezogen. Axial ist eine Richtung parallel zur Rotationsachse 2. Die Axialrichtung ist in den 1 bis 3 und auch in 4 mit dem Bezugszeichen z bezeichnet. Radial ist eine Richtung orthogonal zur Rotationsachse 2 auf die Rotationsachse 2 zu oder von ihr weg. Die Radialrichtung ist in den 1 bis 3 mit dem Bezugszeichen r bezeichnet. Tangential ist eine Richtung orthogonal zur Rotationsachse 2 und orthogonal zur Radialrichtung. Tangential ist also eine Richtung, die in konstantem radialem Abstand und bei konstanter Axialposition kreisförmig um die Rotationsachse 2 herum gerichtet ist. Die Tangentialrichtung ist in den 1, 2 und 4 mit dem Bezugszeichen φ bezeichnet.
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In Axialrichtung z gesehen weist der Rotor 1 eine Anzahl von Rotorringen 4 auf. Minimal ist ein einziger Rotorring 4 vorhanden. Gemäß der Darstellung in 1 sind zwei Rotorringe 4 vorhanden. Es können jedoch auch mehr als zwei Rotorringe 4 vorhanden sein. Die Rotorringe 4 laufen tangential um die Rotationsachse 2 um.
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2 zeigt einen der Rotorringe 4. Die anderen Rotorringe 4 sind – sofern sie vorhanden sind – ebenso ausgebildet. Der dargestellte Rotorring 4 weist in Tangentialrichtung φ um die Rotationsachse 2 gesehen eine Mehrzahl von Klauen 5 auf.
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Die Klauen 5 bestehen aus einem weichmagnetischen Material. Weichmagnetische Materialien sind, wie Fachleuten allgemein bekannt ist, ferromagnetische Materialien, die sich zwar leicht magnetisieren lassen und ein vorhandenes Magnetfeld führen und deutlich verstärken. Im Gegensatz zu permanentmagnetischen Materialien weisen sie jedoch nur eine sehr kleine Hysterese auf, sind selbst also nur in sehr geringem Umfang magnetisch im Sinne von permanentmagnetisch. Beispiele derartiger Materialien sind Weicheisen und Elektroblech. Alternativ können die Klauen 5 aus einem Pulvermaterial hergestellt. Ein Beispiel eines geeigneten Pulvermaterials ist SMC (= sintered magnetic compound oder soft magnetic compound). Ein derartiges Material weist insbesondere den Vorteil auf, dass während des Betriebs der Synchronmaschine in diesem Material nahezu keine Wirbelströme induziert werden.
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Der jeweilige Rotorring 4 erstreckt sich in Axialrichtung z gesehen von einem axial vorderen Abschluss 6 zu einem axial hinteren Abschluss 7. Der jeweilige Rotorring 4 weist in Radialrichtung r gesehen einen radial inneren Abschluss 8 und einen radial äußeren Abschluss 9 auf.
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Die Synchronmaschine weist eine statorfeste Erregereinrichtung 10 auf. Die statorfeste Erregereinrichtung 10 weist einen Magnetfeldgenerator 11 auf. Der Magnetfeldgenerator 11 ist als (reiner) Elektromagnet ausgebildet. Er enthält also kein permanentmagnetisches Material.
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Der Magnetfeldgenerator 11 wirkt mit den Klauen 5 magnetisch zusammen. Er ist radial innerhalb des jeweiligen Rotorrings 4 angeordnet. Der radial äußerste Bereich des Magnetfeldgenerators 11 ist also näher an der Rotationsachse 2 angeordnet als der radial innere Abschluss 8 des jeweiligen Rotorrings 4. Der Magnetfeldgenerator 11 ist im Bereich des radial inneren Abschlusses 8 in Radialrichtung magnetisch an die Klauen 5 des jeweiligen Rotorrings 4 angekoppelt. Der Magnetfeldgenerator 11 erstreckt sich in Axialrichtung z gesehen über die Klauen 5 hinaus.
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Der Rotorring 4 weist in Axialrichtung z gesehen auf mindestens einer Seite – gemäß den 1 bis 3 sogar auf beiden Seiten – neben den Klauen 5 einen Magnetring 12 auf. Die Magnetringe 12 weisen in Tangentialrichtung φ um die Rotationsachse 2 gesehen jeweils eine Mehrzahl von Permanentmagneten 13 auf. Eine Magnetisierung der Permanentmagnete 13 ist in der Regel radial gerichtet. In Einzelfällen kann alternativ eine Magnetisierung axial oder tangential sinnvoll sein. Unabhängig von der Richtung der Magnetisierung alterniert die Magnetisierung jedoch in Tangentialrichtung φ um die Rotationsachse 2 gesehen entsprechend der Abfolge der Klauen 5. Im Bereich einer jeweiligen Klaue 5 befindet sich also entweder nur ein einziger Permanentmagnet 13. Alternativ befinden sich im Bereich einer jeweiligen Klaue 5 zwar mehrere Permanentmagnete 13, diese im Bereich der jeweiligen Klaue 5 angeordneten Permanentmagnete 13 sind jedoch einheitlich magnetisiert. Beim Fortschreiten von einer Klaue 5 zur nächsten Klaue 5 wechselt jeweils die Magnetisierung der Permanentmagnete 13.
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Es ist möglich, dass die Klauen 5 des jeweiligen Rotorrings 4 direkt an den jeweiligen Magnetfeldgenerator 11 magnetisch angekoppelt sind. Vorzugsweise sind jedoch zwei Flussabnehmerringe 14 vorhanden, über welche der jeweilige Magnetfeldgenerator 11 an die Klauen 5 des jeweiligen Rotorrings 4 magnetisch angekoppelt ist.
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Die Rotorringe 4 sind zwischen den genannten Elementen der Rotorrings 4 (also im Bereich zwischen den Klauen 5 und im Bereich zwischen den Klauen 5 und den Magnetringen 12) mit einem Füllmaterial 15 gefüllt. Das Füllmaterial 15 ist dia- oder paramagnetisch und elektrisch isolierend oder nur anisotrop leitend ist. Entsprechende Materialien sind Fachleuten bekannt. Beispiele geeigneter Füllmaterialien 15 sind Glasfaserwerkstoffe, Kohlefaserwerkstoffe und Kunststoffe (insbesondere Polyimide).
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Der Magnetfeldgenerator 11 weist in Axialrichtung z gesehen eine Generatorlänge l auf. Die Generatorlänge l kann gleich dem Abstand des axial vorderen Abschlusses 6 vom axial hinteren Abschluss 7 sein. Insbesondere kann sich der Magnetfeldgenerator 11 in Axialrichtung z gesehen vom axial vorderen Abschluss 6 zum axial hinteren Abschluss 7 erstrecken.
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Die einzelnen Rotorringe 4 weisen in Tangentialrichtung φ um die Rotationsachse 2 herum eine Periodizität auf (oftmals auch als Polteilung bezeichnet). Wenn beispielsweise die Rotorringe 4 zwölf Klauen 5 aufweisen, beträgt die Periodizität 360°/6 = 60°. Bei acht Klauen 5 wäre die Periodizität dementsprechend 90°, bei vierundzwanzig Klauen 5 wäre sie 30°. Selbstverständlich sind die genannten Zahlen nur beispielhaft. Nachfolgend wird auf das Beispiel mit zwölf Klauen 5, d.h. der Periodizität 60°, näher eingegangen. Die Ausführungen sind jedoch in analoger Weise auf andere Periodizitäten übertragbar.
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Falls die Anzahl an Rotorringen 4 größer als eins ist, können die Rotorringe 4 gleich ausgebildet und gleich angeordnet sein. Alternativ ist es möglich, dass in Axialrichtung z aufeinander folgende Rotorringe 4 – zumindest in etwa – um die Hälfte der Periodizität gegeneinander verdreht sind. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Flussrichtung des magnetischen Flusses in den einander zugewandten Klauen 5 benachbarter Rotorringe 4 gleichgerichtet ist. In diesem Fall muss zwar das von den entsprechenden Magnetfeldgeneratoren 11 generierte Magnetfeld gegensinnig gerichtet sein. Dies ist jedoch ohne Weiteres realisierbar. Aufgrund des Umstands, dass durch diese Ausgestaltung in Bezug auf in Axialrichtung z aneinander angrenzende Rotorringe 4 die dem jeweils anderen Rotorring 4 zugewandten Klauen 5 gleichsinnig magnetisiert sind, können die magnetischen Verluste minimiert werden.
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Bevorzugt ist es gemäß 4, dass in Axialrichtung z aneinander angrenzende Rotorringe 4 um einen Winkel α um die Rotationsachse 2 gegeneinander verdreht sind, der erheblich kleiner als die Periodizität ist. Insbesondere sollte der Winkel α vorzugsweise – aber nicht zwangsweise – maximal 1/6 der Periodizität sein.
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Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere ergibt sich durch die räumliche Trennung der Einspeisung der elektrischen Erregung vom drehmomentgenerierenden Luftspalt zwischen Rotor 1 und Stator 3 ein überlegenes Laufverhalten der Synchronmaschine bei vereinfachtem Aufbau und hoher Leistungsdichte. Im Rotor 1, also dem am schwierigsten zu kühlenden Teil der Synchronmaschine, erfolgt nahezu keine Erwärmung aufgrund ohmscher Wicklungsverluste oder von Wirbelstromverlusten in den Permanentmagneten 13. In der statorfesten Erregereinrichtung 10 auftretende Verluste lassen sich vergleichsweise einfach durch Kühlung abführen. Weiterhin durchdringt das statorseitig aufgebaute Magnetfeld nur zu einem geringen Teil die Magnetfeldgeneratoren 11 der statorfesten Erregereinrichtung 10. Aufgrund des Umstands, dass weder über Schleifringe noch über einen Übertrager Energie in den Rotor 1 übertragen werden muss, arbeitet der Rotor 1 verschleißfrei, zuverlässig und effizient. Die axiale Ausdehnung der Klauen 5 kann vergleichsweise gering gehalten werden. Durch diese Ausgestaltung können Streueffekte reduziert werden. Der Gesamtleistungsbedarf der Synchronmaschine kann, soweit erforderlich, durch eine Serienanordnung mehrerer Rotorringe 4 hintereinander erreicht werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3132272 A [0002]
- GB 1148304 A [0002]
