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Die Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine mit synchroner Reluktanzmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Flurförderzeug mit einer synchronen Reluktanzmaschine als Fahrantrieb und/oder Antrieb einer Arbeitsvorrichtung, insbesondere von einer Arbeitshydraulik, wobei die synchrone Reluktanzmaschine einen Stator, der mit mindestens drei Phasenwicklungen zur Erzeugung eines Drehfeldes sowie mit einem Statorkörper aus weichmagnetischem Material hoher Permeabilität als Statormaterial versehen ist, und einen Rotor mit einem Rotorkörper aus weichmagnetischem Material hoher Permeabilität als Rotormaterial aufweist.
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In dem Stand der Technik sind sogenannte synchrone Reluktanzmaschinen bekannt, die eine dreiphasige Drehfeldmaschine für den 4-Quadranten Betrieb darstellen, wobei diese als Motor oder Generator sowie jeweils in beiden Drehrichtungen ausgeführt und betrieben werden können.
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Bei einem als Beispiel betrachteten dreiphasigen Motor, vergleichbar einem Asynchronmotor, sind bei einer synchronen Reluktanzmaschine die Statorwicklungen jeweils um 120° elektrisch versetzt angeordnet, wobei für jede Phase eine Statorwicklung vorgesehen ist.
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Durch eine spezielle Formgebung des Läufers oder Rotors mit ausgeprägten Polen wird diesem eine starke bevorzugte Ausrichtung zum magnetischen Feld eingeprägt. Die Drehbewegung wird durch ein rotierendes magnetisches Feld erzeugt, dem der Rotor zu folgen versucht. In stationären Betriebspunkten folgt der Stator demnach dem Stadttordrehfeld synchron und in Bezug auf den Rotor steht das Statordrehfeld. Der Rotor wird somit von einem Gleichfeld durchflossen, während der Stator einer periodischen Wechselfeldmagnetisierung unterworfen ist. Im Gegensatz zu Asynchronmaschinen oder durch Permanentmagnete erregten Synchronmaschinen, bei denen das Drehmoment durch die Wechselwirkung eines Magnetfelds mit einem durch einen Leiter fließenden Strom bzw. die Wechselwirkung mit den Permanentmagneten erzeugt wird, erfolgt die Drehmomenterzeugung in einer Reluktanzmaschine aufgrund der auf einen weichmagnetischen Stoff eines Rotors in einem Magnetfeld wirkenden Maxwellschen Kraft durch die das magnetische System den Zustand des geringsten magnetischen Widerstands oder Reluktanz anstrebt. Die Bewegung kommt durch das Ausrichten des Rotors an einem durch die Ständerspulen bzw. Statorwicklungen erzeugten Magnetfeld zustande, wobei durch einen geeigneten dreiphasigen Umrichter und die induktive Kopplung der Ständerspulen das sich drehende Magnetfeld erzeugt wird.
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Im Gegensatz zu dem im stationären Betrieb bei konstanter Drehzahl und konstantem Drehmoment von einem Gleichfeld durchflossen Rotor ist der Stator einer periodischen Wechselfeldmagnetisierung unterworfen, die sogenannte Eisenverluste entstehen lassen, die sich aus Hysterese- und Wirbelstromverlusten zusammensetzen. Hystereseverluste entstehen durch die Arbeit bei der Ummagnetisierung der Elementarmagnete des Statormaterials. Wird die Magnetisierung des Statormaterials über der magnetischen Feldstärke aufgetragen, so entsteht eine typische Diagrammfigur, auch bezeichnet als Hystereseschleife, deren Integral über die eingeschlossene Fläche ein Maß für die Arbeit darstellt, die für die Ummagnetisierung der Elementarmagnete in einem Ummagnetisierungszyklus erforderlich ist. Dabei sind die Hystereseverluste proportional zur Frequenz der Ummagnetisierung, folglich bei einem Stator zur Frequenz des Stroms in den Statorwicklungen.
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Die zweite Komponente der Eisenverluste sind Wirbelstromverluste, die als Erwärmung durch ohmschen Widerstand der durch die magnetische Induktion in dem Statormaterial hervorgerufenen Wirbelströme. Die Wirbelstromverluste sind dabei quadratisch von der Frequenz abhängig, somit ebenfalls von der Frequenz der Ansteuerung der Statorwicklungen im Falle der Betrachtung des Stators. Daher werden die Metallkerne der Statorwicklungen, aus denen der Stator gebildet ist, häufig aus Packungen mehrerer Bleche, bezeichnet als Elektrobleche ausgeführt. Durch diese Lamellierung des Statormaterials wird versucht, die Wirbelstromverluste konstruktiv zu reduzieren. Dabei werden die gegeneinander, beispielsweise durch eine Lackierung, isolierten Elektrobleche in magnetischer Flussrichtung und damit senkrecht zu Wirbelstromrichtung geschichtet.
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Dabei werden im Herstellungsprozess die Elektrobleche des Stators wie auch des Rotors zusammen gestanzt oder beispielsweise durch Laserschnittverfahren hergestellt. Die, beispielsweise durch einen Tauchlack, isolierten Elektrobleche werden anschließend zu Statorpaketen und Rotorpaketen gestapelt und mechanisch miteinander verbunden. Die für den Rotor wie auch den Stator verwendeten Elektrobleche sind daher von gleicher Güte und Dicke.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass dadurch eine Reduzierung der Eisenverluste in dem Statormaterial und zugleich Optimierung der Reluktanz in dem Rotormaterial nur schwer zu erreichen ist.
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Bekannt ist weiterhin, zur Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit und somit der Wirbelstromverluste ferromagnetische Werkstoffe mit Legierungsanteilen von Silizium zu versehen.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass der Siliziumgehalt die Magnetisierung des Eisens negativ beeinflusst, indem die magnetische Polarisation J mit zunehmendem Siliziumgehalt sinkt, d.h. die Reluktanz zurückgeht. Mit der Reduzierung der Wirbelstromverluste wird somit gegenläufig eine Verschlechterung der magnetischen Leitfähigkeit verursacht.
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Anstatt Gleichstrommaschinen werden als elektrischer Pumpenmotor der Arbeitshydraulik dreiphasige Asynchronmaschinen genutzt, oder bei noch größeren Leistungsanforderungen auch dreiphasige Permanentmagnetsynchronmotoren, wenn höhere Anforderungen als an Gleichstrommaschinen bestehen. Im Gegensatz zu den Gleichstrommaschinen sind Dreiphasensynchronmotoren oder Dreiphasenasynchronmotoren im Aufbau einfacher und wartungsfrei, wegen des entfallenen Kommutators, und zeichnen sie sich durch einen höheren Wirkungsgrad aus. Insbesondere bei Arbeitshydrauliken mit Dreiphasensynchronmotoren oder Dreiphasenasynchronmotoren als elektrischer Pumpenmotor ist zumeist in die Arbeitshydraulik eine Lenkhydraulik integriert.
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Nachteilig ist jedoch, dass die Ansteuerung, im Gegensatz zur Gleichstrommaschine, wegen des benötigten, gesteuerten dreiphasigen Drehfeldes wesentlich komplexer ist, denn es wird die Erfassung der Lage oder Drehgeschwindigkeit sowie eine entsprechende Leistungselektronik benötigt.
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Als Fahrantrieb von Flurförderzeugen sowie für den Antrieb von Arbeitsvorrichtungen, insbesondere einer Arbeitshydraulik, werden überwiegend Gleichstrommotoren oder dreiphasige Asynchronmotoren genutzt, bei größeren Leistungsanforderungen auch dreiphasige Permanentmagnetsynchronmotoren. Synchrone Reluktanzmaschinen weisen demgegenüber eine hohe Leistungsdichte und kompakte Maße auf, jedoch höhere Verlustleistungen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flurförderzeug mit einer synchronen Reluktanzmaschine als Fahrantrieb und/oder Antrieb einer Arbeitsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, das die oben genannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine geringe Verlustleistung aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Flurförderzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Flurförderzeug mit einer synchronen Reluktanzmaschine als Fahrantrieb und/oder Antrieb einer Arbeitsvorrichtung, insbesondere von einer Arbeitshydraulik, wobei die synchrone Reluktanzmaschine einen Stator, der mit mindestens drei Phasenwicklungen zur Erzeugung eines Drehfeldes sowie mit einem Statorkörper aus weichmagnetischem Material hoher Permeabilität als Statormaterial versehen ist, und einen Rotor mit einem Rotorkörper aus weichmagnetischem Material hoher Permeabilität als Rotormaterial aufweist, das Startormaterial durch Materialeigenschaften und/oder Schichtungen eine geringere elektrische Leitfähigkeit als das Rotormaterial aufgrund dessen Materialeigenschaften und/oder Schichtungen aufweist.
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Dadurch kann die magnetische Leitfähigkeit oder Reluktanz des Rotors im Verhältnis zu den Stator erheblich erhöht werden und die synchrone Reluktanzmaschine insgesamt kompakter und mit größerer Leistungsdichte ausgeführt werden. Vor allem erhöht sich auch der Wirkungsgrad und wird die Verlustleistung der synchronen Reluktanzmaschine im Vergleich zu einer asynchronen Drehstrommaschine verringert.
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Vorteilhaft kann das Rotormaterial aus mehreren Lagen von Blechen als Rotorblechen bestehen.
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In einer günstigen Ausführungsform des Flurförderzeugs kann das Statormaterial aus mehreren Lagen von Blechen als Statorblechen bestehen.
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Dadurch ergibt sich für das Rotormaterial wie auch das Statormaterial eine Schichtung mit dazwischenliegenden isolierenden Schichten. Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, wenn die Rotorbleche wie auch die Statorbleche mit einer Isolierschicht, etwa einer Lackierung, versehen werden, bevor diese gestapelt werden.
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Die Rotorbleche können eine geringere Dicke aufweisen als die Statorbleche.
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Dadurch ergibt sich ein Kostenvorteil durch die Verwendung von Elektrobleche mit geringerer Qualität bzw. größeren Dicken als Rotorbleche bei dem Rotor.
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In einer Weiterbildung des Flurförderzeugs besteht das Rotormaterial aus einem Sintermaterial.
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Das Statormaterial kann aus einem Sintermaterial bestehen.
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Vorteilhaft besteht das Rotormaterial aus mehreren Lagen von Blechen als Rotorblechen und das Statormaterial aus einem Sintermaterial.
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Bei einem Intermaterial lassen sich die Eigenschaften besonders gut auf einen Kompromiss zwischen geringen Eisenverlusten und hoher magnetischer Reluktanz bei dem Statormaterial optimieren
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Das Statormaterial kann durch einen Legierungsanteil von Silizium eine geringere elektrische Leitfähigkeit als das Rotormaterial aufweisen.
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In einer günstigen Ausführungsform weist das Rotormaterial einen Legierungsanteil von Silizium auf und das Statormaterial einen größeren Legierungsanteil von Silizium auf.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
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1a schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Rotors einer synchronen Reluktanzmaschine eines erfindungsgemäßen Flurförderzeugs,
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1b schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotors einer synchronen Reluktanzmaschine eines erfindungsgemäßen Flurförderzeugs,
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1c schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Rotors einer synchronen Reluktanzmaschine eines erfindungsgemäßen Flurförderzeugs und
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2 schematisch eine Anordnung der Statorwicklungen einer im Stand der Technik bekannten geschaltete Reluktanzmaschine,
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Die 1a zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Rotors 1 einer synchronen Reluktanzmaschine eines erfindungsgemäßen Flurförderzeugs im Querschnitt. Der Rotor 1 besteht aus einer Rotorwelle 2 sowie vier Segmenten 3 aus weichmagnetischem oder einem geeigneten hochpermeablen Material, die am Umfang angeordnet und jeweils unter Ausbildung eines Luftspalts untereinander beanstandet sind. Die Segmente 3 bilden in Umfangsrichtung betrachtet in ihrem jeweils mittleren Bereich Pole 5, die beim Anliegen eines äußeren Magnetfelds sich mit dem Magnetfeld auszurichten suchen, da in der Orientierung der Pole 5 die kleinste magnetische Reluktanz vorliegt. Wird durch Statorwicklungen ein äußeres Drehfeld erzeugt, so wird der Rotor 1 von dem Magnetfeld mitgenommen. Die vier Pole 5 sind in zwei sich rechtwinklig schneidenden Achsen angeordnet. Das Material der Segmente 3 weist bei dem vorliegenden Beispiel nur einen sehr geringen Legierungsanteil an Silizium auf.
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Die 1b zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotors 1 der synchronen Reluktanzmaschine des erfindungsgemäßen Flurförderzeugs im Querschnitt. Einander entsprechende Bauteile sind wie auch in den folgenden Zeichnungen mit gleichen Bezugsziffern versehen. Der Rotor 1 besteht hier aus mehreren übereinandergelegten und aneinander befestigten, beispielsweise verklebten, Blechen 4 als Rotorblechen 20. Durch dieses "Laminieren" der Rotorbleche 20 wird eine bevorzugte Ausrichtung der entstehenden Blechpakete mit dem Magnetfeld in der Ebene der Rotorbleche 20 erreicht. Werden die Bleche, wie in 1b dargestellt, in vier Viertelkreisen angeordnet, so bilden sich vier Pole 5 an den Stellen, an denen die laminierten Rotorbleche 20 den Außenradius des Rotors 1 schneiden. Wirbelströme würden senkrecht zu den Rotorblechen 20 orientiert sein und werden durch die Isolierung zwischen den einzelnen Lagen der Rotorbleche 20 weitestgehend verhindert.
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Die 1c zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Rotors 1 der synchronen Reluktanzmaschine des erfindungsgemäßen Flurförderzeugs im Querschnitt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Rotor 1 im Querschnitt betrachtet Flusssperren-Schnitte 6 auf, die durch nach dem Stand der Technik bekannte Methoden erzeugt werden, beispielsweise sofern der Rotor 1 aus axial hintereinander angeordneten Blechen aufgebaut ist, durch Ausstanzen. Diese Flusssperren-Schnitte 6 bilden Barrieren für den magnetischen Fluss und führen dazu, dass sich wiederum Pole 5 bilden. Auch hier kann das Rotormaterial beispielsweise durch geeignete Wahl von Sintermaterial oder Legierungsanteilen von Silizium mit einer höheren Reluktanz als das Statormaterial ausgestattet werden.
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Die 2 stellt schematisch eine Anordnung des Rotors innerhalb des Stators dar. Ein stilisierter dargestellter Rotor 7, der in jeder der Bauformen der 1a, 1b und 1c ausgestaltet sein kann, läuft innerhalb eines Stators 8, wobei der Rotor 7 Polschuhe 9 aufweist und der Stator 8 Polschuhe 10, die von Statorwicklungen 11 umschlossen sind. Das Statormaterial des Starttors 8 kann aus Blechen geringerer Dicke als die Rotorbleche bestehen und einen höheren Legierungsanteil an Silizium aufweisen, um die Eisenverluste in den Stator 8 zu verringern.
