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Die Erfindung betrifft eine permanenterregte dynamoelektrische Maschine, die im Feldschwächbereich betrieben werden kann.
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Beispielhaft für eine derartige elektrische Maschine ist die sogenannte permanenterregte Synchronmaschine. Permanenterregte Synchronmaschinen kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz, bei denen elektrische Antriebsaufgaben zu verrichten sind. In industriellen Anwendungen, beispielsweise bei Werkzeugmaschinen oder Produktionsmaschinen, werden sie als hochdynamische Servomotoren eingesetzt. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Maschinentypen hohen Leistungsdichte wird sie bevorzugt auch im Bereich der Elektromobilität verwendet, wo der zur Verfügung stehende Bauraum häufige eine limitierende Größe darstellt. Aber auch als Generator, beispielsweise im Umfeld regenerativer Energien, insbesondere Windkraft, wird die permanenterregte Synchronmaschine häufig eingesetzt.
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Im Vergleich zu elektrisch erregten Synchronmaschinen zeichnet sich die permanenterregte Synchronmaschine durch einen erhöhten Wirkungsgrad aus. Dadurch, dass die permanenterregte Synchronmaschine auf eine elektrische Erregung verzichten kann, werden ohmscher Verluste eingespart. Das Erregerfeld der Maschine wird in der Regel von Permanentmagneten erzeugt, die im Rotor der Maschine angeordnet sind. Auf eine Schleifringkontaktierung, die bei elektrisch erregten Synchronmaschinen notwendig ist, um eine am Rotor angeordnete Erregerspule mit Strom zu versorgen, kann bei der permanenterregten Synchronmaschine verzichtet werden. Hierdurch reduziert sich auch der Wartungsaufwand der permanenterregten Maschine gegenüber der elektrisch erregten.
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Ein Nachteil der Permanenterregung besteht jedoch darin, dass das Erregerfeld nicht ohne Weiteres modifiziert werden kann. Grundsätzlich kann eine Synchronmaschine über ihre Nenndrehzahl hinaus betrieben werden, indem der sogenannte Feldschwächbereich angesteuert wird. In diesem Bereich wird die Maschine mit der maximalen Nennleistung betrieben, wobei mit zunehmender Drehzahl das von der Maschine abgegebene Drehmoment reduziert wird. Elektrisch erregte Synchronmaschinen können sehr einfach im Feldschwächbereich betrieben werden, indem der Erregerstrom reduziert wird.
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Zwar sind auch bei permanenterregten Maschinen Möglichkeiten bekannt, über eine geeignete Bestromung des Ständers der Maschine eine Luftspaltfeldkomponente zu erzeugen, die dem von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt und dieses somit schwächt. Jedoch bewirkt eine derartige Ansteuerung der Maschine erhöhte Verluste, sodass die Maschine in diesem Bereich nur mit einem reduzierten Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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Um permanenterregte dynamoelektrische Maschinen im Feldschwächbereich betreiben zu können, ohne hierbei den Wirkungsgrad der Maschine nennenswert zu verschlechtern, sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur mechanischen Feldschwächung bekannt. So zeigt die
CN101783536 A einen permanenterregten Synchronmotor mit vergrabenen, in Tangentialrichtung magnetisierten Permanentmagneten, an die sich jeweils radial nach außen betrachtet ein radial verschiebbarer Kurzschlussblock anschließt. Dieser Kurzschlussblock ist über eine Feder derart vorgespannt, dass er sich bei niedriger Rotordrehzahl in einem magnetisch isolierenden Bereich des Rotors befindet. Mit zunehmender Drehzahl wird der Kurzschlussblock nach außen gegen die Federspannung gedrückt, wo er für den magnetischen Fluss einen Kurzschlusspfad bildet. Der über diesen Kurzschlusspfad geführte magnetische Streufluss reduziert den effektiven Luftspaltfluss der Maschine, sodass der Feldschwächbetrieb angesteuert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik verbesserte mechanische Feldschwächung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine dynamoelektrische permanenterregte Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße dynamoelektrische Maschine umfasst einen Stator und einen vom Stator über einen Luftspalt beabstandeten Rotor. Zur Erzeugung eines Erregerfeldes im Luftspalt der Maschine sind in Magnettaschen des Rotors Permanentmagnete angeordnet. Um auf mechanische Art und Weise eine Feldschwächung herbeiführen zu können, umfasst die Maschine ferner in radialverlaufenden Nuten geführte verschiebbare Streuflussleitstücke. Über die radiale Position dieser Streuflussleitstücke ist die Dichte des Erregerfeldes im Luftspalt beeinflussbar.
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Der Erfindung liegt nunmehr die Erkenntnis zugrunde, dass der Einsatz von kostenintensivem Magnetmaterial deutlich reduziert werden kann, indem die Streuflussleitstücke in radialer Richtung betrachtet unterhalb der Permanentmagnete angeordnet werden. Mithin befinden sich die Permanentmagnete näher am Luftspalt der Maschine, sodass das von den Permanentmagneten erzeugte magnetische Feld einen geringeren magnetischen Widerstand im Eisen des Rotors erfährt. Eine Beabstandung der Permanentmagnete vom Luftspalt, wie sie die
CN101783536 A vorsieht, um Raum für bewegliche Streuflussleitstücke zu schaffen, wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung vermieden.
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Vorteilhafterweise sind hierbei die Permanentmagnete im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung des Rotors magnetisiert. Mit anderen Worten ist die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete orthogonal zur radialen Richtung und zur axialen Symmetrieachse des Rotors ausgebildet.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich der Rotor dadurch aus, dass eine radial nach außen gerichtete Verschiebung der Streuflussleitstücke eine Reduktion der Dichte des Erregerflusses bewirkt. Auf diese Art und Weise kann die mit zunehmender Rotordrehzahl steigende Fliehkraft zunutze gemacht werden, um den Feldschwächbetrieb anzusteuern. Um bei niedriger Rotordrehzahl den vollen von den Permanentmagneten erzeugten Fluss verfügbar zu haben, können die Streuflussleitstücke beispielsweise durch eine Feder in radialer Richtung nach innen vorgespannt werden. Durch die mit steigender Rotordrehzahl zunehmende Fliehkraft werden die Streuflussleitstücke nach außen gegen die Federspannung beschleunigt und erhöhen somit den Streufluss der Maschine.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die dynamoelektrische permanenterregte Maschine zudem einen Signaleingang für ein Fehlersignal sowie einen Aktor zum aktiven Verschieben der Streuflussstücke radial nach außen. Wird beispielsweise in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug nunmehr ein Fehler erkannt, kann mithilfe des Aktors der komplette Erregerfluss über die Streuflussstücke unabhängig von der Maschinendrehzahl kurzgeschlossen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten in einem ersten Material mit einer ersten Permeabilität angeordnet sind, die Magnettaschen in einem zweiten Material mit einer zweiten Permeabilität angeordnet sind, die größer als die erste Permeabilität ist, wobei die Nuten mit den Magnettaschen radialfluchtend angeordnet sind, sodass die Streuflussleitstücke zumindest teilweise von einer Nut in eine Magnettasche verschiebbar sind. Solange sich die Streuflussleitstücke im Bereich des ersten Materials mit der niedrigeren Permeabilität befinden, stellen sie keinen nennenswerten Streuflusspfad für den von den Permanentmagneten erzeugten Fluss dar. Zur Einleitung des Feldschwächbereiches werden die Streuflussleitstücke jeweils von einer Nut in eine Magnettasche verschoben, sodass sie zunehmend von dem zweiten Material mit der höheren Permeabilität benachbart sind. Je tiefer die Streuflussleitstücke in die Magnettasche eindringen, desto mehr hochpermeables Rotormaterial steht für den Streufluss zur Verfügung.
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Eine Art Speichenkonstruktion für den Rotor lässt sich in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzeugen, dass der Rotor einen zentralen, im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper aus dem ersten Material aufweist, indem die Nuten ausgebildet sind und mehrere Flussleitstücke aus dem zweiten Material in einem teilringförmigen Querschnitt, die an einer Mantelfläche des Grundkörpers zu einem vollen Ring angeordnet sind, wobei jeweils zwei Flussleitstücke durch eine Magnettasche voneinander in Umfangsrichtung beabstandet sind. Die Flussleitstücke können hierbei formschlüssig mit dem Grundkörper verbunden werden. Es ergibt sich eine Art segmentierter Rotoraufbau, der auch hinsichtlich der Fertigungskosten erhebliche Vorteile aufweist. Denkbar ist z. B., den zylinderförmigen Grundkörper aus dem ersten, niederpermeablen Material als Massivkörper auszubilden und die Flussleitstücke aus hochpermeablen Elektroblechen, die in axialer Richtung aufeinander stanzpaketiert werden. Dadurch, dass die Flussleitstücke teilringförmigen Querschnitt aufweisen, kann im Vergleich zu vollkreis- oder vollringförmigen Elementen der Blechverschnitt reduziert werden.
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Eine dynamoelektrische Maschine gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen eignet sich hervorragend für einen Einsatz in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie batteriebetriebenen elektrischen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten beispielhaften Ausführungsformen näher beschrieben.
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Elementen mit gleicher Funktion ist hierbei in allen Figuren das gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
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Es zeigen:
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1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau einer permanenterregten dynamoelektrischen Maschine,
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2 eine Ausführungsform eines Rotors gemäß der Erfindung in einem ersten Betriebszustand und
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3 eine Ausführungsform des Rotors nach 2 in einem zweiten Betriebszustand.
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1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau einer permanenterregten dynamoelektrischen Maschine. Von einem Stator 1 mit Zahnspulentechnik ist nur ein teilringförmiger Ausschnitt dargestellt. Der Stator 1 umgibt konzentrisch einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor 2, der drehfest mit einer Rotorwelle 9 verbunden ist. Stator 1 und Rotor 2 sind in radialer Richtung über einen Luftspalt 8 voneinander beabstandet. Zur Erzeugung des Erregerfeldes, welches den Luftspalt 8 radial durchflutet, weist der Rotor 2 in Magnettaschen vergrabene Permanentmagnete 4 auf. Diese Permanentmagnete 4 sind in Umfangsrichtung des Rotors 2 und somit orthogonal zur Radial- und Axialrichtung des Rotors magnetisiert. Jeder Permanentmagnet 4 ist in Umfangsrichtung beidseitig von zwei Flussleitstücken 6 aus hochpermeablem Material, beispielsweise stanzpaketierten Elektroblechen, benachbart. Innerhalb dieser Flussleitstücke 6 wird der zunächst in Umfangsrichtung aus den Permanentmagneten 4 austretende magnetische Fluss in eine Radialrichtung umgelenkt, sodass die magnetischen Flusslinien den Luftspalt 8 im Wesentlichen radial durchsetzen. Der Rotor 2 besteht neben den Permanentmagneten 4 aus zwei wesentlichen weiteren Elementen: einem Grundkörper 5, der die drehfeste Verbindung mit der Rotorwelle 9 bildet und im radialinneren Bereich des Rotors 2 angeordnet ist und die mit diesem Grundkörper 5 formschlüssig verbundenen Flussleitstücke 6. Bei der Montage können die Flussleitstücke 6 axial auf entsprechende Formschlusselemente 7 des Grundkörpers 5 aufgeschoben werden. Die umfangsseitige Ausdehnung der Flussleitstücke 6 ist hierbei derart gewählt, dass in den Zwischenräumen zwischen den Flussleitstücken Magnettaschen zur Aufnahme der Permanentmagnete 4 verbleiben.
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Um eine solche permanenterregte dynamoelektrische Maschine im Feldschwächbereich betreiben zu können, muss in den Statorstrom der Maschine eine geeignete Stromkomponente eingeprägt werden, die dem von den Permanentmagneten 4 erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt. Eine derartige elektrische Feldschwächung, die sich beispielsweise mithilfe der bekannten feldorientierten Regelung realisieren lässt, ist jedoch mit erhöhten Verlusten innerhalb der Maschine und einer damit einhergehenden Reduktion ihres Wirkungsgrades verbunden.
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Die beiden darauffolgenden Figuren zeigen nunmehr beispielhaft, wie auf Grundlage der Erfindung die in 1 dargestellte dynamoelektrische Maschine modifiziert werden kann, um einen Feldschwächbetrieb mit hohem elektrischen Wirkungsgrad zu ermöglichen.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines Rotors 2 gemäß der Erfindung in einem ersten Betriebszustand. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist auf eine Darstellung des Stators 1 verzichtet worden, da sich die Erfindung lediglich im Aufbau des Rotors 2 widerspiegelt. Somit ist auch hier ein mit Zahnspulen bewickelter Stator, wie er in 1 dargestellt ist, denkbar.
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In dem dargestellten Betriebszustand wird die Maschine mit einer Drehzahl kleiner oder gleich der Nenndrehzahl der Maschine betrieben. In einem solchen Betriebszustand wird der maximal mögliche Erregerfluss bereitgestellt. Auch der in 2 dargestellte Rotor 2 umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Grundkörper 5, an den sich in radialer Richtung hochpermeable Flussleitstücke 6 in Umfangsrichtung aneinandergrenzend anschließen. Zur Verbindung der Flussleitstücke 6 mit dem Grundkörper 5 sind auch hier Formschlusselemente 7 vorgesehen. Der im Wesentlichen zylinderförmige Grundkörper 5 ist aus einem ersten Material gefertigt, dessen Permeabilität deutlich geringer ist als die Permeabilität eines zweiten Materials, aus dem die Flussleitstücke 6 gefertigt sind. Idealerweise ist das erste Material des Grundkörpers 5 magnetisch nahezu isolierend.
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In den Grundkörper 5 sind Nuten 12 eingearbeitet, in denen Streuflussleitstücke radial geführt werden. Die Nuten 12 fluchten in radialer Richtung mit Magnettaschen 3, die die Flussleitstücke 6 in Umfangsrichtung voneinander beabstanden und Permanentmagnete 4 zur Erzeugung des Erregerflusses aufnehmen. Durch diese fluchtende Anordnung von Nuten 12 und Magnettaschen 3 ist eine radial gerichtete Verschiebung der Streuflussleitstücke 10 ermöglicht. Die Streuflussleitstücke 10 können somit radial nach außen gerichtet, d. h. in Richtung des Luftspaltes 8, aus der Nut 12 heraus in die Magnettasche 3 verschoben werden. In der in 2 dargestellten Position befinden sich die Streuflussleitstücke 10 am radial innen liegenden Grund der Nuten 12. Diese Position wird in dem dargestellten Betriebszustand durch eine schematisch dargestellte Feder 11 erzwungen, die die Streuflussleitstücke 12 gegen besagten Nutgrund radial vorspannen.
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In dieser dargestellten Position sind die Streuflussleitstücke 10 von dem niederpermeablen Material des Grundkörpers 5 in Umfangsrichtung umgeben. In dieser Position haben die Streuflussleitstücke 10 auf den effektiven magnetischen Fluss im Luftspalt 8 der Maschine nahezu keinen Einfluss.
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3 zeigt hingegen eine Ausführungsform des Rotors 2 nach 2 in einem zweiten Betriebszustand. In diesem Betriebszustand hat der Rotor 2 eine deutlich höhere Drehzahl als Nenndrehzahl. Die damit einhergehende Fliehkraft hat die Flussleitstücke 10 entgegen der Vorspannkraft der Federn 11 in radialer Richtung aus den Nuten 12 in die Magnettaschen 3 geschoben. Die hochpermeablen Streuflussleitstücke 10 befinden sich nun in Umfangsrichtung in Nachbarschaft zu den ebenfalls hochpermeablen Flussleitstücken 6. Dies hat zur Folge, dass ein Großteil des von dem Permanentmagneten 4 erzeugten magnetischen Flusses nunmehr über die Streuflussleitstücke 10 geschlossen wird. Dieser Flussanteil steht mithin nicht mehr zur Erzeugung eines Erregerflusses im Luftspalt 8 der Maschine zur Verfügung. Die Maschine wird demnach im Feldschwächbetrieb betrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Rotor
- 3
- Magnettaschen
- 4
- Permanentmagnete
- 5
- Grundkörper
- 6
- Flussleitstücke
- 7
- Formschlusselemente
- 8
- Luftspalt
- 9
- Rotorwelle
- 10
- Streuflussleitstücke
- 11
- Feder
- 12
- Nuten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 101783536 A [0006, 0011]
