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Die Erfindung betrifft eine permanenterregte dynamoelektrische Maschine mit der Fähigkeit, im Feldschwächbereich betrieben werden zu können.
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Als Beispiel für eine derartige dynamoelektrische permanenterregte Maschine sei an dieser Stelle die permanenterregte Synchronmaschine (PSM) genannt. PSM kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz, um elektrische Antriebsaufgaben zu verrichten. In industriellen Anwendungen werden sie beispielsweise als Servomotoren eingesetzt. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen elektrischen Maschinen hohen Leistungsdichte gilt sie auch als die bevorzugte Antriebsmaschine im Bereich der Elektromobilität. Aber auch als Generator, beispielsweise im Umfeld regenerativer Energien, insbesondere Windkraft, wird die PSM häufig eingesetzt.
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Ein Grund für die weite Verbreitung permanenterregter Synchronmaschinen ist ihr hoher Wirkungsgrad. Dieser ist darauf zurückzuführen, dass auf eine elektrische Erregung verzichtet werden kann. Das Erregerfeld wird durch die in der Regel im Rotor angeordneten Permanentmagnete verursacht. Neben dem erhöhten Wirkungsgrad hat die permanente Erregung gegenüber einer elektrischen Erregung auch noch den Vorteil, dass auf verschleißbehaftete Schleifringkontakte zur Versorgung einer rotierenden Erregerspule verzichtet werden kann.
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Ein Nachteil permanenterregter elektrischer Maschinen gegenüber elektrisch erregter dynamoelektrischer Maschinen besteht jedoch darin, dass das Erregerfeld in seiner Höhe nicht ohne Weiteres verändert werden kann. So ist beispielsweise eine Reduktion des magnetischen Erregerflusses wünschenswert, um eine dynamoelektrische Maschine im sogenannten Feldschwächbereich zu betreiben. Der Feldschwächbereich kennzeichnet im Kennlinienfeld einer dynamoelektrischen Maschine den Bereich der konstanten Leistung, bei dem mit zunehmender Drehzahl das von der Maschine abgegebene Drehmoment abnimmt. Durch Ansteuerung der Maschine im Feldschwächbereich ist es möglich, die dynamoelektrische Maschine über ihre Nenndrehzahl hinaus zu betreiben. Hingegen sinkt in diesem Betriebsbereich das von der Maschine erzeugbare Drehmoment mit zunehmender Drehzahl.
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Bei einer elektrisch erregten dynamoelektrischen Maschine kann dieser Kennlinienbereich relativ einfach durch Reduktion des Erregerstroms angesteuert werden. 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 entgegenwirken und dieses somit schwächt. Jedoch ist eine solche Ansteuerung der Maschine mit deutlich erhöhten Verlusten und einer damit einhergehenden Reduktion des Wirkungsgrades verbunden.
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Um permanenterregte dynamoelektrische Maschinen im Feldschwächbereich betreiben zu können, ohne hierbei den Wirkungsgrad nennenswert zu verschlechtern, sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur mechanischen Feldschwächung bekannt. So zeigt die
US20060091752A1 eine dynamoelektrische permanenterregte Maschine mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. In diese Schrift ist ein Außenläufermotor offenbart, bei dem die Feldschwächung durch eine Vergrößerung des effektiven Luftspaltes zwischen dem Rotor und dem Stator der Maschine bewirkt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine permanenterregte dynamoelektrische Maschine mit der Möglichkeit zum Feldschwächbetrieb anzugeben, die einen hohen elektrischen Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine dynamoelektrische permanenterregte Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße dynamoelektrische permanenterregte Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor, wobei der Rotor mehrere, in radialer Richtung verschiebbare Permanentmagnete zur Erzeugung eines Erregerfeldes aufweist. Unter einer radialen Verschiebung der Permanentmagnete ist in diesem Zusammenhang eine Verschiebung zu verstehen, bei der die Permanentmagnete auf einen Stator und Rotor trennenden Luftspalt zu- oder von diesem wegbewegt werden.
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Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete ist jedoch nicht wie in der zuvor zitierten
US20060091752A1 radial, das heißt in Richtung des Luftspaltes orientiert, sondern tangential zur Umfangsrichtung des Rotors. Die Magnetisierungsrichtung der Magnete ist mit anderen Worten orthogonal zur radialen und axialen Symmetrieachse des Rotors ausgebildet.
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Vorzugsweise sind hierbei die Permanentmagnete radial verschiebbar in Magnettaschen geführt. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist die radial gerichtete Erstreckung der Magnettaschen größer als die Länge der Permanentmagnete in radialer Richtung. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Permanentmagnete innerhalb der Magnettaschen radial verschiedene Positionen einnehmen können. Vorzugsweise ist der von den Permanentmagneten im Luftspalt der Maschine erzeugte Erregerfluss abhängig von der radialen Position der Permanentmagnete innerhalb der Magnettaschen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Magnettaschen teilweise in einem Flussleitbereich aus ferromagnetischem Material eingebettet, der an einen Luftspalt zwischen Stator und Rotor der Maschine angrenzt. Ferner sind bei dieser Ausführungsform die Magnettaschen teilweise in einen Flussbarrierebereich eingebettet, an den der Flussleitbereich radial nach innen betrachtet angrenzt und der eine geringere Permeabilität als der Flussleitbereich aufweist. Bei einer derartigen Ausführungsform sind die Permanentmagnete zu einem größeren Teil in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem gut magnetisch leitfähigen Material, wenn sie sich in einer radial außen liegenden Position nahe dem Luftspalt der Maschine befinden. In einer solchen Position wird ein Großteil des von Permanentmagneten erzeugten Flusses zum Luftspalt der Maschine geführt, wo dieser zur Drehmomentbildung beitragen kann. Verändert man hingegen die Position der Permanentmagnete, indem man sie mit einer Aktuatorik nach, radial betrachtet, innen zieht, tauchen die Permanentmagnete mehr und mehr in den Flussbarrierebereich ein, der im Vergleich zum Flussleitbereich einen deutliche schlechteren magnetischen Leitwert aufweist. Je tiefer die Magnete nach radial innen in die Magnettaschen eintauchen, desto weniger Magnetmaterial trägt zur Flussbildung im Luftspalt der Maschine bei. Der Erregerfluss nimmt ab und ein Feldschwächbetrieb wird ermöglicht.
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Eine konstruktiv sehr einfache Ausführungsform ergibt sich hierbei dadurch, dass der Flussleitbereich in Form von mehreren Flussleitstücken teilringförmigen Querschnitt ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung durch die Magnettaschen voneinander beabstandet sind. Beispielsweise sind die Flussleitstücke hierbei formschlüssig mit dem Flussbarrierebereich verbunden. Als Formschlüsse kommen beispielsweise schwalbenschwanzförmige Ausbildungen infrage.
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Alternativ ist auch eine Ausführungsform der Erfindung denkbar, bei der die Flussleitstücke über sich radial erstreckende ferromagnetische Streustege fest mit einer Welle des Rotors verbunden sind, wobei die Streustege den Flussbarrierebereich radial durchdringen. Bei einer solchen Ausführungsform ist vorteilhafterweise ein Rotorblechpaket realisierbar, dessen Blechschnitte einstückig ausgebildet sind. Der radial unterhalb des Flussleitbereichs liegende Flussbarrierebereich kann hierbei als Luftraum ausgebildet sein, der mit µR = 1 eine im Vergleich zum Flussleitbereich deutlich geringere Permeabilität aufweist.
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Sowohl die mechanischen als auch die magnetischen Eigenschaften des Rotors werden jedoch in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch verbessert, dass hierbei der Flussbarrierebereich zumindest teilweise aus eingespritztem Kunststoff ausgebildet ist. Durch einen derartigen eingespritzten Kunststoff kann der im Flussbarrierebereich liegende Teil der Magnettaschen ausgebildet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Flussleitbereich von einem radial innenliegenden Streuflussbereich, der ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material mit höherer Permeabilität als der Flussbarrierebereich besteht, durch den Flussbarrierebereich, in radialer Richtung betrachtet, getrennt. Bei einer derartigen Ausführungsform ist auch ein großer Teil des radial innenliegenden, die Magnettaschen umgebenden Materials magnetisch gut leitfähig. Jedoch wird dieser Bereich durch die Flussbarriere in radialer Richtung von dem Flussleitbereich magnetisch entkoppelt. Daher kann der magnetische Fluss, der von dem Permanentmagnetmaterial in diesem unteren Bereich der Magnettaschen ausgeht, den Luftspalt der Maschine nicht erreichen. Vielmehr schließt sich dieser magnetische Fluss, radial betrachtet, unterhalb des Flussbarrierebereiches als Streufluss. Eine solche Ausführungsform erhöht die Effektivität der Feldschwächung, die durch die radiale Verschiebung der Permanentmagnete verursacht wird.
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Um im Normalbetrieb die Remanenzfeldstärke der Permanentmagnete vollständig zu nutzen, sind die Permanentmagnete vorteilhafterweise in einer radial außen liegenden Position ausschließlich im Flussleitbereich an den Magnettaschen anliegend.
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Insbesondere bei einem Fehlerfall der dynamoelektrischen Maschine oder eines von dieser angetriebenen Systems kann es zweckdienlich sein, die dynamoelektrische Maschine schlagartig komplett erregungslos zu schalten. Dies kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht werden, dass die Permanentmagnete in einer radial innenliegenden Position an keiner Stelle im Flussleitbereich an den Magnettaschen anliegen und somit in keiner Weise einen Luftspaltfluss erzeugen.
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Insbesondere der Flussleitbereich kann vorteilhafterweise als Rotorblechpaket ausgebildet werden oder alternativ auch als massives Weicheisenpaket. Um zu verhindern, dass die Permanentmagnete bei der radialen Verschiebung in den in diesem Material ausgebildeten Magnettaschen Schäden erleiden, ist es weiterhin vorteilhaft, die Magnettaschen an Seitenwänden, an denen die Permanentmagnete radial geführt sind, mit Kunststoff zu beschichten.
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Eine dynamoelektrische Maschine, gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, kann beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet werden. Diese zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad und einer im Vergleich zu anderen Typen dynamoelektrischer Maschinen größeren Leistungsdichte aus. Durch die Möglichkeit der mechanischen Feldschwächung ist ein Einsatz einer dynamoelektrischen Maschine, gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere im Umfeld der Elektromobilität, beispielsweise innerhalb eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeuges oder eines Hybridfahrzeuges, vorteilhaft.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine im Querschnitt,
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2: eine Feldverteilung innerhalb einer zweiten Ausführungsform der Maschine mit hohem Luftspaltfluss,
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3: eine Feldverteilung innerhalb der zweiten Ausführungsform der Maschine mit geringem Luftspaltfluss,
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4: eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine im Querschnitt und
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5: eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine im Querschnitt.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine im Querschnitt. Dargestellt ist ein Ausschnitt eines Stators 1 der Maschine mit Zahnspulenwicklung, der über einen Luftspalt 5 von einem Rotor 2 der dynamoelektrischen Maschine beabstandet ist. Der Stator 1 umschließt den Rotor 2 konzentrisch.
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Die Maschine ist als permanente Synchronmaschine ausgebildet. Entsprechend wird das Erregerfeld der Maschine von Permanentmagneten 3 erzeugt, die in einem Blechpaket des Rotors 2 vergraben sind. Die Permanentmagnete 3 befinden sich in Magnettaschen 4, die den Rotor 2 im Wesentlichen in radialer und axialer Richtung durchsetzen. In Umfangsrichtung des Rotors 2 haben die Magnettaschen 4 eine deutlich geringere Ausdehnung als in radialer und axialer Richtung. Wie durch die Doppelpfeile in 1 angedeutet, sind die Permanentmagnete 3 innerhalb der Magnettaschen 4 in radialer Richtung verschiebbar. Die Magnettaschen 4 führen hierbei die Permanentmagnete 3 auf dem gesamten möglichen Verschiebeweg. Um dies zu ermöglichen, ist die Erstreckung der Magnettaschen 4 in radialer Richtung größer als die Ausdehnung der Permanentmagnete 3 in radialer Richtung. Zur Verschiebung der Permanentmagnete 3 können aus dem Stand der Technik bekannte Aktuatoren Verwendung finden.
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Damit die Permanentmagnete 3 während der radialen Verschiebung innerhalb des Rotorblechpaketes nicht beschädigt werden, sind die Seitenwände der Magnettaschen 4 mit einem Kunststoff beschichtet, der dem Permanentmagnetmaterial gegenüber einen geringen Reibwert aufweist.
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Das dargestellte beispielhafte Rotorpaket umfasst, neben den Permanentmagneten 3, zwei wesentliche weitere Elemente: einen Flussbarrierebereich 7, der drehfest mit einer Welle 10 des Rotors 2 verbunden ist, und einen Flussleitbereich 6 umfassend den Flussbarrierebereich 7 konzentrisch umgebene Flussleitstücke 8, die in Umfangsrichtung des Rotors 2 zu einem Ring angeordnet sind. Der Flussbarrierebereich 7 ist als massives Element aus einem magnetisch nicht oder schlecht leitendem Material ausgebildet. Seine relative Permeabilität ist deutlich geringer als die des Flussleitbereiches 6.
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Die hochpermeablen Flussleitstücke 8 sind über einen Formschluss 11 mit dem Flussbarrierebereich 7 verbunden. Die Flussleitstücke 8 bestehen aus im Wesentlichen teilringförmigen Elektroblechen, die in axialer Richtung stanzpaketiert sind.
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In Umfangsrichtung betrachtet, ist jeweils eine Magnettasche 4 zwischen zwei Flussleitstücken 8 ausgebildet. Die so ausgebildete Magnettasche 4 setzt sich in radialer Richtung in der Flussbarriere 7 fort. Demnach können die Permanentmagnete 3 derart verschoben werden, dass sie zumindest teilweise in den Flussbarrierebereich 7 eintauchen. Aufgrund des schlechten magnetischen Leitwertes im Flussbarrierebereich 7 wird der im Luftspalt 5 erzeugte Fluss reduziert, je weiter die Permanentmagnete 3 in die Magnettaschen 4 eintauchen.
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Die Permanentmagnete 4 sind in tangentialer Richtung magnetisiert. Unter einer tangentialen Richtung ist in diesem Zusammenhang eine Richtung zu verstehen, die orthogonal zur Symmetrieachse des Rotors 2 und zur radialen Richtung ausgerichtet ist.
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2 zeigt eine Feldverteilung innerhalb einer zweiten Ausführungsform der Maschine mit hohem Luftspaltfluss. Für prinzipiell gleichwirkende Elemente werden in 2 wie auch in den darauffolgenden Figuren die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet.
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Bei der dargestellten dynamoelektrischen Maschine handelt es sich wiederum um einen permanenterregten Synchronmotor. Auch hier sind Permanentmagnete 3, die in Tangentialrichtung magnetisiert sind, in Magnettaschen 4 des Rotors 2 radial verschiebbar angeordnet. Der Rotor 2 besteht hier, im Gegensatz zu der Ausführungsform nach 1, aus drei wesentlichen Bereichen, die in Radialrichtung aneinandergrenzen. So umfasst der Rotor 2 einen radial außen liegenden Flussleitbereich 6, der an einen Luftspalt 5 der Maschine angrenzt, und einen radial innenliegenden Streuflussbereich 9, der drehfest mit einer Welle 10 des Rotors 2 verbunden ist. Sowohl der Flussleitbereich 6 als auch der Streuflussleitbereich 9 besitzen eine hohe magnetische Permeabilität. In Radialrichtung sind diese beiden Bereiche 6, 9 durch einen schlecht magnetisch leitenden Flussbarrierebereich 7 voneinander entkoppelt.
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Der Flussbarrierebereich 7 ist sowohl mit dem radial außen liegenden Flussleitbereich 6 als auch mit dem radial innenliegenden Streuflussleitbereich 9 jeweils über einen Formschluss 11 verbunden.
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Der Flussleitbereich 6 ist, wie auch schon bei der ersten Ausführungsform gemäß 1, in Form von mehreren in Umfangsrichtung aneinandergereihten Flussleitelementen 8 ausgebildet. Auch hier sind die Flussleitelemente 8 in Umfangsrichtung jeweils durch eine Magnettasche 4 voneinander beabstandet. Die Magnettasche 4 durchsetzt radial sowohl den Flussleitbereich 6 als auch den Flussbarrierebereich 7 und den Streuflussleitbereich 9.
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Die Wirkungsweise und die Feldverteilung dieser zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine ist in 2 für den Normalbetrieb mit hohem Luftspaltfluss dargestellt und in 3 für den Feldschwächbetrieb mit reduziertem Luftspaltfluss. Bei dem in 2 dargestellten Betrieb mit hohem Luftspaltfluss befinden sich die Permanentmagnete 3 in ihrer, radial betrachtet, äußersten Position. Sie sind nahezu vollständig in den Flussleitbereich 6 eingebettet. Dies hat zur Folge, dass die tangential aus den Permanentmagneten 3 austretenden Flusslinien in den betroffenen Flussleitstücken 8 in eine radiale Richtung umgelenkt werden und nahezu vollständig den Luftspalt 5 durchtreten. Hier stehen sie zur Drehmomentbildung der dynamoelektrischen Maschine zur Verfügung.
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Soll nun die Maschine im Feldschwächbereich betrieben werden (siehe 3), werden die Permanentmagnete 3 durch einen geeigneten Aktuator in radialer Richtung nach innen gezogen. Bei der in 3 dargestellten Situation befinden sich die Permanentmagnete 3 am Grund der Nut, die von den Magnettaschen 4 gebildet wird. Ein Großteil der Permanentmagnete 3 ist somit in den Streuflussbereich 9 eingebettet, der über die Flussbarriere 7 vom Flussleitbereich 6 getrennt ist. Innerhalb des ebenfalls hochpermeablen Streuflussbereiches 9 schließt sich ein Großteil der magnetischen Feldlinien, die von den Permanentmagneten 3 erzeugt werden, ohne den Luftspalt 5 zu durchtreten. Nur der kleine Bereich der Permanentmagnete 3, der noch in radialer Richtung betrachtet außerhalb des Flussbarrierebereiches 7 dem Luftspalt 5 zugewandten ist, erzeugt eine drehmomentbildende Magnetfeldkomponente im Luftspalt 5 der Maschine.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine im Querschnitt. In 4 ist lediglich der Rotor 2 der Maschine dargestellt. Auch hier ist der Flussleitbereich 6 wieder in Form von einzelnen Flussleitstücken 8 ausgebildet, die in Umfangsrichtung jeweils durch Magnettaschen 4 und darin enthaltene Permanentmagnete 3 beabstandet sind. Die Permanentmagnete 3 sind wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen radial verschiebbar innerhalb der Magnettaschen 4 geführt. Hier sind jedoch sämtliche Flussleitstücke 8 einstückig über Streustege 12 innerhalb eines Blechschnittes miteinander verbunden. Zwischen den sich radial erstreckenden Streustegen befinden sich in Umfangsrichtung betrachtet jeweils einzelne Bereiche eines Flussbarrierebereiches. In diesem Fall ist der Flussbarrierebereich lediglich mit Luft mit einem µr = 1 gefüllt.
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Werden nun die Permanentmagnete 3 von der in 4 dargestellten Position radial nach innen verschoben, so tritt ein Teil der Permanentmagnete 3 in den Flussbarrierebereich 7 ein, was eine Reduktion des im Luftspalt 5 zur Verfügung gestellten Erregerflusses zur Folge hat. Die Streustege werden mit etwa 10 bis 15 % des Flusses der Permanentmagnete 3 in Sättigung gebracht. Dieser Fluss steht dann über dem Luftspalt 5 der Maschine nicht mehr zur Verfügung.
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5 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine im Querschnitt, die im Wesentlichen der in 4 dargestellten Ausführungsform entspricht. Im Unterschied zu der in 4 dargestellten Ausführungsform ist das Blechpaket nunmehr im Bereich radial unterhalb des Flussleitbereiches 6 mit Kunststoff 13 ausgespritzt, sodass sich in den Bereichen zwischen den Streustegen 12 die Magnettaschen 4 fortsetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Rotor
- 3
- Permanentmagnete
- 4
- Magnettasche
- 5
- Luftspalt
- 6
- Flussleitbereich
- 7
- Flussbarrierebereich
- 8
- Flussleitstück
- 9
- Streuflussleitbereich
- 10
- Welle des Rotors
- 11
- Formschluss
- 12
- Streusteg
- 13
- Kunststoff
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20060091752 A1 [0006, 0011]
