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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 die PSM 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, der darauf zurückzuführen ist, 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.
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Bei einer elektrisch erregten dynamoelektrischen Maschine kann dieser Kennlinienbereich sehr 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 hervorzurufen, die den von dem 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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Die Aufgabe wird durch eine dynamoelektrische permanenterregte Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind den anhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße dynamoelektrische permanenterregte Maschine umfasst einen Stator und einen vom Stator über einen Luftspalt beabstandeten Rotor mit Magnettaschen sowie in radialer Richtung verschiebbare Permanentmagnete.
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Die Besonderheit dieser Maschine besteht darin, dass die Permanentmagnete erfindungsgemäß zumindest teilweise in die Magnettaschen eindringen und hierbei die Eindringtiefe der Permanentmagnete von deren radialer Position abhängt, wobei die Dichte des von den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Luftspaltflusses wiederum von der Eindringtiefe abhängt. Die Magnettaschen führen die Permanentmagnete in radialer Richtung. Die Permanentmagnete sind vorzugsweise im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung des Rotors magnetisiert. Die Magnettaschen erstrecken sich vorzugsweise primär in radialer und axialer Richtung. Je nach Eindringtiefe der Permanentmagnete in die zur Führung dienenden Magnettaschen ändert sich der Luftspaltfluss der dynamoelektrischen Maschine. Somit kann durch eine geeignete radiale Positionierung der Permanentmagnete innerhalb der Magnettaschen zwischen einem Normalbetrieb der dynamoelektrischen Maschine mit hohem Luftspaltfluss und einem Feldschwächbetrieb der dynamoelektrischen Maschine mit reduziertem Luftspaltfluss variiert werden.
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Vorzugsweise ist hierbei der Rotor derart gestaltet, dass die Dichte des Luftspaltflusses mit abnehmender Eindringtiefe abnimmt. Mit anderen Worten wird der Feldschwächbetrieb dadurch eingeleitet, dass die Permanentmagnete radial aus den zugeordneten Magnettaschen heraus verschoben werden.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei der Rotor derart gestaltet, dass eine radial nach außen gerichtete Verschiebung der Permanentmagnete eine Reduktion der Eindringtiefe verursacht. Die Reduktion des Luftspaltflusses beim Herausführen der Permanentmagnete aus den Magnettaschen lässt sich nun vorzugsweise dadurch realisieren, dass die Magnettaschen in einem ferromagnetischen Material angeordnet sind und sich nach radial außen betrachtet ein Bereich geringerer Permeabilität an die Magnettaschen anschließt. Werden nun die Permanentmagnete von radial innen nach radial außen verschoben, so tritt ein Teil der Permanentmagnete, der zuvor von ferromagnetischem Material umgeben war, in einen Bereich deutlich geringerer magnetischer Leitfähigkeit ein, sodass dieser letztgenannte Teil einen höheren magnetischen Widerstand erfährt. Hierdurch wird insgesamt die Flussdichte im Luftspalt reduziert.
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Eine Ausgestaltung der dynamoelektrischen Maschine, bei der eine radial nach außen gerichtete Verschiebung der Permanentmagnete einer Reduktion der Eindringtiefe zur Folge hat, erlaubt in weiterer besonders vorteilhafter Ausbildung der Erfindung, dass die nach radial außen gerichtete Verschiebung der Permanentmagnete durch eine mit zunehmender Rotordrehzahl zunehmende Fliehkraft bewirkt wird. Auf diese Art und Weise kann der Feldschwächbetrieb beim Beschleunigen der Maschine automatisch eingeleitet werden. Ein Aktor, der die Permanentmagnete aktiv nach außen verschiebt, ist hierbei nicht notwendig.
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Beispielsweise können die Permanentmagnete durch eine Feder in radialer Richtung nach innen vorgespannt sein. Dieser Federspannung ist derart bemessen, dass ab einer Drehzahl, die die Grenzdrehzahl der Maschine bei maximalem Motormoment darstellt, eine weitere Drehzahlerhöhung nur noch übre den Feldschwächbetrieb realisierbar ist.
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In vielen Anwendungen ist es jedoch auch wünschenswert, dass die Erregung der dynamoelektrischen Maschine aktiv reduziert bzw. vollständig eliminiert werden kann. Dies ist beispielsweise in einem Fehlerfall der Maschine oder eines mit der Maschine betriebenen Systems häufig der Fall. Für einen solchen Anwendungsfall ist eine Ausführungsform der Maschine vorteilhaft, die einen Signaleingang für ein Fehlersignal und einen Aktor zum aktiven Verschieben der Permanentmagnete aus der Magnettasche heraus im Falle eines anliegenden Fehlersignals aufweist.
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Durch eine bevorzugte Verwendung tangential zur Umfangsrichtung magnetisierter Permanentmagnete ist es möglich, die dynamoelektrischen Maschine als Innenläufermaschine auszubilden, bei der eine radial nach außen gerichtete Verschiebung der Permanentmagnete eine Feldschwächung zur Folge hat. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Magnettaschen in radialer Richtung nach außen betrachtet an einen Bereich geringerer Permeabilität und somit höherem magnetischen Widerstand anschließen. Bei einer derartigen Ausführungsform tauchen die Permanentmagnete bei einer Verschiebung radial nach außen in diesen niederpermeablen Bereich ein.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung für eine dynamoelektrische Maschine nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist im Bereich der Elektromobilität zu sehen. Beispielsweise kann hierbei die dynamoelektrischen Maschine als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet sein, da diese insbesondere in Fahrzeuganwendungen aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte deutliche Vorteile gegenüber konkurrierenden Maschinentypen aufweist. Durch die hier beschriebene erfindungsgemäße Möglichkeit der mechanischen Feldschwächung wird der Wirkungsgrad einer solchen Maschine weiter erhöht, was insbesondere im Hinblick auf die wünschenswerte Reichweitenverlängerung bei Elektrofahrzeugen äußerst vorteilhaft ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten 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 elektrischen Maschine,
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2 eine Ausführungsform eines Rotors der Erfindung in einem ersten Betriebszustand und
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3 eine Ausführung des Rotors nach 2 in einem zweiten Betriebszustand.
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1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau einer elektrischen 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 über einen Luftspalt 8 voneinander beabstandet.
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Bei der Maschine handelt es sich eine permanenterregte Synchronmaschine. Zur Erzeugung des Erregerfeldes weist der Rotor 2 in Magnettaschen vergrabene Permanentmagnete 4 auf, die in Umfangsrichtung des Rotors 2 magnetisiert sind. 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 Wesentlich radial durchsetzen.
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Der Rotor 2 besteht neben den Permanentmagneten 4 aus zwei wesentlichen weiteren Elementen: einem inneren Rotorteil 5 und die mit dem inneren Rotorteil 5 formschlüssig verbundenen Flussleitstücke 6. Bei der Montage können die Flussleitstücke 6 axial auf entsprechende Formschlusselemente 7 des inneren Rotorteils 5 aufgeschoben werden. In den Zwischenräumen zwischen den Flussleitelementen 7 bilden sich die entsprechenden Taschen zur Aufnahme der Permanentmagnete 4 aus.
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Um eine solche permanenterregte dynamoelektrische Maschine im Feldschwächbereich betreiben zu können, muss in den Statorstrom eine geeignete Stromkomponente eingeprägt werden, die dem von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt. Eine derartige elektrische Feldschwächung, die sich beispielsweise mithilfe der bekannten feldorientierten Regelung realisieren lässt, ist 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 höherem elektrischen Wirkungsgrad zu ermöglichen.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines Rotors 2 der Erfindung in einem ersten Betriebszustand. Im Vergleich zu der in 1 dargestellten elektrischen Maschine sind hier die zur Aufnahme der Permanentmagnete 4 vorgesehenen Magnettaschen 3 radial ein Stück nach innen versetzt, sodass sich die Permanentmagnete 4 in der in 2 dargestellten betrieblichen Situation etwas weiter vom Luftspalt 8 der Maschine entfernt befinden.
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Die Besonderheit der in 2 dargestellten elektrischen Maschine besteht nun darin, dass sich die Permanentmagnete 4 in radialer Richtung aus den Magnettaschen 3 herausschieben lassen. Die Permanentmagnete 4 sind hierbei in jedem Betriebszustand zumindest stückweise von den Magnettaschen 3 geführt.
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Bei dem in 2 dargestellten Betriebszustand stellt sich der maximale Erregerfluss der Maschine ein. In der hier dargestellten radial betrachtet inneren Position der Permanentmagnete 4 dringen diese maximal in die Magnettaschen 3 ein. Auf diese Art und Weise ist ein maximaler Anteil des Magnetmaterials in unmittelbarer Nachbarschaft zu den hochpermeablen Flussleitstücken 6 angeordnet. Der von den Permanentmagneten 4 erzeugte magnetische Fluss sieht sich somit einem minimalen magnetischen Widerstand entgegen. Die magnetischen Feldlinien, die aus den Permanentmagneten 4 im Wesentlichen in Umfangsrichtung der Maschine tangential austreten, werden innerhalb der Flussleitstücke 6 in radiale Richtung umgelenkt und durchsetzen den Luftspalt 8 der Maschine.
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Die Permanentmagnete 3 sind gegen den Nutgrund der Magnettaschen 3 durch hier schematisch dargestellte Federelemente 11 vorgespannt. Bis zu einer gewissen Drehzahl der Maschine reicht die Vorspannkraft dieser Federn 11, um die Permanentmagnete 4 entgegen der Fliehkraft in dieser Position maximaler Eindringtiefe zu halten.
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Bei zunehmender Drehzahl hingegen bewirkt die Fliehkraft, dass sich die Permanentmagnete 4 radial betrachtet gegen die Vorspannkraft der Federn 11 nach außen bewegen und somit die Eindringtiefe der Permanentmagnete 4 in den Magnettaschen 3 abnimmt.
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In radialer Richtung betrachtet, schließt sich nach außen hin an die Magnettaschen 3 ein Bereich geringerer Permeabilität 10 an, der im Vergleich zu den Flussleitstücken 6 einen deutlich geringeren magnetischen Leitwert aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um Luft handeln, aber auch um einen niederpermeablen Feststoff, insbesondere Kunststoff. Wenn nun die Permanentmagnete 4 bei zunehmender Drehzahl und mithin zunehmender Fliehkraft aus den Magnettaschen 3 heraus bewegt werden, treten sie in diesen Bereich geringerer Permeabilität 10 ein und es stellt sich der in 3 dargestellte Betriebszustand ein.
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So zeigt 3 eine Ausführung des Rotors nach 2 in einem zweiten Betriebszustand, bei dem sich ein Feldschwächbetrieb einstellt. Die Eindringtiefe der Permanentmagneten 4 in den Magnettaschen 3 hat abgenommen, da sich die Permanentmagnete 4 nun stückweise in den Bereich geringerer Permeabilität 10 bewegt haben. Der Teil der Permanentmagnete 4, der sich in diesem Bereich geringerer Permeabilität 10 befindet, sieht sich nunmehr einem deutlich höheren magnetischen Leitwert gegenübergestellt als der Teil der Permanentmagnete 4, der noch in den Magnettaschen 3 liegt.
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Durch diese Erhöhung des magnetischen Widerstandes wird schließlich der Luftspaltfluss gegenüber der Situation nach 2 reduziert und die Maschine kann einen Drehzahlbereich anfahren, der oberhalb ihres Nenndrehzahlbereiches liegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Rotor
- 3
- Magnettaschen
- 4
- Permanentmagnete
- 5
- inneres Rotorteil
- 6
- Flussleitstücke
- 7
- Formschlusselemente
- 8
- Luftspalt
- 9
- Rotorwelle
- 10
- Bereich geringerer Permeabilität
- 11
- Feder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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