DE102020006508A1

DE102020006508A1 - DC field converter in transverse flux form with permanent magnets in the rotor

Info

Publication number: DE102020006508A1
Application number: DE102020006508.2A
Authority: DE
Inventors: Herbert Weh; Sebastian Langer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2022-04-28

Abstract

Gleichfeldwandler-Konfiguration zur Schubkrafterzeugung (linear oder rotierend) mit zweiseitiger Wechselwirkung am Läufer und Permanentmagneten sowie versetzten Pollücken bei transversaler Feldführung; Fig 1.DC field converter configuration for generating thrust (linear or rotating) with two-way interaction on the rotor and permanent magnets and offset pole gaps with transverse field guidance; figure 1

Description

Stand der TechnikState of the art

Die elektrischen Maschinen basieren in ihrer Funktion auf der Wechselwirkung zwischen magnetischem Feld und elektrischem Strom. Dies gilt für Gleichstrom- bzw. Gleichfeldvarianten, ebenso wie für wechselstromgespeiste Maschinentypen.The function of electrical machines is based on the interaction between the magnetic field and electric current. This applies to direct current or constant field variants as well as to machine types powered by alternating current.

Die mit dem Kommutator zusammenhängenden betrieblichen Schwierigkeiten haben dazu geführt, dass Gleichstrommaschinen nur noch in Sonderanwendungen eingesetzt werden. Die dem Maschinenprinzip des Wechselfelds zugrunde liegende Magnetkreisstruktur ist (überwiegend) der longitudinalen Feldvariante zuzuschreiben. Erst in jüngster Zeit sind für anspruchsvolle Anwendungen Prototypen in Transversalflusstechnik erprobt worden. Diese erheben zwar einen besonderen baulichen Anspruch, ermöglichen aber eine deutlich höhere Leistungsdichte. Die dabei eingesetzte Wechselwirkungstechnik basiert auf Permanentmagneten im Läufer und einer wechselstromgespeisten Wicklungsanordnung im Stator. Hierbei ist auch der Einsatz von konzentrischen Ringwicklungen denkbar, so dass gegenüber der klassischen Mehrphasen-Drehstromwicklung sich offensichtliche Vorteile, wie kleines Bauvolumen und deutlich kleinere Wicklungsverluste, ergeben. Die beim Transversalflussmotor eingesetzten Permanentmagneten (radial stehend) im Rotor ermöglichen dort eine zweiseitige Kraftbildung am ringförmigen Rotor mit klaren Vorteilen bezüglich hoher Kraft- und Leistungsdichte bei vereinfachter Magnetkreis- und Betriebsform. Läufer und Stator dieses Konzepts erfordern jedoch herstellungstechnisch in mehreren Punkten neue Wege. Gerade auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten ergeben sich dabei Probleme wie hohe Eisenverluste, die der Anwendung zum Teil entgegenstehen.The operational difficulties associated with the commutator have meant that direct current machines are only used in special applications. The magnetic circuit structure on which the machine principle of the alternating field is based is (predominantly) attributable to the longitudinal field variant. Only recently have prototypes in transverse flow technology been tested for demanding applications. Although these make special structural demands, they enable a significantly higher power density. The interaction technology used is based on permanent magnets in the rotor and an AC-fed winding arrangement in the stator. The use of concentric ring windings is also conceivable here, so that there are obvious advantages over the classic multi-phase three-phase winding, such as small construction volume and significantly lower winding losses. The permanent magnets used in the transverse flux motor (radially standing) in the rotor enable two-sided generation of force on the ring-shaped rotor with clear advantages in terms of high force and power density with a simplified magnetic circuit and operating form. However, the rotor and stator of this concept require new methods in terms of production technology in several respects. Problems such as high iron losses arise, especially at high peripheral speeds, which in some cases prevent the application.

Mit Blick auf erzielbare vorteilhafte Merkmale sollte bei der Weiterentwicklung elektrischer Maschinen am transversalen Aufbau des Magnetkreises mit radial bzw. senkrecht stehenden Permanentmagneten im Läufer festgehalten werden. Wenn der Übergang zu einem anwendbaren Gleichfeldkonzept gelingt, dürfte er eine beträchtliche Komplexitätsreduktion ermöglichen. Die Abwendung vom magnetischen Wechselfeld mit vergleichsweise hoher Frequenz bringt bauliche und betriebliche Vorteile wenn das damit verbundene Funktionsproblem gelöst werden kann.With a view to the advantageous features that can be achieved, the further development of electrical machines should be based on the transversal structure of the magnetic circuit with radial or vertical permanent magnets in the rotor. If the transition to an applicable constant field concept succeeds, it should enable a considerable reduction in complexity. Turning away from the alternating magnetic field with a comparatively high frequency brings structural and operational advantages if the associated functional problem can be solved.

Um z.B. einen ringförmigen Läufer mit radial stehenden Magneten zur Wechselwirkung mit einem ebenfalls radial angesetzten Magnetfeld zu nutzen, scheidet der longitudinal geführte Magnetfluss aus. Dies bedeutet jedoch für die Magnetanordnung im Läufer eine verteilte antipolare Nachbarschaft für die Magnete, um ein Feld in Längsrichtung zu verhindern. Das Gleichfeldkonzept bedeutet auch bei transversaler Feldführung, dass der Stator z.B. eine Polstruktur zur radialen Flussführung bekommen muss.For example, in order to use a ring-shaped rotor with radially positioned magnets to interact with a magnetic field that is also applied radially, the longitudinally guided magnetic flux is ruled out. However, for the magnet arrangement in the rotor, this means a distributed antipolar neighborhood for the magnets in order to prevent a field in the longitudinal direction. The constant field concept also means that the stator must have a pole structure for radial flux guidance, even with transverse field guidance.

Im Folgenden wird mit der bildbezogenen Beschreibung und den im Beschreibungstext erläuterten Vorschlägen auf die den Patentansprüchen zugrunde liegenden Besonderheiten verschiedener Problemlösungen eingegangen und die Unterschiede zur bisherigen Technik erläutert.In the following, with the image-related description and the suggestions explained in the description text, the special features of various problem solutions on which the patent claims are based are discussed and the differences from the previous technology are explained.

Beschreibungdescription

In einem Wandler, bestehend aus einer in 1 ÷ 3 dargestellten linearisierten Magnetkreisanordnung, bestehend aus Stator S und Läufer L, entsteht eine Schubkraft F_x in Bewegungsrichtung x. Sie ist eine Folge der Wechselwirkung zwischen einem magnetischen Gleichfeld Br im Luftspalt δ₁ (1) und dem (fiktiven Leiter-) Strom Θ_aM im Nahbereich der an den Spalt grenzenden Magnetenden der Permanentmagneten Pa im Läufer L. Auch aus dem Verlauf von Magnetfeld B_f des Stators und Feld B_a des Läufermagnetstroms ΘaM kann die kraftbildende Wirkung erklärt werden. So ergibt sich für die in 1 zugrunde liegende Läuferposition P1 (x=0) der Kraftmaximalwert für F_x. Für die in 2 und 3 gezeichneten Verschiebepositionen P2 und P3 mit x = τ/4 , τ/2 entstehen etwas kleinere Schubkräfte, wie auch im Diagramm von 4 zum Ausdruck kommt. Angestrebt werden eine hohe mittlere Schubkraft und ein geringer Abfall bei τ/4. Der Verlauf ist symmetrisch, wobei der Pollückenversatz um τ/2 auch die Doppelnutzung von B_f an L-Oberseite und L-Unterseite (durch die versetzten Pole von So und Su) ermöglicht. Der ferromagnetische Bereich Le zwischen den antipolaren Magneten Pa muss für den Durchtritt des Erregerfeldes B_f (von z.B. So nach Su) breit genug sein (ohne Sättigung) und die Magnetfeldlänge b_L soll mindestens der Polbreite b_p entsprechen. Sie weist den doppelten Wert der Lückenbreite b_s auf, ihre Summe entspricht der Polteilung τ. Weitgehend gleiche Lückentiefe δ_S = δ_L kommt einer insgesamt begrenzten Lückentiefe zugute. In jedem Fall wird davon auszugehen sein, dass δ_S ≈ δ_L > 3 δ_I ist. 1 zeigt durch die Feldverteilung von Läuferfeld B_a gegenüber Erregerfeld B_f (nur durch eine Feldlinie je Polhälfte im ferromagnetischen Zwischenbereich Le der Magneten Pa), beide ungestört und noch nicht resultierend überlagert. Auf der linken Polseite A des Läufers L entsteht damit eine starke Feldverdichtung, rechts auf Seite B eine Feldschwächung (gegenläufige Feldlinien). Wie auch mit 5 für P1 dargestellt wird, folgt die Schubkraft der Änderung (mathematische Ableitung) der Energiedichte (und ergibt sich proportional B_fl · B_al), was aus der Dichte der Verteilung der Feldlinien tendenziell abzulesen ist.In a transducer consisting of an in 1 ÷ 3 shown linearized magnetic circuit arrangement, consisting of stator S and rotor L, a thrust F _x arises in the direction of movement x. It is a consequence of the interaction between a magnetic constant field Br in the air gap δ ₁ ( 1 ) and the (fictitious conductor) current Θ _aM in the vicinity of the magnet ends of the permanent magnets Pa in the rotor L that border the gap. The force-forming effect can also be explained from the course of the magnetic field B _f of the stator and field B _a of the rotor magnet current ΘaM. This results for the in 1 underlying slider position P1 (x=0) the maximum force value for F _x . for the inside 2 and 3 The displacement positions P2 and P3 drawn with x = τ/4 , τ/2 result in somewhat smaller thrust forces, as in the diagram in 4 is expressed. A high average thrust and a low drop at τ/4 are aimed for. The course is symmetrical, whereby the pole gap offset by τ/2 also enables the double use of B _f on the top and bottom of L (due to the offset poles of So and Su). The ferromagnetic area Le between the _antipolar magnets Pa must be wide enough (without saturation) for the passage of the excitation field Bf (from eg So to Su) and the magnetic field length _bL should at least correspond to the pole width bp _. It has twice the value of the gap width b _s , its sum corresponds to the pole pitch τ. Largely the same gap depth δ _S = δ _L benefits an overall limited gap depth. In any case, it can be assumed that δ _S ≈ δ _L > 3 δ _I . 1 shows through the field distribution of rotor field B _a compared to excitation field B _f (only through one field line per pole half in the ferromagnetic intermediate area Le of the magnets Pa), both undisturbed and not yet superimposed as a result. On the left pole side A of the rotor L, there is a strong field compression, on the right side B there is a field weakening (opposing field lines). As with 5 for P1, the thrust follows the change (mathematical derivation) of the energy density (and is proportional to B _fl · B _al ), which is derived from the Density of the distribution of the field lines tends to be read.

Durch die Verschiebung des Läufers L in 2 um τ/4 und in 3 um τ/2 werden nicht nur die Überdeckungszonen der Polseiten A und B beschnitten, auch die Felddichten B_f und B_a gehen zurück, wie sich durch verlängerte Feldstrecken (insbesondere in Luft) gegenüber 1, P1 zeigt. Dabei ist den Feldbildern auch zu entnehmen, dass für die Ba-Verläufe die endliche Tiefe von b_s auch ein wichtiger Begrenzungsfaktor ist.By shifting the slider L in 2 around τ/4 and in 3 by τ/2, not only are the overlapping zones of the pole sides A and B cut, the field densities B _f and B _a also decrease, as opposed to each other by lengthened field distances (especially in air). 1, P1 indicates. The field images also show that the finite depth of b _s is also an important limiting factor for the Ba courses.

Mit der damit möglichen Vermeidung der Nullabsenkung bei 3, P3 wird ein sehr störender (grundsätzlich nicht unmöglicher) Sonderbetriebsfall ausgeschlossen.With the possible avoidance of the zero drop at 3, P3 a very disturbing (basically not impossible) special operating case is excluded.

Das in den vereinfacht gezeichneten Feldbildern nicht dargestellte resultierende Magnetfeld, das auch die Permanentmagneten Pa durchsetzt und sich in τ-Abschnitten teils mit dem Läufer bewegt, durchläuft den Statorbereich Mf des Magnetkreises und penetriert die Wicklung Wi, wie in 6 angedeutet. Die Feldbewegung (durch L) vermittelt der Wicklung Wi damit eine der Geschwindigkeit v des Läufers L proportionale induzierte Spannung. Die Speisespannung U_f wird damit leistungsabhängig und eine Bestimmungsgröße für die Geschwindigkeit von L. Die Größe des Stromes I_f kann offensichtlich durch die Proportionalität der Kraft zu B_f zur Kraftbeeinflussung herangezogen werden. Zur Vereinfachung sind in 6 die Pollücken gleich breit gewählt wie die Pole. δ_l ist aus gleichem Grund verhältnismäßig groß angenommen.The resulting magnetic field, not shown in the simplified field diagrams, which also penetrates the permanent magnets Pa and partly moves with the rotor in τ sections, runs through the stator area Mf of the magnetic circuit and penetrates the winding Wi, as in 6 implied. The field movement (through L) gives the winding Wi an induced voltage proportional to the speed v of the rotor L. The supply voltage U _f is thus power-dependent and a determining variable for the speed of L. The size of the current I _f can obviously be used to influence the force due to the proportionality of the force to B _f . For simplification are in 6 the pole gaps chosen to be as wide as the poles. δ _l is assumed to be relatively large for the same reason.

In 5 ist mit einigen Gleichungen dargelegt, wie die erzeugte Schubkraft F_x (als Ableitung von W_m(x)) sich aus den Felddichten B_f (Erregerfeld) und Ba (Läuferfeld) rechnerisch ergibt und welche Abhängigkeit (von geometrischen Größen) besteht. Von der Ausgangsgröße der magnetischen Energie W_m (des Bereichs δ_l der Polbreite b_p des Läufers L) und ihrer Ableitung nach der Bewegungsrichtung x wird für die Position P1 (und die Annahme von x unabhängiger B-Werte) die Kraft F_τl (einer Polseite) in Funktion von B_fl und B_al ermittelt. Dies ist der Ausdruck der Wechselwirkung zwischen Erregerfeld und den oberflächennahen Strömen Θa_M der Permanentmagneten. Über den Faktor B_a werden indirekt auch die geometrieabhängigen magnetischen Widerstände (z.B. über Spaltlängen oder Sättigungsbereiche im Eisen) erfasst, bzw. erfassbar. In der Gleichung für B_al steht δ_ral für eine resultierende Spaltlänge, in der außer 2δ_l auch ein entsprechender Widerstandsanteil für die vom Feld (ungestört und längenabhängig) durchsetzte Magnetdicke h_Ma. Sa wird auch Sammelfaktor genannt. Er ist umgekehrt proportional b_L. Nur wenn vereinfachend S_a→∝ (b_L→∝)) vorausgesetzt ist geht die Kraftgleichung für P_τl in die für eine Kraft auf einen Leiter (Strom Θ_aM) vom Feld der Dichte B_f ausgeübte Kraft in die bekannte Gleichung F= Θa_M · B_f · 1 über. Entsprechende Kraftberechnungen lassen sich auch für die Läuferpositionen P2 und P3 durchführen. Die Rechnungen zeigen dann, dass durch die Verschiebung des Läufers (mit den wandernden Pollücken von L) für B_f und B_a größere Widerstände zu berücksichtigen sind, wodurch sich auch Auswirkungen auf das Ergebnis zeigen.In 5 shows with some equations how the generated thrust force F _x (as a derivative of W _m (x)) is calculated from the field densities B _f (exciter field) and Ba (rotor field) and which dependencies (of geometric variables) exist. From the initial value of the magnetic energy W _m (of the area δ _l of the pole width b _p of the rotor L) and its derivative according to the direction of movement x for the position P1 (and assuming x independent B values), the force F _τl (one Pole side) determined as a function of B _fl and B _al . This is the expression of the interaction between the excitation field and the near-surface currents Θa _M of the permanent magnets. The geometry-dependent magnetic resistances (eg via gap lengths or saturation areas in the iron) are also recorded or can be recorded indirectly via the factor B _a . In the equation for B _al , δ _ral stands for a resulting gap length in which, in addition to 2δ _l , there is also a corresponding resistance component for the magnet thickness h _{Ma permeated by the field (undisturbed and dependent on length).} Sa is also called accumulation factor. It is inversely proportional to b _L . Only if S _a→∝ (b _L →∝)) is assumed for simplification does the force equation for P _{τl turn} into the force exerted by the field of density B _f for a force on a conductor (current Θ _aM ) in the well-known equation F= Θa _M B _f 1 over. Corresponding force calculations can also be carried out for the slider positions P2 and P3. The calculations then show that due to the displacement of the slider (with the moving pole gaps of L), larger resistances have to be taken into account for B _f and B _a , which also affects the result.

Wichtig erscheint, dass durch die Rechenergebnisse einerseits der Übergang zu der in der Physik bekannten Stromkraftgleichung und andererseits der Zusammenhang zwischen Kraft und Geometrie der gewählten Konfiguration des transversalen Magnetkreises sichtbar wird. So wird z.B. durch die Rechenergebnisse nahegelegt, hohe Kraftdichten durch große Permanentmagnetbreiten ha_M bei gegebener Polteilung τ zu verwirklichen. Eine direkte Proportionalität zwischen Kraftdichte und dem Verhältnis h_aM/τ ergibt sich hierbei nicht. Auch die gewählte Höhe der Felddichte spielt hierbei eine Rolle.It seems important that the results of the calculations make the transition to the current force equation known in physics visible on the one hand and the connection between force and geometry of the selected configuration of the transversal magnetic circuit on the other. For example, the results of the calculations suggest that high force densities can be achieved by large permanent magnet widths ha _M for a given pole pitch τ. There is no direct proportionality between force density and the ratio h _aM /τ. The selected level of the field density also plays a role here.

Die in 1 nur grundsätzlich angedeutete Magnetkreisverbindung der Statorseite über die ferromagnetischen Teile Mf zur Verbindung der Polbereiche So und Su (mit kleinem magnetischen Widerstand), wobei die den (Summen-) Erregerstrom Θ_f führende Wicklung Wi an der Spannung U_f liegt und vom Feld Br durchsetzt wird, ist in 6 in drei Dimensionen erfasst. Eine variable Speisespannung U_f und der in Grenzen veränderliche Strom I_f ermöglichen die Anpassung der Schubkraft und der Betriebsgeschwindigkeit von Läufer L. Das gleiche gilt für Drehmoment und Drehzahl bei rotierenden Maschinen.In the 1 Magnetic circuit connection of the stator side only indicated in principle via the ferromagnetic parts Mf for connecting the pole areas So and Su (with low magnetic resistance), whereby the winding Wi carrying the (cumulative) excitation current Θ _f is connected to the voltage U _f and is penetrated by the field Br , is in 6 recorded in three dimensions. A variable supply voltage U _f and the current I _f , which can be changed within limits, make it possible to adapt the thrust and the operating speed of rotor L. The same applies to torque and speed in rotating machines.

Da die Feldfluktuation (des Gleichfelds) nun im Vergleich zum Einsatz bei Wechselfeldmaschinen deutlich kleiner wird, ist eine Herstellung z.B. der Läuferteile aus geschichteten Blechen oder gepresstem Eisenpulver ohne größere zusätzliche Ansprüche möglich. Im Falle der Anwendung bei rotierenden Maschinen, aber auch bei Linearmotoren, wird man sich zweckmäßig für gegenseitig um τ-Bruchteile versetzte Polgruppen zur noch weitergehenden Glättung des Kraftverlaufs entscheiden. Auch hierdurch lassen sich Eisenverluste zusätzlich reduzieren. Der Gleichfeldeinsatz ist auch ein wilfkommener Schritt zur Einschränkung des Elektronikaufwands bei der Statorstrombereitstellung. Als Wicklungsform bietet sich bei rotierenden Maschinen die bzgl. Volumen und Verlusten unübertreffliche Form der zur Welle konzentrischen Ringwicklung an.Since the field fluctuation (of the constant field) is now significantly smaller compared to use with alternating field machines, it is possible to manufacture the rotor parts, for example, from layered sheet metal or pressed iron powder without major additional requirements. In the case of use in rotating machines, but also in linear motors, pole groups that are mutually offset by τ fractions will be chosen for even more smoothing of the force curve. Iron losses can also be additionally reduced in this way. The use of DC field is also a welcome step towards reducing the amount of electronics needed to provide the stator current. The winding form for rotating machines is the ring winding, which is concentric to the shaft and is unsurpassed in terms of volume and losses.

Zur weiteren Steigerung der Leistungsdichte des Wandlers lässt der transversale Magnetkreis z.B. auch die Maßnahme einer Läuferverdopplung gegenüber 6 bei ÜbereinanderAnordnung von L-Typen zu. Das Magnetfeld B_f erfährt dabei die Verdopplung der Zahl der Luftspalte, sodass mit dem vergrößertem magnetischen Widerstand Θ_f sich annähernd auch verdoppelt und auch U_f leistungsgemäß wächst. Der Masse- und Volumenanteil des Wandlers wird dabei weniger als eine Verdopplung erfahren, sodass die Leistungsdichte zunimmt.To further increase the power density of the converter, the transversal magnetic circuit can, for example, also be compared with the measure of doubling the rotor 6 in stacked arrangement of L types too. The magnetic field B _f experiences the doubling of the number of air gaps, so that with the increased magnetic resistance Θ _f also almost doubles and U _f also increases in accordance with the power. The mass and volume proportion of the converter will experience less than a doubling, so that the power density increases.

Claims

Magnetic circuit arrangement for generating thrust in linear and rotating applications with transverse field guidance by providing a constant field via a stator S with pole characteristics at a distance τ and providing the field on two sides to the rotor L, which is equipped with antipolar permanent magnets Pa perpendicular to the pole gap δ ₁ at a distance τ/2 and also has pole characteristics that are longitudinally offset by τ/2 on the second side in the stator.

Magnetic circuit arrangement for thrust force-generating converter in DC technology accordingly claim 1 , characterized in that the pole width b _p is twice as large as the gap width b _s and the gap depths in the stator S and rotor L are the same and have at least three times the depth dimension of the gap δ _ι .

Magnetic circuit arrangement for thrust force-generating converter according to the above claims , characterized in that pole groups of the stator fed by DC field components with mutual longitudinal offset of fractions of the pole pitch τ act on the common rotor L and thus a further equalization of the common thrust force is achieved and, in the case of rotating machines, a ring winding concentric to the shaft can be used.

Magnetic circuit arrangement for thrust force-generating converters according to the above claims , characterized in that the production of the moving machine part L, thanks to low field fluctuations, for example, from layered ferromagnetic sheets of small thickness and, as with the stator parts Mf, if no particularly rapid field interventions are required, can also be carried out from solid iron will.

Magnetic circuit arrangement for transducers generating thrust according to the above patent claims , characterized in that the speed v of the rotor L and its thrust F _x can be set within certain limits via the level of the supply voltage Ur and the strength of the current I _f .