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Die Erfindung betrifft eine dreiphasige Synchronmaschine mit einem Rotor, der Permanentmagnete und einen Induktionskäfig aufweist.
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Synchronmaschinen, insbesondere mit Permanentmagneterregung sind beispielsweise als sogenannte Servoantriebe in Produktionsmaschinen, vorzugsweise Werkzeugmaschinen eingesetzt. Zur Steigerung der Produktivität müssen dabei neben den Bearbeitungszeiten auch sogenannte Nebenzeiten der Werkzeugmaschinen möglichst kurz gehalten werden. In den Nebenzeiten werden Antriebe beschleunigt und im Eilgang verfahren. In dieser Phase kommt es auf das kurzzeitige Beschleunigungsvermögen der Antriebe an. Das Beschleunigungsvermögen hängt von den zu beschleunigenden Massen, als auch von der Drehmomentabgabe des jeweiligen Antriebs ab. Die Drehmomente sind insbesondere bei Direktantrieben von großer Bedeutung, da eine Drehmomentwandlung über ein Getriebe entfällt.
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Aus der
US 2003/0071533 A1 ist eine Synchronmaschine bekannt, wobei der Stator dort ein Wicklungssystem aufweist, das eine Bruchlochwicklung mit 0,5 hat. Der Rotor weist dort Permanentmagnete und einen Induktionskäfig auf mit dem subharmonische Luftspaltfelder asynchron genutzt werden. Die Grundpolzahl ist kleiner als die Polzahl der Permanentmagnete des Rotors.
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Aus der
DE 23 18 728 A1 ist ein synchronisierter Asynchronmotor bekannt mit einem n-poligen Stator und einem am Ende des Rotors mit am Umfang abwechselnd angeordneten Nord-Süd-Polen aufweisenden Dauermagneten, wobei der Dauermagnet n-Polpaare enthält und jeder zweite Statorpol im Bereich des Dauermagneten in jeweils zwei Polschuhe aufgeteilt ist, wobei diese Polschuhe den Polpaaren des Dauermagneten entsprechend jeweils zwischen ihrem und dem benachbarten Statorpol angeordnet sind und wobei das Drehmoment des asynchronen Motorteils im Bereich des halben asynchronen Nenndrehzahl gleich oder kleiner gewählt ist als das zur Aufrechterhaltung der synchronen Drehzahl für den Synchronteil maximal zulässige Belastungsmoment.
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Aus der
DE 34 40 193 C2 ist ein Läufer für einen bürstenlosen Elektromotor bekannt mit einem Ständer mit im Wesentlichen geradlinig verlaufenden Nuten, welcher Läufer aus einem zylindrischen Blechpaket aus im Wesentlichen kreisförmigen Blechlamellen aus ferromagnetischem Material mit mindestens einem ersten Satz axialer Öffnungen besteht, die mit Seltene Erden enthaltenen Permanentmagneten mit hohem Energieprodukt ausgestattet sind, wobei das Läuferpaket auf seiner Außenfläche mit einer Mehrzahl von Reluktanznuten versehen ist, wobei die Reluktanznuten eine Schrägung von ein bis sechs Grad in Bezug auf die Läuferachse und die Ständernuten aufweisen, wobei der Schrägungswinkel bei Ständern mit ungerader Nutenzahl etwa der halben und bei Ständern mit geraden Nutzahl etwa der ganzen Ständernutteilung entspricht.
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Aus der
DE 51 083 A ist ein Anker für einen Elektromotor bekannt, welcher durch Wechselströme betrieben wird, bestehend aus einem beliebig geformten Eisenkörper, welcher entweder von Kupferadern irgend welcher Form, deren Enden alle untereinander in leitender Verbindung stehen, durchgezogen ist, oder der solche Kupferadern in Vertiefungen enthält, die ebenfalls an ihren Enden untereinander leitend verbunden sind, oder dessen Oberfläche teilweise oder ganz mit einer elektrisch zusammenhängenden Schicht bedeckt ist.
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Nachteilig dabei, dass diese elektrischen Maschine nicht das erforderliche kurzzeitige Beschleunigungsmoment aufweisen.
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Der Erfindung liegt dem zufolge die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine zu schaffen, die besonders in der Beschleunigungsphase ein vergleichsweise hohes Drehmoment liefert. Die elektrische Maschine soll dabei kompakt und für möglichst viele Anwendung u. a. im Bereich der Industrie einsetzbar sein.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Synchronmaschine mit einem Stator (1), mit einem Wicklungssystem, das eine Bruchlochwicklung mit q ≤ 0,5 aufweist, mit einem Rotor (2), der Permanentmagneten (3) und einen Induktionskäfig (4) zur asynchronen Nutzung subharmonischer Luftspaltfelder aufweist, und die Polzahl des Rotors (2) der Synchronmaschine größer als die Grundpolzahl des durch das Wicklungssystem des Stators (1) erzeugten Luftspaltfeldes ist, wobei für die Grundpolzahl 2pGS des Stators (1), die synchrone Nutzpolzahl 2pNs ≥ 4 × 2pGS, die asynchrone Nutzpolzahl 2pNa ≥ 2pGS und das Verhältnis Spulenweite τSp zur Weite der Polteilung τp bei 2,66 ≤ τSp/τp liegt.
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Das von dem Wicklungssystem des Stators erzeugte Luftspaltfeld beinhaltet im Sinne der Spektralanalyse neben der gewünschten Arbeitspolzahl, die auch als Grundpolzahl des Stators bezeichnet wird, eine unendliche Anzahl von weiteren harmonischen Wicklungsfeldern, die in gewissen Fällen noch um subharmonische Wicklungsfelder ergänzt werden. Bei den bekannten Motorkonzepten wird bisher lediglich das Luftspaltgrundfeld genutzt.
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Durch die erfindungsgemäße Konstruktion der dreiphasigen Synchronmaschine werden nunmehr auch die in Richtung des synchron genutzten Luftspaltnutzfeldes umlaufenden subharmonischen Wicklungsfelder, die auch als mitlaufende Subharmonische bezeichnet werden, in Verbindung mit dem Induktionskäfig zur asynchronen Drehmomentenbildung genutzt. Vorteilhaft sind Wicklungssysteme, die sowohl für das synchron genutzte Luftspaltnutzfeld als auch für das asynchrone subharmonische Luftspaltfeld hohe Wicklungsfaktoren aufweisen. Die Größe des Wicklungsfaktors wird dabei von der Anzahl der Spulenseiten und der Art ihrer Verteilung am Umfang bestimmt. Damit ist er von der normalen Zonenbreite bzw. der Zahl der Spulenseiten je Wicklungszone, vom Maß der Sehnung und der Größe der Zonenänderung abhängig. Der Wicklungsfaktor kann somit in drei Teilfaktoren zerlegt werden; den Zonenfaktor, den Sehnungsfaktor und den Unterschiedsfaktor.
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Der Stator besteht allgemein aus einem genuteten Blechpaket mit axialen verlaufenden Nuten in denen sich eine dreiphasige Drehstromwicklung befindet. Das Wicklungssystem ist dabei so ausgeführt, dass es zur Nutzung von mindestens zwei Drehfeldern unterschiedlicher Polzahl aber gleicher Drehrichtung geeignet ist. Der Wicklungsfaktor sollte dabei mindestens 0,5 sein. Dieser grundsätzliche Aufbau der dreiphasigen Synchronmaschine ist für klassische Drehstromwicklungen ebenso geeignet. Vorzugsweise lassen sich aber besonders bei Zahnspulenwicklungen des Stators die Subharmonischen effizient zur Drehmomentnutzung heranziehen. Unter Zahnspulen werden dabei konzentrierte Spulen verstanden, die jeweils einen mechanischen Pol oder Zahn umfassen und somit Hin- und Rückleiter der Spule in unmittelbar benachbarten Nuten angeordnet sind. Die Spulen können dabei vorzugsweise vorgefertigt zur Verfügung gestellt werden.
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Die Permanentmagnete sind entweder auf der Rotoroberfläche oder im Blechpaket des Rotors eingebettet. Die Induktionsleiterschleifen befinden sich in Nuten des Rotors oder in Umfangsrichtung betrachtet zwischen den Permanentmagneten.
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In einer weiteren Ausführungsform sind Induktionskäfig und Permanentmagneterregung in hintereinander axial angeordneten Teilen des Rotors untergebracht.
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Der Unterschied zu bekannten Synchronmaschinen mit Induktionsschleifen z. B. Synchronmotoren mit Dämpferkäfig besteht u. a. darin, dass diese bekannten Maschinen im stationären synchronen Bereich gewollt kaum Ströme in der Induktionsschleife aufweisen, weil dort die Grundpolzahl des Stators genutzt wird und die Staturen für geringe Oberwellen ausgelegt sind. Damit gibt es im Bezug auf die genutzte Polzahl keine subharmonische Polzahl des Stators, die einen Strom in Induktionsschleifen des Rotors induzieren können. Die synchrone und asynchrone Nutzpolzahl ist bei den bekannten Synchronmaschinen gleich der Grundpolzahl des Stators.
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Aufgrund ihres vorteilhaften Drehmomentverhaltens ist eine erfindungsgemäße Synchronmaschine auch für Traktionsantriebe von elektrischen Triebfahrzeugen geeignet, da dort vor allem während der Beschleunigungsphase ein maximales Drehmoment benötigt wird. Eine erfindungsgemäße Synchronmaschine ist vorteilhafterweise als Direktantrieb bei Triebfahrzeugen einsetzbar, indem die Welle z. B. einen Abschnitt der Achse eines Radsatzes des Triebfahrzeuges umgibt.
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Erfindungsgemäß stellt damit eine derartige kompakte, leistungsfähige Synchronmaschine einen optimalen Antrieb für Anwendungszwecke dar, die bei kleinem Bauvolumen ein maximales Beschleunigungsvermögen benötigen, wie z. B. Traktionsantriebe Werkzeugmaschinen oder andere Produktionsmaschinen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung sowie weitere Ausführungsbeispiele sind den schematisch dargestellten Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:
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1, 2, 3 mehrere Ausführungsbeispiele eines Rotors mit Permanentmagneterregung und Dämpferkäfig,
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4 Rotor mit Flusskonzentrationsanordnung der Permanentmagnete,
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5 Querschnitt einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
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6 einen Rotor dieser elektrischen Maschine,
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7 einen weiteren Rotor dieser elektrischen Maschine
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8 Darstellung der Lochzahlenmatrix möglicher Wicklungsvarianten in Abhängigkeit der Nutzahl N1 des Stators und Grundpolzahl pGS
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1 zeigt in prinzipieller Darstellung einen Stator 1 und einen Rotor 2 einer nicht näher dargestellten elektrischen Synchronmaschine. Der Rotor 2 ist dabei auf einer nicht näher dargestellten amagnetischen Welle in bekannter Art und Weise positioniert. Die Permanentmagnete 3 sind am Luftspalt 5 der Synchronmaschine angeordnet. Die Permanentmagnete 3 werden dabei durch an sich übliche Befestigungsmittel am Rotor 2 befestigt. Der Induktionskäfig 4 ist radial unterhalb der Permanentmagnete 3 im Blechpaket des Rotors 2 angeordnet und weist als Stabzahl die doppelte Nutzpolzahl 2pNS des Stators 1 auf. Die Permanentmagnete 3 bestehen vorzugsweise aus Seltenerdmagneten. Der Induktionskäfig 4 kann ähnlich wie bei Käfigläufermotoren aus Aluminium- oder Kupferdruckguss hergestellt oder aus verlöteten oder verschweißten Stäben gefertigt sein. Ebenso kann der Induktionskäfig 4 aus Litzenleitern aufgebaut sein.
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Litzenleiter bestehen aus jeweils einzelnen Filamenten, die gegebenenfalls unterschiedliche Durchmesser und/oder Querschnittsformen aufweisen. Durch die Wahl der Querschnitte der einzelnen Filamente des Litzenleiters lässt sich die Steifigkeit bzw. Flexibilität in vorbestimmbarer Weise beeinflussen. Ebenso können sie Filamente künstlich aufgebrachte Isolationsschichten aufweisen.
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Dadurch lässt sich gegebenenfalls das Bauvolumen einer Synchronmaschine weiter verringern.
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Der Stator 1 erzeugt Luftspaltfelder mit unendlich vielen Polzahlen. Die niedrigste Polzahl wird als Grundpolzahl 2pGS des Stators 1 bezeichnet. Die synchron genutzte Polzahl wird als Nutzpolzahl des Stators 1 mit 2pNS bezeichnet. Alle Polzahlen, die von 2pNS abweichen, können in den Induktionsleitern des Rotors 2 Spannungen induzieren. Durch die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Synchronmaschine wird dafür gesorgt, dass im wesentlichen durch eine Polzahl Ströme in den Induktionsleiterschleifen, d. h. dem Induktionskäfigs 4 induziert wird. Diese soll die asynchron genutzte Polzahl 2pNA sein. Diese ist kleiner als die synchron genutzte Polzahl und kann gleich der Grundpolzahl 2pGS des Stators 1 sein.
2pGS ≤ 2pNA < 2pNS
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rotors 2, bei der die Stabzahl des Induktionskäfigs 4 der Nutzpolzahl 2pNS entspricht.
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3 zeigt einen Induktionskäfig 4 des Rotors 2, bei dem die Stabzahl des Induktionskäfigs 4 der halben Nutzpolzahl 2pNS entspricht.
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Alternativ zur Anordnung der Permanentmagnete 3 am Luftspalt können Permanentmagnete 3 auch nach dem Flusskonzentrationsprinzip im Blechpaket des Rotors 2 integriert angeordnet sein. Dabei sind die Permanentmagnete 3 im wesentlichen radial innerhalb des Induktionskäfigs 4 angeordnet.
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Mitlaufende Subharmonische treten nur bei Bruchlochwicklungen des Stators 1 auf, bei denen der Nenner N der Lochzahl q
mit q = z/N, größer als 6 ist,
d. h. es muss gelten N > 6; damit sind nur die gemäß 8 aufgeführten Wicklungsvarianten zielführend.
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Durch das hohe zusätzliche Beschleunigungsmoment in Folge der Abdämpfung der mitlaufenden Subharmonischen ist daher der Einsatz bei Beschleunigungsantrieben besonders vorteilhaft. Insbesondere bei Produktionsmaschinen lassen sich derartige Synchronmaschinen vorteilhaft einsetzen.
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Ein wesentliches Auslegungskriterium ist die Drehrichtung der Drehfelder. Die Drehrichtung von 2pNA muss der der synchronen Nutzpolzahl 2pNS entsprechen. Damit muss folgendes Kriterium erfüllt sein;
2pNS = 2pNA + i × 3, wobei i = 1, 2 usw. ist.
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Es ergibt sich damit die Menge
der Statorpolzahlen 2pST zu
2pST = 2PGS ..., 2pNS ...; dabei ist 2pST gleich oder größer als 2PGS und 2pNS ist größer als 2PGS,
der Rotorpolzahl durch Permanentmagnete zu
2pRS = 2pNS.
der Rotorpolzahlen durch Induktionsleiterschleifen zu
2pRA = ..., 2pNA, ...
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Das Verhältnis Spulenweite τSp zur Weite der Polteilung τp liegt dabei insbesondere bei
2,66 ≤ τSp/τp
während es bei bekannten elektrischen Maschinen unter 1,33 liegt. Die Polteilung τp bezeichnet dabei den Abstand zweier ungleichnamiger Pole.
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5 zeigt einen permanenterregten Synchronmotor 10 der in einem Gehäuse 11 den Statur 1 aufweist. Der Statur 1 weist gleichmäßig verteilte Nuten 13 auf. Zwischen Gehäuse 11 und Statur 1 kann sich ein nicht näher dargestellter Kühlmantel 12 befinden, der durch flüssigkeits- oder gasförmige Medien eine Kühlwirkung erzeugt. In den Nuten 13 des Stators 1 befinden sich die Wicklungssysteme U, V, W. Der Rotor 2 weist an seinem Außenumfang Permanentmagnete 3 auf. Diese sind durch flexible Bandagen 14 oder Hülsen am Rotor 2 fixiert.
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Die Permanentmagnete 3 sind eben oder schalenförmig ausgeführt. Radial unterhalb der Permanentmagnet 3 ist der Induktionskäfig 4 positioniert. Eine Abtriebswelle 15 ist durch geeignete Welle-Nabe-Verbindungen 16, wie Passfedern, Polygone etc. mit dem Rotor 2 drehfest verbunden.
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6 zeigt in einem Querschnitt den Rotor 2, ausgeführt wie in 5, jedoch mit der zusätzlichen Polbezeichnung N oder S der Permanentmagnete 3.
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7 zeigt den Rotor 2 in Seitenansicht, wobei dabei zusätzlich die Verschaltung der Induktionskäfige 4 zu sehen ist.
