DE19507490A1

DE19507490A1 - Electric machine with independent esp. permanent magnet excitation e.g. vehicle drive machines

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Publication number: DE19507490A1
Application number: DE1995107490
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Strothmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1995-03-03
Publication date: 1996-09-19

Abstract

The machine has a rotor which is displaced via successive magnetic fields in the rotor rotation direction, each corresponding to a whole number of magnetic periods, cooperating with the stator poles. The magnetic period for the magnetic fields does not correspond to a whole number of stator poles, with the varying offset between the magnetic period and the stator poles pref. at least partially compensated by a corresponding offset in the supply voltage for the stator windings.

Description

Es ist üblich, elektrische Maschinen mit fremd- oder permanenterregtem Läufer (oder Stator, in diesem Fall sind die Begriffe Läufer und Stator sinngemäß auszutauschen) so auszuführen, daß der Läufer in Bewegungsrichtung eine Reihe einzeln voneinander getrennter Pole, pro magnetischer Periode einen magnetischen Nord- und Südpol, aufweist. Dazu zählen z. B. Synchronmaschinen oder selbst- oder fremdkommutierte Gleichstrommaschinen, wobei letztere mehrphasige Synchronmaschinen darstellen, die zusätzlich mit Kommutierungsmechanismen (Kollektor o.a.) zur Umschaltung der Betriebsphasen ausgestattet werden.It is common to use third party or electrical machines permanently excited rotor (or stator, in this case exchange the terms rotor and stator accordingly) execute that the runner in the direction of movement a number individually separated poles, per magnetic Period has a magnetic north and south pole. These include e.g. B. synchronous machines or self or externally commutated DC machines, the latter represent multi-phase synchronous machines that also with Commutation mechanisms (collector or the like) for switching of the operating phases.

Im folgenden wird auf diese verbreiteten, auf magnetischer Basis arbeitenden Maschinen eingegangen, weitere Varianten wie z. B. elektrostatische Maschinen werden hier nicht näher betrachtet, obwohl die beschriebenen Anordnungen darauf sinngemäß anwendbar sind.The following is a widespread, magnetic one Base working machines received, further variants such as B. electrostatic machines are not described here considered, although the arrangements described on it are applicable accordingly.

Die Probleme an diesen Maschinen sind, daß durch die notwendigen, zumindest durch Streufluß ohnehin in magnetischer Hinsicht entstehenden Lücken zwischen den Läuferpolen, z. B. Magneten, während der Bewegung gegenüber dem Stator eine nichtlineare Variation der durch das Läuferfeld verursachten, an den Polen ansetzenden Kräfte entsteht, da letztere von der Summe der zwischen den Polen herrschenden Feldbeträge abhängig sind. Über die Bewegung des Läufers werden diese radialen Variationen dann auch in tangentiale Anteile und damit parasitäres Eigenrastverhalten in Form von z. B. Selbsthaltemoment (auch Rastmoment oder Cogging genannt) umgesetzt, welches besonders auffällig im langsamen Leerlauf wird. Weiterhin macht sich dies im gesamten Drehzahlbereich als Geräuschentwicklung der Maschine durch Direkt- oder Körperschall deutlich. Durch die Restriktion der Formgebung von Stator- und Läuferpolen auf enge Vorgaben ist die Reduzierung des Eigenrastverhaltens nur möglich mit Hilfe von Pol- oder Blechpaketschränkungen, Vergrößerungen des Luftspalts oder speziellen Polkopfformen, die hingegen auch die übrigen Betriebsparameter beeinflussen. Bestimmte Statorformen, oder das Entfernen einzelner Statorpole aus konstruktiv sinnvollen Überlegungen heraus, wie in äquivalenter Form durch einen Linearmotor dargestellt, führen zu inneren Unsymmetrien der Maschine, die unmittelbar negative Auswirkungen-auf das Eigenrastverhalten derselben haben. Da die Betriebsparameter sich untereinander gegenseitig beeinflussen, ist ein ungünstiger Kompromiß bei der Auslegung der Maschine die Folge.The problems with these machines are that through the necessary, at least due to stray flux anyway Magnetic gaps between the Rotor poles, e.g. B. magnets, while moving the stator a nonlinear variation of the Runners field caused forces to be applied to the poles arises because the latter of the sum of the between the poles prevailing field amounts are dependent. About the movement of the rotor, these radial variations are then also in tangential components and thus parasitic self-locking behavior in the form of e.g. B. self-holding torque (also cogging torque or Called cogging), which is particularly striking in the becomes slow idle. This is also reflected in the entire speed range as the noise level Machine clearly through direct or structure-borne noise. By restricting the shape of the stator and Runners Poland to narrow specifications is reducing the Self-locking behavior only possible with the help of pole or Sheet pack restrictions, enlargement of the air gap or special pole head shapes, which, however, also the rest Affect operating parameters. Certain stator shapes, or removing individual stator poles from the design reasonable considerations, such as in an equivalent form represented by a linear motor, lead to inner Machine asymmetries that are immediately negative Have an impact on their self-locking behavior. Because the operating parameters are mutually dependent influence is an unfavorable compromise on the Design of the machine the result.

Diese Probleme werden durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Konstruktion gelöst.These problems are solved by the in claim 1 described construction solved.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht in der Möglichkeit der Gestaltung der o.g. Fluß- oder Funktionsverläufe unabhängig von der Gestaltung des Eigenrastverhaltens der Maschine. Der Kurvenverlauf der Phasenspeisungen bzw. -abgänge wird wunschgemäß optimiert und unabhängig hiervon kann das Eigenrastverhalten der Maschine geformt, reduziert oder eliminiert werden.The advantage that can be achieved with the invention is that Possibility of designing the above River or Functional curves regardless of the design of the Self-locking behavior of the machine. The curve of the Phase feeds and outputs are optimized as required and regardless of this, the self-locking behavior of the Machine can be shaped, reduced or eliminated.

Patentanspruch 2 beschreibt die vorteilhafte Möglichkeit, daß ein oder mehrere Pole am Stator entfernt sein können. Dadurch kann der zur Verfügung stehenden Raum für andere konstruktive Maßnahmen genutzt werden, ohne das Eigenrastverhalten wesentlich beeinflussen oder erzeugen zu müssen.Claim 2 describes the advantageous possibility that one or more poles on the stator can be removed. This allows the space available for others constructive measures can be used without the Significantly influence or generate self-locking behavior have to.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind aus den Zeichnungen ersichtlich und werden im folgenden beschrieben. Some embodiments of the invention are from the Drawings can be seen and are described below.

Es zeigenShow it

Fig. 1 Konventionelle Polanordnung einer Dreiphasen- Linearmaschine zum Vergleich Fig. 1 Conventional pole arrangement of a three-phase linear machine for comparison

Fig. 2 Ausführung der Läuferpole nach Patentanspruch 1 Fig. 2 embodiment of the rotor poles according to claim 1

Fig. 3 Näherungsweise, trapezoide Ausführung der Läuferpole Fig. 3 Approximately, trapezoidal design of the rotor poles

Fig. 4 Läuferpol-Einzelsegmente mit maximalem Fluß Fig. 4 rotor pole individual segments with maximum flow

Fig. 5 Darstellung der Magnetfeldverläufe zwischen den Polen. Fig. 5 representation of the magnetic field profiles between the poles.

Fig. 1 zeigt zum Vergleich eine für diese Technik gut geeignete, hier dreiphasige Linearmaschine mit hohem Wirkungsgrad aufgrund einer kompakten Einzelpolbewicklung, jedoch mit einer konventionellen Läuferpolanordnung. In Fig. 2 zur Darstellung einer beispielhaften Ausführung der Erfindung ist demgegenüber leicht erkennbar, daß die zwischen den gegensätzlichen Polen entstehende Lücke in Laufrichtung ununterbrochen ist, es sind also keine Unstetigkeiten wie bei konventionellen Anordnungen mehr vorhanden. Durch Variation der Spaltposition quer zur Bewegungsrichtung kann bedingt durch die Addition der den Statorpol durchsetzenden, von den Läuferpolen erzeugten, vorzeichenbehafteten Feldanteile die Veränderung des jeweils resultierenden, durchsetzenden Statorflusses ermöglicht werden. Damit können durch einen geeigneten, periodischen Verlauf der Spaltposition in Anhängigkeit von der Läuferposition die gewünschten Kurvenformen für die Flußverläufe in den Statorpolen und somit die Funktionsverläufe der Phasenspeisungen eingestellt werden. Unabhängig hiervon können durch Variation der Summenfläche der beiden Läuferpole, bedingt durch die Addition der zwischen Läufer und Statorpolen herrschenden Feldbeträge, die an den Statorpolen angreifenden Kräfte in Abhängigkeit von der Läuferposition variiert werden, um die Formung, Reduzierung oder Eliminierung des daraus resultierenden Eigenrastverhaltens der Maschine zu erreichen. Spezielle Statorpolformen sind nicht erforderlich. For comparison, FIG. 1 shows a three-phase linear machine which is very suitable for this technology and has a high degree of efficiency owing to a compact single-pole winding, but with a conventional rotor pole arrangement. In contrast, in FIG. 2, which shows an exemplary embodiment of the invention, it is easy to see that the gap between the opposing poles is uninterrupted in the direction of travel, so there are no more discontinuities as in conventional arrangements. By varying the gap position transversely to the direction of movement, the addition of the signed field portions passing through the stator pole and generated by the rotor poles can make it possible to change the resulting resulting passing stator flux. With a suitable, periodic course of the gap position depending on the rotor position, the desired curve shapes for the flux courses in the stator poles and thus the functional courses of the phase feeds can be set. Regardless of this, by varying the total area of the two rotor poles, due to the addition of the field amounts between the rotor and the stator poles, the forces acting on the stator poles can be varied depending on the rotor position in order to shape, reduce or eliminate the resulting self-locking behavior of the machine to reach. Special stator pole shapes are not required.

Sofern die Auslegung einen vollständig rastmomentfreien Betrieb erfordert, müssen bei beliebiger Positionierung des Läufers lediglich die aus der Sicht der Statoren aktiven Feldbeträge der beiden Läuferpole, also allgemein über einem fixen Intervall konstant bleiben. Die aktiven Flächenanteile der beiden Läuferpole eines Intervalls sind als Auslegungsrichtlinie etwa proportional zu den oben beschriebenen Feldanteilen. Durch das über die Bewegung stetige Konstanthalten der obigen Feldbeträge können auch die an den Statorpolen angreifenden Kräfte konstant gehalten werden, so daß das Eigenrastverhalten völlig beseitigt werden kann.If the design is completely free of cogging torque Operation required, with any positioning of the Runner only those that are active from the perspective of the stators Field amounts of the two rotor poles, i.e. generally over one fixed interval remain constant. The active area shares of the two rotor poles of an interval are as Design guideline roughly proportional to the above described field shares. Because of the movement You can also keep the above field amounts constant the forces acting on the stator poles are kept constant be so that the self-locking behavior are completely eliminated can.

Die Differenz der Flächenanteile bzw. die Summe der am Pol angreifenden Felder (da per Definition: Nordpol = positiver Feldvektor, Südpol = negativ) bestimmt dagegen den auch nach außen hin relevanten, residualen Fluß durch den gesamten, betreffenden Statorpol; die Ableitung dieses Flusses ist dann z. B. der Spannung an der auf dem Pol befindlichen Wicklung proportional. Ein entsprechendes Arrangement der Läuferpole und des Spaltverlaufs in Abhängigkeit von der Läuferposition dient so der Erzeugung bestimmter Flußverläufe, die letztlich die gewünschten Strom- und Spannungsverläufe an den Phasen prägen.The difference in the area shares or the sum of the at the pole attacking fields (since by definition: North Pole = more positive Field vector, south pole = negative) also determines the after externally relevant residual flow through the entire relevant stator pole; the derivative of this river is then z. B. the voltage on the pole Winding proportional. A corresponding arrangement of the Rotor poles and the gap course depending on the Runner position is used to generate certain Flows that ultimately provide the desired current and Characterize the voltage profiles at the phases.

Eine Veranschaulichung der beschriebenen Verhältnisse ist in Fig. 5 zu sehen: Ein bestimmter Teil der beiden durch die Läuferpole erzeugten Flüsse durchsetzt nur den Polkopf und kompensiert sich dadurch hinsichtlich des Gesamtflusses durch den Pol, hält dabei aber unabhängig von der Position des Läufers und somit des Polspalts die am Pol angreifende Kraft stets aufrecht und konstant. Der nach der Kompensation verbleibende, dargestellte Gesamtfluß wird dagegen direkt von der Position des Spaltes abhängig sein und z. B. in der Polwicklung wirksam. Diese Kriterien werden von einer Vielzahl von Läuferpolformen erfüllt. An illustration of the relationships described can be seen in Fig. 5: A certain part of the two rivers generated by the rotor poles only penetrates the pole head and thereby compensates for the total flow through the pole, but remains independent of the position of the rotor and thus the Pole gap, the force acting on the pole is always upright and constant. The total flow remaining after the compensation, however, will be directly dependent on the position of the gap and z. B. effective in the pole winding. A variety of rotor pole shapes meet these criteria.

Im Falle einer einfachen und kostengünstigen Ausnutzung der beschriebenen Technik würden bestimmte Kurvenverläufe nur angenähert, z. B. durch die in Fig. 3 gezeigte trapezoide Anordnung der Läuferpole an einen Sinus. Hier ist leicht nachvollziehbar, daß diese Lösung die übrigen Leistungsdaten der Maschine kaum beeinträchtigt, wohl aber das Selbsthaltemoment vollständig beseitigen kann. Die durch die konstruktiv bedingte, permanente Pollücke entstehenden Flußverluste sind meist wesentlich geringer als jene der bekannten, oben beschriebenen Maßnahmen zur Reduzierung des Selbsthaltemoments wie Schränkungen, Luftspaltvergrößerungen etc.In the case of a simple and inexpensive use of the technique described, certain curves would only approximate, e.g. B. by the trapezoidal arrangement of the rotor poles shown in Fig. 3 to a sine. Here it is easy to understand that this solution hardly affects the other performance data of the machine, but can completely eliminate the self-holding torque. The flow losses resulting from the design-related permanent pole gap are usually much lower than those of the known measures described above for reducing the self-holding torque such as restrictions, air gap enlargement etc.

Als weiterer Kompromiß ist es möglich, in den Läuferpolmaxima für eine vollständige Abdeckung der Statorpole zu sorgen, d. h. den Läuferpolspalt aus diesen Bereichen vollständig zu entfernen, wie in Fig. 4 veranschaulicht. Dadurch wird eine Unterbrechung des Polspaltverlaufs und so eine Unstetigkeit eingeführt, die evtl. ein geringes Rastmoment erzeugen kann, aber die maximal möglichen Betriebswerte der Maschine ermöglicht. In diesem Kompromiß wird eine Analogie zur bekannten, einfachen Schränkung der Läuferpole zunehmend erkennbar.As a further compromise, it is possible to ensure complete coverage of the stator poles in the rotor pole maxima, ie to completely remove the rotor pole gap from these regions, as illustrated in FIG. 4. This introduces an interruption in the pole gap and thus discontinuity, which may generate a low cogging torque, but which enables the maximum possible operating values of the machine. In this compromise, an analogy to the familiar, simple setting of the rotor poles is increasingly recognizable.

Patentanspruch 2 ermöglicht Symmetriebrüche im Statorkörper ohne die sonst üblichen, nachteiligen Auswirkungen auf das Maschinenverhalten. Insbesondere Linearmaschinen weisen gegenüber Rotationsmaschinen eine endliche Statorlänge in Bewegungsrichtung auf, und können so von der gebotenen Möglichkeit profitieren.Claim 2 enables symmetry breaks in the stator body without the usual adverse effects on the Machine behavior. In particular, linear machines have a finite stator length compared to rotating machines Direction of movement on, and can thus of the offered Opportunity to benefit.

Weitere Ausgestaltungen betreffen die Integration besonderer, konstruktiver Maßnahmen im freigewordenen Bereich des Stators. Dazu zählen beispielsweise Bremsen, die direkt auf den Rotoraußendurchmesser wirken und demzufolge hohe Bremsdrehmomente bei kleiner Betätigungskraft erzeugen können. Weitere Ausgestaltungen betreffen die Detektion oder Beeinflussung des in diesem Raum vorhandenen, vom Statorfeld weitestgehend unbeeinflußten Läuferfeldes. Further developments concern integration special, constructive measures in the freed up Area of the stator. These include brakes, for example act directly on the rotor outer diameter and consequently Generate high braking torques with a small actuation force can. Further refinements relate to detection or Influencing of the stator field in this room largely unaffected runner field.

Dadurch können zusätzliche, läuferfeldabhängige oder -beeinflussende Bauteile in diesen Raum eingebracht werden. Zu den vorteilhaften Anwendungen zählen beispielsweise verbreitete Läuferpositionserfassungen, die aus magnetisch empfindlichen Halbleitern, sog. Hallsensoren, aufgebaut sein können, und auf diese Weise ohne eine eigene, spezielle Polanordnung auskommen.This allows additional, race field dependent or -influencing components are brought into this room. The advantageous applications include, for example widespread rotor position acquisitions made of magnetic sensitive semiconductors, so-called. Hall sensors can, and in this way without their own special Pole arrangement get along.

Demgegenüber kann die Beeinflussung des Läuferfeldes ebenso nützlich sein. Diese Wirkung kann frequenzabhängig sein, wie bei einer Wirbelstrombremse, aber auch positionsabhängig und periodisch, wie bei zusätzlichen Magnetpolen oder ferromagnetischen Teilen, die durch entsprechende Ausgestaltung ein eigenes, dann gewünschtes Rastverhalten erzeugen können.In contrast, influencing the field of runners can also to be useful. This effect can be frequency dependent, such as with an eddy current brake, but also position-dependent and periodically, as with additional magnetic poles or ferromagnetic parts by appropriate Design your own, then desired rest behavior can generate.

Auf diese Weise kann beispielsweise die in Fig. 4 dargestellte, segmentierte Polanordnung z. B. zugunsten maximalen Drehmoments benutzt werden, und mit einer geeigneten, das Läuferfeld beeinflussenden Konstruktion das Haltemoment kompensiert werden.In this way, for example, the segmented pole arrangement shown in FIG . B. can be used in favor of maximum torque, and the holding torque can be compensated with a suitable design influencing the rotor field.

Claims

1. Electrical machine with external excitation, preferably permanent excitation, characterized in that the opposite poles of external or permanent excitation, referred to here as rotors, by one (or more) running in the preferred direction of the directions of movement of the rotor, periodically varying in the transverse direction, and, if necessary, are also divided in a suitably designed gap in shape and width.

2. Electrical machine according to claim 1, characterized, that one or more stator poles can be removed, or the machine can be constructed asymmetrically.