DE19704769A1 - Mehrsträngige Synchronmaschine mit Permanentmagneten und Spulenmodulen - Google Patents

Description

Die bisher im Schrifttum beschriebenen Bauformen von Maschinen höchster Kraftdichte zeichnen sich durch einen Aufbau aus einzelnen Magnetkreisen in Transversalflußtechnik mit einer gemeinsamen Ringwicklung aus. Die Herstellung erfordert verschiedene Maßnahmen, die bei konventionellen Maschinen vermeidbar sind. Eine besondere Schwierigkeit entsteht daraus, daß mehrsträngige Ausführungen eine größere Zahl axial hintereinander angeordneter Teilmaschinen erfordert.

Es liegt der Gedanke nahe, eine Maschinenkonzeption zu beschreiben, die wesentliche Nach­ teile der Transversalflußmaschine vermeidet und dabei den Vorteil höchster Kraftdichte bei niedrigen Verlusten und guter Baubarkeit selbst bei einer größeren Strangzahl ermöglicht. Es wird angestrebt, daß beliebige Strangzahlen aus der Sicht der Maschinenbauform realisierbar sind, ohne daß Läufer- und Statorkonfiguration zu Baubarkeitsproblemen führen.

Während bei der Transversalflußversion durch die Anwendung der Ringwicklung je Magnet­ spur des Rotors nur ein Maschinenstrang zur Wirkung kommt, wird nun eine Lösung angege­ ben bei der in einem Umlauf des Rotors mehrere Magnetkreis-/Wicklungseinheiten (mit elektrisch eigenständigem Verhalten und geometrisch gleichartig gefertigt) zum Einsatz kommen. Dem Ringwicklungskonzept werden geringe Kupfermasse, kleine Wicklungsverlu­ ste und die Optimierung der Gesamtanordnung auf kleine Polteilungen hin zugesprochen. Ein Übergang auf die mehrsträngig ausgeführte Spulenmodulkonzeption muß mit der Zielsetzung verbunden sein, ähnlich günstige Auslegungsdaten zu ermöglichen.

In diesem Zusammenhang stellt sich die Aufgabe, das zur Kraftbildung gültige Wechselwir­ kungsprinzip zwischen erregenden Permanentmagneten und der Feldkomponente des Anker­ stromes so zu optimieren, daß auch mit Berücksichtigung der Spulenmodul-Geometrie das erwähnte Ziel (geringe Verluste bei höchster Kraftdichte) erreicht wird.

Die zur Erzielung der gewünschten Effekte herangezogene Erregeranordnung besteht, ähnlich wie bei Transversalflußmaschinen, aus radial stehenden Permanentmagneten alternierender Polarität und dazwischen angeordneten Weicheisenteilen. Sie wird als Sammlerkonfiguration bezeichnet, wenn durch das Verhältnis ihrer radialen Höhe zur Polteilung im Luftspalt eine Flußkonzentration im Vergleich zur Felddichte des Magneten entsteht. Die Anordnung ist doppelseitig einsetzbar und gibt die Möglichkeit, kleine Polteilungen zur Erzeugung großer Magnetfeldschwankungen (im Wicklungsbereich) einzusetzen. Es kann so mit verhältnismä­ ßig geringer Wicklungsdurchflutung die gewünschte Umfangskraft erzeugt werden. Um den Stator mit begrenzten Spulenquerschnitten (und geringen Wicklungsverlusten) ausführen zu können, wird zweckmäßig eine besonders große Zahl von Polwechseln (bzw. P-Magnet/Statorfeld-Wechselwirkungen) am Umfang der Maschine realisiert. Diese Zahl der Wechselwirkungsereignisse je Umfangs-Längeneinheit erscheint dann als Maß für die Effek­ tivität der Energiewandlung, insbesondere auch der erzielbaren Kraftdichte bei begrenzten Verlusten. Wie z. B. der Patentschrift DE 37 05 089 zu entnehmen ist, wird dort erreicht, daß jeweils 50% der Permanentmagneten (oder der Weicheisenpole) in Wechselwirkung mit ent­ sprechenden Polen der Statorelemente stehen.

Es entsteht somit die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe, mit dem in Sammlerbauweise aus­ geführten Rotor mechanisch günstig ausführbare, möglichst in Modultechnik gestaltete Ma­ gnetkreis-/Spulenmodule der Statoranordnung zu konzipieren, so daß mehr als 50% der Pole der Erregeranordnung in direkte Wechselbeziehung mit den Statorelementen treten können.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand der Fig. 1-7 erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Schema der Pol- und Feldverteilung von Erreger- und Statoranordnung bei der Transversalflußmaschine (Stand der Technik)

Fig. 2 Schema der Pol- und Feldverteilung bei einer Spulenmodulanordnung.

Fig. 3 Zeichnung der Magnetkreis-/Spulengeometrie bei vier Polansätzen und einer Pol­ lücke je Modul.

Fig. 4 Zeichnung der Modulgeometrie bei unsymmetrischer Wicklungsausführung

Fig. 5a Zeichnung der Modulgeometrie bei einseitiger Wicklungsausführung

Fig. 5b Zeichnung eines Maschinenausschnitts für dreisträngige Ausführungen

Fig. 6 Schnittdarstellung einer Synchronmaschine mit innenliegenden Spulen und Läufer in Topfform.

Fig. 7 Ausschnitt des Rotoraufbaues mit Spannbolzen und Permanentmagneten mit Ansät­ zen zur Abstützung am Weicheisen.

Obgleich Transversalflußmaschinen mit höchster Kraftdichte den meisten an sie gestellten Forderungen genügen können, bestehen bei sehr anspruchsvollen Anwendungen auch proble­ matische Bereiche. Dazu zählen die Ausführbarkeit mit begrenzter Strangzahl, die schwierige Integration von Magnetkreiselementen und Gehäuse, die Verluste durch parasitäre Magnetfel­ der und die Wärmeabfuhr. Insbesondere bei großen Maschinenabmessungen wird aus schwin­ gungstechnischer Sicht die Ausführbarkeit von Strangzahlen größer als 2 dringend geboten. Dies sollte möglichst nicht durch Aneinanderreihung von Teilmaschinen (in axialer Rich­ tung), sondern durch am Umfang verteilte Baugruppen erreicht werden können. Dabei darf mit Blick auf eine zweckmäßige und einfache Herstellbarkeit die Magnetkreisanordnung kei­ ne zu komplizierte geometrische Form aufweisen. Sie sollte aus möglichst gleichartigen Ele­ menten bestehen oder wenigstens aus nur wenigen unterschiedlichen Formen aufgebaut sein. Ein modularer Aufbau des Magnetkreises in Kombination mit einer hohen Kraftausbeute ist anzustreben.

Aufgrund der auf der Sammleranordnung mit P-Magnet-Erregung basierenden Konzeption ergeben sich für den Stator Ausführungsrichtlinien, die bei kleiner Polteilung zu großen Feld­ schwankungen führen.

Fig. 1 zeigt das Schema der Polzuordnung von Erregeranordnung und Statorelementen, wie es im Falle der Transversalflußmaschine mit Ringwicklung dem Stand der Technik entspricht. Die Permanentmagnete Pm und die zwischen den Magneten angeordneten Weicheisenteile Pe bilden die Sammleranordnung. Vom Stator-Magnetkreis sind die Polansätze SP gezeichnet. Die Vortriebskraft entsteht als Wechselwirkung zwischen der Durchflutung Θ_m und der von den Statorströmen erzeugten Felddichte B_ap, (Kraft pro Pol und Längeneinheit; Gleichung 1a). Wird berücksichtigt, daß in der Pollücke die Restinduktion B_al wirkt, so findet man für den Bereich der doppelten Polteilung die in Gleichung 1b angegebene Kraft je Längeneinheit. Durch Division mit der Länge 2τ folgt daraus die Kraftdichte F_A ,entsprechend Gleichung 1c.

Eine mit erhöhter Anzahl von Wechselwirkungen gezeichnete Anordnung zeigt Fig. 2. Hier­ bei sind jeweils mehrere benachbarte Statorpole in Wechselwirkung mit den Rotormagneten. Auf einer Länge von 5 Polteilungen ist je Rotorseite eine Anzahl von 4 aktiven Polen in der Teilung des Rotors und eine Pollücke zu erkennen. Letztere entspricht der Länge einer Rotor­ polteilung. Im Gegensatz zu Fig. 1 beträgt nun die mechanische Periode 5τ ; 4/5 der Pole tra­ gen zur Kraftbildung bei, 1/5 bewirkt eine Kraftverminderung. Bei gleichen Annahmen für die Berechnung der Kraftwirkung, wie bei Fig. 1, ergeben sich die Gleichungen 2a und 2b. Letzte­ re zeigt, daß die Kraftdichte unter der Voraussetzung gleicher B-Werte wie oben sich um mindestens 60% vergrößert. Gleiche Kraftdichte kann offenbar mit geringeren B_a-Werten (also kleineren Wicklungsdurchflutungen) erreicht werden. Für den Feldverlauf wurde nur dessen Hauptkomponente zugrunde gelegt; insofern stellen die Gleichungen 2a und 2b Nähe­ rungslösungen dar.

Die zur Erzielung der gewünschten Feldrichtungen erforderlichen Ströme des Stators sind in Fig. 2 eingetragen. Es ist davon auszugehen, daß jeweils 2 gegensinnig verlaufende Ströme, wie z. B. der Strom S1a und der Strom S2a, zu einer Spule gehören, deren Verbindungen sich vor und hinter der Zeichenebene schließen. Die Spulenachse SA fällt dann mit der Mitte der Pollücke zusammen. Äußere und innere Spulenmodule sind um eine Polteilung gegeneinander versetzt angeordnet.

Die in Fig. 3 gezeichnete Magnetkreis-Spulenmodulform entspricht den in Fig. 2 beschriebe­ nen Polzahlen. Dem Bild ist zu entnehmen, daß bei linear gestreckter Darstellung gleichartige Formen eingesetzt werden. Es wird davon ausgegangen, daß die beiden Module M1a und M1i ebenso wie die Module M'1a und M'1i zu einem Strang gehören, und daß die Module M'2a und M'2i zu einem zweiten Wicklungsstrang zählen. Es ist weiter dargestellt, daß der aus Ei­ senlamellen bestehende magnetische Kreis entweder je Modul aus einteiligen Lamellen SE oder wie die Darstellung links zeigt aus zwei gleichartigen Lamellenteilen SE' aufgebaut sein kann. Um die Wicklung mit begrenzten Stromdichten betreiben zu können, sind die Spulen­ querschnitte nach der Seite (in Umfangsrichtung) erweitert. Die maximale Nutbreite erreicht dabei mindestens den Betrag der mittleren Polteilung. Zur Begrenzung der Feld- Wechselwirkung in Elementmitte wird dort eine trapezförmige Aussparung mit einer maxima­ len Tiefe von 0,5-1τ angewendet. Zwischen den Elementen benachbarter Stränge wird zu­ sätzlich zu dem innerhalb des Strangbereichs ausgeführten geringen Abstand eine Verschie­ bung um die Strecke 2τ/m angewendet. Der Phasenwinkel der Strangströme entspricht dieser Verschiebung. Mit Fig. 4 wird darauf eingegangen, daß für äußere und innere Magnetkreis- Spulenanordnungen auch unterschiedliche Geometrien herangezogen werden können. Dies empfiehlt sich in all den Fällen, wo durch Begrenzungen der radialen Abmessungen auch un­ gleich große Wicklungsdurchflutungen (der äußeren und inneren Anordnung) zugelassen wer­ den.

Fig. 5a zeigt das wichtige Beispiel einer Formgebung, bei der sich die Wicklung ausschließ­ lich auf einer Seite der Anordnung befindet. Die Magnetkreiselemente SE' sind ohne Wick­ lungsanteil ausgeführt. Sie tragen dennoch zur Kraftbildung am äußeren Rand der Erregeran­ ordnung bei. Dank geringer radialer Ausdehnung wird ein größerer mittlerer Durchmesser des Rotors ermöglicht, der zu einer Erhöhung des Drehmoments beiträgt, obgleich durch die unsymmetrische Wicklungsausführung eine magnetische Mehrbelastung der inneren Module und damit ein Beitrag zu verstärktem Sättigungseinfluß entsteht. Fig. 5b zeigt die Maschinen­ anordnung mit den erwähnten Annahmen und geht davon aus, daß 3 Module zu einem Wick­ lungsstrang gehören. Als Beispiel wurde eine Reihenschaltung der Spulen 1a, 1b und 1c der Zeichnung zugrunde gelegt und eine dreisträngige Anordnung mit entsprechend vergrößerten Abständen im Trennbereich der Stränge angenommen. Parallelschaltung von elektrisch gleichartigen Wicklungsteilen ist ebenfalls möglich.

Die in den Beispielen der Fig. 2-5 dargestellten Modulausführungen mit je vier Polansät­ zen und einer Pollücke sind mit der bei Transversalflußmaschinen bekannten Anordnung und einem Pol-Lückenzahlverhältnis von 1 : 1 zu vergleichen und erfüllen den angestrebten erhöh­ ten Wechselwirkungsgrad. Sie sind darüber hinaus in gewünschter Weise in mehrsträngige Maschinenkonzepte einpaßbar, ohne daß in axialer Richtung Mehrfachanordnungen von Sta­ tor- und Rotoreinheiten benötigt werden. Im Hinblick auf die Wechselwirkungsdichte und die Modulgestaltung sind gegenüber der gezeichneten Lösung auch andere Formen denkbar. Sie ergeben sich bei gleicher Zielsetzung so, daß die Spulenachse der Modulanordnung mit dem Leerpol (Pollücke) zusammenfällt. In der Tabelle 1 ist für die drei naheliegendsten Beispiele die Systematik beschrieben. Die mechanische Periode umfaßt dabei drei, fünf bzw. sieben Polteilungen des Rotors. Die mittlere Zeile der Tabelle betrifft die obenbeschriebene Modul­ konfiguration mit fünf Polteilungen. In der zweiten Spalte ist das Verhältnis von aktiven Po­ len zur Polzahl des Moduls angegeben, während in der dritten Spalte die Gleichung für den Kraftdichtewert aufgeführt ist (sh. hierzu Vergleich mit Gl. 2b).

Tabelle 1

Der Tabelle 1 kann entnommen werden, daß mit der Spulenmodul-Methode bei hochpoligen Sammleranordnungen je Rotorseite höhere Polzahlnutzungen als bei der üblichen Transver­ salflußmaschine (50%) möglich sind. Die Tabelle zeigt auch, daß die in den Figuren beschrie­ bene Anordnung mit vier aktiven Polen auf fünf Polteilungen, also einer 4/5-Nutzung bereits eine um 60% höhere Wechselwirkungsdichte erzielt wird. Trotz Unterbringung der Wick­ lungsquerschnitte in Umfangsrichtung lassen sich so die gewünschten Ziele einer verlustar­ men Drehmomenterzeugung höchster Effektivität erreichen. Dieser Umstand wird auch aus den Angaben in der Spalte der Kraftdichte F_A deutlich.

Wird die Verschiebungsstrecke zwischen den Modulgruppen bei mehrsträngiger Anordnung (in Umfangsrichtung) durch die Zusatzlänge von zwei Polteilungen abgedeckt, so lassen sich z. B. mit der Annahme von je zwei bzw. vier Modulen je Strang in Abhängigkeit von der Strangzahl m, die aus der Anordnung des Statormusters folgenden (geraden) Polzahlen des Rotors bestimmen. Sie sind für Strangzahlen zwischen 3 und 7 in der Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2

Im Axialschnitt der Spulenmodul-Maschine sind mit Blick auf die Rotorkonstruktion mehrere Ausführungsformen zu erwähnen. Für Radialfeldausführung liegt eine topfförmige Rotorform nahe. Fig. 6 zeigt ein entsprechendes Schnittbild, bei dem der Rotor R in einseitiger Form gestaltet ist. Über die scheibenförmige Anordnung RK ist er mit der Welle W verbunden, die ihrerseits durch die Lager La mit dem Gehäuse Ge in Verbindung steht. Die Statorwicklung S ist innenliegend, die äußeren Magnetkreisteile SE' sind elektrisch passiv ausgeführt und stüt­ zen sich über geeignete Vertiefungen im Gehäuse Ge mit ihren Kräften auf dieses ab. Die Ei­ senteile der inneren Spulenmodule SE übertragen ihre Kräfte auf den zylinderförmigen inne­ ren Gehäusefortsatz und sind z. B. in der Mitte über Spannelemente Be mit radialer Vorspan­ nung befestigt. Zur Aufnahme der Fliehkraftbeanspruchung ist z. B. in der Mitte des aktiven Teils des Rotors ein aus hochfestem Material gefertigter Ring RF vorgesehen, der ebenso wie der Endring RE und die Rotorscheibe RK zusammen mit der axialen Verspannung die Auf­ nahme der Fliehkräfte bei begrenzter Dehnung ermöglicht.

Durch die zusätzliche Maßnahme eines mit einem Vorsprung V versehenen Querschnitts des Permanentmagneten Pm kann - wie Fig. 7 zeigt - erreicht werden, daß sich der Permanentma­ gnet mit Blick auf die radiale Fliehkraftwirkung auf das geblechte Weicheisenmaterial Pe ab­ stützt. In axialer Richtung wird über die ebenfalls gezeichneten Spannelemente K die Wir­ kung eines festen Verbandes zwischen den einzelnen Lamellen erzielt. Auch der Eingriff der Permanentmagnete in den Endring RE sowie den Zwischenring RF kann durch entsprechende Überstände V des P-Magneten in axialer Richtung formschlüssig gestaltet werden. Dies dient sowohl der Erhöhung der Festigkeit gegenüber radialen Beanspruchungen als auch der Über­ tragung der Umfangskräfte.

Die Wärmeabfuhr kann grundsätzlich in unterschiedlicher Weise, auch ähnlich wie bei kon­ ventionellen Maschinen, erfolgen. Gezeichnet ist als Beispiel eine Flüssigkeitskühlung, mit den Kühlkanälen Kü in verschiedenen Gehäuseteilen. Durch Wärmeleitung und Wärmeüber­ tragung über die rotierende Innenluft erfolgt die Abgabe der Verluste an die über einen Flüs­ sigkeitsstrom gekühlte Gehäusemasse. In Fig. 6 ist darauf hingewiesen, daß der Betrieb der Permanentmagnet-erregten Synchronmaschine zur Steuerung des Frequenzumrichters FU, der die Wicklung speist und mehrsträngig ausgeführt ist, eine Pollageerfassung PL erforderlich macht. Mit dem Pollagesensor PLS lassen sich Signale der Rotorposition dazu verwenden, daß über eine Signalverarbeitung SV der Frequenzumrichter so angesteuert wird, daß dieser den Wicklungsstrom für die Spulenmodule nach Größe und Phasenlage der jeweiligen Be­ triebsbedingung zweckmäßig anpaßt. Hierbei kann sowohl die Stromform für eine Erzeugung eines maximalen Drehmoments als auch der geeignete Phasenwinkel zur Anwendung größerer Feldschwächgrade generiert werden. Auch eine Stromformvorgabe zur Erzwingung minimaler Drehmomentschwankungen läßt sich über die Steuerung ermitteln und anwenden. Erwähnt sei, daß der Topfrotor auch symmetrisch zweiseitig auszuführen ist, und analog zum Radial­ feldkonzept auch Axialfeldmaschinen vorteilhaft in Spulenmodultechnik entworfen werden können.

Claims (8)

1. Als Motor oder Generator betriebene Synchronmaschine mit einer Erregeranordnung in vielpoliger Sammlerversion und Feldkonzentration im Luftspalt sowie einer mehr als zweisträngigen Statoranordnung mit gruppenweise gleichpositionierten Modulen, die weit­ gehend gleichartig ausgeführte Magnetkreise und Spulen enthalten,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Magnetkreisgruppen die gleiche Teilung wie der Rotor und eine Polzahl von mehr als 50% der Rotorpole aufweisen,
• - der Strangversatz zwischen zwei benachbarten Gruppen auf Rotordurchmesser bezogen 2τ/m mit m der Strangzahl beträgt,
• - in der Mitte der Magnetkreismodule sich eine Pollücke befindet, die mit der Spulenachse zusammenfällt,
• - die Zahl der Spulen kleiner ist als die halbe Zahl der Rotorpole.

2. Spulenmodulmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Polansätze der Statormodule etwa der Breite der Weicheisenpole des Rotors entspricht und die Pollücke etwa die Breite einer Polteilung und eine Tiefe von 0,5-1,0τ aufweist.

3. Spulenmodulmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausführung der Nutquerschnitte und Spulenquerschnitte sowie die Form der Magnet­ kreismodule auf verschiedenen Seiten der Sammleranordnung unterschiedlich sind.

4. Spulenmodulmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkreisanordnung des Stators sich auf einer Seite der Erregeranordnung befindet.

5. Spulenmodulmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen eines Stranges parallel, teilparallel oder in Reihe geschaltet werden.

6. Spulenmodulmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine in Axialfeldausführung gestaltet ist.

7. Spulenmodulmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor lamellierte Weicheisenelemente zwischen den Permanentmagneten und Spann­ elemente in axialer Richtung aufweist und daß die Permanentmagnete mit seitlichen und axialen Ansätzen so ausgeführt sind, daß diese in entsprechenden Nuten des angrenzenden Materials eingreifen.

8. Spulenmodulmaschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zur forcierten Wärmeabfuhr Kühlströme in entsprechenden Kühltaschen oder Kanälen des Konstruktionsteils angeordnet sind.