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Steuereinrichtung für rotierende Maschinen der Dauermagnet-Bauart
Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für rotierende Maschinen der Dauermagnet-Bauart,
die insbesondere zur Feldsteuerung geeignet sind.
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Bei einer bereits beschriebenen Dauermagnet-Gleichstrommaschine sind
die Dauermagneten in gleichem Abstand voneinander auf einer Innenrandfläche eines
zylindrischen Joches angeordnet, und die Magnetisierungsspulen sind um die Dauermagneten
gewickelt, um eine Ständer- oder Statoranordnung
zu bilden, wobei
ein Läufer oder Rotor innerhalb der Dauermagnetanordnung so vorgesehen ist, daß
ein geeigneter Dreh- oder Umlauf-Spalt dazwischen aufrechterhalten wird. Während
eine derartige Dauermagnet-Gleichstrommaschine die Vorteile eines hohen Wirkungsgrades,
einer geringen Größe, eines kleinen Gewichts und eines einfachen Aufbaues besitzt,
ist der steuerbare Bereich für die Maschine eingeschränkt, da ein Magnetfluß eines
Feldsystemes festgelegt ist. Um die Größe oder den Betrag des Magnetflusses von
den Dauermagneten zu ändern, müssen magnetische Wege parallel zu den Dauermagneten
vorgesehen sein, um die Magnetflüsse von den Duermagneten zu überbrücken. Da hierzu
jedoch Strom kontinuierlich durch die um die überbrUckenden magnetischen Wege gewickelten
Spulen fließen sollte, wird der Wirkungsgrad des Motores aufgrund der Verluste in
den Spulen herabgesetzt.
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Da weiterhin der Feld-Magnetfluß unipolar ist oder in einer Richtung
verläuft, ist es schwierig, den Betrieb des Motores zwischen Vorwärts- und Rückwärts-Umdrehungen
zu schalten. Zur Lösung dieses Problemes kann ein Getriebe verwendet oder ein Hauptstromkreis
des Motores (mittels einer Thyristorbrücke) geschaltet werden, aber dies führt zu
einer Verringerung der Leistungsfähigkeit aufgrund des Getriebe-Wirkungsgrades oder
der Durchlaß-Spannungsabfallverluste der Thyristoren und weiterhin zu größeren Abmessungen
der Maschine.
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Zusätzlich bereitet die Größe der Dauerentmagnetisierung der Dauermagneten
Schwierigkeiten. Dies bedeutet, bei der Auslegung des Motores mit Dauermagneten
muß deren Anzahl vorsorglich erhöht werden oder es müssen Hochleistungsmagneten
verwendet werden, um beim Start und einem Ausfall
die Entmagnetisierung
der Dauermagneten zu kompensieren.
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Dies führt zu größerem Gewicht und höheren Kosten.
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Bei den oben aufgezeigten Möglichkeiten gehen dem Dauermagneten -innewohnende
Eigenschaften verloren und alle geschilderten Schwierigkeiten werden keineswegs
gelöst.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Steuereinrichtung für rotierende
Maschinen der Dauermagnet-Bauart anzugeben, mit der ein Feld so gesteuert werden
kann, daß die einem Dauermagneten eigenen Vorteile nicht aufgegeben werden; die
rotierende Maschine der Dauermagnet-Bauart soll einen großen steuerbaren Bereich
haben, in dem eine Steuerung der Größe des Magnet flusses vom Dauermagneten ermöglicht
wird; die Steuereinrichtung soll die Verwendung einfacher Dauermagneten ermöglichen;
schließlich soll die rotierende Maschine der Dauermagnet-Bauart ein großes bzw.
schnelles Steuer-Ansprechverhalten und im Betrieb einen guten Wirkungsgrad aufweisen.
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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für rotierende Maschinen
der Dauermagnet-Bauart, bei denen Dauermagneten als Feldsystem und Magnetisierungsspulen
zur Magnetisierung der Dauermagneten dienen, wobei zu den Magnetisierungsspulen
eine Magnetisierungsstrom-Steuereinheit in Reihe geschaltet ist und ein Einzelimpuls-Strom
zu jeder Magnetisierungsspule gespeist wird, um die Größe der Magnetflüsse von den
Dauermagneten zu steuern. Da so die Ströme nicht kontinuierlich zu den Magnetisierungsspulen
gespeist werden müssen, kann eine hochleistungsfähige Steuerung erzielt werden,
und die rotierende Maschine kann sofort zwischen Vorwärts- und Rückwärts-Drehbetrieb
wegen der Polarität des Dauermagneten
geschaltet und durch Ändern
der Polarität des Einzelimpuls-Stromes geändert werden, der zu den jeweiligen Magnetisierungsspulen
gespeist ist. Da zusätzlich die Magnetisierung der Dauermagneten sofort erreicht
werden kann, sind einfache Dauermagneten verwendbar.
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Die Erfindung sieht also eine Steuereinrichtung für rotierende Maschinen
der Dauermagnet-Bauart vor, die Dauermagneten als Ftldsystem verwenden und eine
Spule zur Magnetisierung des Magneten hat. Eine Hauptansteuereinheit eines Motores
hat eine Parallelschaltung aus einer Reihenschaltung mit einer Thyristorbrücke einschließlich
der Magnetisierungsspule und aus einer Einrichtung zur Steuerung eines Stromes zur
Magnetisierungsspule. Die Größe der Magnetflüsse von den Dauermagneten werden gesteuert,
indem ein Einzelimpuls-Strom zur Magnetisierungsspule vom Thyristor gespeist und
die Polarität der Dauermagneten durch Steuern der Polarität des Einzelimpuls-Stromes
geändert wird, der an die Magnetisierungsspule abgegeben wird, so daß die rotierende
Maschine entweder vorwärts oder rückwärts umlaufen kann. Die Größe des Magnetisierungsstromes
wird durch eine Feldstrom-Steuereinheit gesteuert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 den Aufbau einer bei der Erfindung verwendeten Gleichstrommaschine,
Fig. 2 einen Kurvenverlauf bei einer elektrischen Maschine der Dauermagnet-Bauart,
Fig. 5 eine Kennlinie der Dauermagnetflußdichte über dem Magnetisierungsspul.enstrom,
Fig.
4 die Schaltung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung, Fig. 5, 6, 7 und 8 Signale
zur Erläuterung des Betriebs der erfindungsgemäßen Einrichtung, und Fig. 9 eine
Kennlinie zur Erläuterung eines steuerbaren Bereiches des erfindungsgemäßen Motores.
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In der Fig. 1 sind Dauermagnete 2 auf einer Innenrandfläche eines
zylindrischen Joches 1 aus einer Stahlplatte oder Guß stücken in gleichen Abständen
voneinander vorgesehen und mit dieser geeignet verhaftet. Magnetisierungsspulen
3 sind auf den Dauermagneten 2 gewickelt, um zu deren Magnetisierung -beizutragen.
Ein Läufer 4 ist innerhalb der Anordnung der Dauermagneten 2 so vorgesehen, daß
dazwischen ein geeigneter Dreh-Spalt aufrechterhalten wird.
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Bei der so aufgebauten Dauermagnet-Gleichstrommaschine arbeitet Jeder
Dauermagnet 2 (vgl. Fig. 2) in einem Schnittpunkt X0 einer durch eine Spaltlänge
und eine radiale Länge des Dauermagneten 2 bestimmten Permeanzkoeffizientkurve Pto
und einer Magnetisierungskurve P. Der Dauermagnet 2 erzeugt Magnetflüsse mit einer
Flußdichte Bmo Wenn ein Strom durch die Magnetisierungsspule 5 in einer zur Polarität
des Dauermagneten 2 entgegengesetzten Richtung fließt, verschiebt sich die Permeanzkoeffizientkurve
nach Pti> so daß der Dauermagnet 2 im Punkt X1 arbeiten kann. Nach Abschalten
des Stromes von der Magnetisierungsspule kehrt der Betriebspunkt nicht zum Ausgangspunkt
XO zurück, sondern fährt zum Punkt X11. Als Ergebnis kann die Flußdichte des Dauermagneten
2 von Bmo nach Bm1 geändert werden. Der zur Magnetisierungsspule 5 gespeiste Strom
kann
ein Einzelimpuls-Strom mit einer Zeitdauer von einigen ms sein,
so daß die Größe des Magnetflusses vom Dauermagneten mit sehr geringer Leistung
steuerbar ist. Nach Abschalten des Einzelimpulses wird die Flußdichte des Dauermagneten
2 bei Bml gehalten, und es tritt in der Magnetisierungsspule während eines normalen
Betriebes kein Verlust auf. Durch Vergrößerung des Einzelimpuls-Stromes zur Magnetisierungsspule
5 nimmt die Flußdichte des Dauermagneten 2 ab, bis sie Bmo erreicht.
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Die Fig. 3 zeigt die Änderung der Magnetflußdichte vom Dauermagneten
2 zur Größe des Einzelimpuls-Stromes, der an die Magnetisierungsspule abgegeben
wird. Die Magnetflußdichte des Dauermagneten 2 kann von Bmo nach ~Bmo, das in der
Polarität entgegengesetzt ist, gesteuert werden, indem ein geeigneter Strom zur
Magnetisierungsspule geführt wird.
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Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das oben
erläuterte Prinzip verwendet. Ein Anker A des Dauermagneten-Motores ist mit einer
Stromquelle E über eine Drossel DCL zur Glättung des gepulsten Stromes und mit einer
Steuereinheit CO verbunden. Ein Hauptstromkreis des Motores hat eine Serienschaltung
aus einer Parallelschaltung mit einer Magnetisierungsspule 3 und einer Thyristorbrücke
5 einschließlich Bauelementen SA' SB, SC und SD und aus einer Magnetisierungsstrom-Steuereinheit
6 mit entgegengesetzt leitenden Thyristoren S1 und S2, einem Kondensator C und einer
Drossel L. Die Thyristorbrücke 5 dient zur Einstellung der Größe des Magnetflusses
des Feldes. Eine Schwungraddiode D liegt an der Parallelschaltung.
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Die Fig. 5 zeigt die Impulsfolge der Thyristoren und deren Betrieb,
wenn die Schaltung der Fig. 4 betrieben
wird, um die Magnetflußdichte
des in der Fig. 2 dargestellten Dauermagneten von Bmo nach Bml zu verringern.
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In der Fig. 5 zeigen die Zeile I ein Gatter- oder Ansteuersignal zum
Thyristor S1, die Zeile II ein Ansteuersignal zum Thyristor S2, die Zeile III ein
Ansteuersignal zum Thyristor SA, die Zeile IV ein Ansteuersignal zum Thyristor Sec,
die Zeile V ein Ansteuersignal zum Thyristor SD, die Zeile VI eine Ladespannung
des Kondensators C, die Zeile VII einen Magnetisierungsstrom in der Magnetisierungsspule
3 und die Zeile VIII eine Magnetflußdichte des Dauermagneten 2.
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Wenn ein Signal zur Verringerung der Magnetflußdichte des Dauermagneten
2 empfangen wird, werden die Ansteuersignale zu den Thyristoren S2, SA und SD erzeugt,
um ein Laden des Kondensators C zu ermöglichen. Wenn der Kondensator C auf die Spannung
der Stromquelle aufgeladen ist, werden die Thyristoren ausgeschaltet. Nach einer
bestimmten Zeitdauer werden die Ansteuersignale zu den Thyristoren S1, SA und Sc
erzeugt, so daß die Magnetisierungsspule 3 und die Stromquelle E in Reihe geschaltet
sind und Strom durch die Magnetisierungsspule 3 in der Richtung eines Pfeiles A
fließt (die nun entgegengesetzt zur Polarität des Dauermagneten angenommen wird).
Die Spannung am Kondensator wird in diesem Zeitpunkt umgekehrt. Wenn der Strom in
der Magnetisierungsspule 3 einen Wert 1W1 erreicht, wird ein Ansteuersignal zum
Thyristor S2 gespeist, so daß der Thyristor S1 gelöscht und der Strom in der Magnetisierungsspule
3 auf Null abgeschwächt wird. Durch diese Steuerung und entsprechend dem anhand
der Fig. 2 erläuterten Prinzip kann die Magnetflußdichte des Dauermagneten 2 von
Bmo nach Bm1 geändert und auf dem Wert Bm1 gehalten werden, nachdem der Strom in
der Magnetisierungsspule abgeschaltet wurde.
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Die Fig. 6 zeigt eine Impulsfolge, die der Impulsfolge der Fig. 5
gleicht. In diesem Fall wird durch Vergrößern der Zeitdauer T2 des Stromes zur Magnetisierungsspule
5 ein Spitzenwert IW2 des Stromes in der Magnetisierungsspule so geändert, daß die
Magnetflußdichte des Dauermagneten von Bmo nach Bmo geändert werden kann. Als Ergebnis
ist die Steuerung des Vorwärts-Rückwärts-Betriebes des Motors einfach, und es kann
ein hoch leistungsfähiger Betrieb erreicht werden, da kein Thyristor (Hauptstromkreis-Schalteinrichtung)
im Hauptstromkreis vorgesehen ist und kein umkehrendes Getriebe im Motor vorgesehen
werden muß.
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Die Fig. 7 zeigt eine Impulsfolge und die Betriebskennlinie zum Aufnehmen
des Magnetflußdichte-Verlaufs des Dauermagneten 2, der entsprechend den Fig. 5 und
6 verringert ist. In der Fig. 7 zeigen die Zeile I ein Ansteuer- oder Gattersignal
zum Thyristor S1, die Zeile II ein Ansteuersignal zum Thyristor S2, die Zeile III
ein Ansteuersignal zum Thyristor SB, die Zeile IV ein Ans teuersignal zum Thyristor
SD, die Zeile V ein Ansteuersignal zum Thyristor Sc, die Zeile VI eine Ladespannung
des Kondensators C, die Zeile VII einen Erregerstrom zur Magnetisierungsspule 5
und die Zeile VIII die Magnetflußdichte des Dauermagneten 2.
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Durch Einschalten der Thyristoren SB und SD der Thyristorbrücke zur
Änderung der Richtung des Stromes in der Magnetisierungsspule 3 nach B, um die Magnetisierung
des Dauermagneten 2 mit der gleichen Polarität wie die des Dauermagneten 2 (der
Magnetisierungsspule 5) zu ermöglichen, kann die Magnetflußdichte des Dauermagneten
2 auf ihrem Ausgangswert Bmo gehalten oder gespeichert werden.
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Da die Magnetisierung des Dauermagneten 2 sofort bewirkt wird, muß
dieser keinen so stabilen Aufbau haben, um die Entmagnetisierungskraft beim Starten
oder einem Ausfall auszuhalten. Folglich kann ein kleiner, leichter und billiger
Motor vorgesehen werden.
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Die Fig. 8 zeigt eine zur Fig. 5 ähnliche Impulsfolge.
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In diesem Fall wächst durch Vergrößern der Zeitdauer des Stromes zur
Magnetisierungsspule 3 die Magnetflußdichte des Dauermagneten 2 von Bmo nach Bmoo'
und es kann für diese Zeitdauer ein Betrieb mit großem Drehmoment erhalten werden.
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Die Fig. 9 zeigt den Steuerbereich des Motores, wenn er in der oben
aufgezeigten Weise gesteuert wird. Wenn der Dauermagnet die feste Magnetflußdichte
Bmo hat, ist die Motor-Kennlinie durch eine Linie (1) gegeben, wobei der Motor in
einem Bereich OAB durch Steuern der Motorspannung gesteuert werden kann. Wenn die
Magnetflußdichte des Dauermagneten 2 nach Bml durch die in der Fig. 5 dargestellte
Steuerung geändert wird,'ist die Motor-Kennlinie durch eine Linie (2) gegeben, und
wenn die Magnetflußdichte des Dauermagneten 2 nach Bmoo durch die in der Fig. 8
dargestellte Steuerung geändert wird, ist die Motor-Kennlinie durch eine Linie (5)
gegeben. Durch Zusammenfügen der Steuerung der Motorspannung wird der steuerbare
Bereich des Motors um Flächen ausgedehnt, die in Fig. 9 schraffiert dargestellt
sind. Weiterhin kann der Motor durch die in der Fig. 6 dargestellte Steuerung umgekehrt
betrieben werden. Als Ergebnis kann nun der Motor, der im Bereich OAB im ersten
Quadranten in Fig. 9 steuerbar ist, auch im dritten Quadranten oder einem umgekehrten
Feld gesteuert werden, und der steuerbare Bereich wird durch die schraffierte Fläche
im dritten Quadranten erweitert, was einen größeren Steuerbereich ermöglicht.
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Durch geeignete Verwendung der in den Fig. 5 bis 7 dargestellten
Steuerungen kann die Größe des Feld-Magnetflusses des Dauermagneten ohne nachteilhaften
Einfluß auf die vorteilhaften Eigenschaften des Dauermagnet-Motores geändert werden,
und daher kann ein Motor mit Dauermagneten mit ähnlichen Eigenschaften zu einem
Nebenschlußmotor erzielt werden.
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Da weiterhin der durch die Thyristoren im Stromkreis der Magnetisierungsspule
fließende Strom klein im Vergleich zum Strom im Hauptstromkreis ist, ist die Zunahme
im Aufwand aufgrund der Verwendung von Thyristoren weit unter der Abnahme im Aufwand
aufgrund der herabgesetzten Anzahl verwendeter Dauermagnete. Da die Strom-Steuereinheit
für die Magnetisierungsspule bei der Erfindung vorgesehen ist, benötigt diese einen
Einzelimpuls-Strom von lediglich einigen ms und kann mit Thyristoren aufgebaut werden,
die eine wesentlich kleinere Strom-Nennleistung als die Thyristoren im Hauptstromkreis
haben.
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Mit der Erfindung kann der oben erläuterte, dem Dauermagneten eigene
Nachteil durch die Anordnung der Steuereinheit zur Steuerung des Stromes zur Magnetisierungsspule
überwunden werden, es kann ein Betrieb mit großem Wirkungsgrad aufrechterhalten
werden, und es kann ein Vorwärts- und Rückwärts-Betrieb ohne Thyristor-Hauptstromkreis-Schalteinrichtung
oder Getriebe für Umkehrbetrieb erzielt werden. Da weiterhin die Magnetisierung
sofort bewirkt werden kann, können gegenüber der bereits beschriebenen Maschine
billigere und weniger Dauermagnete verwendet werden, bei der eine zusätzliche Anzahl
Dauermagnete oder Hochleistungsmagnete verwendet werden, um die Entmagnetisierungskraft
beim Starten oder Ausfall auszuhalten, und daher kann ein kleiner, leichter und
billiger Motor erzielt werden.