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"Elektrische Maschine mit zweifacher Erregung zur
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Wechselmagnetisierung und Ringwicklung"
Die bisher
verfolgte Zielsetzung galt der Konzeption einer Synchronmaschine mit hoher Materialausnützung
und einem passiven Maschinenteil, ( P 29 38 379.7).
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Dies wurde mit Hilfe einer besonderen Anordnung des magnetischen Kreises
erreicht, so daß die Wechselwirkung zwischen einem magnetischen Feld wechselnder
Polarität und einer (ebenen bzw. zylinderförmigen) Trommelwicklung erreicht wurde.
Die Führung des die Wicklung induzierenden Flußanteils erfolgte hauptsächlich in
einer Ebene quer zur Bewegungsrichtung.
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Das vorgeschlagene Verfahren der Doppelerregung, das weiterhin beibehalten
wird, soll nun auf Anordnungen angewendet werden, bei denen die Spulen und die Fluß
führung so gestaltet werden, daß weitere Verbesserungen und damit eine intensivere
Wechselwirkung zwischen Feld und Strom erzielt werden.
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Zur Erreichung dieses Ziels kann eine geänderte Wicklung mit den Stator
umschließenden ringförigen Spulen anstelle der Spulen einer Trommelwicklung herangezogen
werden.
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Daß auch bei einer normalen homopolaren Anordnung mit einfacher Erregung(durch
Permanentmagnete) Ringspulen angeordnet werden können, ist in Bild 1 dargestellt.
Die Maschine entspricht der Funktion nach einer Anordnung,wie sie z.B. im ETZ-A
53, Seite 14, Bild 9 dargestellt ist. Je ein Permanentmagnet kommt für die magnetische
Spannung des Luftspalts an einer Seite auf. Die Polansätze des passiven Maschinenteils
sind in Längsrichtung um eine Polteilung verschoben. Links entstehen NORD-rechts-SÜD-POLE.
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Beide Seiten zusammengenommen entsprechen der Wechselwirkung einer
heteropolaren Feldanordnung mit dem Flußquerschnitt einer Seite.
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Bei Ausführung von Ringwicklungen kann,wie an anderer Stelle ausgeführt
wurde, prinzipiell insbesondere bei Verwendung von alternierenden Permanentmagneten,
die auf zwei Rotoranordnungen angebracht sind, eine Doppelausnutzung der Wicklung
erreicht werden.
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Ausgehend von gleichgroßen magnetischen Flüssen je Pol bringt eine
doppelseitige Anordnung des Erregersystems als Folge der vergrößerten Wechselwirkung
mit den Spulen eine Verdoppelung der induzierten Spannung und damit eine Verdoppelung
der Typenleistung im Vergleich zur einfach erregten homopolaren Anordnung nach Bild
1.
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Die hier zusätzlich verfolgte Zielsetzung eines passiven Maschinenteils
laßt die Form dieser doppelseitigen Anordnung alternierender Magnete nicht in gleicher
Weise zu. Besonders durch die Anwendung der Ringwicklung kann jedoch mit einem etwas
modifizierten magnetischen Kreis derselbe Grad der Wechselwirkuny wie bei einer
zweiseitig heteropolaren Anordnung (und aktivem Erregersystem) erzielt werden.
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Durch Aufteilung des magnetischen Rückschlusses im passiven Maschinenteil
und der Anordnung einer Fluß-Ubertrittsfläche in Statormitte kann das Ziel einer
vergrößerten Wechselwirkung erreicht werden. Es entsteht damit eine Feldführung
auf 3 Seiten des Stators, die bei doppeltunipolarer Erregung z.B. wie gezeichnet
durch Permanentmagnete einer doppelseitigen Wechselpolanordnung mit aktivem Erregerteil
entspricht. Bild 3 zeigt den Stator sowie die Form des passiven Maschinenteils in
perspektivischer Darstellung.
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Es ist zu erkennen, daß rechte und linke Seite des passiven Maschinenteils
magnetisch unabhängig sind. Der magnetische Hauptfluß tritt z.B. aus dem Stator
im Bereich der ersten beiden Zähne oben aus und in die Pollamelle ein, von dort
fließt er im Eisen zur unteren rechten Pollamelle, von wo er wieder in den Stator
übertritt (z.B. dritter und vierter Zahn). Er fließt dann innerhalb der Spulen des
Stators zum Ausgangspunkt zurück. Die Flußführung ist somit teils transversal, teils
longitudinal. Es handelt sich also um eine hybride Form der Flußführung.
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Gegenüber Bild 1 ist die Zahl der fluß führenden Pole bei der Anordnung
nach Bild 3 verdoppelt. Obgleich sich an den Abmessungen des Stators nur wenig geändert
hat, wird hierdurch der Effekt der Energieumwandlung um 100 t verbessert. Gegenüber
der Anordnung nach
Bild 1 muß der Umfang der Ringwicklung geringfügig
vergrößert werden.
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Die Ausführung der Ringwicklung als Mehrphasenwicklung ist ansich
bekannt. Z.B. können drei aufeinanderfolgende Spulen dieser Wicklung den drei Strängen
einer Dreiphasenwicklung angehören. Die einzelnen Spulen sind in der Regel mit Spulen
der Nachbarpolteilung in stromführender Verbindung. Wie bei Drehstromwicklungen
üblich, werden zur Vermeidung unerwünschter Nutungseinflüsse in der Regel mehrere
Spulen je Pol und Phase verwendet. Die aus ferromagnetischem Material bestehenden
Zähne füllen im Bereich der Pole den Zwischenraum zwischen den Spulen und verbessern
damit die magnetische Leitfähigkeit. Die Zähne können auch so gestaltet werden,
daß sie außerhalb der Spulen sich verbreitern, so daß sich damit der resultierende
magnetische Widerstand des Luftspalts verringern läßt. Zwischen den Zähnen und den
Magneten ist im seitlichen Bereich eine Schicht vorgesehen, die den magnetischen
Fluß, insbesondere in Längsrichtung, ohne nennenswerten Widerstand zu führen vermag.
Sie gestattet eine bessere Nutzung des Magnetmaterials.
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Durch sie kann auch der von den Magneten zwischen den Pollamellen
erzeugbare Fluß unter die Pollamellen geleitet und somit genutzt werden. Die beiden
Eisenteile übernehmen offenbar die Aufgabe eines magnetischen Flußsammlers. Die
Blechung dieser Sammlerschicht kann in der Längsebene erfolgen. Im mittleren Teil
zwischen den Magneten wird der magnetische Fluß hingegen vorwiegend quer zur Bewegungsrichtung
(transversal) geführt. Hier ist offenbar eine Blechung in der Querebene sinnvoll
und -sofern Sammler angewendet werden- ausreichend. Wie Bild 3 zu entnehmen ist,
kann das Statorinnenteil so geformt werden, daß der magnetische Fluß zwischen den
Magneten und den oberen Zähnen annähernd mit gleicher Flußdichte geführt wird. In
diesem Sinne wird z.B. im unteren Teil des Querschnitts eine entsprechende Fläche
freigelassen, woraus eine Material- und Gewichtsersparnis entsteht. Es sind jedoch
auch andere Querschnittsformen ausführbar.
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Die Verbindung zwischen den Zähnen und den darunter angeordneten
Teilen des Eisenkreises kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden.
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Es besteht die Möglichkeit, Sammler und Zähne aus einem gemeinsamen
Blechpaket zu fertigen; die Nuten werden dabei z.B. in die Bleche eingestanzt. Die
oberen Zähne lassen sich als Fortsetzung des quergeblechten Statorinnenteils betrachten.
Die Nuten entstehen dann dadurch, daß die entsprechenden Bleche ohne den Ansatz
der Zähne ausgeführt sind. Eine solche Bauart der Maschinen erfordert, daß die Ringwicklung
nachträglich, gewissermaßen direkt in die Nuten gewickelt wird. Dies bedeutet z.B.
bei Hochspannunyswicklungen zur Erzielung einer ausreichenden dielektrischen Festigkeit
besondere Maßnahmen.
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Sollen vorgeformte fertig isolierte Spulen Verwendung finden, so kann
sich das getrennte Aufsetzen der Zähne auf das darunterliegende Konstruktionsteil
empfehlen. Die lamellierten oder aus Pulverpreßteilen bestehenden Zähne werden möglichst
ohne größeren -Spalt kraftschlüssig mit den Statorteilen verbunden, wofür z.B.
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Klebe- oder Schraubverbindungen oder Kombination aus beiden eingesetzt
werden können. Im Falle von Pulverpreßteilen ist die Verbindung zwischen Zahn und
Statorkörper einfacher zu vollziehen, als bei lamellierten Zähnen.
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Die durch die beschriebene Konstruktion erzielbaren verstärkten Wechselwirkungen
zwischen dem magnetischen Feld und der Wicklung bedeuten -wie einleitend schon ausgeführt-
eine entsprechende rhöhung der Typenleistung der Maschine. Bezogen auf ein gegebenes
Statorvolumen, erhöht sich die Leistungsdichte oder für eine gegebene Leistung kann
das aktive Volumen entsprechend verringert werden.
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Es besteht auch die Möglichkeit, bei gegebenen Abmessungen des magnetischen
Kreises den Strom je Nut bzw. den Strom je Längeneinheit des Stators (den Strombelag)
zu senken. Dies kann bei Antriebsmotoren insofern ein großer Vorteil sein, als hierdurch
ein übererregter Betrieb ohne größere Nachteile für die Dimensionierung möglich
wird. Dies wiederum ist eine Voraussetzung für die Anwendung
von
natürlich kommutierenden Wechselrichtern zur Speisung des Antriebsmotors. Als Folge
davon darf eine entsprechend preisgünstigere Stromversorgung des Antriebssystems
im Vergleich zur Technik mit zwangskommutierten Umrichtern-erwartet werden Eine
modifizierte Form der seitlichen Zähne kann, wie Bild 4-zeigt, mit einer ebenen
Anordnung der Reaktionsteile kombiniert werden.
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Anstelle der gegeneinander gerichteten seitlichen Normalkräfte der
Anordnung nach Bild 3 treten bei Bauformen nach Bild 4 nur vertikale Normalkräfte
auf. Sie sind bei gleichem Fluß je Pol etwa doppelt so groß wie bei der Maschine
nach Bild 3. Für manche Anordnungen ist es vorteilhaft, große Normalkräfte zu erzeugen.
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Es kann dabei erwünscht sein, daß die Normalkräfte abhängig von der
gemessenen Größe des Spaltes geregelt werden. Damit kann von der Synchronmaschine
entgegen den Störungen der Fahrbahn und den auf das Fahrzeug einwirkenden Kräften
der Spalt im Mittel konstant gehalten werden. Das Antriebsorgan übernimmt dann auch
die Funktion der berührungslosen Stützung des Fahrzeuges. In diesem Falle muß die
Stärke des magnetischen Feldes spalt- bzw. bewegungsabhängig geregelt werden, was
z.B. durch zusätzliche stromführende Spulen bewirkt werden kann.
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Bild 5 zeigt den Querschnitt einer Anordnung, bei der durch die Spulen
zusätzlich verstärkende oder schwächende Feldanteile erzeugt werden können. Jedem
Permanentmagneten wird eine Spule zugeordnet. Die Speisung der Spulen kann z.B.
aus einer festen Spannungsquelle unter Zwischenschalten eines Gleichspannungsstellers
erfolgen.
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Bild 6 stellt einen Maschinenquerschnitt dar, der zur Regelung der
vertikalen Normalkräfte dann geeignet ist, wenn letztere nicht sehr groß zu sein
brauchen. Die Verringerung der Zahnabmessungen des Stators ist aus Gründen der Beschränkung
der Streureaktanz der Wicklung erwünscht. Die Anordnung der Tragkraft-Regelspulen
kann alternativ zu Bild 5 auch so erfolgen, daß die Vortriebswicklung außerhalb
der Tragwicklung liegt (Bild 7). Hierbei ist angenommen, daß die Zähne nach Einlegen
der Wicklung mit dem Stator verbunden werden. Im Hinblick auf die von der Vortriebswicklung
in
der Tragwicklung induzierten Wirbelströme ist die Anordnung nach Bild 7 günstiger.
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Bei Anordnungen nach den Bildern 5 - 7 darf davon ausgegangen werden
daß die beiden Spulen, die zur Erzeugung stellbarer magnetischer Flüsse verwendet
werden, gemeinsam mit Strömen gleicher Größe versorgt werden. Sie können z.B. in
Parallelschaltung über den gleichen Spannungssteller mit Strom versorgtwerden.
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Möglich sind auch Anordnungen der Synchronmaschine, die so yestaltet
sind; daß stellbare Trag- und Führkräfte zusätzlich zu den Kräften in Bewegungsrichtung
erzeugt werden können. Bild 8 zeigt einen Maschinenquerschnitt, der als Linearmotor
einer doppelseitigen Antriebsanordnung für ein Fahrzeug dient. Die Fahrzeugmitte
ist Symmetrieebene der Anordnung. Beide Erregersirlen A und B können nun getrennt
ausgesteuert werden. Die seitlicllen Führkräfte, die auf das Fahrzeug wirken, sind
gegeneinander gerichtet, so daß resultierend ihre Differenz zur Wirkung kommt.
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Die Aussteuerung der Spule B hat also so zu erfolgen, daß auf einer
Seite des Fahrzeuges der über den Führteil der Schiene verlaufende Fluß verstärkt
und auf der anderen Seite gesenkt wird.
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Da dies eine Störung der vertikalen Normalkräfte im oberen Mittelteil
der Schiene zur Folge hat, muß zur Korrektur der Tragkräfte die Spule A ausgesteuert
werden. Die Flußkomponenten,die von der Spule A erregt werden, lassen sich so einstellen,
daß die an jedem zweiten Pol auftretenden Feldstörungen ausgeglichen werden und
die Tragkraft konstant gehalten wird. Dies setzt eine getrennte Strombeäinflussung
durch zwei separate Stromstellorgane voraus.
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Hierdurch wird jedoch eine für beide Komponenten die Trag- und die
Führkräfte unabhängige Beeinflussung möglich. Die Anordnung nach Bild 8 verlangt
allerdings eine Vergrößerung der wirksamen flußführenden Flächen im Vergleich zu
Anordnungen nach Bild 5 bzw. 7. Auch die stromführenden Spulen müssen für größere
Maximalwerte bemessen werden.
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Eine im Hinblick auf besonders günstige Ausnutzung des Statorvolumens
konzipierte
Bauform wird in Bild 9 dargestellt. Hier ist eine vierseitige Nutzung der Spulen
angenommen. Im Vergleich zur Bauform nach Bild 2 und 3 kann bei gleicher induzierter
Spannung der innerhalb der Magnete liegende Weicheisenteil und mit ihm die aktive
Länge des zugehörigen Zahnes auf die Hälfte verringert werden. Geringeres Statorgewicht,
kleinere Spulenlänge, kleinere Verluste der Wicklung sind die erwünschten Konseqüenzen.
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Durch die symmetrische Aufteilung des magnetischen Flusses auf zwei
(oberer und unterer) Pfade verringert sich das Volumen der einzelnen Pollamellen
auf etwas weniger als die Hälfte.
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Um eine ausreichende Befestigung des Stators zu ermöglichen, ist die
rechte (Südpol-) Seite mit verbreitertem Zahn gestaltet.
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Die entsprechenden Pollamellen sind so geformt, daß sie im Bereich
der Symmetrieebene die Befestigung und die Durchführung der Wicklungsanschlüsse
des Stators zulassen. Auch die Pollamelle der linken (Nordpol-) Seite des Stators
kann ohne Nachteile für die Flußführung in der Mitte geteilt ausgeführt werden (siehe
auch Bild 10).
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Ist die vierseitige Umschließung des Stators konstruktiv unerwünscht,
lassen sich modifizierte Formen, wie z.B. nach Bild 10, verwenden. Hier ist die
rechte Hälfte so geformt, daß der Flußübertritt in einer Ebene erfolgt. Dies bedeutet
einen großvolumigen Zahn auf der Südpol-Seite. Prinzipiell könnte auch die linke
(Nordpol-) Seite ähnlich ausgeführt sein.
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Die Vorzüge eines Antriebs mit einem völlig passiven Maschinenteil
lassen sich z.B. auch auf elestrische Bandantriebe anwenden.
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Dort kann der direkte, über das magnetische Feld übertragene Vortrieb
Vorteile gegenüber dem Antrieb mit Hilfe von Rollen erbringen.
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Beim Linearantrieb sind die Pollamellen mit dem zu bewegenden Band
zu verbinden. Hierbei wird der üblichen Aufgabe entsprechend eine Rückführung bzw.
Umleitung des Bandes und damit eine bestimmte Formfreiheit für das passive Maschinenteil
gefordert. Dem kann
entsprochen werden, wenn eine Unterteilung
der Reaktionsschiene in Längsrichtung vorgenommen und die einzelnen Segmente gegeneinander
zumindest in einer Achse drehbar gegeneinander angeordnet werden. Sie bilden dann
die dem Band zugeordneten Elemente einer Antriebskette. Die Unterteilung in Längsrichtung
kann jeweils dort erfolgen, wo durch den Querschnitt kein magnetischer Fluß hindurchtritt.
Die kürzeste Länge eines Elementes des Reaktionsteils entspricht zwei Polteilungen.
Bild 11 zeigt ein solches Element, das mechanisch und magnetisch eine Einheit bildet.
Wechselwirkungen gegenüber Nachbarelementen sind vernachlässigbar klein.
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Die in Bild 11 gewählte und dargestellte Art der Unterteilung in Längsrichtung
ist sinngemäß auf andere Formen der Maschinenanordnung übertragbar.
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Darüber hinaus können die beschriebenenTranslator-Elemente der Mindestlänge
von zwei Polteilungen auch als Antriebseinheiten eines Systems von Fahrelementen
dienen, die, in gewissen Grenzen, individuell gesteuert werden, wobei sie denselben
Stator als aktiven Fahrweg benutzen. In diesem Falle ist die Strom-Aufbereitung
einzelner Spulengruppen bezw. Spulen dezentral vorzunehmen.
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Wie in den vorausgehenden Anmeldungen zur doppelterregten Maschine
beschrieben wurde, lassen sich sowohl Generatoren als auch Motoren nach diesem Konzept
verwirklichen. Neben der linearen Bauform ist auch die rotierende Maschine für die
Anwendung sehr interessant. Durch Einführung eines Kollektors und die Anbringung
von Stromübertragungsorganen (Bürsten) am passiven Maschinenteil kann eine Gleichstrommaschine
konzipiert werden.