DE3018581A1

DE3018581A1 - Drehende elektrische maschine

Info

Publication number: DE3018581A1
Application number: DE19803018581
Authority: DE
Inventors: Eddie Wharton
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1979-05-15
Filing date: 1980-05-14
Publication date: 1980-11-27
Also published as: FR2457034A1; IT8022079A0; IT1131510B; JPS55153300A; DE3018581C2; US4305031A; FR2457034B1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine drehende elektrische Maschine mit Permanentmagneten. " .

Drehende elektrische Maschinen mit Permanentmagnetrotoren sind bekannt. Bei einem Generator bewirkt die Verwendung solcher Rotoren Schwierigkeiten beim Regeln der Ausgangsspannung bei sich ändernden Bedingungen der äußeren Last und der Wellengeschwindigkeit. In einem Motor treten entsprechende Schwierigkeiten beim Regulieren der Ausgangsgeschwindigkeit auf.

Es wurde vorgeschlagen, ein Regeln durch Modifikation des Feldes des Permanentmagneten zu schaffen, wobei diese Modifikation durch eine.Relativdrehung zwischen den Permanentmagneten erreicht werden soll. Es ist notwendig, daß eine solche Relativbewegung mit der elektrischen Maschine im Betrieb vorgenommen, wird. Darüberhinaus können die zum Bewirken der Bewegung erforderlichen Kräfte beträchtlich sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine drehende elektrische Maschine mit Permanentmagnet mit einer Servosteuerung bzw. Servoregelung der Relativstellungen der Permanentmagnete zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine drehende elektrische Maschine mit Permanentmagneten geschaffen, die gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch einen Rotor mit einer Mehrzahl von ersten, in Umfangsrichtung einen Abstand zueinander aufweisenden Permanentmagnetpolelementen und einer Mehrzahl von zweiten, in Umf angsrichtung- einen Abstand zueinander aufweisenden Permanentmagnetpolelementen, eine den Rotor umgebende erste Statorwicklung, Mittel zum Erzeugen eines Servodrucksignales in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Rotors, und ein auf das Servodrucksignal ansprechendes Betätigungsglied zum Erzeugen einer Relativdrehung zwischen den ersten und zweiten Magnetelementen.

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Im weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Schnitt durch

einen Permanentmagnet-Wechselstromgenerator; und

Fig. 2, 3 und 4 Darstellungen der Relativposition der Permanentmagneten in dem Generator nach Fig. 1 in entsprechenden Betriebszuständen des Generators.

Ein Wechselpol-Permanentmagnetgenerator weist einen Rotor mit einer Welle 10 auf, an der zwei ringförmige Joche 11, 12 montiert sind. Das Joch 11 ist mit der Welle 10 verkeilt, so daß es sich mit dieser dreht, und das Joch 12 ist so montiert, daß es eine begrenzte Winkeldrehung relativ zur Welle 10 ausführen kann. Eine erste Mehrzahl von Samarium-Kobalt-Permanentmagnetelementen

13 ist umfangsmäßig einen Abstand aufweisend um das Joch 11 und eine zweite Mehrzahl von Samarium-Kobalt-Permanentmagnetelementen

14 umfangsmäßig einen Abstand aufweisend um das Joch 12 herum angeordnet.

Ein Statorkern 15 umgibt die Magnetelemente 13, 14 und trägt eine erste Ankerwicklung 16, von der eine Ausgangsspannung des Generators abgeleitet wird. Der Statorkern 15 trägt auch eine zweite Sättigungswicklung 17, welche mittels einer Steuerschaltung 18 beaufschlagbar ist, die auf die Ausgangsspannung von der Ankerwicklung 16 anspricht. Die Anordnung ist so gewählt, daß die Ankerwicklung 16 auf den Fluß von der Wicklung 17 anspricht, die so erregt wird, daß sie Änderungen in der Ausgangsspannung der Ankerwicklung 16 als Folge von Variationen einer äußeren Last entgegenwirkt.

Eine Relativdrehung zwischen den Jochen 11, 12 und damit zwischen den Magnetelementen 13, 14 wird bewirkt durch eine Kolben-Zylinder-

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Einrichtung 19, die sich mit dem Joch 11 dreht und deren relativ zueinander bewegbaren Teile mit dem Joch 11 bzw. dem Joch 12 verbunden sind. Die Kolben-Zylinder-Einrichtung 19 wird mittels ν Servodruckes betrieben, der über eine Leitung 20 in der Welle 10 zugeführt wird.

Der Druck in der Leitung 20 wird von einer Verdrängerpumpe 21 geliefert, deren sich drehende Teile antriebsmäßig mit der Welle 10 verbunden sind und die Flüssigkeit von einem Niederdruckeingang 22 ansaugt und diese unter Druck stehend an ein Regelventil 23 abgibt. Das Regelventil 23 spricht auf die Geschwindigkeit der Welle 10 an und steuert den Druck in der Leitung 20, so daß dieser Druck eine Funktion der Geschwindigkeit der Welle 10 ist. Überschüssiger Druck wird von dem Regelventil 23 zu einer Niederdruck-Rückführleitung 24 in geeigneter Weise abgeleitet bzw. entlüftet. Eine elektromagnetische Vorrichtung 25 ist bei einem vorbestimmten Niveau der Geschwindigkeit der Welle 10 erregbar. Geeigneterweise wird die Vorrichtung 25 durch einen Hilfsgenerator 27 erregt, der einen Teil der Maschine als Ganzes bildet. Die Vorrichtung wirkt mit dem Regelventil 23 zusammen, um letzteres bei dieser vorbestimmten Geschwindigkeit in Betriebsstellung zu bringen in der Weise, daß unterhalb der genannten vorbestimmten Geschwindigkeit der Druck in der Leitung 20 nicht ausreicht, eine Relativbewegung der Joche 11, 12 zu bewirken. Eine Vorspannfeder (Ankerumlegefeder) 26 kann zwischen den Kolben- und Zylinderteilen der Einrichtung 19 in Eingriff sein, um den Fluß der Magnete 13, 14 beim Vorspannen der Joche 11, 12 gegen eine ReIativdrenung als Antwort auf ein Anwachsen des Druckes in der Leitung 20 zu unterstützen.

Im Betrieb mit der Welle 10 in Ruhestellung sind die Relativpositionen der Magnete 13, 14 die in Fig. 2 gezeigten, in denen der Fluß von den Magneten wirksam kurzgeschaltet ist und nicht mit der Wicklung 16 zusammenwirkt. Diese Relativstellungen dauern an, bis die Geschwindigkeit der Welle ein erstes Niveau erreicht hat, und es tritt keine Ausgangsleistung von dem Generator auf, bis

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dieses erste Geschwindigkeitsniveau erreicht ist. Die Vorrichtung 25 wirkt bei dem genannten ersten Geschwindigkeitsniveau, um das Regelventil 23 in Betrieb zu halten, wobei bei diesem Stadium das Regelventil 23 im wesentlichen den ganzen von der Verdrängerpumpe 21 erzeugten Druck an die Kolben-Zylinder-Einrichtung 1 9 durchläßt, und es ist so eingerichtet, daß dieser Druck ausreicht, das Joch 12 relativ zum Joch 11 mit einem Dämpfungsendanschlag in die in Fig. 3 gezeigten Relativpositionen der Magnete zu bewegen. Diese MagnetStellungen entsprechen dem maximalen Fluß, und die Generatorausgangsleistung wird das Maximum übereinstimmend bleibend mit dem genannten ersten Geschwindigkeitsniveau.

Es istersichtlich, daß, weil der Generator sich von der Null-Ausgangsleistung zu einer maximalen Ausgangsleistung verändert hat, die Kraft, die für die Relativbewegung der Magnete 14 erforderlich, ist, im wesentlichen gleich der Änderung in der Generatorausgangsleistung ist und daß die Pumpe 21 so ausgebildet ist, daß sie für diesen Zweck eine ausreichende Kraft bzw. Ausgangsleistung liefert.

Ein anschließendes Anwachsen in der Wellengeschwindigkeit bewirkt, daß der Druck in der Leitung 20 kleiner wird und eine Relativbewegung zwischen, den Jochen 10 und 11 erfolgt, wodurch die Permanentmagnetelemente 13, 14 sich aus der in Fig. 3 gezeigten Polausrichtstellung in die in Fig. 4 gezeigten Relativstellungen bewegen. Diese Bewegung bewirkt ein Schwächen der kombinierten Felder der Magnete 13, 14 und eine Verminderung der Ausgangsspannung von der Ankerwicklung 16. Wenn die Geschwindigkeit der Welle 10 ein vorbestimmtes Maximum überschreitet, dann fällt der Druck in der Leitung 20 auf ein Niveau ab, bei dem die Feder 26 auf die Joche 11, 12 so einwirkt, daß die. Magnetelemente 13, 14 die in Fig. 2 gezeigten Relativstellungen wieder einnehmen, d.h.., daß die Magnete 14 um eine Stufe von den in Fig. 3 gezeigten Originalpositionen versetzt sind und der Fluß von den Magneten 13, 14 wirksam kurzgeschlossen bzw. überbrückt wird und von den Ankerwicklungen 16 im wesentlichen keine Ausgangsspannung geliefert wird. 0 3004 8/07 84

Die Drehung der Welle 10 erfolgt so, daß die Bewegung der Magnete 13, 14 in der durch die Pfeile R in den Figuren 2 bis 4 gezeigten Richtung bewirkt wird. Wird die Welle 10 somit schnell beschleunigt, dann bewirkt die Trägheit des Joches 12, daß sich dieses und die Magnetelemente 14 relativ zu den Magneten 13 in die in Fig. 3 gezeigten Positionen bewegen, wodurch kurzzeitig die Ausgangsspannung des Generators reduziert wird, bis die richtigen Relativstellungen mittels des Regelventils 23 eingestellt sind. Ähnlich bewirkt eine schnelle Abbremsung der Welle ein vorübergehendes Anwachsen der Ausgangsspannung. Beschleunigen und Abbremsen der Welle 10 ergeben somit eine anfängliche Relativbewegung der Magnetelemente 14 in der richtigen Richtung zum Regulieren der Ausgangsspannung.

Obwohl das beschriebene Ausführungsbeispiel· sich auf eine Wechselpolmaschine mit einem radialen Luftspait bezieht, kann die Erfindung auch bei Gleichpolmaschinen und solchen mit axialen Luftspalten Anwendung finden.

Mit den Magneten in den in Fig. 3 gezeigten Relativpositionen ist der Fluß von den Magnetelementen 13, 14 ein Maximum und so eingerichtet, daß er die gewünschte Ausgangsspannung bei maximaler äußerer Last, für die die Maschine ausgelegt ist, Liefert.

Es ist ersichtiich, daß die beschriebene Einrichtung ais Motor betrieben werden kann, wenn die Hauptstatorwicklungen (Hauptankerwinklungen) mit Wechseistrom beaufschlagt werden, der sowohl· mit der Rotorgeschwindigkeit als auch mit der Anzahl der Permanentmagnetpole synchronisiert ist.

Die beschriebene Anordnung liefert also eine Maschine, bei der die Spannung auf der Hauptstatorwickiung bei sich variierender äußerer Last und variierender Rotorgeschwindigkeit im wesentlichen konstant gehalten werden kann. Wird beispieisweise ein Generator durch eine Antriebsmaschine angetrieben, deren Geschwindigkeit variieren kann und der eine variabie äußere Last

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liefert, dann kann eine Verlangsamung der Rotorgeschwindigkeit durch ein Verkleinern der äußeren Last begleitet werden. In solchen Fällen ist es nachteilig, daß eine einzelne flußmodifizierende Vorrichtung auf beide Variable anspricht, da die Variablen eine Modifikation des Flusses in entgegengesetzten Richtungen erfordern. Mit der Erfindung wird erreicht, daß der Fluß in Abhängigkeit von den beiden Variablen unabhängig modifiziert werden kann.

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Leerseite

Claims

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN

MB 20-1568 P/be

Lucas Industries Limited, Birmingham / Großbritannien

Drehende elektrische Maschine

PATENTANSPRÜCHE

f 1 .J Drehende elektrische Maschine mit Permanentmagnet, gekenn- :zeichnet durch

einen Rotor mit einer Mehrzahl von ersten, in Umfangsrichtung einen Abstand zueinander aufweisenden Permanentmagnetpolelementen (13) und einer Mehrzahl von zweiten, in Umfangsrichtung einen Abstand zueinander aufweisenden Permanentmagnetpolelementen (14),

eine den Rotor umgebende erste Statorwicklung, Mittel zum Erzeugen eines Servodrucksxgnales in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Rotors, und ein auf das Servodrucksignal ansprechendes Betätigungsglied zum Erzeugen einer Relativdrehung zwischen den ersten und zweiten Magnetelementen.

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN 90 ■ WILLROIDERSTR. β · TEL. (089)640640

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2. Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine auf die Rotation des Rotors unterhalb eines ersten Geschwindigkeitsniveaus ansprechende Einrichtung, die bewirkt, daß die ersten und zweiten Magnetelemente (13, 14) in erste Relativstellungen bewegt werden, in denen ihr Fluß nicht mit der genannten Statorwicklung zusammenwirkt.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Servodrucksignales ein auf die Rotorgeschwindigkeit ansprechendes Regelventil (23) zum Regeln des Servodrucksignales aufweist.
4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die Einrichtung zum Bewegen der Polelemente (13, 14) in die erste Relativstellung eine mit dem Ventil (23) zusammenwirkende Vorrichtung aufweist, die bewirkt, daß das Ventil (23) das Servodrucksignal bei einem vorbestimmten Niveau aufrechterhält, wenn die Rotorgeschwindigkeit unter dem ersten Niveau liegt.
5. Maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Rotor antriebsmäßig verbundene Pumpe (21) zum Zuführen von unter Druck stehendem Fluidmittel an das Ventil (23) vorgesehen ist.
6. Maschine nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor erste und zweite Joche (11, 12) aufweist, auf denen die ersten und zweiten Magnetelemente (13, 14) jeweils montiert sind, daß das zweite Joch (12) winkelmäßig um die Rotorachse relativ zum ersten Joch (11) bewegbar ist und

daß das Betätigungsglied eine Kolben-Zylinder-Einrichtung (19) aufweist, die mit dem ersten und zweiten Joch (11, 12) entsprechend zusammenwirkt.
7. Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Statorwicklung (17) ,

wobei die erste Wicklung (16) auf einen Fluß anspricht, der durch die zweite Wicklung (17) erzeugbar ist,

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und eine Steuerschaltung (18), die auf eine in der ersten Wicklung (16) induzierte Spannung anspricht zum Erregen der zweiten Wicklung (17) in einem Sinn zum Entgegenwirken der Änderungen in der induzierten Spannung. ' .

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