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Erzeugung von Wanderfeldern durch rotierende
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Magnetanordnungen
Stand der Technik Unter einem Wander-
oder Drehfeld versteht man eine sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegende
Verteilung eines magnetischen Feldes, die abwechselnd Nord- und Südpole aufweist.
In vielen Fällen wird bei solchen Feldverteilungen eine ausreichend große magnetische
Feldstärke bzw. Flußdichte senkrecht zur Bewegungsrichtung angestrebt. Die Aufgabe
des Wanderfeldes kann dann zum Beispiel darin bestehen, in einem Maschinenteil,
das mit Wicklungen versehen ist, Ströme zu induzieren. Diese Ströme rufen gemeinsam
mit dem erzeugenden Magnetfeld (Antriebs-) Kräfte hervor. Es ist ebenso denkbar,
daß die Nord- und Südpole des Wanderfeldes mit einer entsprechenden Feldanordnung
gleicher Polteilung des zweiten Maschinenteils zusammenwirkt, wobei deren Erzeugung
durch von außen zugeführte Ströme oder durch Permanentmagnete erfolgen kann.
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Es ist seit langem bekannt und in verschiedenen Bauformen elektrischer
Maschinen realisiert, daß Wander- oder Drehfelder durch verschiedene Mittel, auch
durch Heranziehung bewegter Pole, erzeugt werden können. Es ist dabei - soweit bekannt
ist - immer davon ausgegangen worden, daß die das Feld erzeugenden Pole sich ausschließlich
oder doch vorwiegend in Richtung des Feldes bewegen. Dies ist naheliegend und bis
zu einem bestimmten Grad sehr sinnvoll.
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Die Bewegung des Feldes erfordert die Aufwendung einer Leistung, insbesondere
wenn durch das zweite Maschinenteil entsprechende Gegenkräfte erzeugt werden.
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Es entspricht der allgemeinen Auffassung von einem sinnvollen Aufbau
elektrischer Maschinen1 daß die ein Wanderfeld erzeugenden bewegten Pole einen Rotor
bilden, der eine körperliche Verbindung zwischen den Polen und einer Welle herstellt.
Dieses Konstruktionsprinzip führt dazu, daß bei langsamer Feldbewegung ungeachtet
der großen Kräfte nur eine geringe Leistungsdichte erzielt werden kann. Die Dimensionierung
des das Feld erregenden Maschinenteils ist geschwindigkeitsunabhängig
und
wesentlich nur durch die Art der Felderzeugung, bzw. durch die Bedingungen bestimmt,
unter denen das magnetische Feld aufrecht erhalten werden soll.
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Auch für das zweite Maschinenteil gilt Ähnliches; auch seine Bemessung
ist letztlich abhängig von der zu erzeugenden Kraft und nicht primär durch die zu
erreichende Geschwindigkeit bestimmt. Besonders ungünstige Bedingungen bestehen
demnach bei Maschinen, die zur Klasse der Langsamläufer zählen und zusätzlich einen
großen Maschinenspalt aufweisen. Diese -Aussage gilt auch und ganz besonders für
Asynchronmaschinen, bei denen das primäre magnetische Feld von einer ruhenden Drehstromwicklung
erzeugt wird. Maschinen mit besonders großem Spalt werden als Linearmotoren eingesetzt.
Die Größe des Spaltes kann dort aus mechanischen Gründen auf Werte zwischen 1 -
2 cm festgelegt werden. Asynchronmotoren, die unter diesen Bedingungen eingesetzt
werden, zeichnen sich durch hohe Blindleistungsaufnahme und ungünstigen Wirkungsgrad
aus. Sie benötigen zusätzlich,und besonders wenn die Geschwindigkeit nicht sehr
groß ist, einen verhältnismäßig großen Aufwand an Material für die das Feld erzeugende
Wicklung sowie den Eisenkörper. Qualitativ gilt diese Aussage auch für alle langsam
laufenden elektrischen Drehstrommaschinen, auch wenn durch den gegenüber Linearmotoren
kleineren Spalt die erwähnten Nachteile nicht ganz so ungünstige Folgen haben.
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Um bei Asynchronmaschinen das Blindleistungsproblem zu umgehen,wird
vielfach auf die Synchronmaschine ausgewichen.
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Sie bietet die Möglichkeit, den Feldraum durch Gleichstrom, also mit
der Frequenz 0, und damit nur durch Zuführung von Wirkleistung zu magnetisieren.
Sie bedingt aber andererseits eine für manche Antriebe unerwünschte Problematik
bezüglich des starren Zusammenhanges zwischen Frequenz und Drehzahl.
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Zur Blindleistungskompensation der Asynchronmaschine gibt es ebenfalls
einige Vorschläge. Für frequenzgesteuerte Antriebe erweist sich die Anwendung von
Kondensatoren im Primärkreis jedoch als sehr schwierig und kaum anwendbar. Die Heranziehung
eines sogenannten Zwischenläufers zur Drehfeldmagnetisierung führt aus mechanischen
Gründen (Lageranordnung) zu sehr'komplexen Konstruktionen. Die in diesem Zusammenhang
vorgeschlagene Anwendung von supraleitenden Erregerwicklungen beschränkt darüber
hinaus infolge des großen Aufwandes an Kühltechnik die Anwendung auf sehr große
Maschinenleistungen. Auch Sonderwicklungen, etwa mit unterschiedlichen Polteilungen
in verschiedenen Abschnitten, bedingen große Nachteile. Sie haben einen verringerten
Wirkungsgrad im Vergleich zu durchgehenden Drehfeldwicklungen und eine Verminderung
der Leistungsdichte der Maschine zur Folge.
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Im folgenden wird ein Verfahren zur Erzeugung von Drehfeldern beschrieben,
das die bestehenden Nachteile langsamlaufender Drehfeldmaschinen weitgehend vermeidet
und den Bau hochausgenutzter elektromechanischer Energiewandler auch unter erschwerten
Bedingungen gestattet. Das Verfahren läßt sich zur Kompensation der Blindleistung
rotierender Asynchronmaschinen ebenso verwenden wie zur Leistungsübertragung bei
linearen und rotierenden Antrieben.
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Beschreibung des Verfahrens der Drehfelderzeugung durch rotierende
Magnetscheiben (Feldscheiben) Eine weitgehend verlustfreie Erzeugung magnetischer
Felder gelingt mit Hilfe von Permanentmagneten. Die einmalige Ausrichtung der Elementarmagnete
des Magnetwerkstoffes ermöglicht eine durch äußere Einflüsse wenig veränderbare,
verlustfreie Bereitstellung des magnetischen Feldes. Durch neue, in den letzten
Jahren von vielen Herstellern gelieferte energiestarke Magnetmaterialien bestehen
nun für den Konstrukteur verbesserte Möglichkeiten zur Erzeugung hoher
Feldstärken
im Wicklungsbereich elektrischer Maschinen.
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Das zu beschreibende Verfahren umgeht Nachteile der Erzeugung magnetischer
Drehfelder, wie sie insbesondere bei langsamaufenden rotierenden und linearen Maschinen
bestehen.
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Bild 1 mit den Teilbildern a,b und c zeigt eine Magnetscheibenanordnung,
bei der das Wanderfeld etwa zum Betrieb eines Linearmotors durch mehrere Feldscheiben
erzeugt wird. Je Scheibe sind zwei Pole vorhanden. Eine Umdrehung der Scheibe entspricht
der Wanderung des magnetischen Feldes um zwei Polteilungen. Hieraus folgt, daß die
Drehzahl der Scheibe gleich ist der Frequenz der Ströme einer fiktiven Wanderfeldwicklung.
Es ist weiter erkennbar, daß,abhängig von der Formgebung der Magnete,die Feldverteilung
gewissen örtlichen Schwankungen unterworfen ist. Es besteht ein begrenzter Gehalt
an Feldoberwellen. Auch quer zur Wanderfeldrichtung ändert sich Feldform und Oberwellengehalt.
Diesem Umstand kann bei der Auslegung des das Magnetfeld leitenden Eisenkörpers
Rechnung getragen werden. Es ist erkennbar, daß durch Umkehr der Drehrichtung der
Scheibe sich auch die Bewegungsrichtung des Wanderfeldes umkehrt.
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Die bei Rotation entstehenden Fliehkräfte können von Faserbandagen
oder einem metallischen Ring aus nichtmagnetischem Material aufgenommen werden.
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Die Bilder a,b und c zeigen drei verschiedene Stellungen der einzelnen
Magnete. Wie das entsprechende Bild 2 mit den Teilbildern a,b und c zeigt, ruft
die Drehung der Magnetscheiben den gleichen Effekt wie ein in Längsrichtung wanderndes
Erregersystem hervor. Letzteres ist technisch jedoch kaum ausführbar, während die
Scheibenanordnung relativ einfache technische Voraussetzungen erfordert. Diese bestehen
hauptsächlich darin, daß ein Gleichlauf, d.h. eine winkelgetreue gleichförmige Drehung
der Scheiben, vorgesehen wird.
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Bild 3 stellt den Ausschnitt aus einer rotierenden elektrischen Maschine
in vielpoliger Scheibenbauform dar. Die Anwendung
der Magnete im
Luftspalt spricht bevorzugt für einen ebenen Spalt. Dies würde bei einer zylinderförmigen
Anordnung der Maschine nur schwer realisierbar sein.
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Die Anwendung der Feldscheiben kann in zweierlei Weise erfolgen: a)
In Ubereinstimmung mit Bild 4 kann jede Scheibe mit einem Antrieb versehen werden.
Dieser kann als Einzelantrieb oder als Gruppenantrieb für mehrere Scheiben gleichzeitig
wirkend ausgeführt werden. Suf der Primärseite wird damit nur ein Feldrückschluß
passiver Art ohne Wanderfeldwicklung benötigt. Er ist in Bild 4 als Primärjoch bezeichnet
und ohne Nuten ausgeführt. Zur Vergleichmäßigung der Flußführung kann am Außenrand
des Jochs noch ein quergeblechtes Ausgleichsjoch vorgesehen werden Als zweites Maschinenteil
ist im Beispiel das Sekundärteil einer Asynchronmaschine eingezeichnet. Es ist mit
der Fahrbahn verbunden. Zwischen den Feldscheiben und dem Sekundärteil wird der
aus mechanischen Gründen benötigte Spalt eingehalten. Wird der Antrieb der Scheiben
durch Elektromotoren bewirkt, so können diese entweder direkt oder über Getriebe,
d.h. mit einer Geschwindigkeitstbersetzung,auf die Scheibe wirken. Gegenüber dem
herkömmlichen Konzept des Linearmotors bestehen damit mehrere Vorteile: - Der Linearantrieb,
der weiterhin kontaktlos durch das magnetische Wanderfeld die Kraftübertragung auf
das Sekundärteil vornimmt1 hat keinen Einfluß auf die Güte der Betriebseigenschaften
der (rotierenden) Antriebsmotoren.
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- Durch die Verwendung von Getrieben kann die Auslegung der Motoren
mit reduziertem Gewicht und kleineren Verlusten erfolgen, so daß ein insgesamt höherer
Gesamtwirkungsgrad erreicht werden kann.
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- Der Leistungsfaktor der Antriebsmotoren verbessert sich erheblich
da diese mit kleinem Spalt ausgeführt werden
können. Hierdurch sinkt
die Scheinleistung des Antriebs, was insbesondere bei Speisung durch Frequenzumrichter
von Bedeutung ist.
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b) Läßt man den Antrieb der Feldscheiben fort, so besteht die Möglichkeit
der Kraftübertragung auf die Scheiben mit Hilfe eines magnetischen Wanderfeldes
(Bild 5).
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Die Wanderfeldanordnung bildet dann zusammen mit den Scheiben einen
synchronen Gruppenantrieb, der die Scheiben gleichförmig antreibt. Der Spalt zwischen
Scheiben und Primärteil kann verhältnismäßig klein sein. Die Scheiben vermitteln
das ihnen übertragene Drehmoment mit Hilfe des ihnen anhaftenden Feldes dem zweiten
Maschinenteil. Wenn letzteres als Sekundärteil eines Linearmotors ausgeführt ist,
entspricht diese zweite Stufe der Energieübertragung der Wirkungsweise einer Schlupfkupplung.
Da sich die resultierenden Kräfte auf die Feldscheiben aufheben, reicht für diese
eine einfache Lagerung aus.
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Der Vorteil dieser Maschinenanordnung besteht darin - daß die Wanderfeldwicklung
des Primärteils ohne Blindstrombelastung betrieben werden kann.
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Es erscheint möglich, eine Blindstromüberkompensation durchzuführen,
so daß ein voreilender Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung erreicht wird. Hierdurch
kann bei Wechseirichterspeisung des Antriebs ein Stromrichter mit natürlicher Kommutierung
verwendet werden.
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Die beschriebenen Möglichkeiten lassen sich grundsätzlich auch zur
Anwendung bei synchronwirkenden Maschinen heranziehen. Hierbei sind dann z.B. Permanentmagnete
im Reaktionsteil anstelle der wirbelstromführenden Wicklungsanordnung vorzusehen.
Es ist auch einzusehen, daß anstelle der linearen Maschinenanordnung rotierende
Maschinen mit Magnetscheiben bestückt werden können (s. Bild 3).
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3. Schraubenförmige Magnetanordnung zur Erzeugung von Wanderfeldern
(Feldschraubeq) Die prinzipiell vorteilhafte Anwendung von Feldscheiben im Spalt
elektrischer Maschinen bedarf eines gleichförmigen Antriebs für eine Scheibengruppe,
wenn von dieser die Antriebsleistung übertragen werden soll. Die Gleichförmigkeit
kann durch technische Hilfsmittel,wie gemelnsamer Getriebeanschluß, elektrische
Gleichlaufschaltung oder gemeinsame Zündwinkelbeeinflussung bei Wechseirichterspeisung
erreicht werden. Der hierfür erforderliche Aufwand läßt sich reduzieren, wenn es
gelingt, die Drehfelderzeugung für eine größere Zahl von Polteilungen in eine mechanische
Einheit zusammenzulegen. Eine M6glichkeit hierzu bietet die zylinderförmige Walze,
auf deren Umfang die Magnete schraubenförmig aufgebracht sind (Bild 6). Die Nord-
und Südpole sind hierbei als kontinuierliche Bänder ausgeführt. Bei Drehung der
Feldschraube ergibt sich im Bereich der Zylinderoberfläche ein axial wanderndes
Feldmuster. Es beSitzt den Charakter des Wanderfeldes im Sinne der unter l) beschriebenen
Definition.
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Bei der gezeichneten Anordnung entspricht eine Umdrehung der Feldschraube
einer axialen Peldbçwegung umzwei Polteilungen. Die Drehzahl des Zylinders ist damit
wiederum gleich der fiktiven Frequenz des Wandetfeldes. Ein Zylinder kann eine Vielzahl
von Nord- und Südpolen erzeugen, wie das Bild 6a vermittelt. Es ist hierbei möglich,
den Antrieb der Mag netwalze z.B. durch einen auf die Welle wirkenden Elektromotor
vorzunehmen (Mild 7b). Die Drehrichtung des Antriebs bestimmt die Richtung des erzeugten
Wanderfeldes, worauf in den Bildern 6b und 6c hingewiesen wird. Es ist auch hier
möglich, mit Hilfe eines zusätzlichen Getriebes eine Drehzahlanpassung für den Antriebsmotor
vorzunehmen.
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Notwendigerweise kann das Sekundgrteil bei großer Länge nur mit einem
Teil des Umfangs der Feldschraube zasammenwirken (s. Bild 7a). Es sind allerdings
Anordnungen möglich, die
eine symmetrische Beaufschlaguüg der Feldschraube
durch Normalkräfte bedingen.
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Die Anpassung der Betriebsdrehzahl der Feldschraube an die wanderfeIdgesciiwindigkeit
-des Linearantriebs kann über die Gangzahl der Schraube erfolgen. Ein Beispiel hierfür
zeigt Bild 8. Gegenüber Bild 6 wurde hierbei die Gangzahl von 2 auf 4 erhöht. Es
entspricht ntrn. eine Umdrehung einer Bewegung-des Wanderfeldes um 4 Polteilungen.
Gegenüber Bild 6 verringert sich hierdurch die Drehzahl der Schraube auf die Hälfte.
Dies kann für Anwendungen bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten erwünscht sein.
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Auch für die Feldschraube gelten prinzipiell die gleichen Vorteile,
die Unter 2) für die Feldscheiben beschrieben wurden. Hinzu kommt der Vorzug des
vierpoligen Eingriffs. Dieser Vorteil wird allerdings in der Regel durch einen etwas
erhöhten Aufwand an Magnetmaterial erkauft.
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Um die Verwandtschaft der Feldscheibe mit der Feldschraube aufzuzeigen,
sei erwähnt, darin beiden Fällen das Zustandekommen der Wanderbewegung des Feldes
durch Ersatzbewegungen erfolgt. In beladen Fällen sind hierbei Bewegungskomponenten
quer zur Wanderfeldrichtung~maßgeblich mit beteiligt.
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Diese Querkomponenten der Bewegung ändern sich bei der Feldscheibe
von Stelle zu Stelle; Bei der Feldschraube hingegen existiert ausschließlich nur
eine Querkomponente der Magnetbewegung. Durch die schraubenfbrmige Anordnung der
Magnetpole jedoch entsteht eine fiktive Längsbewegung. Beide Verfahren lassen iich
damit unterfaden Begriff der Wanderfelderzeugung mit Bewegungskomponen,ten der Magnetpole
quer zur Wanderfeldrichtung beschreiben.
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Die hier beschriebene Art der Erzeugung von Wander- oder Drehfeldern
ist mit Hilfe rotierender Permanentmagnete besonder8 günstig Zu realisieren. Grundsätzlich
möglich ist jedoch auch die Anwendung von Elektromagneten. Hierbei wird das Magnetfeld
dann mit Wicklungen erregt. Dies setzt wiederum voraus, daß der Wicklungsstrom über
Schleifringe zugeführt wird., ,
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