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Elektrische Maschine mit Ringwicklungsanker und
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permanenterregten Rotoren
STAND DER TECHNIK UND AUFGABENSTELLUNG
Hohe Materialausnutzung bei einfachem Aufbau sowie hoher Wirkungsgrad sind die den
Axialfeldmaschinen mit Permanenterregung zuzuschreibenden Merkmale. Insbesondere
der einfache Aufbau des Rotors ermöglicht die Realisierung hoher Umfangsgeschwindigkeiten
und läßt hierdurch sowohl Materialeinsparungen als auch Wirkungsgradverbesserungen
zu. Es hat sich allerdings herausgestellt, daß auch dort, wo Drehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit
des Antriebs festliegen, beachtenswerte Vorteile scheibenförmiger Antriebsmotoren
gegeben sind. Auch bei begrenzter Umfangsgeschwindigkeit bietet das Prinzip der
axialen Fluß führung bei Einsatz von Frequenzumrichtern die Möglichkeit, sehr leichte
Maschinen mit gutem Wirkungsgrad zu bauen. Selbst bei Berücksichtigung der verhältnismäßig
hohen Materialpreise für Hochenergiemagnete und des Frequenzumrichters lassen sich
beim Drehstromantrieb im Vergleich etwa zur Gleichstromvariante größere Vorteile
ableiten.
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In P 2802753 wurden ausgehend von der Rotorkonstruktion und zweier
prinzipieller Gestaltungsmöglichkeiten von 3Maschine bzw.
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Wicklung die Vorteile von Axialfeldmaschinen für schnellaufende Antriebe
beschrieben. Die Aufnahme der auf die Permanentmagnete wirkenden Fliehkräfte durch
nichtmagnetische Stützringe etwa aus hochfestem Fasermaterial, insbesondere für
Läufer ohne Eisenrückschluß war einer der beschriebenen Lösungsvorschläge. Die dabei
ereichbaren Umfangsgeschwindigkeiten liegen bei mehr als 200 m/s. Das Konstruktionsprinzip
erweist sich als außerordentlich günstig zur Erzielung kleiner Läufermassen. Es
hat sich weiter als nützlich erwiesen, die in der Anmeldung vorgeschlagene ferromagnetische
Füllung (Eisenpulver oder Blechlamellierung) im Zahibereich der Wicklung einzusetzen.
Hierdurch läßt sich die Magnethöhe (Magnetausdehnung in Richtung der Magnetisierung}
stark begrenzen, wodurch eine Verringerung des Magnetpreises und eine weitere Vereinfachung
der Rotorkonstruktion erzielt wird. Die gleichzeitig erzielbare höhere Leistung
je Einheit zer Maschinenmasse und der günstigere Wirkungsgrad im Vergleich zu Anordnungen
ohne Eisen im Zahnbereich sind wichtige weitere Merkmale. Da der
Aufbau
von Rotor und Stator in enger Wechselbeziehung steht und Kosten sowie Betriebseigenschaften
stark beeinflußt,:ist für einen guten Gesamtentwurf Rotor- und Statorkonstruktion
gemeinsam zu optimieren.
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Von Bedeutung ist dabei die Tatsache, daß bei Axialfeldmaschinen ohne
zusätzlichen Lüfter, d.h. durch die besondere Gestaltung der scheibenförmigen Rotoren
eine intensive Kühlung des Ankers erreicht wird. Es kann hierdurch ohne zusätzliche
Bauelemente eine hochbelastete Wicklung ausgeführt werden. Die Gestaltung der Läuferoberfläche
ist allerdings nicht nur für das Zustandekommen einer wirksamen Kühlung, sondern
auch für die Erzeugung von Luftgeräuschen verantwortlich. Der Entwurf hat der Forderung
nach hoher Kühlluftgeschwindigkeit bei begrenzter Geräuschentwicklung Rechnung zu
tragen.
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Im folgenden werden ergänzend zu P 2802753 vorteilhafte Gestaltungsmöglichkeiten
permanenterregter Axialfeldmaschinen beschrieben, wobei auch der Anwendung als langsamlaufende
Maschine Rechnung getragen wird.
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DER RINGSPULENANKER UND SCHEIBENLAUFER MIT RINGFöRMIGEM RUCKSCHLUBJOCH
(BILD 1) Bauformen elektrischer Maschinen erweisen sich dann als besonders vorteilhaft,
wenn sie den physikalischen Bedingungen hoher Maschinenausnutzung und den erwünschten
Betriebseigenschaften entsprechen, sowie für die Herstellung problemlos sind. Mit
Rücksicht auf eine preisgünstige Herstellung erscheint im begrenztem Umfange sogar
ein Verzicht auf Materialeinsparung akzeptierbar. Dies gilt besonders dann, wenn
damit auch andere Vorteile, etwa solche betrieblicher Art, verbunden sind. In p2802753
wurden zwei Maschinenanordnungen beschrieben, zu deren Merkmalen gehörte, daß der
Magnetfluß in einem Maschinenteil (entweder Anker oder Rotor) rein axial durchtritt.
Die Wicklung war in beiden Fällen als eine in die Ebene ausgebreitete Trommelwicklung
dargestellt.
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Die mögliche Einsparung des jeweiligen Jochs ist eine nur scheibenförmigen
Maschinen feststellbare Tatsache Sie bedeutet Materialeinsparung und im Falle eines
axialmagnetisierten n ers auch kleinere Einsenverluste.
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Die Ausführung eines Ringspulenankers ist vorteilhaft in -d anderer
Hinsicht: - Es handelt sich hierbei um ebene Spulen (1):?, die einfach und mit großem
Füllfaktor herstelibar sind. Sie werden normalerweise in der Umschlingung des Joches
angeordnet 1 - Permanenterregte Maschinen lassen sich mit verhältnismäßig kleiner
Polteilung ausführen, wol durch sich auch eine geringe Jochhöhe (2) ergibt.
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Damit ist die außerhalb des Joches verlaufende Spulenverbindung extrem
kurz, das Wicklungsvolumen gering, die Wicklungsoberfläche dennoch groß.
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Dies bedeutet geringe Streuung geringe Wiclslungsverluste und gute
Kühlung. Die durch das JoWh geringfügig vergrößerten Eisenverluste können' durch
kleinere Wicklungsverluste wieder aufgewogen werden, ja der Gesamtwirkungsgrad sogar
verbessert werden.
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- Der Eisenkern (2) erweist sich zur Aufnahme der Umfangskräfte bzw.
zu deren Weiterleitung an das Gehäuse als mechanisch nützlich.
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Wie Bild 1 angedeutet, läßt sich die Verbindung zum Gehäuse mit Hilfe
eines nichtmagnetischen und elektrisch schlecht leitenden Materials mit ausreichender
Festigkeit in der Form eines innen gezahnten Ringes (3) ausführen. Im Handel befindliche
nichtmetallische Materialien weisen eine ausreichende Temperaturstabilität und den
Vorteil guter Bearbeitbarkeit auf.
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Eine bezüglich der Umfangskräfte schlüssige Verbindung zwischen dem
Statoreisenteil (2) und dem Gehäuse (4) kann mit einer Formgebung erzielt werden,
bei der das nichtmetallische Zwischenstück (3) mit der Eisenstruktur im Sinne von
mehrfach angeordneten Nut-Federverbindungen ineinander greift. Auch eine aus der
Zahnzahl sich ergebende Zahl von nichtmetallischen Formstücken und eine außerhalb
der Ringspulen verlaufende Faserbandage kann als Verbindungselement dienen. Eine
Vorspannung der Faserbandage kann die kraftschlüssige Verbindung mit dem Stator
verbessern.
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DIE ROTORKONSTRUKTION Die zweiseitige Rotoranordnung für eine Ringwicklungsmaschine
hat je Rotor ein Joch aufzuweisen. Handelt es sich um Anwendungen, bei denen durch
dynamische Anforderungen keine besonderen Beschränkungen hins ichtlich des Rotorschwungmoments
verlangt werden, so entsteht durch Aufsetzen des Jochs auf die kraftübertragende
Rotorstruktur eine einfache konstruktive Lösung.
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In Bild 1 wird angenommen, daß z.B. der das Drehmoment übertragenden
Rotorkörper (5 aus nichtmetallischem und damit elektrisch und magnetisch nicht leitendem
Werkstoff hoher Festigkeit besteht. Das Rückschlußjoch (6) wird an diesem Material
zentriert und befestigt. Die Magnete (7) werden anschließend in die Fenster der
nichtmetallischen Rotorscheibe eingesetzt und elastisch mit Scheibe und Joch verklebt.
Die Magnete selbst bestehen jeweils aus mehreren Teilmagneten, deren Abmessungen
(insbesondere in Umfangsrichtung) möglichst kleiner als die Nutteilung sein sollten.
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Hierdurch werden Wirbelströme als Folge der Ankernuten klein gehalten.
Die einzelnen Teilmagente sind ebenfalls durch Klebung miteinander verbunden. Bei
mittleren und kleinen Umfangsgeschwindigkeiten reicht die Festigkeit des Scheibenmaterials
aus, um die von den Magneten und der Scheibe selbst entwickelten Fliehkräfte aufzunehmen,
wenn außerhalb der
Magnete ein noch genügend hoher durchlaufender
Steg (5s (der auf Biegung beansprucht wird) vorhanden ist.
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Es kann weiter davon ausgegangen werden, daß das ringförmige Stahljoch
(6) seine eigenen Fliehkraftbeanspruchungen aufnimmt,ohne Kräfte auf die Rotorscheibe
zu übertragen.
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Die elastischen Eigenschaften des Scheibenmaterials können ähnlich
derjenigen von Stahl gewählt werden; es wird außerdem ein elastischer Kleber verwendet.
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Nur für schnellaufende Antriebe ist es erforderlich daß zur Aufnahme
der quadratisch mit der Umfangsgeschwindigkeit zunehmenden Spannungen zusätzliche
Faserbandagen (8) am Wußenumfang angewendet werden. Durch Verbreiterung dieser Bandage
(Bild 2) kann auch eine Fliehkraftabstützung für das Jochteil erfolgen, so daß das
Rotorkonzept mit dem Rückschlußioch auch für Umfangsgeschwindigkeiten über 100 m/s
anwendbar ist. Hierbei ist die Faserbandage mit einem solchen Elastizitätsmodul
auszuführen, daß die Dehnung des Eisens hoher liegt als die der Faser.
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Eine im Hinblick auf die Herstellung und den Preis interessante Variante
ensteht, wenn das Rotorjoch (6) aus dünnem Blech als Spule gewickelt wird. Im geklebten
Zustand stellt eine solche Blechspule einen sehr festen Verband dar. Er besitzt
bezüglich der Zugbeanspruchung ähnliche Eigenschaften wie ein massives Eisenjoch.
In Verbindung mit einer am Umfang angeordneten Faserbandage ist auch eine Anwendung
bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten möglich. Wird zur Erzielung kleiner Rotorschwungmomente
und zur Vereinfachung des Rotorkonzepts der Rückschluß des magnetischen Flusses
aus dem Rotor in ein feststehendes Maschinenelement (6X) verlegt, so entsteht eine
Anordnung, wie in Bild 3 skizziert.
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Bezogen auf ein Massenelement des feststehenden Joches tritt ähnlich
wie im Anker eine Wechsebagnetisierung auf.
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Aus diesem Grunde ist es notwendig, zur Verringerung der Eisenverluste
das Joch in Umfangsrichtung zu blechen. Bei kleinen Durchmessern kann auch daran
gedacht werden, den Rückschlußring aus Eisenpulver auszuführen.
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Durch den zusätzlichen Luftspalt ergibt sich bei gleicher Magnethöhe
eine geringfügige Absenkung der magnetischen Felddichte. Um dies auszugleichen,
muß der Erregermagnet mit etwas mehr Masse ausgelegt werden.
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LUFTFUHRUNG UND KÜHLUNG Während für hohe Umfangsgeschwindigkeiten
eine weitgehend glatte Läuferoberfläche ausreicht, um eine Druckdifferenz zur Erzeugung
einer genügend großen radialen Strömung auch bei kleinen Spalten zu erzielen, sollten
bei kleineren Umfangsgeschwindigkeiten im Spaltbereich besondere Maßnahmen getroffen
werden. Es bietet sich an, (offene) Strömungskanäle (9) zwischen den Magneten im
Bereich des Trägermaterials,also der Rotorscheibe radial nach außen zu führen (Bild4u.5).Am
Innenteil des Rotors ist ein entsprechender Luftdurchtritt (13) vorzusehen. Um die
Gegendruck erzeugende Wirkung der Läuferaußenflächen weitgehend- auszuschalten,
sind dort Engstellen (10) mit Hilfe einer Blende zwischen dem feststehenden Gehäuse
und dem Rotor angeordnet. Der Läufer wirkt nun gleichzeitig als Lüfterrad, so daß
bezogen auf den Stator zwei symmetrische Luftkreisläufe entstehen. Durch die großflächige
Rotorscheibe tritt eine starke Umfangskomponente der Kühlluft auf. Sie trägt dazu
bei, daß im Bereich der Wicklung eine intensive Verwirbelung und ein verstärkter
Wärmeübergang erfolgt.
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Bei einer entsprechenden Anordnung der Kühlfächen kann auch dort eine
hohe Wärmeübergangszahl durch Inanspruchnahme der Umfangskomponente erreicht werden.
Letzteres setzt voraus, daß in Umfangsrichtung jeweils genügend große Durchtrittsflächen
innerhalb des Kühlers vorhanden sind. Die Befestigungselemente (12) für die Kühlrohre
sind also am Umfang versetzt vorzusehen. In Bild 5 ist ein Wasserrückkühler (11)
skizziert, dessen Rohranordnung so befestigt ist, daß auch der tangentiale Luftdurchtritt
nur wenig behindert wird. Außer der Umfangskomponenteträgt zur Verwirbelung der
Strömungsrandschichten auch die vorhandene Transversalkomponente der Strömung bei.
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Das hiermit beschriebene Belüftungs- und Kühlsystem kann mit einem
geringeren Materialaufwand als bei konventionellen elektrischen Maschinen realisiert
werden. Es benötigt keinen besonderen Lüfter, weist eine hohe Kühlwirksamkeit bei
Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe auf und ermöglicht damit den Einbau von Kühlern kleineren
Gewichts
und Volumens. Die vorhandenen Vorteile der Scheibenbauform
(geringe Verlustleistung, kleine Abmessungen) werden hierdurch sinnvoll ergänzt.
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Sind große Strombelastungen bei kleinen Drehzahlen zu erwarten kann
zusätzlich zur Eigen lüftung ein Fremdlüfter herangezpgen werden. Er wird im Bereich
hoher Drehzahlen jedoch außer,Funktion gesetzt, weil dort die Kühlwirkung der Maschine
ausreicht.
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Der in Bild 5 skizzierte Rohrkühler ist als Beispiel zu trachten.
An seine Stelle können andere Kühlerarten bzw. Rückkühltechniken treten.
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ZUR HERSTELLUNG VON ANKER- UND ANKERWICKLUNG Es wurde bereits beschrieben,
daß der Ringwicklungsanker -obgleich mit Flußführung in Umfangsrichtung belastet-
wegen der an sich kleinen Jochhöhen dennoch ein sehr eisenarmer Anker ist. Die vorteilhafte
Ausführung der Ringwicklung führt zu geringen Wicklungsverlusten und vermindertem
Wicklungsgewicht. Der Aufbau des Ankers kann in verschiedener Weise gestaltet und
an die Herstellungsmöglichkeiten angepaßt werden.
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Daß bei der Ringwicklung sich stellende Problen der Wicklung der Spule
um einen ringförmig geschlossenen (Eisen-) Körper yilt in der Elektrotechnik als
gelöst, ja sogar als mechanisch ausführbar. Der Eisenkörper kann also als eine aus
Dynamoblech bestehende Bandspule kontinuierlich gewickelt und geklebt werden. Nuten
können entweder nachträglich etwa durch Erodieren eingebracht oder simultan während
des Wickelvorganges gestanzt werden. Im letzteren Fall muß abhängig vom Durchmesser
der Bandspule die Nutteilung ermittelt werden. Das Stanzen erfolgt damit in vom
Durchmesser abhängiger Teilung. Das Bewickeln des Joches mit Ringspulen kann am
einfachsten bei offenen Nuten ausgeführt werden. Für die Bemessung der Permanentmagnete
und zur Vermeidung von Wirbelstromeffekten im Oberflächenbereich der Permanentmagnete
erscheint jedoch eine zumindest teilweise geschlossene Nut erwünscht. Dies kann
nachträglich durch Einbringen magnetisch leitfähiger Verschlußkeile aus Eisenpulvermaterial
erreicht
werden. Das Stanzen von Bändern mit Nutteilungsregelung wird bei einigen Herstellern
elektrischer Maschinen bereits durchgeführt. Es setzt jedoch eine geräte technische
Ergänzung der herkömmlichen Stanzeinrichtungen voraus.
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Eine im Hinblick auf geringe Eisenverluste günstige Lösung ist eine
weitgehende Heranziehung von Eisenpulverpreßteilen.
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Mit Bild 6 ist angenommen, daß die Blechbandspule (2X) nur dasJochteil
umfaßt und die Zahnelemente (14) schrittweise im Zuge der Spulenanordnung aufgesetzt
werden. Es wird jeweils ein Paar von Zähnen (14) und eine Spule (1) gemeinsam am
Joch (2X) befestigt. Um widerstandsarme Flußübergänge zu erhalten und eine mechanisch
ausreichende Verbindung zwischen Zahn und Joch zu erreichen e ist das Zahnelement
mit einem Fuß versehen. Der obere Ansatz am Zahn dient dem (teilweisen) Nutabschluß
am Luftspalt. Er verbessert die magnetische Leitfähigkeit und verringert Oberflächenverluste
in den Magneten Die Verbindung zum Jochteil kann durch mechanische Halteelemente
(Stifte 15) und durch Kleben vorgenommen werden Um nicht Anlaß zu erhöhten Verlusten
im Eisen zu geben, kann das mechanische Halteelement in einem Zwischenraulm zwischen
den Blechschichten durchgeführt werden. Dieser Zwischenraum kann dadurch hergestellt
werden, daß jeweils im Abstand von einigen Zentimetern eine Kunststoffzwischenlage
(16) geringer Stärke (1 bis 2 mm) eingelegt wird. Nach Aneinanderreihung der einzelnen
Zahnelemente entsteht eine annähernd glatte Oberfläche gegenüber den Magneten. Das
kunststoffgebundene Eisenpulver weist eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit
auf, um den Beanspruchungen der Fertigung und des Betriebs der Maschine gewachsen
zu sein. Der Wirbelstromanteil der EisenverlusW ist hierbei wesentlich geringer
als bei Dynamoblech. Die erreichbare Permeabilität erweist sich als vom Preßdruck
abhängig, liegt aber hoch genug, um Flußdichten von mehr als 1 T zu ermöglichen.
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Vorteilhaft erscheint weiter, daß für die Bandspule, in der der
magnetische
Fluß hauptsächlich in Längsrichtung geführt wird, kornorientiertes Blech (mit besonders
guter magnetischer:Leitfähigkeit und geringen Eisenverlusten in der Vorzugsrihtung)
anwendbar wird. Die beschriebene Anordnung empfiehlt sich also auch für den Bau
sehr verlustarmer Maschinen füir höhere Frequenzen.
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Eine Konfiguration, die ebenfalls eine kombinierte Anwendung von lamelliertem
Eisen und Eisenpreßteilen zum Ziel hat, ist in Bild 7 dargestellt. Der ringförmige
Anker ist hier durch einen Polygonzug ersetzt. Die geraden Stücke (17) mit der Länge
von z.B. einer oder zwei Polteilungen sind durch äquidistan tes Stanzen hergestellt.
Die zwischen den wicklungstragenden Elementen einzubringenden keilförmigen Bauteile
(18) sind aus Eisenpulvermaterial ausgeführt. Sie ermöglichen einen ungestörten
Übertritt des magnetischen Flusses von einem Wicklungsteil zu anderen. Aus geomet-ischen
Gründen ist es notwendig, die Nutteilung etwas enger zu wählen,als der Mitte einer
kreissymmetrischen Anordnung entspricht. Hierdurch tritt für die Wicklung eine Art
Sehnungseffekt auf, der für die Grundwelle zu einer geringfügigen Reduktion der
induzierten Spannung führt und zusätzlich kleine Phasenverschiebungen der (induzierten)
Strangspannungen bewirken kann. Bei vielpoligen Anordnungen werden jedoch sehr gute
Annäherungen des Polygons an den Kreis ermöglicht, so daß dieser Einfluß stark zurücktritt;
die geometrischen und elektrischen Symmetriestörungen verschwinden weitgehend. Es
ist vorteilhaft, daß das Einlegen der Ringspulen bei dieser Bauform weiter vereinfacht
wird. Die Bewicklung kann vor der Zusammenstellung des Polygons erfolgen. Mit einem
Komplettschnitt für ein oder zwei Polteilungen und gepreßten Zwischenstücken mit
unterschiedlichem Keilwinkel können Anker mit unterschiedlichem Durchmesser und
verschiedener Polzahl gebaut werden. Der mechanische Zusammenhalt der Konstruktion
kann durch Kleben und durch eine Außenbandage sichergestellt werden.
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Es leuchtet ein, daß der Übergang zur Segmentierung des Ankers
auch
in Verbindung mit einer ausschließlichen Anwendung von Eisenpulver-Preßteilen vollziehbar
ist. Segmente in der Größe der Nutteilung für Joch- (19) und Zahnteile (20) lassen
sich wieder durch Klebung zu einer Ringform zusammenfügen (Bild 8).
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Die vorher fertig gewickelten Ringspulen können beim Zusammenbau Schritt
für Schritt eingefügt werden. Die durch den Preßvorgang sehr maßgetreu herstellbaren
Eisenpulverteile exmöglichen einen nahezu spaltenfreien magnetischen Kreis. Durch
die Isolation des Pulvers an den Kornoberflächen ist der Einfluß der Wirbelströme
unabhängig von der Größe der Preßteile Ein Beispiel über die mögliche Formgebung
der Eisenteile zeigt Bild 8.
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DIE STELLBARKEIT VON MAGNETISCHEM FLUB UND ANKERSPANNUNG Der Aufbau
einer elektrischen Maschine, die durch Permanentmagnete erregt wird, erweist sich
im Vergleich zu Maschinen mit stromführenden Erregerwicklungen als einfach. Es bleibt
jedoch für manche Anwendung die Aufgabe, eine Stellmöglichkeit für den magnetischen
Fluß bzw. für die Spannung der Ankerwicklung zu schaffen. Diese Frage tritt z.B.
auf, wenn Antriebe für die Fahrzeugtechnik (Straße und Schiene) mit begrenzten Kosten
für den Wechselrichter ausgelegt werden sollen. Sie kann sich aber auch bei Generatoren
stellen, deren Spannungsamplitude bei gegebener Drehzahl geregelt werden soll.
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Im folgenden Abschnitt werden über die in P 2802753 gegebenen Vorschläge
hinaus vier Lösungen dargestellt. Alle vier Lösungsvorschläge basieren auf der vorteilhaften
Grundform der Maschine mit Scheiben läufer und werden durch Modifikationen des Läuferaufbaus
erreicht.
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Bild 9 stellt halbseitig eine Scheibenläufer-Maschine mit axialbeweglichem
Joch (6X) dar. Der magnetische Fluß im Wicklungsbereich des Ankers sinkt mit zunehmendem
Abstand des Rückschlußjoches kontinuierlich bis auf einen kleinen Bruchteil des
Maximalwertes. Das Joch wird mit Hilfe des hydraulischen Stellgliedes (21) nach
rechts gezogen. Zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Verschiebung werden mindestens
zwei Stellorgane verwendet. Hydraulische Stellelemente sind in der Lage in kleinen
Einheiten große Kräfte zu entwickeln. Bei großer Drucküberhöhung können auch sehr
kleine Zeitkonstanten für den Kraftanstieg erreicht werden.
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So wie in Bild 3 mit feststehendem Joch, wird auch bei der Anordnung
nach Bild 9 die Haltekraft vom Gehäuseteil aufgenommen.
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Das beschriebene Verfahren der Jochverstellung zählt zu den Möglichkeiten
des Eingriffs in den magnetischen Kreis (P 2802753). Durch die Veränderung des magnetischen
Widerstandes
wird direkt (verzögerungslos) auf die Größe des magnetischen
Flusses eingewirkt. Das hydraulische Stellglied wird über eine Ventilsteuerung und
damit durch kleine Stelleistungen beeinflußt. Anstelle des hydraulisch beaufschlagten
Kolbens kann auch ein elektrischer Stellmotor, z.B. mit einem Spindel antrieb Verwendung
finden. Der Stellantrieb läßt sich denn so steuern, daß eine drehzahlabhängige Flußschwächung
erfolgt.
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Hierdurch ergibt sich die gewünschte Spannungsbegrenzung bei abfallender
Momentenkennlinie Ohne Jochverschiebung und ohne mechanisches Stellglied arbeitet
die Anordnung nach Bild 10 a. Der Läufer stellt eine Abwandlung des Konzepts nach
Bild 1 dar, wobei im Joch z.B vier stromführende Spulen (22) angeordnet sind. Mit
unterschiedlicher Richtung beschickt, tritt im Eisen eine von der Größe des Stromes
abhängige Quermagnetisierung auf. Durch sie kann eine Steuerung des magnetischen
Jochwiderstandes vorgenommen werden. ZbusGrunden der Herstellung besteht das massive
Joch aus den Teilen 6 a und 6 b, die ohne Spalt zusammengefügt sind. Die Stromzuführung
für die Steuerspulen erfolgt wie gezeichnet, z.B. über Bürsten Die den magnetischen
Widerstand beeinflussende Quermagnetisierung führt zu einer schraubenförmigen Verformung
des Feldverlaufes, wie Bild 10 b andeutet. Zunehmender Spulenstrom erhöht die Zahl
der Windungen und verlängert die Feldlinien; der das Eisen betreffende Anteil der
magnetischen Spannung nimmt hierdurch zu Dieser Sättigungseffekt ist gleichbedeutend
mit einer Vergrößerung des Luftspaltes.
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Die mechanische Gestaltung der Rotoranordnung mit einer außenliegenden
Bandage (8) für hohe Geschwindigkeiten entspricht weitgehend der oben gegebenen
Beschreibung.
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Beim Verfahren nach Bild 10 wurde ebenso wie schon in Bild 9 der wirksame
magnetische Widerstand des Ankerkreises und damit der die Wicklung induzierende
magnetische Fluß stellbar gemacht. Bei zwei Läufern, die eine Ankerwicklung induzieren,
kann die Größe der resultierenden Ankerspannung durch Beeinflussung der Phasenlage
der Läuferflüssevoigenommen werden. In Bild 11 wird der rechtsgezeichnete Läufer
in Umfangsrichtung durch eine Stelleinrichtung verschoben. Ohne daß damit die Amplitude
der magnetischen Teilflüsse verändert würde, gelingt durch die Läuferdrehung ein
stufenlos stellbarer Einfluß auf die Höhe der Spannung. Wird z.B. der rechte Läufer
der Maschine um eine volle Polteilung verschoben, so stehen sich links und rechts
ungleiche Pole gegenüber. Der Erregerfluß geht, ohne die Spule zu durchsetzen, also
ohne dort eine Spannung zu induzieren, quer durch den Anker. Zwischen dieser "Nullstellung"
und der Stellung maximaler Wirkung besteht ein kontinuierlicher Übergang. Die Verstellvorrichtung
erlaubt also die Scheibe (5X) gegenüber der Scheibe (5), um maximal eine Polteilung
zu verdrehen. Sie besteht aus einem Zahnkranz (23), der als Sektor ausgebildet ist
und einem Schneckentrieb. Die Schnecke (24) wird vom Elektromotor (25), der mit
der Rotorkonstruktion (Stegwelle 26) verbunden (und mit dieser umläuft), angetrieben.
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Die Steuerung des Motors erfolgt in bekannter Weise. Es kann sich
hierbei um einen Gleichstromantrieb handeln, bei dem Höhe und Zeitdauer der Ankerspannung
den Stellvorgang bestimmen.
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Die Spannung wird über Bürsten zugeführt. Das Drehmoment des Läufers
(5X) wird über den selbstsperrenden Schneckentrieb und den Stellmotor auf den Rotorkörper
geleitet. Die Lagerung der Schneckenwelle ist so auszubilden, daß entsprechende
Axialkräfte übertragen werden können.
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Bei den bisher beschriebenen Stellverfahren sind die Stelleingriffe
von außen her vorgebbar und können an die Betriebsforderungen beliebig angepaßt
werden. Obgleich sich die Verfahren in ihrer Ausführung stark unterscheiden, sind
sie in der Wirkung sehr ähnlich. Es lassen sich z.B. alle drei Verfahren zur Spannungsbeeinflussung
verwenden. Dabei sind die Verfahren
nach den Bildern 9 und 10 allerdings
kaum geeignet, die Spannung bis auf Null zu stellen.
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Von äußeren Steuereingriffen unabhängig, ist eine Steilmethode, die
sich der Fliehkräfte bedient. Damit wirkt sie drehzahlabhängig und ist für Fahrzeugantriebe
besonders geeignet.
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Das Joch ist in eine mit den Magneten festverbundene dünne Teilscheibe
(6 a) und ein verschiebliches Teil (6 b) unterteilt Das Teil joch (6 a) entspricht
dem angestrebten Sinimalwert des Flusses. Die Verschiebung des Jochteils (6 b) hängt
von den Größen der Kraftkomponenten Magnetkraft, Fliehkraft bzw.
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Gestängekraft und Federkraft ab.
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Die Feder wirkt unmittelbar auf die feststehende Rotorscheibe (5)
und das Bauteil (27) (Ansatz an Joch 6 b) und ist so ausgelegt, daß beim Spalt Q
zwischen (6 a) und (6 b) eine Druckkraft den anziehenden Magnetkräften entgegenwirkt,
ohne diese aufzuheben.
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Bei größeren Spalten wechselt die Federkraft das Vorzeichen; die Feder
entwickelt Zugkräfte. Oberhalb einer bestimmten Mindestdrehzahl kann die Fliehkraft,
die auf die Masse (28) wirkt, über das Hebelgestänge eine Verschiebung von (6 b)
erreichen. Der Gestängedruck übersteigt jetzt die Differenzkraft zwischen magnetischem
Zug und Federdruck. Die Verschiebung geht soweit, bis die drei Kräfte wieder im
Gleichgewicht sind.
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Dabei ist zu bedenken, daß mit zunehmender Verschiebung der magnetische
Zug ab-, der Federdruck ebenfalls ab- und die Gestängekraft geringfügig zunimmt.
Die Größe und radiale Anordnung der beweglichen Masse (28) die Winkelstellung der
Hebel (29), sowie die Charakteristiken von Magnet und Feder beeinflussen die Flußschwächungskennlinie,
abhängig von der Geschwindigkeit. Die Wahl der Federcharakteristik ist für die Erzielung
eines stabilen Gleichgewichtspunktes von Bedeutung. Durch die beschriebene Druck-Zug-CharakEeristik
der Feder wird erreicht, daß die über das Hebelgestänge zu übertragende Kraft stark
verringert wird. Die Konstruktion wird damit vereinfacht und das Fliehkraftstellglied
selbst kann nach innen zur Welle hin verlagert werden, wo die Fliehkräfte kleiner
sind
Die Scheibenbauform des Motors ermöglicht weit besser als
die zylindrische Bauform einen mechanisch verstellbaren magnetischen Kreis.
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DURCH PERMANENTMAGNETE KOMPENSIERTER ASYNCHRONMOTOR IN SCHEIBENBAUFORM
Die Vorteile der permanenterregten Synchronmaschine sind ihr guter Wirkungsgrad
und die hohe mögliche Materialausnutzung bzw. ihre hohe Leistungsdichte. Synchrone
Antriebsmotoren mit Wechselrichter lassen sich mit Hilfe eines Regelkreises und
einer Pollageerfassung im Betriebspunkt maximaler Leistung bei minimalem Strom und
höchstem Wirkungsgrad betreiben.
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Soll aufgrund konzeptioneller Vorgaben auf den Einsatz eines Wechselrichters
verzichtet werden, wird die Forderung nach einer stellbaren Frequenz und Spannung
an die Energiequelle gerichtet. Der Synchronmotor kann jedoch ohne das schnellwirkende
Stellglied Wechselrichter nicht im optimalen Betriebspunkt gefahren werden; die
Maschineneigenschaften werden ungünstiger. Außerdem kann die enge Kopplung zwischen
Frequenz der Energiequelle und Drehzahl des Antriebsmotors zu Stabilitätsproblemen
führen.
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In machen Fällen mag die regelungs-und stabilitätstechnisch anspruchslosere
Asynchronmaschine trotz ihrer größeren Verluste zu einer insgesamt günstigen Lösung
führen. Hierzu ist es allerdings erforderlich, die Asynchronmaschine von dem gravierenden
Nachteil der großen Blindströme (schlechter Leistungsfaktor) zu befreien. Große
Blindströme in der Ankerwicklung bedeuten zugleich auch vergrößerte Wicklungsverluste
und aus thermischen Gründen in der Regel größere Wicklungsquerschnitte.
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Ankervolumen und Gewicht nehmen hierdurch zu.
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Das-Bemühen, die Magnetisierungsblindströme zu senken, wird beim Entwurf
der Asynchronmaschine durch Wahl einer großen Polteilung im Vergleich zum wirksamen
Luftspalt deutlich.
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Große Polteilung bedeutet jedoch großer magnetischer Fluß je Pol,
damit große Jochhöhe und großes Gewicht. Bei Trommelwicklungen bedeutet dies auch
große Wickelköpfe, große Wicklungsgewichte und größere Wicklungsverluste.
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Um ein verlustarmes Maschinenkonzept hoher Leistungsdichte anzustreben,
ist es offensichtlich zweckmäßig, die Ringwicklung ebenso wie die kleine Polteilung
beizubehalten. Als Hilfseinrichtung zur verlustarmen Bereitstellung des magnetischen
Hauptfeldes wird eine pei rotierende Magnetanordnung, in ihrer Form ähnlich dem
Scheibenläufer der Synchronmaschine, verwendet Dieser Magnetring läuft synchron
mit der Stromverteilung der Ankerwicklung um. Er bildet mit der Ankerwicklung eine
Synchronmaschine. Mit dem die Sekundärwicklung tragenden Läufer bildet er eine Schlupfkupplung.
In der Läuferwicklung entstehen Ströme, die in Wechselwirkung mit dem magnetischen
Feld dda schlupfabhängige Kraft bilden.
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Wie Bild 13 zeigt, besteht diese Maschine aus einem Ringwicklungsanker
mit den oben bereits beschriebenen Merkmalen. Der Magnetrotor weist alternierende
Permanentmagnete (7) auf einem Träger (53 auf und erhält bei größeren Umfangsgeschwindigkeiten
eine Faserbandage. Rechter und linker Magnetrotor sind mechanisch verbunden und
über Rollenlager gegenüber dem den Käfig tragenden Rotor beweglich gelagert. Der
die Sekundärwicklung tragende Rotor besteht aus dem Rotorkörper (31) der keine elektrische
und magnetische Funktion hat und dem aktiven Teil. Das stromführende Rotorteil (32)
besteht aus Aluminium oder Kupfer in der Form eines flachen Kreisringes, der im
Bereich der Magnete ferromagnetische Einlagen (33) umfaßt. Letztere sind bevorzugt
aus Eisenpulvermaterial gepreßt und nehmen die Form der Zähne an. Auf der Rückseite
der Rotorscheibe schließt ein aus Blech band geEertigtes ringförmiges Joch (34)
an. Die einzelnen Rotorelemente
sind durch Klebung und zusätzlich
durch metallische Verbindungselemente gegen die Wirkung der Fliehkräfte verbunden;
bei größeren Umfangsgeschwindigkeiten werden zusätzlich Faserbandagen (8) angewendet.
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Die Doppelläuferkonstruktion erweist sich in Anbetracht der scheibenförmigen
Bauweise in ihrer Formgebung als verhältnismäßig einfach. Es ist vorteilhaft, daß
die stärker verlustbehafteten Maschinenteile (Wicklung und Eisen des Primärteils)
materialsparend und (geometrisch bedingt) verlustarm ausgeführt werden können. Durch
die Verwendung des permanenterregten Zwischenläufers wird auch erreicht, daß die
Energiequelle für den Motor ohne Blindstrombelastung und damit auch mit verringerten
Verlusten und reduziertem Gewicht bzw. Preis ausgeführt werden kann. Ein weiterer
Vorteil der Ringwicklung bei kleinen Jochdicken ist die sehr kleine Streuung. Damit
kann bei der Asynchronmaschine ein großes Kippmoment erzielt werden.
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Es entsteht somit ein insgesamt stark verbessertes Antriebskonzept
auf der Grundlage des kompensierten Asynchronmotors.
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Außer der Blindleistungskompensation beim Motor lassen sich die Permanentmagnete
zur Erregung des die Asynchronmaschine speisenden Synchrongenerators verwenden.
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Hierbei erweist sich, ähnlich wie bei Motoren, die ohne eine schnellwirkende
Polwinkelregelung auskommen sollen, ein die P-Magnete umschließdender gut leitender
Rotorkörper (Aluminium) als geeignet. Er übernimmt gleichzeitig die Funktion einer
Dämpferwicklung.
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Zur Spannungsbeieinflussung ist dann eines der beschriebenen Verfahren
anzuwenden. An die Drehzahlregelung des Generators werden beim Asynchronantrieb
geringere Forderungen als bei einem Synchronantrieb gestellt. Es entfällt dabei
auch die Forderung nach einer sehr weitgehenden Frequenzabsenkung bis auf Null.
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