DE3142913A1 - Elektrische maschine mit ringwicklungsanker und permanenterregten rotoren" - Google Patents

Elektrische maschine mit ringwicklungsanker und permanenterregten rotoren"

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DE3142913A1
DE3142913A1 DE19813142913 DE3142913A DE3142913A1 DE 3142913 A1 DE3142913 A1 DE 3142913A1 DE 19813142913 DE19813142913 DE 19813142913 DE 3142913 A DE3142913 A DE 3142913A DE 3142913 A1 DE3142913 A1 DE 3142913A1
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DE19813142913
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English (en)
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Herbert Prof. Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Weh
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ThyssenKrupp Technologies AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/10Arrangements for cooling or ventilating by gaseous cooling medium flowing in closed circuit, a part of which is external to the machine casing
    • H02K9/12Arrangements for cooling or ventilating by gaseous cooling medium flowing in closed circuit, a part of which is external to the machine casing wherein the cooling medium circulates freely within the casing

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Description

  • Elektrische Maschine mit Ringwicklungsanker und
  • 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.
  • In P 2802753 wurden ausgehend von der Rotorkonstruktion und zweier prinzipieller Gestaltungsmöglichkeiten von 3Maschine bzw.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden werden ergänzend zu P 2802753 vorteilhafte Gestaltungsmöglichkeiten permanenterregter Axialfeldmaschinen beschrieben, wobei auch der Anwendung als langsamlaufende Maschine Rechnung getragen wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Damit ist die außerhalb des Joches verlaufende Spulenverbindung extrem kurz, das Wicklungsvolumen gering, die Wicklungsoberfläche dennoch groß.
  • 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.
  • - Der Eisenkern (2) erweist sich zur Aufnahme der Umfangskräfte bzw. zu deren Weiterleitung an das Gehäuse als mechanisch nützlich.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es kann weiter davon ausgegangen werden, daß das ringförmige Stahljoch (6) seine eigenen Fliehkraftbeanspruchungen aufnimmt,ohne Kräfte auf die Rotorscheibe zu übertragen.
  • Die elastischen Eigenschaften des Scheibenmaterials können ähnlich derjenigen von Stahl gewählt werden; es wird außerdem ein elastischer Kleber verwendet.
  • 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.
  • 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.
  • Bezogen auf ein Massenelement des feststehenden Joches tritt ähnlich wie im Anker eine Wechsebagnetisierung auf.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der in Bild 5 skizzierte Rohrkühler ist als Beispiel zu trachten. An seine Stelle können andere Kühlerarten bzw. Rückkühltechniken treten.
  • 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.
  • 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.
  • Eine im Hinblick auf geringe Eisenverluste günstige Lösung ist eine weitgehende Heranziehung von Eisenpulverpreßteilen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • So wie in Bild 3 mit feststehendem Joch, wird auch bei der Anordnung nach Bild 9 die Haltekraft vom Gehäuseteil aufgenommen.
  • 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.
  • 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.
  • Die mechanische Gestaltung der Rotoranordnung mit einer außenliegenden Bandage (8) für hohe Geschwindigkeiten entspricht weitgehend der oben gegebenen Beschreibung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Von äußeren Steuereingriffen unabhängig, ist eine Steilmethode, die sich der Fliehkräfte bedient. Damit wirkt sie drehzahlabhängig und ist für Fahrzeugantriebe besonders geeignet.
  • 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.
  • Gestängekraft und Federkraft ab.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ankervolumen und Gewicht nehmen hierdurch zu.
  • Das-Bemühen, die Magnetisierungsblindströme zu senken, wird beim Entwurf der Asynchronmaschine durch Wahl einer großen Polteilung im Vergleich zum wirksamen Luftspalt deutlich.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es entsteht somit ein insgesamt stark verbessertes Antriebskonzept auf der Grundlage des kompensierten Asynchronmotors.
  • Außer der Blindleistungskompensation beim Motor lassen sich die Permanentmagnete zur Erregung des die Asynchronmaschine speisenden Synchrongenerators verwenden.
  • 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.
  • 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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Claims (12)

  1. Ansprüche 1. Maschine Maschine bestehend aus einem Rotor mit zwei w im Abstand voneinander angeordneten Scheiben, die im inneren Bereich einander gegenüberliegende Permanentmagnete aufweisen und einen mittigen Stator, der im Bereich der Permanentmagnete Spulen trägt, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Permanentmagnete für den Normalbetrieb der maschine mit entgegengesetzter Polarität angeordnet sind, die Spulen als ebene Spulen ausgebildet und quer zur Umfangsrichtung liegen und daß in der Mitte ein Eisenrückschluß vorhanden ist.
  2. 2 Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß eine formschlüssige Verbindung von Anker und Gehäuse durch Bauteile erreicht wird, die zwischen den Spulen durchgreifen und schlechte magnetische und elektrische Leitfähigkeit bei ausreichend mechanischer Festigkeit aufweisen.
  3. 3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß ohne besondere Lüfter ein Kühlluftumlauf durch ausreichende Querschnitte im Luftspaltbereich, einen Luftzutritt zur Läuferinnenseite und Behinderung des Druckaufbaues auf der Läuferrückseite erzielt wird.
  4. 4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß ein im Lagerschildbereich eingebauter Kühler so gestaltet und-befestigt wird, daß an jeder Stelle des Umfangs in Umfangs richtung ein großer Strömungsquerschnitt (größer als die Hälfte des vesamtquerschnitts) zur Verfügursg steht.
  5. 5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das ferromagnetische Ankerteil aus mehreren verlustarmen Einzelteilen aufgebaut ist, wobei eine Gruppe von Einzelteilen (minimal ein Teil) aus lamelliertem Blech und andere Teile aus gepreßtem Eisenpulver bestehen und die einzelnen Teile gleichen Materials in ihrer Form gleichartig sind.
  6. 6. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das ferromagnetische Ankerteil aus mehreren verlustarmen einzelnen Teilen aufgebaut ist, die alle aus gepreßtem Eisenpulver bestehen und in zwei Gruppen von jeweils gleichartig gepreßten Teilen zerfallen.
  7. 7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Rotor ohne Eisenrückschluß ausgeführt ist und die Rückführung des Flusses durch ein feststehendes, verlustarmes Joch vorgenommen wird.
  8. 8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Rotor ohne Eisenrückschluß ausgeführt ist und die Rückführung des Flusses durch ein nichtrotierendes, verlustarmes und axial bewegliches, von außen stellbares Joch vorgenommen wird.
  9. 9. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß stromführende Spulen im Rotorjoch eingebaut sind, die mit stellbarem Strom versorgt werden, so daß das Rotorjoch vormagnetisiert werden kann.
  10. 40. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß einer der beiden Rotoren um maximal eine Polteilung gegenüber der anderen Scheibe dreh- bzw. stellbar angeord net ist.
  11. 11. Elektrische Maschine nach Anpsruch 1, d a d u r c h gek e n n z e i c h ne t, daß ein größerer Teil des Rotorjochquerschnittes in Ab ahängigkeit von der durch die Fliehkra£te die Federwirkung und dem magnetischen Zug auf ein Verschiebegestänge auge übten Kraft drehzahlabhängig axial verstellbar ist.
  12. 12. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h gek e n n z ei c h ne t, daß auf jeder Seite jeweils zwei Rotorscheiben angeordnet sind, von denen die dem Anker zugewandte Rotorscheibe frei drehend gelagert und mit Permanentmagneten bestückt ist und kein Rückschluß joch besitzt, während die andere Rotorscheibe im Bereich der Magnete einen scheibenförmigen Kurzschlußkäfig trägt.
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