DE3401163A1 - Electrical machines having permanent-magnet excitation, and as a reluctance version in a laminated excitation arrangement - Google Patents

Electrical machines having permanent-magnet excitation, and as a reluctance version in a laminated excitation arrangement

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DE3401163A1 DE19843401163 DE3401163A DE3401163A1 DE 3401163 A1 DE3401163 A1 DE 3401163A1 DE 19843401163 DE19843401163 DE 19843401163 DE 3401163 A DE3401163 A DE 3401163A DE 3401163 A1 DE3401163 A1 DE 3401163A1
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Abstract

In order to achieve high force intensities with a favourable efficiency, a high magnetic-field intensity in the air gap has major significance. As a result of the so-called collector arrangement, relatively high air gap inductions can be achieved, with limited use of material for the permanent magnets. In order to reduce the relatively high armature reaction and the scatter, longitudinal lamination and a triangular shape of the soft-iron poles (Figure 4) are proposed. This results in an increased force intensity, a lower apparent power, less scatter and negligibly small surface losses. Furthermore, the possibility is provided for leakage-flux control, by means of which the air gap induction can be influenced. If the partial poles are magnetically conductively connected and permanent magnets are dispensed with, a highly favourable rotor arrangement results for reluctance machines. The use of a multi-phase winding and the capability for armature-field compensation by means of permanent magnets are proposed. <IMAGE>

Description

"Elektrische Maschinen mit Permanentmagnet-Erregung bzw."Electrical machines with permanent magnet excitation or

als Reluktanzversion in lamellierter Erregeranordnung Problemstellung und Zielsetzung Elektrische Maschinen mit Erregung durch Permanentmagnete weisen gegenüber elektrisch erregten Maschinen Vorteile auf.as a reluctance version in a laminated exciter arrangement Problem and Objective Show electrical machines with excitation by permanent magnets has advantages over electrically excited machines.

Insbesondere bei Speisung über Wechselrichter lassen sich sehr einfach aufgebaute Maschinen anwenden, die mit geringer Polteilung und kleinen Eisenmassen gestaltet werden können.This is very easy to do, especially when feeding from an inverter Use built-up machines that have a small pole pitch and small iron masses can be designed.

Ihr Wirkungsgrad liegt höher als der von elektrisch erregten Maschinen. Permanentmagnete mit hoher Energiedichte (großes Produkt aus Flußdichte und Feldstärke) erweisen sich dabei den weniger energiestarken Magneten überlegen.Their efficiency is higher than that of electrically excited machines. Permanent magnets with high energy density (large product of flux density and field strength) prove to be superior to the less energetic magnets.

Insbesondere das Aufkommen der Seltenerden-Kobaltmagnete löste eine Diskussion um die günstigste Maschinenbauform aus, da dieses Magnetmaterial gegenüber den bisher verwendeten Magneten wesentlich teurer ist. Dabei war es seit langem bekannt, daß Permanentmagnete nicht nur in der Form der direkten Zuordnung zum Nutzspalt (Flachanordnung), sondern auch in der Sammler-Konfiguration zur Anwendung kommen können. Die direkte Zuordnung zum Nutzspalt (siehe Bild 1) bedeutet, daß die Flußdichte des Magneten etwa gleich jener des Nutzspaltes ist.In particular, the advent of the rare earth cobalt magnets sparked one Discussion about the cheapest machine design, as this is compared to magnetic material the magnets used so far is much more expensive. It had been there for a long time known that permanent magnets not only in the form of direct assignment to the useful gap (Flat arrangement), but can also be used in the collector configuration can. The direct assignment to the useful gap (see Figure 1) means that the flux density of the magnet is approximately equal to that of the useful gap.

Dies gilt zumindest solange, wie der Nutzspalt im Verhältnis zur Magnethöhe klein ist. Die Sammler-Konfiguration (siehe Bild 2) läßt im Nutzspalt größere Flußdichten als im Magnet zu. Dies wird durch eine großflächige Magnetanordnung erreicht; die Querschnittsfläche des Magneten ist größer als die Polfläche im Nutzspalt. Entsprechend ist die Flußdichte im Magnet geringer als diejenige im Polbereich. Die nun notwendige Flußumlenkung erfordert im Gegensatz zur Anordnung nach Bild 1 besondere Weicheisenpole. Deren Gewicht kann größer sein als jenes der Jochanordnung in Bild 1. Ein weiterer Nachteil der Sammleranordnung ist, daß insbesondere bei größeren Nutzspaltlängen ein nicht unbeträchtlicher Streufluß auf der dem Spalt abgewandten Seite des Magneten wahrzunehmen ist. Hierdurch wird ein Teil der vorteilhaften Wirkungen aufgehoben.This applies at least as long as the useful gap in relation to the magnet height is small. The collector configuration (see Fig. 2) allows greater flux densities in the useful gap than in the magnet too. This is achieved by a large magnet arrangement; the The cross-sectional area of the magnet is larger than the pole area in the useful gap. Corresponding the flux density in the magnet is lower than that in the pole area. The now necessary In contrast to the arrangement shown in Figure 1, flux diversion requires special soft iron poles. Their weight can be greater than that of the yoke arrangement in Figure 1. Another The disadvantage of the collector arrangement is that, especially with larger useful gap lengths a not inconsiderable leakage flux on the side of the magnet facing away from the gap can be perceived. This cancels out some of the beneficial effects.

Bild 1 zeigt die dem Nutzspalt s direkt zugeordneten Permanentmagnete 1, einen Stator 2 mit stromführenden Nuten 3, dem Statorjoch 4 und dem Rotorjoch 5. Dem von den Magneten erzeugten Feld entspricht die strichpunktiert gezeichnete Feldlinie b. Der magnetische Rückschluß 5 des Rotors ist bei einer einseitig wirkenden Anordnung des Stators notwendig; er kann bei einer doppelseitigen Anordnung bekanntlich vermieden werden.Figure 1 shows the permanent magnets directly assigned to the useful gap s 1, a stator 2 with current-carrying grooves 3, the Stator yoke 4 and the rotor yoke 5. The dot-dash line corresponds to the field generated by the magnets drawn field line b. The magnetic yoke 5 of the rotor is one-sided effective arrangement of the stator necessary; it can be in a double-sided arrangement is known to be avoided.

Die Magnetanordnung nach dem Sammlerprinzip (Bild 2) eignet sich insbesondere zur Erzielung hoher Flußdichten im Luftspalt. Neben der größeren radialen Höhe der Magnetanordnung entsteht der Vorteil einer günstigeren Ausnutzung des Magnetmaterials. Für Magnete mit weitgehend gerader Entmagnetisierungskennlinie (im 2.Quadranten) führt ein großer Magnetquerschnitt zu einer Magnetnutzung nahe dem Energiemaximum. Dies ist etwa bei einer Flußdichte zu erreichen, die der Hälfte der Remanenzinduktion entspricht. Mit gleichem Materialaufwand der Magnete lassen sich höhere Flußdichten erzielen, als mit Anordnungen nach Bild 1. Bei letzteren bringt eine Vergrößerung der Magnethöhe nur eine geringe Steigerung der Flußdichte. Da das Energieprodukt mit zunehmender Höhe wieder absinkt, sinkt oberhalb einer optimalen Magnethöhe die Ausnutzung des Magnetmaterials.The magnet arrangement based on the collector principle (Fig. 2) is particularly suitable to achieve high flux densities in the air gap. In addition to the greater radial height of the Magnet arrangement arises the advantage of a more favorable utilization of the magnet material. For magnets with largely straight demagnetization characteristics (in the 2nd quadrant) a large magnet cross-section leads to a magnet utilization close to the energy maximum. This can be achieved at a flux density that is about half the remanent induction is equivalent to. With the same material expenditure for the magnets, higher flux densities can be achieved than with arrangements according to Fig. 1. The latter brings an increase in size the magnet height only a small increase in the flux density. Because the energy product decreases again with increasing height, the decreases above an optimal magnet height Utilization of the magnetic material.

Bei der Anordnung nach Bild 2 kann durch Wahl der Parameter Magnethöhe und Magnetquerschnitt die Magnetausnutzung jeweils im Optimum gehalten werden. Hierdurch lassen sich auf den Feldbahnen b bei gegebenem Materialaufwand für die Magnete grundsätzlich höhere Flußdichten erzielen.With the arrangement according to Fig. 2, you can select the parameter magnet height and magnet cross-section, the magnet utilization can be kept at an optimum. Through this can be on the field paths b with a given material expenditure for the magnets in principle achieve higher flux densities.

Für die praktische Anwendung erweist sich jedoch als nachteilig, daß auf den Feldbahnen c verhältnismäßig große Streuflußanteile auftreten. Dies führt dazu, daß nur ein Teil des Magnetquerschnitts zur Magnetisierung des Nutzspaltes 6 verfügbar ist.For practical use, however, proves to be disadvantageous that Relatively large leakage flux components occur on the field trajectories c. this leads to to the fact that only part of the magnet cross-section for magnetizing the useful gap 6 is available.

Auch an der Stirnfläche der Magnetanordnung entsteht ein entsprechender Streufluß. Die Größe der Streuflüsse nimmt zu, wenn die Magnethöhe (in Magnetisierungsrichtung) abnimmt. Durch die mit abnehmender Magnethöhe wirksam werdenden Streuflußanteile werden die beschriebenen Dimensionierungsvorteile zum Teil abgebaut.A corresponding one is also created on the end face of the magnet arrangement Leakage flux. The magnitude of the leakage flux increases if the magnet height (in the direction of magnetization) decreases. Due to the stray flux components that become effective as the magnet height decreases the dimensioning advantages described are partially reduced.

Ein weiterer wesentlicher Nachteil für Anordnungen nach Bild 2 besteht darin, daß der Strom der Ankerwicklung eine starke Feldverzerrung hervorruft. Bei der Flachanordnung (Bild 1) wird hingegen als vorteilhaft empfunden, daß Flußdichten auf Feldbahnen der Form a nur kleine Werte ereichen.Another major disadvantage for arrangements as shown in Figure 2 is in that the current of the armature winding causes a strong field distortion. at the flat arrangement (Fig. 1), on the other hand, is found to be advantageous in that flux densities only reach small values on field tracks of the form a.

Dies ist eine Folge der Tatsache, daß das Magnetmaterial sich für Fremdfelder ähnlich verhält wie Luft. Es kann also festgestellt werden, daß die Ankerrückwirkung eine umso geringere Feldverzerrung verursacht, je größer die Magnethöhe ist.This is a consequence of the fact that the magnetic material is suitable for External fields behave similarly to air. It can thus be stated that the The greater the height of the magnet, the less the armature reaction causes the field distortion is.

Für Maschinen mit großen Ankerströmen sind hohe Magnete günstig obgleich sie im Hinblick auf die Erzeugung einer hohen Felddichte des Erregerfeldes eine unwirtschaftliche Lösung darstellen. Die praktische Anwendung der Magnetkreisgestaltung nach Bild 2 wird jedoch durch die starke Ankerrückwirkung sehr behindert. So wirkt sie sich reduzierend auf die erzielbare Kraftdichte aus.For machines with large armature currents, high magnets are beneficial, although they one with regard to the generation of a high field density of the excitation field represent an uneconomical solution. The practical application of magnetic circuit design according to Figure 2, however, is very hindered by the strong anchor reaction. So works it reduces itself to the achievable power density.

Eine große Feldverzerrung hat für wechselrichtergespeiste Maschinen weitere Nachteile. Der Feldanteil der Ankerströme der q-Achse bedingt einen großen Querspannungsanteil Xq Ia (gestrichelter Teil in Bild 3). Der entsprechende Spannungsanteil ist im Diagramm senkrecht auf dem Spannungszeiger Up) der Polradspannung angetragen. Entsprechend groß ist der Anker spannungsbetrag Ua im Vergleich zur Spannung Up Für die Dimensionierung des Wechselrichters ist die Spannungsvergrößerung gleichbedeutend mit einer Leistungsvergrößerung und damit der Wahl größerer Bauteile. Auch die Drehung des Stromzeigers gegenüber der Spannung Up in Richtung auf die Ankerspannung Ua führt zu keiner wesentlich günstigeren Lösung dieses Problems.A large field distortion has for inverter-fed machines other disadvantages. The field component of the armature currents of the q-axis causes a large one Transverse stress component Xq Ia (dashed part in Figure 3). The corresponding stress component is plotted in the diagram perpendicular to the voltage vector Up) of the pole wheel voltage. The armature voltage amount Ua is correspondingly large compared to the voltage Up The voltage increase is the same for the dimensioning of the inverter with an increase in performance and thus the choice of larger components. The rotation too of the current vector against the voltage Up in the direction of the armature voltage Ua does not lead to a significantly more favorable solution to this problem.

Der damit vergrößerte Stromanteil bedingt einen geringeren Wirkungsgrad, verschlechtert also die Energienutzung und verschiebt die Dimensionierungsproblematik vom Wechselrichter hin zur Wicklung. Der Ubergang auf die Magnetanordnung nach Bild 1 ermöglicht ein schlankes Spannungsdiagramm mit einer kleineren Spannungskomponente des Ankerfeldes und einer entsprechend verringerten Ankerspannung Ua (ausgezogener Teil des Diagramms) Erwünscht ist also eine verbesserte Magnetanordnung, die die Vorteile beider Konzepte vereinigt.The increased share of electricity that results in a lower degree of efficiency, thus worsens the energy use and shifts the dimensioning problem from the inverter to the winding. The transition to the magnet arrangement according to Fig 1 enables a slim stress diagram with a smaller stress component of the armature field and a correspondingly reduced armature voltage Ua (extended Part of the diagram) What is desired is an improved magnet arrangement, which combines the advantages of both concepts.

Es ist erwünscht, höhere Flußdichten als jene nach Bild 1 verwirklichen zu können. Es sollte dabei aber nicht der bekannte Nachteil der Sammleranordnung, bestehend in hoher Ankerrückwirkung und großem Streufluß, wirksam sein.It is desirable to achieve higher flux densities than those shown in Figure 1 to be able to. However, it should not take into account the well-known disadvantage of the collector arrangement, consisting of high anchor reaction and high leakage flux.

Gesucht wird eine das Magnetmaterial bestmöglich nutzende Konfiguration gemeinsam mit dem Vorteil großen magnetischen Widerstandes für ausgezeichnete Feldbahnen, entsprechend a und c. Darüberhinaus ist auch für manche Anwendungen dem Ziel Rechnung zu tragen, eine im Nutzspalt stellbare Flußdichte bereitzustellen. Mit begrenztem Mehraufwand wird angestrebt, daß durch elektrische oder mechanische Eingriffe die Flußdichte beeinflußt werden kann. Der Übergang zu einer ganz ohne Permanentmagnete konzipierten Maschine mit Stromzuordnung zu einem Läufer mit ausgeprägten Polen (Reluktanzmotor mit Stromorientierung) ist im Rahmen der hier beschriebenen Verbesserungen eine logische Folge der Entwicklung.We are looking for a configuration that makes the best possible use of the magnetic material together with the advantage of high magnetic resistance for excellent field paths, according to a and c. In addition, the goal is also calculated for some applications to carry to provide an adjustable flux density in the useful gap. With limited Additional effort is sought to ensure that the electrical or mechanical interventions Flux density can be influenced. The transition to one without permanent magnets designed machine with power allocation to a rotor with pronounced poles (Reluctance motor with current orientation) is within the scope of the improvements described here a corollary of the development.

Die beschriebenen verbesserten Erregerkonzepte lassen sich für Anordnungen, bei denen auch die vom Magnetfeld erzeugten Normalkräfte eine Rolle spielen, vorteilhaft anwenden. Dies gilt besonders für die im Feld stellbaren Erregersysteme.The described improved excitation concepts can be used for arrangements in which the normal forces generated by the magnetic field also play a role, advantageous use. This particularly applies to the excitation systems that can be set in the field.

Die Sammleranordnung mit minimaler Ankerrückwirkung und geringer Streuung Die Magnetanordnung nach Bild 1 läßt keine befriedigenden Möglichkeiten für einen günstigen Einsatz des Magnetmaterials, wenn hohe Luftspalt-Flußdichten erzielt werden sollen. Eine Flußdichte von z.B. mehr als 0,6 T zwingt selbst bei Anwendung besonders hochwertiger Seltenerden-Kobaltmagneten bereits zu einer übergroßen Magnethöhe. Die Energiedichte liegt bereits jenseits des optimalen Wertes.The collector arrangement with minimal armature feedback and low scatter The magnet arrangement according to Figure 1 leaves no satisfactory possibilities for one favorable use of the magnet material if high air gap flux densities are achieved should. A flux density of e.g. more than 0.6 T is particularly compelling even when used high quality rare earth cobalt magnets already at an oversized magnet height. The energy density is already beyond the optimal value.

Für eine Verbesserung der Anordnung ist demnach von der Sammleranordnung (Bild 2) auszugehen. Um zunächst den Nachteil der großen Ankerrückwirkung auf Feldbahnen entsprechend a zu beseitigen, ist zu bedenken, daß hierbei der Feldlinienverlauf b nicht durch erhöhte magnetische Widerstände gestört werden darf. Es muß sowohl für die luftspaltnahen wie auch für die luftspaltentfernten Teile des Magneten die hohe Leitfähigkeit zum Luftspalt hin gesichert bleiben.For an improvement of the arrangement, therefore, the collector arrangement is required (Photo 2) to go out. To begin with, the disadvantage of the large anchor reaction on field railways to eliminate according to a, it must be remembered that the course of the field lines b must not be disturbed by increased magnetic resistance. It must be both for the parts of the magnet close to the air gap as well as those remote from the air gap high conductivity towards the air gap are ensured.

Umgekehrt muß für Feldlinien der Form a der in Bild 2 gezeichnete Weg über das Weicheisen des Pols unterbrochen werden.Conversely, for field lines of the form a, the one shown in Figure 2 must be used Be interrupted way over the soft iron of the pole.

Ein erster Schritt der Vergrößerung des magnetischen Widerstandes für Feldbahnen a ist ein Spalt in der Mitte des Pols.A first step in increasing magnetic reluctance for field tracks a there is a gap in the middle of the pole.

Dieser Spalt muß sich über die gesamte Höhe erstrecken. Um wirksam zu sein, sollte er größer als der Luftspalt sein, besonders dann, wenn die Poldurchflutung der Ankerwicklung groß ist. Sollen Maschinen großer Polteilung mit großem Strombelag ausgeführt werden, zeigt sich, daß die Unterteilung der Pole nur begrenzt hilfreich ist. Innerhalb der Polhälften treten weiterhin erhebliche Verzerrungen auf, so daß große Unterschiede zwischen maximalen und minimalen Werten der Flußdichten entstehen. Unter Berücksichtigung der Sättigung bedeutet dies eine Verringerung der mittleren Flußdichte.This gap must extend over the entire height. To be effective to be, it should be larger than the air gap, especially if the pole flooding the armature winding is large. Should machines have a large pole pitch with a large current load it turns out that the division of the poles is only helpful to a limited extent is. Significant distortions continue to occur within the pole halves, so that large differences arise between maximum and minimum values of the flux densities. Taking into account the saturation, this means reducing the mean Flux density.

Eine wirksame Maßnahme zur Unterdrückung selbst lokaler Feldverzerrungen insbesondere auch bei großen Polteilungen und zugleich eine günstige Anordnung im Hinblick auf die ungestörte Feldausbildung im Spalt ergibt sich bei einer Lamellierung der Pole entsprechend Bild 4. Die Verbindung zwischen den in ihrer Flußrichtung senkrecht zum Spalt stehenden Permanentmagneten 1 und dem Nutzspalt S wird über eine Weicheisen-Polanordnung 5 mit dazwischenliegenden nichtmagnetischen Räumen 6 erreicht. Die Zwischenräume können dabei mit festem Material (z.B. Kunststoff oder unmagnetischen Metallen) gefüllt sein. Der Anteil des nichtmagnetischen Füllmaterials bestimmt die quer zu den Lamellen wirksame magnetische Restleitfähigkeit. Diese liegt wesentlich niedriger als die Leitfähigkeit in Längsrichtung. Durch die gezeichnete Anordnung wird erreicht, daß jeder Zahn des Ankers zwischen den Magneten mit annähernd gleicher Flußdichte versorgt wird. Im gesamten Polbereich tritt damit entsprechend Bild 5 eine konstante Induktion Bb auf. örtliche Schwankungen als Folge der gezeichneten offenen Nuten sind nicht dargestellt. Um Sättigungseinflüsse zu vermeiden, ist davon auszugehen, daß die Summe der Lamellenstärken mindestens der Summe der Zahnstärken entsprechen sollte. Wie Bild 4 erkennen läßt, entsteht nun für Feldlinien der Form a dadurch ein erhöhter Widerstand, daß mehrere Schlitze und der verhältnismäßig große Spalt in Polmitte überbrückt werden müssen. Damit wird der bei gegebener Durchflutung der Feldlinie a zuzuordnende Flußanteil sehr viel kleiner als im Falle von Bild 2. Die Flußdichte Bat die sich dem Leerlauffeld überlagert, fällt selbst im Vergleich zur Flachanordnung (Bild 1) gering aus.An effective measure to suppress even local field distortions especially with large pole pitches and at the same time a favorable arrangement in the With regard to the undisturbed field formation in the gap, there is a lamination of the poles according to Figure 4. The connection between the two in their direction of flow Permanent magnet 1 standing perpendicular to the gap and the useful gap S is over a soft iron pole arrangement 5 with non-magnetic spaces in between 6 reached. The gaps can be filled with solid material (e.g. plastic or non-magnetic metals). The proportion of non-magnetic filler material determines the residual magnetic conductivity effective across the lamellae. These is much lower than the conductivity longitudinal. The arrangement shown ensures that each tooth of the armature between the magnet is supplied with approximately the same flux density. In the entire pole area a constant induction Bb occurs, as shown in Figure 5. local fluctuations as a result of the drawn open grooves are not shown. About satiety influences to avoid, it must be assumed that the sum of the slat thicknesses is at least should correspond to the sum of the tooth thicknesses. As Fig. 4 shows, arises now for field lines of the form a an increased resistance, that several slots and the relatively large gap in the center of the pole must be bridged. In order to the flux portion to be assigned to the field line a for a given flooding becomes very high much smaller than in the case of Fig. 2. The flux density Bat which is the no-load field superimposed, turns out to be small even in comparison to the flat arrangement (Fig. 1).

Das resultierende Feld im Luftspalt weicht selbst bei großen Ankerströmen nur wenig von der Form des Leerlauffeldes Bb ab.The resulting field in the air gap gives way even with large armature currents only slightly depends on the shape of the idle field Bb.

Es gelingt, mit der lamellierten Anordnung dreieckförmiger Teilpole ohne Beeinträchtigung des Leerlauffeldes eine sehr weitgehende Ankerfeldunterdrückung zu erreichen. Die Kraftdichte (Kraft je Flächeneinheit) erreicht einen größeren..It succeeds with the laminated arrangement of triangular partial poles A very extensive anchor field suppression without impairing the idle field to reach. The force density (force per unit area) reaches a greater ..

Wert als bei Maschinen, die etwa nach Bild 2 gestaltet sind.Value than with machines that are designed as shown in Figure 2.

Wie man aus dem Vergleich von Bild 4 mit Bild 2 erkennt, ist infolge der angeordneten Schlitze zwischen den Lamellen auch eine Schwächung magnetischer Teil flüsse auf Feldbahnen der Form c (Streuflußanteil) gegeben. Nur ein sehr geringer Teil des Permanentmagneten dient somit der Erzeugung des Streuflusses; der weitaus größte Teil ist der Erregung des Nutzflusses vorbehalten.As can be seen from the comparison of Figure 4 with Figure 2, this is a consequence the slits arranged between the lamellae also weaken the magnetic area Partial flows on field tracks of the form c (leakage flux component) given. Just a very small one Part of the permanent magnet is therefore used to generate the leakage flux; the far the largest part is reserved for the excitation of the useful flow.

Die vollständige Vermeidung von Streuflüssen entsprechend der Feldlinie c, gelingt bei doppelseitigen symmetrischen Anordnungen von Erregerteil und Stator. Diese doppelseitige Anordnung kann z.B. bei Axialfeldmaschinen verhältnismäßig einfach verwirklicht werden.The complete avoidance of stray fluxes according to the field line c, succeeds with double-sided symmetrical arrangements of the exciter part and stator. This double-sided arrangement can be relatively simple, e.g. in axial field machines be realized.

Grundsätzlich darf festgestellt werden, daß die beschriebene Erregeranordnung in Sammlerform mit lamellierten Dreieckpolen für Axialfeld- und Radialfeldanordnungen gleichermaßen geeignet ist. Sie bedingt im Vergleich zur Flachanordnung der Magnete ein größeres Rotorvolumen, jedoch sind die Magnete günstiger bemessen, so daß größere Flußdichten erzielt werden können. Der Anteil des Weicheisenmaterials entspricht etwa demjenigen einer leicht verstärkten Jochanordnung nach Bild 1. Es darf allerdings angemerkt werden, daß die Vergrößerung des Rotorvolumens für die meisten Maschinen, insbesondere jene mit kleiner Drehzahl und radialer Bauform kaum nachteilig zum Tragen kommt. Es handelt sich hierbei um einen Raum, der ohnehin kaum für andere Aufgaben genutzt werden kann.Basically it can be stated that the exciter arrangement described in collector form with laminated triangular poles for axial field and radial field arrangements is equally suitable. It is necessary in comparison to the flat arrangement of the magnets a larger rotor volume, but the magnets are more conveniently dimensioned, so that larger Flux densities can be achieved. The proportion of soft iron material corresponds to for example that of a slightly reinforced yoke arrangement as shown in Figure 1. It may, however it should be noted that the increase in rotor volume for most machines, especially those with a low speed and radial design hardly disadvantageous for the Carry comes. This is a space that is hardly for others anyway Tasks can be used.

Es soll weiter darauf hingewiesen werden, daß der magnetisch schlechtleitende Räum zwischen den Lamellen durch mechanisch sehr widerstandsfähiges Material gefüllt werden kann, so daß der Lamellenverband eine feste Einheit bildet. Es lassen sich damit auch hohe Umfangsgeschwindigkeiten beherrschen. Eine Sicherung der Permanentmagneten durch ein keilförmiges Abschlußelement erscheint bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten zweckmäßig. Die Weicheisenlamellen lassen sich aus magnetisch gutleitendem Stahl oder auch aus einigen Schichten Dynamoblech herstellen. Um eine geringe Beeinträchtigung des Luftspaltfeldes Bb zu erzielen, empfiehlt sich eine verhältnismäßig feine Unterteilung. Hierbei spielt die Schlitzbreite im Verhältnis zum Luftspalt eine Rolle. Die durch die Schlitze bedingte Vergrößerung des magnetisch wirksamen Spalts wird üblicherweise durch einen entsprechenden Vergrößerungsfaktor für den Luftspalt (Carter Faktor) ausgedrückt. Um ihn nahe 1 zu halten, empfiehlt es sich, die Schlitzbreite nicht wesentlich größer als die Größe des Luftspaltes zu wählen. Auch die möglichst günstige Verwendung des Magnetmaterials spricht für die Anordnung einer kleinen Lamellenteilung. Größere Schlitze bedingen eine Feldlinienverformung bzw. -verlängerung innerhalb des Magnetmaterials, was gleichbedeutend mit einem vergrößerten magnetischen Widerstand ist.It should also be pointed out that the magnetically poorly conductive The space between the slats is filled with mechanically very resistant material can be so that the lamellar association forms a solid unit. It can be thus also master high circumferential speeds. A fuse for the permanent magnets through a wedge-shaped closing element appears at high peripheral speeds expedient. The soft iron lamellas can be made of magnetically good conductive steel or make dynamo sheet from a few layers. To a minor impairment To achieve the air gap field Bb, a relatively fine subdivision is recommended. The slot width in relation to the air gap plays a role here. By the slots-related enlargement of the magnetically effective gap is usually by a corresponding enlargement factor for the air gap (Carter factor) expressed. To keep it close to 1, it is best to not adjust the slot width to be chosen much larger than the size of the air gap. Also the cheapest possible Use of the magnetic material speaks in favor of arranging a small lamella pitch. Larger slots cause a deformation or lengthening of the field lines within of the magnetic material, which means an increased magnetic resistance is.

Die verhältnismäßig feine Lamellierung erweist sich zusätzlich günstig im Hinblick auf die Unterdrückung von Wirbelstromverlusten, die nahe der Oberfläche als Folge der durch die Nutöffnungen bewirkten Feldschwankungen entstehen. Die Verwendung von Dynamoblech für die Lamellen ergibt ein Minimum an zusätzlichen Oberflächenverlusten. Sie können in diesem Fall als praktisch vernachlässigbar angesehen werden.The relatively fine lamination also proves to be beneficial with a view to suppressing eddy current losses that are close to the surface arise as a result of the field fluctuations caused by the slot openings. The usage of dynamo sheet for the lamellas results in a minimum of additional surface losses. They can be considered practically negligible in this case.

Da durch die beschriebenen lamellierten Dreieckpole die Wirksamkeit der Sammleranordnung verbessert wird, kann die beschriebene Technik auch zur günstigeren Nutzung weniger energiestarker Magnete eingesetzt werden. Es läßt sich so z.B.Because by the laminated triangular poles described the effectiveness the collector arrangement is improved, the technique described can also be used for more favorable Use of less energetic magnets can be used. It can be e.g.

das preislich günstigere Material der Ferrit-Magnete mit einer Remanenzinduktion um 0,38 T zur Erzeugung einer Flußdichte von ca. 0,6 T heranziehen. Durch die nun weitgehend unterdrückte Ankerrückwirkung können Maschinen mit verhältnismäßig hohen Strombelägen bei gutem Wirkungsgrad konzipiert werden.the cheaper material of ferrite magnets with remanent induction by 0.38 T to generate a flux density of approx. 0.6 T. By now Largely suppressed armature reaction can be achieved by machines with relatively high Current layers can be designed with good efficiency.

Für besonders hohe Anforderungen an Kraftdichte und Wirkungsgrad lassen sich Seltenerden-Kobaltmagnete mit Remanenzinduktionen von bis zu 1.1 T und etwa gleichen Luftspaltinduktionen anwenden. Dieser Wert ist deutlich höher als der mit der Flachanordnung erreichbare; entsprechende Vorteile im Hinblick auf die Bemessung der Maschine und den Wirkungsgrad sind daraus ableitbar.For particularly high demands on power density and efficiency, let rare earth cobalt magnets with remanent induction of up to 1.1 T and approx use the same air gap induction. This value is significantly higher than that with the flat arrangement achievable; corresponding advantages in terms of dimensioning of the machine and its efficiency can be derived from it.

Abgesehen vom Maschinenentwurf ergeben sich auch Vorteile für den Frequenzumrichter. Der beim Antrieb der Maschine speisende Wechselrichter kann bei geringer Ankerrückwirkung, d.h. kleinem X entsprechend Bild 3 (ausgezogenes Diagramm) mit verq hältnismäßig kleiner Scheinleistung konzipiert werden. Die dem Produkt aus maximal auftretender Spannung und größtem Strom entsprechenden Leistungshalbleiter sind somit kostengünstiger als jene der Maschinenformen nach Bild 2 und Bild 1.Apart from the machine design, there are also advantages for the Frequency converter. The inverter feeding the machine when it is driven can be low anchor reaction, i.e. small X according to Figure 3 (solid diagram) be designed with a relatively small apparent power. The product from maximum occurring voltage and maximum current corresponding power semiconductors are therefore more cost-effective than those of the machine types shown in Figure 2 and Figure 1.

Die stark reduzierte Felddeformation als Folge der Ankerströme wirkt sich günstig auf die Kommutierung aus. Sie hat weiterhin einen vorteilhaften Einfluß auf die maximal notwendige Taktfrequenz. In Bild 4 ist als Ankerwicklung eine Vielphasenwicklung vorgesehen. Sie führt bei gleichphasigen Strömen in z.B.The greatly reduced field deformation as a result of the armature currents is effective favorably on the commutation. It also has a beneficial influence to the maximum necessary clock frequency. In Figure 4, the armature winding is a multi-phase winding intended. With currents in phase, it leads to e.g.

sechs von sieben Strängen Su einer sehr hohen Kraftdichte.six out of seven strands Su of a very high force density.

Bei einer annähernd rechteckförmigen magnetischen Flußdichte im Polbereich entsprechend Bild 5 ist die günstigste Stromverteilung zur Erzielung großer Kräfte bei maximalem Wirkungsgrad ein über die Polteilung ebenfalls konstant angenommener Verlauf der Stromverteilung. Wie an anderer Stelle beschrieben, lassen sich durch das Vielphasenkonzept auch höhere Bauteilausnützungen für den Wechselrichter als etwa bei Dreiphasen-Anordnungen erreichen.With an approximately rectangular magnetic flux density in the pole area According to Figure 5, the most favorable current distribution is to achieve high forces at maximum efficiency, it is assumed to be constant over the pole pitch as well Course of power distribution. As described elsewhere, you can get through the multi-phase concept also means higher component utilization for the inverter than about three-phase arrangements.

Um eine besonders verlustarme Energieumwandlung und eine hohe Bauteilausnützung bei Maschine und Wechselrichter zu erzielen, erweist sich eine größere Phasenzahl als 3 als besonders günstig. Darüberhinaus lassen die Phasenzahlen 5 und 7 z.B. aufgrund einer günstigeren Betriebssymmetrie für den Aufbau der Schaltung für Maschinenwicklung und Wechselrichter einen kleineren Bauteilaufwand bzw. eine einfachere Lösung zu als gerade Phasenzahlen.A particularly low-loss energy conversion and high component utilization A greater number of phases has been found to be achieved in the machine and inverter than 3 as particularly cheap. Furthermore, the phase numbers 5 and 7 allow e.g. due to a more favorable operating symmetry for the construction of the circuit for machine winding and inverters reduce the number of components required or provide a simpler solution than even phase numbers.

Die Reluktanzmaschine mit lamelliertem Rotor und Stromorientie Werden die lamellierten dreieckförmigen Pole 5 dort miteinander magnetisch leitfähig verbunden (7), wo bislang der Permanentmagnet angeordnet war, so entsteht ein magnetisch passiver Rotor entsprechend Bild 6. Die Breite der "Lücke" der Polelemente bestimmt über die Zahl der Ankerspulen ( die für die Erregung des magnetischen Feldes wirksam sind, die Felddichte im Polbereich. Wird wieder eine Vielphasenwicklung angenommen, so lassen sich die das Feld und die Ankerströme im Polbereich bestimmenden Spulenströme getrennt einstellen. Es wird angenommen, daß sie durch Schalteingriffe in den jeweiligen Wechselrichterphasen beeinflußt werden können. Dieses Verfahren wurde mit "Stromorientierung" bezeichnet.Becoming the reluctance machine with laminated rotor and current orientation the laminated triangular poles 5 there connected to one another in a magnetically conductive manner (7), where the permanent magnet was previously located, a magnetically passive one is created Rotor according to Figure 6. The width of the "gap" of the pole elements is determined by the number of armature coils (which are effective for exciting the magnetic field are the field density in the pole area. If a multi-phase winding is assumed again, in this way the coil currents which determine the field and the armature currents in the pole area can be determined separated to adjust. It is assumed that they are switched by switching operations can be influenced in the respective inverter phases. This method was called "current orientation".

Die magnetische Flußdichte, die den Feldlinien b1 und b2 entspricht, wird durch die der Lücke zugehörigen Spulenströme (z.B. zwei) der Durchflutung G f hervorgerufen. Das magnetische Feld ist durch die gewählte Polgeometrie praktisch wieder gleichmäßig über die gesamte Polbreite verteilt. Da bei der Erregung von der Ankerwicklung aus der hohen Leitfähigkeit des magnetischen Hauptkreises einschließlich dem kleinen Luftspalt eine besonders hohe Bedeutung zukommt, sollten hierbei die Schlitze 6 zwischen den Lamellen und damit auch die Lamellenteilung kleingehalten werden. Um hohe mittlere Kraftdichten zu erreichen, ist der Anteil der Pollücke an der Polteilung zu begrenzen. Daraus folgt, daß die Polteilung der Reluktanzmaschine normalerweise größer gewählt wird, als die einer permanent-erregten Synchronmaschine.The magnetic flux density, which corresponds to the field lines b1 and b2, is determined by the coil currents associated with the gap (e.g. two) of the flow rate G f caused. The magnetic field is practical due to the selected pole geometry again evenly distributed over the entire width of the pole. As with the excitement of the armature winding from the high conductivity of the main magnetic circuit including the small air gap is of particular importance, the Slots 6 between the slats and thus also the slat spacing kept small will. In order to achieve high mean force densities, the proportion of the pole gap is to limit at the pole pitch. It follows that the pole pitch of the reluctance machine is normally chosen larger than that of a permanently excited synchronous machine.

Durch elektrische Erregung vom Anker aus lassen sich unter diesen Voraussetzungen ebenfalls hohe Flußdichten im Polbereich erzielen. Durch die lamellierte Polanordnung kann die Feldverformung durch die Ankerströme gegenüber anderen bekannten Lösungen stark zurückgedrängt werden. Bild zeigt das Leerlauffeld Bb erregt von den Spulen f und das durch die Anteile aller Spulen 01 erzeugte resultierende Gesamta feld.With electrical excitation from the armature, these Requirements also achieve high flux densities in the polar area. Through the laminated Pole arrangement can be the field deformation by the armature currents compared to other known Solutions are strongly pushed back. Picture shows the idle field Bb excited by the coils f and the resulting total a generated by the proportions of all coils 01 field.

Die Verkleinerung der Feldverzerrung ist bei Reluktanzmaschinen von ähnlicher Bedeutung wie im Falle der permanenterregten Synchronmaschinen. Durch kleinere Ankerrückwirkung lassen sich höhere Kraftdichten bei gegebenem Strom und höhere Bauteilausnützungen beim Wechselrichter sowie ein günstigeres Kommutierungsverhalten erzielen.The field distortion reduction in reluctance machines is from similar importance as in the case of permanent magnet synchronous machines. By smaller armature feedback allows higher force densities for a given current and higher component utilization in the inverter as well as more favorable commutation behavior achieve.

Die wechselrichtergespeiste Reluktanzmaschine erreicht unter den genannten Voraussetzungen ähnlich hohe Kraftdichten wie permanent-erregte Maschinen. Der Wegfall der Permanentmagnete bedeutet eine Kostenersparnis und eine Vereinfachung der Maschinenherstellung. Es kommt hinzu, daß die Stellbarkeit der Erregung, wie sie bei Vielphasenwicklungen mit unabhängig voneinander gespeisten Strängen besteht, beachtliche betriebliche Vorteile bietet. Das Stell- und Regelverhalten einer Reluktanzmaschine dieses Typs ähnelt dem Verhalten einer im Feld- und Ankerstrom getrennt stellbaren (fremderregten) Gleichstrommaschine.The inverter-fed reluctance machine achieves among those mentioned Requirements similarly high force densities as permanently excited machines. The elimination the permanent magnet means a cost saving and a simplification of the machine production. In addition, the adjustability of the excitation, as it is with multi-phase windings with independently fed strands, considerable operational Offers advantages. The setting and control behavior of a reluctance machine of this type resembles the behavior of a separately adjustable (separately excited) in the field and armature current DC machine.

Für sicherheitsempfindliche Anordnungen kann die über den Spulenstrom vorzunehmende Entregung der Maschine ein sehr positives Merkmal sein. Es lassen sich bei entsprechender Wicklungsaufteilung auch Teilbereiche der Maschine im Störungsfalle abschalten, während ungestörte Sektoren in Betrieb bleiben.For security-sensitive arrangements, the coil current De-excitation of the machine to be carried out can be a very positive feature. Leave it With the appropriate winding division, parts of the machine can also be found in the event of a malfunction switch off while undisturbed sectors remain in operation.

Insbesondere durch die Kombination eines lamellierten Rotors mit einer Vielphasenwicklung und entsprechender Wechselrichterspeisung stellt das Reluktanzkonzept eine für viele Anwendungen gut anpaßbare Lösung dar. Sie entspricht der gewünschten hohen Güte der Energieumwandlung (hoher Wirkungsgrad) bei günstigen Voraussetzungen für die Regelung fast beliebiger Prozesse mit unterschiedlichen Anforderungen.In particular by combining a laminated rotor with a The reluctance concept represents multi-phase winding and the corresponding inverter feed a solution that can be easily adapted to many applications. It corresponds to the desired one high quality of energy conversion (high efficiency) with favorable conditions for the control of almost any process with different requirements.

Für Anwendungen mit besonders hohen Ansprüchen im Hinblick auf Wirkungsgrad und Kraftdichte der Maschine ist es möglich, eine weitere Verbesserung des Reluktanzkonzepts dadurch zu erzielen, daß mit Hilfe von Permanentmagneten das Ankerfeld leistungslos kompensiert wird. Auch hierbei ist zur Erzielung einer Feldentzerrung im gesamten Bereich des Pols davon auszugehen, daß lamellierte Polelemente entsprechend Bild 6 existieren. Es ist auch in diesem Fall besonders günstig, die Lamellenteilung kleiner als die Nutteilung des Stators zu wählen. Zur Kompensation des auf Feldbahnen a von den Strömen des Ankers erzeugten Magnetfeldes werden Permanentmagnete in den Schlitzen des lamellierten Rotors angewendet. Die Magnetisierungsrichtung verläuft quer zu den Schlitzen. Es zeigt sich, daß die Anwendung von Ferrit-Magneten zur Kompensation von Ankerstrombelägen bis zu etwa 1200 A/cm ausreicht. Durch Verminderung der Schlitzbreite lassen sich mit demselben Material Feldentzerrungen auch bei kleineren Strombelägen vornehmen.For applications with particularly high demands in terms of efficiency and power density of the machine, it is possible to further improve the reluctance concept to achieve that with the help of permanent magnets the armature field without power is compensated. Here, too, is to achieve a field equalization in the whole In the area of the pole, it is assumed that there are laminated pole elements as shown in the figure 6 exist. In this case, too, it is particularly advantageous to use the lamellae division to be smaller than the slot pitch of the stator. To compensate for the field railways a magnetic field generated by the currents of the armature are permanent magnets in the Laminated rotor slots applied. The direction of magnetization runs across the slots. It turns out that the use of ferrite magnets for Compensation of armature current coatings up to about 1200 A / cm is sufficient. By diminishing the slot width, the same material can be used to rectify the field even with smaller ones Make current coatings.

Mit Ferrit-Magnetmaterial können somit verhältnismäßig starke Ankerfelder kompensiert werden.Relatively strong armature fields can thus be achieved with ferrite magnetic material be compensated.

Bild 8 zeigt eine Anordnung, die sehr weitgehend derjenigen von Bild 6 entspricht. Teil 5 bezeichnet wieder die Weicheisenlamellen. 6M steht für die in die Zwischenräume eingesetzten Permanentmagnete, die den gesamten Raum der Schlitze ausfüllen.Fig. 8 shows an arrangement that is very largely that of Fig 6 corresponds. Part 5 again denotes the soft iron lamellae. 6M stands for Permanent magnets inserted in the spaces that cover the entire space of the slots to complete.

Bild 9 gibt den Verlauf der Flußdichte unter Last an.Figure 9 shows the course of the flux density under load.

Vermindert sich die Größe der Ströme in den Spulen, tritt eine Feldverformung in umgekehrter Richtung im Vergleich zu Bild 7 auf. Hierbei kann aber davon ausgegangen werden, daß bei verkleinerter Umfangskraft die Nachteile der Feldverzerrung keine besondere Rolle mehr spielen. Die nun in umgekehrter Richtung auftretende Verformung des Feldverlaufs hat z.B. den Vorteil, daß der Kommutierungsvorgang beschleunigt abläuft. Das resultierende Feld längs des Umlaufs a verschwindet.If the size of the currents in the coils is reduced, a field deformation occurs in the opposite direction compared to Figure 7. However, it can be assumed here be that with reduced circumferential force the disadvantages of field distortion no play a special role. The deformation now occurring in the opposite direction the field profile has the advantage, for example, that the commutation process is accelerated expires. The resulting field along the revolution a vanishes.

Feldstellbare Maschinen mit Permanenterregung a) Kombination aus Permanenterregung und Ankererregung Die oben beschriebene Ertüchtigung der Sammlerkonfiguration und die Möglichkeit der Erregung über den Anker mit Hilfe einer Vielphasenanordnung lassen sich kombinieren. Es läßt sich mit diesen Mitteln erreichen, daß für einen bestimmten Erregungs grad (eine bestimmte Flußdichte des Leerlauffeldes) die Erregung ausschließlich leistungslos von den Permanentmagneten erzeugt wird, während höhere oder niedrigere Felddichten unter Zuhilfenahme der Ankererregung bereitgestellt werden. Dies entspricht dem für manche Anwendung bekannten Ablauf, bei dem Betriebszustände mit maximalem Feld und auch jene mit minimalem Feld nur kurzzeitig im Vergleich zu denen mit mittlerer Felddichte auftreten.Field-adjustable machines with permanent excitation a) Combination of permanent excitation and armature excitation The upgrading of the collector configuration and described above the possibility of excitation via the armature with the help of a multi-phase arrangement can be combined. With these means it can be achieved that for one certain degree of excitation (a certain flux density of the no-load field) the excitation is generated exclusively without power by the permanent magnets, while higher or lower field densities are provided with the aid of armature excitation will. This corresponds to the sequence known for some applications, in which the operating states with maximum field and also those with minimum field only briefly in comparison to those with medium field density.

Bild 10 zeigt eine entsprechend bemessene Magnetanordnung 1 mit lamellierten Weicheisenpolen 5. Die Pollücke ist hierbei ähnlich wie bei der Reluktanzversion so breit gestaltet, daß die notwendige ErregerdurchflutungOf zur Verstellung des Leerlauffeldes verfügbar ist. Da die vom Permanentmagneten zu erzeugende Felddichte Bm nun niedriger liegt als bei ausschließlicher Permanenterregung (Bild 4), läßt sich die Höhe des Permanentmagneten reduzieren. Sie kann z.B. bei Verwendung von Seltenerden-Kobaltmagneten noch unter 1 cm liegen, wenn Bm-Werte zwischen o,4 und o,5 T erreicht werden sollen. Berücksichtigt man das Flächenverhältnis von Magnet und Polfläche von etwa 2, so bedeutet der Magnet mit einer Höhe von o,8 eine fiktive Luftspaltvergrößerung von etwa o,2 cm. Es wird somit deutlich, daß mit einer begrenzten Durchflutung @f Flußdichten Bf von o,2 bis o,3 T erreichbar sind, In Bild 11 ist der Verlauf der Flußdichte für drei Fälle dargestellt.Figure 10 shows a suitably dimensioned magnet arrangement 1 with laminated Soft iron poles 5. The pole gap is similar to that of the reluctance version designed so wide that the necessary excitation flowOf to adjust the Idle field is available. Since the field density to be generated by the permanent magnet Bm is now lower than with exclusive permanent excitation (Fig. 4) reduce the height of the permanent magnet. For example, it can be used when using Rare earth cobalt magnets are still below 1 cm if Bm values between 0.4 and o.5 T should be achieved. Taking into account the area ratio of the magnet and a pole face of about 2, the magnet with a height of 0.8 means a fictitious one Air gap enlargement of about 0.2 cm. It is thus clear that with a limited Flooding @f Flux densities Bf from 0.2 to 0.3 T can be achieved, in picture 11 shows the course of the flux density for three cases.

Bm bezeichnet den Feldverlauf ohne Ankererregung. Bm + Bf gibt den erzielbaren Maximalwert an. Hierbei unterstützen sich die Wirkungen der Permanentmagnete und die der Ankererregung. B - B m f kennzeichnet den Minimalwert der Flußdichte. Die Ankererregung wirkt der Permanenterregung entgegen. Abhängig vom Magnetmaterial ist darauf zu achten, daß durch die Gegenerregung Zustände irreversibler Magnetisierung im Magnetmaterial vermieden werden.Bm denotes the course of the field without armature excitation. Bm + Bf gives the achievable maximum value. The effects of the permanent magnets support each other here and that of the armature excitation. B - B m f denotes the minimum value of the flux density. The anchor excitation counteracts the permanent excitation. Depending on the magnet material care must be taken that the counter-excitation results in irreversible magnetization be avoided in the magnet material.

Innerhalb der beschriebenen Grenzen der Flußdichte ist deren Einstellung mit Hilfe der Ankerströme stufenlos möglich.The setting of the flux density is within the described limits infinitely variable with the help of the armature currents.

Das Konzept der Mischerregung ist im Vergleich zu anderen Lösungen dann besonders vorteilhaft, wenn die Dicke der Permanentmagnete gering angesetzt werden kann. Dies trifft für hochwertige Magnetmaterialien wie Seltenerden-Kobalt-Magnete stärker zu als etwa für Ferrit-Magnete. Im Vergleich zu einer starren Permanenterregung lassen sich beträchtliche Einsparungen an Magnetmaterial erzielen. Im Vergleich zur Reluktanzversion treten die durch die Erregerströme verursachten Wicklungsverluste zurück, wenn die Betriebsphasen mit geringer Erregung zeitlich überwiegen. Die zur Feldbeeinflussung notwendige Stromaufschaltung für die Spulen der Pollücke ist mit kleiner Zeitkonstante und damit verzögerungsarm durchführbar.The concept of mixer excitation is compared to other solutions particularly advantageous if the thickness of the permanent magnets is set low can be. This applies to high-quality magnetic materials such as rare earth cobalt magnets stronger than for example for ferrite magnets. Compared to a rigid permanent excitation considerable savings in magnet material can be achieved. In comparison the winding losses caused by the excitation currents add to the reluctance version back when the operating phases with low excitation predominate in terms of time. The for Field influence necessary current connection for the coils of the pole gap is with small time constant and thus feasible with little delay.

b) Mechanische Veränderungen des magnetischen Kreises Für eine Anzahl von Anwendungen ist eine sehr schnelle Änderung des magnetischen Feldes nicht notwendig. Es kann dann davon ausgegangen werden, daß z.B. ein Stellmotor oder ein Kraftverstärker mit Zwischenspeicher zur Bewegung eines mechanischen Teils herangezogen wird, das seinerseits die Leitfähigkeit des magnetischen Kreises verändert. Der vom Permanentmagneten erregte magnetische Kreis besteht im Rotor aus dem Magneten selbst und aus Weicheisenteilen. Bei einer Anordnung nach Bild 1 (Flachmagnet) ist ein mechanischer Eingriff zur Veränderung der Leitfähigkeit sehr schwierig und kaum praktisch durchführbar.b) Mechanical changes in the magnetic circuit for a number A very rapid change in the magnetic field is not necessary for applications. It can then be assumed that e.g. a servomotor or a power amplifier is used with a buffer to move a mechanical part that in turn changes the conductivity of the magnetic circuit. The one from the permanent magnet The excited magnetic circuit in the rotor consists of the magnet itself and soft iron parts. In the case of an arrangement according to Figure 1 (flat magnet), mechanical intervention is required Changing the conductivity very difficult and hardly practicable.

Letzteres gilt zumindest für rotierende elektrische Maschinen.The latter applies at least to rotating electrical machines.

Für Anordnungen nach Bild 2 bzw. 4 besteht die Möglichkeit, durch kleine Modifikationen der Form des Sammlers einen stellbaren magnetischen Nebenweg zum Nutzspalt auszuführen.For arrangements according to Fig. 2 or 4 there is the possibility to go through small modifications to the shape of the collector an adjustable magnetic bypass to carry out the useful gap.

Wie Bild 12 zeigt kann in der dem Luftspalt 6 abgewandten Magnetbegrenzung ein verschiebbares Weicheisenteil K zur Beeinflussung der Luftspaltflußdichte angewendet werden.As shown in Figure 12, in the magnet delimitation facing away from the air gap 6 a movable soft iron part K is used to influence the air gap flux density will.

In Stellung A wird der am Magnetende sich ausbildende Streufluß durch das Stellelement K praktisch nicht vergrößert.In position A, the stray flux that forms at the end of the magnet is passed through the adjusting element K is practically not enlarged.

Im Nutzspalt stellt sich der Höchstwert der Flußdichte BA (Bild 13) ein. Wird K mit Hilfe einer Verschiebevorrichtung in Stellung B gebracht, so vergrößert sich der Streufluß (Feldlinie c) erheblich. So kann z.B. zwischen 3O und 4O % des vom Magneten erzeugten Flusses über den Nebenweg c verlaufen. Das Luftspaltfeld b wird damit geschwächt. Dies ist im Bild 13 mit einer entsprechend kleineren Felddichte BB dargestellt. Durch Zwischenstellung von K lassen sich stufenlos Zwischenwerte der Flußdichte innerhalb der Grenzen BA und BB einstellen. Die Verschiebung von K aus der Stellung A erfordert größere mechanische Kräfte. Durch eine Feder mit entsprechender Charakteristik oder ein anderes Speicherelement können die Kräfte in der Summe weitgehend ausgeglichen werden; der Antrieb K kann sich auf das Aufbringen der geringen Differenzkräfte zwischen Feder und Magnet beschränken.The maximum value of the flux density BA is found in the useful gap (Fig. 13) a. If K is brought into position B with the aid of a shifting device, it is enlarged the leakage flux (field line c) increases considerably. For example, between 3O and 4O% of the the flux generated by the magnet run via the byway c. The air gap field b is thereby weakened. This is shown in Figure 13 with a correspondingly smaller field density BB shown. By intermediate setting of K, intermediate values can be set continuously set the flux density within the limits BA and BB. The shift from K from position A requires greater mechanical forces. By a spring with corresponding characteristics or another storage element can be the forces be largely balanced in total; the drive K can focus on the application limit the small differential forces between the spring and magnet.

Bei einer rotierenden Maschine lassen sich die Stellelemente K zu einer Art Käfig zusammenfassen. Die Bewegung dieses Käfigs in Umfangsrichtung kann durch einen gemeinsamen Antrieb vorgenommen werden. Wie Bild 12 erkennen läßt, besteht noch genügend Raum für die Befestigung der Polelemente, auch dann, wenn für die Stellelemente K der Verschiebeweg berücksichtigt wird.In the case of a rotating machine, the adjusting elements K can be used summarize a kind of cage. The movement of this cage in the circumferential direction can can be made by a common drive. As Figure 12 shows, there is there is still enough space for the attachment of the pole elements, even if for the Adjusting elements K the displacement is taken into account.

Es ist zweifellos vorteilhaft für die Ausführung der Stellorgane und für die Konstruktion des Rotors' daß die Stellbewegung in Umfangs richtung nur etwa ein Viertel der Polteilung umfaßt. Dies ist ein Ergebnis, das der Verwendung der Sammlerkonfiguration zuzuschreiben ist.It is undoubtedly beneficial for the execution of the actuators and for the construction of the rotor 'that the adjusting movement in the circumferential direction is only about a quarter of the pole pitch includes. This is a result that the Use of the collector configuration is attributable.

Für Anwendungen bei magnetischen Lagern oder bei Linearmotoren ist die vom Magnetfeld erzeugte Normalkraft und deren Stellbarkeit von erheblichem zusätzlichen Interesse. Die Stellbarkeit des Feldes im Nutzspalt kann dabei zur Steuerung bzw. Regelung der Normalkraft Verwendung finden. An die Stelldynamik werden dabei erhöhte Anforderungen gestellt. Die Normalkraft wird zur Kompensation der Gewichtskräfte herangezogen. Da der Massenanteil des Stellelements K klein ist und sich die auf K wirkenden magnetischen Reaktionskräfte sehr weitgehend kompensieren lassen, kann durch ein schnell wirksames Stellorgan (z.B. ein hydraulischer Kraftverstärker) eine sehr große Beschleunigung erzielt werden. Dank der begrenzten Verschiebestrecke und der geringen Eigenmasse von K lassen sich auch kleine Stellzeiten erreichen. Innerhalb dieser Stellzeit erfolgt die Änderung des magnetischen Feldes zwischen den Grenzen BA und BB. Die Normalkraft ist proportional B² und ändert sich entsprechend. Es erscheint somit sehr aussichtsreich, die Verschiebung der Stellelemente K auch zur Regelung des Spaltes mit Hilfe der Normalkräfte einzusetzen. Gegenüber herkömmlichen Tragkraftregelungen auf elektromagnetischer Basis treten bei dem hier beschriebenen Verfahren die günstige Dimensionierung des Magnets sowie die geringe Masse der Stellelemente und die daraus folgende hohe Stelldynamik vorteilhaft in Erscheinung. Zur Anwendung bei magnetischen Lagern für rotierende Körper muß eine selbständige Betätigung der Stellelemente K in verschiedenen -Sektoren möglich sein, wenn Lagerkräfte in den beiden Hauptrichtungen verwirklicht werden sollen. Dabei lassen sich bei symmetrischer Anordnung die Stellelemente an verschiedenen Polen gegensinnig auslenken.For applications with magnetic bearings or with linear motors the normal force generated by the magnetic field and its adjustability of considerable additional Interest. The adjustability of the field in the useful gap can be used to control or Find regulation of normal force use. The control dynamics are increased Requirements. The normal force is used to compensate for the weight forces used. Since the mass fraction of the adjusting element K is small and the on K can compensate for the acting magnetic reaction forces very largely by a fast acting actuator (e.g. a hydraulic power booster) a very large acceleration can be achieved. Thanks to the limited shifting distance and the low net weight of K, short positioning times can also be achieved. The change in the magnetic field takes place between the limits BA and BB. The normal force is proportional to B² and changes accordingly. It thus appears very promising, as does the shifting of the adjusting elements K to regulate the gap with the help of normal forces. Compared to conventional Electromagnetic load capacity regulations occur in the case of the one described here Process the favorable dimensioning of the magnet and the low mass of the actuating elements and the resulting high adjusting dynamics are advantageous in appearance. To use in the case of magnetic bearings for rotating bodies, the Adjusting elements K in different sectors may be possible if bearing forces are in the both main directions are to be realized. With symmetrical Arrangement deflect the adjusting elements at different poles in opposite directions.

Bild 14 zeigt eine im Vergleich zum Bild 12 modifizierte Stellanordnung. Das Weicheisen-Stellelement K ist Teil eines Zylinders und kann durch Drehung der Welle W zum Eingriff mit dem Magnet gebracht werden. Zum Vergleich zur Anordnung nach Bild 12 wird nun in Umfangsrichtung Raum gespart. Im übrigen gilt auch für diese Anordnung ein ähnliches Verhalten wie oben für Bild 12 beschrieben.Figure 14 shows a modified positioning arrangement compared to Figure 12. The soft iron control element K is part of a cylinder and can be turned by rotating the Shaft W are brought into engagement with the magnet. For comparison to the arrangement according to picture 12 space is now saved in the circumferential direction. Furthermore A behavior similar to that described above for Figure 12 also applies to this arrangement.

Die zusammen mit den Bildern 12 und 14 beschriebenen Magnetanordnungen sind bezüglich des Stellantriebs nicht an eine bestimmte Antriebsart gebunden. Es besteht hierbei jedoch die Möglichkeit, auch einen elektrischen Antrieb (linear oder rotierend) vorzusehen.The magnet arrangements described together with Figures 12 and 14 are not tied to a specific drive type with regard to the actuator. It However, there is also the option of using an electric drive (linear or rotating).

Die lamellierte Form der Polelemente läßt sich so modifizieren, daß eine Flußsperrung über die gesamte Magnethöhe erzielbar wird. Bild 15a zeigt eine Anordnung, bei der parallel zum Magnet 1 zwei vertikale verschiebliche Elemente M in der Teilung der Lamellen angebracht sind. In Stellung A wird der magnetische Fluß im Vergleich zur Anordnung Bild 4 (ungeteilte Lamellen) praktisch gleich gut geführt. Es wird in dieser Stellung im Spalt die maximale Flußdichte BA erreicht (Bild 11). Wird hingegen das verschiebliche Lamellengitter M um eine halbe Teilung nach unten versetzt, so treten an den Ubergängen zwischen M und den Lamellen 5 Flußeinengungen auf. Damit ergibt sich für Stellung B die verringerte Flußdichte BB im Nutzspalt. Je nach Formgebung der einzelnen Elemente läßt sich BB auch auf noch tiefere Werte im Vergleich zu BA einstellen. Zur Verschiebung der Elemente M lassen sich wieder Stellantriebe beliebiger Art heranziehen. Das Lamellengitter M läßt sich auch einseitig ausführen.The lamellar shape of the pole elements can be modified so that a flux blockage over the entire height of the magnet can be achieved. Figure 15a shows one Arrangement in which two vertically displaceable elements parallel to the magnet 1 M are attached in the pitch of the slats. In position A the magnetic The flow is practically equally good in comparison with the arrangement in Fig. 4 (undivided lamellas) guided. In this position, the maximum flux density BA is reached in the gap (Picture 11). If, however, the slidable louvred grille M by half a division offset downwards, there are 5 flow restrictions at the transitions between M and the lamellae on. This results in the reduced flux density BB in the useful gap for position B. Depending on the shape of the individual elements, BB can also be set to even lower values adjust compared to BA. To move the elements M can again Use any type of actuator. The louvred grille M can also be one-sided carry out.

Bild 15b deutet an, daß die Möglichkeit besteht, die Zwischenräume M6 der Weicheisenlamellen wie die Nuten elektrischer Maschinen mit stromführenden Leitern zu füllen. Dabei kann zur Verringerung des magnetischen Ubergangswiderstandes vom Magnet zum Stellelement auch eine teilweise geschlossene Nutanordnung wie in Bild 15c gewählt werden.Figure 15b indicates that there is a possibility of the spaces M6 of the soft iron lamellas like the grooves of electrical machines with live To fill ladders. In doing so, the magnetic transition resistance can be reduced from the magnet to the actuator also a partially closed groove arrangement as in Figure 15c can be selected.

Für die angegebene Feld- und Stromrichtung entsteht wie bei einem Linearantrieb eine nach unten wirkende Stellktaft F.For the specified field and current direction, the result is the same as for a Linear actuator a downward acting actuator F.

Sie ist der Summe der Produkte aus Strom und Dichte des magnetischen Feldes proportional. Bei Umkehrung der Stromrichtung kann die Richtung der Kraft umgekehrt werden.It is the sum of the products of the current and the density of the magnetic Proportional to the field. When the direction of the current is reversed, the direction of the force be reversed.

Geht man davon aus, daß die durch die Verschiebung des Weicheisenelements verursachte Reluktanzkraft durch eine Feder kompensiert wird, so ist die durch den Strom hervorgerufene Stellkraft für die Beschleunigung des beweglichen Elementes M im vollen Umfang nutzbar. Es läßt sich zeigen, daß günstige Voraussetzungen bestehen, um mit begrenztem Strom hohe Stellbeschleunigungen und eine schnelle Flußänderung im Nutzspalt zu erzielen.It is assumed that the movement of the soft iron element caused reluctance force is compensated by a spring, then the one by the Current generated actuating force for the acceleration of the movable element M can be used to the full extent. It can be shown that favorable conditions exist in order to achieve high actuating accelerations and a rapid change in flux with a limited current to achieve in the useful gap.

Wie die Skizzen 15a bis 15c zeigen, erweist sich für M eine ungefähr gleiche Aufteilung des Raumes in Weicheisenlamelle und Nut als besonders günstig zur Erzielung einer wirksamen Flußabsperrung. Für Linearmotoranordnungen erscheint weiter die Verbindung der Leiter aus dem Bereich benachbarter Magnete zu Spulen als eine sehr günstige Lösung.As the sketches 15a to 15c show, an approximate turns out to be for M equal division of the space into soft iron lamella and groove as particularly favorable to achieve an effective flow shut-off. For linear motor arrangements appears further the connection of the conductors from the area of neighboring magnets to coils as a very cheap solution.

Die beschriebenen Stellvorrichtungen zur Beeinflussung des magnetischen Feldes im Nutzspalt lassen sich als Steuerungen oder Regelungen betreiben. Im Falle der Anordnung nach Bild 15 wird der Strom, der in denStellelementenMangeordneten Leiter, über ein elektrisches Stellglied und einen Regler ausgesteuert.The adjusting devices described for influencing the magnetic Field in the useful gap can be operated as controls or regulators. In the event of the arrangement according to Fig. 15 is the current that is arranged in the actuating elements M. Head, controlled by an electric actuator and a controller.

Hierbei kann in bekannter Weise der Luftspalt berechnet oder gemessen und mit einem Sollwert verglichen werden. Das Differenzmaß der Luftspaltabweichung und eine ebenfalls ermittelte Spalt-Änderungsgeschwindigkeit werden für die Größe der Stromaussteuerung durch den Regler zugrundegelegt. Da die Anordnung 1 5 außer einer geringen Masse auch eine sehr geringe Stellauslenkung bedingt, lassen sich sehr große Stellgeschwindigkeiten mit begrenzter Stelleistung erreichen. Die Schweberegelung kann mit geringem Aufwand an elektrischen Bauelementen realisiert werden. Unter Verzicht voller Symmetrie läßt sich die Flußsperrung mit Hilfe des Lamellengitters M auch auf nur einer Seite des Magneten ausführen.The air gap can be calculated or measured in a known manner and compared with a target value. The difference in the air gap deviation and a gap change rate also determined are for the size based on the current modulation by the controller. Since the arrangement 1 5 except a very small adjustment deflection caused by a low mass, can achieve very high actuating speeds with limited actuating power. The levitation control can be implemented with little expenditure on electrical components. Under The flow blockage can be done without full symmetry with the help of the lamellar grille Also do M on only one side of the magnet.

Claims (11)

Schutzansprüche 1. Elektrische Maschinen oder magnetische Tragvorrichtung bestehend aus einem feststehenden Teil (Stator) und einem beweglichen Teil (Rotor, Translator bzw. Erregerteil), die beide durch einen Luftspalt (Nutzspalt) getrennt sind, innerhalb dessen ein magnetisches Feld wirksam ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß im Rotor bzw. Erregerteil das magnetische Feld in einer lamellierten Weicheisen-Polanordnung,die nichtmagnetische Zwischenräume besitzt und deren Lamellen in der Richtung der stromführenden Leiter des Stators verlaufen, geführt wird, wobei die Weicheisenlamellen entweder beidseitig an den Luftspalt (Bild 6) oder an den Luftspalt und an Permanentmagnete (Bild 4) angrenzen. Protection claims 1. Electrical machines or magnetic support devices consisting of a fixed part (stator) and a moving part (rotor, Translator or exciter part), both of which are separated by an air gap (useful gap) within which a magnetic field is effective, indicated by that in the rotor or exciter part the magnetic field in a laminated soft iron pole arrangement, the Has non-magnetic gaps and their lamellae in the direction of the current-carrying Head of the stator run, is guided, with the soft iron lamellas either on both sides on the air gap (Fig. 6) or on the air gap and on permanent magnets (Picture 4). 2. Ausführung des Erregerteils einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Lamellenquerschnitt in der Summe etwa gleich den entsprechenden Zahnquerschnitten ist,mit einer trapezähnlichen Form der Polelemente ausreichend große Zwischenräume ermöglicht und somit eine gleichmäßige Verteilung der Leerlaufflußdichte über die Polbreite und bei Vorhandensein von Statorströmen eine geringe Feldverzerrung erreicht wird. 2. Execution of the excitation part of an electrical machine according to claim 1, d a d u r c h, that the lamellar cross-section is roughly the same in total the corresponding tooth cross-sections, with a trapezoidal shape of the pole elements Enables sufficiently large spaces and thus an even distribution the no-load flux density across the pole width and in the presence of stator currents a low field distortion is achieved. 3. Ausführung des Erregerteils einer elektrischen Maschine nach obigen Ansprüchen, d a d u r c h gekennzeichnet, daß für große Ankerdurchflutungen die Lamellenteilung kleiner ist als die Nutteilung des Stators. 3. Execution of the excitation part of an electrical machine according to the above Claims, d a d u r c h, that for large anchor fluxes the The lamellar pitch is smaller than the slot pitch of the stator. 4. Ausführung des Erregerteils einer elektrischen Maschine nach obigen Ansprüchen, d a d u r c h gekennzeichnet, daß für kleine Ankerdurchflutungen jeder Teilpol aus nur einer Lamelle, einem Weicheisenelement in Dreieckform besteht und zwischen den Teilpolen ein Abstand eingehalten wird. 4. Execution of the excitation part of an electrical machine according to the above Claims, d a d u r c h, that for small anchor fluxes each Partial pole consists of only one lamella, a soft iron element in a triangular shape and a distance is maintained between the partial poles. 5. Elektrische Maschine mit nach obigen Ansprüchen lamelliert ausgeführtem Erregerteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator eine Vielphasenwicklung mit einer Nutzahl größer als 3 je Polteilung besitzt und die dem Polbereich zugeordneten Nuten (bei Vollast) Ströme gleicher Größe führen, während die Ströme, die der Pollücke zugeordnet sind, bei Maschinen mit passivem Rotor (Bild 6) bzw. bei Mischerregung (Bild 8) das Leerlauf feld bestimmen, während sie bei (ausschließlicher) Erregung durch Permanentmagnete null sind.5. Electrical machine with laminated according to the above claims executed Excitation part, characterized in that the stator has a multi-phase winding a number of slots greater than 3 per pole pitch and assigned to the pole area Grooves (at full load) carry currents of the same size, while the currents that of the pole gap are assigned, for machines with passive rotor (Fig. 6) or with mixer excitation (Fig. 8) Determine the idle field while under (exclusive) excitation are zero due to permanent magnets. 6. Elektrische Maschine mit nach obigen Ansprüchen lamelliert ausgeführtem Erregerteil, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Spulen mit ihren Anschlüssen herausgeführt, die Ströme einzeln stellbar sind und die der Pol lücke zugeordneten Spulen bei Maschinen mit Ankererregung mit ihren Strömen ein stellbares Leerlauffeld ermöglichen.6. Electrical machine with laminated according to the above claims executed Excitation part, indicated by the fact that the coils with their connections led out, the currents are individually adjustable and the pole gap assigned Coils in machines with armature excitation with their currents an adjustable no-load field enable. 7. Elektrische Maschine mit nach obigen Ansprüchen lamelliert ausgeführtem Erregerteil, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Phasenzahl und mit ihr die Nutenzahl je Polteilung ungerade, und zwar bevorzugt 5 oder 7 ist.7. Electrical machine with laminated according to the above claims executed Excitation part, that is, that the number of phases and with it the number of slots per pole pitch is odd, preferably 5 or 7. 8. Eleketrische Maschine oder magnetische Traganordnung mit nach obigen Ansprüchen lamelliert ausgeführtem Erregerteil, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Stellbarkeit des magnetischen Feldes durch den Streufluß vergrößernde Stellelemente (Stellelemente K in Bild lo und Bild 12) erreicht wird.8. Electric machine or magnetic support assembly with the above Claims laminated executed exciter part, d a d u r c h characterized that the adjustability of the magnetic field by the stray flux increasing adjusting elements (Control elements K in Fig. Lo and Fig. 12) is achieved. 9. Elektrische Maschine und/oder magnetische Traganordnung mit nach obigen Ansprüchen lamelliert ausgeführtem Erregerteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellbarkeit des magnetischen Feldes durch ein parallel zur Magnetebene verschieblich angeordnetes Gitter aus Weicheisenelementen in der Teilung der Pollamellen erzielt wird.9. Electrical machine and / or magnetic support assembly with after The above claims laminated exciter part, characterized in that the adjustability of the magnetic field by a displaceable parallel to the magnet plane arranged grid of soft iron elements achieved in the division of the pole lamellas will. 10. Elektrische Maschine und/oder magnetische Traganordnung mit nach obigen Ansprüchen und Anspruch 7 beschriebenen Merkmalen d a d u r c h g e .k e n n z e i c h n e t daß die Stellkraft für die Verschiebung des gitterförmigen Stellelementes durch elektrische Ströme erzeugt wird, die in Leitern zwischen den Weicheisenlamellen fließen und die magnetische Reaktionskraft durch eine Feder oder ein entsprechendes Element kompensiert wird.10. Electrical machine and / or magnetic support assembly with after the above claims and claim 7 described features d a d u r c h g e .k e n n z e i c h n e t that the actuating force for the displacement of the lattice-shaped actuating element is generated by electrical currents in conductors between the soft iron lamellas flow and the magnetic reaction force by a spring or equivalent Element is compensated. 11. Elektrische Maschine mit lamelliert ausgeführtem passiven Erregerteil, insbesondere nach Anspruch 5, d a d u r c h gekennzeichnet, daß in die Schlitze zwischen den Weicheisenlamellen Permanentmagnetmaterial mit der Magnetisierungsrichtung quer zur Lamellenebene eingesetzt wird, so daß das Feld der Ankerwicklung (zB. bei Vollast) kompensiert wird.11. Electrical machine with laminated passive exciter part, in particular according to claim 5, characterized in that in the slots Permanent magnet material with the direction of magnetization between the soft iron lamellas is used transversely to the lamellar plane, so that the field of the armature winding (e.g. at Full load) is compensated.
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