DE3427103C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine veränderlicher Drehzahl mit permanentmagnetischer Läufererregung und einer Zusatzwicklung im Ständer.

Eine solche Maschine ist durch die DE-OS 14 88 353 bekannt. Die Zusatzwicklung dieser Maschine wird mit Gleichstrom gespeist und erzeugt einen von den Permanentmagneten unabhängigen Gleichfluß. Je nach Größe und Richtung dieses Gleichflusses wird der von den Permanentmagneten erzeugte Nutzfluß ver­ stärkt oder geschwächt. Die jeweils notwendige Veränderung des Gleichflusses erfolgt über eine entsprechende Regel- oder Steuervorrichtung.

Ohne besondere Maßnahmen induziert ein permanentmagneterregter Läufer in der Ständerwicklung eine der jeweiligen Drehzahl verhältnisgleiche Spannung. Wird eine solche Maschine an einem Stromrichter als Motor betrieben, wobei vorzugsweise in einem größeren Drehzahlbereich eine etwa konstante Leistung abzu­ geben ist, so beträgt die erforderliche Typenleistung des Stromrichters ein Mehrfaches der tatsächlichen Leistung. Auch bei permanentmagneterregten Generatoren veränderlicher Dreh­ zahl (z.B. Windkraftgeneratoren) ist eine Drehzahlproportio­ nalität der induzierten Spannung ein Nachteil, da meist eine praktisch konstante Verbraucherspannung erforderlich ist; dies bedingt eine aufwendige und verluststeigernde Leistungselek­ tronik mit besonderen Reglern.

Es ist bekannt, die angeführten Nachteile durch drehzahlge­ steuerte Umschaltungen der Ständerwickung zu vermindern, was jedoch bloß eine stufenweise Drehzahlanpassung ermöglicht und einen bedeutenden Aufwand für Schalteinrichtungen im Haupt­ stromkreis ergibt.

Es ist wohl möglich, den permanentmagneterregten Nutzfluß durch eine gesteuerte elektrische Gegenerregung mit steigender Dreh­ zahl zu schwächen, jedoch wird damit auf den Vorteil eines wicklungslosen Läufers verzichtet.

Es wurde ferner vorgeschlagen (US-PS 25 64 320), den Nutzfluß dadurch zu schwächen, daß ein Teil seines Eisenweges durch einen überlagerten elektrisch erregten Magnetfluß drehzahl­ abhängig gesättigt wird. Diese Sättigung benötigt jedoch viel­ fach beträchtliche elektrische Leistungen, erfordert besondere Regelungseinrichtungen und ergibt meist hohe zusätzliche Eisen­ verluste.

Es ist auch bekannt (US-PS 28 02 959), einen im Nebenschluß zum Nutzfluß verlaufenden Magnetfluß vorzusehen, dessen Größe elek­ trisch oder mechanisch geregelt wird, was eine mittelbare Rege­ lung des Nutzflusses ergibt. Die erforderlichen Regler sind vielfach sehr aufwendig und störanfällig.

Schließlich wurde auch vorgeschlagen, zwei gegeneinander ver­ drehbare, eine gemeinsame Ständerwicklung induzierende Teil­ läufer vorzusehen, deren Relativlage drehzahlgesteuert ist (DE-PS 8 39 061). Dies bedingt jedoch eine sehr aufwendige und verwickelte mechanische Ausbildung mit entsprechender Störan­ fälligkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile eine elektrische Maschine ver­ änderlicher Drehzahl mit permanentmagnetischer Läufererregung so auszubilden, daß sich ihre Klemmenspannung weniger als drehzahlproportional verändert oder sogar praktisch konstant bleibt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß die Zusatzwicklung nur von einem Teil des Permanentmagnetflusses induziert ist und einen oder mehrere Kondensatoren speist.

Fallweise sind den Kondensatoren induktive Blindwiderstände vor- oder parallel geschaltet oder der Parallelschaltung von Kondensatoren und induktiven Blindwiderständen gemeinsam induktive Blindwiderstände vorgeschaltet.

Zumindest ein Teil der induktiven Blindwiderstände kann durch besondere Ständerwicklungen der Maschine mit einer von der Läuferpolzahl abweichenden Polzahl gebildet sein.

Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungs­ beispiele wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Maschine, bei der der die Zusatzwicklung induzierende Teil des Permanent­ magnetflusses im Läufer abgezweigt ist,

Fig. 2 eine Prinzipschaltung einer Drehstrommaschine, deren dreiphasige Zusatzwicklung mit den von ihr gespeisten, im Stern geschalteten Kondensatoren einen gesonderten Stromkreis bildet,

Fig. 3 eine Prinzipschaltung einer Einphasenmaschine, deren dreiphasige Zusatzwicklung mit den im Dreieck ge­ schalteten Kondensatoren einen gesonderten Stromkreis bildet,

Fig. 4 eine Prinzipschaltung einer Drehstrommaschine analog Fig. 2, jedoch mit den Kondensatoren vorgeschalteten induktiven Blindwiderständen,

Fig. 5 eine Prinzipschaltung einer Drehstrommaschine analog Fig. 2, jedoch mit den Kondensatoren parallel­ geschalteten induktiven Blindwiderständen,

Fig. 6 eine Prinzipschaltung einer Drehstrommaschine analog Fig. 2, jedoch mit Parallelschaltung von Konden­ satoren und induktiven Blindwiderständen, denen ge­ meinsam induktive Blindwiderstände vorgeschaltet sind,

Fig. 7, 8 und 9 Prinzipschaltungen von Drehstrommaschinen, bei denen die Zusatzwicklung an der Erzeugung der Klemmenspannung beteiligt ist,

Fig. 10 einen Teilquerschnitt des Ständers einer Maschine, bei der die Zusatzwicklung an der Erzeugung der Klemmenspannung beteiligt ist und der diese Wicklung induzierende Teil des Permanentmagnetflusses auch die den restlichen Teil der Klemmenspannung erzeu­ gende Wicklung induziert,

Fig. 11 einen Teilquerschnitt des Ständers einer Maschine, deren aktive Teile in gleicher Weise wie bei der Maschine nach Fig. 10 zusammenwirken, die jedoch einen anderen konstruktiven Aufbau aufweist,

Fig. 12 eine Prinzipschaltung einer Einphasenmaschine nach Fig. 10 oder Fig. 11,

Fig. 13 eine Prinzipschaltung einer Einphasenmaschine mit an der Erzeugung der Klemmenspannung beteiligter dreiphasiger Zusatzwicklung,

Fig. 14 in abgewickelter Darstellung einen sich über den Bereich eines Polpaares erstreckenden Querschnitt einer Maschine mit am Luftspalt angeordneten Per­ manentmagneten und einer Zusatzwicklung, die die dreifache Polzahl des Läufers aufweist,

Fig. 15 den Verlauf der magnetischen Luftspalt-Flußdichte sowie ihrer Harmonischen erster und dritter Ordnung über einem Polpaar einer Maschine nach Fig. 14 im Stillstand der Maschine,

Fig. 16 den Verlauf der magnetischen Luftspalt-Flußdichte und ihrer Harmonischen erster Ordnung sowie der von der Zusatzwicklung herrührenden magnetischen Durch­ flutung über einem Polpaar einer Maschine nach Fig. 14 während des Laufes der Maschine,

Fig. 17 in abgewickelter Darstellung einen sich über den Bereich eines Polpaares erstreckenden Querschnitt des Läufers einer Maschine mit je Pol zwei am Luft­ spalt zu beiden Seiten eines Läuferzahnes angeord­ neten Permanentmagneten,

Fig. 18 den Verlauf der magnetischen Luftspalt-Flußdichte sowie ihrer Harmonischen erster und dritter Ordnung über einem Polpaar eines Läufers nach Fig. 17 im Stillstand der Maschine,

Fig. 19 den Verlauf der magnetischen Luftspalt-Flußdichte und ihrer Harmonischen erster Ordnung sowie der von der Zusatzwicklung dreifacher Läuferpolzahl her­ rührenden magnetischen Durchflutung über einem Pol­ paar eines Läufers nach Fig. 17 im oberen Drehzahl­ bereich der Maschine.

Bei der Maschine nach Fig. 1 besteht der Läufer aus einem auf einer Welle 3 angeordneten Blechpaket 4, das Permanent­ magnete 5 mit Polschuhen 6 trägt. Über die Polschuhe 6 tritt ein den Hauptfluß bildender Teil Φ ₁ des Permanentmagnet­ flusses in ein Ständerblechpaket 7 ein bzw. wird aus diesem abgeführt. Das Ständerblechpaket 7 ist in einem Gehäuse 8 angeordnet und enthält eine Ständerwicklung 1. Die Pol­ schuhe 6 sind auch in axialer Richtung magnetisch leitfähig, was dadurch erreicht wird, daß diese aus Massiveisen be­ stehen oder parallel zur Welle geblecht sind. Jeder Pol­ schuh 6 weist stirnseitig eine axiale Verlängerung 9 auf, die ein einen Nebenfluß bildenden Teil Φ ₂ des Permanent­ magnetflusses in ein ruhendes Blechpaket 10 leitet bzw. aus diesem abführt. Das Blechpaket 10 wird von einem am Lager­ schild 11 befestigten Halteteil 12 getragen und enthält in Nuten eine Zusatzwicklung 2, die aus Platzgründen zweck­ mäßigerweise als Ringwicklung ausgeführt ist.

Bei der Schaltung nach Fig. 2 ist die vom magnetischen Hauptfluß Φ ₁ induzierte Ständerwicklung 1 als Drehstromwick­ lung ausgebildet. Ihren Klemmen R, S, T wird die elektrische Nutzleistung zugeführt bzw. entnommen. Die vom Nebenfluß Φ ₂ induzierte Zusatzwicklung 2 speist Kondensatoren 13 und bildet mit diesen einen von der Ständerwicklung 1 getrennten Stromkreis.

Der Luftspalt zwischen den Verlängerungen 9 und dem Blech­ paket 10 (Fig. 1) ist so bemessen, daß ohne Wirkung der Zusatzwicklung 2 nur ein geringer Teil des permanentmagne­ tischen Gesamtflusses als Nebenfluß Φ ₂ abgezweigt wird. Im unteren Drehzahl- bzw. Frequenzbereich der Maschine ist der Strom und daher die Durchflutung der Zusatzwicklung 2 noch klein, da die in ihr induzierte Spannung gering und der Kondensatorwiderstand hoch ist. Mit steigender Frequenz nimmt jedoch die induzierte Spannung zu und der Kondensator­ widerstand ab, der Strom in der Zusatzwicklung 2 wächst daher überproportional mit der Drehzahl. Da es ein kapazi­ tiver Strom ist, wirkt seine Wicklungsdurchflutung feld­ verstärkend, d.h. mit wachsender Drehzahl wird ein immer größerer Nebenfluß Φ ₂ aus den Polschuhen 6 abgesaugt und damit der Hauptfluß Φ ₁ geschwächt, wodurch sich die in der Ständerwicklung 1 induzierte Spannung mit der Drehzahl nur unterproportional oder gegebenenfalls auch gar nicht ändert.

Die Anordnung nach Fig. 1 kann auch an beiden Stirnseiten des Läufers vorgesehen sein, um die Durchtrittsquerschnitte für den Nebenfluß Φ ₂ zu erhöhen.

Wenn die Permanentmagnete 5 des Läufers magnetisch isotrop sind, können sie am Luftspalt angeordnet und stirnseitig verlängert sein, so daß sie wie die Polschuhe 6 und ihre Verlängerungen 9 wirken und somit diese Teile ersetzen.

Das die Zusatzwicklung 2 tragende Blechpaket 10 kann zum Unterschied von Fig. 1 auch neben dem Ständerblechpaket 7 im Gehäuse 8 angeordnet sein. Die Nebenflüsse Φ ₂ treten dann ebenso wie die Hauptflüsse Φ ₁ an der Außenseite der Polschuhe 6 bzw. der Verlängerungen 9 aus und ein. Da dann die Permanentmagnete 5 in axialer Richtung wesentlich brei­ ter als das Ständerblechpaket 7 sein können, ist damit eine hohe Flußkonzentration für den Hauptfluß Φ ₁ erzielbar.

Bei dem Schaltungsbeispiel für eine Einphasenmaschine nach Fig. 3 sind die von der Zusatzwicklung 2 gespeisten Konden­ satoren 13 im Dreieck geschaltet, was eine Einsparung an Kapazität ergibt.

Es ist zweckmäßig, bei allen Maschinen nach Fig. 1 die Zusatzwicklung 2 entsprechend den Prinzipschaltungen nach den Fig. 2 bis 9 und 13 mehrphasig auszuführen, um gegen­ läufige Durchflutungen dieser Wicklung und damit längs­ geblechte Polschuhe und/oder aufwendige Dämpferkäfige an den Verlängerungen 9 zu vermeiden.

Die Zusatzwicklung 2 bildet mit den Kondensatoren 13 einen Serie-Schwingkreis. Im Hinblick auf den Frequenzgang des in der Zusatzwicklung 2 fließenden kapazitiven Stromes kann es erwünscht sein, einen bestimmten Wert der Resonanzfrequenz einzuhalten. Um dies zu erreichen, kann die Zusatzwicklung 2 mit künstlich erhöhter Streuung ausgeführt werden oder es können gemäß Fig. 4 den Kondensatoren 13 induktive Blind­ widerstände 14 vorgeschaltet sein.

Bei der Schaltung nach Fig. 5 sind den hier beispielsweise im Dreieck geschalteten Kondensatoren 13 induktive Blind­ widerstände 15 parallelgeschaltet. Unterhalb der Resonanz­ frequenz dieser Parallel-Schwingkreise wirkt die Anordnung als induktive, also feldschwächende Belastung der Zusatz­ wicklung 2, d.h. der magnetische Nebenfluß Φ ₂ wird gegenüber dem Stillstand der Maschine geschwächt und damit der Haupt­ fluß Φ ₁ verstärkt, was für den unteren Drehzahlbereich der Maschine vorteilhaft sein kann. Die Schwächung des Haupt­ flusses Φ ₁ beginnt dann erst mit der der Resonanzfrequenz entsprechenden Maschinendrehzahl, da erst von da an der Strom in der Zusatzwicklung 2 kapazitiv wird.

Die Vorteile der Schaltungen nach den Fig. 4 und 5 können durch eine Schaltung nach Fig. 6 vereinigt werden. Den Kon­ densatoren 13 sind induktive Blindwiderstände 16 parallel­ geschaltet, wodurch die Schwächung des die Ständerwicklung induzierenden Hauptflusses Φ ₁ erst oberhalb einer bestimmten Drehzahl einsetzt. Den Kondensatoren 13 und induktiven Blind­ widerständen 16 sind gemeinsam induktive Blindwiderstände 17 vorgeschaltet. Die letztgenannten Blindwiderstände können auch durch entsprechende Streuinduktivitäten der Zusatz­ wicklung 2 gebildet sein.

Um Drosselspulen einzusparen, kann zumindest ein Teil der bei den Schaltungen gemäß den Fig. 4, 5 und 6 vorgesehenen induktiven Blindwiderstände - vorzugsweise die zu den Kon­ densatoren 13 parallelgeschalteten - durch besondere Ständerwicklungen der Maschine gebildet sein, deren Polzahl so von der Läuferpolzahl abweicht, daß weder die Ständer­ wicklung 1 noch die Zusatzwicklung 2 von ihnen induziert wird.

Die Fig. 7, 8, 9, 12 und 13 zeigen Schaltungen, bei denen die Zusatzwicklung 2 an der Erzeugung der Klemmenspannung der Maschine beteiligt ist. Bei allen genannten Schaltungen können den Kondensatoren 13 induktive Blindwiderstände gemäß den in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellten Schaltungen zuge­ ordnet sein.

Nach Fig. 7 ist die dreiphasige Zusatzwicklung 2, die die Kondensatoren 13 speist, gleichphasig mit den Strängen der dreiphasigen Ständerwicklung 1 in Serie geschaltet. Obwohl sich nun die Spannungen beider Wicklungen algebraisch addie­ ren, kann durch passende Bemessung des Nebenflusses Φ ₂ sowie der Windungszahl der Zusatzwicklung 2 erreicht werden, daß die den Klemmen R, S, T zugeführte Spannungssumme flacher als drehzahlproportional verläuft.

Fig. 8 stellt eine Schaltung dar, bei der die die Konden­ satoren 13 speisende Zusatzwicklung 2 mit der dreiphasigen Ständerwicklung 1 gegenphasig in Serie geschaltet ist. Da sich der Hauptfluß Φ ₁ und der Nebenfluß Φ ₂ mit der Drehzahl gegensinnig ändern, kann der Drehzahleinfluß auf die als Differenz der beiden Wicklungsspannungen entstehende Klemmenspannung auch über einen großen Drehzahlbereich wir­ kungsvoll vermindert bzw. aufgehoben werden.

Bei der in Fig. 9 dargestellten Schaltungsvariante ist die die Kondensatoren 13 speisende dreiphasige Zusatzwicklung 2 mit zyklischer Phasenvertauschung an die dreiphasige Stän­ derwicklung 1 geschaltet, so daß die vektoriell addierten Strangspannungen beider Wicklungen um 120° elektrisch phasenverschoben sind. Mittels entsprechender Relativlage der Strangachsen der beiden Wicklungen kann auch jede andere Phasenverschiebung erzielt werden. Damit ist gegenüber der Schaltung nach Fig. 8 der Frequenzgang der an den Klemmen R, S, T auftretenden Spannung zusätzlich beein­ flußbar.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10, die einen Querschnitt durch einen Teil des Maschinenständers darstellt, erfolgt zum Unterschied von der Ausführung nach Fig. 1 die Abzweigung des die Zusatzwicklung 2 induzierenden Nebenflusses Φ ₂ erst im Ständer. In diesem sind zwei konzentrisch ineinander­ gefügte Ständerblechpakete 18 und 20 angeordnet, zwischen denen eine nichtmagnetisierbare Trennschicht 19 vorgesehen ist. Das innere Ständerblechpaket 18 enthält in einer Innen­ nutung die Ständerwicklung 1, das äußere, in einem Gehäuse 21 sitzende Ständerblechpaket 20 ist gleichfalls innen genutet und trägt die die Kondensatoren 13 speisende Zusatzwicklung 2. Diese ist mit der Ständerwicklung 1 so verbunden, daß sie deren Spannung entgegenwirkt. Der permanentmagnetische Gesamtfluß (Hauptfluß Φ ₁ + Nebenfluß Φ ₂) eines Poles tritt aus dem Läufer in das innere Ständerblechpaket 18 ein und induziert dort die Ständerwicklung 1. Der Hauptfluß Φ ₁ ver­ läuft durch das mäßig gesättigte Joch des inneren Ständer­ blechpaketes 18 zu den benachbarten Polen. Der Nebenfluß Φ ₂ geht durch die Trennschicht 19 in das äußere Ständerblech­ paket 20 über, wo er die Zusatzwicklung 2 induziert. Ist diese Wicklung stromlos (Stillstand der Maschine) oder ihre Durchflutung vernachlässigbar klein (unterster Drehzahl­ bereich), so ist der Nebenfluß Φ ₂ nur vom mäßigen magneti­ schen Spannungsabfall im Joch des inneren Ständerblech­ paketes 18 und der Dicke der Trennschicht 19 bestimmt, ist also gegenüber dem Hauptfluß Φ ₁ klein. Mit wachsender Dreh­ zahl bzw. Frequenz steigt jedoch der kapazitive Strom in der Zusatzwicklung 2, diese saugt einen immer größeren Neben­ fluß Φ ₂ aus dem inneren Ständerblechpaket 18, wodurch die von diesem Nebenfluß in der Zusatzwicklung 2 induzierte Spannung in zunehmendem Maß der Spannung der Ständerwick­ lung 1 entgegenwirkt. Dadurch ergibt sich eine über der Drehzahl flach oder praktisch konstant verlaufende Klemmen­ spannung der Maschine.

Fig. 11 zeigt eine andere Ständerausführung mit gleicher Wirkungsweise wie die der Fig. 10. Ein inneres Blechpaket 22 trägt in einer Innennutung die Ständerwicklung 1 und in einer Außennutung die Zusatzwicklung 2. Der zwischen den beiden Nutungen liegende Teil des Blechpaketes 22 bildet das Joch für den magnetischen Hauptfluß Φ ₁. Der Nebenfluß Φ ₂ tritt durch eine nichtmagnetisierbare Trennschicht 23 in ein in einem Gehäuse 25 konzentrisch angeordnetes ungenute­ tes äußeres Blechpaket 24, das nur als Joch für den Haupt­ fluß dient.

Bei Drehstrommaschinen gemäß den Fig. 10 und 11 sind Stän­ der- und Zusatzwicklung 1 und 2 nach Fig. 8 oder 9 geschal­ tet, bei Einphasenmaschinen nach Fig. 12 oder 13, wobei auch hier durch entsprechende Anordnung der Wicklungsstrang­ achsen andere Phasenverschiebungen als 180° oder 120° elek­ trisch zwischen den Teilspannungen erzielbar sind. Jeden­ falls sind diese Phasenverschiebungen immer so bemessen, daß die vektorielle Summe beider Wicklungsspannungen, d.h. die Klemmenspannung, kleiner als die Spannung der Ständerwick­ lung 1 ist.

Die Ständerausführungen nach Fig. 10 und 11 besitzen den Vorteil, bei beliebiger Ausbildung des permanentmagnet­ erregten Läufers anwendbar zu sein.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 sind die Permanent­ magnete 26 und 27 eines Polpaares außen am Läuferblechpaket angeordnet, bilden also eine Grenzfläche des Luftspaltes. Jeder Permanentmagnet 26 bzw. 27 erstreckt sich fast über die ganze Breite der Polteilung tp, was bei Permanent­ magneten mit radialer Vorzugsrichtung ohne große Polstreuung möglich ist. In den Nuten eines Ständerblechpaketes 29 sind die Ständerwicklung 1 und die Zusatzwicklung 2 angeordnet, die die dreifache Polzahl des Läufers bzw. der Ständerwick­ lung 1 aufweist. Die Schaltung wird gemäß einer der Fig. 2 bis 6 ausgeführt, d.h. die Zusatzwicklung 2 ist mehrphasig ausgebildet und weist keine Verbindung mit der Ständerwick­ lung 1 auf, die somit die Klemmenspannung der Maschine allein erzeugt.

Im Stillstand der Maschine ergeben die Permanentmagnete 26 und 27 gemäß ihrer fast 100%igen Polbedeckung den in Fig. 15 dargestellten Verlauf der Luftspalt-Flußdichte B, nämlich den eines genäherten sich über die ganze Polteilung tp er­ streckenden Rechteckes. Dieses enthält die Harmonische B 1 erster Ordnung und die Harmonische B 2 dritter Ordnung. (Die übrigen Harmonischen bleiben außer Betracht). Die den beiden Harmonischen entsprechenden Haupt- und Nebenflüsse Φ ₁ und Φ ₂ sind sowohl mit der Ständerwicklung 1 als auch mit der Zusatzwicklung 2 verkettet, letztere wird jedoch auf­ grund ihrer dreifachen Läuferpolzahl während des Laufes der Maschine nur vom Nebenfluß Φ ₂ induziert. Eine Wirkung dieses Nebenflusses auf die Klemmenspannung wird durch die Sternschaltung der Ständerwicklung 1 (Fig. 2 bis 8) ver­ mieden.

Die Ständerzähne 30 (Fig. 14) sind so bemessen, daß bereits die von den Permanentmagneten 26 bzw. 27 allein erzeugte Luftspalt-Flußdichte B (Fig. 15) eine hohe Zahnsättigung ergibt. Demgemäß kann eine zusätzliche magnetische Durch­ flutung keine nennenswerte Erhöhung der Luftspalt-Flußdichte herbeiführen, eine gegenwirkende Durchflutung jedoch eine Verminderung.

Während des Laufes der Maschine führt die Zusatzwicklung 2, induziert vom Nebenfluß Φ ₂, aufgrund ihrer Beschaltung mit den Kondensatoren 13 einen mit der Drehzahl zunehmenden ka­ pazitiven Strom. Dieser Strom erzeugt eine gegenüber dem Läufer stillstehende Drehdurchflutung R ₂ von dreifacher Läuferpolzahl - in Fig. 16 gestrichelt eingezeichnet -, die gleichphasig mit der verursachenden Harmonischen B ₂ der Luftspalt-Flußdichte (Fig. 15) verläuft. Jene Halbwellen der Durchflutung R ₂, die im Sinne einer Erhöhung der Fluß­ dichte B gerichtet sind, bleiben infolge der Zahnsättigung wirkungslos. Hingegen bewirken die entgegengesetzten Halb­ wellen eine örtliche Entsättigung der Ständerzähne 30 und Verminderung der Luftspalt-Flußdichte. Es entsteht dadurch in der Polmitte die aus Fig. 16 ersichtliche Einsenkung der Luftspalt-Flußdichte B. Die harmonische Analyse des so geän­ derten Verlaufes der Luftspalt-Flußdichte B ergibt gegenüber dem Stillstand (Fig. 15) eine kleinere Amplitude der ersten Harmonischen B ₁, also auch einen kleineren Nutzfluß Φ ₁. Diese Flußschwächung nimmt mit der Tiefe der genannten Ein­ senkung, also mit der Größe der Durchflutung R ₂, d.h. mit der Drehzahl zu.

Bei der Läuferausführung nach Fig. 17 sind die Permanent­ magnete ebenfalls am Luftspalt angeordnet. Es sind jedoch je Pol zwei gleichpolige symmetrisch zur Polmitte liegende Permanentmagnete 31 bzw. 32 gleicher Breite vorgesehen, die einen tangentialen Abstand bis zu etwa einem Drittel der Polteilung tp aufweisen. Zwischen den Permanentmagneten 31 bzw. 32 jedes Poles befindet sich ein bis zum Luftspalt erstreckter Läuferzahn 33 bzw. 34 des Läuferblechpaketes 35. Der tangentiale Abstand der Permanentmagnete 31 und 32 be­ nachbarter Pole sowie der Permanentmagnete eines Poles von dem zwischen ihnen befindlichen Läuferzahn ist klein gehalten, was bei der hier vorausgesetzten radialen Vorzugsrichtung der Permanentmagnete 31 und 32 zulässig ist. Die Ausführung des Ständers (in Fig. 17 nicht dargestellt) entspricht der Darstellung in Fig. 14. Die Zusatzwicklung 2 weist auch hier die dreifache Polzahl des Läufers bzw. der Ständerwicklung 1 auf. Die Schaltung entspricht einer der in Fig. 2 bis 6 dar­ gestellten Schaltungen. Die Ständerzähne sind bereits von den sie durchsetzenden von den Permanentmagneten 31 und 32 allein herrührenden Flüssen hoch gesättigt.

Der Verlauf der Luftspalt-Flußdichte B im Stillstand der Maschine ist in Fig. 18 durch zwei angenäherte Rechtecke je Pol dargestellt, deren Lage und tangentiale Breite jener der Permanentmagnete 31 bzw. 32 entspricht. Im Bereich zwischen den beiden Permanentmagneten 31 bzw. 32 eines Poles ist die Luftspalt-Flußdichte B durch die Schirmwirkung des Läufer­ zahnes 33 bzw. 34 praktisch gleich Null. Die harmonische Analyse ergibt die erste Harmonische B ₁ und die dritte Har­ monische B ₂ der Luftspalt-Flußdichte B. Der dritten Harmo­ nischen B ₂ ist der magnetische Nebenfluß Φ ₂ zugeordnet, der während des Laufes der Maschine allein die Zusatzwicklung 2 induziert.

Im Betrieb erzeugt die kapazitiv belastete Zusatzwicklung 2 eine mit der Drehzahl zunehmende Drehdurchflutung R ₂, die analog zur Fig. 16 mit der dritten Harmonischen B ₂ der Luftspalt-Flußdichte B in Fig. 18 in Phase liegt. Eine Erhöhung des Stillstandswertes der Luftspalt-Flußdichte B wird durch die Ständerzahnsättigung verhindert. Hingegen sind die mit den Läuferzähnen 33 und 34 korrespondierenden Halbwellen der Durchflutung R ₂ sehr wirksam, da sie dort allein auftreten und anfänglich nur den magnetischen Wider­ stand des Luftspaltes zu überwinden haben. Es entsteht daher in den Zonen der Läuferzähne 33 und 34 (Polmitte) eine mit der Drehzahl rasch zunehmende gegenpolige Luftspalt-Fluß­ dichte B.

In Fig. 19 ist ein dem oberen Drehzahlbereich entsprechender Verlauf der Luftspalt-Flußdichte B dargestellt. Die Amplitude der von der Zusatzwicklung 2 herrührenden Drehdurchflutung R ₂ ist so groß, daß die gegenpolige Luftspalt-Flußdichte B in den Läuferzahn-Zonen den durch die Ständerzahn-Sättigung begrenzten Größtwert aufweist. Die harmonische Analyse der Luftspalt-Flußdichte B ergibt eine erste Harmonische B ₁, deren Amplitude nur 40% der Amplitude der ersten Harmoni­ schen B ₁ im Stillstand (Fig. 18) beträgt, d.h. der die Klemmenspannung induzierende Hauptfluß Φ ₁ wurde um 60% geschwächt. Durch eine geringe Verbreiterung der Läuferzahn- Zone gegenüber der in Fig. 17 dargestellten Breite kann die Flußschwächung noch beliebig vergrößert werden.

Claims (15)

1. Elektrische Maschine veränderlicher Drehzahl mit permanent­ magnetischer Läufererregung und einer Zusatzwicklung im Ständer, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzwicklung (2) nur von einem Teil (Nebenfluß Φ ₂) des Permanentmagnetflusses induziert ist und einen oder mehrere Kondensatoren (13) speist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Kondensatoren (13) induktive Blindwiderstände (14) vorgeschaltet sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Kondensatoren (13) induktive Blindwiderstände (15) parallelgeschaltet sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelschaltung von Kondensatoren (13) und induktiven Blindwiderständen (16) gemeinsam induktive Blindwiderstände (17) vorgeschaltet sind.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ mindest ein Teil der induktiven Blindwiderstände (14 bzw. 15, 16, 17) durch Ständerwicklungen mit einer von der Läufer­ polzahl abweichenden Polzahl gebildet ist.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Zusatzwicklung (2) induzierende Teil (Neben­ fluß Φ ₂) des Permanentmagnetflusses durch in axialer Rich­ tung magnetische leitfähige Polschuhe (6) oder ebensolche Permanentmagnete im Läufer vom Gesamtfluß abgezweigt und über einen Luftspalt einem die Zusatzwicklung (2) tragenden gesonderten Blechpaket (10) im Ständer zugeführt ist.

7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Zusatzwicklung (2) an der Erzeu­ gung der Klemmenspannung der Maschine beteiligt ist.

8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Zusatzwicklung (2) gleichphasig in Serie zu der den rest­ lichen Teil der Klemmenspannung der Maschine erzeugenden Ständerwicklung (1) geschaltet ist.

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Zusatzwicklung (2) gegenphasig in Serie zu der den rest­ lichen Teil der Klemmenspannung der Maschine erzeugenden Ständerwicklung (1) geschaltet ist.

10. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Zusatzwicklung (2) verschiedenphasig in Serie zu der den restlichen Teil der Klemmenspannung der Maschine erzeugen­ den Ständerwicklung (1) geschaltet ist.

11. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Ständer der Maschine zwei konzentrisch ineinandergefügte Blechpakete (18, 20 bzw. 22, 24) angeordnet sind, wobei zwischen beiden eine nichtmagnetisierbare Trennschicht (19 bzw. 23) vorge­ sehen ist, daß ferner die Zusatzwicklung (2) in einer Innen­ nutung des äußeren (20) oder einer Außennutung des inneren (22) Blechpaketes und die den restlichen Teil der Klemmen­ spannung der Maschine erzeugende Ständerwicklung (1) in einer dem Läufer der Maschine zugekehrten Innennutung des inneren Blechpaketes (18 bzw. 22) untergebracht ist.

12. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise mehrphasige Zusatzwicklung (2) die dreifache Polzahl des Läufers aufweist und in den gleichen Ständer­ nuten wie die von ihr elektrisch getrennte, mit der Polzahl des Läufers ausgeführte und die Klemmenspannung der Maschine erzeugende Ständerwicklung (1) angeordnet ist.

13. Elektrische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (26, 27) des Läufers am Luftspalt angeordnet sind und den größten Teil oder die volle Breite einer Polteilung bedecken.

14. Elektrische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete des Läufers am Luftspalt angeordnet sind, wobei jeder Pol aus zwei gleichpoligen symmetrisch zur Polmitte liegenden Per­ manentmagneten (31 bzw. 32) gebildet ist, die einen tangen­ tialen Abstand bis zu etwa einem Drittel der Polteilung (tp) aufweisen und zwischen denen ein bis zum Luftspalt er­ streckter Läuferzahn (33 bzw. 34) vorgesehen ist.

15. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzwicklung (2) eine Ringwicklung ist.