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Beschreibung
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Elektromaschine Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektromaschine
mit zwei in magnetischer Wechselwirkung stehenden Funktionselementen, nämlich einem
feststehenden Stator und einem relativ dazu beweglichen Rotor, welcher mit einer
Drehmoment abgebenden oder aufnehmenden Welle verbunden ist, wobei die Funktionselemente
ein sich über ihren gesamten Umfang erstreckendes magnetisches Feld aufweisen und
wobei eines dieser magnetischen Felder ein Drehfeld ist.
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Elektrische Maschinen als Generatoren zur Umwandlung von mechanischer
Energie in elektrische Energie und als Motoren zur Umwandlung von elektrischer Energie
in mechanische Energie stellen grundlegende Elemente der heutigen Technik dar.
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Besondere Bedeutung haben dabei die elektrischen Maschinen erlangt,
bei denen einer entsprechend aufgebauten elektrischen Wicklung phasenverschobene
Wechselströme zugeführt werden, so daß ein relativ zur Maschine rotierendes magnetisches
Feld erzeugt wird. Für die Erzeugung des Drehfeldes wird üblicherweise dreiphasiger,
um 1200 phasenverschobener, Wechselstrom verwendet. Es ist jedoch auch möglich,
durch entsprechende Hilfsmittel aus einem einphasigen Wechselstrom ein Drehfeld
aufzubauen.
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Drehfeldmaschinen werden üblicherweise aus zwei Funktionselementen
aufgebaut, wobei das erste Funktionselement die elektrische Wicklung zur Erzeugung
des Drehfeldes trägt.
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Das zweite Funktionselement weist entweder ein konstantes Magnetfeld
auf, welches durch Permanentmagnete oder durch eine von Gleichstrom durchflossene
elektrische Wicklung erzeugt wird (Synchronmaschine) oder das Magnetfeld ist variabel
und wird durch das Drehfeld selbst induziert (Asynchronmaschine).
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Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufbau und
die Funktionsweise dieser elektrischen Drehfeldmaschine so zu verbessern, daß beim
Betrieb derartiger Maschinen ein besserer Wirkungsgrad erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das magnetische
Feld eines der Funktionselemente durch einen oder mehrere Permanentmagneten erzeugt
wird, daß dieses Funktionselement eine sich über den Umfang erstreckende zusätzliche
elektrische Wicklung aufweist und daß dem permanentmagnetisch erzeugten Magnetfeld
ein durch einen Stromfluß innerhalb der elektrischen Wicklung erzeugtes elektromagnetisches
Feld derart überlagert wird, daß sich ein eine Energieumwandlung ermöglichendes
magnetisches Drehfeld ergibt.
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Die erfindungsgemäße Elektromaschine kann sowohl im Generatorbetrieb
zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie als auch im Motorbetrieb
zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie eingesetzt werden, wobei
die Energieumwandlung mit einem im Vergleich zu den bekannten Maschinen verbesserten
Wirkungsgrad erfolgt.
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Eine weitere Wirkungsgradverbesserung kann bei bestimmten Ausführungsformen
erreicht werden, indem die in den jeweiligen stromlosen Teilen der zusätzlichen
elektrischen Wicklung induzierten Ströme zur Erzeugung des Drehfeldes herangezogen
werden.
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Trotz der Wirkungsgradverbesserung ist es gelungen, den, für Elektromaschinen
typischen einfachen rotationssymmetrischen Aufbau im wesentlichen beizubehalten.
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Bevor auf zu bevorzugende Ausführungsformen eingegangen wird, soll
ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß die vorliegende Erfindung grundsätzlich
bei allen Bauformen bekannter Drehfeld-Maschinen, d. h. also im wesentlichen bei
den bekannten Synchron- und Asynchronmaschinen eingesetzt werden kann. Dies bedeutet,
daß das Magnetfeld des zweiten Funktionselementes, wie bei den bekannten Maschinen
üblich, durch Permanentmagnete, durch eine von Gleichstrom durchflossene Wicklung
und durch magnetische Induktion erzeugt werden kann. Die Anpassung der Drehzahl
an die jeweiligen Einsatzbedingungen kann, je nach Ausführungsform, wie bei den
bekannten Maschinen durch eine feste Voreinstellung mittels der Polzahl, durch eine
stufenweise Steuerung mittels umschaltbarer Polzahlen oder stufenlos durch Veränderung
der Frequenz des Drehfeldes erfolgen.
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Gemäß einer zu bevorzugenden Ausführungsform wird als erstes Funktionselement,
d. h., als das das magnetische Drehfeld tragendes Funktionselement der feststehende
Stator der Maschine verwendet. Das Permanentmagnetfeld eines solchen Stators kann
dann beispielsweise durch einen Rohrmagneten gebildet werden, der mit einem magnetisierbaren
Teil in Verbindung steht,das die elektrische Wicklung aufnimmt.
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Das Magnetfeld des Rotors kann, wie bereits dargelegt, durch Permanentmagneten,
durch eine von Gleichstrom durchflossene Wicklung oder durch eine vom magnetischen
Drehfeld des ersten Funktionselementes verursachte magnetischen Induktion erzeugt
werden.
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Bei einer zu bevorzugenden Ausführungsform wird der Rotor durch Permanentmagnete
gebildet. Dabei können kreissegmentförmige
Dauermagnete über den
Umfang des Rotors verteilt werden. Der Rotor besteht dann bei einer solchen Bauweise
aus einem, den magnetischen Fluß nicht leitenden Material, wie z. B. Aluminium.
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Durch die Auswahl der Anzahl der über den Umfang verteilten Permanentmagnete
kann die Drehzahl, wie vorstehend beschrieben, an die jeweilige Einsatzbedingungen
angepaßt werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
in Zusammenhang mit der Zeichnung. Darin zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt eines
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Elektromaschine; Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung
entsprechend der Fig. 1 zur Erläuterung der Funktionsweise; Fig. 3 ein weiteres
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektromaschine.
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Bevor die Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert werden, sei
darauf hingewiesen, daß die konstruktive Ausgestaltung von Elektromaschinen, wie
z. B. die Lagerung des Rotors usw. im Stand der Technik bekannt sind. Es wird deshalb
im folgenden nur auf die Unterschiede der erfindungsgemäßen Elektromaschine im Vergleich
zu bekannten Elektromaschinen eingegangen.
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Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Elektromaschine. Die Elektromaschine weist ein
Gehäuse 1 auf, das
den Permanentmagneten 2 umschließt. Der Permanentmagnet 2 ist hier als einstückig
ausgebildeter rohrförmiger Magnet dargestellt, es ist aber auch möglich, den Magnet
aus einzelnen Teilen zusammenzusetzen. Als Material für den Magneten können übliche
magnetische Werkstoffe, wie auch leistungsfähigere Spezialwerkstoffe, z. B.
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Kobalt-Samarium Verwendung finden. Der Permanentmagnet 2 umschließt
den Wicklungsträger 3. Dieser Wicklungsträger 3 muß bei der Überlagerung des permanentmagnetischen
und des elektromagnetischen Feldes ummagnetisiert werden und deshalb aus einem entsprechendem
Material bestehen. Dafür kommt z. B. Weicheisen oder der bei Drehfeldmaschinen übliche
Aufbau aus lamellierten Blechen in Frage. Der Wicklungsträger 3 weist Nuten 4 auf,
in denen die elektrische Wicklung 5 angeordnet ist. Die elektrische Wicklung 5 verläuft
parallel zur Längsachse 6 der Maschine und ist hier nur symbolisch dargestellt.
Permanentmagnet 2, der Wicklungsträger 4 und die Wicklung 5 bilden gemeinsam den
Stator 7 der Maschine. In diesem Stator 7 ist, getrennt durch den Luftspalt 8 der
Rotor 9 angeordnet. Der Rotor 9 besteht aus einem Grundkörper 10, der aus einem
Material hergestellt ist, welches den magnetischen Fluß nicht leitet, wie z. B.
aus Aluminium. In dem Grundkörper 10 sind die Permanentmagnete 11 eingelassen, so
daß Grundkörper 10 und die Permanentmagnete 11 einen zylindrischen Körper ergeben.
Der Rotor 9 ist in bekannter Weise mit der Drehmoment aufnehmenden bzw. abgebenden
Welle der Maschine verbunden. Die Anzahl der in dem Grundkörper 10 eingelassenen
Permanentmagnete 11 bestimmt die Drehzahl des Rotors im Verhältnis zu der Frequenz
des magnetischen Drehfeldes.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Elektromaschine wird anhand der
Fig. 2 erläutert, wobei die gleichen Bezugszeichen verwendet werden wie bei der
Fig. 1. Der rohrförmige Magnet 2 ist in diesem Beispiel so magnetisiert, daß an
seiner Innenfläche 12 der magnetische Nordpol liegt. Diese Magnetisierungsrichtung
ist durch die Pfeile 13 gekenn-
zeichnet. Wenn in den elektrischen
Wicklungen 5 kein Strom fließt, so überträgt sich diese Magnetisierung auf die magnetisierbaren
Bestandteile des Wicklungsträgers, d. h.
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auf die Schultern 14. Die Schultern 14 weisen deshalb an ihrem unteren
Ende 15 ebenfalls einen magnetischen Nordpol auf, was durch den Pfeil 16 symbolisiert
wird. Wird der elektrischen Wicklung nun teilweise, wie es in der Fig.
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durch die punkt- und kreuzförmigen Symbole 17 und 18 gekennzeichnet
ist, ist ein elektrischer Strom zugeführt, so wird in den Schultern 14 des Wicklungsträgers
3 ein Magnetfeld induziert, das dem von dem Permanentmagneten 2 erzeugten Magnetfeld
entgegenwirkt. Bei entsprechender Wahl der Stärke des Erregerstroms werden die Schultern
14 in dem von dem Erregerstrom durchflossenen Bereich der elektrischen Wicklung
5 ummagnetisiert, und weisen nun einen zum Luftspalt 8 hin gerichteten Südpol auf.
Die Permanentmagneten 11 sind im Grundkörper 10 so angeordnet, daß in Umfangsrichtung
aufeinanderfolgende Permanentmagneten jeweils unterschiedliche Magnetpole aufweisen.
Wird nun der Erregerstrom in dem Stator der Elektromaschine so gesteuert, daß die
elektrischen Wicklungen, die in unterschiedliche Bereiche entsprechend der Polzahl
der Maschine aufgeteilt sind, nacheinander vom Strom durchflossen werden, so entsteht
durch die Überlagerung des stromerregten elektromagnetischen Feldes und des permanentmagnetischen
Feldes ein Drehfeld, daß zu einer Rotation des Rotors führt.
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Die Steuerung der Stromzufuhr zu den einzelnen Wicklungsbereichen
bereitet dem auf diesem Gebiet bewanderten Regelungstechniker keine Schwierigkeiten.
Bei laufender Maschine kann zur Steuerung der Stromzuführung in die unterschiedlichen
Bereiche die Drehzahl des Rotors als Steuerparameter verwendet werden, wobei ein
drehzahlabhängiges Signal durch die bekannten berührenden oder berührungsfreien
Geber erzeugt werden kann.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Elektromaschine
zeigt die Fig. 3. Auch hier werden die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig.
1. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit drei Permanentmagneten, wobei die Magneten
hier bezüglich des Luftspaltes 8 die gleiche magnetische Polung aufweisen. Der weitere
Aufbau und die Funktion der Maschine entspricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
1, so daß hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.
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Die möglichen Ausführungen der erfindungsgemäßen Elektromaschine beschränken
sich, wie bereits dargelegt, nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele. Es sind
vielmehr alle bei Drehfeldmaschinen üblichen Bau- und Einsatzformen anwendbar. Die
genaueren konstruktiven Einzelheiten sind dem auf diesem Gebiet Fachkundigen vertraut
und bedürfen deshalb keiner weiteren Erörterung.