DE3602687A1 - Permanenterregte synchronmaschine mit transversalflusspfaden - Google Patents

Description

Zielsetzung

Soll das Verhältnis von Ankerdurchflutung zu Wicklungs­ querschnitt niedrig gehalten werden, so läßt sich dies bei Ausführung kleiner Polteilungen in der bekannten Form der Längsflußführung nach Bild 1 über einen bestimm­ ten Wert hinaus nicht verbessern.

Eine Vergrößerung des Spulenquerschnitts scheitert daran, daß gleichzeitig der flußführende Eisenquerschnitt einge­ schränkt werden muß.

Letzteres geht auch aus Bild 2 hervor, das den Schnitt durch eine Spulenanordnung zeigt. Es ist hierbei angenom­ men, daß es sich um eine Wechselstrommaschine handelt, die i.a. über einen Bereich von mehreren Polen des Stators mit Einphasen-Wechselstrom betrieben wird. Um die Schubbildung zeitlich zu vergleichmäßigen, wird in bekannter Weise eine vielpolige Anordnung in mehrere Abschnitte unterteilt, die jeweils winkelversetzt angeordnet und mit zeitlich phasen­ verschobenen Strömen betrieben werden.

Die symmetrische Anordnung nach Bild 2 läßt also nur in sehr eingeschränkter Form, insbesondere nur in Verbindung mit einer überproportionalen Vergrößerung der Verluste eine Steigerung der Ankerdurchflutung zu.

In Bild 2 umschließt die stromführende Spule S einen Pol B des Ankers. Der von der Spule mit dem Querschnitt q er­ zeugte magnetische Fluß durchsetzt zunächst den Pol B und wird über die angrenzenden Pole A und C zurückgeführt. Hier­ zu wird das Joch J benötigt.

Soll die Vergrößerung der Ankerdurchflutung ohne Erhöhung der Stromdichte durchgeführt werden, verlangt dies eine entsprechende Vergrößerung des Wicklungsquerschnitts q.

Eine deutliche Verbesserung in diesem Sinne kann durch Maßnahmen erreicht werden, wie sie in der Anmeldung P 35 36 538 beschrieben wurden.

Darin wurde das Verfahren der transversalen Führung des magnetischen Flusses und die Einführung modifizierter Wick­ lungsanordnungen beschrieben. Die einschränkende Wirkung des magnetischen Kreises nach Bild 1 für die Ausführung grös­ serer Spulenquerschnitte kann hierdurch weitgehend aufgehoben werden.

Im folgenden werden Lösungen beschrieben, die dem Grundge­ danken von P 35 36 538 entsprechen und ihn weiter ausformen. Sie sind damit von Bedeutung für den Bau hochausgenützter Maschinen.

Gemeinsames Kennzeichen der zu beschreibenden Lösung ist, daß der magnetische Kreis das Feld auf Teilstrecken oder insgesamt in transversaler Richtung führt und dabei die Spulenform von der Darstellung des Bildes 1 abweicht.

Ankeranordnung mit Polspaltung und teilweise transversaler Flußführung

Um größere Spulenquerschnitte für die Ströme des Ankers zu realisieren, kann z.B. mit Bild 3 so vorgegangen werden, daß der Ankerpol A in leicht modifizierter Form gegenüber Bild 1 beibehalten und der Pol B in die Teilpole B 1 und B 2 aufge­ spalten wird. Die Verbindung zwischen den Polen A und B er­ fordert Weicheisenteile, die das magnetische Feld jeweils quer zur Bewegungsrichtung (transversal) führen. Dies geht besonders deutlich aus der räumlichen Darstellung des Bildes 4 hervor. Im Bild 4 ist weiter dargestellt, daß die Teilpole B 1 und B 2 durch die Verbindungsstücke V 1 und V 2 den Anschluß an das Joch J erhalten. Gegenüber der Anordnung nach Bild 1 ist beim Pol A der Polansatz hauptsächlich in seitlicher Richtung vorgesehen.

Wie das Beispiel Bild 3 im Vergleich zu Bild 2 zeigt, läßt das Verfahren der Polspaltung im Ankerkreis ohne nennenswerte Verbreiterung quer zur Bewegungsrichtung eine beträchtliche Vergrößerung des Spulenquerschnitts zu. Die Spulenausdehnung in der Bildebene wurde gegenüber Bild 1 verdoppelt.

Bei Anordnungen mit konventioneller Form (Bild 1) ist die Nuttiefe meist aus Gründen der Zusatzverluste begrenzt. Dies gilt besonders dann, wenn die Nutbreite ebenfalls gering ist. Die Anordnungen nach Bild 3 und 4 weisen diesbezüglich deutlich günstigere Bedingungen auf; sie führen auf kleinere Zusatzver­ luste und lassen demgemäß auch (in vertikaler Richtung) grös­ sere Nuttiefen zu.

Damit kann wie in Bild 4 angedeutet, der Spulenquerschnitt q um weit mehr als einen Faktor 2 vergrößert werden.

Dem steht eine geringfügig erhöhte Eisenmasse (Verbindungs­ stücke V 1 und V 2 ) gegenüber, die jedoch weit geringer ist als die mögliche Vergrößerung der Kraft.

Noch etwas günstiger als die Spulenanordnung des Bildes 3 ist diejenige des Bildes 5. Hierbei sind die Teile des mag­ netischen Kreises praktisch identisch mit jenen des Bildes 3 bzw. 4. Die Spule ist nun durch die Öffnung im Polteil B in Längsrichtung zum Nachbarpol C durchgeführt. Trotz der gewählten Meanderform der Leiter ergibt sich insgesamt eine kleinere mittlere Spulenlänge als in Bild 3 und Bild 1. Der Spulenquerschnitt läßt sich auch wieder (wie in Bild 3) groß dimensionieren. Die Stromrichtung beider Spulenstränge ist unterschiedlich, so daß die Magnetisierung für die Pole A, C usw. wirksam bleibt, während B, D usw. direkt keine Erregung erfahren. Dies ist ganz ähnlich, wie beim Erregungskonzept der konventionellen Ankeranordnung nach Bild 1.

Um die zwischen den Polen auftretenden Streuflußkomponenten zu beurteilen, sei darauf verwiesen, daß der Übergang von der Anordnung in Bild 1 zu der in Bild 3 eine Vergrößerung der Kleinstwerte der Abstände zwischen den Ankerpolen (z.B. A ge­ genüber B) gebracht hat. Dieser Abstand ist entsprechend Bild 5 verdoppelt.

Den Bildern ist auch zu entnehmen, daß die vom Streufeld durchsetzten Flächen durch die Änderung des magnetischen Krei­ ses gegenüber Bild 1 nicht vergrößert sondern verkleinert wur­ den. Es ist damit zu erkennen, daß sich die Streuleitwerte durch die geometrischen Änderungen im Vergleich zur konventi­ onellen Anordnung nicht vergrößern müssen.

Der größte Teil des Streuflusses zwischen angrenzenden Polen liegt im luftspaltnahen Bereich dort, wo nach Bild 5 die Spu­ le schräg zur Mitte hin geführt wird. Aufgrund der gewählten Abstände (große Spulenausdehnung) und aufgrund der geringen Streuflußanteile im Bereich der Pole (z.B. A und B gerade Spulenanteile) entsteht auch eine vergleichweise geringe Stromverdrängung im Leiterquerschnitt. Dies ermöglicht wie schon erwähnt eine Vergrößerung der Spulenabmessung in senk­ rechter Richtung, (Nuttiefe).

Die Ankerformen nach den Bildern 3 bzw. 4 und 5 sind somit auch im Hinblick auf die Vermeidung von Streuflußanteilen und Zusatzverlusten als prinzipiell günstige Anordnungen zu verstehen.

Die angestrebte Vergrößerung der Ankerdurchflutung bedeutet allerdings insgesamt eine stärkere Betonung der stromab­ hängigen induktiven Spannungsabfälle.

Ankeranordnungen mit transversaler Flußführung

Die Anordnung nach Bild 5 läßt sich dadurch abwandeln, daß auf die Jochverbindung aufeinanderfolgender Pole (z.B. zwi­ schen A und B) verzichtet wird. Man kommt damit zur Maschi­ nenkonfiguration des Bildes 6. In dieser Darstellung ist auch die Lage der Magnete mit eingezeichnet. Deren untere Begrenzung kann auch als Mittelebene einer doppelseitigen Wandleranordnung oder aber einer einseitigen Anordnung, bei der dann ein Rückschluß zwischen den Magneten erforderlich ist, betrachtet werden.

Die doppelseitige Anordnung ist in Bild 7 dargestellt.

Die Magnetisierung der einzelnen Pole erfolgt wechselweise vom unteren und dann wieder vom oberen Ankerstrom aus. Obere und untere Ankerströme sind also in Gegenphase (180°- Phasen­ verschiebung), so daß das gewünschte alternierende Ankerfeld entsteht. Die beiden Spulenhälften eines Ankerelements, z.B. S 1 und S 2 führen nun im Gegensatz zu Bild 5 gleichgerichtete Ankerströme. In der Konfiguration des Bildes 7 sind die bei­ den Leiterbündel zu einer gemeinsamen Einheit S in der Mitte der Ankerelemente angeordnet. Damit sind bei dieser Anordnung höhere Nuten und etwas größere Abmessungen für die Weicheisen­ teile erforderlich. Auch im Hinblick auf die Größe der zwi­ schen den Polen auftretenden magnetischen Streuflüsse ist die Anordnung nach Bild 7 jener des Bildes 6 etwas unterlegen. Bei letzterer beschränkt sich der Streufluß überwiegend auf die unter den Leitern liegenden Polbereiche, während oben und zur Mitte hin (zwischen den Leitern) kaum Streufelder auftreten. Die gleichgerichtete Durchflutung der beiden Spulenhälften bewirkt allerdings innerhalb des Polelements B (in dessen Nut­ bereich) ein Steufeld (quer zur Bewegungsrichtung). Diese "Nutstreuung" ist im Vergleich zu derjenigen einer konventi­ onellen Anordnung vergleichsweise klein, da die Nut sehr breit und das Polelement kurz ausgeführt ist. Man kann also sagen, daß die Anordnung nach Bild 6 im Vergleich zur Konfiguration des Bildes 7 sowohl Verbesserungen hinsichtlich des Material­ bedarfs als auch in Bezug auf die Streuung aufweist. Die wel­ lenförmige Leiteranordnung bewirkt nur eine geringfügige Vergrößerung der für den Wicklungswiderstand wirksamen Spulenlänge. Sie ist auch jetzt noch kürzer als die Spu­ lenlänge nach Bild 1 und bedeutet in Anbetracht der be­ schriebenen Merkmale kaum einen Nachteil.

Gegenüber der Anordnung nach Bild 5 ist die leichtere Bau­ barkeit und einfachere Herstellung der Ankerelemente nach den Bildern 6 und 7 hervorzuheben. Aus magnetischer Sicht sind die etwas größeren Anteile der Streuflußkomponenten zu erwähnen.

Wird unter den Magneten des Bildes 6 ein ebenes Weicheisen­ teil als Rückschlußelement für den magnetischen Fluß verwen­ det, so kann, wie erwähnt, diese Anordnung auch einseitig, d.h. mit Strömen und Ankerelementen nur auf einer Seite der Magnete angewendet werden. Es sind dann alle Polelemente B, D usw. aktiv erregt, während die Elemente A, C usw. die Funk­ tion der Feldabschirmung für den entsprechenden Polbereich übernehmen. Die von den aktiven Elementen erregten Steufluß­ komponenten treten hierdurch nicht in den Bereich der Perma­ nentmagnete ein, sondern werden von den Schirmen aufgenommen und (zum Nachbarpol) zurückgeführt. Diese Schirmwirkung ist besonders hilfreich, wenn kleine Polteilungen angewendet werden und die Magnethöhe relativ groß ist und in die Größen­ ordnung der Polteilung kommt.

Da im obigen Fall das den Magneten durchsetzende Ankerfeld nicht vorhanden ist, lassen sich die magnetischen Schirme mit etwas kleinerem Querschnitt dimensionieren, als die Rückschluß­ elemente der durch Bild 7 beschriebenen Wechselpolanordnung.

Es ist im allgemeinen zweckmäßig, zur Begrenzung des in den magnetischen Schirmen erzeugten Flusses den Abstand der Schir­ me zu den Magneten größer zu wählen als den Luftspalt bei den aktiven Polelementen. Auch die Anordnung eines zusätzlichen magnetisch wirksamen Spalts im Bereich der Schirmmitte kann den in der Querrichtung verlaufenden Fluß der Permanentmag­ nete schwächen. Es ist dabei zu bedenken, daß ein solcher Spalt allerdings auch die gewünschte Wirkung der Streufluß­ umlenkung durch den Schirm behindert. Somit ist für die Wirksamkeit des Schirms und die Begrenzung seiner Abmessungen ein Kompromiß zu schließen.

Eine weitere, die Größe der Kraftwirkung verdoppelnde Ver­ sion der Ankeranordnung entsteht, wenn mit Bild 8 die Anord­ nung zweiseitig ausgeführt wird. In dieser Anordnung magne­ tisieren beide Ankerseiten die sich gegenüberstehenden Pol­ elemente, während die dazwischen angeordneten Schirme passiv sind. Es läßt sich zeigen, daß die Anordnung 8 prinzipiell der Anordnung 7 hinsichtlich der erzielbaren Kraftwirkung gleichwertig ist. In Bezug auf die Streuflußkomponenten und damit auch die Bemessung einzelner Teile der magnetischen Kreise bestehen kleinere Unterschiede.

Zur Unterdrückung von Wirbelströmen (und Eisenverlusten) sind alle Ankerkreiselemente geblecht oder in Pulvertechno­ logie ausgeführt.

Eine hinsichtlich des Feldverlaufs weitgehend symmetrische, in Bewegungsrichtung alternierend wirkende Anordnung mit 2 nebeneinander liegenden Ankerleitern S 1, S 2 und 2 Magnetreihen R 1, R 2 stellt Bild 9 dar. Die Ströme der beiden Leiter S 1, S 2, sind antiparallel, sodaß sie Teile einer Spule sein können.

Die Form der Polelemente P ist für aufeinanderfolgende Ein­ heiten gleich.

Auch diese Konfiguration eignet sich gut für eine doppelsei­ tige Anordnung zur Verdoppelung der Kraftwirkung. Hinsicht­ lich der auftretenden Streufeldkomponenten sind die unterhalb der Leiter S 1, S 2 sich gegenüberstehenden Polpartien zu be­ achten, während im Raum oberhalb und zwischen den Leitern das Streufeld verschwindet. Innerhalb der Polelemente tritt wie auch bei konventionellen Formen eine Nutstreuung bei ver­ kürzter Nutlänge auf.

Bild 10a zeigt einen Anker nach dem Konzept von Bild 9, dar­ gestellt quer zur Bewegungsrichtung. Hierbei ist angenommen, daß die Leiter S 1 und S 2 geradlinig über mehrere Polelemente P verlaufen ehe sie in Querrichtung verbunden werden.

Wie Bild 10b zu entnehmen ist lassen sich bei gleichen Pol­ abmessungen die Maße der Polelemente P verringern, wenn die Leiter S 1, S 2 in der oben beschriebenen Form, wellenförmig zwischen den Polelementen ausgebildet sind (z.B. entsprechend Bild 5). Die in Bild 10b gestrichelt gezeichneten Querschnitte S 1′und S 2′zeigen die Lage der Leiterumrisse im benachbarten Polelement. Der Versatz gegenüber S 1, S 2 ist verhältnismäßig klein, die Wellentiefe gering. Somit entstehen keine größeren Herstellungsprobleme und auch keine nennenswerte Widerstands­ erhöhung als Folge längerer Leiter. Durch die kleineren Ab­ messungen der Polelemente gehen auch die Streuflußanteile in ihrer Größe zurück.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß Ausführungs­ formen von Anker- und Magnetanordnung angebbar sind, die im Hinblick auf große Wicklungsquerschnitte bei kleiner Polteil­ ung günstigere Bemessungsbedingungen aufweisen als die be­ kannte Magnetkreisform nach Bild 1.

Gemeinsam ist den neuen Konfigurationen, daß Weicheisenteile eingesetzt werden, die Teile der Ankerwicklung in Querrichtung umschließen und somit transversale Flußkomponenten führen.

Wie die beschriebenen Formen der Ankerausbildung zeigen, sind entweder Spulen vorgesehen, deren Ausdehnung in Bewegungsrich­ tung (bezogen auf ihre Mittellinie) größer als die Polteilung sind (Bild 3) oder es sind Spulen, die sich über mehr als zwei Polteilungen erstrecken und in der Hauptrichtung parallel zur Bewegungsrichtung verlaufen. Durch eine etwas wellenförmige Anordnung der Leiter lassen sich Beschränkungen des Material­ aufwandes für das Eisen und Verringerungen der Streufelder erzielen. Anordnungen dieser Art sind in den Bildern 5, 6, 7, 8, 9 und 10 erfaßt.

Den Anordnungen ist gemeinsam, daß sie bedeutend größere Wick­ lungsquerschnitte und somit größere Ankerdurchflutungen bei begrenzten Wicklungsverlusten ohne nennenswerte Verbreiterung (quer zur Bewegungsrichtung) ermöglichen. Die erzielbare Kraft je Flächeneinheit der Pole bzw. Magnete steigt hier­ durch nennenswert an, ohne daß Reduktionen des Wirkungsgrades eintreten. Da es nun möglich ist, im Vergleich zu herkömmlich­ en Anordnungen auch die Polteilung zu verkleinern, lassen sich die beschriebenen Konfigurationen auch zu einer deutlichen Verbesserung des Wirkungsgrades und gleichzeitig einer star­ ken Verminderung des Materialbedarfs (für Anker und Magnete) einsetzen.

Zur Begrenzung des Ankerfeldeinflusses bietet sich die Ver­ größerung der Höhe der Permanentmagnete an. Hierdurch kann gleichzeitig auch die Kommutierungszeit reduziert und deren Einfluß auf die erzielbare mittlere Schubkraft limitiert werden.

Im übrigen gelten die in P 35 36 538 beschriebenen Möglichkei­ ten zum Bau und Betrieb der in dieser Form neuartigen Ma­ schinen. So lassen sich z.B. mehrere Reihen von Ankerelemen­ ten nebeneinander auf den Rotor bzw. Translator wirkend auf­ bauen. Auch eine Maschinenkonfiguration mit mehr als einer Rotorscheibe weist durch Zusammenfassung von Teilfunktionen Vorteile auf. Es lassen sich sowohl für die Weicheisenele­ mente Einsparungen erzielen (beim Doppelscheibenaggregat) als auch Spulenformen angeben wo z.B. benachbarte bzw. gegenüber­ liegende Ankerelemente Hin- und Rückleiter einer gemeinsamen Spule verwenden. Weiter besteht die Möglichkeit Gruppen von Ankerelementen gegenüber dem Rotor durch Stellorgane in ihrer Position zu verändern um so die Feldwirkung zu beeinflussen.

Claims (11)

1. Elektrische Maschine zur Umwandlung elektrischer in mecha­ nische Leistung und umgekehrt, bestehend aus einem beweg­ lichen und einem feststehenden Teil mit einer Ankerwicklung, die abschnittsweise ohne Überlappung einsträngig ausgeführt ist und Ankerelementen aus Weicheisen, deren Teilung gleich der des Erregerfeldes ist, wobei der magnetische Fluß min­ destens in Teilbereichen in transversaler Richtung verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Ankerspule (Spulenseiten) vom Weicheisenpol­ element quer zur Bewegungsrichtung auf drei Seiten umschlos­ sen werden und die Ausdehnung der Spule bezogen auf ihre Querschnittsmitte in Bewegungsrichtung länger ist als eine Polteilung.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Spulen verwendet werden, deren Gesamtlänge in Bewegungs­ richung nicht größer als die doppelte Polteilung sind und die dabei jeweils einen Pol umschließen (Bild 3).

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Spulen verwendet werden, die mehr als einen Pol umschlie­ ßen und in der Teilung der Pole wellenförmig strukturiert sind, wobei die Wellentiefe kleiner als die Polteilung ist.

4. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß einphasige Ankerabschnitte der beschriebenen Ausführung mit einer entsprechenden Winkelversetzung auf einen Läufer mit gleichmäßiger Teilung wirken, wobei der Wechselstrom der Ankerspulen in den einzelnen Abschnitten phasenverschoben ist.

5. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einphasige Teilsysteme sich auf mehrere Rotoren aufteilen, die entsprechend phasenverschoben betrieben und bezogen auf die Rotorteilung räumlich versetzt angeordnet sind.

6. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Gruppe der einsträngig gespeisten Anker­ elemente eine wechselnde Polarität durch eine Flußrückführung entsteht, die durch eine magnetisch leitfähige Verbindung zwischen Nachbarpolen (Bild 3 und 4) bei entgegengesetzter Stromrichtung zweier Teilstränge der Ankerspule (S 1, S 2) entsteht.

7. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Gruppe der einsträngig gespeisten Anker­ elemente eine wechselnde Polarität durch wechselweise Anker­ erregung von zwei verschiedenen Seiten des Rotors und durch magnetische Rückschlüsse auf der jeweils dem aktiven Teil entgegengesetzten Seite (Bild 6) entstehen.

8. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Gruppe der einsträngig betriebenen Anker­ elemente die Polarität zwischen Null und einem Maximalwert (bei benachbarten Polen) schwankt und hierzu jedes zweite Element in gleichem Sinne erregt wird, das Nachbarelement jedoch passiv ausgeführt ist und zur Ableitung des magne­ tischen Restflusses vom Nachbarelement (als Schirm) Ver­ wendung findet (Bild 7, 8).

9. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der beschriebenen Anordnungen quer zur Bewe­ gungsrichtung angeordnet sind und gemeinsam auf einen Rotor bzw. Translator wirken.

10. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß nicht zur Erregung der Polelemente beitragende Spulen­ rückführungen dadurch vermieden werden, daß nebeneinan­ derliegende oder sich auf verschiedenen Rotorseiten gegen­ überstehenden Elementgruppen mit der Hin- und Rückleitung von Spulen versorgt werden, z.B. Bild 9.

11. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß Gruppen gleichphasig betriebener Ankerelemente in ihrer Position zum Rotor durch eine (mechanisch oder elektrome­ chanisch betriebene) Stellvorrichtung bewegt werden können.