DE3800916A1 - Feldstellung fuer eine elektrische maschine mit permanentmagneten im erregerteil - Google Patents
Feldstellung fuer eine elektrische maschine mit permanentmagneten im erregerteilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Feldstellung für eine elektrische
Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Feldstellung für solche permanentmagneterregte Maschinen
ist aus der DE-PS 34 01 163 bekannt und zwar für eine Maschine
mit lamellierten Weicheisenpolanordnungen nach dem Sammler
prinzip gemäß der DE-OS 31 35 924, bei der der magnetische
Widerstand innerhalb des magnetischen Kreises auf mechanische
Weise vergrößert wird.
Bei der Konzipierung und Anwendung von permanenterregten und
wechselrichtergespeisten elektrischen Maschinen sind nach
folgend dargelegte verschiedene Gesichtspunkte gegeneinander
abzuwägen und entsprechend aufeinander abzustimmende Maßnahmen
zu beachten.
Anordnungen von Permanentmagneten zur Erregung elektrischer
Maschinen dienen dem Ziel, das Leerlauffeld verlustlos zu
erzeugen und eine kompakte Bauform bzw. eine hohe Kraftdichte
für Antriebe und Generatoren zu ermöglichen.
In Kombination mit Ankerwicklungen, deren Strangzahl fünf oder
größer ist, lassen sich sowohl erhöhte Kraftdichten als auch
steuerbare Leerlauffelder erzielen. Die erhöhte Strangzahl
ermöglicht bei Speisung über individuell stellbare Teilwechsel
richter eine weitgehend rechteckförmige Stromverteilung und
damit, im Zusammenwirken mit einem annähernd rechteckförmigen
Feld, einen hohen mittleren Wert der Polkraft. Gleichzeitig
erreicht auch der Wirkungsgrad einen hohen Wert.
Trotz der großen Fortschritte auf dem Gebiet der Wechsel
richtertechnik und der einschlägigen Bauelemententwicklung
stellen die Geräte der Leistungselektronik einen entscheidenden
Kostenfaktor für derartige Antriebe dar. Es kommt deshalb der
bestmöglichen Anpassung von Maschine und Wechselrichter eine
hohe Bedeutung zu. Eine wichtige Maßnahme ist in diesem
Zusammenhang die Nutzung von Auslegungsvorteilen der Feld
schwächung, insbesondere bei Fahrzeugantrieben. Die bei fallen
der Drehmomentcharakteristik mögliche Reduktion des Flusses
(Flußdichte) wird zur Begrenzung der induzierten Spannung und
damit der spannungsbedingten Bauteilbeanspruchung im Wechsel
richter genutzt. Eine entsprechende Kostenreduktion des Bau
teilaufwandes ist damit nicht verbunden.
Aus der Sicht der elektrischen Maschine ist das Verfahren der
Feldschwächung allenfalls als akzeptabler Kompromiß, nicht aber
als eine optimale Lösung zu sehen. Da mit der Feldschwächung
im oberen Drehzahlbereich der Ankerstrom meist konstant gehal
ten wird, treten trotz der Momentenschwächung hohe Wicklungs
verluste auf. Eine Reduktion des Ankerstroms, anstelle der
reduzierten Felddichte, ließe sich in eine stärkere Limitierung
der Maschinenverluste umsetzen und würde der Erhöhung des
Wirkungsgrades in den meisten Fällen dienlicher sein. Mit Rück
sicht auf die teuren Wechselrichter wird im allgemeinen jedoch
der Weg der Feldschwächung beschritten.
Die erwünschte Feldstellbarkeit ist bei ankererregten Asynchron
maschinen oder bei elektrisch erregten Synchronmaschinen ohne
Schwierigkeiten gegeben. Bei Anwendung von permanenterregten
Feldern entstehen bekanntlich aber Probleme.
Die bekannten Maßnahmen (DE-PS 34 01 163) der Feldstellung
beschränken sich vornehmlich auf mechanische Eingriffe zur
Vergrößerung des magnetischen Widerstandes innerhalb des mit
Weicheisenelementen bestückten magnetischen Kreises. So werden
z.B. durch axiale Verschiebung von Teilen des Erregerkreises im
Rotor Vergrößerungen des insgesamt wirksamen Luftspalts herbei
geführt. Es sind ferner aus der DE-PS 34 01 163 Vorschläge
bekannt, bei denen eine Feldstellung durch Spulenströme der
Ankerwicklung, die mit fünf oder mehr Strängen ausgeführt ist,
erfolgt und diese mit Hilfe des Wechselrichters der Läufer
stellung entsprechend weitergeschaltet werden.
Eine Entregung dieser Art bedeutet allerdings bei Anwendung
von normalen Magneten, daß ein ständiger "Erregerstrom" im
Anker aufgebracht werden muß, der auch entsprechende Verluste
hervorruft. Darüber hinaus wird die Zahl der an der Kraft
bildung beteiligten Wicklungsstränge verringert, so daß zur
Erzielung einer großen Umfangskraft der Strangstrom erhöht
werden muß.
Wie sich zeigt, ist insbesondere eine Erregeranordnung in
Sammlerkonfiguration zur Realisierung der Feldstellung
geeignet. Im Vergleich zur Flachmagnetanordnung ist dabei
vorteilhaft der verhältnismäßig kleine magnetische Widerstand
der Permanentmagnete zur Erzeugung einer Ankerfeldkomponente
kennzeichnend. Dabei wird bei der Sammleranordnung vorausge
setzt, daß der Magnetquerschnitt deutlich (um den Faktor 2
oder mehr) größer ist als der entsprechende Polquerschnitt. Es
lassen sich dann bereits nennenswerte Feldänderungen durch die
Spulenströme von nur ein oder zwei Strängen erzielen, ohne daß
der Strom den Wert des Nennstromes überschreitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feldstellung von
Permanentmagneten in solchen Polanordnungen zu vereinfachen
und zu verbessern.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die kennzeich
nenden Merkmale des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Ausge
staltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
weiterer Ansprüche.
Zum leichteren Verständnis der Erfindung wird auf die folgenden
Darlegungen und die Zeichnung verwiesen, in denen die maßgeb
lichen Gesichtspunkte herausgestellt sind. Dabei ist in Fig. 1
die im zweiten und dritten Quadranten des B-H-Koordinaten
systems liegende Hystereseschleife der geschichteten Permanent
magneten von zwei in Fig. 4 gezeigten Polanordnungen nach dem
Sammlerprinzip von besonderer Bedeutung.
Die Schichten der Permanentmagnete bestehen aus Magnetmaterial
mit den in Fig. 2 und 3 angegebenen Magneteigenschaften.
Mit begrenztem Spulenstrom, der möglichst nicht größer als der
Nennstrom sein und außerdem nur kurzzeitig aufgebracht werden
soll, wird für eine längere Arbeitsperiode ein veränderter Wert
der Leerlauffelddichte eingestellt. Der zeitliche Eingriff für
diese Feldstellung beschränkt sich somit auf eine sehr kurze
Zeit, so daß der Betriebsablauf nicht oder nicht nennenswert
gestört wird. Der Energieaufwand zur Herbeiführung eines neuen
Magnetisierungszustandes ist somit sehr klein im Vergleich zu
den Vorteilen, die durch den Erregerzustand im Zeitablauf des
Arbeitsabschnitts erzielt werden. Diese Vorteile können in der
Form von reduzierten Wicklungsverlusten (höherer Wirkungsgrad)
bestehen; gleichzeitig kann auch eine Anpassung der Maschine an
den Wechselrichter und in Verbindung damit eine Kostenminderung
erzielt werden. Bei geeigneter Dimensionierung des Erreger
systems, das die Permanentmagneten enthält, wird erreicht, daß
die zur Ummagnetisierung nötigen Ströme so begrenzt werden
können, daß hierdurch keine zusätzlichen Forderungen für die
Wechselrichter-Auslegung entstehen. Es findet somit keine
Überbelastung der für normalen Betrieb auszulegenden Bauele
mente statt. Gleichzeitig soll die Bedingung eingehalten
werden, daß bei maximaler Umfangskraft hohe Magnetflußdichten
gebildet werden.
Die Verwirklichung einer stellbaren Magnetisierung mit Hilfe
begrenzter kurzzeitig anwendbarer Erregerströme setzt voraus,
daß gemäß Fig. 1 eine ganz bestimmte Form der Hystereseschleife
des Magnetmaterials gegeben ist. Die Breite der Hysterese
schleife darf im zweiten Quadranten ein bestimmtes Maß nicht
überschreiten, damit durch Eingriff mit Hilfe der Ankerströme
Feldänderungen in nennenswerter Größe erzielt werden können.
Um gleichzeitig hohe Kraftdichten ohne Inanspruchnahme größerer
zusätzlicher Erregerkomponenten der Ankerströme zu erzeugen,
muß das Magnetmaterial auch eine hohe Remanenzinduktion auf
weisen. Die Forderung nach verhältnismäßig schmaler Hysterese
kurve ist unter Beachtung der zuletzt genannten Bedingung nur
realisierbar, wenn das Magnetmaterial mit hoher innerer Energie
und gerader B(H)-Kennlinie im zweiten Quadranten nach Fig. 3 in
einer sehr dünnen Schicht angewendet wird. Um dennoch hohe
Flußdichten im Luftspalt erzeugen zu können, wird das Prinzip
der Flußdichtekonzentration mit Hilfe der Sammleranordnung
eingesetzt. Das Verhältnis von Magnetquerschnitt zu Polquer
schnitt ist dabei möglichst groß (größer als 2) zu wählen. Um
z.B. den Übergang von einem Magnetisierungszustand hoher Feld
dichte in einen solchen niedriger Felddichte durchzuführen, ist
ein Wechsel von einer höheren Zustandsgeraden a innerhalb der
Hystereseschleife auf eine niedrigere Zustandsgerade g,g o zu
vollziehen. Dieser Übergang setzt nach Fig. 1 eine stärkere
Krümmung des Hystereserandbereichs im zweiten Quadranten voraus.
In dieser Darstellung ist der Einfachheit halber ein geknickter
Linienzug als Berandung zugrunde gelegt. Es wird davon ausge
gangen, daß zusätzlich zu dem erwähnten harten Magnetmaterial II
nach Fig. 3 mit gerader Kennlinie ein Magnetmaterial I nach Fig. 2
verwendet wird, dessen Kennlinie im zweiten Quadranten einen
Knick aufweist. Bei der Magnetanordnung nach Fig. 4 ist jeweils
der Permanentmagnet symmetrisch aus Schichten von Magnetmaterial
I und II aufgebaut, wobei die Schicht aus hartem Magnetmaterial
II beidseitig von Schichten aus Magnetmaterial I mit geknickter
Kennlinie I bedeckt ist.
Mit dieser Materialkombination kann die in Fig. 1 dargestellte
resultierende Hysteresekurve verwirklicht werden. Die erziel
bare Flußdichte B im Magnetbereich der Reihenschaltung von
Magnet I und II ergibt sich abhängig von der Wahl der B(H)-
Kennlinien und der gewählten Dicke der Magnetschichten.
Berücksichtigt man die Vorgeschichte der Magnetisierung und den
magnetischen Widerstand von Luftspalt und Ankeranordnung, so
ergeben sich unterschiedliche Betriebspunkte. Herausgehoben
sind die Schnittpunkte 0 und 0′ mit der strichpunktiert ange
deuteten Geraden R M für den Verlauf des magnetischen Wider
standes in der Luft. Die Punkte 0 und 0′ stellen die normalen
Betriebspunkte dar. Die entsprechenden B-Werte (B o , B min) sind
ohne gleichzeitige zusätzliche Erregung durch Ankerströme
erzielbar. Sie entsprechen offensichtlich einer unterschied
lich großen Felddichte im Luftspalt und können allein zur
Erregung der elektrischen Maschine (ohne zusätzliche Erreger
komponenten der Ankerströme) herangezogen werden.
Um einen Übergang von einem zum anderen Felddichtewert zu
erreichen, ist nur eine sehr kurzzeitige Aussteuerung mit
Hilfe der Ankerströme notwendig. Hierzu muß ein bestimmter
Maximalwert der Durchflutung, mit dem örtlichen Zentrum der
Magnetmitte, aufgebracht werden. Beim Übergang von Betriebs
punkt 0 auf 0′ ist dieser Durchflutungswert im entmagneti
sierenden Sinne anzuwenden. Wird hingegen ein Übergang von
Punkt 0′ auf 0 angestrebt, so ist der Durchflutungswert im
magnetisierenden Sinne (Pfeilrichtung) aufzubringen. Die
Magnetisierungsdurchflutung der Ankerwicklung kann entsprechend
Fig. 4 durch mehrere Wicklungsstränge (z.B. drei von insgesamt
sieben) aufgebracht werden. Ihr Zentrum liegt in Magnetmitte.
Bei laufendem Rotor wird die Erregerdurchflutung über die
wechselrichtergespeisten Ankerspulen weitergeschaltet. Auch bei
Anwendung von einigen nebeneinanderliegenden Ankerspulen ergibt
sich noch eine hinreichend gleichmäßige Feldverteilung im
Bereich der Permanentmagnete. Der übrige Aufbau der Erreger
pole entspricht der aus der DE-PS 34 01 163 bekannten Anordnung.
Hierbei ist ein schichtartiger Aufbau des magnetisch leit
fähigen Bereichs E mit magnetisch nicht leitfähigen Zwischen
bereichen Z vorgesehen für den lamellierten Sammler.
Werden kleinere Magnetisierungsdurchflutungen als der oben
erwähnte Durchflutungsmaximalwert angewendet, stellen sich auf
der Arbeitsgeraden a in Fig. 1 Zwischenwerte der Induktion B
(z.B. der Wert B max entsprechend Punkt 1) ein.
Wird die Richtung der Durchflutung umgekehrt, tritt eine
Verringerung von B auf; die Werte liegen links von Punkt 0
zunächst auf der Geraden a und bei weiterer Stromerhöhung auf
der stark abfallenden Geraden b. Der Punkt 2′ entspricht der
entmagnetisierend wirkenden Durchflutung R fmax . Wird von
diesem Zustand aus die Durchflutung wieder auf 0 geändert, so
bewegt sich der Magnetisierungszustand auf der Geraden a in
Richtung Punkt 0′. Ein direkter Weg zu Punkt 0′ ist gegeben,
wenn die negative Durchflutung nicht ganz bis auf den Betrag
R fmax gesteigert, sondern nur bis auf einen etwas kleineren
Wert R f (Punkt 2′′) gesteigert wird (Arbeitsgerade g o ). Der
Übergang von 0′ auf 0 erfolgt nach einer positiven Aussteuerung
der Erregerdurchflutung und führt über den Punkt 2 höchstmög
licher Felddichte. So kann z.B. der für einen gewissen Zeit
anteil auftretende Betrieb mit maximaler Flußdichte B max im
Luftspalt durch Anwendung von elektrischer Zusatzerregung
entsprechend Punkt 1 vorgesehen werden. Die dabei erforderliche
elektrische Durchflutung R f ist kleiner als der für den Über
gang erforderliche Maximalwert R fmax . Dies kann z.B. durch
Anwendung von zwei statt drei magnetisierend wirkenden und
nennstromführenden Ankerspulen bewirkt werden. Bei einem Fahr
zeugmotor würde dieser Betriebspunkt dem Anfahrvorgang mit
größtem Drehmoment entsprechen. Für hohe Betriebsgeschwindig
keit des Fahrzeugs wird die kleine Flußdichte B o entsprechend
Punkt 0 eingestellt.
Dieser Feldschwächebetrieb ist auch dann von Interesse, wenn
ein Antrieb bei Teillast zur Reduktion der Eisenverluste mit
reduzierter Felddichte betrieben werden soll und eine mit der
Drehzahl fallende Momentenkennlinie gegeben ist.
Claims (3)
1. Feldstellung für eine elektrische Maschine mit Permanent
magneten in den in Sammlerform ausgeführten Polen eines
beweglichen Erregerteils und einer wechselrichtergespeisten
mehrsträngigen Ankerwicklung im luftspaltbeabstandeten Stator,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus Magnetmaterial (I, II) unterschiedlicher B-H-Kennlinie
im zweiten und dritten Quadranten geschichtete Permanentmagnete
mit stark gekrümmter schmaler Hysterseschleife vorgesehen sind
und die den Polmitten jeweils zentral zugeordneten Ankerspulen
kurzzeitig im Sinne einer gewünschten Änderung der Felddichte
der Permanentmagneten durchflutet werden, wobei die Reihen
schaltung der einzelnen Schichten der Permanentmagnete durch
einem in der Pollücke zwischen benachbarten Polen wirksamen
Stromimpuls der betreffenden Teile der Ankerwicklungen je nach
der Durchflutungsrichtung in auferregendem oder entregendem
Sinne gesteuert wird.
2. Feldstellung nach Anspruch 1 mit Polanordnungen nach dem
Sammlerprinzip, dadurch gekennzeichnet,
daß die senkrecht zum aktiven Luftspalt gerichteten
Permanentmagnete aus einer harten mittleren Magnetschicht und
diese beidseitig bedeckenden weicheren Magnetschichten
zusammengesetzt sind und von einem Teil der erregerfeldändernd
betriebenen Ankerspulen in ihrer Felddichte beeinflußt werden.
3. Feldstellung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß an Stelle der kurzzeitigen
Erregung eine dauernde Durchflutung im Sinne einer gewünschten
Erhöhung der Felddichte der Permanentmagneten zur Erzeugung
relativ großer Drehmomente vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883800916 DE3800916A1 (de) | 1988-01-14 | 1988-01-14 | Feldstellung fuer eine elektrische maschine mit permanentmagneten im erregerteil |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883800916 DE3800916A1 (de) | 1988-01-14 | 1988-01-14 | Feldstellung fuer eine elektrische maschine mit permanentmagneten im erregerteil |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3800916A1 true DE3800916A1 (de) | 1989-07-27 |
Family
ID=6345287
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19883800916 Withdrawn DE3800916A1 (de) | 1988-01-14 | 1988-01-14 | Feldstellung fuer eine elektrische maschine mit permanentmagneten im erregerteil |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3800916A1 (de) |
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- 1988-01-14 DE DE19883800916 patent/DE3800916A1/de not_active Withdrawn
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