DE4427323C2 - Electrical machine with permanent magnets and excitation field windings - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit mindestens einer Erregereinheit, die sowohl Permanentmagnete als auch Erregerfeldwicklungen aufweist.The invention relates to an electrical machine with at least one excitation unit has both permanent magnets and excitation field windings.
Permanenterregte elektrische Maschinen erfordern eine hohe Eckpunktleistung der An steuerung. Insbesondere in batteriebetriebenen Fahrzeugen bestimmen die Höchstge schwindigkeit und das maximale Moment die Maschinenauslegung. Eine hohe Fluß dichte im Luftspalt verursacht - besonders bei hohen Drehzahlen - hohe Eisenverluste.Permanently excited electrical machines require a high corner power of the An control. The maximum level is particularly high in battery-powered vehicles speed and the maximum moment the machine design. A high river density in the air gap causes - especially at high speeds - high iron losses.
In rein elektrisch erregten Maschinen vermindern die Erregerverluste - insbeson dere im Teillastbetrieb - den Wirkungsgrad. Weiterhin werden durch die gute Leitfähig keit der Rotoroberfläche die Pulsations- und Oberflächenverluste gesteigert.In purely electrically excited machines, the pathogen losses are reduced - especially in partial load operation - the efficiency. Furthermore, due to the good conductivity increased pulsation and surface losses.
Bereits aus der DE-PS 708 038 ist seit 1941 eine Synchrongroßmaschine hoher Drehzahl bekannt, deren Erregung zum größeren Teil durch umlaufende Permanent magnete und zum kleineren Teil durch regelbare Magnetisierungströme herrührt. Als Permanentmagnete werden Magnetstähle eingesetzt, die niedrige Koerzitivfeldstärken aufweisen. Der gesamte Eisenkörper des Läufers besteht aus einem hartmagnetischen Stahl. Für eine konstante Spannung, wird die elektrische Zusatzmagnetisierung zur Überwindung von Ankerrückwirkung und Streuung eingesetzt. Ziel ist ein kleines Ge wicht der Läuferwicklung. Um den Aufwand für die Erregerwicklung zu halbieren, wirkt die Zusatzmagnetisierung nicht nur feldverstärkend, sondern auch feldschwächend. Hierzu wird eine Gleichstromerregermaschine mit Wendeerregerstromregler benutzt, die auch einen magnetisierenden Erregerstrom liefern soll, der den Magnetstahl aufma gnetisiert.From DE-PS 708 038 a large synchronous machine has been higher since 1941 Speed known, the excitation for the most part by rotating permanent magnets and partly due to controllable magnetization currents. As Permanent magnets are used in magnetic steels with low coercive field strengths exhibit. The entire iron body of the runner consists of a hard magnetic Steel. For a constant voltage, the additional electrical magnetization becomes Overcoming anchor reaction and scattering used. The goal is a small Ge importance of runner development. In order to halve the excitation winding effort, it works the additional magnetization not only strengthens the field, but also weakens it. For this, a DC excitation machine with reversing excitation current controller is used, which should also deliver a magnetizing excitation current that measures the magnet steel gnetized.
Im Elektromaschinenbau haben sich am Markt seit den sechziger Jahren Ferrit magnete und für hochwertige Antriebe die seit ca. 1980 verfügbaren Seltenerdemagne te durchgesetzt. Gegenüber den nicht mehr gebräuchlichen Magnetstählen weisen die heute üblichen Magnetwerkstoffe wesentlich höhere Koerzitivfeldstärken auf. Eine Ent magnetisierung durch Ankerquerfelder kann innerhalb des zulässigen Temperaturbe reichs ausgeschlossen werden. Das Energieprodukt von Seltenerdemagneten, z. B. aus SmCo oder NdFeB, ist um den Faktor 10 größer als das von Magnetstählen, und ihre Kennlinie ist im gesamten zweiten Quadraten eine Gerade.Ferrite has been on the market in electrical engineering since the 1960s magnets and for high-quality drives the rare earth magnets that have been available since around 1980 enforced. Compared to the no longer used magnet steels, the Magnetic materials common today have significantly higher coercive field strengths. An ent Magnetization through armature cross fields can be within the permissible temperature be excluded. The energy product of rare earth magnets, e.g. B. from SmCo, or NdFeB, is 10 times larger than that of magnetic steels, and their The characteristic curve is a straight line in the entire second square.
Aus der DE 34 24 402 C1 ist eine stromrichtergespeiste, selbstgesteuerte, läufer erregte Synchronmaschine bekannt, die eine als Gegenerregung zur Permanent erregung geschaltete elektrische Erregung aufweist. Die ausschließlich feldschwächend wirkende Gegenerregung zeichnet sich dadurch aus, daß sie mit steigender Drehzahl zunimmt. Das max. Erregerfeld soll für eine einem Gleichstromantrieb überlegene Steifigkeit sorgen und wird alleine von den Permanentmagneten erzeugt. Hierfür weisen die Luftspaltmagnete einen hohen Arbeitspunkt auf, der auch beim max. Ankerquerfeld eine Entmagnetisierung an den Polrändern vermeidet. Die Baugröße und das einge setzte Magnetvolumen entspricht einer rein permanenterregten Synchronmaschine mit gleichem Stillstandmoment. Während die Ummagnetisierungsverlusten im Ständer durch die Feldschwächung sinken, entstehen bei hohen Drehzahlen hohe Verluste in der Erregerwicklung, da der magnetische Widerstand für das elektrische Erregerfeld groß ist. Hohe Rotorverluste verstärken die Probleme bei der Wärmeableitung.DE 34 24 402 C1 describes a converter-fed, self-controlled rotor excited synchronous machine known, one as a counter-excitation to permanent has switched electrical excitation. The only field weakening counter-excitation is characterized by the fact that it increases with increasing speed increases. The max. Excitation field is intended for a stiffness superior to a DC drive care and is generated solely by the permanent magnets. For this, the Air gap magnets have a high operating point, which also at max. Anchor cross field prevents demagnetization at the pole edges. The size and the set magnet volume corresponds to a purely permanent magnet synchronous machine same standstill torque. During the magnetic losses in the stator sink through the field weakening, high losses occur at high speeds the excitation winding because the magnetic resistance for the electrical excitation field is great. High rotor losses exacerbate heat dissipation problems.
Aus der DE-AS 17 63 317 ist bekannt, die Entmagnetisierung der Permanent magnete im Stator eines Scheibenläufers zu verhindern, indem wenige Drahtwindungen direkt um die Permanentmagnete gewickelt werden. Aufgrund der geringen relativen Permeabilität des im Innenraum der Spulen angeordneten Magnetmaterials, kann mit dieser Bauform nur ein relativ geringer Stellbereich erzeugt werden. Dem elektrischen Strom steht nur ein auf den Pollückenraum beschränktes Kupfervolumen zur Verfü gung, das durch die Drahtwicklung schlecht ausgenutzt wird. Vergrößerte Pollücken verringern die Polabdeckung und damit die magnetische Ausnutzung der Maschine.From DE-AS 17 63 317 it is known to demagnetize the permanent prevent magnets in the stator of a disc rotor by making few wire turns can be wrapped directly around the permanent magnets. Because of the low relative Permeability of the magnetic material arranged in the interior of the coils can also be this design only a relatively small adjustment range can be generated. The electrical Electricity is only available in a copper volume that is limited to the pole gap space supply that is poorly used by the wire winding. Enlarged pole gaps reduce the pole cover and thus the magnetic utilization of the machine.
In der JP 58-222 765 A wird ein elektrischer Generator beschrieben, bei dem zur Senkung der Herstellungskosten auf der Erregerpolfläche ein kunststoffgebundener Ferritmagnet aufgebracht wird. Kunststoffgebundene Ferrite erreichen nur eine Fluß dichte von ca. 0,15 T. Der überwiegende Teil des Erregerfelds wird von der Erregerwick lung erzeugt. Die Magnetschicht selbst ist nur geringfügig besser magnetisierbar als Luft. Die angestrebte Verringerung der Fertigungskosten ist nur dann erreichbar, wenn die zusätzliche Magnetschicht den magnetischen Widerstand für das elektrisch erzeug te Erregerfeld nicht erhöht. Dies ist nur in großen Generatoren mit relativ großen Luftspalten möglich. Das schwache Feld der Magnetschicht wirkt additiv, und ein starkes Erregerfeld gegen Entmagnetisierung muß eine Entmagnetisierung durch das Anker querfeld vermeiden. Die Erregerwicklung wirkt ausschließlich feldverstärkend.In JP 58-222 765 A an electrical generator is described in which the Lowering the manufacturing costs on the exciter pole area a plastic-bound Ferrite magnet is applied. Plastic-bonded ferrites only reach one river density of approx. 0.15 T. The majority of the pathogen field is from the pathogen wick generated. The magnetic layer itself is only slightly better magnetizable than Air. The desired reduction in manufacturing costs can only be achieved if the additional magnetic layer generates the magnetic resistance for the electrical excitation field not increased. This is only in large generators with relatively large ones Air gaps possible. The weak field of the magnetic layer has an additive effect and a strong one Excitation field against demagnetization must be demagnetized by the armature avoid cross-country. The field winding only has a field-enhancing effect.
Aus der US-PS 4 398 112 ist eine Einphasenwicklung für eine Radialflußma schine bekannt, die durch das Einschneiden von axialen Aussparungen in ein zuvor aufgewickeltes dünnes Leiterband hergestellt wird.From US-PS 4 398 112 is a single phase winding for a radial flux known machine that by cutting axial recesses in a previously wound thin conductor tape is produced.
Weiterhin ist aus der DE 41 26 019 A1 eine Flachbandwicklung für Schenkel polmaschinen mit radialem Luftspaltfluß und aus der US-PS 41 90 779 eine Erregerein heit für einen Innenläufer in Klauenpolbauform bekannt.Furthermore, DE 41 26 019 A1 describes a flat ribbon winding for legs pole machines with radial air gap flow and an exciter from US-PS 41 90 779 unit known for an inner rotor in claw pole design.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde eine elektrische Maschinen mit einer perma nentmagnetischen und elektrischen Erregung derart weiterzubilden, daß sowohl im Teillastbetrieb als auch bei hohen Drehzahlen geringe Verluste entstehen, das Permanentmagnetmaterial gut ausgenutzt wird und die Maschine sowohl hohe Drehmomente als auch hohe Drehzahlen erzeugen kann, wobei zusätzlich ein leichter und mechanisch stabiler Aufbau und eine aus reichende Kühlung sowie eine kostengünstige Herstellung zu gewährleisten ist. The invention had the object of an electrical machine with a perma Magnetic and electrical excitation in such a way that both in partial load operation as well as low losses at high speeds, the permanent magnet material is good is exploited and the machine both high torques and high speeds can generate, in addition a light and mechanically stable structure and one sufficient cooling and cost-effective production is to be ensured.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object is achieved with the characterizing features of claims 1 and 13 solved. Further advantageous configurations are described in the subclaims.
Erfindungsgemäß wird die Luftspaltoberfläche der Erregereinheit nur aus Permanentmagnet material und Isoliermaterial gebildet, wodurch geringe Oberflächenverluste entstehen. Die Permanentmagnete weisen eine hohe Polabdeckung sowie eine geringe Dicke in Richtung des magnetischen Flusses auf. Hierdurch nehmen sie im Normalbetrieb einen Arbeitspunkt nahe ihrem maximalen Energieprodukt ein. Die Permanentmagnetsegmente sind flächig auf weichma gnetischen Kernen befestigt, zwischen denen eine Erregerwicklung angeordnet ist, die aus Leitern mit rechteckförmigem Querschnitt besteht und somit einen hohen Füllfaktor aufweist. Je nach Maschinenbauform sind die Erregerwicklungen unterschiedlich ausgestaltet. Sie gewährleisten durch ihren kompakten Aufbau eine hohe Stabilität und Leistungsdichte.According to the invention, the air gap surface of the excitation unit is made only of a permanent magnet material and insulating material formed, resulting in low surface losses. The Permanent magnets have a high pole coverage and a small thickness in the direction of magnetic flux. As a result, they take a working point close in normal operation their maximum energy product. The permanent magnet segments are flat on soft attached magnetic cores, between which an excitation winding is arranged, which consists of There are ladders with a rectangular cross section and thus have a high fill factor. Depending on the machine design, the excitation windings are designed differently. she ensure high stability and power density due to their compact design.
Reicht die passive Kühlung der Erregerwicklung durch flächig anliegende Kühlkörper nicht aus, so kann eine aktive Kühlung durch Kühlkanäle erfolgen, die unterhalb der Pollücken und an den Stirnseiten der Erregerwicklung verlaufen.Passive cooling of the excitation winding due to flat heat sinks is not enough off, there can be an active cooling through cooling channels that are below the pole gaps and run on the end faces of the field winding.
Befindet sich die Erregereinheit im Läufer, so erfolgt die Übertragung der Erregerströme durch Schleifringe oder bürstenlos durch steuerbare Transformatoren, wobei ebenfalls auf ein geringes Gewicht und eine gute Raumausnutzung geachtet wird.If the excitation unit is in the rotor, the excitation currents are transmitted by slip rings or brushless by controllable transformers, also on a low weight and good use of space is ensured.
Die Zeichnungen stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.The drawings represent advantageous embodiments of the invention.
Fig. 1 zeigt die Magnetisierungskennlinie eines Permanentmagneten mit Arbeitspunkten; Fig. 1 shows the magnetization characteristic of a permanent magnet with operating points;
Fig. 2 zeigt die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie einer gemäß Fig. 1 ausgelegten elek trischen Maschine; Fig. 2 shows the speed-torque characteristic of an electric machine designed according to FIG. 1;
Fig. 3 zeigt schematisch ein Herstellungsverfahren für eine Flachband-Erregerfeldwicklung einer Axialflußmaschine; Fig. 3 shows schematically a manufacturing method for a ribbon excitation field winding of an axial flux machine;
Fig. 4 zeigt schematisch ein Herstellungsverfahren für eine Flachband-Erregerfeldwicklung einer Radialflußmaschine; Fig. 4 shows schematically a manufacturing method for a ribbon excitation field winding of a radial flux machine;
Fig. 5 zeigt eine Erregereinheit einer Axialflußmaschine in Schenkelpolbauform beim Zusammensetzen der Komponenten; Fig. 5 shows an excitation unit of an axial flow machine in Schenkelpolbauform during assembly of the components;
Fig. 6 zeigt eine Erregereinheit einer Radialflußmaschine mit mäanderförmiger Flachband spule beim Zusammensetzen der Komponenten; Fig. 6 shows an excitation unit of a radial flux machine with a meandering ribbon coil when assembling the components;
Fig. 7 zeigt eine Erregereinheit einer Axialflußmaschine in Klauenpolbauform beim Zusammensetzen der Komponenten; Fig. 7 shows an excitation unit of an axial flow machine in Klauenpolbauform during assembly of the components;
Fig. 8 zeigt den Querschnitt einer Axialflußmaschine, deren Erregereinheit gestanzte Leiterschichten enthält. Fig. 8 shows the cross section of an axial flow machine, the excitation unit contains stamped conductor layers.
Fig. 1 zeigt die Magnetisierungskennlinie 1 von Permanentmagneten aus einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Die drei eingezeichneten Arbeitspunkte A1-3 ergeben sich durch Über lagerung des permanenten Feldes durch ein elektrisch erzeugtes Erregerfeld, wobei A1 den Arbeitspunkt bei stromloser Erregerwicklung, A2 bei maximalem positiven Strom und A3 bei maximalem negativen Strom darstellt. Ein positiver Strom bedeutet, daß das permanenterregte Magnetfeld durch das elektrische Feld verstärkt wird und die Flußdichte im Magneten von A1 in Richtung A2 ansteigt. Dagegen schwächt ein negativer Strom das Magnetfeld und der Arbeitspunkt wandert auf der Kennlinie in Richtung A3. Fig. 1 shows the magnetization curve 1 of permanent magnets of an inventive electrical machine. The three operating points A 1-3 shown result from superimposition of the permanent field by an electrically generated excitation field, where A 1 represents the operating point with de-energized excitation winding, A 2 with maximum positive current and A 3 with maximum negative current. A positive current means that the permanently excited magnetic field is amplified by the electric field and the flux density in the magnet increases from A 1 in the direction of A 2 . In contrast, a negative current weakens the magnetic field and the operating point moves on the characteristic curve in the direction of A 3 .
In Fig. 2 wird die zur Maschinenauslegung von Fig. 1 gehörende Drehzahl-Drehmomentenkenn linie 2 gezeigt, wobei die Maschine bei reiner Permanenterregung durch Variation der Stator ströme und -spannungen lediglich den karierten Betriebsbereich I abdecken kann. Durch die elektrische Feldverstärkung sind bei weiterhin begrenztem Statorstrom höhere Drehmomente erreichbar, wodurch der schräg von links oben nach rechts unten schraffierte Bereich II hinzu kommt. Durch die elektrische Feldschwächung sind höhere Drehzahlen im schräg von links unten nach rechts oben schraffierten Bereich III realisierbar. Im Normalbetrieb I entstehen in der Maschine keine Erregerverluste und bei hohen Drehzahlen III aufgrund der abgesenkten Luftspaltflußdichte geringere Eisenverluste. Gegenüber einer rein elektrisch erregten Maschine wird das benötigte Kupfervolumen der Erregerwicklung um ca. 30% reduziert. Durch eine gute Raumausnutzung verringern sich die Verluste und das Gewicht der Erregerwicklung zusätzlich.In Fig. 2, the speed-torque characteristic line 2 belonging to the machine design of Fig. 1 is shown, wherein the machine can cover only the checkered operating range I with pure permanent excitation by varying the stator currents and voltages. With the stator current still limited, the electric field amplification makes it possible to achieve higher torques, as a result of which the area II shaded from top left to bottom right is added. The electrical field weakening enables higher speeds to be achieved in the area III shaded from bottom left to top right. In normal operation I there are no excitation losses in the machine and, at high speeds III, lower iron losses due to the reduced air gap flux density. Compared to a purely electrically excited machine, the required copper volume of the excitation winding is reduced by approx. 30%. A good use of space also reduces the losses and the weight of the field winding.
Für Linearmotoren, Radial- und Axialflußmaschinen sind mehrere Verfahren zur Herstellung einer Erregerwicklung aus Leiterflachband einsetzbar.There are several manufacturing processes for linear motors, radial and axial flow machines an excitation winding made of flat conductor tape can be used.
In Fig. 3 wird eine Variante zur Herstellung einer zweilagigen Erregerwicklung in Schenkelpol bauform für eine Axialflußmaschine schematisch dargestellt. Hierbei wird das Leiterflachband zunächst von einer Rolle 3 auf eine Spindel 4 gewickelt, deren Querschnitt dem späteren Polkernquerschnitt entspricht. Nachdem eine Spule 5 mit der doppelten Leiterlänge gegenüber einer späteren Einzelspule 6 gebildet wurde, wird das abgeschnittene Ende auf einem zweiten Spindelkörper 7 befestigt und das Leiterflachband zur Hälfte auf diesen zurück gewickelt. Derart vorgefertigte Spulenpaare 8 werden nun in zwei um eine Polteilung zueinander versetzten Lagen in eine Vorrichtung gesetzt. Der Strom fließt abwechselnd in Spulenpaaren der beiden Lagen, indem er an einer radialen Oberfläche des weichmagnetischen Polkerns innerhalb einer Kontaktschiene 9 von einem inneren Spulenende 10 zum nächsten Spulenende 10' wechselt. Die beiden Spulen eines Polkernes weisen somit einen entgegengesetzten Wickelsinn auf. In Fig. 3, a variant for producing a two-layer excitation winding in salient pole design for an axial flow machine is shown schematically. Here, the conductor flat strip is first wound from a roll 3 onto a spindle 4 , the cross section of which corresponds to the later pole core cross section. After a coil 5 with twice the conductor length compared to a later single coil 6 has been formed, the cut end is fastened on a second spindle body 7 and half of the conductor flat strip is wound back onto the latter. Coil pairs 8 prefabricated in this way are now placed in two positions in a device offset by one pole pitch. The current flows alternately in pairs of coils of the two layers by changing from a inner coil end 10 to the next coil end 10 ′ on a radial surface of the soft magnetic pole core within a contact rail 9 . The two coils of a pole core thus have an opposite winding direction.
Ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer Erregerwicklung aus Leiterflachband zeigt Fig. 4, wobei diesmal eine Mäanderspule 11 für eine Radialflußmaschine vorgefertigt wird. Das von einer Trommel 12 abgerollte dünne Leiterflachband 13 durchläuft zunächst eine automatische Strahl schneideanlage 14, in der die Aussparungen 15 für die Polsegmente herausgearbeitet werden. Alternativ wäre auch ein Stanzautomat einsetzbar. Anschließend wird in einer Beschichtungs anlage 16 ein Backlack gleichmäßig aufgetragen und das geschnittene und beschichtete Band 17 auf eine Vorrichtung 18 gerollt. Nach dem Aushärten des Backlacks wird die Vorrichtung entfernt und die Polkerne und ein Jochring axial aufgeschoben (siehe Fig. 6).An alternative method for producing a field winding of conductor ribbon shown in FIG. 4, except that a meander coil 11 is pre-manufactured for a Radialflußmaschine. The rolled out of a drum 12 thin conductor flat strip 13 first passes through an automatic beam cutting system 14 , in which the recesses 15 for the pole segments are worked out. Alternatively, a punching machine could also be used. Then a baking varnish is applied evenly in a coating system 16 and the cut and coated tape 17 is rolled onto a device 18 . After the baking lacquer has hardened, the device is removed and the pole cores and a yoke ring are pushed on axially (see FIG. 6).
Auch Axialflußmaschinen können mit mäanderförmigen Flachbandwicklungen ausgeführt werden, wobei das Flachband allerdings spiralförmig zu walzen ist.Axial flux machines can also be designed with meandering ribbon windings are, but the flat strip is to be rolled spirally.
Weiterhin ermöglicht es eine programmierbare Strahlschneideanlage auch, parallele Streifen mit mäanderförmigem Verlauf in einem Arbeitsgang aus dem Leiterflachband zu schneiden. Nach dem in Richtung der Nutbreite Isolierschichten aufgebracht wurden, werden Bandpakete aus zwei mit unterschiedliche Rollrichtungen arbeitenden Fertigungsmaschinen ausgetauscht, axial ineinander geschoben und an ihren Enden elektrisch leitend verbunden. Mehrere Mäanderspulen liegen dann axial flächig aneinander und sind in Reihe geschaltet.Furthermore, a programmable jet cutting system also enables parallel strips with a meandering course to be cut from the flat conductor strip in one operation. After to which insulation layers have been applied in the direction of the groove width, tape packs are made exchanged two production machines working with different rolling directions, axially pushed into each other and electrically connected at their ends. Several meander coils then lie axially flat against one another and are connected in series.
Durch diese und ähnliche, vorzugsweise vollautomatische Verfahren werden Erregerwick lungen hergestellt, die trotz kleiner Leiterquerschnitte und großer Leiterlänge durch recht eckförmige Leiterquerschnitte einen sehr hohen Nutfüllfaktor und durch die Vermeidung von Biegeradien relativ kurze Verbindungswege in den Wickelköpfen aufweisen.Through this and similar, preferably fully automatic processes, pathogen wick lungs, which despite small conductor cross-sections and long conductor lengths are right corner-shaped conductor cross-sections have a very high slot filling factor and by avoiding Bending radii have relatively short connection paths in the end windings.
Fig. 5 zeigt eine Erregereinheit 20 mit Flachbandspulen 21 in Schenkelpolbauform für eine 18- polige Axialflußmaschine beim Zusammenbau. Die baugleichen Polkerne 22 mit auf der Luft spaltoberfläche aufgeklebten oder aufgetragenen Permanentmagneten 23 werden in die Flachbandspulen 21 gesteckt und radial von außen in die Nuten 24 eines weichmagnetischen Jochringes 25 geschoben. In dieser einlagigen Erregerwicklung erfolgt die Reihenschaltung der Flachband spulen 21 erst nach der Montage, z. B. durch Laserlöten. Fig. 5 shows an excitation unit 20 with a flat tape reels 21 in Schenkelpolbauform for a 18-pole axial flow machine during assembly. The structurally identical pole cores 22 with permanent magnets 23 glued or applied on the air gap surface are inserted into the ribbon coils 21 and pushed radially from the outside into the grooves 24 of a soft magnetic yoke ring 25 . In this single-layer excitation winding, the series connection of the ribbon coils 21 takes place only after assembly, for. B. by laser soldering.
In Fig. 6 wird eine Erregereinheit 26 einer zwölfpöligen Radialflußmaschine bei der Montage dargestellt. Zunächst erfolgt das, axiale Einschieben jedes zweiten Polkerns 27 in einen mit Nuten 28 versehenen weichmagnetischen Jochring 29. Anschließend wird eine funktionsbereit vorgefertigte Flachband-Mäanderspule 30 aufgepreßt und abschließend die zweite Hälfte der Polkerne 31 mit entgegengesetzt magnetisierten Permanentmagneten 32 ebenfalls axial einge schoben. Hierbei unterstützt das Permanentmagnetfeld den Zusammenhalt der Erregereinheit 26. In FIG. 6, an excitation unit 26 is shown a zwölfpöligen Radialflußmaschine during assembly. First, the axial insertion of each second pole core 27 into a soft magnetic yoke ring 29 provided with grooves 28 . Then a ready-made flat ribbon meander coil 30 is pressed on and finally the second half of the pole cores 31 with oppositely magnetized permanent magnets 32 are also inserted axially. The permanent magnetic field supports the cohesion of the excitation unit 26 .
Bei axial kurzen Radialflußmaschinen oder ringförmigen Axialflußmaschinen erfolgt die Ausgestaltung der Erregerwicklung vorzugsweise in Form von Klauenpolen.In the case of axially short radial flow machines or annular axial flow machines, this takes place Design of the excitation winding preferably in the form of claw poles.
Fig. 7 zeigt eine derartige Erregereinheit 33 für eine 24-polige Axialflußmaschine beim Zusammensetzen. Nach dem Aufwickeln eines Leiterflachbandes zu einer Ringbandspule 34 sind sowohl die inneren Klauenpolsegmente 35 axial von der Luftspaltseite, als auch die äußeren Klauenpolsegmente, 36 radial von außen einsetzbar. Zur optimalen Ausnutzung des Magnetmaterials nehmen die Magnetsegmente 37 bis auf schmale Pollücken 38 die gesamte Luftspaltoberfläche ein, wobei sie tangential etwas über die Klauenpolsegmente 35, 36 hinaus ragen. Hierdurch wird der Streufluß des elektrisch erregten Feldes vermindert. Während der Aufwand zur Vorfertigung der Ringbandspule 34 gering ist, sind die komplexeren Klauenpol segmente 35, 36 vorzugsweise als Sinterteile auf Basis einer Kobalteisen-Legierung herstellbar. Fig. 7 shows such an excitation unit 33 for a 24-pole axial flow machine during assembly. After winding up a flat conductor strip to form a ring reel 34 , both the inner claw pole segments 35 can be inserted axially from the air gap side and the outer claw pole segments 36 36 radially from the outside. For optimal use of the magnetic material, the magnetic segments 37 occupy the entire air gap surface except for narrow pole gaps 38 , whereby they protrude somewhat tangentially beyond the claw pole segments 35 , 36 . This reduces the leakage flux of the electrically excited field. While the effort for prefabricating the ring reel 34 is low, the more complex claw pole segments 35 , 36 can preferably be produced as sintered parts based on a cobalt iron alloy.
In einer hochpoligen Axialflußmaschine 40 kann die Erregerfeldwicklung 41 - wie in Fig. 8 darge stellt - auch vorteilhaft aus gestanzten Leiterblechen bestehen. Um den Herstellungsaufwand und den Raumanteil des Isolierstoffes gering zu halten, wird nur eine geringe Schichtzahl realisiert und die Ansteuerspannung durch einen Wellentransformator 42 abgesenkt. Zur Kompensation der axialen Magnetkräfte weist die Axialflußmaschine zwei Luftspalte 43 auf, wobei zwei axiale Dünnringlager 44 nahe der inneren Wickelköpfe 45 einen konstante» Abstand der Rotorscheibe 46 von den beiden Statorhälften 47 gewährleisten. Beide Statorhälften be stehen aus baugleichen mehrphasigen Schichtwicklungen 48, die zusammen mit ihren genuteten weichmagnetischen Körpern 49 jeweils in eine Gehäusehälfte 50a, b eingepreßt sind. Das Magnetfeld durchströmt die Rotorscheibe 46 nur in axialer Richtung, wobei an beiden Luft spaltoberflächen Permanentmagnete 51 auf Polkernen 52 aus kornorientierten Blechen angeord net sind. In unter den Pollücken und über den Wickelköpfen angeordneten Kühlkanäle 53 zirkuliert ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel. Zusätzlich zu den magnetischen Kräften wird die Rotorscheibe durch zwei Kunststoffkörper 54a, b zusammengehalten, die an den radialen Oberflächen ineinander verhakt sind und die Pollücken ausfüllen. Eine faserverstärkte Bandage 55 am Außenumfang der Rotorscheibe nimmt die Fliehkräfte auf.In a multi-pole axial flux machine 40 , the field winding 41 - as shown in FIG. 8 Darge - also advantageously consist of stamped conductor plates. In order to keep the manufacturing outlay and the amount of space of the insulating material low, only a small number of layers are realized and the control voltage is reduced by a wave transformer 42 . To compensate for the axial magnetic forces, the axial flow machine has two air gaps 43 , two axial thin-ring bearings 44 near the inner winding heads 45 ensuring a constant distance between the rotor disk 46 and the two stator halves 47 . Both stator halves are made of structurally identical multi-phase layer windings 48 which, together with their grooved soft magnetic bodies 49, are each pressed into a housing half 50 a, b. The magnetic field flows through the rotor disc 46 only in the axial direction, with permanent magnets 51 on pole cores 52 made of grain-oriented sheets being arranged on both air gap surfaces. A liquid or gaseous coolant circulates in cooling channels 53 arranged under the pole gaps and above the winding heads. In addition to the magnetic forces, the rotor disk is held together by two plastic bodies 54 a, b, which are hooked together on the radial surfaces and fill the pole gaps. A fiber-reinforced bandage 55 on the outer circumference of the rotor disc absorbs the centrifugal forces.
Während in der statorseitigen Transformatorkernhälfte 56b ein Profildraht 57 mit kleinem Leiterquerschnitt eingelegt ist, enthält die in der Welle 58 angeordnete Kernhälfte 56a ein gewendeltes Leiterflachband 59. Der durch den Wellentransformator 42 vervielfachte Erreger strom wird durch Schottkydioden 60 gleichgerichtet, wobei durch ein über einen Optokoppler 61 angesteuertes bistabiles Leistungsrelais 62 eine Stromumkehr ermöglicht wird.While a profiled wire 57 with a small conductor cross section is inserted in the stator-side transformer core half 56 b, the core half 56 a arranged in the shaft 58 contains a coiled conductor flat strip 59 . The excitation current multiplied by the wave transformer 42 is rectified by Schottky diodes 60 , current reversal being made possible by a bistable power relay 62 controlled by an optocoupler 61 .
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