DE60010509T2

DE60010509T2 - Reluktanz-motor/-generator wird durch eine wicklung im luftspalt erregt

Info

Publication number: DE60010509T2
Application number: DE60010509T
Authority: DE
Inventors: Abdel Hamid Ben Ahmed; Bernard Multon; Jerome Delamare; Corentin Kerzreho; Jean-Yves Cognard; Nicolas Bernard
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: ES2223648T3; DK1236263T3; US20030057787A1; US6794791B2; FR2802358A1; EP1236263B1; WO2001043262A1; ATE266271T1; EP1236263A1; FR2802358B1; DE60010509D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Rotationsmaschinen und bezieht sich insbesondere auf Reluktanz-Erregermaschinen.
Im Rahmen der elektromechanischen Speicherung von Energie sind elektrische Maschinen, die als Motor und Generator dienen, allgemein herkömmliche Strukturen (synchron mit Permanentmagneten oder asynchron).
Die Zuordnung der eigentlichen Speicherfunktion, die durch ein Schwungrad gewährleistet ist, zu der Funktion Motor/Generator geschieht auf zwei Arten:

– "entkoppelt", wo der Motor/Generator einem Bauteil entspricht, das einfach um die herkömmlichsten Topologien erweitert ist;
– "integriert", wo die Maschine Teil des Schwungrads ist. Auch hier sind die verwendeten Maschinen relativ herkömmlich konzipiert.

Was die verwendeten Topologien angeht, so können diese folgende sein:

– synchrone Maschine mit reiner variabler Reluktanz, mit radialem Magnetfeld und Wicklung in dem Luftspalt, deren Führung durch Kugellager gewährleistet ist, unterstützt von Magnetlagern (z.B. System "Active Power");
– synchrone Maschine mit Permanentmagneten mit radialem oder axialem Feld und mit Wicklung in dem Luftspalt oder mit Wicklung in Nuten (verschiedene Architekturen);
– asynchrone Maschine mit Wicklung in Nuten und massivem Rotor (z.B. System "Japanese Flywheel").

Diese Topologien weisen keine steuerbare Erregung auf, und bestimmte ferromagnetische Teile sind fest. Diese Topologien besitzen also drei Hauptnachteile:

– das Vorliegen von Verlusten im Leerlauf (Speicherbetrieb) oder einer deutlichen Eigenentladung (außer für die asynchrone Maschine und die Maschine mit reiner variabler Reluktanz);
– eine geringe Steuerungs-Flexibilität der Energieaustauschvorgänge durch die Steuerung des Erregerstroms;
– eine schlechte Ausbeute bei geringer Last.

Die Erfindung zielt darauf ab, einen elektromagnetischen Motor/Generator für die elektromechanische Speicherung von elektrischer Energie mit sehr hoher Ausbeute, insbesondere mit geringer Eigenentladung, zu schaffen, der in ein Schwungrad integrierbar ist.
Zu diesem Zweck muß die Maschine gleichzeitig folgenden Kriterien genügen:

– geringe Verluste im Leerlauf, d.h. ohne Strom, was in einer Abwesenheit von magnetischen Verlusten in dem Eisen und in der Wicklung und sehr geringen mechanischen Verlusten zum Ausdruck kommen muß;
– keine Verluste am Rotor trotz hoher Drehgeschwindigkeiten (Umfangsgeschwindigkeit in der Nähe derjenigen des Schwungrades),
– keine Störung der Magnetlager durch parasitäre Kräfte;
– unabhängige Steuerung bzw. Regelung des Induktionsflusses durch eine bessere Kontrolle der Energieaustauschvorgänge und einen besseren Leistungsfaktor (minimale Scheinleistung des zugeordneten elektronischen Wandlers);
– gute Integration in ein Schwungrad.

Die FR-1 445 327 offenbart einen Wechselstromgenerator, der einen Körper, eine in dem Körper drehbar angebrachte Welle, einen ringförmigen, in dem Körper angebrachten Statorkern, der dazu bestimmt ist, mehrere Statorwicklungen, von denen aus man im Betrieb den Ausgangswechselstrom des Generators erhält, zwei Feldpole in Form von Scheiben, die an der Welle angebracht und an dieser axial beabstandet sind, so daß mit den Enden des Stators jeweils ein Durchgangsraum definiert ist, wobei die Feldpole derart geformt sind, daß sie mehrere Polköpfe bilden, die gleiche Winkelabstände haben, und eine ringförmige Feldwicklung aufweist, welche die Welle in einem bestimmten Abstand davon umgibt, wobei die Feldwicklung angeordnet ist, damit sie im Betrieb mit einem Wechselstrom versorgt wird, wobei die Anordnung derart ist, daß dann, wenn die Feldwicklung erregt wird und die Welle in Drehung angetrieben wird, die Wicklungen einem variablen, aber in einer Richtung fließenden Magnetfluß unterworfen sind, womit in diesen Wicklungen ein Wechselstrom induziert wird.
Der Gegenstand der Erfindung liegt also in einer elektrischen Maschine nach dem Anspruch 1, welche einen Motor oder Generator bildet. Weitere Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung ist besser aus der Lektüre der folgenden Beschreibung zu verstehen, die lediglich beispielhaft und unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben ist; darin zeigen:
1 eine Aufrißansicht sowie eine Schnittansicht der ihrem Schwungrad zugeordneten elektrischen Maschine nach der Erfindung;
2 eine teilweise geschnittene Draufsicht der Maschine von 1,
3 eine schematische Ansicht der Ankerwicklung der Maschine nach der Erfindung;
4 eine linear entwickelte, schematische Ansicht des Grundaufbaus der Maschine nach der Erfindung;
5 ein Diagramm, das die Variation des Induktionsflusses zeigt, zwischen zwei Windungen der Struktur von 4 in Abhängigkeit von der Position des Rotors der Maschine nach der Erfindung;
6a und 6b Diagramme, die die Energieumwandlungszyklen der Maschine nach der Erfindung in zwei Fällen der Versorgung mit sinusförmigem oder rechteckförmigem Ankerstrom darstellen;
7 ein Diagramm, das die Permeanzen P1 und 2 zeigt, die jeweils auf die zwei Windungen der Struktur 4 bezogen sind, in Abhängigkeit von der Position des Rotors;
8 eine Aufrißansicht und eine Schnittansicht einer Maschine nach der Erfindung mit allgemein zylindrischer Form;
9 eine Querschnittansicht der Maschine von 8;
10 eine Halbansicht im Aufriß und im Schnitt einer Variante der Maschine von 8;
11 eine entwickelte schematische Ansicht der Maschine von 10;
12 eine schematische Perspektivansicht einer elektrischen Linearmaschine nach der Erfindung;
13 eine schematische Ansicht, die den Fluß des Stroms in der Maschine von 12 zeigt;
14 eine schematische Ansicht einer Variante der elektrischen Linearmaschine von 12 im Querschnitt;
15 eine schematische, perspektivische Explosionsansicht, die ein spezielle Ausführungsform einer flachen Wicklung zeigt, die in der Maschine von 1 zu verwenden ist;
16 eine Teilansicht von 15, welche die Struktur der flachen Wicklung von 15 zeigt;
17 eine Teilschnittansicht einer elektrischen Maschine analog zu derjenigen von 1, aber mit einer flachen Wicklung, welche die Anordnung von 15 durchführt;
18 einen Graph, der die Bestimmung der Breite der Leiter zeigt, die in den aktiven Teil einer Wicklung wie derjenigen von 16 gesetzt sind; und
19 einen Graph, der den optimierten Verlauf der magnetomotorischen Kraft zeigt, der dank der graphischen Bestimmung der Breite der Leiter von 18 so sinusförmig wie möglich gemacht ist.
Die in 1 dargestellte Maschine weist ein Gehäuse 1 auf, das aus einem ersten Lagerschild 2 gebildet ist, das ein unteres Lager 2a für die Drehung einer Welle 3 stützt und an dem ein Rohr 4 angebracht ist, das die seitliche Wand des Gehäuses bildet, sowie einem zweiten Lagerschild 5, das einen Deckel bildet und ein oberes Lager 5a stützt.
An der Welle 3 sind zwei Scheiben 8, 9 mit Verzahnung angebracht, die jeweils vier Zähne 10 (2) aufweisen, welche durch Aussparungen 10a getrennt sind.
Die untere Scheibe 8 ist mit einem Schwungrad 11 fest verbunden, das bei diesem Beispiel eine zylindrische Form hat.
In dem Raum 12, der zwischen den Scheiben 8, 9 vorgesehen ist, ist eine verteilte flache Ankerwicklung 13 angeordnet, die eine Gesamterregerwicklung 14 in Form einer Zylinderspule umgibt.
Die Erregerwicklung 14 ist zwischen den beiden Scheiben 8, 9 mit Verzahnung derart angeordnet, daß sie die Welle 3 mit einem mechanischen Spiel 15 umgibt.
Die Ankerwicklung 13 ist von Windungen gebildet, die in Winkelabständen versetzt und gleichmäßig beabstandet sind.
Wie in 1 zu sehen ist, sind die drei Phasen P1, P2 und P3 der Ankerwicklung 13 nach drei Ebenen angeordnet, die übereinandergesetzt sind.
Sie können auch in der gleichen Ebene angeordnet sein.
Die Ankerwicklung ist aus einer feststehenden mehrphasigen Wicklung zusammengesetzt, die bei diesem Beispiel dreiphasig ist.
Die beispielhaft in 3 angegebene Wicklung ist eine Wicklung für einen Motor/Generator mit vier Paaren von Polen.
In dieser Figur ist zu sehen, daß die drei Phasen P1, P2, P3 der Wicklung gleichmäßig entlang ihres Umfangs verteilt sind.
Das Funktionsprinzip der Maschine nach der Erfindung beruht auf der Flußkommutation.
Die Wechselfolge des Erregerflusses, bezogen auf eine Phase der feststehenden Ankerwicklung, wird ausgehend von einer Erregung durch Gleichstrom und durch die Verlagerung bzw. Verstellung des reinen Reluktanzkreises erhalten.
Zur Veranschaulichung dieser Betriebsweise betrachten wir eine repräsentative elementare Struktur, die in 4 gezeigt und aus magnetischen Zähnen 20, Nuten 21 und einzelnen Windungen 22, 23 zusammengesetzt ist.
Der durch das mechanische Spiel zwischen den magnetischen Zähnen 20 plus der Höhe der Windungen 20, 23 bestimmte magnetische Luftspalt 12 wird im Leerlauf durch eine Erregerwicklung magnetisiert, was in 4 durch die magnetische Potentialdifferenz d.d.p. an den Klemmen der beiden Rotoren 8, 9 mit Verzahnung (1) dargestellt ist.
Die Variation des Induktionsflusses in den Windungen 22 und 23 ist in 5 dargestellt.
So entspricht der gesamte Induktionsfluß, bezogen auf die beiden in Reihe geschalteten Windungen der Anordnung von 4, welche die Erregerwicklung bilden, der Differenz der Flüsse der beiden Windungen. Fluß = Fluß 1 – Fluß 2
Er hat alternativ eine mittlere Komponente Null.
Ausgehend von dieser Variation des gesamten Induktionsflusses kann man die extremen Kennlinien des Betriebszyklus der Vorrichtung in der Ebene "Fluß-Amperewindungen" darstellen.
So erhält man die Form der 6a und 6b, wobei 6a den Versorgungsankerstrom einer Phase (sinusförmig oder rechteckförmig), synchronisiert mit der elektromotorischen Kraft dieser gleichen Phase, darstellt und 6b die Variation des Flusses in Abhängigkeit von den Amperewindungen zeigt. Die Fläche des so beschriebenen Zyklus ist gleich der pro Versorgungsperiode umgewandelten Energie.
Was den Effekt der variablen Reluktanz angeht, so kann man zeigen, daß dieser bei dieser Struktur zu vernachlässigen ist.
In 7 hat man nämlich die Variation der Permeanzen jeder vorher präsentierten elementaren Windung sowie die gesamte Permeanz dargestellt, welche die Permeanz einer Phase der Ankerwicklung darstellt und gleich der Summe der elementaren Permeanzen ist.
Für eine sinusförmige Verteilung der elementaren Permeanzen in Abhängigkeit von der Position des Rotors ist die gesamte Permeanz konstant.
Für eine andere Verteilung ist sie wenig variabel, wie dies in 7 veranschaulicht ist und man es durch Berechnung durch fertige Elemente und beim Experiment feststellen konnte.
Indessen wird man bemerken, daß dann, wenn die gesamte Permeanz einer Phase nicht konstant ist und also von der Position des Rotors abhängt, ein zusätzliches, sogenanntes reluktantes Moment vorliegt, das aus einer Kopplung des induzierten Magnetfeldes mit dem Magnetkreis resultiert.
Die Motor-/Generatorstruktur nach der Erfindung kombiniert vier grundsätzliche Gesichtspunkte, nämlich:

– passiver Rotor, der weder einen Magneten noch eine Wicklung aufweist, also mechanisch sehr robust ist und hohe Drehzahlen aushält;
– keine parasitären Beanspruchungen, so ist das System kompatibel mit den Magnetlagern;
– unabhänigie Regelung des Induktionsflusses;
– alle ferromagnetischen Teile sind drehend und sehen also ein konstantes Magnetfeld, infolge dessen sind die Eisenverluste null;

Dank der Erfindung kann die Dauer der Energiespeicherung merklich verlängert werden und deshalb eine elektromechanische Speicherung mit sehr hoher Autonomie ins Auge gefaßt werden.
Die Kosten der Vorrichtung nach der Erfindung sind ebenfalls sehr niedrig aufgrund ihrer sehr einfachen Konstruktion und der Verwendung von kostengünstigen Materialien.
Die Vorrichtung nach der Erfindung weist im übrigen die folgenden Besonderheiten auf:

– sehr wenige Verluste im Leerlauf, denn kein magnetischer Verlust im Leerlauf, und lediglich aerodynamische Verluste (diese sind nichtsdestotrotz sehr reduziert, wenn der Druck dank eines Teilvakuums niedrig ist);
– leicht zu erhaltende Dichtigkeit;
– unabhängige Steuerung bzw. Regelung der Erregung, was einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Steuerung der Energieübertragung ergibt;
– zu vernachlässigende schädliche axiale oder radiale Beanspruchungen zwischen den beweglichen und den feststehenden Teilen;
– die Vibrationen sind zu vernachlässigen;
– hervorragende Kompatibilität mit den Magnetlagern;
– bequeme Integration von Magnetlagern;
– ganz oder teilweise in ein Schwungrad integrierbare Topologie.

Die Anwendungsgebiete der Vorrichtung nach der Erfindung betreffen die elektromechanische Speicherung von elektrischer Energie für:

– Verbraucher, die nicht an das Versorgungsnetz angeschlossen sind und mit erneuerbaren Energien wie fotovoltaischer Energie, Windenergie u.a. versorgt werden;
– Verbraucher, die mit dem Versorgungsnetz verbunden sind, um eine Glättung des Verbrauchs, eine Autonomie im Falle einer Unterbrechung und eine Möglichkeit zur Produktion von Elektrizität durch erneuerbare Energiequellen zu gewährleisten.

Die Erfindung ermöglicht eine Speichervorrichtung mit einer sehr hohen Anzahl von Ladungs-Entladungs-Zyklen mit einer sehr geringen Eigenentladung, die Möglichkeit des bequemen Recycelns des Produkts am Ende der Lebensdauer und schließlich ein Produkt mit relativ einfacher Konstruktion, das aus Materialien mit geringen Kosten, wie Stahl, Kupfer u.a., zusammengesetzt ist.
Die in 8 dargestellte Maschine ist eine Variante der unter Bezug auf 1 bis 4 beschriebenen Maschine.
Sie weist eine hohle Welle 30 auf, die drehbar über ein Lager 32 in einem feststehenden Lagerschild 34 aus unmagnetischem Material angebracht ist, das eine mehrphasige Ankerwicklung 36 trägt, deren drei Phasen P1, P2, P3 nach drei koaxialen Zylindern realisiert sind, welche die Welle 30 umgeben.
Am Ende der Ankerwicklung 36, das dem unmagnetischen Lagerschild 34 gegenüberliegt, ist eine feststehende Erregerwicklung 38 angeordnet.
Die Anker- und Erregerwicklungen 36, 38 sind in dem Luftspalt angeordnet, der durch einen Zwischenraum 40 gebildet wird, der zwischen den beiden koaxialen Zylindern 41, 42 aus ferromagnetischem Material vorgesehen ist, die verzahnt und mit der Welle 30 drehbeweglich sind und durch ein Lagerschild 43 aus ferromagnetischem Material vereinigt sind.
Der Zylinder 41 mit Verzahnung und das Lagerschild 43 werden von der Welle 30 getragen. Nach einer Variante kann der innere Zylinder 43 drehfest mit der Welle 30 verbunden sein, die dann aus magnetischem Material besteht.
Die verzahnten Zylinder 41 und 42 weisen Zähne 41a bzw. 42a auf, deren Anzahl bei dem vorliegenden Beispiel drei ist und die durch Nuten 41b bzw. 42b getrennt sind, wie dies in 9 dargestellt ist.
Die Welle 30, die Zylinder 41, 42 und das Lagerschild 43 bilden den Rotor der Maschine.
Die Ankerwicklung 36 und die Erregerwicklung 38, die von dem unmagnetischen Träger 34 gehalten werden, bilden den Stator der Machine.
Die in 10 dargestellte Maschine ist derjenigen ähnlich, die unter Bezug auf 8 und 9 beschrieben wurde, abgesehen davon, daß ihre Zylinder 41, 42 keine Zähne und Nuten aufweisen, sondern Löcher 41, 42c aufweisen, die an ihrem Umfang regelmäßig verteilt sind. Die Rolle der Löcher 41c, 42c ist die gleiche wie diejenige der Nuten 41b, 42b bei der Ausführungsform von 8.
Diese Variante der Maschine nach der Erfindung ist dazu geeignet, ein hohles zylindrisches Element 44 zur Energiespeicherung aufzunehmen, das aus Material mit hoher mechanischer Festigkeit (HRM) vom Typ Metall mit HRM oder Kohlefasern oder auch Glasfasern zusammengesetzt ist.
In 11 hat man eine entwickelte Ansicht der Maschine von 10 dargestellt.
In dieser Figur ist der Fluß der Ankerströme i1, i2, i3 in den drei Phasen P1, P2, P3 der Ankerwicklung zu sehen, die im Verhältnis zueinander in gleichen Abständen angeordnet sind.
Diese Maschine weist eine Schiene 50 aus ferromagnetischem Material auf, die beispielsweise aus einem horizontalen Fuß 52 und zwei vertikalen seitlichen Platten 53, 54 gebildet ist, die mit Zähnen 53a, 54a versehen sind, welche durch Nuten 53b, 54b getrennt sind.
Unter der Annahme, daß für die Belange der Beschreibung die Schiene 50 feststehend ist, weist die Maschine ferner einen beweglichen, horizontalen, unmagnetischen Träger 56 auf, der eine vertikale Ankerwicklung 58 trägt, die sich in einem Luftspalt 60 erstreckt, welcher durch den Zwischenraum zwischen den seitlichen Platten 53, 54 der Schiene geschaffen ist, und dem eine Erregerwicklung 62 zugeordnet ist.
Die Ankerwicklung 58 ist mehrphasig, bei dem vorliegenden Beispiel dreiphasig, und von der Erregerwicklung umgeben, wie dies in 13 dargestellt ist.
Die durch den unmagnetischen Träger 56, die Ankerwicklung 58 und die Erregerwicklung gebildete Einheit ist bezüglich der Schiene 50 translationsbeweglich.
Indessen kann man eine Maschine ins Auge fassen, deren Ankerwicklung und Erregerwicklung, die mit ihrem Träger fest verbunden sind, feststehend wären und deren Schiene aus ferromagnetischem Material beweglich wäre.
In 13 ist zu sehen, daß sich die Ströme i1, i2, i3 der drei Ankerphasen P1, P2, P3 in der linearen Maschine von 12 auf die gleiche Weise wie in der Drehmaschine von 8 oder 10 verhalten.
Die in 14 schematisch dargestellte Maschine ist in allen Punkten der linearen Maschine ähnlich, die unter Bezug auf 12 und 13 beschrieben wurde, abgesehen davon, daß sie keine Zähne und Nuten wie die Maschine von 12 aufweist, sondern Löcher 53b, 54b in den seitlichen ferromagnetischen Platten 53, 54, die in gleichen Abständen angeordnet sind.
Die Erfindung ist also genauso auf Maschinen mit axialem Feld mit scheibenförmiger Topologie, wie der für die Energiespeicherung verwendeten, anzuwenden wie auf Maschinen mit radialem Magnetfeld vom zylindrischen Typ, oder mit transversalem Feld, wie die Maschinen vom Lineartyp.
In diesen Maschinen „sehen" alle ferromagnetischen Teile ein konstantes Magnetfeld.
Bei anderen Maschinen als den Maschinen mit linearer Verlagerung sind die Ankerwicklung und Erregerwicklung feststehend.
Die Ankerwicklung und die Erregerwicklung befinden sich in dem Luftspalt, der in dem Raum zwischen den ferromagnetischen Elementen gebildet ist, die für die scheibenförmige Maschine von den ferromagnetischen Scheiben gebildet sind, den ferromagnetischen Zylindern für die zylindrische Maschine und den ferromagnetischen Platten für die Linearmaschine.
Der Induktionsfluß der Maschine ist steuerbar.
Die Ankerwicklung ist mehrphasig und erzeugt ein Drehfeld in einer Drehmaschine oder ein Gleitfeld in einer linearen Maschine.
Die Erregerwicklung ist zentralisiert und von einem Gleichstrom versorgt.
Die Ankerwicklung ist ein Hauptelement der Maschine nach der Erfindung.
Sie konditioniert den Verlauf der magnetomotorischen Kraft, die von dem Anker geschaffen wird, und den Verlauf der von dem Induktor induzierten elektromotorischen Kraft.
Die Verluste hängen also zum großen Teil vom Typ und der Form der gewählten Wicklung ab.
Eine Wicklung im Eisen würde ein übermäßiges Niveau von Verlusten magnetischen Ursprungs bei den Geschwindigkeiten aufweisen, die zum elektromechanischen Speichern von Energie erforderlich sind.
Die Maschine, Motor/Generator nach der Erfindung verwendet eine Wicklung mit unmagnetischem Träger.
Die Lösung mit Drahtwicklung, wie derjenigen der Maschine von 1, stellt für die betrachtete Maschine, die Wirkglied genannt wird, das Problem des Platzbedarfs aufgrund der Überdeckung der Köpfe von inneren Spulen.
Eine solche Lösung führt zu einer ungenügenden Ausnutzung des Luftspaltvolumens.
Um dieses Problem der Überdeckung loszuwerden, schlägt man vor, die Erregerwicklung und die Ankerwicklung auf ein und derselben Platte aus Isoliermaterial wie Epoxidharz zu verteilen, die auch die mechanische Steifigkeit gewährleistet, indem beispielsweise ein Verfahren zum Ätzen von gedruckten Schaltungen verwendet wird.
Die in 15 dargestellte flache Wicklung weist eine Platte in Form einer Scheibe 64 aus einem Isoliermaterial wie Epoxidharz auf, die mit einer zentralen Öffnung 66 für den Durchgang eines Verbindungsteils von zwei Scheiben mit Verzahnung, wie den magnetischen Scheiben 8, 9 der Maschine von 1, versehen ist.
Auf einer ersten Seite 68 der Platte 64 ist beispielsweise durch ein Verfahren zum Ätzen von gedruckten Schaltungen ein erster Teil 70 einer Ankerwicklung realisiert, deren verschiedene Pole 72 flach auf der Platte 64 angeordnet und in gleichen Winkelabständen auf der Platte angeordnet sind.
Auf einer zweiten Seite 74 der Platte ist durch das gleiche Verfahren ein zweiter Teil 76 der Ankerwicklung realisiert, deren Pole 78 ebenfalls flach auf der Platte 64, mit dem gleichen Winkelversatz wie demjenigen der Pole 72 des ersten Teils 70 der Ankerwicklung, angeordnet sind.
Jeder der Pole 72, 78 einer Seite der so erhaltenen Einheit oder Scheibenspule ist in entgegengesetzter Richtung zu zwei benachbarten Polen gewickelt, wodurch eine Wechselfolge der Magnetpole geschaffen wird.
Die durch die zwei Seiten der Scheibenspule geschaffenen Pole 72, 78 überlagern sich. Sie sind also in der gleichen Richtung gewickelt.
Ferner sind die inneren Anschlüsse der Pole 72 einer Seite 68, die durch die Klemmen 79 verwirklicht sind, mit den inneren Anschlüssen oder Klemmen 80 der entsprechenden Pole 78 der anderen Seite 74 über Durchführungslöcher 81 verbunden, die in der Platte 64 aus Isoliermaterial geschaffen und an deren Umfang gegenüber den Klemmen 79, 80 der Pole 72, 78 der beiden Teile 70, 76 der Ankerwicklung angeordnet sind.
Die Anzahl von Polen 72, 76 einer Scheibenspule ist gleich dem Doppelten der Anzahl von Zähnen einer Rotorscheibe, wie den Scheiben 8, 9 der Maschine von 1.
Die so gebildete Ankerwicklung weist zwei äußere Klemmen 82 auf, die mit zwei dem ersten Teil 70 benachbarten Polen 72 verbunden sind. Jeder der Teile 70 und 76 der Ankerwicklung ist kreisförmig ausgestaltet und weist eine zentrale Zone auf, in welcher durch die gleiche Technik zum Ätzen von gedruckten Schaltungen ein Teil 83, 84 der Erregerwicklung realisiert ist.
Jeder Teil 83, 84 der Erregerwicklung weist eine äußere Klemme 86, 88 und eine innere Klemme 90, 92 auf. Die inneren Klemmen 90, 92 sind untereinander über eine Durchgangsöffnung 94 verbunden, die in der isolierenden Platte 64 vorgesehen ist.
Wie dies in der Teilansicht von 16 gezeigt ist, auf welcher ein Beispiel einer Seite einer Scheibenspule wie derjenigen von 15 zu sehen ist, ist ein Pol wie ein Pol 72 der Ankerwicklung durch einen flach gewickelten gedruckten Leiter gebildet, der innere und äußere Umfangsabschnitte 93, 94 mit konstantem Querschnitt und radiale Abschnitte 95 mit variablem Querschnitt aufweist, die sich vom Umfang zu der Mitte verengen.
Ferner nehmen die Breiten der Abschnitte 95 des gedruckten Leiters in radialer Richtung oder in Querrichtung zu der relativen Verlagerung zwischen dem feststehenden Teil und dem beweglichen Teil der Maschine von der Mitte eines Pols zu seinen Rändern ab.
Durch eine solche optimierte Verteilung der Leiter läßt sich eine soweit wie möglich sinusförmige magnetomotorische Kraft erhalten.
Indessen lassen sich andere Kriterien für die Optimierung ins Auge fassen.
Die Form der magnetomotorischen Kraft, die man zu erhalten wünscht, konditioniert den Querschnitt jedes der Leiter, die in den aktiven Teil gesetzt sind, d.h. den Teil, der unter die Zone der Rotorscheiben mit Verzahnung gesetzt ist. Die Bestimmung dieses Querschnitts kann für einen gegebenen Radius ausgehend von einer einfachen graphischen Analyse durchgeführt werden.
Für eine magnetomotorische Kraft (f.m.m.) mit gewünschter Form, wie sie in 18 punktiert dargestellt ist, und für eine konstante Spurdicke wird die Breite jeder Spur auf folgende Weise erhalten:

i. der Schnittpunkt der Kurve, welche die gewünschte magnetomotorische Kraft darstellt, mit den Gesamtwerten der Amperewindungen bestimmt den Wert Δθ_k,
ii. die Breite der k-ten Spur, die als Δθ_{piste k} bezeichnet ist, wird erhalten, indem von Δθ_k der Wert des Abstands Δθ_i abgezogen wird, welcher dem für die elektrische Isolation zwischen zwei Spuren erforderlichen Abstand entspricht.

Δθpiste k = Δθk – Δθi

Als Beispiel zeigt 18 im Fall von Rotationsmaschinen, wie der Querschnitt von einen Pol bildenden Leitern in dem Falle zu erhalten ist, wo jeder Pol drei Windungen aufweist und wo die gewünschte magnetomotorische Kraft dreieckig ist. Der obere Teil der Figur stellt physisch eine Seite der Wicklung im Schnitt und für einen gegebenen Radius dar.
Bei diesem Beispiel sind die Leiter 95, die in Form von Kupferspuren realisiert sind, an der Oberfläche einer unmagnetischen Platte 64, beispielsweise aus Epoxidharz, mit einem konstanten Teilwinkel Δθ_i angeordnet, der zur elektrischen Isolation zwischen Spuren erforderlich ist.
Bei diesem Beispiel ist die erhaltene Breite der Spuren dann konstant.
In dem Fall, wo die magnetomotorische Kraft nicht dreieckförmig ist, wird die Breite der variablen Spuren ausgehend von der oben beschriebenen Methode bestimmt. So wurde die Verteilung der Leiter des betrachteten Motors/Generators, von welchem eine Seite einer Scheibenspule in 16 dargestellt ist, optimiert, um ausgehend von 13 Windungen pro Pol und pro Phase eine möglichst sinusförmige magnetomotorische Kraft zu erhalten, wie sie in 19 dargestellt ist.
17 ist eine Teilschnittansicht einer zu derjenigen von 1 analogen Maschine in größerem Maßstab.
In 17 ist zu sehen, daß die Welle 96 zwei Scheiben 98, 99 mit Verzahnung trägt, die mit einer Nabe 100 fest verbunden sind, welche an der Welle verkeilt ist, und die mit Öffnungen 100a versehen sind.
In dem zwischen den Scheiben 98 und 99 mit Verzahnung geschaffenen Raum 101 ist eine dreiphasige Ankerwicklung 102 angeordnet, deren drei Phasen P₁, P₂, P₃ jeweils aus mehreren Scheibenspulen 104a, 104b, 104c wie derjenigen gebildet sind, die unter Bezug auf 15 beschrieben ist, und die übereinandergeschichtet sind, wobei zwischen den Scheibenspulen 104a, 104b, 104c eine elektrisch isolierende Schicht 106 angeordnet ist.
In 17 sind nur die äußeren Scheiben jeder Übereinanderschichtung der Phasen P1, P2, P3 dargestellt.
Selbstverständlich kann die Wicklung auch nur eine Scheibenspule pro Phase aufweisen.
Im Fall einer einphasigen Maschine weist sie mindestens eine Scheibenspule des obengenannten Typs auf.
Die Scheibenspulen 104a, 104b, 10c jeder Phase P1, P2, P3 weisen jeweils eine Ankerwicklung 70, 76 und eine Erregerwicklung 83, 84 auf, die jeweils aus zwei gedruckten Teilen auf den beiden Seiten einer Scheibe 64 aus Isoliermaterial auf die Weise gebildet sind, wie dies unter Bezug auf 15 beschrieben wurde.
Die beiden Teile 70, 76 jeder Ankerwicklung sind untereinander durch Durchgangsleiter 108 verbunden. Die Ankerwicklungen der Scheibenspulen 104a, die eine gleiche Phase P1 bilden, sind durch Leiter 110 miteinander und in Reihe verbunden.
Ebenso sind die Erregerwicklungen der Scheibenspulen 104b und 104c, welche die Phasen P2 bzw. P3 bilden, miteinander durch Leiter 110b und 110c verbunden.
Die Erregerwicklungen 83, 84 der Einheit aus Scheibenspulen 104a bis 10c, welche die drei Phasen bilden, sind durch Leiter 112 in Reihe geschaltet und bilden eine zentrale Erregerwicklung 114.
Die Anzahl der Scheibenspulen als gedruckte Schaltung, die zur Realisierung der Phasen P1, P2, P3 verwendet werden, ist derart gewählt, daß die erhaltene Wicklung ein maximales Volumen zwischen den Scheiben 98, 99 mit Verzahnung einnimmt.
Dank der Verwendung und der Übereinanderschichtung von mehreren doppelseitigen gedruckten Schaltungen des unter Bezug auf 15 beschriebenen Typs ist die Überdeckung der Köpfe von Spulen vermieden.
Im Fall einer dreiphasigen Maschine sind die Phasen P1, P2, P3 nach der Verlagerung um einen Wert versetzt, welcher zwei Poldritteln wie bei einem der Pole 72 der Wicklung von 15 entspricht.
Der eben unter Bezug auf 15 bis 17 beschriebene Wicklungstyp kann einfach durch Entwicklung direkt auf Linearmaschinen, wie die unter Bezug auf 11 bis 14 beschriebenen, umgesetzt werden.
Im Fall einer Linearmaschine geschieht der Versatz zwischen Polen nach der relativen Verlagerungsrichtung des feststehenden und des beweglichen Teils.
Mit der unter Bezug auf 15 bis 17 beschriebenen Technologie lassen sich folgende Vorteile erhalten:

– eine Erreger- und Ankerwicklung, die auf dem gleichen unmagnetischen und elektrisch nicht leitenden Teil (z.B. Epoxidharz) angeordnet ist, das die mechanische Steifigkeit gewährleistet;
– eine praktisch sinusförmige magnetomotorische Kraft, die auf sehr einfache Weise durch die Verwendung von Spuren mit variablen Querschnitten erhalten ist, was für die Minimierung der magnetischen Verluste in den Eisenscheiben günstig ist;
– eine bessere Ausnutzung des bewickelbaren Raums;
– eine Möglichkeit, die Flächen des Wärmeaustausches mit der Umgebung zu vergrößern, indem der Querschnitt der Köpfe von Spulen vergrößert wird;
– eine Verminderung der Joule-Verluste durch Anwachsen des Querschnitts der Köpfe von Spulen;
– noch einfachere Herstellung, die günstig für die Automatisierung und die Reduzierung der Herstellungskosten ist.

Claims

Elektrische Maschine, welche einen Motor oder Generator mit einem feststehenden Teil und einem beweglichen Teil bildet, bei der das eine von dem feststehenden und dem beweglichen Teil (4, 12, 8, 9; 34, 36, 41, 42; 50, 56, 58; 98, 99, 100) passiv ist und zwei Bauteile (8, 9; 41, 42; 53, 54; 98, 99) aufweist, die zwischeneinander einen gleichmäßigen Zwischenraum (12; 40; 60; 101) bilden, wobei die Bauteile durch ein Verbindungsteil (3; 43; 52; 100) untereinander verbunden sind, und bei der das andere von dem feststehenden und dem beweglichen Teil eine mehrphasige Ankerwicklung (13; 36; 58; 102) aufweist, welche ein variables Magnetfeld erzeugt, sowie eine zentrale Erregerwicklung (14; 38; 62; 114), die mit einem Gleichstrom versorgt wird, wobei die Ankerwicklung und die Erregerwicklung in einem von dem gleichmäßigen Zwischenraum (12; 40; 60; 101) gebildeten Luftspalt angeordnet sind und die beiden Bauteile (8, 9; 41, 42; 53, 54; 98, 99) einen gleichmäßigen Zwischenraum bilden, und wobei das Verbindungsteil (3; 43; 52; 100) aus einem ferromagnetischen Material besteht, alle ferromagnetischen Bauteile der Maschine sich auf demjenigen von dem feststehenden und dem beweglichen Teil befinden, welches die beiden Bauteile (8, 9; 41, 42; 53, 54; 98, 99) aufweist, welche den gleichmäßigen Zwischenraum bilden, und wobei mindestens eines der Bauteile aus ferromagnetischem Material (8, 9; 41, 42; 53, 54; 98, 99), welche den gleichmäßigen Zwischenraum bilden, mit Öffnungen (10a; 41b, 42b; 41c, 42c; 53b, 54b; 53c, 54c; 100a) versehen ist.
Rotierende Maschine nach Anspruch 1, mit einem Stator und einem Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß das passive Teil (3, 8, 9; 30, 41, 42, 43) ein passiver Rotor ist, welcher zwei koaxiale Umdrehungsteile (8, 9; 41, 42) aus einem ferromagnetischen Material aufweist, von denen mindestens eines mit Öffnungen (10a; 41b; 42b; 41c, 42c) versehen ist und die mit einem ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material bestehenden, zu den beiden Umdrehungsteilen koaxialen Verbindungsteil (3; 43) miteinander verbunden sind, und von denen das andere der Teile ein Stator ist, welcher eine feststehende Ankerwicklung (13; 36) zum Erzeugen eines Drehfeldes sowie eine ebenfalls feststehende Erregerwicklung (14; 38) aufweist, die in einem Luftspalt angeordnet sind, welcher durch den zwischen den beiden Umdrehungsteilen geschaffenen gleichmäßigen Zwischenraum gebildet wird.
Rotierende Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle ferromagnetischen Bauteile (3, 6, 8, 9; 41, 42, 43) rotierende Teile sind.
Rotierende Maschine nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus zwei ferromagnetischen Scheiben (8, 9) zusammengesetzt ist, von denen mindestens eine eine Verzahnung aufweist.
Rotierende Maschine nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Scheiben (8, 9) auf einer Welle (3) aus einem ferromagnetischen Material festgekeilt sind.
Rotierende Maschine nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Ankerwicklung (13) und die Erregerwicklung (14) in dem Raum (12) zwischen den Scheiben (8, 9) angeordnet sind.
Rotierende Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung (13) eine mehrphasige Wicklung ist, deren Phasen (P1, P2, P3) in einer gleichen Ebene oder in übereinanderliegenden Ebenen in dem von den rotierenden, mit einer Verzahnung versehenen Scheiben (8, 9) geschaffenen Luftspalt (12) angeordnet sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen (P1, P2, P3) der Ankerwicklung (13) von Windungen gebildet sind, die in Winkelabständen versetzt und gleichmäßig über den Umfang der Maschine verteilt sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (14) um die Welle (3) herum angeordnet und von der Ankerwicklung (13) umgeben ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (14) eine feststehende Gesamtwicklung in Form einer Zylinderspule ist.
Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine Welle (30), die von zwei koaxialen Zylindern (41, 42) aus einem ferromagnetischen Material umgeben ist, welche mit gleichmäßig an einem ihrer Enden verteilten Zähnen (41a, 42a) und Aussparungen (41b, 42b) versehen sind, sowie einen Verbindungslagerschild (43) aus einem ferromagnetischen Material aufweist.
Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine Welle (30), die von zwei Zylindern (41, 42) aus einem ferromagnetischen Material umgeben ist, welche mit gleichmäßig an einem ihrer Enden verteilten Löchern (41c, 42c) versehen sind, sowie einen Verbindungslagerschild (43) aus einem ferromagnetischen Material aufweist.
Maschine nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Zylinder (41) aus ferromagnetischem Material drehfest mit der Welle (30) des Rotors verbunden ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 vom Typ mit Linearverlagerung, dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende Teil eine Schiene (50) aus einem ferromagnetischen Material mit Seitenwänden (53, 54), die mit gleichmäßig über ihre Länge verteilten Öffnungen (53b, 54b; 53c, 54c) versehen sind, aufweist, und daß das bewegliche Teil einen Träger (56) aus einem nicht-magnetischen Material aufweist, der eine Ankerwicklung (58) und eine Erregerwicklung (62) trägt, welche in einem von dem gleichmäßigen Zwischenraum (60) zwischen den Seitenwänden (53, 54) gebildeten Luftspalt angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Seitenwänden (53, 54) der Schiene (50) vorgesehenen Öffnungen Aussparungen (53b, 54b) sind, welche Zähne (53a, 54a) der Schiene voneinander trennen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Seitenwänden (53, 54) der Schiene (50) vorgesehenen Öffnungen Löcher (53c, 54c) sind, welche in regelmäßigen Abständen in den Seitenwänden vorgesehen sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung und die Erregerwicklung (102, 114) durch Übereinanderschichten und gegenseitiges Verbinden von Scheibenspulen (104, 104b, 104c) in einem Verhältnis von mindestens einer Scheibenspule pro Phase gebildet sind, wobei die Scheibenspulen jeweils zwei Ankerwicklungsteile (70, 76) und zwei Erregerwicklungsteile (83, 84) aufweisen, die aus gedruckten Schaltungen gebildet sind, welche auf den beiden Seiten einer Platte (64) aus einem isolierenden Material ausgebildet sind.
Elektrische Maschine vom mehrphasigen Typ nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jede Phase (P1, P2, P3) der Wicklung der Maschine durch Übereinanderschichten und gegenseitiges Verbinden von entsprechenden Scheibenspulen (104a, 104b, 104c) und einen Versatz gemäß der Verschiebung der übereinandergeschichteten Scheibenspulen der verschiedenen Phasen (P1, P2, P3) im Verhältnis zueinander gebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklungsteile (70, 76) und die Erregerwicklungsteile (83, 84) einer Scheibenspule untereinander durch Durchgangsleiter verbunden sind, die in Durchführungslöcher (82, 94) eingesetzt sind, welche in der Isolierplatte (64) vorgesehen sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teil (70, 7G) der Ankerwicklung einer jeden Scheibenspule Pole (72, 78) aufweist, die in gleichmäßigen Abständen auf der Platte (64) aus Isoliermaterial verteilt sind, wobei jeder der Pole (72, 78) einer Seite in entgegengesetzter Richtung zu den beiden dazu benachbarten Polen gewickelt ist, so daß eine Wechselfolge der Magnetpole geschaffen wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (72, 78) der beiden Seiten einer Scheibenspule einander überdecken und jeweils paarweise gleichsinnig gewickelt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten der Bereiche (95) des gedruckten Leiters in Querrichtung zur Verlagerung von der Mitte eines jeden Poles zu seinen Rändern hin abnehmen.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ankerwicklungspol (72, 78) einer Scheibenspule von einem gedruckten Leiter mit Flächenwicklung gebildet ist, der radiale Bereiche (95) mit einem variablen Querschnitt aufweist, die sich vom Umfang zu der Mitte der Scheibenspule hin verengen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Form der Kurve der gewünschten magnetomotorischen Kraft und bei einer konstanten Dicke der Leiter (95) die Breite Δθ_{piste k} der Leiter durch die Gleichung Δθ_{piste k} = Δθ_k – Δθ_i gegeben ist, in der Δθ_k der Schnittpunkt der Kurve der gewünschten magnetomotorischen Kraft mit einem Gesamtwert der Amperewindungen ist, und Δθ_i der Wert des für die thermische Isolation zwischen zwei Bahnen erforderlichen Abstandes zwischen zwei benachbarten Leitern ist.