DE69409082T2

DE69409082T2 - Dauermagnetsynchronmaschine die eine Änderung des magnetischen Flusses in dem Spalt ermöglicht

Info

Publication number: DE69409082T2
Application number: DE1994609082
Authority: DE
Inventors: Andre Masson
Original assignee: GEC Alsthom Transport SA
Current assignee: Alstom Transport SA
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1994-12-21
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2014-12-22
Also published as: FR2714232A1; ES2115181T3; EP0660494A1; DE69409082D1; EP0660494B1; FR2714232B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetsynchronmaschine mit veränderlichem Fluß im Spalt.
Magnetmaschinen mit veränderlichem Fluß im Spalt haben als Vorteile gegenüber den Maschinen mit gewickelter Erregungsschaltung das Fehlen von Verlusten im Induktor, der im allgemeinen der Rotor ist, und ihr mit der Verwendung von leistungsstarken Magneten zusammenhängendes geringes Gewicht.
Die Magnetsynchronmaschinen haben jedoch als erhebliche Nachteile, daß das Feld der Magneten fest ist und daß der Fluß im Spalt nur mit dem induzierten Strom variiert.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, daß Maschinen mit auf dem Rotor in der Nähe des Spalts abgeschiedenen Magneten aus seltenen Erden eine geringe Veränderung des Flusses durch den induzierten Strom aufweisen. Daraus resultiert, daß die Spannung wenig von der Last abhängt und praktisch proportional zur Geschwindigkeit ist.
Wenn der Maschine ein elektronischer Umrichter zugeordnet ist, muß er für die der maximalen Geschwindigkeit entsprechende Spannung dimensioniert sein. Dies ist ein Nachteil im Vergleich zur Asynchronmaschine, die man bei konstanter Spannung in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich arbeiten lassen kann.
Die Dokumente DE-A-3 302 822, DE-A-3 142 913 und US-A-3 525 005 zum Stand der Technik betreffen eine Synchronmaschine nach dem Oberbegriff des nachfolgenden Anspruchs 1.
Es ist das Verdienst der Anmelderin, eine Magnetmaschine vorzuschlagen, bei der die Flußveränderung im Spalt in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich frei gesteuert werden kann.
Dieser Geschwindigkeitsbereich entspricht der minimalen Geschwindigkeit für den maximalen Fluß und der maximalen Geschwindigkeit für den minimalen Fluß.
Die erfindungsgemäße Magnetmaschine kann einem elektronischen Umrichter mit niedrigerer Spannungsauslegung zugeordnet werden, als wenn der Fluß konstant wäre.
Der Fluß im Spalt der erfindungsgemäßen Magnetmaschine resultiert aus dem Feld der Magneten und der Reluktanz (Verhältnis zwischen dem Wert und der Oberfläche des Spaltes) des Flußkreises. Ohne jede Veränderung der Magneten ist eine erfindungsgemäße Lösung zum Variieren des Flusses die, einen erheblichen Anteil der Reluktanz des Spalts über die Geometrie des Spalts zu variieren.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Magnetsyrichronmaschine mit wenigstens einem mit einer Karkasse fest verbundenen Stator, einem mit einer Welle fest verbundenen Rotor und Mittel zum Verändern der relativen Position zwischen wenigstens einem der Statoren und dem Rotor, um den Wert des ebenen Spalts zwischen Stator und Rotor durch Veränderung des Abstands zwischen dem Stator und dem Rotor zu verändern und so den Wert des zwischen dem Stator und dem Rotor zirkulierenden Flusses zu verändern, wobei die Ebene des ebenen Spalts senkrecht zur Längsachse der Welle ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor fest ist, und daß die Statoren eingerichtet sind, um sich axial zu bewegen.
Erfindungsgemäß umfaßt die Magnetmaschine mit veränderlichem Fluß im Spalt eines der folgenden Merkmale:
- die Statoren sind auf beiden Seiten des festen Rotors angeordnet,
- die Mittel zum Verändern der Relativposition zwischen jedem Stator und dem Rotor sind ein oder mehrere Hydraulikzylinder oder Schraubwinden.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Magnetmaschine ist, daß:
- sie eine weniger kostspielige und weniger voluminöse Steuerelektronik benötigt, weil die Spannung weniger hoch ist,
- sie eine Funktionsweise identisch der Synchron- oder Asynchronmaschine hat, und
- sie kleiner und leichter als die Synchron- oder Asynchronmaschinen mit Wicklungserregung ist und einen besseren Wirkungsgrad aufweist.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der Lektüre der Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Magnetmaschine, die nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen gegeben wird. Es zeigen:
- Figuren 1 und 2 schematische Längsschnittdarstellungen der Magnetmaschine mit ebenem Spalt gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
- Figur 3 eine schematische Darstellung im Längsschnitt der Magnetmaschine mit zylindrischem Spalt gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
- Figur 4 eine schematische Darstellung im Längsschnitt der Magnetmaschine gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
- Figur 5 eine schematische Darstellung im Längsschnitt der Magnetmaschine gemäß einer vierten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
Gemäß dem Stand der Technik ist die Magnetmaschine allgemein aufgebaut aus einem mit einer Karkasse 5 fest verbundenen Stator 1, 2 und einem mit einer Welle 6 fest verbundenen Rotor 3.
Der Stator zerfällt in einen Stator-Jochkranz 1 und einen Kerbenkranz 2, an dem die Ankerwicklungen gehalten sind.
Der Rotor zerfällt in einen Rotor-Magnetkranz 3, der den Induktor bildet und einen Rotor-Jochkranz 4. Die Anordnung ist geeignet, von einer Zwinge 7 zusammengehalten zu werden.
Die Strukturen, Funktionen und Anwendungen dieser Elemente sind bekannt und im Stand der Technik beschrieben.
Figuren 1 und 2 sind eine schematische Darstellung im Längsschnitt der Magnetmaschine mit ebenem Luftspalt gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
Die Figur 1 unterscheidet sich von Figur 2 darin, daß der Rotor keinen Rotor-Jochkranz 4, sondern zwei mit der Karkasse 5 fest verbundene Statoren 1, 2 umfaßt, die auf beiden Seiten des mit der Welle 6 fest verbundenen Magnetrotors 3, 7 angeordnet sind.
Gemäß dem wesentlichen Merkmal der erfindungsgemäßen Magnetmaschine wird der Wert des Flusses erhalten, indem man den Wert des ebenen Spalts durch Verändern des Werts des Abstands zwischen dem Induktor und dem Anker variiert.
Daraus resultiert eine Vergrößerung des Spalts und eine Verringerung des Flusses.
Mittel 8 sind vorgesehen, um den Abstand zwischen dem Induktor und dem Anker zu verändern.
Diese Mittel 8 können ein oder mehrere Zylinder, zum Beispiel Hydraulikzylinder oder Schraubwinden sein und sind schematisch durch den Pfeil 8 bezeichnet.
Diese Mittel müssen die axiale Anziehungskraft zwischen Stator und Rotor überwinden.
Figur 3 ist eine schematische Darstellung im Längsschnitt der Magnetmaschine mit zylindrischem Spalt gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
Gemäß dieser zweiten bevorzugten Ausgestaltung sind der Stator 1, 2 und der Rotor 3, 7 axial entlang der Welle der Magnetmaschine angeordnet.
Die Verschiebung zwischen dem Stator und dem Rotor und damit zwischen Induktor und Anker wird in Axialrichtung der Magnetmaschine durchgeführt.
In dieser Richtung ist der Wert des Spalts konstant.
Wenn die Spaltoberfläche variiert, variiert auch der Fluß, und die angelegte Spannung kann im Fall eines Motors ungefähr konstant sein, während die Geschwindigkeit variiert.
Gemäß dem wesentlichen Merkmal der erfindungsgemäßen Magnetmaschine gemäß der zweiten bevorzugten Ausgestaltung wird der Flußwert erhalten durch Variieren des Werts der zylindrischen Spaltoberfläche durch Verändern der relativen Längsposition zwischen Induktor und Anker.
Mittel 8 sind vorgesehen, um die relative Längsposition zwischen dem Induktor und dem Anker zu verändern.
Diese Mittel 8 können ein oder mehrere Zylinder, zum Beispiel Hydraulikzylinder oder Schraubwinden sein, und sind durch die Pfeile 8 schematisch dargestellt.
Es ist vorteilhaft, bei dieser zweiten bevorzugten Ausgestaltung das Auftreten eines Drehfelds in den Spulenköpfen (nicht dargestellt) zu vermeiden, um eine Erwärmung der Spulen zu vermeiden.
Hierzu besteht eine Lösung darin, einen geblechten Kranz außerhalb der Spulenköpfe anzubringen, um den Fluß verlustfrei, ohne Erzeugung von Wirbelströmen und somit ohne Erwärmung, zu kanalisieren.
Figur 4 ist eine schematische Darstellung im Längsschnitt der Magnetmaschine gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
Gemäß dieser dritten bevorzugten Ausgestaltung sind der Stator 1, 2 und der Rotor 3 axial entlang der Welle der Magnetmaschine angeordnet.
Der Stator und der Rotor haben eine im allgemeinen kegelige Form, um einen im allgemeinen kegelförmigen Luftspalt zu begrenzen.
Gemäß dem wesentlichen Merkmal der erfindungsgemäßen Magnetmaschine gemäß der dritten bevorzugten Ausgestaltung wird der Flußwert erhalten durch Variieren der Höhe des kegelförmigen Spalts sowie der Spaltoberfläche durch Verändern der relativen Längsposition zwischen Induktor und Anker.
Die Verschiebung zwischen dem Stator und dem Rotor und damit zwischen Induktor und Anker wird in Axialrichtung der Magnetmaschine durchgeführt.
Mittel 8 sind vorgesehen, um die relative Längsposition zwischen dem Induktor und dem Anker zu verändern.
Diese Mittel 8 können ein oder mehrere Zylinder, zum Beispiel Hydraulikzylinder oder Schraubwinden sein, und sind durch den Pfeil 8 schematisch dargestellt.
Wie oben angegeben, ist es vorteilhaft, bei dieser dritten bevorzugten Ausgestaltung das Auftreten eines Drehfelds in den (nicht dargestellten) Spulenköpfen zu vermeiden, um eine Erwärmung der Spulen zu vermeiden.
Ein Vorteil dieser dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine geringere Verschiebung des Stators oder des Rotors im Vergleich zu den anderen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung.
Figur 5 ist eine schematische Darstellung im Längsschnitt der Magnetmaschine gemäß einer vierten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
Gemäß dieser vierten bevorzugten Ausgestaltung sind zwei Statoren 1, 2 und ein Rotor 3, 4 axial entlang der Welle der Magnetmaschine angeordnet.
Die zwei Statoren sind koaxial angeordnet.
Bei dieser vierten bevorzugten Ausgestaltung können die Statoren und der Rotor von im allgemeinen zylindrischer oder kegeliger Form sein, um einen Spalt von im allgemeinen zylindrischer bzw. kegeliger Form zu begrenzen.
Gemäß dem wesentlichen Merkmal der Magnetmaschine gemäß der vierten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Spannungswert erhalten durch Variieren der relativen Winkelposition zwischen den Statoren durch Schwenken wenigstens eines der Statoren um die Welle.
Diese Schwenkbewegung hat als Wirkung die Einführung einer Phasenverschiebung zwischen den Spannungen der Statoren.
Die zwei Statoren sind vorzugsweise in Reihe geschaltet.
Es geht bei dieser bevorzugten Ausgestaltung nicht darum, die Reluktanz und dadurch den Fluß zu variieren, sondern die Spannung mit Hilfe von Phasenvaruerung zu variieren.
Mittel 8 sind vorgesehen, um die relative Winkelposition zwischen Ankern zu verändern, während der Induktor sich dreht.
Diese Mittel 8 können ein oder mehrere Zylinder, zum Beispiel Hydraulikzylinder oder Schraubwinden sein und sind schematisch durch die Pfeile 8 dargestellt.
Wie zuvor angegeben, wird bei dieser dritten bevorzugten Ausgestaltung das Auftreten eines Drehfelds in den (nicht dargestellten) Spulenköpfen vermieden, um eine Erwärmung der Spulen zu vermeiden.

Claims

1. Magnetsynchronmaschine mit wenigstens einem mit einer Karkasse (5) fest verbundenen Stator (1, 2), einem mit einer Welle (6) fest verbundenen Rotor (3, 4) und Mitteln (8) zum Verändern der Relativposition zwischen wenigstens einem der Statoren (1, 2) und dem Rotor (3, 4), um den Wert des ebenen Luftspalts zwischen Stator und Rotor durch Verändern des Abstands zwischen dem Stator und dem Rotor zu verändern und so den Wert des zwischen dem Stator und dem Rotor zirkulierenden Flusses zu verändern, wobei die Ebene des ebenen Spalts senkrecht zur Längsachse der Welle (6) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3, 4) fest ist und daß die Statoren (1, 2) in der Lage sind, sich axial zu bewegen.

2. Maschine nach Anspruch 1, bei der die Statoren (1, 2) auf beiden Seiten des festen Rotors (3, 4) angeordnet sind.

3. Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Mittel zum Verändern (8) der Relativposition zwischen jedem Stator (1, 2) und dem Rotor (3, 4) ein oder mehrere Hydraulikzylinder oder Schraubwinden sind.