EP2727223A2 - Electric machine and method for operating an electric machine - Google Patents

Electric machine and method for operating an electric machine

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Publication number
EP2727223A2
EP2727223A2 EP12750310.0A EP12750310A EP2727223A2 EP 2727223 A2 EP2727223 A2 EP 2727223A2 EP 12750310 A EP12750310 A EP 12750310A EP 2727223 A2 EP2727223 A2 EP 2727223A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
armature
movement
force
electrical machine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12750310.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Amrhein
Walter Bauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JOHANNES KEPLER UNIVERSITAT LINZ
Original Assignee
JOHANNES KEPLER UNIVERSITAT LINZ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JOHANNES KEPLER UNIVERSITAT LINZ filed Critical JOHANNES KEPLER UNIVERSITAT LINZ
Publication of EP2727223A2 publication Critical patent/EP2727223A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine having at least one in particular magnetic bearing, in particular a thrust bearing, with at least one armature having at least one armature winding with at least one winding head, and with at least one Magnetfeldregersystem in a direction of movement motor poles with at least partially alternating polarity to the moments - And / or force in this direction of movement, wherein at least one armature winding is magnetically coupled via at least one air gap with the magnetic field excitation system.
  • the invention therefore has the task of improving an electrical machine of the type described in such a way that despite a winding head constructive simplicity is given and still low production costs.
  • the magnetic field excitation system comprises at least one bearing pole, with the magnetic field at least partially at least one winding head of the armature winding for forming at least one inclined to the direction of force, in particular axial force for the magnetic thrust bearing cooperates.
  • the magnetic field exciter system comprises at least one bearing pole
  • its magnetic field can be used to generate a further force in the armature winding without additional design measures being necessary.
  • those parts of the armature winding can be used, which are otherwise provided only for the electrical connection of contributing to Momentenoder power winding parts.
  • only the magnetic field at least partially cooperate with at least one winding head of the armature winding to form at least one inclined to the direction of movement force. Therefore, additional conductor parts are available for moment or force formation which, for example in the case of a linear motor, create a new or additional or additional chen movement direction or the example of a rotating electric machine can also be used as an axial force for a magnetic thrust bearing.
  • the magnetic pole and the Lagerpol the magnetic field exciter system are arranged spaced from each other. It is also conceivable that this construction is used to compensate for any disturbing influences of the winding heads on the function of the electric machine.
  • the winding heads are therefore not, as known from the prior art, only a disadvantageous cost factor in housing construction and material use, but thus the functionality of an electric machine can be extended.
  • it is mentioned here it is readily possible for a person skilled in the art to supply the windings of the armature in such an electrical manner that the winding heads thus at least partially have a common direction of current flow relative to one another in the direction of movement. This current flow direction can be opposite to the direction of movement as well as rectified with this direction of movement.
  • the line portions of the winding head are at least partially inclined to the vertical of the direction of movement and connects the torque-forming conductor portions of the winding strand.
  • a bearing can be understood to mean machine elements for guiding mutually movable components. Such bearings may be rolling bearings, plain bearings, magnetic bearings, linear guides, etc.
  • the inclined to the direction of movement force can be increased in a simple manner, when the magnetic field excitation system for interacting with at least two winding heads comprises at least two bearing poles, wherein the bearing poles each other have substantially opposite polarity and record between them the motor poles.
  • those winding heads can be used without additional measures to the armature winding, which are already suitable in terms of their current flow to generate the force.
  • simple design conditions can be utilized by using the existing two winding heads for a low-cost electric machine.
  • Simple structural properties may result if the winding head is formed by conductor portions of the winding strand of the armature winding that are inclined in the direction of movement.
  • compared to other windings of the winding head can be created with a comparatively low cost of materials, which can provide a low-cost electrical machine.
  • winding strands of the armature winding are provided as concentrated, concentric, distributed and / or overlapping coil arrangements on the armature or in multiple layers, In particular, as a diamond or skew winding or Maxon- or Faulhaberwicklung are provided.
  • a concentrated coil arrangement can be created, for example, to generate a sufficiently high force generation, wherein concentrated windings can be used even for relatively long winding heads for increased power generation.
  • Distributed windings can be used, for example, for a self-supporting characteristic of the winding and / or for reducing the air gap. Ultimately, it can provide an advantageous influence on the force and torque formation in grooved stand executions.
  • Overlapping coil arrangements can be used in the manner of a chord for harmonic reduction in the induced voltage and thus for the reduction of harmonics of the electric machine.
  • the operating behavior of the electrical machine can be improved by such windings in a simple manner, especially when diamond or skew winding or Maxon- or fouling winding are provided.
  • At least one winding strand of the armature winding has interconnected armature coils or armature coil groups, which in particular are offset by a multiple of the pole pitch.
  • the force effect of the winding heads can be increased without having to increase the air gap length to accommodate the increased number of turns.
  • the interconnection can therefore be used in particular to be able to provide a large number of conductors despite the limited air gap length.
  • Simple construction conditions can result if the armature forms the rotatably arranged stator and the magnetic field exciter system rotatably mounted relative to the armature rotor. Does the rotor now permanent magnets, then can be dispensed with a transfer of electrical power into the rotor, which can allow additional structural simplifications.
  • iron yoke of the magnetic field exciter system is completely or partially assigned to the rotor, then an exact magnetic field can be obtained with structurally simple means. be created leadership that can reduce stray, Ummagnetleiters-, hysteresis and / or eddy current losses. A high efficiency of the electric machine can be ensured, especially since eddy current and / or hysteresis losses can be reduced.
  • Compact construction conditions can be created if the armature winding is self-supporting.
  • This can be dispensed with an armature core, and be designed, for example, the armature winding by impregnating with cast resin as dimensionally stable bell-shaped winding, so as to create a particular slot-free air gap winding.
  • Shape stability can be ensured by a self-supporting property in a structurally simple manner.
  • Constructive simplicity can be created if the armature winding and / or winding heads of the armature winding which contribute to the formation of force and / or torque in the direction of movement run at least partially in grooves of a ferromagnetic carrier of the armature.
  • the leakage losses can be reduced in a simple manner, which can improve the efficiency of the electric machine.
  • so that the air gap can be kept small, which can allow a more robust or structurally simpler winding structure.
  • winding head for force generation has proven particularly advantageous when the direction of movement represents a direction of rotation.
  • the force generated by the winding head or heads can also be used for magnetic storage, so that with a winding system axial forces and torques can be generated.
  • significant cost reductions can also be used here because, for example, no additional winding is required for the existing motor winding in order to be able to generate bearing forces for a magnetic bearing.
  • the invention has also taken from the prior art, the task to improve a method for magnetic storage such that a stable and stable storage of an electrical machine is possible without significant additional process costs.
  • the invention solves the problem set by the fact that in at least one winding strand a voltage or current component is fed in addition or the voltage or current component in their amplitude or phase position is changed such that at least one winding head of the winding strand in cooperation with at least one bearing pole of the magnetic field exciter system forms a force that is inclined relative to the direction of movement.
  • a voltage or current component is additionally fed in at least one winding strand or the voltage or current component in its amplitude or phase position changed such that at least one winding head of the winding strand in cooperation with at least one Lagerpol the Magnetfelderregersystems inclined to the direction of force training, then can be used with simple steps and without further action an existing armature winding for additional power generation.
  • known from the prior art means may be used to enable the method, which are already suitable in at least one strand of the armature winding a voltage o the current component for generating alternating or rotating fields for a torque and / or force formation to feed in this direction of movement.
  • the method can be further simplified or extended if, for the generation of force in the air gap plane or its near field, in particular perpendicular to the direction of movement over the winding heads, the voltage or current component of the winding strands of the armature winding for generating alternating or rotating fields in the amplitude substantially be changed in the same way.
  • Simple control ratios of the method may result when the current components of the winding strands have equal amplitudes and the sum of the current components is not equal to zero. This can also ensure that the currents do not wipe out.
  • the method can be further simplified or extended if the voltage or current component of the winding strands of the armature winding for generating alternating or rotating fields in the amplitude are changed substantially unevenly for the generation of force on the winding heads to produce at least one overturning moment.
  • Simple process conditions for generating such a tilting moment may result if the current components of the winding strands have different amplitudes.
  • FIG. 1 is a sectional view of a rotary electric machine according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a simplified view of FIG. 1 for functional description
  • FIG. 3 is a developed view of the structure shown in FIG. 2 with a supply of the armature winding for generating an axial force
  • FIG. 4 is a view of FIG. 3 with another supply of the armature winding for generating a torque
  • FIG. 5 is a sectional view of a linearly movable electric machine according to a second embodiment
  • FIG. 6 is a side view of the electric machine of FIG. 5,
  • 1 1 is a sectional view of another rotary electric machine according to another embodiment
  • Fig. 12 is a sectional view through a ferromagnetic part of the electrical
  • Fig. 13 is an alternative to Fig. 1 embodiment with a radial sliding bearing, Fig. 14 and 15 representations for generating a tilting moment.
  • the first embodiment of an electric machine 1 has two radial magnetic bearings 2 and 3, which ensure stable storage in the radial direction of the armature 4 and the Magnetfelderregersystem 5.
  • the radial magnetic bearings 2 and 3 also prevent tilting of the rotating Magnetfelderregersystems 5 relative to the armature 4.
  • the armature 4 has an armature winding 4 'with winding strands 6, 7, each comprising a winding head 6', 7 '.
  • the magnetic field excitation system 5 points in a direction of movement 8 or direction of rotation of the electric machine 1 motor poles 9, 10 with alternating polarity 1 1 for torque formation in this direction of movement 8.
  • the armature 4 is magnetically coupled via two air gaps 12 with the magnetic field excitation system 5.
  • the alternating polarity 1 1 can be recognized as a double arrow.
  • the invention proposes to include the winding head 6 ', 7' in the force or moment formation.
  • a Lagerpol 13 is provided for this purpose in the magnetic field excitation system 5, which has constant polarity 14 in the direction of movement 8.
  • the winding heads 6 ', 7' of the winding strands 6, 7 thus contribute to a force generation, which force 16 can be used advantageously as an axial force 16 for the axial stabilization of the magnetic radial bearings 2, 3.
  • the radial bearings 2, 3 can also be used together with the winding heads to stabilize the magnetic axial bearing, because their magnetic rings 18 and 18 'can be axially stabilized so.
  • a preferably cost-effective electric machine 1 can be created.
  • this force 16 is now used as the magnetic axial bearing of the rotating magnetic field excitation system 5, whereby a magnetic thrust bearing 17 can be created without special design measures.
  • the magnetic field excitation system 5 also comprises two bearing poles
  • bearing poles 13, 18 have mutually opposite polarity 14, 19 and are arranged on opposite sides of the pole 1 1 for moment or force formation in the direction of movement 8. This can be done easily Both winding heads 6 ', 7' contribute to the force training, so as to increase, for example, the maximum bearing force.
  • a corresponding electrical supply 20 or supply with a not shown voltage source of the armature winding 4 ' is provided, which can be better recognized in FIG.
  • a force 16 can be generated, which does not cancel in total on the winding heads 6 'and 7'.
  • the force direction of this force 16 is inclined, in particular perpendicular to the direction of movement 8 or direction of rotation of the electric machine 1, because this taking into account a magnetic interlinkage between the winding heads 6 ', 7' of the winding strands 6, 7 and in the polarity 14 in the direction of movement constant magnetic field 15 of the Lagerpols 13 of the magnetic field excitation system 5 is generated.
  • This force 16 may, for example, also represent a bearing capacity for a magnetic thrust bearing.
  • the winding strands 6, 7, for example, as shown in FIG. 4 are electrically powered, which is known to set rotational forces 23 in the direction of movement 8 and lead to the rotation of the electric machine 1.
  • the armature winding 4 ' is designed as a slotless air gap winding 41, self-supporting, which in particular of FIG. 2 can be removed. Simple construction conditions can be created with it.
  • Fig. 5 is a sectional view of a linearly movable electric machine 26 is shown according to a further embodiment.
  • the armature 4 has a multi-stranded armature winding 4 'with winding heads 6', 7 ', 6 "and 7", as they can be better recognized according to FIG.
  • a magnetic field excitation system 5 is provided, which has 8 motor poles 9, 10 with alternating polarity 1 1 for torque or force in this direction of movement 8 in a direction of movement. Gleichhe as shown in FIG. 1, the magnetic field excitation system 5 in the direction of movement 8 bearing poles 13, 18 with the same polarity 14, 19.
  • the winding heads 6 ', 7', 6 ", 7" of the armature winding 4 ' are thus inclined to form a direction of movement 8 extending force 16 magnetically linked.
  • a lifting and lowering of the magnetic field excitation system 4 or the rotor relative to the armature 4 can be made possible, which can be used for magnetic storage.
  • a corresponding electrical supply (voltage and / or power supply) is at least one provided for force and / or torque training in the direction of armature winding 4 ', the winding heads cooperate with the magnetic field excitation system to produce a tilted to the direction of bearing force.
  • the axial force 16 for the magnetic Thrust bearing 17 is formed by Konstantbestrom ung 27 and 28 of all winding strands 6 and 7 of the armature winding 4 'such that the currents are directed in the winding heads 6', 7 'along or against the direction of movement 8 and thereby resulting in a resulting Lorentz force ,
  • Konstantbestromung 27 and 28 in modulation with the alternating currents to generate a torque now resulting power component 29, 20 results.
  • FIG. 9 shows a further electrical supply of the armature winding 4 'for the generation of force in the air gap plane, in particular perpendicular to the direction of movement 8.
  • the current component 27, 28 of the winding strands 6, 7 of the armature winding 4 'in the amplitude changed the same, in which on the torque-forming current component 31, 32 of the force-forming current component 27, 38 is modulated, resulting in a resulting current component 29, 30.
  • the current components 27, 28 of the winding strands 6, 7 - have equal amplitudes. Their sum is not equal to zero.
  • FIG. 8 shows a further electrical supply of the armature winding 4 'for generating a tilting moment.
  • the current component 27 ', 28' of the winding strands 6, 7 of the armature winding 4 'to produce alternating or rotating fields in the amplitude changed unevenly.
  • a different level Konstantbestromung 27, 28 is used to assign the alternating currents 29, 30 different offsets.
  • the current components 27 ', 28' of the winding strands 6, 7 have different amplitudes, as can be seen in FIG. 8.
  • the coils / strings can also be star-connected (with zero-point connection) (reduction in complexity).
  • the operation in a single strand is possible.
  • a diamond or skew winding or Maxon- or Faulhaberwicklung 33, 34 are shown, which windings 33, 34 are also conceivable for the armature winding 4 '.
  • an electric machine 37 with an internal rotor as magnetic field excitation system 5 and a grooved anchor 4 on.
  • the electric machine 37 is associated with a plurality of sensors 38, 39, with which the axial position or tilting position of the magnetic field exciter system 5 or the shaft 40 attached thereto can be measured.
  • both the axial forces 16 and a torque in the direction of movement 8 are generated by interface forces between the iron and the air gap.
  • those contributing to the formation of strength must Winding heads 6 ', 7' of the armature winding 4 'in grooves 42 of a ferromagnetic carrier 43 of the armature 4 at least partially extend to allow a point of application for the interface forces.
  • the marked interruption of the stator iron package between the motor part and the axial winding-producing winding head part of the stator core serves as a flow barrier and prevents the inference of the flow of the winding head on a path that would lead to no Axialkraft Struktur.
  • FIG. 1 1 shows a sectional view through the ferromagnetic carrier 43 of the electric machine 37 according to FIG. 11, where the longitudinal grooves 44 are expressed.
  • FIG. 13 another embodiment of an electric machine 46 is shown.
  • This electric machine 46 has, in contrast to the electric machine 1 shown in FIG. 1, instead of radial magnetic bearings 2 and 3, radial slide bearings 47 and 48.

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Abstract

What is disclosed are: an electric machine (1) and a method for operating an electric machine (1) comprising at least one in particular magnetic bearing (2, 3), in particular an axial bearing (17), with at least one armature (4), which has at least one armature winding (4') having at least one end winding (6', 7'), and comprising at least one magnetic field excitation system (5), which has, in a movement direction (8), motor poles (9, 10) with at least partially alternating polarity (11) for torque and/or force formation in this movement direction (8), wherein at least one armature winding (4') is magnetically coupled to the magnetic field excitation system (5) via at least one air gap (12). In order to provide simplicity in terms of design, it is proposed for the magnetic field excitation system (5) to comprise at least one bearing pole (13), at least one end winding (6', 7') of the armature winding (4') interacting at least partially with the magnetic field (15) of said bearing pole so as to form at least one force (16) running at an angle to the movement direction (8), in particular an axial force for the magnetic axial bearing (17).

Description

Elektrische Maschine und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine  Electric machine and method for operating an electrical machine
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit mindestens einem insbesondere magnetischen Lager, insbesondere einem Axiallager, mit wenigstens einem Anker, der wenigstens eine Ankerwicklung mit mindestens einem Wicklungskopf aufweist, und mit wenigstens einem Magnetfelderregersystem, das in einer Bewegungsrichtung Motorpole mit zumindest teilweise abwechselnder Polarität zur Momenten- und/oder Kraftbildung in diese Bewegungsrichtung aufweist, wobei wenigstens eine Ankerwicklung über mindestens einen Luftspalt mit dem Magnetfelderregersystem magnetisch gekoppelt ist. The invention relates to an electrical machine having at least one in particular magnetic bearing, in particular a thrust bearing, with at least one armature having at least one armature winding with at least one winding head, and with at least one Magnetfeldregersystem in a direction of movement motor poles with at least partially alternating polarity to the moments - And / or force in this direction of movement, wherein at least one armature winding is magnetically coupled via at least one air gap with the magnetic field excitation system.
Stand der Technik State of the art
Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt, die mit Hilfe einer elektrischen Ankerwicklung ein magnetisches Feld erzeugen, das mit Permanentmagneten eines Magnetfelderregersystems zur Drehmomenten- oder Kraftbildung zusammenwirkt, um damit eine Bewegung der elektrische Maschine oder eine Bewegung an der elektrische Maschine in eine gewünschte Richtung zu schaffen. Bekannte Wicklungen teilen sich meist in Wicklungsteile, die zur Momenten- oder Kraftbildung beitragen, und Wicklungsköpfen zur elektrischen Verbindung der vorstehend genannten Wicklungsteile. Wicklungsköpfe führen bei konventionellen elektrischen Maschinen meist jedoch zu störenden Einflüssen hinsichtlich der Funktionalität einer elektrischen Maschine führen und stellen außerdem einen nicht unerheblichen Kostenfaktor im Gehäuseaufbau und Materialeinsatz dar, was nachteilig ist. Der Stand der Technik geht daher in Richtung einer Kostenreduktion bzw. einer Verkleinerung von Wicklungsköpfen, was konstruktiv aufwendig und wiederum zu einem erhöhten Kostenfaktor führen kann, um zu einer standfesten elektrischen Maschine zu gelangen. From the prior art electrical machines are known which generate by means of an electrical armature winding a magnetic field which cooperates with permanent magnets of a Magnetfeldregersystems for torque or force, thereby moving the electric machine or a movement of the electric machine in a desired To create direction. Known windings usually divide into winding parts that contribute to the moment or force, and winding heads for electrical connection of the above-mentioned winding parts. However, winding heads usually lead to disturbing influences on the functionality of an electrical machine in conventional electrical machines and also represent a not inconsiderable cost factor in the housing construction and use of material, which is disadvantageous. The prior art is therefore in the direction of cost reduction or reduction of winding heads, which is structurally complex and turn to An increased cost factor can lead to get to a stable electric machine.
Diverse Wicklungsarten, beispielsweise Rauten- oder Schrägwicklung bzw. Maxon- oder Faulhaberwicklung etc., sind aus der DE102006052457A1 , DE102006052455A1 , EP2107668A1 , DE2920749A1 , EP1780871 A1 und/oder US4509564A1 bekannt. Various types of winding, for example diamond or skew winding or maxon or fouling winding etc., are known from DE102006052457A1, DE102006052455A1, EP2107668A1, DE2920749A1, EP1780871 A1 and / or US4509564A1.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine elektrische Maschine der eingangs geschilderten Art derart zu verbessern, dass trotz eines Wicklungskopfes konstruktive Einfachheit gegeben ist und dennoch geringe Herstellungskosten bestehen. The invention therefore has the task of improving an electrical machine of the type described in such a way that despite a winding head constructive simplicity is given and still low production costs.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das Magnetfelderregersystem wenigstens einen Lagerpol umfasst, mit dessen Magnetfeld wenigstens teilweise mindestens ein Wicklungskopf der Ankerwicklung zur Ausbildung von wenigstens einer zur Bewegungsrichtung geneigt verlaufenden Kraft, insbesondere Axialkraft für das magnetische Axiallager, zusammenwirkt. The invention achieves the stated object in that the magnetic field excitation system comprises at least one bearing pole, with the magnetic field at least partially at least one winding head of the armature winding for forming at least one inclined to the direction of force, in particular axial force for the magnetic thrust bearing cooperates.
Umfasst das Magnetfelderregersystem wenigstens einen Lagerpol, dann kann dessen Magnetfeld genutzt werden, in der Ankerwicklung eine weitere Kraft zu erzeugen, ohne dass zusätzliche konstruktive Maßnahmen notwendig wären. Durch diesen zusätzlichen Lagerpol können nun auch jene Teile der Ankerwicklung genützt werden, die ansonsten lediglich zur elektrischen Verbindung der zur Momentenoder Kraftbildung beitragen Wicklungsteile vorgesehen sind. Zu diesem Zweck muss lediglich das Magnetfeld wenigstens teilweise mit mindestens einem Wicklungskopf der Ankerwicklung zur Ausbildung von wenigstens einer zur Bewegungsrichtung geneigt verlaufenden Kraft zusammenwirken. Es stehen daher zur Momenten- oder Kraftbildung zusätzliche Leiterteile zur Verfügung, die beispielsweise im Falle eines Linearmotors zur Schaffung einer neuen bzw. weiteren oder zusätzli- chen Bewegungsrichtung oder am Beispiel einer rotierenden elektrischen Maschine auch als Axialkraft für ein magnetisches Axiallager genutzt werden kann. Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Magnetpol und der Lagerpol des Magnetfelderregersystems voneinander beabstandet angeordnet sind. Vorstellbar ist außerdem, dass diese Konstruktion dazu verwendet wird, eventuell störende Einflüsse der Wicklungsköpfe auf die Funktion der elektrischen Maschine zu kompensieren. Die Wicklungsköpfe sind daher nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, lediglich ein nachteiliger Kostenfaktor beim Gehäuseaufbau und beim Materialeinsatz, sondern damit kann die Funktionalität einer elektrischen Maschine erweitert werden. Im Allgemeinen wird hier erwähnt, dass es für einen Fachmann ohne weiteres möglich ist, die Wicklungen des Ankers derart elektrisch zu versorgen, dass damit die Wicklungsköpfe untereinander in Bewegungsrichtung zumindest teilweise eine gemeinsame Stromflussrichtung aufweisen. Diese Stromflussrichtung kann sowohl zur Bewegungsrichtung entgegengesetzt als auch mit dieser Bewegungsrichtung gleichgerichtet der Fall sein. Auf jeden Fall kann so eine Kraft erzeugt werden, die sich in Summe über die Wicklungsköpfe nicht aufhebt und daher zur weiteren Verwendung an der elektrischen Maschine zur Verfügung steht. Mit einer Ankerwicklung können daher zwei nutzbare Kräfte mit unterschiedlichen Kraftrichtungen erzeugt werden, wobei diese Wicklung auch eine flexible Leistungsaufteilung zwischen den Kräften ermöglichen kann. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann daher selbst bei verminderten Herstellungskosten dennoch eine hohe Standfestigkeit bei elektrischen Maschinen mit Wicklungsköpfen ermöglicht werden. If the magnetic field exciter system comprises at least one bearing pole, then its magnetic field can be used to generate a further force in the armature winding without additional design measures being necessary. By this additional Lagerpol now those parts of the armature winding can be used, which are otherwise provided only for the electrical connection of contributing to Momentenoder power winding parts. For this purpose, only the magnetic field at least partially cooperate with at least one winding head of the armature winding to form at least one inclined to the direction of movement force. Therefore, additional conductor parts are available for moment or force formation which, for example in the case of a linear motor, create a new or additional or additional chen movement direction or the example of a rotating electric machine can also be used as an axial force for a magnetic thrust bearing. It can be advantageously provided that the magnetic pole and the Lagerpol the magnetic field exciter system are arranged spaced from each other. It is also conceivable that this construction is used to compensate for any disturbing influences of the winding heads on the function of the electric machine. The winding heads are therefore not, as known from the prior art, only a disadvantageous cost factor in housing construction and material use, but thus the functionality of an electric machine can be extended. In general, it is mentioned here that it is readily possible for a person skilled in the art to supply the windings of the armature in such an electrical manner that the winding heads thus at least partially have a common direction of current flow relative to one another in the direction of movement. This current flow direction can be opposite to the direction of movement as well as rectified with this direction of movement. In any case, such a force can be generated, which does not cancel in total on the winding heads and therefore is available for further use on the electric machine. With an armature winding, therefore, two usable forces can be generated with different directions of force, this winding can also allow a flexible power distribution between the forces. In contrast to the prior art, therefore, even with reduced production costs, a high stability in electrical machines with winding heads can still be made possible.
Im Allgemeinen wird festgehalten, dass die Leitungsabschnitte des Wicklungskopfes zur Senkrechten der Bewegungsrichtung zumindest teilweise geneigt sind und die momentenbildenden Leiteranteile des Wicklungsstrangs verbindet. Weiter wird im Allgemeinen erwähnt, dass unter einem Lager Maschinenelemente zum Führen gegeneinander beweglicher Bauteile verstanden werden kann. Solche Lager können Wälzlager, Gleitlager, magnetische Lager, Linearführungen etc. darstellen. In general, it is noted that the line portions of the winding head are at least partially inclined to the vertical of the direction of movement and connects the torque-forming conductor portions of the winding strand. Furthermore, it is generally mentioned that a bearing can be understood to mean machine elements for guiding mutually movable components. Such bearings may be rolling bearings, plain bearings, magnetic bearings, linear guides, etc.
Vorteilhafte Eigenschaften können sich weiter ergeben, wenn der Lagerpol bzw. die Lagerpole in Bewegungsrichtung des Ankers oder des Magnetfelderregersystems im Wesentlichen gleichbleibende Polarität aufweist bzw. aufweisen. Wird nun über die Gesamtlänge bzw. Umfang dieser Bewegungsrichtung der magnetische Fluss integriert, so ergibt sich im Mittel ein verbleibender Nord oder Südpol. Advantageous properties may further arise when the Lagerpol or the bearing poles in the direction of movement of the armature or the magnetic field exciter system has or have substantially constant polarity. If now the magnetic flux is integrated over the total length or circumference of this direction of movement, the average result is a remaining north or south pole.
Die zur Bewegungsrichtung geneigte Kraft kann auf einfache Weise erhöht werden, wenn das Magnetfelderregersystem zum Zusammenwirken mit mindestens zwei Wicklungsköpfen wenigstens zwei Lagerpole umfasst, wobei die Lagerpole zueinander im Wesentlichen entgegengesetzte Polarität aufweisen und zwischen sich die Motorpole aufnehmen. Außerdem können so ohne zusätzliche Maßnahmen an der Ankerwicklung jene Wicklungsköpfe verwendet werden, die bereits hinsichtlich deren Stromflusses zur Erzeugung der Kraft geeignet sind. Dadurch können einfache Konstruktionsverhältnisse durch Verwendung der bestehenden beiden Wicklungsköpfe für eine kostengünstige elektrische Maschine genützt werden. The inclined to the direction of movement force can be increased in a simple manner, when the magnetic field excitation system for interacting with at least two winding heads comprises at least two bearing poles, wherein the bearing poles each other have substantially opposite polarity and record between them the motor poles. In addition, those winding heads can be used without additional measures to the armature winding, which are already suitable in terms of their current flow to generate the force. As a result, simple design conditions can be utilized by using the existing two winding heads for a low-cost electric machine.
Einfache konstruktive Eigenschaften können sich ergeben, wenn der Wicklungskopf durch in Bewegungsrichtung geneigte Leiterabschnitte des Wickelungsstrangs der Ankerwicklung gebildet wird. Außerdem kann dadurch im Vergleich zu anderen Wicklungen der Wicklungskopf mit einem vergleichsweise geringen Materialaufwand geschaffen werden, was eine kostengünstige elektrische Maschine schaffen kann. Simple structural properties may result if the winding head is formed by conductor portions of the winding strand of the armature winding that are inclined in the direction of movement. In addition, compared to other windings of the winding head can be created with a comparatively low cost of materials, which can provide a low-cost electrical machine.
Konstruktive Einfachheit sowie hohe Effizienz und/oder Energiedichte kann sich ergeben, wenn Permanentmagnete die Pole des Magnetfelderregersystems ausbilden. Anstatt der bzw. zusätzlich zu Permanentmagneten sind auch elektrisch versorgte Spulen vorstellbar, bevorzugt für kompakte Bauverhältnisse haben sich jedoch Permanentmagneten herausgestellt. Außerdem kann durch Permanentmagneten auf eine elektrische Leistungserzeugung verzichtet werden, wodurch die mechanische Robustheit verbessert und/oder der Verscheiß reduziert werden kann. Constructive simplicity and high efficiency and / or energy density can result when permanent magnets form the poles of the magnetic field excitation system. Instead of or in addition to permanent magnets and electrically powered coils are conceivable, but preferred for compact construction, permanent magnets have been found. In addition, can be dispensed with by permanent magnets on an electric power generation, whereby the mechanical robustness can be improved and / or the Verißiß can be reduced.
Besondere Konstruktionsverhältnisse können sich ergeben, wenn die Wicklungsstränge der Ankerwicklung als konzentrierte, konzentrische, verteilte und/oder überlappende Spulenanordnungen am Anker ein- oder mehrschichtig vorgesehen sind, insbesondere als Rauten- oder Schrägwicklung bzw. Maxon- oder Faulhaberwicklung vorgesehen sind. Eine konzentrierte Spulenanordnung kann beispielsweise zur Erzeugung einer hinreichend hohe Krafterzeugung geschaffen werden, wobei konzentrierte Wicklungen auch für verhältnismäßig lange Wicklungsköpfe für eine vergrößerte Krafterzeugung genützt werden können. Verteilte Wicklungen können beispielsweise für eine selbstragende Eigenschaft der Wicklung und/oder zur Verkleinerung des Luftspalts genützt werden. Letztenfalls kann für einen vorteilhaften Ein- fluss auf die Kraft- und Momentenbildung bei genuteten Ständerausführen sorgen. Überlappende Spulenanordnungen kann in der Art einer Sehnung zur Oberwellenreduktion in der induzierten Spannung und damit zur Reduktion von Oberschwingungen der elektrischen Maschine genützt werden. Das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine kann durch solche Wicklungen auf einfache Weise verbessert werden, insbesondere wenn Rauten- oder Schrägwicklung bzw. Maxon- oder Faulhaberwicklung vorgesehen werden. Special construction conditions may arise if the winding strands of the armature winding are provided as concentrated, concentric, distributed and / or overlapping coil arrangements on the armature or in multiple layers, In particular, as a diamond or skew winding or Maxon- or Faulhaberwicklung are provided. A concentrated coil arrangement can be created, for example, to generate a sufficiently high force generation, wherein concentrated windings can be used even for relatively long winding heads for increased power generation. Distributed windings can be used, for example, for a self-supporting characteristic of the winding and / or for reducing the air gap. Ultimately, it can provide an advantageous influence on the force and torque formation in grooved stand executions. Overlapping coil arrangements can be used in the manner of a chord for harmonic reduction in the induced voltage and thus for the reduction of harmonics of the electric machine. The operating behavior of the electrical machine can be improved by such windings in a simple manner, especially when diamond or skew winding or Maxon- or fouling winding are provided.
Um auf einfacher konstruktive Weise die Leiteranzahl pro Wicklungsstrang zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Wicklungsstrang der Ankerwicklung zusammengeschaltete Ankerspulen oder Ankerspulengruppen aufweist, die insbesondere um ein Vielfaches der Polteilung versetzt sind. Insbesondere kann durch das Versetzen die Kraftwirkung der Wicklungsköpfe erhöht werden, ohne zur Aufnahme der erhöhten Windungsanzahl die Luftspaltlänge vergrößern zu müssen. Die Zusammenschaltung kann daher insbesondere genützt werden, trotz begrenzter Luftspaltlänge eine große Leiteranzahl vorsehen zu können. In order to increase the number of conductors per winding strand in a simple constructive manner, it can be provided that at least one winding strand of the armature winding has interconnected armature coils or armature coil groups, which in particular are offset by a multiple of the pole pitch. In particular, by the displacement, the force effect of the winding heads can be increased without having to increase the air gap length to accommodate the increased number of turns. The interconnection can therefore be used in particular to be able to provide a large number of conductors despite the limited air gap length.
Einfache Konstruktionsverhältnisse können sich ergeben, wenn der Anker den drehfest angeordneten Ständer und das Magnetfelderregersystem den gegenüber dem Anker drehbar gelagerten Läufer ausbildet. Weist der Läufer nun Permanentmagneten auf, dann kann so auf eine Übertragung von elektrischer Leistung in den Läufer verzichtet werden, was zusätzliche konstruktive Vereinfachungen erlauben kann. Simple construction conditions can result if the armature forms the rotatably arranged stator and the magnetic field exciter system rotatably mounted relative to the armature rotor. Does the rotor now permanent magnets, then can be dispensed with a transfer of electrical power into the rotor, which can allow additional structural simplifications.
Ist der Eisenrückschluss des Magnetfelderregersystems dem Läufer ganz oder teilweise zugeordnet, dann kann mit konstruktiv einfachen Mitteln eine exakte magneti- sehe Führung geschaffen werden, die Streu-, Ummagnetisierungs-, Hysterese- und/oder Wirbelstromverluste reduzieren kann. Ein hoher Wirkungsgrad der elektrischen Maschine kann so gewährleistet werden, zumal damit Wirbelstrom- und/oder Hystereseverluste vermindert werden können. If the iron yoke of the magnetic field exciter system is completely or partially assigned to the rotor, then an exact magnetic field can be obtained with structurally simple means. be created leadership that can reduce stray, Ummagnetisierungs-, hysteresis and / or eddy current losses. A high efficiency of the electric machine can be ensured, especially since eddy current and / or hysteresis losses can be reduced.
Kompakte Bauverhältnisse können geschaffen werden, wenn die die Ankerwicklung selbsttragend ausgeführt ist. Damit kann auf einen Ankerkern verzichtet werden, und beispielsweise die Ankerwicklung durch Tränken mit Gießharz als formsteifer glockenförmiger Wickel ausgeführt sein, um so insbesondere eine nutenlose Luftspaltwicklung zu schaffen. Formstabilität kann so durch eine selbstragende Eigenschaft auf konstruktiv einfache Weise gewährleistet werden. Compact construction conditions can be created if the armature winding is self-supporting. This can be dispensed with an armature core, and be designed, for example, the armature winding by impregnating with cast resin as dimensionally stable bell-shaped winding, so as to create a particular slot-free air gap winding. Shape stability can be ensured by a self-supporting property in a structurally simple manner.
Konstruktive Einfachheit kann geschaffen werden, wenn die zur Kraft- und/oder Momentenbildung in Bewegungsrichtung beitragenden Ankerwicklungsteile und/oder Wicklungsköpfe der Ankerwicklung in Nuten eines ferromagnetischen Trägers des Ankers wenigstens teilweise verlaufen. Außerdem können dadurch die Streuverluste auf einfache Weise vermindert werden, was den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessern kann. Zusätzlich kann damit auch der Luftspalt klein gehalten werden, was einen robusteren bzw. konstruktiv einfacheren Wicklungsaufbau ermöglichen kann. Constructive simplicity can be created if the armature winding and / or winding heads of the armature winding which contribute to the formation of force and / or torque in the direction of movement run at least partially in grooves of a ferromagnetic carrier of the armature. In addition, the leakage losses can be reduced in a simple manner, which can improve the efficiency of the electric machine. In addition, so that the air gap can be kept small, which can allow a more robust or structurally simpler winding structure.
Ist der Läufer über passive Radiallager, insbesondere magnetische oder mechanische Radiallager, gegenüber dem Ständer gelagert ist, dann kann auf konstruktiv einfache Weise lediglich über die mit Hilfe der Wicklungsköpfe erzeugten Axialkraft eine stabile Lagerung der elektrischen Maschine geschaffen werden. Eine kostengünstige elektrische Maschine kann sich so ergeben, wobei solch einen magnetische Lagerung auch mit einem vergleichsweise geringen stationärem elektrischen Energiebedarf ermöglicht werden kann. Aktive magnetische Lager, Luftlager etc. sind ebenso vorstellbar. If the rotor via passive radial bearings, in particular magnetic or mechanical radial bearing, is mounted relative to the stator, then a stable mounting of the electrical machine can be created in a structurally simple manner only on the axial force generated by means of the winding heads. A low-cost electric machine can be found, with such a magnetic bearing can be made possible with a relatively low steady-state electrical energy needs. Active magnetic bearings, air bearings etc. are also conceivable.
Besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Wicklungskopfs zur Krafterzeugung herausgestellt, wenn die Bewegungsrichtung eine Drehrichtung darstellt. Beispielsweise kann dann die durch den oder die Wicklungsköpfe erzeugte Kraft auch zur magnetischen Lagerung genützt werden, so dass mit einem Wicklungssystem Axialkräfte und Drehmomente erzeugbar sein können. Neben einfachen Konstruktionsverhältnissen können hier auch deutliche Kostenreduktionen genützt werden, weil beispielsweise keine zusätzliche Wicklung zur bestehenden Motorwicklung notwendig wird, um damit Lagerkräfte für eine magnetische Lagerung erzeugen zu können. The use of a winding head for force generation has proven particularly advantageous when the direction of movement represents a direction of rotation. For example, then the force generated by the winding head or heads can also be used for magnetic storage, so that with a winding system axial forces and torques can be generated. In addition to simple design conditions, significant cost reductions can also be used here because, for example, no additional winding is required for the existing motor winding in order to be able to generate bearing forces for a magnetic bearing.
Die Erfindung hat sich außerdem ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur magnetischen Lagerung derart zu verbessern, dass ohne erheblichen zusätzlichen Verfahrensaufwand eine stabile und standfeste Lagerung einer elektrischen Maschine möglich ist. The invention has also taken from the prior art, the task to improve a method for magnetic storage such that a stable and stable storage of an electrical machine is possible without significant additional process costs.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass in mindestens einem Wicklungsstrang eine Spannungs- oder Strom komponente derart zusätzlich eingespeist wird oder die Spannungs- oder Strom komponente in deren Amplitude oder Phasenlage derart verändert wird, dass sich über mindestens einen Wickelkopf des Wicklungsstrangs im Zusammenwirken mit wenigstens einen Lagerpol des Magnetfelderregersystems eine zur Bewegungsrichtung geneigt verlaufende Kraft ausbildet. The invention solves the problem set by the fact that in at least one winding strand a voltage or current component is fed in addition or the voltage or current component in their amplitude or phase position is changed such that at least one winding head of the winding strand in cooperation with at least one bearing pole of the magnetic field exciter system forms a force that is inclined relative to the direction of movement.
Wird in mindestens einem Wicklungsstrang eine Spannungs- oder Stromkomponente derart zusätzlich eingespeist oder die Spannungs- oder Strom komponente in deren Amplitude oder Phasenlage derart verändert, dass sich über mindestens einen Wickelkopf des Wicklungsstrangs im Zusammenwirken mit wenigstens einen Lagerpol des Magnetfelderregersystems eine zur Bewegungsrichtung geneigt verlaufende Kraft ausbildet, dann kann mit einfachen Verfahrensschritten und ohne weitere Maßnahmen eine bestehende Ankerwicklung zur zusätzlichen Krafterzeugung herangezogen werden. Außerdem können aus dem Stand der Technik bekannte Mittel verwendet werden, um das Verfahren zu ermöglichen, welche bereits dazu geeignet sind, in mindestens einem Strang der Ankerwicklung eine Spannungs- o- der Strom komponente zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern für eine Momenten- und/oder Kraftbildung in diese Bewegungsrichtung einzuspeisen. So ist beispielsweise vorstellbar, in einem Wickelstrang eine Gleichspannung einzuprägen, wodurch eine Krafterzeugung im Wicklungskopf im Zusammenwirken mit dem Lagerpol ermöglicht werden kann. Im Falle von mehreren Wicklungsköpfen, kann die Einprägung einer Gleichspannung, auf die konstruktive Ausgestaltung abgestellt, zu Ausbildung einer gemeinsamen Gesamtkraft genützt werden. If a voltage or current component is additionally fed in at least one winding strand or the voltage or current component in its amplitude or phase position changed such that at least one winding head of the winding strand in cooperation with at least one Lagerpol the Magnetfelderregersystems inclined to the direction of force training, then can be used with simple steps and without further action an existing armature winding for additional power generation. In addition, known from the prior art means may be used to enable the method, which are already suitable in at least one strand of the armature winding a voltage o the current component for generating alternating or rotating fields for a torque and / or force formation to feed in this direction of movement. So is for example conceivable to impress a DC voltage in a winding strand, whereby a force generation in the winding head in cooperation with the Lagerpol can be made possible. In the case of several winding heads, the impression of a DC voltage, on the structural design turned off, can be used to form a common overall force.
Das Verfahren kann weiter vereinfacht bzw. erweitert werden, wenn für die Krafterzeugung in der Luftspaltebene oder deren Nahfeld, insbesondere senkrecht zur Bewegungsrichtung, über die Wicklungsköpfe die Spannungs- oder Stromkomponente der Wicklungsstränge der Ankerwicklung zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern in der Amplitude im Wesentlichen gleichfolgend verändert werden. The method can be further simplified or extended if, for the generation of force in the air gap plane or its near field, in particular perpendicular to the direction of movement over the winding heads, the voltage or current component of the winding strands of the armature winding for generating alternating or rotating fields in the amplitude substantially be changed in the same way.
Einfache Steuerungsverhältnisse des Verfahrens können sich ergeben, wenn die Strom komponenten der Wicklungsstränge gleiche Amplituden aufweisen und die Summe der Strom komponenten ungleich null ist. Dadurch kann außerdem sichergestellt sein, dass sich die Ströme nicht auslöschen. Simple control ratios of the method may result when the current components of the winding strands have equal amplitudes and the sum of the current components is not equal to zero. This can also ensure that the currents do not wipe out.
Das Verfahren kann weiter vereinfacht bzw. erweitert werden, wenn für die Krafterzeugung über die Wicklungsköpfe die Spannungs- oder Strom komponente der Wicklungsstränge der Ankerwicklung zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern in der Amplitude im Wesentlichen ungleichmäßig verändert werden, um mindestens ein Kippmoment zu erzeugen. The method can be further simplified or extended if the voltage or current component of the winding strands of the armature winding for generating alternating or rotating fields in the amplitude are changed substantially unevenly for the generation of force on the winding heads to produce at least one overturning moment.
Einfache Verfahrensverhältnisse zur Erzeugung solch eines Kippmoments können sich ergeben, wenn die Strom komponenten der Wicklungsstränge unterschiedliche Amplituden aufweisen. Simple process conditions for generating such a tilting moment may result if the current components of the winding strands have different amplitudes.
Erhöhte Standfestigkeit des Verfahrens bzw. der magnetischen Axiallagerung kann sich ergeben, wenn die Spannungs- oder Stromkomponente entsprechend einer Positions- und/oder Kippregelung unter Zuhilfenahme von Messung oder Schätzung der Systemzustände des magnetischen Lagers verändert wird. Kurze Beschreibung der Zeichnung Increased stability of the method or the magnetic axial bearing can result if the voltage or current component is changed according to a position and / or tilt control with the aid of measurement or estimation of the system states of the magnetic bearing. Short description of the drawing
In den Figuren ist beispielsweise der Erfindungsgegenstand anhand von Ausführungsbeispielen näher dargestellt. Es zeigen In the figures, for example, the subject invention is illustrated by means of embodiments in more detail. Show it
Fig. 1 eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel,  1 is a sectional view of a rotary electric machine according to a first embodiment,
Fig. 2 eine vereinfachte Ansicht der Fig. 1 zur Funktionsbeschreibung, 2 is a simplified view of FIG. 1 for functional description,
Fig. 3 eine abgewickelte Darstellung des nach Fig. 2 dargestellten Aufbaus bei einer Speisung der Ankerwicklung zur Erzeugung einer Axialkraft und Fig. 4 eine Darstellung der Fig. 3 mit einer anderen Anspeisung der Ankerwicklung zur Erzeugung eines Drehmoments, 3 is a developed view of the structure shown in FIG. 2 with a supply of the armature winding for generating an axial force, and FIG. 4 is a view of FIG. 3 with another supply of the armature winding for generating a torque, FIG.
Fig. 5 eine Schnittansicht einer linear beweglichen elektrischen Maschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, 5 is a sectional view of a linearly movable electric machine according to a second embodiment,
Fig. 6 eine Seitenansicht der elektrischen Maschine nach Fig. 5, 6 is a side view of the electric machine of FIG. 5,
Fig. 7, 8 und 9 Beispiele zu elektrischen Speisungen, 7, 8 and 9 examples of electrical feeds,
Fig. 10 zwei weitere Ausführungen zu einer Ankerwicklung, 10 shows two further embodiments of an armature winding,
Fig. 1 1 eine Schnittansicht zu einer weiteren rotierenden elektrischen Maschine nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,  1 1 is a sectional view of another rotary electric machine according to another embodiment,
Fig. 12 eine Schnittansicht durch einen ferromagnetischen Teil der elektrischenFig. 12 is a sectional view through a ferromagnetic part of the electrical
Maschine nach Fig. 1 1 , Machine according to Fig. 1 1,
Fig. 13 eine zu Fig. 1 alternative Ausführungsform mit einem radialen Gleitlager, Fig. 14 und 15 Darstellungen zur Erzeugung eines Kippmoments. Fig. 13 is an alternative to Fig. 1 embodiment with a radial sliding bearing, Fig. 14 and 15 representations for generating a tilting moment.
Weg zur Ausführung der Erfindung Way to carry out the invention
Gemäß dem nach Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel zu einer elektrischen Maschine 1 weist zwei radiale Magnetlager 2 und 3 auf, die für eine stabile Lagerung in radialer Richtung von Anker 4 und des Magnetfelderregersystem 5 sorgen. Die radiale Magnetlager 2 und 3 verhindern außerdem ein Kippen des rotierenden Magnetfelderregersystems 5 gegenüber dem Anker 4. Der Anker 4 weist ein Ankerwicklung 4' mit Wicklungssträngen 6, 7 auf, die je einen Wicklungskopf 6', 7' umfassen. Das Magnetfelderregersystem 5 weist in einer Bewegungsrichtung 8 bzw. Drehrichtung der elektrischen Maschine 1 Motorpole 9, 10 mit abwechselnder Polarität 1 1 zur Momentenbildung in diese Bewegungsrichtung 8 auf. Zu diesem Zweck ist der Anker 4 über zwei Luftspalten 12 mit dem Magnetfelderregersystem 5 magnetisch gekoppelt. Gemäß den Figuren 1 und 2 kann beispielsweise die abwechselnde Polarität 1 1 als Doppelpfeil dargestellt erkannt werden. Um nun konstruktive Einfachheit und dennoch geringe Herstellungskosten zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Wicklungskopf 6', 7' in die Kraft- oder Momentenbildung einzubeziehen. So wird zu diesem Zweck beim Magnetfelderregersystem 5 ein Lagerpol 13 vorgesehen, der in Bewegungsrichtung 8 gleichbleibende Polarität 14 aufweist. Ist nun weiter das Magnetfeld 15 dieses Lagerpol 13 mit den Wicklungsköpfen 6', 7' der Wicklungssträngen 6, 7 magnetisch verkettet bzw. wirkt mit diesen zusammen, dann kann so eine zur Bewegungsrichtung 8 geneigt verlaufende Kraft 16 ausgebildet werden, was insbesondere in der Figur 2 erkannt werden kann. Die Wicklungsköpfe 6', 7' der Wicklungsstränge 6, 7 tragen somit zu einer Krafterzeugung bei, welche Kraft 16 vorteilhaft als Axialkraft 16 zur axialen Stabilisierung der magnetischen Radiallager 2, 3 verwendet werden kann. Die Radiallager 2, 3 können so auch gemeinsam mit den Wickelköpfen zur Stabilisierung der magnetischen Axiallagerung dienen, weil deren Magnetringe 18 und 18' damit axial stabilisiert werden können. Neben einer konstruktiven Einfachheit in der Lagerung kann durch die besondere Erzeugung der Axialkraft durch die Wicklungsköpfe 6', 7' auch auf eine zusätzliche Wicklung verzichtet werden. Eine vorzugsweise kostengünstige elektrische Maschine 1 kann so geschaffen werden. Wie beispielsweise der Fig. 2 entnommen werden kann, wird nun diese Kraft 16 als magnetische axiale Lagerung des sich drehenden Magnetfelderregersystems 5 verwendet, wodurch ein magnetisches Axiallager 17 ohne besondere konstruktive Maßnahmen geschaffen werden kann. According to the illustrated in Fig. 1 the first embodiment of an electric machine 1 has two radial magnetic bearings 2 and 3, which ensure stable storage in the radial direction of the armature 4 and the Magnetfelderregersystem 5. The radial magnetic bearings 2 and 3 also prevent tilting of the rotating Magnetfelderregersystems 5 relative to the armature 4. The armature 4 has an armature winding 4 'with winding strands 6, 7, each comprising a winding head 6', 7 '. The magnetic field excitation system 5 points in a direction of movement 8 or direction of rotation of the electric machine 1 motor poles 9, 10 with alternating polarity 1 1 for torque formation in this direction of movement 8. For this purpose, the armature 4 is magnetically coupled via two air gaps 12 with the magnetic field excitation system 5. According to FIGS. 1 and 2, for example, the alternating polarity 1 1 can be recognized as a double arrow. In order to enable constructive simplicity and yet low production costs, the invention proposes to include the winding head 6 ', 7' in the force or moment formation. Thus, a Lagerpol 13 is provided for this purpose in the magnetic field excitation system 5, which has constant polarity 14 in the direction of movement 8. Now, if the magnetic field 15 of this Lagerpol 13 with the winding heads 6 ', 7' of the winding strands 6, 7 magnetically linked or cooperates with these, then a direction of movement 8 inclined force 16 can be formed, which is particularly in the figure 2 can be detected. The winding heads 6 ', 7' of the winding strands 6, 7 thus contribute to a force generation, which force 16 can be used advantageously as an axial force 16 for the axial stabilization of the magnetic radial bearings 2, 3. The radial bearings 2, 3 can also be used together with the winding heads to stabilize the magnetic axial bearing, because their magnetic rings 18 and 18 'can be axially stabilized so. In addition to a constructive simplicity in storage can be dispensed with by the special generation of the axial force through the winding heads 6 ', 7' on an additional winding. A preferably cost-effective electric machine 1 can be created. As can be seen for example in FIG. 2, this force 16 is now used as the magnetic axial bearing of the rotating magnetic field excitation system 5, whereby a magnetic thrust bearing 17 can be created without special design measures.
Gemäß Fig. 1 umfasst das Magnetfelderregersystem 5 außerdem zwei LagerpoleAccording to FIG. 1, the magnetic field excitation system 5 also comprises two bearing poles
13, 18 mit einer im Wesentlichen in Bewegungsrichtung 8 gleichbleibenden Polarität13, 18 with a substantially constant in the direction of movement 8 polarity
14, 19. Die Lagerpole 13, 18 jedoch weisen zueinander entgegengesetzte Polarität 14, 19 auf und sind an gegenüberliegenden Seiten des Pols 1 1 zur Momenten- oder Kraftbildung in Bewegungsrichtung 8 angeordnet. Damit können auf einfache Weise beide Wicklungsköpfe 6', 7' zur Kraftausbildung beitragen, um so beispielsweise die maximale Lagerkraft zu vergrößern. 14, 19. However, the bearing poles 13, 18 have mutually opposite polarity 14, 19 and are arranged on opposite sides of the pole 1 1 for moment or force formation in the direction of movement 8. This can be done easily Both winding heads 6 ', 7' contribute to the force training, so as to increase, for example, the maximum bearing force.
Zur Erzeugung der Axialkraft 16 ist eine entsprechende elektrische Speisung 20 bzw. Anspeisung mit einer nicht näher dargestellten Spannungsquelle der Ankerwicklung 4' vorgesehen, was der Fig. 3 besser erkannt werden kann. Die Stromflüsse 21 und 22 durch die Wicklungsstränge 6, 7, wie im oberen Teil der Wicklungsstränge 6, 7 zu erkennen, verlaufen wenigstens teilweise in eine gemeinsame Richtung bzw. in Bewegungsrichtung 8. Unter Berücksichtigung des diesen Wicklungsköpfen 6' und 7' zugeordneten Lagerpols 13 kann nun eine Kraft 16 erzeugt werden, die sich in Summe über die Wicklungsköpfe 6' und 7' nicht aufhebt. Die Kraftrichtung dieser Kraft 16 ist geneigt, insbesondere senkrecht zur Bewegungsrichtung 8 bzw. Drehrichtung der elektrischen Maschine 1 , weil diese unter Berücksichtigung einer magnetischen Verkettung zwischen den Wicklungsköpfen 6', 7' der Wicklungsstränge 6, 7 und dem in der Polarität 14 in Bewegungsrichtung 8 gleichbleibenden Magnetfeld 15 des Lagerpols 13 des Magnetfelderregersystems 5 erzeugt wird. Diese Kraft 16 kann beispielsweise auch einen Tragkraft für eine magnetische Axiallagerstelle darstellen. To generate the axial force 16, a corresponding electrical supply 20 or supply with a not shown voltage source of the armature winding 4 'is provided, which can be better recognized in FIG. The current flows 21 and 22 through the winding strands 6, 7, as seen in the upper part of the winding strands 6, 7, extend at least partially in a common direction or in the direction of movement 8. Taking into account the this winding heads 6 'and 7' associated Lagerpols 13th Now, a force 16 can be generated, which does not cancel in total on the winding heads 6 'and 7'. The force direction of this force 16 is inclined, in particular perpendicular to the direction of movement 8 or direction of rotation of the electric machine 1, because this taking into account a magnetic interlinkage between the winding heads 6 ', 7' of the winding strands 6, 7 and in the polarity 14 in the direction of movement constant magnetic field 15 of the Lagerpols 13 of the magnetic field excitation system 5 is generated. This force 16 may, for example, also represent a bearing capacity for a magnetic thrust bearing.
Zur Erzeugung eines Drehmoments werden die Wicklungsstränge 6, 7 beispielsweise gemäß Fig. 4 elektrisch gespeist, wodurch sich bekanntermaßen Drehkräfte 23 in Bewegungsrichtung 8 einstellen und zur Rotation der elektrischen Maschine 1 führen. To generate a torque, the winding strands 6, 7, for example, as shown in FIG. 4 are electrically powered, which is known to set rotational forces 23 in the direction of movement 8 and lead to the rotation of the electric machine 1.
Im Allgemeinen wird erwähnt, dass zur elektrischen Speisung der Ankerwicklung 4' bzw. der Wicklungsstränge 6, 7 jegliche analoge und/oder digitale Elektronik zur Steuerung, Regelung, Überwachung und/oder Anspeisung vorstellbar ist. Außerdem können die Spulen der Ankerwicklung 4' bzw. der Wicklungsstränge 6, 7 auch getrennt voneinander gespeist werden, was nicht näher dargestellt worden ist. Gemäß Fig. 1 und insbesondere gemäß Fig. 2 ist zu erkennen, dass der Anker 4 den drehfest angeordneten Ständer 24 und das Magnetfelderregersystem 5 den gegenüber dem Anker 4 drehbar gelagerten Läufer 25 ausbildet. In general, it is mentioned that for the electrical supply of the armature winding 4 'or the winding strands 6, 7 any analog and / or digital electronics for control, regulation, monitoring and / or power supply is conceivable. In addition, the coils of the armature winding 4 'and the winding strands 6, 7 can also be fed separately, which has not been shown in detail. According to FIG. 1 and in particular according to FIG. 2, it can be seen that the armature 4 forms the stator 24, which is fixed against rotation, and the magnetic field excitation system 5, the rotor 25 rotatably mounted relative to the armature 4.
Weiter ist in Fig. 1 zu erkennen, dass der Eisenrückschluss 26 des Magnetfelderregersystems 5 dem Läufer 25 ganz zugeordnet ist. Dieser Eisenrückschluss 26 dreht sich mit dem Läufer 25 mit, wodurch insbesondere Wirbelstromverluste klein gehalten werden können. It can also be seen in FIG. 1 that the iron yoke 26 of the magnetic field excitation system 5 is completely associated with the rotor 25. This iron yoke 26 rotates with the rotor 25, which in particular eddy current losses can be kept small.
Die Ankerwicklung 4' ist als nutenlose Luftspaltwicklung 41 , selbsttragend ausgeführt, was insbesondere der Fig. 2 entnommen werden kann. Einfache Konstruktionsverhältnisse können damit geschaffen werden. The armature winding 4 'is designed as a slotless air gap winding 41, self-supporting, which in particular of FIG. 2 can be removed. Simple construction conditions can be created with it.
Nach Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer linear beweglichen elektrischen Maschine 26 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Anker 4 weist eine mehrsträngige Ankerwicklung 4' mit Wicklungsköpfe 6', 7', 6" und 7" auf, wie diese nach Fig. 6 besser erkannt werden können. Weiter ist ein Magnetfelderregersystem 5 vorgesehen, das in einer Bewegungsrichtung 8 Motorpole 9, 10 mit abwechselnder Polarität 1 1 zur Momenten- oder Kraftbildung in diese Bewegungsrichtung 8 aufweist. Gleichwie nach Fig. 1 umfasst das Magnetfelderregersystem 5 in Bewegungsrichtung 8 Lagerpole 13, 18 mit gleichbleibender Polarität 14, 19. Die Wicklungsköpfe 6', 7', 6", 7" der Ankerwicklung 4' sind damit zur Ausbildung von einer zur Bewegungsrichtung 8 geneigt verlaufenden Kraft 16 magnetisch verkettet. Damit kann beispielsweise ein Heben und Senken des Magnetfelderregersystems 4 bzw. des Läufers gegenüber dem Anker 4 ermöglicht werden, die zur magnetischen Lagerung verwendet werden können. According to Fig. 5 is a sectional view of a linearly movable electric machine 26 is shown according to a further embodiment. The armature 4 has a multi-stranded armature winding 4 'with winding heads 6', 7 ', 6 "and 7", as they can be better recognized according to FIG. Further, a magnetic field excitation system 5 is provided, which has 8 motor poles 9, 10 with alternating polarity 1 1 for torque or force in this direction of movement 8 in a direction of movement. Gleichhe as shown in FIG. 1, the magnetic field excitation system 5 in the direction of movement 8 bearing poles 13, 18 with the same polarity 14, 19. The winding heads 6 ', 7', 6 ", 7" of the armature winding 4 'are thus inclined to form a direction of movement 8 extending force 16 magnetically linked. Thus, for example, a lifting and lowering of the magnetic field excitation system 4 or the rotor relative to the armature 4 can be made possible, which can be used for magnetic storage.
Nach Fig. 7 ist eine entsprechende elektrische Speisung (Spannungs- und/oder Stromspeisung) wenigstens einer zur Kraft- und/oder Drehmomentenausbildung in Bewegungsrichtung vorgesehene Ankerwicklung 4' dargestellt, deren Wicklungsköpfe mit dem Magnetfelderregersystem zur Erzeugung einer zur Bewegungsrichtung geneigten Lagerkraft zusammenwirken. Die Axialkraft 16 für das magnetische Axiallager 17 wird gebildet durch Konstantbestrom ung 27 bzw. 28 aller Wicklungsstränge 6 bzw. 7 der Ankerwicklung 4' derart, dass die Ströme in den Wicklungsköpfen 6', 7' entlang oder entgegen der Bewegungsrichtung 8 gerichtet sind und es dadurch zu einer resultierenden Lorentzkraftbildung kommt. Zur Krafterzeugung in Momentenrichtung bzw. zur Erzeugung eines Drehmoments werden in den Wicklungssträngen 6, 7 zusätzlich zur Konstantbestromung 27 bzw. 28 auch Wechselströme eingeprägt, welche nicht näher dargestellt worden sind. Durch die Konstantbestromung 27 bzw. 28 in Modulation mit den Wechselströme zur Erzeugung eines Drehmoments ergibt sich nun resultierende Strom komponente 29, 20. According to Fig. 7, a corresponding electrical supply (voltage and / or power supply) is at least one provided for force and / or torque training in the direction of armature winding 4 ', the winding heads cooperate with the magnetic field excitation system to produce a tilted to the direction of bearing force. The axial force 16 for the magnetic Thrust bearing 17 is formed by Konstantbestrom ung 27 and 28 of all winding strands 6 and 7 of the armature winding 4 'such that the currents are directed in the winding heads 6', 7 'along or against the direction of movement 8 and thereby resulting in a resulting Lorentz force , For force generation in the torque direction or for generating a torque alternating currents are impressed in the winding strands 6, 7 in addition to the constant current 27 and 28, which have not been shown in detail. By Konstantbestromung 27 and 28 in modulation with the alternating currents to generate a torque now resulting power component 29, 20 results.
In Fig. 9 ist eine weitere elektrische Speisungen der Ankerwicklung 4' für die Krafterzeugung in der Luftspaltebene, insbesondere senkrecht zur Bewegungsrichtung 8 gezeigt. Hier wird die Strom komponente 27, 28 der Wicklungsstränge 6, 7 der Ankerwicklung 4' in der Amplitude gleichfolgend verändert, in dem auf den drehmomentbildenden Stromkomponente 31 , 32 der kraftbildende Stromanteil 27, 38 moduliert wird, was eine resultierende Stromkomponente 29, 30 ergibt. Der Einfachheit halber weisen die Strom komponenten 27, 28 der Wicklungsstränge 6, 7 - - gleiche Amplituden aufweisen. Deren Summe ist ungleich null. FIG. 9 shows a further electrical supply of the armature winding 4 'for the generation of force in the air gap plane, in particular perpendicular to the direction of movement 8. Here, the current component 27, 28 of the winding strands 6, 7 of the armature winding 4 'in the amplitude changed the same, in which on the torque-forming current component 31, 32 of the force-forming current component 27, 38 is modulated, resulting in a resulting current component 29, 30. For the sake of simplicity, the current components 27, 28 of the winding strands 6, 7 - have equal amplitudes. Their sum is not equal to zero.
In Fig. 8 ist eine weitere elektrische Speisungen der Ankerwicklung 4' für die Erzeugung eines Kippmoments dargestellt. Hierfür werden über die Wicklungsköpfe 6', 7' die Strom komponente 27', 28' der Wicklungsstränge 6, 7 der Ankerwicklung 4' zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern in der Amplitude ungleichmäßig verändert. Hierfür wird eine unterschiedlich hohe Konstantbestromung 27, 28 verwendet, um den Wechselströmen 29, 30 verschiedene Offsets zuzuordnen. Der Einfachheit halber weisen die Stromkomponenten 27', 28' der Wicklungsstränge 6, 7 unterschiedliche Amplituden auf, wie dies der Fig. 8 entnommen werden kann. FIG. 8 shows a further electrical supply of the armature winding 4 'for generating a tilting moment. For this purpose, via the winding heads 6 ', 7', the current component 27 ', 28' of the winding strands 6, 7 of the armature winding 4 'to produce alternating or rotating fields in the amplitude changed unevenly. For this purpose, a different level Konstantbestromung 27, 28 is used to assign the alternating currents 29, 30 different offsets. For the sake of simplicity, the current components 27 ', 28' of the winding strands 6, 7 have different amplitudes, as can be seen in FIG. 8.
Nach den Figuren 14 und 15 ist die Erzeugung eines Kippmoments näher dargestellt. Gemäß Fig. 14 ergibt sich eine Kraftausbildung in x-Richtung - gemäß Fig. 15 ergibt sich eine Kraftausbildung in y-Richtung. Sämtliche eingezeichneten Stromflüsse 49, 50 sind rotorwinkelunabhängig. Die Darstellungen beziehen sich auf ei- nen Anker 4 mit vier Spulen 51 , 52, 53 und 54 und zwei Motorpolpaaren. Diese elektrische Maschine 1 weist somit Einphasencharakteristik auf. Die Amplituden der Stromflüsse 49, 50 unterscheiden sich zur Kippmomenten-Erzeugung voneinander, wie bereits vorstehend erläutert. Weil die Kraftangriffspunkte der elektromagnetisch erzeugten Lorentzkräfte und der Schwerpunkt des Rotors verschoben sind, entstehen aufgrund der oben beschriebenen Ansteuerstrategie Momente in der xy-Ebene. Die so erzeugten Kippmomente sind rotorwinkelunabhängig. Durch gezielte Bestromung (Gewichtung der Spulenströme) lassen sich die Kippmomente in beliebige Richtung einstellen. After the figures 14 and 15, the generation of a tilting moment is shown in more detail. According to FIG. 14, a force development in the x-direction results-according to FIG. 15, a force formation results in the y-direction. All drawn current flows 49, 50 are rotor angle independent. The illustrations refer to a NEN anchor 4 with four coils 51, 52, 53 and 54 and two motor pole pairs. This electric machine 1 thus has single-phase characteristics. The amplitudes of the current flows 49, 50 differ from one another with respect to the tilting moment generation, as already explained above. Because the force application points of the electromagnetically generated Lorentz forces and the center of gravity of the rotor are shifted, arise due to the above-described driving strategy moments in the xy plane. The tilting moments thus generated are rotor angle independent. Through targeted energization (weighting of the coil currents), the overturning moments can be adjusted in any direction.
Die Spulen/Stränge können insbesondere auch sternverschalten (mit Nullpunktan- schluss) sein (Reduktion der Komplexität). Natürlich ist auch der Betrieb im Einzelstrang möglich. In particular, the coils / strings can also be star-connected (with zero-point connection) (reduction in complexity). Of course, the operation in a single strand is possible.
In Fig. 10 werden wird ein Rauten- bzw. Schrägwicklung bzw. Maxon- oder Faulhaberwicklung 33, 34 gezeigt, welche Wicklungen 33, 34 ebenso für die Ankerwicklung 4' vorstellbar sind. In Fig. 10, a diamond or skew winding or Maxon- or Faulhaberwicklung 33, 34 are shown, which windings 33, 34 are also conceivable for the armature winding 4 '.
Einfache konstruktive Eigenschaften können sich ergeben, wenn der Wicklungskopf 6', 7' durch in Bewegungsrichtung geneigte Leiterabschnitte 34, 35 des Wickelungsstrangs 6 der Ankerwicklung 4' gebildet wird, wie dies beispielsweise anhand der Faulhaberwicklung 34 in Fig. 10 erkannt werden kann. Simple constructional properties can result if the winding head 6 ', 7' is formed by conductor sections 34, 35 of the winding strand 6 of the armature winding 4 'that are inclined in the direction of movement, as can be recognized, for example, with reference to the fouling winding 34 in FIG.
Gemäß dem nach Fig. 1 1 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Maschine 37 mit einem Innenläufer als Magnetfelderregersystem 5 und einem genuteten Anker 4 auf. Der elektrischen Maschine 37 sind mehrere Sensoren 38, 39 zugeordnet, mit denen die Axiallage bzw. Kipplage des Magnetfelderregersystems 5 bzw. der daran befestigten Welle 40 gemessen werden kann. According to the further embodiment shown in FIG. 1 1, an electric machine 37 with an internal rotor as magnetic field excitation system 5 and a grooved anchor 4 on. The electric machine 37 is associated with a plurality of sensors 38, 39, with which the axial position or tilting position of the magnetic field exciter system 5 or the shaft 40 attached thereto can be measured.
Bei dieser elektrischen Maschine 37 werden sowohl die Axialkräfte 16 als auch ein Drehmomente in Bewegungsrichtung 8 durch Grenzflächenkräfte zwischen Eisen und Luftspalt erzeugt. Zu diesem Zweck müssen die zur Kraftbildung beitragenden Wicklungsköpfe 6', 7' der Ankerwicklung 4' in Nuten 42 eines ferromagnetischen Trägers 43 des Ankers 4 wenigstens teilweise verlaufen, um einen Angriffspunkt für die Grenzflächenkräfte zu ermöglichen. Besonders wichtig ist die eingezeichnete Unterbrechung des Statoreisenpakets zwischen Motorteil und axialkrafterzeugen- dem Wickelkopfteil des Statorpakets. Diese magnetisch nichtleitende Unterbrechung 44 dient als Flussbarriere und verhindert den Rückschluss des Flusses des Wicklungskopfes auf einem Weg, der zu keiner Axialkraftbildung führen würde. Außerdem weist der Anker 4 weitere nicht ferromagnetische Teile 45 auf. Ansonsten unterscheidet sich diese elektrische Maschine 37 nach Fig. 1 1 nicht wesentlich von der elektrischen Maschine 1 nach Fig. 1 . Die radiale Stabilisierung und die Stabilisierung der Kippbewegung der Welle erfolgt durch permanentmagnetische Radiallager 2 und 3. Stirnseitig sind ein Sensor 39 zur vorgesehen. Die Radiallager 2, 3 werden mit ringförmig ausgeformten Distanz- und Haltebuchsen ausgeführt. Auch hier wird mit Hilfe der Wicklungsköpfe 6', 7' eine Axialkraft 16 erzeugt, um eine axiale Lagerung der Welle 40 zu ermöglichen - ein magnetisches Axiallager 17 kann sich so auf einfache konstruktive Weise ergeben. In Fig. 12 ist eine Schnittansicht durch den ferromagnetischen Träger 43 der elektrischen Maschine 37 nach Fig. 1 1 zu erkennen, wo die Längsnuten 44 zum Ausdruck kommen. In this electric machine 37, both the axial forces 16 and a torque in the direction of movement 8 are generated by interface forces between the iron and the air gap. To this end, those contributing to the formation of strength must Winding heads 6 ', 7' of the armature winding 4 'in grooves 42 of a ferromagnetic carrier 43 of the armature 4 at least partially extend to allow a point of application for the interface forces. Of particular importance is the marked interruption of the stator iron package between the motor part and the axial winding-producing winding head part of the stator core. This magnetically non-conductive interruption 44 serves as a flow barrier and prevents the inference of the flow of the winding head on a path that would lead to no Axialkraftbildung. In addition, the armature 4 further non-ferromagnetic parts 45. Otherwise, this electric machine 37 according to FIG. 1 1 does not differ significantly from the electric machine 1 according to FIG. 1. The radial stabilization and the stabilization of the tilting movement of the shaft is effected by permanent magnetic radial bearings 2 and 3. The front side, a sensor 39 are provided for. The radial bearings 2, 3 are performed with annular shaped spacer and retaining sockets. Again, with the help of the winding heads 6 ', 7', an axial force 16 is generated to allow an axial bearing of the shaft 40 - a magnetic thrust bearing 17 can thus result in a simple constructive manner. FIG. 12 shows a sectional view through the ferromagnetic carrier 43 of the electric machine 37 according to FIG. 11, where the longitudinal grooves 44 are expressed.
Nach Fig. 13 wird eine weitere Ausführungsform einer elektrischen Maschine 46 dargestellt. Diese elektrische Maschine 46 weist zum Unterschied zur nach Fig. 1 dargestellten elektrischen Maschine 1 anstatt radialer Magnetlagern 2 und 3 radiale Gleitlager 47 und 48 auf. Referring to Fig. 13, another embodiment of an electric machine 46 is shown. This electric machine 46 has, in contrast to the electric machine 1 shown in FIG. 1, instead of radial magnetic bearings 2 and 3, radial slide bearings 47 and 48.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1 . Elektrische Maschine mit mindestens einem insbesondere magnetischen Lager (2, 3), insbesondere einem Axiallager (17), mit wenigstens einem Anker (4), der wenigstens eine Ankerwicklung (4') mit mindestens einem Wicklungskopf (6', 7') aufweist, und mit wenigstens einem Magnetfelderregersystem (5), das in einer Bewegungsrichtung (8) Motorpole (9, 10) mit zumindest teilweise abwechselnder Polarität (1 1 ) zur Momenten- und/oder Kraftbildung in diese Bewegungsrichtung (8) aufweist, wobei wenigstens eine Ankerwicklung (4') über mindestens einen Luftspalt1 . Electric machine having at least one in particular magnetic bearing (2, 3), in particular a thrust bearing (17), with at least one armature (4) having at least one armature winding (4 ') with at least one winding head (6', 7 '), and with at least one Magnetfeldregersystem (5) having in a direction of movement (8) motor poles (9, 10) with at least partially alternating polarity (1 1) for torque and / or force in this direction of movement (8), wherein at least one armature winding (4 ') over at least one air gap
(12) mit dem Magnetfelderregersystem (5) magnetisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfelderregersystem (5) wenigstens einen Lagerpol(12) is magnetically coupled to the magnetic field excitation system (5), characterized in that the magnetic field excitation system (5) at least one Lagerpol
(13) umfasst, mit dessen Magnetfeld (15) wenigstens teilweise mindestens ein Wicklungskopf (6', 7') der Ankerwicklung (4') zur Ausbildung von wenigstens einer zur Bewegungsrichtung (8) geneigt verlaufenden Kraft (16), insbesondere Axialkraft für das magnetische Axiallager (17), zusammenwirkt. (13), with the magnetic field (15) at least partially at least one winding head (6 ', 7') of the armature winding (4 ') for forming at least one to the direction of movement (8) inclined force (16), in particular axial force for the Magnetic thrust bearing (17), cooperates.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerpol (13) bzw. die Lagerpole (13) in Bewegungsrichtung (8) im Wesentlichen gleichbleibende Polarität (14) aufweist bzw. aufweisen. 2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the Lagerpol (13) or the bearing poles (13) in the direction of movement (8) has substantially constant polarity (14) or have.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfelderregersystem (5) zum Zusammenwirken mit mindestens zwei Wicklungsköpfen (6', 7') wenigstens zwei Lagerpole (13, 18) umfasst, wobei die Lagerpole (13, 18) zueinander im Wesentlichen entgegengesetzte Polarität (14, 19) aufweisen und zwischen sich die Motorpole (9, 10) aufnehmen. 3. Electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic field excitation system (5) for cooperation with at least two winding heads (6 ', 7') at least two bearing poles (13, 18), wherein the bearing poles (13, 18) have mutually substantially opposite polarity (14, 19) and between them the motor poles (9, 10) record.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungskopf (6', 7') durch in Bewegungsrichtung geneigte Leiterabschnitte (35, 36) des Wickelungsstrangs (6) der Ankerwicklung (4') gebildet wird. 4. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the winding head (6 ', 7') by in the direction of movement inclined conductor portions (35, 36) of the winding strand (6) of the armature winding (4 ') is formed.
5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Permanentmagnete und/oder elektrisch versorgte Spulen die Pole (9, 10, 13, 18) des Magnetfelderregersystems (5) ausbilden. 5. Electrical machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that permanent magnets and / or electrically supplied coils form the poles (9, 10, 13, 18) of the magnetic field excitation system (5).
6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstränge (6, 7) der Ankerwicklung (4') als konzentrierte, konzentrische, verteilte und/oder überlappende Spulenanordnungen am Anker (4) ein- oder mehrschichtig vorgesehen sind, insbesondere als Rauten- oder Schrägwicklung bzw. Maxon- oder Faulhaberwicklung (34, 33) vorgesehen sind. 6. Electrical machine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the winding strands (6, 7) of the armature winding (4 ') as concentrated, concentric, distributed and / or overlapping coil arrangements on the armature (4) one or more layers provided are, in particular as a diamond or skew winding or maxon or Faulhaberwicklung (34, 33) are provided.
7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wicklungsstrang (6, 7) der Ankerwicklung (4') zusammengeschaltete Ankerspulen oder Ankerspulengruppen aufweist. 7. Electrical machine according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one winding strand (6, 7) of the armature winding (4 ') has interconnected armature coils or armature coil groups.
8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) den ortsfest, insbesondere drehfest angeordneten Ständer (24) und das Magnetfelderregersystem (5) den gegenüber dem Anker (4) beweglich, insbesondere drehbar gelagerten Läufer (25) ausbildet. 8. Electrical machine according to one of claims 1 to 7, characterized in that the armature (4) the stationary, in particular rotationally fixed stand (24) and the Magnetfelderregersystem (5) relative to the armature (4) movable, in particular rotatably mounted rotor (25) trains.
9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenrückschluss (26) des Magnetfelderregersystems (5) dem Läufer (25) ganz oder teilweise mechanisch zugeordnet ist. 9. Electrical machine according to one of claims 1 to 8, characterized in that the iron yoke (26) of the magnetic field exciter system (5) is associated with the rotor (25) completely or partially mechanically.
10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung (4'), insbesondere als nutenlose Luftspaltwicklung (41 ), selbsttragend ausgeführt ist. 10. Electrical machine according to one of claims 1 to 9, characterized in that the armature winding (4 '), in particular as a slotless air gap winding (41) is carried out self-supporting.
1 1 . Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Kraft- und/oder Momentenbildung in Bewegungsrichtung (8) beitragenden Ankerwicklungsteile (4') und/oder Wicklungsköpfe (6', 7') der Ankerwicklung (4') in Nuten (42, 44) eines ferromagnetischen Trägers (43) des Ankers (4) wenigstens teilweise verlaufen. 1 1. Electrical machine according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the armature winding parts (4 ') contributing to force and / or torque formation in the direction of movement (8) and / or winding heads (6', 7 ') of the armature winding (4') in grooves (42, 44) of a ferromagnetic carrier (43) of the armature (4) extend at least partially.
12. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (25) über passive Radiallager, insbesondere magnetische Radiallager (2, 3) oder mechanische Radiallager, gegenüber dem Ständer (24) gelagert ist. 12. Electrical machine according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the rotor (25) via passive radial bearings, in particular magnetic radial bearings (2, 3) or mechanical radial bearings, relative to the stator (24) is mounted.
13. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung (8) eine Drehrichtung ist. 13. Electrical machine according to one of claims 1 to 12, characterized in that the direction of movement (8) is a direction of rotation.
14. Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem in mindestens einem Wicklungsstrang (6, 7) der Ankerwicklung (4") eine Spannungs- oder Stromkomponente (31 , 32) zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern für eine Momenten- und/oder Kraftbildung in diese Bewegungsrichtung (8) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Wicklungsstrang (6, 7) eine Spannungs- oder Strom komponente (27, 28) derart zusätzlich eingespeist wird oder die Spannungs- oder Strom komponente (31 , 32) in deren Amplitude oder Phasenlage derart verändert wird, dass sich über mindestens einen Wickelkopf (6', 7') des Wicklungsstrangs (6, 7) im Zusammenwirken mit wenigstens einen Lagerpol des Magnetfelderregersystems eine zur Bewegungsrichtung (8) geneigt verlaufende Kraft (16) ausbildet. 14. A method for operating an electrical machine according to one of claims 1 to 12, wherein in at least one winding strand (6, 7) of the armature winding (4 "), a voltage or current component (31, 32) for generating alternating or rotating fields for a moment and / or force formation in this direction of movement (8) is fed, characterized in that in at least one winding strand (6, 7) a voltage or current component (27, 28) is additionally fed in such or the voltage or Current component (31, 32) in the amplitude or phase position is changed such that at least one winding head (6 ', 7') of the winding strand (6, 7) in cooperation with at least one Lagerpol the Magnetfelderregersystems a to the direction of movement (8) inclined running force (16) forms.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Krafterzeugung in der Luftspaltebene oder deren Nahfeld, insbesondere senkrecht zur Bewegungsrichtung (8), über die Wicklungsköpfe (6', 7') die Spannungs- oder Strom komponenten (29, 30) der Wicklungsstränge (6, 7) der Ankerwicklung (4') zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern in der Amplitude im Wesentlichen gleichfolgend verändert werden. 15. The method according to claim 14, characterized in that for the force generation in the air gap plane or its near field, in particular perpendicular to the direction of movement (8), via the winding heads (6 ', 7') the voltage or current components (29, 30) the winding strands (6, 7) of the armature winding (4 ') are changed in the amplitude substantially the same for the generation of alternating or rotating fields.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkomponenten der Wicklungsstränge (6, 7) gleiche Amplituden aufweisen und deren Summe ungleich 0 ist. 16. The method according to claim 15, characterized in that the current components of the winding strands (6, 7) have the same amplitude and whose sum is not equal to 0.
17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Krafterzeugung über die Wicklungsköpfe (6', 7') die Spannungs- oder Strom komponente (29, 30) der Wicklungsstränge (6, 7) der Ankerwicklung (4') zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern in der Amplitude im Wesentlichen ungleichmäßig verändert werden, um mindestens ein Kippmoment zu erzeugen. 17. The method according to claim 14, characterized in that for the power generation via the winding heads (6 ', 7'), the voltage or current component (29, 30) of the winding strands (6, 7) of the armature winding (4 ') for generating of alternating or rotating fields in the amplitude are changed substantially non-uniformly to produce at least one overturning moment.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkomponenten der Wicklungsstränge (6, 7) unterschiedliche Amplituden aufweist. 18. The method according to claim 17, characterized in that the current components of the winding strands (6, 7) has different amplitudes.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- oder Strom komponente (29, 30) entsprechend einer Positi- ons- und/oder Kippregelung unter Zuhilfenahme von Messung oder Schätzung der Systemzustände des magnetischen Lagers verändert wird. 19. The method according to any one of claims 14 to 18, characterized in that the voltage or current component (29, 30) in accordance with a posi- ons and / or tilt control with the aid of measurement or estimation of the system states of the magnetic bearing is changed.
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