WO1995020260A1 - Induktionsmaschine mit spezialwicklung zur kombinierten erzeugung eines drehmoments und einer querkraft in derselben - Google Patents

Induktionsmaschine mit spezialwicklung zur kombinierten erzeugung eines drehmoments und einer querkraft in derselben Download PDF

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WO1995020260A1
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Sulzer Electronics Ag
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    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

Definitions

  • the invention relates to the field of drive and control technology.
  • pole pair difference of which is equal to one.
  • a radial active magnetic bearing which is based on one-sided magnetic tensile forces. It describes an active magnetic bearing with a rotary drive consisting of one or more stands and a rotor with an air gap monitored by sensors, the control rotating field modulated by the sensors being superimposed on the drive rotating field generated by the supply of three-phase current.
  • a p-pole drive rotating field this is p ⁇ 1 -pair.
  • the p-pole-pair drive rotating field is generated by a p-pole-pair stator winding and the p ⁇ 1 -pole-pair control rotating field is generated by a p ⁇ 1 -pole pair stator winding.
  • Hermann does not go into the design of the rotor. However, his idea of switching the p-pole-pair drive stator winding and the p ⁇ 1 -pole-pair control stator winding when the machine is running up suggests that it is based on a squirrel-cage rotor. If a p ⁇ 1 pole pair current distribution can be formed on the rotor due to the p ⁇ 1 pole-pair control rotating field, the control rotating field not only causes a transverse force acting on the rotor but also a torque which is superimposed on the drive torque. The additional torque formation occurs when there is a large amount of slip and is therefore associated with a high level of heat in the rotor.
  • the object of the present invention is to describe an induction machine for the combined generation of a torque and a transverse force acting on the rotor, in which the above-mentioned disadvantages of the prior art are to be avoided.
  • repercussions from the formation of torque on the formation of transverse force and vice versa should be avoided as far as possible.
  • the shear force acting in the machine should be adjustable directly via the currents of the control winding and should not depend on the speed or the torque of the machine.
  • the essence of the invention is that a suitable rotor winding prevents a P2-pole-pair current distribution from being able to form on the rotor. This ensures that the entire current of the control winding can be used directly for shear force generation.
  • the desired, exclusively p j -pole-paired rotor current distribution is achieved in that the rotor receives a pronounced p j -pole-paired winding which is distributed as sinusoidally as possible and which is short-circuited.
  • the rotor of the induction machine according to the invention is now provided with a pronounced p_ pole-pair, sinusoidally distributed three-phase winding analogous to the rotor of a three-phase p j pole-pair slip ring rotor induction machine. Examples of the execution of such windings are also described in the three-volume basic work by H. Sequence "The windings of electrical machines", Springer Verlag Vienna, 1950.
  • slip rings can be dispensed with.
  • Fig. 1 The torque formation in a 2-pole asynchronous machine by Lorentz force pairs acting tangentially on the rotor.
  • the torque of the entire machine can be determined for each operating point by adding the torques of the individual machines.
  • Fig. 6 The signal flow diagram of the induction machine according to the invention with combined torque and lateral force generation.
  • Fig. 7 The winding diagram of a three-phase, two-pole single-layer winding for a stand with 36 slots. This is suitable, for example, as a drive winding.
  • Fig. 8 The winding diagram of a three-phase, four-pole single-layer winding for the same stand. It is suitable, for example, in combination with the drive winding shown in FIG. 7 as a control winding.
  • FIG. 9 A possible winding diagram of a two-pole, three-phase rotor winding for a rotor with 24 slots, which can be used in combination with the drive winding in Figure 7 and the control winding in Figure 8.
  • Fig. 11 Bearingless induction machine, consisting of two sub-machines, in which both the torque formation and the radial active magnetic bearing of the rotor is carried out by the sub-machines.
  • Fig. 12 Bearingless induction machine, consisting of two sub-machines, the rotor of which is conically shaped and in which both the torque formation and the radial and axial active magnetic mounting of the rotor are carried out by the sub-machines.
  • Fig. 13 Conventionally mounted induction machine in which lateral forces can be exerted on the rotor with the aid of a control winding.
  • Fig. 17 A "bearingless induction machine", consisting of two submachines, the stator and rotor laminations are provided with transverse grooves, so that in addition to the active radial magnetic bearing of the rotor, a passive axial magnetic bearing can be achieved.
  • Two different magnetic force effects are known: the Lorentz force and the Maxwell force.
  • Lorentz force is the force effect on a current-carrying conductor in the magnetic field.
  • the torque generation in the induction machine is based on it. This is shown qualitatively in FIG. 1 for the simplest case of a two-pole machine with sinusoidal current and flow distribution.
  • the Lorentz forces acting tangentially on the rotor form pairs of forces that produce a torque.
  • Maxwell forces are also present in the machine, i.e. forces that occur in a magnetic circuit at the interfaces of substances of different permeability. They attack vertically on the rotor and cancel each other out due to the symmetrical flow distribution. In the case of a machine with the number of pole pairs 1, this fact is shown qualitatively in FIG. Only when the rotor is displaced from the center of the machine does a transverse force, which points in the direction of the displacement, result due to the resulting asymmetrical flow distribution. It is known as magnetic traction in the theory of electrical machines. Since the magnetic tensile force increases with increasing displacement of the rotor, it can be viewed as a spring force with negative rigidity.
  • the control field with the number of pole pairs 2 weakens the drive field with the number of pole pairs 1 in certain areas and reinforces it on the opposite side.
  • the Maxwell shear force is generated by this asymmetry. It always shows here in the direction of the considered in the p 2 plane control flux vector ⁇ 2, relative to the observed in the p j plane drive flux vector ⁇ j.
  • both the drive flow vector and the control flow vector point geometrically and electrically in the 1 direction, which means that the Maxwell lateral force also points in the 1 direction.
  • the drive flow vector again shows in the 1 direction.
  • the control flow vector now points geometrically 45 ° upwards and electrically, in the 2-pole pair plane, thus in the 2-direction, with which the Maxwell shear force also points in the 2-direction.
  • the lateral force can be adjusted in magnitude and direction using the control flow ⁇ 2 .
  • the control flux ⁇ 2 can be set via the magnetizing current in a p -pole-paired winding.
  • Single-phase asynchronous motor can generate such torque
  • Induction machine by two separate, only mechanically coupled machines, one of which has the number of pole pairs p j and the other has the number of pole pairs p.
  • the signal flow diagram of the induction machine according to the invention with combined torque and lateral force generation is shown in FIG. 6.
  • the lower half shows the idealized current model of a PI pole-pair squirrel-cage induction machine for torque formation, which is well known from the theory of the electrical machine. Because the rotor winding of the machine only allows a pj -paired stator current distribution, only the pj -paired drive stator current i Sj can have a torque-forming part.
  • the p-pole pair control stator current i S2 is a pure magnetizing current. A shear force is created in two different ways. As already described, the control flow generated by the control current causes a Maxwell lateral force.
  • the lateral force vector E depends in magnitude and direction on the control current vector i S2 , on the flow amount ⁇ j and on the flow angle ⁇ ⁇ .
  • the exact relationship is shown in the upper part of Figure 6.
  • An m 2- phase control current i ⁇ 2 is impressed into the control winding. This can always be described by phase conversion as a flat control current vector _s 2 ' P2 (represented by the vector components i ⁇ ' d 2 > * S 2q 2 ).
  • the fixed angle of rotation P Q 2 takes into account any rotation of the two winding systems (drive and control winding) with respect to one another and with respect to the geometric x-axis.
  • the Maxwell shear force components are F x and
  • the Maxwell shear force can be quite strong by comparison. Force densities of up to about 20 N / cm 2 can be achieved.
  • the Lorentz shear force is comparatively weak, so that it can be neglected in many cases.
  • the p ] pole pair winding serves as
  • FIG. 7 shows the winding diagram of a three-phase, two-pole single-layer winding for a stator with 36 slots. This is suitable, for example, as a drive winding.
  • Figure 8 shows the winding diagram of a three-phase, four-pole single-layer winding for the same stator. It is suitable, for example, in
  • the embodiment is characterized in that the winding strands are short-circuited directly on the rotor.
  • slip rings can be dispensed with.
  • FIG. 9 A possible winding diagram of a two-pole, three-phase rotor winding for a rotor with 24 slots is shown in FIG. 9.
  • the number of phases of the stator and the rotor windings can be chosen arbitrarily per se. It is thus conceivable not only to design the drive winding, control winding and rotor winding of the induction machine according to the invention all with the same, arbitrarily selectable number of phases, but also to provide the individual windings with different numbers of phases. In addition to the execution of all windings as three-phase windings, preferred examples are:
  • the easiest way to make the rotor winding is as a trickle winding made of enamelled copper wire.
  • roller with integrated "lateral force motor” When the roller is resiliently supported in one or more directions or when the roller is freely movable, also in one or more directions, the contact pressure, the transverse speed and the position of the roller
  • Roller can be controlled or regulated within the air gap via the control winding.
  • controllable transverse force acting on the rotor can now be used, for example, to control the pressing force of the roller against a second roller or the tension of a conveyor belt driven by the roller. Is a very precise setting on the
  • the transverse force acting on the rotor may make sense not to control it, but to regulate it.
  • the lateral force is measured in one or two directions using force sensors
  • the lateral force is to be controlled in one direction, the easiest way to measure it is in the same direction in which it is controlled.
  • the magnetic tension that occurs in the induction machine when the rotor is displaced and acts in the direction of the displacement can be described as a spring force with negative rigidity. If the rotor is now spring-mounted, the stiffness of the bearing being greater than the negative stiffness due to the magnetic pull, the rotor position can be set via the controllable transverse force. With a good knowledge of the system, this can be controlled very precisely. Is a high one
  • Position sensors or be determined by an observer.
  • Such a bearingless motor basically has the same properties as the conventionally active magnetically mounted drive. These result from the contactlessness of the storage and the possibility of intervention by the control.
  • the magnetic bearing is free of wear, maintenance and lubricants.
  • the maximum permissible speed is only limited by the centrifugal force on the rotor.
  • the bearing characteristics i.e. the stiffness and damping, can be set during operation and adapted to changing conditions.
  • a compensation of unbalance forces is just as conceivable as the active damping of bending vibrations of the rotor.
  • an integral part of the controller an infinitely high degree of rigidity can be achieved.
  • the position as well as the angle of inclination of the rotor can be adjusted and changed during operation within the limits of the air gap.
  • the induction machine according to the invention opens up further possibilities. Since the magnetic shear forces act distributed over the entire rotor, an efficient means of influencing the rotor dynamics is available.
  • conventionally mounted machines ball bearings, air bearings, magnetic bearings, hydrostatic and hydrodynamic bearings
  • FIG. 1 Such a machine is shown schematically in FIG.
  • FIG. 14 Deflection of the rotor. The latter application is shown schematically in FIG. 14.
  • the rotor can be controlled or regulated as desired.
  • Figure 15 shows in principle such an arrangement for the design of the inner rotor and Figure 16 for the outer rotor.
  • a shaft can be driven via the sub-machines, as well as in its transverse position or in its
  • Contact pressure can be adjusted.
  • your deflection or the Distribution of the contact pressure over the entire length of the shaft can be influenced.
  • interesting applications open up above all to the external rotor design in the area of film or paper production or also in printing technology.
  • a third possibility, as shown in FIG. 17, is to design the stator and rotor with transverse grooves (depressions in the stator and rotor laminated core that run across the entire circumference transverse to the axial direction). In the stable equilibrium position, the grooves and the zones in between coincide in the stator and rotor. The magnetic resistance (reluctance) in the magnetic circuit of the machine is minimal in this position. If the rotor is moved in the axial direction with respect to the stator due to a disturbing force, the overlap area of the zones between the grooves of the rotor and the stator is reduced, as a result of which the magnetic resistance (reluctance) in the magnetic circuit of the machine is increased.
  • a magnetic tensile force is used. generates a so-called reluctance force, which is directed against the interference force in the direction of the original rotor position and thus stabilizes the axial position of the rotor.
  • ⁇ S lq Cross component of the drive current vector shown in the pj level is2 Control current vector shown in the p 2 level i jj 2 d Direct component of the control current vector shown in the p 2 level ig ⁇ p Cross component of the control current vector shown in the p 2 plane shown l length of the rotor
  • Example: ls 2 denotes the control current vector in stator coordinates, shown in the pj plane
  • Example: i «5 2 denotes the control current vector in a coordinate system encircling the angle p P2 , shown in the p j plane
  • Example: i S2 ' P2 denotes the setpoint of the control current vector in

Abstract

Es wird eine Induktionsmaschine mit Spezialwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmoments und einer Querkraft in derselben angegeben. Dabei wird über den Strom einer Steuerwicklung des Ständers die auf den Rotor derselben wirkende Querkraft in Betrag und Richtung gesteuert. Die Erfindung geht aus von einer Idee von P.K. Hermann. Er beschreibt ein aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb, dessen Radiallagerung auf der magnetischen Zugkraft beruht. Durch Überlagerung des normalerweise in der Maschine vorhandenen p-polpaarigen Antriebsdrehfelds mit einem p±1-polpaarigen Steuerdrehfeld, lässt sich die Zugkraft in Betrag und Richtung steuern. Wie das Magnetlager mit Drehantrieb von Hermann basiert die erfindungsgemässe Induktionsmaschine auf einem Ständer mit einer p-polpaarigen Antriebswicklung und einer p±1-polpaarigen Steuerwicklung. Kern der Erfindung ist es nun, dass durch eine geeignete Rotorwicklung verhindert wird, dass sich auf dem Rotor eine p±1-polpaarige Stromverteilung ausbilden kann. Damit ist sichergestellt, dass der gesamte Strom der Steuerwicklung direkt zur Querkraftbildung nutzbar wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik findet keine Drehmomentrückwirkung und keine damit verbundene starke Erwärmung des Läufers statt. Durch die Erfindung wird die Querkraft sehr einfach steuerbar. Die gewünschte, ausschliesslich p-polpaarige Rotorstromverteilung wird dadurch erreicht, dass der Rotor eine ausgeprägte p-polpaarige, möglichst sinusförmig verteilte Wicklung erhält, die kurzgeschlossen wird.

Description

Induktionsmaschine mit Spezialwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmoments und einer Querkraft in derselben
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Antriebs- und Regelungstechnik.
Sie geht aus von einer Induktionsmaschine mit Spezialwicklung nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs, zur kombinierten Erzeugung eines Drehmoments und einer auf den Rotor wirkenden Querkraft. Im weiteren betrifft sie verschiedene Ausfiihrungsformen und Anwendungsbeispiele der erflndungsgemässen Induktionsmaschine.
Die Voraussetzungen, unter welchen in elektrischen Maschine einseitige magnetische Züge auftreten, sind schon zu Beginn dieses Jahrhunderts untersucht worden. Sie werden zum Bei¬ spiel im dreibändigen Grundlagenwerk von H. Sequenz "Die Wicklungen elektrischer Maschinen", Springer Verlag Wien, 1950 wie auch im Lehrbuch von Th. Bödefeld und H. Sequenz, sechste Auflage, Springer- Verlag Wien, 1962 beschrieben. Nach Sequenz treten einseitige magnetische Zugkräfte nur dann auf, wenn das resultierende Durchflutungsvieleck zentrisch unsymmetrisch ist und sich erst nach dem durchlaufen des ganzen Ankerumfangs schliesst. Die über den gesamten Umfang verteilten radialen Maxwellkräfte heben sich dann in ihrer vektoriellen Summe nicht auf. so dass eine Zugkraft resultiert. Im Grundlagenwerk von H. Sequenz sind zwei Fälle beschrieben, welche eine zentrische Unsymmetrie des Durchflutungsvielecks bewirken: - wenn die Ständer- oder Läuferdrehfelder Oberwellen enthalten, deren Pol¬ paardifferenzen untereinander oder zur Grundwelle gleich eins sind
- wenn in polumschaltbaren Drehfeldmachinen zwei Wicklungen betrieben werden, deren Polpaardifferenz gleich eins ist.
Lange Zeit wurden einseitige magnetische Züge von Elektromaschinenbauem ausschliesslich als unerwünschte Störkräfte betrachtet und durch geeignete Massnahmen bekämpft. Erstmals hat P. K. Hermann versucht, die in einer elektrischen Maschine wirkenden einseitigen magnetischen Züge zu nutzen. In den deutschen Patentmeldungen
DE-OS 24 57 084.1-32 DE-OS 24 06 790.1-32
beschreibt er ein radiales aktives magnetisches Lager, das auf einseitigen magnetischen Zug¬ kräften basiert. Er beschreibt ein aktives magnetisches Lager mit Drehantrieb bestehend aus einem oder mehreren Ständern und einem Rotor mit einem von Sensoren überwachten Luftspalt, wobei dem von der Ständerwicklung durch Speisung mit Drehstrom erzeugten Antriebsdrehfeld ein über die Sensoren moduliertes Steuerdrehfeld überlagert ist. Bei p- polpaarigem Antriebsdrehfeld ist dieses p ± 1 -polpaarig. Nach Hermann wird das p-polpaarige Antriebsdrehfeld von einer p-polpaarigen Ständerwicklung und das p ± 1 -polpaarige Steuerdrehfeld über eine p ± 1 -polpaarige Ständerwicklung erzeugt. Auf die Ausgestaltung des Rotors geht Hermann nicht ein. Seine Idee, die p-polpaarige Antriebs-Ständerwicklung und die p ± 1 -polpaarige Steuer-Ständerwicklung beim Hochlauf der Maschine umzuschalten, lässt jedoch darauf schliessen, dass er von einem Käfigläufer ausgeht. Falls sich aufgrund des p ± 1 -polpaarigen Steuerdrehfeldes auf dem Rotor eine p ± 1 -polpaarige Stromverteilung ausbilden kann, bewirkt das Steuerdrehfeld nicht nur eine auf den Rotor wirkende Querkraft sondern ebenfalls ein Drehmoment, welches sich dem Antriebsdrehmoment überlagert. Die zusätzliche Drehmomentbildung kommt bei einem grossen Schlupf zustande und ist daher mit einer starken Wärmeentwicklung im Rotor verbunden. Ein noch schwerwiegenderer Nachteil als diese Drehmomentrückwirkung ist die daraus folgende Aufteilung des Steuerstroms in einen flussbildenden (querkraftbildenden) Anteil und einen Drehmomentbildenden Anteil. Die Aufteilung hängt vom Betriebszustand der Maschine ab. Eine exakte Steuerung der Querkraft wird damit extrem aufwendig. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Induktionsmaschine zur kombinierten Erzeugung eines Drehmoments und einer auf den Rotor wirkenden Querkraft zu beschreiben, bei welcher die o.g. Nachteile des Standes der Technik vermieden werden sollen. Insbesondere sollen Rückwirkungen von der Drehmomentbildung auf die Querkraftbildung und umgekehrt möglichst vermieden werden. Die in der Maschine wirkende Querkraft soll direkt über die Ströme der Steuerwicklung einstellbar sein und nicht von der Drehzahl oder vom Drehmoment der Maschine abhängen.
Diese Aufgabe wird bei einer Induktionsmaschine der eingangs genannten Art durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.
Wie beim Stand der Technik basiert die erfindungsgemässe Induktionsmaschine auf einem Ständer mit einer pi -polpaarigen Antriebswicklung und einer (p2 = Pj ± 1) -polpaarigen Steuerwicklung. Kern der Erfindung ist es nun, dass durch eine geeignete Rotorwicklung verhindert wird, dass sich auf dem Rotor eine P2-polpaarige Stromverteilung ausbilden kann. Damit ist sichergestellt, dass der gesamte Strom der Steuerwicklung direkt zur Querkraftbildung nutzbar wird. Die gewünschte, ausschliesslich pj -polpaarige Rotorstromverteilung wird dadurch erreicht, dass der Rotor eine ausgeprägte pj -polpaarige, möglichst sinusförmig verteilte Wicklung erhält, die kurzgeschlossen wird.
Ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass der Ständer der erfindungsgemässen Induktionsmaschine analog einem polumschaltbaren Käfigläufer- Induktionsmotor mit zwei galvanisch getrennten, sinusförmig verteilten Dreiphasenwicklungen mit den Polpaarzahlen pj und p2 = Pi ± 1 versehen wird. Beispiele für die Ausführung solcher Wicklungen sind im dreibändigen Grtmdlagenwerk von H. Sequenz "Die Wicklungen elektrischer Maschinen", Springer Verlag Wien, 1950 beschrieben. Die pj- polpaarige Wicklung dient dabei als Antriebswicklung (Wicklung zur Erzeugung des Antriebsflusses und des Antriebsstrombelags) und die (p2 = Pj ± l)-polpaarige Wicklung als Steuerwicklung (Wicklung zur Erzeugung des Steuerflusses und des Steuerstrombelags). Der Rotor der erfindungsgemässen Induktionsmaschine wird nun analog dem Rotor einer dreiphasigen pj -polpaarigen Schleifringläufer-Induktionsmaschine mit einer ausgeprägten p_- polpaarigen, sinusförmig verteilten Dreiphasenwicklung versehen. Beispiele für die Ausführung solcher Wicklungen sind ebenfalls im dreibändigen Grundlagenwerk von H. Sequenz "Die Wicklungen elektrischer Maschinen", Springer Verlag Wien, 1950 beschrieben. Es ist durchaus denkbar, die erfindungsgemässe Induktionsmaschine mit einem Schleifringläufer und externen Widerständen zu betreiben. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass die Wicklungsstränge direkt auf dem Rotor kurzgeschlossen werden. Auf Schleifringe kann in diesem Fall verzichtet werden.
- 3 - SUBST-TUTE SHEET (RULE 26) Weitere Ausfuhrungsbeispiele für die erfindimgsmässige Induktionsmaschine ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Die Drehmomentbildung in einer 2-poligen Asynchronmaschine durch tangential am Rotor angreifende Lorentz-Kräftepaare.
Fig. 2 Die radial am Rotor angreifenden Maxwell-Kräfte heben sich aufgrund der symmetrischen Flussverteilung in der Maschine in ihrer Summe auf.
Fig. 3 Durch Überlagerung eines magnetischen Antriebsfeldes mit der Polpaarzahl pj mit einem Steuerfeld der Polpaarzahl p2 = pj ± 1 kann in einer Drehfeldmaschine eine auf den Rotor wirkende Maxwell-Querkraft erzeugt werden, die je nach der gegenseitigen Lage der Felder in eine beliebige Richtung zeigen kann . Dieser Sachverhalt ist hier qualitativ für den Fall pj = 1 und p2 = 2 dargestellt.
Fig. 4 Durch Überlagerung eines magnetischen Magnetfeldes mit der Polpaarzahl pj mit einer Stromverteilung der Polpaarzahl p2 = pj ± 1 kann in einer Drehfeldmaschine ebenfalls eine auf den Rotor wirkende Lorentz-Querkraft erzeugt werden. Dieser Sachverhalt ist hier qualitativ für den Fall pj = 1 und p2 = 2 dargestellt.
Fig. 5 Im stationären Fall, das heisst bei einer gegebenen Drehzahl und bei einer gegebenen Querkraft kann das Drehmoment der gesamten Maschine für jeden Betriebspunkt durch Addition der Drehmomente der Einzelmaschinen bestimmt werden.
Fig. 6 Der Signalflussplan der erfindungsgemässen Induktionsmaschine mit kombinierter Drehmoment- und Querkraft-Erzeugung.
Fig. 7 Das Wickelschema einer dreiphasigen, zweipoligen Einschichtwicklung für einen Ständer mit 36 Nuten. Diese eignet sich beispielsweise als Antriebswicklung. Fig. 8 Das Wickelschema einer dreiphasigen, vierpoligen Einschichtwicklung für denselben Ständer. Sie eignet sich beispielsweise in Kombination mit der in Figur 7 gezeigten Antriebswicklung als Steuerwicklung.
Fig. 9 Ein mögliches Wickelschema einer zweipoligen, dreiphasige Rotorwicklung für einen Rotor mit 24 Nuten, der in Kombination mit der Antriebswicklung in Figur 7 und der Steuerwicklung in Figur 8 eingesetzt werden kann.
Fig. 10 Walze mit einer integrierten erfindungsgemässen "Querkraft-Induktionsmaschine" in der Form eines Aussenläufers.
Fig. 11 "Lagerlose Induktionsmaschine", bestehend aus zwei Teilmaschinen, bei der sowohl die Drehmomentbildung als auch die radiale aktive magnetische Lagerung des Rotors durch die Teilmaschinen erfolgt.
Fig. 12 "Lagerlose Induktionsmaschine", bestehend aus zwei Teilmaschinen, deren Rotor konisch geformt ist und bei der sowohl die Drehmomentbildung als auch die radiale und axiale aktive magnetische Lagerung des Rotors durch die Teilmaschinen erfolgt.
Fig. 13 Konventionell gelagerte Induktionsmaschine, in der mit Hilfe einer Steuerwicklung Querkräfte auf den Rotor ausgeübt werden können.
Fig. 14 Schematische Darstellung der Beeinflussungsmöglichkeit der Rotordurchbiegung in einer Induktionsmaschine, in der zusätzlich zum Drehmoment eine Querkraft aufgebracht werden kann.
Fig. 15 Kombination eines oder mehrerer Rotoren und mehrerer Statoren für die Bauform des Innenläufers.
Fig. 16 Kombination eines oder mehrerer Rotoren und mehrerer Statoren für die Bauform des Aussenläufers.
Fig. 17 Eine „lagerlose Induktionsmaschine", bestehend aus zwei Teilmachinen, deren Ständer- und Rotorblechpakete mit Querrillen versehen sind, so dass neben der aktiven radialen magnetischen Lagerung des Rotors eine passive axiale magnetische Lagerung erreichbar ist. Es sind zwei verschiedene magnetische Kraftwirkungen bekannt: die Lorentz-Kraft und die Maxwell-Kraft. Mit Lorentz-Kraft wird die Kraftwirkung auf einen stromführenden Leiter im Magnetfeld bezeichnet. Auf ihr basiert die Drehmomentbildung in der Drehfeldmaschine. Diese wird in Figur 1 für den einfachsten Fall einer zweipoligen Maschine mit sinusförmiger Strom- und Flussverteilung qualitativ dargestellt. Die tangential auf den Rotor wirkenden Lorentz-Kräfte bilden Kräftepaare, die ein Drehmoment bewirken. In der Maschine sind aber auch Maxwell-Kräfte vorhanden, das heisst Kräfte, die in einem magnetischen Kreis an den Grenzflächen von Stoffen unterschiedlicher Permeabilität auftreten. Sie greifen senkrecht am Rotor an und heben sich, aufgrund der symmetrischen Flussverteilung, in ihrer Summe auf. Für den Fall einer Maschine mit der Polpaarzahl 1 ist dieser Sachverhalt in Figur 2 qualitativ dargestellt. Erst eine Verlagerung des Rotors aus dem Zentrum der Maschine bewirkt aufgrund der daraus folgenden asymmetrischen Flussverteilung eine Querkraft, die in die Richtung der Verlagerung zeigt. Sie ist unter der Bezeichnung magnetische Zugkraft in der Theorie der Elektrischen Maschinen bekannt. Da die magnetische Zugkraft mit zunehmender Verlagerung des Rotors stärker wird, kann sie als Federkraft mit negativer Steifigkeit betrachtet werden.
Die für das Auftreten einer magnetischen Zugkraft notwendige asymmetrischen Flussverteilung kann ebenfalls durch die Überlagerung einer Steuerflussverteilung mit der Polpaarzahl p2 = pj± l über die Antriebsflussverteilung mit der Polpaarzahl pj erreicht werden. Die Wirkungsweise dieser Maxwell-Querkraftbildung ist für den Fall pj = 1 und p = 2 in Figur 3 graphisch dargestellt. Das Steuerfeld mit der Polpaarzahl 2 schwächt das Antriebsfeld mit der Polpaarzahl 1 in gewissen Bereichen und verstärkt es auf der Gegenseite. Durch diese Unsymmetrie wird die Maxwell-Querkraft erzeugt. Sie zeigt hier immer in die Richtung des in der p2-Ebene betrachteten Steuerflussvektors Φ2 , relativ zum in der pj -Ebene betrachteten Antriebsflussvektor Φj . Oben zeigen sowohl Antriebsflussvektor als auch Steuerflussvektor geometrisch wie elektrisch in 1 -Richtung, womit auch die Maxwell- Querkraft in 1 -Richtung zeigt. Unten zeigt der Antriebsflussvektor wiederum in 1 -Richtung. Der Steuerflussvektor zeigt nun aber geometrisch 45° nach oben, und elektrisch, in der 2- polpaarigen Ebene, somit in 2-Richtung, womit auch die Maxwell-Querkraft in 2-Richtung zeigt. Bei einem gegebenen Antriebsfluss Φj kann die Querkraft in Betrag und Richtung über den Steuerfluss Φ2 eingestellt werden. Der Steuerfluss Φ2lässt sich über den Magnetisierungsstrom in einer p -polpaarigen Wicklung einstellen. Dabei treten die folgenden Schwierigkeiten auf:
• Durch Wechselwirkung des pj -polpaarig verteilten Antriebsflusses mit dem p -polpaarig verteilten Steuerstrom (Strom in der pj -polpaarigen Steuerwicklung) und durch Wechselwirkung des p -polpaarig verteilten Steuerflusses mit dem p2 -polpaarig verteilten Antriebsstrom (Strom in der p2 -polpaarigen Antriebswicklung) entstehen ebenfalls
Lorentz-Querkräfte. Dieser Sachverhalt ist in Figur 4 qualitativ für den Fall pj = 1 und p2
= 2 dargestellt. Die Stromverteilung mit der Polpaarzahl 2 bewirkt im Magnetfeld mit der
Polpaarzahl 1 radial am Rotor angreifende Lorentz-Kräfte, die in ihrer Summe eine
Lorentz-Querkraft ergeben. Sie zeigt hier immer in die Richtung des in der p2-Ebene betrachteten Stromvektors I, relativ zum in der pj -Ebene betrachteten Flussvektor Φ. Oben zeigen sowohl Flussvektor Φ als auch Stromvektor geometrisch wie elektrisch in 1-
Richtung, womit auch die Lorentz-Querkraft in 1 -Richtung zeigt. Unten zeigt der
Flussvektor wiederum in 1 -Richtung. Der Stromvektor zeigt nun aber geometrisch 45° nach oben, und elektrisch, in der 2-polpaarigen Ebene, somit in 2-Richtung, womit auch die Lorentz-Querkraft in 2-Richtung zeigt.
• Durch Wechselwirkung des p2 -polpaarig verteilten Steuerflusses mit dem p2 -polpaarig verteilten momentbildenden Anteil des Steuerstroms (Anteil des Steuerstroms der senkrecht auf dem Steuerfluss steht) entsteht ein zusätzliches Drehmoment, das sich dem aus Antriebsfluss und momentbildendem Antriebsstrom erzeugten Drehmoment überlagert.
Die zusätzliche Drehmomentbildung kommt bei einem grossen Schlupf zustande und ist daher mit einer starken Wärmeentwicklung im Rotor verbunden. Analog zum
Einphasenasynchronmotor kann die Drehmomentbildung einer solchen
Induktionsmaschine durch zwei getrennte, nur mechanisch gekoppelte Maschinen, von denen eine die Polpaarzahl pj und die andere die Polpaarzahl p hat, beschrieben werden.
Im stationären Fall, das heisst bei einer gegebenen Drehzahl und bei einer gegebenen
Querkraft kann das Drehmoment der gesamten Maschine für jeden Betriebspunkt durch
Addition der Drehmomente der Einzelmaschinen bestimmt werden. Welche
Drehmomentkennlinien etwa zu erwarten sind, ist in Figur 5 qualitativ für den Fall pj=l und P2=2 dargestellt. Zur genauen Bestimmung des resultierenden Drehmomentes muss die Drehmomentkennlinie für jeden Betriebspunkt neu berechnet werden.
Diese Probleme lassen sich dadurch lösen, dass konstruktiv in der Maschine sichergestellt wird, dass der Strom in der Steuerwicklung ein reiner Magnetisierungsstrom ist. Die Querkraft lässt sich dann direkt über den Steuerstrom nach der folgenden Gleichung in einem auf den Antriebsfluss orientierten Koordinatensystem steuern:
F "P1P2L2 .ψ ΪS2(F,p2) (I)
- 41rμQWjW2 * ~a
Erreicht wird dies durch eine geeignete Rotorwicklung die verhindert, dass sich auf dem Rotor eine p2-polpaarige Stromverteilung ausbildet. Damit ist sichergestellt, dass der gesamte Strom der Steuerwicklung ein reiner Magnetisierungsstrom ist und direkt zur Querkraftbildung nutzbar wird. Die gewünschte, ausschliesslich pj -polpaarige Rotorstromverteilung wird dadurch erreicht, dass der Rotor eine ausgeprägte pj -polpaarige, möglichst sinusförmig verteilte Wicklung erhält, die kurzgeschlossen wird. Als Lorentz- Querkraft entsteht dann nur ein Anteil, der proportional zum Steuerfluss und zum momentbildenden Anteil des Antriebsstroms ist. Dieser kann problemlos in der Steuerung der Querkraft berücksichtigt oder aufgrund seiner relativen Grosse auch vernachlässigt werden. Der Signalflussplan der erfindungsgemässen Induktionsmaschine mit kombinierter Drehmoment- und Querkraft-Erzeugung ist in Figur 6 dargestellt. Die untere Hälfte zeigt das idealisierte, aus der Theorie der elektrischen Maschine bestens bekannte Strommodell einer Pl -polpaarigen Kurzschlussläufer-Induktionsmaschine für die Drehmomentbildung. Weil die Läuferwicklung der Maschine nur eine pj -polpaarige Ständerstromverteilung erlaubt, kann nur der pj -polpaarige Antriebs-Ständerstrom iSj einen drehmomentbildenden Anteil haben. Der p-polpaarige Steuer-Ständerstrom iS2 ist ein reiner Magnetisierungsstrom. Eine Querkraft kommt auf zwei verschiedene Wirkungsweisen zustande. Der durch den Steuerstrom generierte Steuerfluss bewirkt wie bereits beschrieben eine Maxwell-Querkraft. Der Querkraftvektor E hängt nach obiger Gleichung in Betrag und Richtung vom Steuerstromvektor iS2, vom Flussbetrag Ψj und vom Flusswinkel γ^ ab. Der genaue Zusammenhang ist im oberen Teil von Figur 6 dargestellt. In die Steuerwicklung wird ein m2-phasiger Steuerstrom i§2 eingeprägt. Dieser kann durch Phasenumwandlung immer als ebener Steuerstromvektor _s2'P2 (dargestellt durch die Vektorkomponenten i^'d2 > *S2q 2 ) beschrieben werden. Durch eine Vektordrehung um den Winkel p P2 = Po + Ys vήτd dieser in ein mit dem Antriebsfluss umlaufendes Koordinatensystem (T) transformiert. Der feste Drehwinkel PQ 2 berücksichtigt eine allfallige Verdrehung der beiden Wicklungssysteme (Antriebs- und Steuerwicklung ) zu einander und gegenüber der geometrischen x-Achse. Nach Gleichung I sind die Maxwell-Querkraftkomponenten Fx und
Figure imgf000010_0001
Eine Lorentz-Querkraft kommt wie ebenfalls beschrieben, aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem momentbildenden Statorstromanteil isiά und dem Steuerfluss ψ^ 'P ' = 2 ' • L-2 zustande. Er bewirkt eine Verkopplung der Kraftkomponenten Fx und Fy . Die Maxwell-Querkraft kann vergleichsweise recht stark sein. Es lassen sich Kraftdichten von bis zu etwa 20 N/cm2 erreichen. Die Lorentz-Querkraft ist hingegen vergleichsweise schwach, so dass sie in vielen Fällen vernachlässigt werden kann.
Der Ständer der erfindungsgemässen Induktionsmaschine wird also analog einem polumschaltbaren Käfigläufer-Induktionsmotor mit zwei galvanisch getrennten, sinusförmig verteilten Wicklungen mit den Polpaarzahlen pj und p2 = pj ± 1 versehen wird. Beispiele für die Ausführung solcher Wicklungen sind in der Literatur in grosser Zahl beschrieben (zum
Beispiel im dreibändigen Grundlagenwerk von H. Sequenz "Die Wicklungen elektrischer
Maschinen", Springer Verlag Wien, 1950). Die p] -polpaarige Wicklung dient dabei als
Antriebswicklung (Wicklung zur Erzeugung des Antriebsflusses und des
Antriebsstrombelags) und die (p2 = pj ± 1) -polpaarige Wicklung als Steuerwicklung
(Wicklung zur Erzeugung des Steuerflusses und des Steuerstrombelags). Ein Beispiel für eine
Solche Wicklung wird in den Figuren 7 und 8 gezeigt. Figur 7 zeigt das Wickelschema einer dreiphasigen, zweipoligen Einschichtwicklung für einen Ständer mit 36 Nuten. Diese eignet sich beispielsweise als Antriebswicklung. Figur 8 zeigt das Wickelschema einer dreiphasigen, vierpoligen Einschichtwicklung für denselben Ständer. Sie eignet sich beispielsweise in
Kombination mit der in Figur 7 gezeigten Antriebswicklung als Steuerwicklung. Der Rotor der erfindungsgemässen Induktionsmaschine wird nun analog dem Rotor einer dreiphasigen
P] -polpaarigen Schleifringläufer-Induktionsmaschine mit einer ausgeprägten pj -polpaarigen, sinusförmig verteilten Wicklung versehen. Beispiele für die Ausführung solcher Wicklungen sind ebenfalls in grosser Zahl in der Literatur beschrieben (zum Beispiel im dreibändigen
Grundlagenwerk von H. Sequenz "Die Wicklungen elektrischer Maschinen", Springer Verlag
Wien, 1950). Es ist durchaus denkbar, die erfindungsgemässe Induktionsmaschine mit einem
Schleifringläufer und externen Widerständen zu betreiben. Ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass die Wicklungsstränge direkt auf dem Rotor kurzgeschlossen werden. Auf Schleifringe kann in diesem Fall verzichtet werden.
Ein mögliches Wickelschema einer zweipolige, dreiphasige Rotorwicklung für einen Rotor mit 24 Nuten wird in Figur 9 gezeigt.
Die Phasenzahlen der Ständer- und der Rotorwicklungen können an und für sich beliebig gewählt werden. So ist es denkbar, Antriebswicklung, Steuerwicklung und Rotorwicklung der erfindungsgemässen Induktionsmaschine nicht nur alle mit der selben, beliebig wählbaren Phasenzahl auszuführen sondern auch die einzelnen Wicklungen mit unterschiedlichen Phasenzahlen zu versehen. Bevorzugte Beispiele sind dabei neben der Ausführung aller Wicklungen als Dreiphasenwicklungen:
• die Ausführung aller Wicklungen als Zweiphasenwicklung
• die Ausführung der Steuerwicklung als Zweiphasenwicklung und der übrigen Wicklungen als Dreiphasenwicklungen
• die Ausführung der Rotorwicklung als Zweiphasenwicklung und der übrigen Wicklungen als Dreiphasenwicklungen
• die Ausführung der Rotorwicklung und der Steuerwicklung als Zweiphasenwicklungen und der Antriebswicklung als Dreiphasenwicklung. Die Rotorwicklung wird am einfachsten als Träufelwicklung aus Kupferlackdraht hergestellt. Aus Gründen der Festigkeit, wenn die Maschine beispielsweise mit hohen Drehzahlen betrieben werden soll, kann es sinnvoll sein, die Rotorwicklung nur mit einem Stab pro Nut auszuführen. Die Rotorwicklung gleicht dann weitgehend einer Käfigläuferwicklung, mit dem Unterschied, dass die einzelnen Stäbe nicht über Kurzschlussringe kurzgeschlossen, sondern zu einer diskreten Wicklung mit der Polpaarzahl p = pj ± 1 verschaltet werden.
Die Anwendungsmöglichkeiten der Induktionsmaschine mit kombinierter Drehmoment und
Querkrafterzeugung sind sehr vielfaltig. Interessante Anwendungen ergeben sich vor allem auch für die Ausführungform der Aussenläufermaschine. Eine solche Aussenläufermaschine lässt sich beispielsweise in eine Walze integrieren. Figur 10 zeigt das Beisspiel einer solchen
Walze mit integriertem "Querkraftmotor". Bei federnder Lagerung der Walze in einer oder in mehreren Richtungen oder bei freier Beweglichkeit der Walze, ebenfalls in einer oder in mehreren Richtungen, kann die Anpresskraft, die Quergeschwindigkeit und die Lage der
Walze innerhalb des Luftspalts über die Steuerwicklung gesteuert oder geregelt werden.
Mechanische Anschläge begrenzen die Auslenkung des Rotors auf etwas weniger als den
Luftspalt. Durch die steuerbare, auf den Rotor wirkende Querkraft kann nun beispielsweise die Anpresskraft der Walze an eine zweite Walze oder die Spannung eines über die Walze angetriebenen Förderbandes gesteuert werden. Ist eine sehr genaue Einstellung der auf den
Rotor wirkenden Querkraft gefordert, so kann es sinnvoll sein, diese nicht zu steuern, sondern zu regeln. Dazu wird die Querkraft in einer oder in zwei Richtungen mittels Kraftsensoren
(Beispielsweise mit an einem Biegebalken oder in einer Kraftmessdose montierten
Dehnmessstreifen oder mit piezoelektrischen Sensoren) gemessen. Soll die Querkraft nur in einer Richtung geregelt werden, so wird diese am einfachsten in derselben Richtung gemessen, in der sie geregelt wird. Der magnetische Zug der in der Induktionsmaschine bei einer Verlagerung des Rotors zustande kommt und in die Richtung der Verlagerung wirkt, kann als Federkraft mit negativer Steifigkeit beschrieben werden. Wird nun der Rotor federnd gelagert, wobei die Steifigkeit der Lagerung grosser als die negative Steifigkeit aufgrund des magnetischen Zugs ist, so kann über die Steuerbare Querkraft die Rotorlage eingestellt werden. Diese lässt sich bei guter Kenntnis des Systems recht genau steuern. Ist eine hohe
Genauigkeit gefordert, so kann sie geregelt werden. Dazu muss allerdings die Rotorlage durch
Lagesensoren oder über einen Beobachter bestimmt werden.
Mit Hilfe der Regelung ist es auch möglich die natürlicherweise vorhandene negative Federsteifigkeit aufgrund des magnetischen Zugs auszuregeln. So kann der Rotor mit Hilfe der geregelten Querkraft frei schwebend aufgehängt werden. Als Anwendungsbeispiel ist die Realisierung eines Radialmagnetlagers in der Induktionsmaschine denkbar. Zwei solche Induktionsmaschinen mit Lageregelung können zu einer "lagerlosen Maschine" kombiniert
- 10 - SUßSTITUTE SHEET (RULE 26) werden, das heisst zu einer Maschine bei der über die Antriebswicklungen ein Drehmoment und über die beiden Steuerwicklungen magnetische Radiallagerkräfte erzeugt werden. Die axiale Position des Rotors kann über ein zusätzliches Axialmagnetlager oder über eine koni¬ sche Formgebung des Rotors stabilisiert werden. Der prinzipielle Aufbau einer solchen "lagerlosen" Induktionsmaschine ist in Figur 11 für das Beispiel des Innenläufers abgebildet. Natürlich lässt sich auf die selbe Weise auch ein Aussenläufer freischwebend lagern. Werden die beiden Teilmaschinen wie in Figur 12 gezeichnet mit konischen Rotoren ausgerüstet, so kann über die Antriebsflussverteilung zwischen den beiden Teilmaschinen ebenfalls die Axiallage bestimmt werden. Aufgrund der selben Lagerkraftwirkung besitzt ein solcher lagerlose Motor prinzipiell die gleichen Eigenschaften wie der konventionell aktiv magnetisch gelagerte Antrieb. Diese ergeben sich aus der Berührungsfreiheit der Lagerung und der Möglichkeit zu Stelleingriffen über die Regelung. So ist die magnetische Lagerung verschleiss-, wartungs-, und schmiermittelfrei. Die maximal zulässige Drehzahl wird nur durch die Fliehkraftbeanspruchung des Rotors begrenzt. Über die Regelung kann die Lagercharakteristik, das heisst die Steifigkeit und die Dämpfung, während des Betriebs eingestellt und an sich ändernde Bedingungen angepasst werden. Eine Kompensation von Unwuchtkräften ist ebenso denkbar wie die aktive Dämpfung von Biegeschwingungen des Rotors. Mit einem Integralanteil des Reglers lässt sich stationär eine unendlich grosse Steifigkeit erreichen. Innerhalb der Grenzen des Luftspalts kann die Position wie auch der Neigungswinkel des Rotors während des Betriebs eingestellt und verändert werden.
Die erfindungsgemässe Induktionsmaschine eröffnet aber noch weitere Möglichkeiten. Da die magnetischen Querkräfte über den ganzen Rotor verteilt angreifen, steht ein effizientes Mittel zur Beeinflussung der Rotordynamik zur Verfügung. Ganz neue Perspektiven eröffnen sich in der Kombination konventionell gelagerter Maschinen (Kugellager, Luftlager, Magnetlager, hydrostatische und hydrodynamische Lager). Eine solche Maschine ist schematisch in Figur
13 für den Fall des Innenläufers dargestellt. Durch die Möglichkeit, auf den Rotor wirkende
Querkräfte mit beliebiger Richtung und Amplitude dynamisch einstellen zu können, ergeben sich neue Lösungsansätze zur Dämpfung von Rotorschwingungen, zur Beeinflussung der
Lagercharakteristik, zur Entlastung der konventionellen Lager oder zur Beeinflussung der
Durchbiegung des Rotors. Letztere Anwendung wird schematisch in Figur 14 gezeigt.
Natürlich lassen sich all diese Anwendungen ebenfalls mit Aussenläufern realisieren. Durch
Kombination eines oder mehrerer Rotoren und mehrerer Statoren kann die Durchbiegung des
Rotors im Prinzip beliebig gesteuert oder geregelt werden. Figur 15 zeigt prinzipiell eine solche Anordnung für die Bauform des Innenläufers und Figur 16 für den Aussenläufer.
Über die Teilmaschinen kann so eine Welle angetrieben sowie in ihrer Querlage oder in ihrer
Anpresskraft verstellt werden. Zusätzlich kann nun noch ihre Durchbiegung oder die Verteilung der Anpresskraft über die ganze Länge der Welle beeinflusst werden. Interessante Anwendungen eröffnen sich vor allem der Aussenläuferbauform im Bereich der Folien- oder Papierherstellung oder auch in der Drucktechnik.
In der Figur 11 einerseits -durch den Einsatz eines Axialmagnetlagers- und der Figur 12 andererseits -durch konische Ausgestaltung der entsprechenden Rotoren- sind zwei Möglichkeiten der berührungsfreien axialen Stabilisierung des Rotors gezeigt.
Eine dritte Möglichkeit besteht -wie Figur 17 zeigt- in der Ausbildung von Ständer und Rotor mit Querrillen (Vertiefungen im Ständer- und Rotorblechpaket, die quer zur Axialrichtung über den ganzen Umfang verlaufen). In der stabilen Gleichgewichtslage decken sich dabei die Rillen und die Zonen dazwischen in Ständer und Rotor. Der magnetische Widerstand (die Reluktanz) im Magnetkreis der Maschine ist in dieser Position minimal. Wird nun der Rotor gegenüber dem Stator aufgrund einer Störkraft in axialer Richtung verschoben, so verkleinert sich der Ueberlappungsbereich der Zonen zwischen den Rillen von Rotor und Ständer, wodurch der magnetische Widerstand (die Reluktanz) im Magnetkreis der Maschine vergrössert wird. Um der Reluktanzerhöhung entgegenzuwirken (um die Energie im Magnetkreis minimal zu halten), wird eine magnetische Zugkraft. erzeugt, eine sogenannte Reluktanzkraft, die entgegen der Störkraft, in Richtung der ursprünglichen Rotorposition gerichtet ist und somit die axiale Position des Rotors stabilisiert.
Bezugszeichenliste
1 Antriebswicklungsgrösse (Indizes)
2 Steuerwicklungsgrösse (Indizes) d Direkt-Komponente (dq-Darstellung)
E Querkraftvektor
Fx x-Komponente des Querkraftvektors
Fy y-Komponente des Querkraftvektors
(F) Antriebsflussorientiertes Koordinatensystem
Beispiel: i :<sFl.'P, ' ) bezeichnet die Quer-Komponente des Antriebsstromvektors in Antriebsflusskoordinaten in der pi -Ebene dargestellt KL Lorentz-Nutzkraftraftkonstante: für Synchronmaschine KL = "^2 , für Asynchronmaschine KL = 0
KM Maxwell-Kraftkonstante: KM _ = ü_π$PrιP2_-_v_2 v, lww,22
Ks Lorentz-Störkraftkonstante Ks = 2^'
Kpx Kraftkonstante in x-Richtung
Kpy Kraftkonstante in y-Richtung
Ksx Störkraftkonstante in x-Richtung
K§y Störkraftkonstante in y-Richtung i S j Antriebsstromvektor in der p j -Ebene dargestellt
^Sld Direkt-Komponente des Antriebsstromvektors in der pj -Ebene dargestellt
^Slq Quer-Komponente des Antriebsstromvektors in der pj -Ebene dargestellt is2 Steuerstromvektor in der p2-Ebene dargestellt ijj2d Direkt-Komponente des Steuerstromvektors in der p2-Ebene dargestellt ig^p Quer-Komponente des Steuerstromvektors in der p2-Ebene dargestellt l Länge des Rotors
Lj Hauptinduktivität der Antriebswicklung
L2 Hauptinduktivität der Steuerwicklung m Phasenzahl, Strangzahl
M Drehmoment
Mj inneres Maschinendrehmoment
ML Lastdrehmoment p Polpaarzahl pj Polpaarzahl der Antriebswicklung p Polpaarzahl der Steuerwicklung
(p j ) Abbildungsebene mit der Poplaarzahl p j
(p2) Abbildungsebene mit der Poplaarzahl p2 q Quer-Komponente (dq-Darstellung)
R Rotor r Radius des Rotors
S Stator
(S) Statororientiertes Koordinatensystem
Beispiel: ls2 bezeichnet den Steuerstromvektor in Statorkoordinaten, in der pj -Ebene dargestellt
(T) mit dem Winkel p umlaufendes Koordinatensystem
Beispiel: i«52 bezeichnet den Steuerstromvektor in einem mit dem Winkel p P2 umlaufenden Koordinatensystem, in der pj -Ebene dargestellt
Wj Windungszahl der Antriebswicklung w2 Windungszahl der Steuerwicklung
X,Y Achsen des geometrischen Koorninatensystems (Indizes) x,y Auslenkung des Rotors in x,y-Richtung
* Sollgrössen, Steuergrössen
Beispiel: iS2 'P2 bezeichnet den Sollwert des Steuerstromvektors in
Statorkoordinaten, in der pj -Ebene dargestellt α0 Verdrehung der d- Achse der Antriebswicklung gegenüber der x- Achse des geometrischen Koordinatensystems <*! 2 Verdrehung der d- Achsen von Antriebs- und Steuerwicklung γm mechanischer Rotorwinkel γ s Argument des Antriebsflussvektors, in der p j -Ebene dargestellt μ0 magnetische Feldkonstannte im Vakuum π Kreiskonstannte
Ψj Betrag des Antriebsflusses
Ψ l Antriebsflussvektor in der pj -Ebene dargestellt p <.P2 Verdrehung des zur Berechnung des Steuerstromsollvektors verwendeten
Koordinatensystems (T) gegenüber dem Statorkoordinatensystem in der p2-Ebene gemessen Po Zeitinvarianter Anteil von p P2 ωm mechanische Drehfrequenz
(ÖR Rotor-Drehfrequenz (Schlupffrequenz)

Claims

PATENTANSPRUECHE
1. Induktionsmaschine mit Ständerwicklung zur kombinierten Erzeugung eines "
Drehmoments und einer Querkraft welche senkrecht auf den Rotor wirkt und in Betrag und Richtung beliebig eingestellt werden kann, wobei
a) die Ständerwicklung eine Antriebswicklung mit der Polpaarzahl pj und eine Steuerwicklung mit der Polpaarzahl p2 = Pj ± umfasst, b) die Steuerwicklung mit einem Steuerstrom ig unabhängig vom Antriebsstrom igj der Antriebswicklung gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine ausgeprägte pj -polpaarige, möglichst sinusförmig verteilte Wicklung erhält, die kurzgeschlossen oder mit Widerständen abgeschlossen wird.
2. Induktionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Maschine mit Innenläufer handelt.
3. Induktionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Maschine mit Aussenläufer handelt.
4. Induktionsmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor der Maschine gegenüber dem Stator um einen kleinen Weg in eine oder in mehreren Richtungen frei verschiebbar gelagert ist.
5. Induktionsmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor der Maschine federnd gelagert ist.
6. Induktionsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Ständer der erfindungsgemässen Teilmaschinen mit einem oder mehreren Rotoren kombinierbar sind.
Lagerlose Induktionsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Teilmaschinen erzeugbaren Querkräfte zur berührungsfreien magnetischen Lagerung des Rotors genutzt sind.
Lagerlose Induktionsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Ständer und Rotor der Teilmaschinen in axialer Richtung eine Vergrösserung der Reluktanzrückstellkraft bewirkende Querrillen aufweisen, wodurch ein passive axiale magnetische Lagerung erzielbar ist.
9. Welle mit integrierter Induktionsmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichne t, dass die Welle mit dem Rotor der Maschine identisch ist, dass die Lage der Welle an und/oder dass die Anpresskraft der Welle insgesamt oder an verschiedenen Orten und/oder dass die Durchbiegung der Welle über den Strom der Steuerwicklung steuerbar oder regelbar ist.
10. Induktionsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, dass über den Strom der Steuerwicklung auf den Rotor Kräfte ausgeübt werden, über welche Eigenschwingungen des Rotors passiv und/oder aktiv bedämpft, angeregt oder in irgend einer Weise beeinflusst werden.
11. Vorrichtung zur Regelung der Querkraft in einer Induktionsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Rotor wirkende Querkraft durch Kraftsensoren direkt messtech nisch erfasst oder über eine Einrichtung zur Parameteridentifikation wie einen Zustandsbeobachter aus anderen Messgrössen bestimmt wird, die so gewonnene Regelabweichung einem Regelgerät zugeführt wird das über den Strom der Steuerwicklung die Querkraft regelt.
12. Vorrichtung zur Regelung der Rotorlage einer Induktionsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Istwert der Rotorlage durch Distanzsensoren direkt messtechnisch erfasst oder über eine Einrichtung zur Parameteridentifikation wie einen Zustandsbeobachter aus anderen Messgrössen bestimmt und anschliessend mit einem Sollwert verglichen wird und die so gewonnene Regelabweichung einem Regelgerät zugeführt wird, das über den Strom der Steuerwicklung die Rotorlage regelt.
PCT/IB1995/000021 1994-01-19 1995-01-10 Induktionsmaschine mit spezialwicklung zur kombinierten erzeugung eines drehmoments und einer querkraft in derselben WO1995020260A1 (de)

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