Elektrische Maschine, elektronisch geregelt
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrische Maschine gemass dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und gemass dem unabhängigen Patentanspruch 15.
Aus dem Stand der Technik sind mechanische Variatoren, Elektromotoren mit Getriebe und Generatoren bekannt, welche alle mit einem feststehenden Stator ausgerüstet sind. Bereits 1930 war ein hochtouriger Schleifbock bekannt, der einen rotierenden Zwischenmotor besass. Weiter ist ein Kaskadenmotor bekannt, der praktisch das gleiche Prinzip des hochtourigen Schleifbocks übernommen hat. Diese bekannten Techniken besitzen keinen rotierenden Stator, welcher mit gleichem Lastansatz differential Drehmomente erzeugt und bei Maschinenstillstand das volle dynamische laststabile Drehmoment behält sowie durch Rotation des Stators auch im Stillstand auf keine Fremdkühlung angewiesen ist.
Neuerungen dieser Motoren sind:
- Transformation der Drehzahlen (Drehzahltreppen);
- Laufeigenschaften stufenloser Variatoren, direkt reversierend;
- dynamisches Stillstandsmoment;
- Fähigkeit, kinetische Energie zu speichern;
- Drehzahl- und Drehmoment des Einzelaggregates über Drehzahl des Primärteiles stellbar;
- Mechanische Teile nur mit halber Nenndrehzahl eines Einzelaggregates belastet;
- Eisenverluste lassen sich reduzieren;
- Funktion bisher mechanischer Getriebe, bzw. Variatoren im Motor bzw. Generator integriert; und
- Belastungshöhe der elektronischen Komponenten ist bezüglich der Endlast halbiert.
Ebenfalls sind aus dem Stand der Technik bekannt:
- hochtourige Bockschleifmaschinen, welche mit einem inneren und äusseren Hohlwellen-Motor ausgerüstet sind. Der Stator des äusseren Motors war im Maschinenständer montiert. Die Kurzschlusswicklung war auf eine innenliegende Hohlwelle montiert, welche ihrerseits mit dem Stator des inneren Motors ausgerüstet war. Das Rotorpaket des inneren Motors war auf die Schleifspindelwelle montiert. Solche Motoren in 2-poliger Ausführung liefen ohne drehzahlvariable Regulierung mit 6000 U/min.
ein Hauptspindelantrieb für eine Werkzeugmaschine. Diese in der CH 682 891 GAFNER offenbarte Elektrische Maschine enthält mindestens zwei gleichachsig hintereinander liegende Elektromotoren, die in Kaskade geschaltet sind. Dieser Motor ist durchaus vergleichbar mit vorbeschriebenem Motormodell, dessen
Statoren und Rotoren in gleicher Folge angeordnet sind, d.h. der äussere Stator treibt das äussere innenliegende Rotorpaket, welches fest verbunden ist mit dem Stator des inneren Motors und mit seinem Rotorpaket die Spindelwelle antreibt. Beim vorliegenden Patent GAFNER liegen die Motoren statt ineinandergeschoben entsprechend verbunden nebeneinander. Vom Prinzip her sind beide genannten Motoren identisch, auch der Motor von GAFNER erreicht 2-polig 6000 U/min. Die beiden in Kaskade geschalteten Motoren werden separat mit zwei parallel liegenden Frequenzumrichtern je einzeln ans Netz angeschlossen und Drehzahl-Drehmoment-variabel gesteuert .
Der Nachteil dieser bekannten Konstruktionen liegt darin, dass
1. bei elektronischer Schlupf- oder Frequenzansteuerung die Drehfelder erzeugenden beiden Statoren jeweils durch einen sekundären Rotor getrennt auseinander liegen. Dadurch wird die Kraftwirkung von zwei Drehfeldsystemen erzeugt, welche in Drehrichtung bei Asynchronmaschinen schlupfvariabel und bei Synchronmaschinen lastwinkelvariabel auseinander liegen. Die zwei Drehfelder haben nicht den gleichen Lastwinkelansatz und sind durch eine variable Drehzahldifferenz getrennt.
2. die permanent rotierenden Motorenteile sich nicht als grösstmöglich rotierende dynamische Schwungmassen ausbilden lassen, auf einen Motor bezogen besteht keine Schwungmassen- Symmetrie. Ein kleiner Rotordurchmesser ist mit einem grossen Statordurchmesser verbunden.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen drehzahlvariablen Antrieb zu bauen, der in tiefen wie hohen Drehzahlen ohne teure mechanische Getriebe auskommt, dessen Motor drehzahlvariabel angesteuert wird, der zusammenhängende Primärteil die volle Drehzahl bzw. Teildrehzahl behält während die zwei Sekundärteile zueinander mit relativer Drehzahldifferenz drehen beziehungsweise unbewegt sind. Solche Maschineneinheiten lassen sich axial zusammenbauen, so dass auf den einzelnen Motor oder Generator bezogen bei reduzierter Lagerbelastung pro Einheit sich um ein Vielfaches höhere motorische Drehzahlen erreichen lassen, beziehungsweise generatorisch um ein Vielfaches kleinere Drehzahlen einstellen. Ausser Asynchronmotoren lassen sich auch Synchronmotoren nach obigem Prinzip bauen. Synchronmotoren können beispielsweise mit verstärktem Erregungsfeld gebaut werden, so dass sich mit diesen Motoren feste Drehzahlstufen beliebig zu- und abschalten lassen, indem die Drehstromwicklung zu- und abgeschaltet wird und der Motor dank dem Gleichstromfeld blockiert stehen bleibt. Innerhalb eines Antriebverbundes lassen sich so vorausbestimmbar feste Drehzahlsprünge zu- und abschalten. Mit den genannten einfachen Antriebseinheiten lassen sich beispielsweise mit verschiedenen Drehzahl- und Leistungsstufen anspruchsvolle Antriebsabläufe einrichten. Bei Asynchronbetrieb lassen sich die Primärwicklungen einer Antriebseinheit für feste Drehzahl und Leistung parallel oder in Serie schalten. Ein weiterer Vorteil dieser motorischen Anordnung ist die Leerlaufansteuerung des frei drehbaren Primärteils, der auch bei stehenden
Sekundärteilen mit beliebiger Drehzahl drehbar bleibt und für Eigenventilation sorgt. Ein Beispiel ist das gebremst stehende Auto.
Mechanische Vorteile bietet das Prinzip, weil die Höhe der Lagerdrehzahlen auf dem einzelnen motorischen Stufenbereich begrenzt bleibt. Die Lagerbelastung muss der höchsten Trieblast im System Rechnung tragen. Bei diesen Antriebseinheiten erfolgt der elektrische Anschluss mechanisch über Schleifringe oder Ringtrafos. Eine weitere sehr sinnvolle Einrichtung ist die hochfrequente induktive oder kapazitive Kopplung der drehenden unbewickelten Statoroberfläche mit dem Aussengehäuse der Maschine. Solche Kopplungsverfahren lassen in Frequenz Bandbreiten Signal als auch Leistungstransfer zu. Das Prinzip folgt aus Überlegungen zur Spannungsgleichung u = Ri + dy/dt, für w —*-∞ wird y = 0; d.h. wird eine in einem Schwingkreis verbundene Spule einem zeitlich sinusförmigen Feld ausgesetzt, so neigt bei hohen Frequenzen die Flussverkettung gegen 0, weil bei hinreichend grossen Frequenzen das äussere Feld durch das Rückwirkungsfeld der "kurzgeschlossenen" Spule aufgehoben wird.
Innerhalb einer Gruppe von Antriebseinheiten können wahlweise bei unterschiedlichen Drehzahlen in den einzelnen Antriebsaggregaten Hohlwellen montiert werden, die konzentrisch ineinandergefügt verschiedene Werkzeughalter mit den einzelnen Antriebsaggregaten verbindet, so dass für verschiedene Drehzahlen und Drehmomente direkte Anschlussmöglichkeiten bestehen.
Die einzelnen Motoren können auch mit den bekannten Wicklungen für verschiedene Drehzahlen in einem Motor gleich bemessen oder auch unterschiedlich ausgelegt werden. Die Motoren können in beliebiger Drehrichtung betrieben werden. Die Kühlung der Antriebsaggregate erfolgt durch Eigenbelüftung, wobei die Lüfterflügel am rotierenden Stator und an den sekundären Wellen montiert werden, so dass Dauerluftzug garantiert ist.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einer Elektrischen Maschine, welche die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 15 aufweise.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die erfin ungsgemässe Elektrische Maschine besteht aus zwei Motoren, vorzugsweise Asynchronmotoren, oder Generatoren jeder Art, deren bewickelte Primärteile mechanisch verbunden sind, die Sekundärteile sind zueinander getrennt angeordnet. Sowohl Primärteil als auch die Sekundärteile sind in gleicher Achse frei drehend gelagert. Die zwischen den Sekundärteilen motorisch erzeugten Drehzahlen und Einzeldrehmomente werden summiert und beispielsweise auf kraftübertragende Anschlussteile wie Wellen, Flansche, Kupplungen oder Konsolen, welche sich mit frei in gleicher Achse drehbaren oder feststehenden mechanischen Elementen -verbinden beziehungsweise kuppeln lassen, übertragen.
Zwei Varianten lassen sich beschreiben:
a) Scheibenförmig besteht die Maschine aus zwei konzentrisch übereinander angeordneten Einzelmotoren. Der innere und der äussere bewickelte und elektrisch aktive Statorring sind konzentrisch ineinander gestellt auf einen Ring gepresst, der seitlich mit einer Scheibe verbunden ist. Die Primärteile sind auf diese Weise mechanisch verbunden und je nach Erfordernis magnetisch und elektrisch voneinander getrennt. Die beiden, den primären Statorteilen zugeordneten Sekundärringe sind je mit einem Luftspalt getrennt von den Primärringen innen und aussen angeordnet. Primärteil als auch Sekundärteile sind in gleicher Achse frei drehend gelagert. Die primär erzeugten elektromagnetischen Wanderfelder wirken mit den zugeordneten Sekundärringen zusammen. Die Drehmomente der Einzelmotoren werden vorzugsweise zu gleichen Teilen erzeugt, was jedoch nicht Bedingung ist.
b) Achsial besteht die Maschine aus zwei auf gleicher Achse nebeneinander liegenden Elektromotoren, deren primär bewickelte Statoren auf einer Welle, vorzugsweise auf einer Hohlwelle, mechanisch verbunden, jedoch magnetisch und elektrisch getrennt beidseitig frei drehbar gelagert sind. Die Sekundärteile sind je mit einem Luftspalt getrennt von den Statoren, vorzugsweise aussen seitlich, je mit einer Scheibe beziehungsweise einem Flansch verbunden. Statorteil als auch Sekundärteile sind in der gleichen Achse des Motors frei drehbar gelagert. Das primär erzeugte elektromagnetische Wanderfeld wirkt mit den
zugeordneten Sekundärringen zusammen. Die Drehmomente der Einzelmotoren werden vorzugsweise zu gleichen Teilen erzeugt, was jedoch nicht Bedingung ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine besteht die Maschine scheibenförmig aus zwei konzentrisch angeordneten Antriebshälften. Der innere und der äussere bewickelte und elektrisch aktive primäre Statorring sind konzentrisch ineinander gestellt auf einen Zylinder gepresst, der seitlich mit einer Scheibe verbunden ist. Die Primärteile sind auf diese Weise mechanisch verbunden und je nach Erfordernis magnetisch und elektrisch voneinander getrennt. Die beiden, den primären Statorteilen zugeordneten Sekundärringe sind je mit einem Luftspalt getrennt und zu den Primärringen innen und aussen angeordnet. Primärteil als auch die Sekundärteile sind mit Naben verbunden in gleicher Achse frei drehend gelagert.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine besteht eine Asynchron-Maschine aus zwei auf gleicher Achse nebeneinander liegenden Antriebshälften, deren primär bewickelte Statoren in ein 2-teiliges T-förmiges Gehäuse beidseitig eingepresst sind. Das Gehäuse ist frei rotierend auf der Antriebswelle und einer auf ihr gelagerten Hohlwelle montiert und besteht aus zwei topfförmigen Hälften, welche beide je eine Aufnahme für Wälzlager besitzen. Nichtantriebsseitig (NAS) ist das Gehäuse mit einem Abschlussdeckel versehen. Die sekundären
nichtantriebsseitigen Erregungspole sind auf der Hohlwelle montiert und im nichtantriebsseitigen Flansch des Aussengehäuses wahlweise fest mit einem Keil gesichert oder frei drehend gelagert montiert. Die Antriebswelle ist im antriebsseitigen (AS) Flansch und im nichtantriebsseitigen Flansch des Aussengehäuses frei drehbar gelagert montiert, wahlweise über eine Wellenverlängerung, mit Stillstandsbremse oder mit einem weiteren Motor rückseitig kuppelbar. Für die Stromzufuhr sind wahlweise ein auf der Hohlwelle fest montierter Schleifringkörper montiert. Wie bereits erwähnt kann der frei drehende Rotor gegenüber dem Aussengehäuse in ein System von hochfrequenter induktiver oder kapazitiver Kopplung eingebunden werden. Im Spalt zwischen Rotor und Aussenmantel werden gegenüber liegend Spulen montiert, welche zwei Systeme koppeln. Die Rückkopplung und der Umrichter für den Drehstromantrieb sind an der Rückwand des Primärteiles installiert. Der gleiche Leistungstransfer kann vom Primärkörper auf die Erregung der Pole erfolgen.
Wiederum in einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine besteht die Asynchronmaschine aus zwei auf gleicher Achse nebeneinanderliegenden Antriebshälften, deren primäre bewickelte Statoren scheibenförmig radial ausgerichtet sind, jedoch magnetisch und elektrisch getrennt beidseitig frei drehbar gelagert sind. Die Sekundärteile sind je mit einem Luftspalt getrennt radial seitlich zum Stator ausgerichtet und
vorzugsweise aussen seitlich je mit einer Scheibe oder einem Flansch verbunden. Statorteil als auch Sekundärteile sind in der gleichen Achse der Antriebseinheit frei drehbar gelagert.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine besteht die Maschine aus zwei auf gleicher Achse nebeneinander liegenden Antriebshälften, deren primäre bewickelte Statoren innerhalb einer im Querschnitt T-förmigen Trommel je seitlich zum scheibenförmigen als Lagerflansch ausgebildeten Trommelfuss montiert sind. Die Trommel ist beidseitig mit je einem Lagerflansch versehen. Die beiden Sekundärteile sind je auf einzelne Wellen montiert, welche seitlich in die Trommel eingeschoben in den Trommelflanschen lagern. Primärteil und Sekundärteile sind durch einen Luftspalt getrennt und in der gleichen Achse der Antriebseinheit frei drehbar gelagert.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass die Maschine ein elektrischer Drehzahl- und Laststabiler Variator ist, der elektronisch drehzahlvariabel angesteuert wird, und für tiefe wie hohe Drehzahlen ohne teure Getriebe auskommt. Der mit zwei primären Wicklungen bestückte Stator ist frei drehbar gelagert und behält durch Drehfelder gegenwirkend angesteuert die volle Drehzahl, bzw. Teildrehzahl, während die zwei Sekundärteile zueinander mit relativer Drehzahldifferenz drehen, beziehungsweise (im Stillstand) unbewegt sind. Weil die beiden Wicklungen mechanisch verbunden sind, haben die beiden Drehfelder den gleichen Lastansatzpunkt.
Dieser Sachverhalt ist bezüglich der Regelung der Maschine entscheidend. Der rotierende Stator besitzt ein in jeder Betriebssituation wirksames laststabiles, dynamisches Drehmoment, das durch das grösstmögliche Massenträgheitsmoment erzeugt wird und dadurch ein Energie-Speichervolumen besitzt. Gleicher Lastansatz der beiden Drehfelder und die Fähigkeit des rotierenden Stators, kinetische Energie zu speichern, das dynamische Stillstandsmoment bei voller Eigenkühlung, die Stellbarkeit von Drehzahl und Drehmoment des Einzelaggregates über die Drehzahl des Primärteils, die Belastung der mechanischen Teile nur mit halber Nenndrehzahl eines Einzelaggregates und dass sich Eisenverluste reduzieren lassen sind die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der teilweise schematischen Darstellungen mehrerer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Eine schematische Darstellung der Funktion einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine;
Fig. 2 Ortskurven einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine in Leerlaufposition und in Lastposition;
Fig. 3 Drehmoment-Drehzahlkennlinie Drehzahlverstellcharakteristik einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine in 4 Quadranten, mit Frequenz-Wechselrichter und mit Drehstromstell-Wechsel- richter (Primärteil mit Nenndrehzahl);
Fig. 4 Vektordiagramm der primären Strom- und Flussvektoren bei einer Asynchronmaschine;
Fig. 5 Vektordiagramm der primären Strom- und Flussvektoren bei einer Synchronmaschine;
Fig. 6 Längsschnitt eines elektrischen Antriebs einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine dargestellt im Fahrwerk eines Kleinautos;
Fig. 7 Schnittpartie des Fahrwerkes mit einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine ;
Fig. 8 Schnitt eines Werkzeugmaschinen-Spindelantriebs mit einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine;
Fig. 9 Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine als Synchronmaschine ;
Fig. 10 Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine als Asynchronmaschine;
Fig. 11 Schaltungen mit Drehstromzwiεchenkreis-Wechsel- richter ;
Fig. 12 Schaltungsbeispiele von Wechselrichtern in Verbindung mit den Maschinen;
Fig. 13 Variante eines Trommelläufermotors gemass einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine;
Fig. 14 Variante eines Rotorläufermotors gemass einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine;
Fig. 15 Variante eines Scheibenläufers gemass einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine;
Fig. 16 Variante eines Schwungradläufers gemass einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine;
Fig. 17 Variante eines Energieblockes mit 2 Synchrongeneratoren in einer als Generator geschalteten Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine;
Fig. 18 Schema einer hochfrequent induktiven Kopplung des rotierenden Primärteils zum stehenden Aussengehäuse gemass einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine; und
Fig. 19 Schema einer hochfrequent kapazitiven Kopplung des rotierenden Primärteils zum stehenden Aussengehäuse gemass einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine.
Fig. 1.2 stellt folgenden Sachverhalt dar:
Die elektromechanische Struktur ermöglicht zwei unterschiedliche elektrodynamische Funktionsweisen und die parallel liegenden Primärwicklungen lassen sich in zwei Varianten schalten:
A) gegenparallel in Serie; oder
B) getrennte Schaltungen.
Die weiteren Ausführungen beziehen sich auf asynchrone Maschinen.
Zu A) : Bei dieser Anordnung treibt der lose drehende primäre Stator die beiden mit Kurzschlusswicklungen bestückten sekundären Rotoren gegeneinander drehend an. Motorisch oder
generatorisch betrachtet, werden die Rotoren von den Drehfeldern in Drehrichtung von der abtreibenden zur antreibenden Seite gegeneinander abstossend bewegt. Weil zwei Rotoren treiben, wird das Antriebsdrehmoment und die Abtriebsdrehzahl durch die Summe der Drehzahlen und Einzelmomente der Sekundärteile bestimmt.
MAS1;1 = MR1 + MR2 —— f nAS = NR1 + nR2
Zu B): Bei dieser Anordnung treibt der lose drehend gelagerte primäre Stator mit seinen parallel liegenden Drehstromwicklungen die mit Kurzschlusswicklungen bestückten sekundären Rotoren an. Mittels Umrichtertechnik wird das Drehzahl-Drehmomentverhalten spannungs- oder stromgesteuert geregelt. Sind die Drehfelder bezogen auf die gemeinsame Achse in Drehrichtung und Drehmoment gleichgerichtet, so dreht der Primärteil bei stehenden, beziehungsweise blockierten Sekundärteilen leer. Dieser Sachverhalt definiert das Anlassverfahren, wobei der Stator bei blockiertem nichtantriebsseitigem Rotor und stehendem antriebsseitigem Rotor mit gleichgerichteten Drehfeldern im Leerlauf auf Nenndrehzahl hochgefahren wird, beziehungsweise die sekundären Wellen werden gegeneinander mit dem Nenndrehmoment des rotierenden Primärteils festgehalten. Sobald die Spannung, die Ströme und die Frequenzen variiert werden, entsteht zwischen den Sekundärteilen ein variables Drehmoment, beziehungsweise es stellt sich an der antriebsseitigen Welle eine Drehzahl ein. Drehzahl - Drehmomentverhalten.
Mit den Drehzahlen kann das Verfahren folgendermasser. beschrieben werden: ( Fig. 3 )
HNAS nicht antriebsseitig; bei gewöhnlichem Motcr = 0
ΓIRI des 1. Rotor relativ zum primären Stator. nR2 des 2. Rotors relativ zum primären Stator.
Ns des frei rotierenden Stators. ns = ± r.R2 ( ± nNAS ) nAS antriebsseitig . nAS = ns ± nR2 ( + nNAS ) nAS = ± nR1 ± nR2 ( ± nNAS ) wenn nAS = 0 ; bei Stillstand folglich nAS = nRι - nR2 ( nNAS = 0 ) τ-s = I nR1 | = | nR2 ( + nNAS ) | Positive Drehrichtung (+) bedeutet antriebsseitig rechts drehende Teile. Wellen, Primär- und Sekundärteile haben gegenläuifiges Drehverhalten. Bezüglich der Drehmomente, ergibt ns ≠ 0; nNAS = 0 auf Welle Stillstandsdrehmoment ns = 0 auf Welle kein Stillstandsdrehmoment
Die Drehzahl ns des rotierenden Stators ist für das Drehmoment an der AS-Welle massgebend. Ausgehend von einer beliebigen Stiilstandsposition ergibt ein ...
1. Liπearisierungsansatz, {drehzahlbezogen) ns = konstant und ≠ 0 nRι; n?.2 = variabel nRι = nRi ΔnA nR2 = nR2 - ΔnA nAS =( n?.ι + ΔnA )-( n?.2 - ΔnA )= + 2*ΔnA Wellen, drehricht- nAs =( nRi - ΔnA )-( n?.2 + ΔnA )= - 2*ΔnA ungsbezogen
+ (MSι + Ms2) = (3/2)*(J/2)*{d(Ωsι- ΩR1)+ ΔΩA)/dt)+ d((Ωs2- ΩSι) - ΔΩA)/dt)}
-(Msi + Ms2) = (3/2)*(J/2)*{d(Ωsι- ΩRI)- ΔΩA)/dt)+ d((Ωs2- ΩSι) + ΔΩA)/dt)}
Das an der Welle wirksame Drehmoment berechnet sich aus:
MAS = ±(Ms*ns)/nAS MAS = (Msι+Ms2) und ein ....
- 2. Linearisierungsansatz {drehmomentbezogen) Wird von beliebiger Dre zahlpostion des Primärteils aus, die Primärdrehzahl (ns) bei gleichzeitig konstanter Abtriebsdrehzahl n(AS) erhöht oder gesenkt, so wird das Drehmoment (Msι+MΞ2) positiv oder negativ verändert. ns = variabel nRι; nR2 = variabel
ΔnRι;R2 = konstant (nRi;2 ± ΔnA) = ΔnRι;R2 nR1 = r.?.ι + ΔnA ± Δn5 nR2 = n?.: - ΔnA ± Δr.B
ΠAS =( nRi + Δr.A± ΔnB)-( n?2 - ΔnA ± ΔnB)= + 2*ΔnA Wellen, dreh-
Γ-ΛS =( Γ.RI - Δr.A ± ΔnB)-( n?2 -- ΔnA + ΔnB)= - 2*ΔnA richtungsbezoqen
+ (Mι+M2) = (3/2) * (J/2) * {d (ΩSI-ΩRI) +ΔΩA±ΔΩA) /dt) +d ( (Ωs2-Ωsι) -ΔΩA ±ΔΩA) /dt ) } - (Mi+Mz) = (3/2 ) * (J/2 ) * {d {ΩSI-ΩRI) -ΔΩA±ΔΩA) /dt ) +d ( (Ωs2-Ω3ι) +ΔΩA ±ΔΩA) /dt ) } Das an der Welle wirksame Drehmoment berechnet sich wiederum aus:
MAS = ±(Ms*ns)/nAS MAS = (Msι+Ms2)
Die obenstehende Ableitung basiert auf der rotorbezogenen Bewegungsgleichung am rotierenden Stator und lautet vollständig: (MA)± MSι ± MS = (MA)±(3/2)*J*dΩsl2/dt
= (MA)±(3/2* (J/2) *dΩsl/dt±(3/2)* (J/2 ) *dΩs2/dt
= (MA)± 3*p*J*dnSι2/dt
= (MA)±(3/2) *J*p*dnsl/dt±(3/2) *J*p*dns2/dt
I nj =| n2|=| m;2| wobei d2θs/dt2 = dΩs/dt = 2p*dn/dt und (d2θsι2/dt2)/2 = d2θSι/dt2 - d2θRi/dt2
(d20sι2/dt2)/2 = d2θs2/dt2 - d2θR2/dt2 dθSι2/dt = p * Bech.prιm.= (1-S)* ΩΞi2 (p = Polpaarzahl )
(s = Schlupfzahl) MA≤ ; MNAS = mechanisches Moment an der Welle
J = Massenträgheitsmoment des gesamten „rotierenden
Primär- und Sekundärteils", p = Polpaarzahl dJi.-c/dt = Winkelgeschwindigkeit des Primärteils relativ zum Sekundärteil J1;2 = Verschiebungswinkel zwischen dem primären und sekundären Feldsystem. (Lastwinkei)
Mit obiger Darstellung ist das variable Drehzahl-Drehmomentverhalten bewiesen. Die Drehzahldifferenzen werden mittels Frequenzänderung oder auch mittels Schlupfänderung erzielt. (Fig.3)
Sofern die Maschinendaten bekannt sind, kann man das differentiale Motorverhalten aus den von der Ersatzschaltung abgeleiteten Ortskurven (Fig. 2) zeichnerisch darstellen. Betrachten wir die beiden Ortskurven einzeln, so liegt der momentbezogene Nullpunkt der 1. Motorhälfte in der Achse der nichtantriebsseitigen Welle, der momentbezogene Nullpunkt der 2. Motorhälfte deckt sich mit dem resultierenden Momentpunkt der 1. Motorhälfte (im frei rotierenden Stator) und der resultierende Momentpunkt der 2. Motorhälfte liegt in der Achse der antriebsseitigen Welle. Der Systemansatz des Motors liegt im resultierenden Momentpunkt der 1. Motorhälfte, welche mit dem Nullpunkt der 2. Motorhälfte identisch ist, es handelt sich um den Differentialpunkt des Systems. Sind die Drehfeldkräfte gleichgerichtet so dreht der felderzeugende Stator im Leerlauf, die Kraftwirkung wird durch Gegendrehfeldbewegung erzeugt.
In den Fig. 2 und 3 wird die Lage des Differentialpunktes in den Ortskurven und der Drehmoment-Drehzahlkennlinie dargestellt.
Steuerung und Regelung
In einem Wicklungssystem kann die feldbestimmende Durchflutungswelle ständerbezogen oder läuferbezogen dargestellt werden. Mit der Wahl des Koordinatensystems lassen sich komplexe Augenblickswerte einführen. Das Drehfeld kann zum Ständerkoordinatensystem eine relativ beliebige Lage unabhängig vom Läuferkoordinatensystem einnehmen. Bezogen auf einen Augenblickswert lassen sich die Verschiebewinkel in den beiden Luftspalt-en der Motoren wie folgt ( Fig. 5 ) darstellen. Bezüglich der Transformationsbeziehung γs = YL + θ s nd die Durchflut-ungswellen der Läuferströme im primären Koordinatensystem definiert.
und im sekundären Koordinatensystem dargestellt
auf X - Koordinaten übertragen:
is=
(i
s + jiü die Spannungsgleichungen (auf einen Motorteil bezogen)
us = Rs*isx τ ψsx/ t + j( Ssx/dt)/ψsχ uix = - ΪL - dψLs/dt + j (dθ- -dθ)/dt)/ψLx
Die Flussverkettungsgleichungen (auf einen Motorteil bezogen)
M = - (3/2)* p * Im {ψs:< * isx } für 2 „parallel wirkende Systeme" erweitert sich die Beziehung in Ysi + γs2 = (Ytl + S l)+ (YL2 + θ 2 ) → inot. = (isl + jiL1) + (is2 + jiL2) Eine elektrische Maschine zu regeln verlangt von der Konstruktion eindeutige Werte welche auf Netzkoordinaten mittels meist lineraisierten Funktionen dargestellt werden. So ist es in einem differentiaien System erwünscht, dass die beiden wie im Patent dargestellten Drehfelder den gleichen Lastansatz haben. Eine weitere Forderung wird durch ein in jeder Betriebsbeanspruchung wirksames laststabiles, dynamisches Drehmoment erfüllt, wie im Patent vorgeschlagen, durch ein möglichst grosses Massen- trägheitsmorr.ent mit dem der rotierende Stator ein Energiespeichervoluπen besitzt. Diese beiden Anforderungen werden durch die oben beschriebenen Maschinen erfüllt. Auf Grund der vorhandenen Motorkoπφonenten kann die Steuerung in einem rechnerischen Modell erfolgen, und die Drehmomente :
-( sι+Ms2) = -{3/2)Im{ψs (isι + jiLi) + (is2 + jiL2)]}
innerhalb des Systems verhalten sich die Lastwinkelanteile δ i und S 2 umgekehrt proportional zu den Lastanteilen. (Fig. 1 )
Wird die Synchronmaschine als Generator eingesetzt, so arbeitet diese nach der Synchronisation direkt auf das zugeschaltete Netz. Der oder die Stator(en) A und B werden parallel von der Antriebsmaschine auf ca. Nenndrehzahl gefahren. Die Maschine arbeitet in diesem Fall gegen das Feld, wobei der nichtantriebsseitige Rotor 4 blockiert bleibt. D.h. wird der Generator auf das Netz geschaltet, so wird erst der rotierende Stator durch die Antriebsmaschine gegen Nenndrehzahl beschleunigt, mit dem Netz synchronisiert und auf das Netz zugeschaltet. Die Regelung der beiden Maschinenhälften wird allein durch den Erregerstrom bestimmt, der die Felder aufbaut. Der Synchrongenerator wird feldorientiert geregelt. Aus einem Rechner wird nach dem exakten Modellprofil der Maschine die Regelung ausgeführt. Ausgehend vom rotierenden Stator (Ständerkoordinaten) beider Maschinenhälften werden die Drehfelder aufgebaut.
In Fig. 6 ist der komplette Schnitt eines elektrischen Antriebs im Fahrwerk eines Kleinautos dargestellt. Das Fahrwerk besteht aus Radachse 1 und aufgeschraubter Radfelge 8, welche mittels einer Verzahnung 3 lösbar verzahnt mit der motorischen Mitnehmerhülse 4 des Fahrwerkmotors verbunden ist. Der Fahrwerkmotor besteht aus Motornabe, welche auch Radnabe 2 ist. Die Radnabe 2 ist über eine doppelseitige Zahnscheibe 6 mit der Radaufhängung 7 des Fahrzeugs verbunden, die Scheibenbremse 8 ist ebenso mit dieser Zahnscheibe 6 verschraubt und mit der Mitnehmerhülse 4 des Motors verbunden. Die Mitnehmerhülse 4 ist mit zweifacher Wälzlagerung 9 auf der Radnabe 2 montiert. Das
sekundäre Paket 10 mit Kurzschlusswicklung 19 des äusseren Motors 11 ist in die Mitnehmerhülse 4 des Fahrwerkmotors eingepresst. Der dargestellte Antrieb besteht aus äusserem und innerem Fahrwerkmotor 11 und 12, beide sind konzentrisch übereinander angeordnet. Der innere und äussere bewickelte Primärteil 13; 14 der Motoren sind konzentrisch ineinander gestellt auf einen Zylinder 15a gepresst, der Teil des muldenförmig ausgebildeten Rotors 15 ist, dessen innerer Zylinder 15b über eine Spurhülse 16 mit zweifacher Wälzlagerung 17 in der Nabeninnenbohrung lagert. Die Radachse 1 ihrerseits lagert über zwei Wälzlager 18 im Innenzylinder des muldenförmig ausgebildeten Rotors 15. Das sekundäre Paket 20 mit Kurzschlusswicklung 21 des inneren Motors ist auf die feststehende Radnabe 5 gepresst. Der Schleifring 21, beziehungsweise das Übertragungselement für den Stromanschluss 23 der Motoren ist im zylindrischen Nabenhohlraum 5a montiert. Der Motor ist eigenventiliert. Die Kühlung erfolgt über Ventilationsflügel 5a; 5b; 5c, die Luftzirkulation an angebrachten Durchbrüchen erzeugen. In Fig. 16 sind zusätzlich Positionen vermerkt.
In Fig. 7 wird eine Schnittpartie des Fahrwerkes dargestellt. Es zeigt die Verzahnung 3 zwischen Mitnehmerhülse und Radfelge 5. Weiter sind die Doppelstab-Verdrängungsleiter 19a der Kurzschlussankerwicklung 19 und die Position der Statorwicklung 14a dargestellt.
In Fig. 8 ist der Schnitt durch einen Werkzeugmaschinen-Spindelantrieb dargestellt. Dieser besteht aus zwei axial gelagerten Motoreinheiten 11 und 12. Der Aufbau des Antriebes gliedert sich in eine innere 1. Hohlwelle, welche der Nabe 2 entspricht, mit fest auf eine Maschine montierbarem Stirnflansch 2a, mit fest aufgesetztem Stahlrohr 2b und einseitig montierbarem Sekundärpaket 20 mit Kurzschlusswicklung 21. Die primären Motorstatoren 13 und 14 sind auf eine Hohlwelle 15 aufgepresst, welche auf der Nabe 2 über Wälzlager 17 frei drehend lagern. Das sekundäre Paket 10 mit Kurzschlusswicklung 19 ist ausgerichtet auf die Position des Primärteils 14 in eine rohrförmige Hülse 4a gepresst, welche mit dem Antriebsflansch 4 fest verbunden ist. Der Antriebsflansch 4 ist über Keilzapfenverbindung mit der inneren Werkzeughalterhohlwelle 4b verbunden. Die innere Werkzeughalterhohlwelle 4b lagert in der Innenbohrung der Nabe 2 beidseitig über Wälzlager. Die Werkzeughalterwelle mit Konushalterung 26 wird mit Kontermuttern 26a befestigt und mit dem Lagerdeckel 26b gesichert. Weitere Maschineneinheiten 25 lassen sich auf dem 1. Antrieb mit Zwischenflansch 24 oder direkt 24=25 anschrauben. Innerhalb einer Gruppe von Antriebselementen 1 können konzentrisch ineinander gefügte Hohlwellen 4b; 23 montiert werden, die die einzelnen Antriebselemente separat mit der vorderen Werkzeughalterung 26 verbinden. Der Schleifring 22 für den Stromanschluss ist auf die Innenseite des Flansches 2a montiert und verbindet diesen mit der Welle 15. Auf der Welle 15 ist der Ventilatorflügel 15a montiert. Als Gegenstück zu diesem Ventilator 15a sind im Flanschgehäuse 4 Durchbrechungen 4c ventilatorför ig
ausgebildet. Dies gilt für einen Maεchineneinbau mit überstülpbarem Kühlgehäuse 35 mit Kühlmantel aus Rohrschlangen 36 in denen Kühlmedium zirkuliert.
In Fig. 9 wird der Schnitt einer Synchron-Maschine bestehend aus zwei auf gleicher Achse nebeneinander liegenden Antriebshälften 1 und 2 dargestellt. Die primär bewickelten Statoren 10 und 12 der Antriebshälften 1 und 2 sind in ein zweiteiliges T-förmiges Gehäuse 14 beidseitig eingepresst. Das Gehäuse ist frei rotierend auf der Antriebswelle 15 und einer auf ihr gelagerten Hohlwelle 16 montiert und besteht aus zwei topfförmigen Hälften 14a und 14b, welche beide je eine Aufnahme 16 für Wälzlager besitzen. Nichtantriebsseitig (NAS) ist das Gehäuse mit einem Abschlussdeckel 17 versehen. Die sekundären nichtantriebsseitigen Erregungspole 11 sind auf der Hohlwelle 12 montiert und im nichtantriebsseitigen Flansch 18 des Aussengehäuses wahlweise fest mit einem Keil 18a gesichert und frei drehend gelagert 18b montiert. Die Antriebswelle 15 ist im antriebsseitigen (AS) Flansch 19 und im nichtantriebsseitigen Flansch 18 des Aussengehäuses frei drehend gelagert montiert, wahlweise über eine Hohlwellenverlängerung 20 mit Stillstandsbremse oder mit einem weiteren Motor 21 rückseitig kuppelbar. Für die Stromzufuhr sind wahlweise Schleifringkörper 6 auf der Hohlwelle fest montiert. Wie bereits erwähnt, kann das frei drehende Rotorgehäuse gegenüber dem Aussengehäuse 22a in ein System von hochfrequenter induktiver oder kapazitiver Kopplung eingebunden werden. Im Spalt 23 zwischen Rotor und Aussenmantel werden gegenüberliegend Spulen 2a;2b;5 montiert, welche zwei Systeme
koppeln und Teil eines Schwingkreises sind. Die Rückkoppelung und der Umrichter 24 für den Drehstromantrieb sind an der Rückwand 17 des Primärteils installiert. Der gleiche Leistungstransfer kann vom Primärkörper über Wandler 25 auf die Erregung der Pole 11 und 13 erfolgen. Für die Kühlung sind auf der antriebsseitigen Welle und dem primären Stator ein Ventilator 9 mit antriebsseitig je einem Radialventilatorflügelrad 26 montiert. Diese sind durch eine Umlenkluftkammer 27 distanziert und versorgen den Motor mit einem Dauerluftstrom. Die Positionen 8a; 8b; 8c sind Positions- und Drehzahlgeber.
In Fig. 10 wird der Schnitt einer Asynchronmaschine dargestellt. Die Asynchronmaschine besteht aus zwei auf gleicher Achse nebeneinander liegenden Antriebshälften 1 und 2, deren primär bewickelte Statoren 10 und 11 in ein einteiliges T-förmiges Gehäuse 14 beidseitig eingepresst sind. Das Gehäuse ist frei rotierend auf einer Antriebswelle 15 und einer Abtriebswelle 16 montiert. Im Mittelsteg sind für jede Seite je eine Aufnahme für Wälzlager integriert. Das Gehäuse 14 wird beidseitig mit je einem Lagerdeckel 17a und 17b verschraubt. Die sekundären Kurzschlussankerpakete 12 und 13 werden derart auf die Wellen aufgepresst, dass sie im Gehäuse 14 montiert mit den Primärpaketen 10 und 11 radial fluchten. Die beiden aus dem Gehäuse 14 ragenden Antriebs- und Abtriebswellen 15 und 16 sind im antriebsseitigen (AS) Flansch 20 und im nichtantriebsseitigen Flansch 19 des Aussengehäuses frei drehend gelagert montiert, wahlweise über eine Wellenverlängerung 21 mit Stillstandsbremse oder mit einem weiteren Motor 22 rückseitig kuppelbar. Für die
Stromzufuhr sind wahlweise Schleifringkörper 6 fest auf der Welle montiert. Wie bereits erwähnt kann das frei drehende Rotorgehäuse gegenüber dem Aussengehäuse 23a in ein System von hochfrequenter induktiver oder kapazitiver Kopplung eingebunden werden. Im Spalt 4 zwischen Rotor und Aussenmantel werden gegenüberliegend Spulen 2a; 2b; 5 montiert, welche zwei Systeme koppeln und Teil eines Schwingkreises sind. Die Rückkopplung und der Umrichter 24 für den Drehstromantrieb ist an dem Lagerdeckel 17a des Primärteils installiert. Für die Kühlung sind auf der antriebsseitigen Welle und dem primären Stator ein Ventilator 9 mit antriebsseitig je einem Radialventilatorflügelrad 26 montiert. Diese sind durch die Umlenkluftkammer 27 distanziert und versorgen den Motor mit Dauerluftstrom. Die Positionen 8a; 8b; 8c sind Positions- und Drehzahlgeber.
In Fig. 11 sind Schaltungen mit einem Drehstromzwischenkreis- Wechselrichter dargestellt.
Fig. 13 zeigt eine Variante eines Trommelläufers ge ass der in Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine.
Fig. 14 zeigt eine Variante eines Rotorläufers gemass der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrischen Maschine.
In Fig. 15 ist eine Variante eines Scheibenläufers gezeigt. Rotor und Scheibe sind zwischen den Primärteilen frei drehbar.
Fig. 16 zeigt einen Schwungradläufer gemass Fig. 6. Der Schwungradläufer umfasst einen Drehzahl- und Winkelgeber 35, eine Feldsonde 38, einen Ringtransformator 36 und eine Stillstandsbremse 37.
Der in Fig. 17 dargestellte Energieblock zeigt zwei Synchrongeneratoren gemass Fig. 9, welche zusammengekoppelt an eine Turbine 5 angekuppelt sind. Auf diese Weise lassen sich Drehzahlstufe 1-2; 3-4 einrichten. Die hohe Drehzahl der Turbine wird im Generator bis auf "0" Umdrehungen abgebaut. Die Maschine wird durch winkelsynchrone Laststeuerung über die Differentialwerte der zwei Synchrongeneratoren 1;2;3;4 gesteuert. Die Turbine 5 treibt den Rotor 1 über das Primärteil A und ist mit Rotor 2 und 3 verbunden. Dieser wiederum treibt über das Primärteil B auf Rotor 4, welcher stillsteht. Die Synchroni- sierug geschieht über 101;102- Die Last-Momentsteuerung geschieht digital über einen an und für sich bekannten Magnetflusskreis 6 mit einem Soll-Ist Vergleich der Turbine 5 - Generator 1;2;3;4 Lastregulierung 7 mit der Generatorerregung 8 und der Turbinenregelung 9.
Fig. 18 und 19 zeigen, wie mit Hochfrequenz induktive oder kapazitive Kopplung des rotierenden Primärteils zum stehenden Aussengehäuse erfolgt. In zwei Hauptstrompfaden über den an und für sich nicht kraftwirkenden Luftspalt wird je ein Frequenzgang eingerichtet. Die induktive Kopplung 1 erfolgt durch den Luftspalt 3 und die kapazitive Kopplung 2 erfolgt über den
Luftspalt 4. Der Unterschied liegt darin, dass bei der induktiven Lösung der Luftspalt nicht aktiv in einen Schwingkreis eingeschlossen ist. Während bei der kapazitiven Lösung der Luftspalt in zwei kapazitive Zonen 5 geteilt einen Schwingkreis nach "Marconi" darstellt. Diese kapazitiven Zonen 5 können kurzgeschlossene Wicklungsteile einer induktiven Frequenzkopplung sein. Dies ist insofern sinnvoll, weil induktive Spulen für die Koppelung bereits bewegt sein müssen und auf diese Weise über kapazitive Kopplung gestartet werden können. Somit ist eine AnlaufSchaltung gedanklich nachvollziehbar.