WO2008092746A1

WO2008092746A1 - Ringmotor

Info

Publication number: WO2008092746A1
Application number: PCT/EP2008/050447
Authority: WO
Inventors: Markus HÖSLE
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2008-08-07
Also published as: PE20081748A1; CA2677020A1; DE102007005131B3; AU2008209912A1; MX2009008091A; US8129881B2; CN101610849B; RU2452578C2; RU2009132543A; AU2008209912B2; BRPI0806933A2; CN101610849A; EP2114573A1; US20100033035A1; ZA200903234B; CL2008000288A1; AR065127A1

Abstract

Ringmotor (1) als Direktantrieb, insbesondere für Erzmühlen oder Rohrmühlen mit einem Stator (6) und einem als rotierendem Mühlenkörper (10) ausgebildeten Rotor (12), wobei der Stator (6) zumindest zwei unterschiedliche Erregungssysteme aufweist und der Mühlenkörper (10) lediglich eine gezahnte Struktur aufweist, die mit den Erregersystemen des Stators (6) elektromagnetisch wechselwirkt und somit eine Rotation des Mühlenkörpers (10) bewirkt.

Description

Beschreibung

Ringmotor

Die Erfindung betrifft einen Ringmotor als Direktantrieb, insbesondere für Erzmühlen oder Rohrmühlen mit einem Stator und einem als rotierenden Mühlenkörper ausgebildeten Rotor.

Bei den so genannten Mühlenantrieben, wie sie zum Mahlen von Zement oder Erzen, insbesondere von Kupfererzen verwendet werden, ist seit langem ein direkter Antrieb eines liegend angeordneten Mühlenkörpers vorgesehen. Hierzu ordnet man den dynamoelektrischen Antriebsmotor konzentrisch zum Mühlenkörper an, wobei Rotor und Stator vergleichsweise große Durch- messer im Bereich von mehr als 5 m aufweisen (US 3,272,444) .

Die Welle des Rotors wird dabei von dem Mühlenkörper selbst gebildet, der mit einem Ringflansch zur Befestigung der aktiven Rotorteile versehen ist. Der Rotor weist dabei mehrere Segmente auf, die einen oder mehrere magnetische Pole tragen. Jedes dieser Segmente ist mit einem in Umfangsrichtung des Rotors verlaufenden Tragsteg versehen, der mit dem Ringflansch des Mühlenkörpers mechanisch verbunden ist.

Das Primärteil eines derartigen Ringmotors, der Stator ist zur Bestromung mit elektrischem Strom vorgesehen. Er weist dazu ein über die Nuten des Stators verteiltes Wicklungssystem auf. Das Sekundärteil weist, wie oben ausgeführt einzelne Rotorsegmente auf, die mit Permanentmagneten oder bestromba- ren Wicklungen versehen sind. Damit weist der Ringmotor einen Primärteil und einen Sekundärteil mit jeweils aktiven magnetischen Mitteln auf, die zur Generierung eines magnetischen Feldes heranzuziehen sind. Aktive magnetische Mittel sind beispielsweise bestrombare Wicklungen, Permanentmagnete oder Wicklungen, in welchen mittels Induktion ein elektrischer

Stromfluss hervorrufbar ist, wobei durch den hervorgerufenen elektrischen Stromfluss ein magnetisches Feld erzeugbar ist. Nachteilig ist insbesondere aufgrund der vergleichsweise großen Abmessungen dieser Direktantriebe der Aufbau vor Ort, da die Komponenten, wie Stator oder Rotor nicht als Gesamtanordnung transportiert werden können. Auch Stator und Rotor des Direktantriebs sind deshalb in Segmente aufzuteilen um geeignete Abmessungen für den Transport zu erhalten. Die Montage vor Ort gestaltet sich dementsprechend schwierig, da ein ü- berwiegender Teil der Wicklungssysteme vor Ort in die Nuten des Stators eingesetzt, isoliert und geprüft werden muss. E- benso erfordert die Handhabung der Positionierung der aktiven magnetischen Mittel auf dem Rotor eine umständliche und damit zeitaufwändige Montage.

Aufgrund der u.a. erhöhten dielektrischen Anforderungen an die Wicklungssysteme ist u.a. das Aufbringen von betriebstauglichen Isolierungen außerhalb des Werks auch aufgrund der staubbelasteten Umgebung problematisch.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei- nen Ringmotor zu schaffen, der in einfacher Art und Weise herstellbar, transportierbar und ohne großartigen Montageaufwand auf der Anlage montierbar ist. Dabei sollen sämtliche elektrischen Prüfungen im Werk durchführbar sein, ohne auf der Anlage zusätzliche Wicklungen einlegen und überprüfen zu müssen. Des Weiteren soll die Montage von Rotorpolen vereinfacht werden, um eine Magnetisierung vor Ort oder aber die Montage bereits vormagnetisierter Teile zu erleichtern.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Ringmotor als Direktantrieb, insbesondere für Erzmühlen oder Rohrmühlen mit einem Stator und einem als rotierendem Mühlenkörper ausgebildeten Rotor, wobei der Stator zumindest zwei unterschiedliche Erregungssysteme aufweist und der Mühlenkörper eine gezahnte Struktur aufweist, die mit den Erregersystemen des Stators elektromagnetisch wechselwirken und somit eine Rotation des Mühlenkörpers bewirkt. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Ringmotors weist nunmehr der Stator zwei unterschiedliche Erregungssysteme auf, die bisher auf Stator und Rotor verteilt worden sind. Demzufolge entfallen das umständliche Handling und die Montage mit vormagnetisierten Polen auf den Mühlenkörper und/oder auch die Aufmagnetisierung dieser Rotorsegmente vor Ort.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Stator mit einem Wicklungssystem versehen, das als Zahnspulensystem ausgeführt ist, wobei jeder Zahn, oder in Umfangsrichtung betrachtet jeder zweite Zahn des Stators eine eigene Formspule aufweist. Damit können die elektrischen Prüfungen des Wicklungssystems eines Statorsegments bereits im Werk abschließend durchgeführt werden.

Vorteilhafterweise wird dabei die Trennstellen der Statorsegmente in einer Nut vorgesehen, vorzugsweise mittig in einer Nut, so dass durch den Zusammenbau der Statorsegmente keinerlei Flussänderungen durch fehlende Zahnspulen ergeben.

Falls lediglich jeder zweite Zahn bewickelt ist, ist die Trennstelle in einem unbewickelten Zahn vorgesehen.

Vorteilhafterweise ist die gezahnte Struktur des Rotors mas- siv ausgeführt und wird lediglich auf den Mühlenkörper in einfacher Art und Weise beispielsweise durch Schraubverbindungen angebracht. Ein Aufmagnetisieren bzw. eine Montage mit bereits vormagnetisierten Polelementen auf den Mühlenkörper ist somit nicht mehr notwendig.

In einer weiteren Ausführungsform kann die gezahnte Struktur, um Wirbelströme zu vermeiden, auch geblecht ausgeführt werden. Vorteilhafterweise sind dabei die Bleche oder Blechabschnitte axial geschichtet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zahnung auf dem Mühlenkörper in axialer Richtung schräg ausgeführt, um Rast-Erscheinungen zwischen den Polen des Rotors und dem Stator zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, die sich sonst als Drehmomenentenschwankungen im Antriebssystem auswirken .

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

FIG 1 perspektivische, prinzipielle Dar- Stellung eines Rohrmühlendirektan- triebs,

FIG 2 prinzipiell dargestelltes Wicklungssystem,

FIG 3 Wicklungssystem gemäß Stand der Technik,

FIG 4 ein erfindungsgemäßes Wicklungssystem mit Zahnspulen,

FIG 5 bis 8,12,14 bis 18 verschiedene prinzipiell dargestellte Ausführungsformen des Sta- tors und des Rotors,

FIG 9,10,11,13 Darstellungen zur Erläuterung des physikalischen Zusammenhangs des erfindungsgemäßen Aufbaus .

FIG 1 zeigt in einer schematischen, perspektivischen Darstellung die prinzipiellen Elemente eines Ringmotors 1 mit seinem stationären Teil, in dem sich der Stator 6 befindet und dem rotierenden Teil, bei dem sich ein Rotor 12 auf einem nicht näher dargestellten Mühlenkörper 10 befindet.

Der Stator 6, der axial geschichtete Bleche aufweist, ist über Stützelemente 5, die sowohl als Drehmomentstütze als auch zur Schwingungsdämpfung geeignet sind, an einem Rahmen 2 befestigt. Die Stirnseiten des Stators 6 sind mit Abdeckungen 3 versehen, um zwischen dem Wickelkopf des Wicklungssystems 4 und der Abdeckung 3 einen Kühlkanal 7 auszubilden, der vorteilhafterweise zur Luftkühlung insbesondere der Wickelköpfe geeignet ist. Die Luftströmung wird dabei durch einen oder mehrere Ventilatoren erzeugt, die am Umfang des Stators 6 angeordnet sind.

FIG 2 zeigt den Ringmotor 1 in einer prinzipiellen Quer- Schnittsdarstellung, wobei der Ringmotor 1 mit zwei Auflageflächen auf einem Fundament 15 ruht, so dass der Stator 6 des Ringmotors 1 über die Fundamente 15 frei aufgehängt ist. Der Mühlenkörper 10 ist über nicht näher dargestellte Lagerungen mit einem Fundament verbunden, die für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich und deshalb nicht näher dargestellt sind.

Auf dem Mühlenkörper 10 befindet sich als Rotor 12 eine Zahnstruktur 20. Der Rotor 12 ist somit, in Umfangsrichtung be- trachtet in einzelne Rotorsegmente 21 aufgeteilt, die jeweils für sich einfach zu transportieren und am Mühlenkörper 10 zu montieren sind. Die Rotorsegmente 21 sind massiv, also einstückig oder geblecht und/oder, was den axialen Verlauf der Zahnstruktur 20 anbelangt bzgl. der Achse 33 geschrägt ausge- führt.

Durch einen schrägen Verlauf der Zahnstruktur 20 reduziert sich die Drehmomentwelligkeit, so dass sich eine gleichmäßigere Rotation des Mühlenkörpers 10 ergibt.

Des Weiteren ist der Stator 6 über die Abdeckung 3 gekapselt ausgeführt, und um die Wärme zielgerichtet abführen zu können sind einzelne Lüfter 22 in Umfangsrichtung verteilt.

Diese Lüfter 22 sind schematisch dargestellt und gewährleisten gegenüber einem zentral angeordneten Lüfter aufgrund ihrer Anzahl eine Vergleichmäßigung der Kühlleistung.

Die Abdeckung 3 schützt des Weiteren insbesondere den Stator 6 vor Verschmutzung, die die dielektrische Festigkeit des Wicklungssystems 4 beeinträchtigen könnte. Der stationäre Teil des Ringmotors 1 ist beispielhaft in vier Statorsegmente 23 aufgeteilt, wobei die einzelnen Statorsegmente 23 über Trennstellen 24 miteinander mechanisch verbindbar sind. Der Stator 6 des Ringmotors 1 ist gemäß FIG 2 in vier Statorsegmente 23 aufgeteilt, da der Stator 6 als Ganzes aufgrund seiner Dimensionen nicht mehr transportfähig ist und somit in Einzelsegmente aufgeteilt werden muss.

Das Wicklungssystem 4 ist vorteilhafterweise durch Zahnspulen 25 aufgebaut. Dabei umfassen die Zahnspulen 25 jeweils nur einen Zahn 27, so dass wie in FIG 2 dargestellt pro Nut 26 nur ein Hin- oder ein Rückleiter einer Zahnspule 25 vorhanden ist. Damit ergeben sich Zähne 27, die von einer Zahnspule 25 umgeben sind und es sind Zähne 28 vorhanden, die nicht von einer Zahnspule 25 umgeben sind. Es tritt somit in Umfangs- richtung betrachtet ein Wechsel von bewickelten und unbewi- ckelten Zähnen auf. Die Trennstelle 24 verläuft somit durch den unbewickelten Zahn 28.

Die in dieser Ausführungsform am Luftspalt angeordneten Permanentmagnete sind aus zeichnerischen Gründen in FIG 2 nicht dargestellt .

Dabei sind die unbewickelten Zähne hinsichtlich ihrer dem Luftspalt zugewandeten Seite so breit wie die unbewickelten Zähne, oder schmäler ausgeführt. Des Weiteren sind die unbewickelten Zähne einstückig mit dem Blech des jeweiligen Statorsegments ausgeführt, oder als Einzelteil ausgeführt, so dass es in einem Jochrücken des Statorsegments positioniert werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform ist jeder Zahn 27 bewickelt, so dass sich in jeder Nut 26 Hin- und Rückleiter unterschiedlicher Zahnspulen 25 befinden. Wenn jeder Zahn 27 eine Zahnspule 25 aufweist, wird die Trennstelle 24 derart positioniert, dass sie mittig durch eine Nut 26 verläuft und sich somit in dieser Trennnut in zusammengebautem Zustand des Ringmotors 1 Hin- und Rückleiter unterschiedlicher Zahnspulen 25 befinden.

Durch die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen des Wicklungssys- tems der Statorsegmente sind nunmehr auf der Anlage vor Ort keinerlei Wicklungssysteme 4 in die der Trennstelle 24 benachbarten Nuten einzusetzen.

Somit kann das komplette Wicklungssystem 4 in das jeweilige Statorsegment 23 im Werk eingelegt, vergossen, geprüft und anschließend auf die Anlage transportiert werden.

Das Einlegen von Wicklungen in die die Trennstellen 24 umgebenden Nuten 26 des Stators 6 gemäß FIG 3 ist nicht mehr not- wendig. Demzufolge erübrigt sich eine Isolationsprüfung auf der Anlage.

Gemäß FIG 3 sind eine erhebliche Anzahl von Formspulen * so eingelegt, dass sie sich über die Trennstelle 24 erstrecken, und damit erst vor Ort eingelegt werden können.

Auf der Anlage ist lediglich eine elektrische Schaltung der einzelnen Statorsegmente 23, vorzugsweise mit einem an sich bekannten 12-pulsigen Stromrichter durchzuführen.

Somit kann jedes Statorsegment 23 bereits im Werk komplett mit dem Wicklungssystem 4 in den Nuten 26 und dem oder den Permanentmagneten im oder am Stator 6 versehen werden und dort einer Qualitäts- und Isolationsprüfung unterzogen wer- den.

In den folgenden Darstellungen ist aus Darstellungsgründen teilweise eine gerade, also ungekrümmte Darstellungsform gewählt, die sich aber in technisch-physikalischer Hinsicht nicht von einer gekrümmtem Form, wie sie einem Ringmotor 1 zu Grunde liegt unterscheidet. Um die Montage des Ringmotors 1 weiter zu vereinfachen weist der Rotor 12 erfindungsgemäß eine Zahnstruktur 20 gemäß FIG 5 auf, die sowohl im Bereich eines Rotorgrundkörpers 29 wie auch im Bereich der Riegel 30 geblecht ausgeführt. Außerdem werden zur weiteren Vereinfachung der Montage des Ringmotors 1 die Permanentmagnete 31 am Stator 6 bzw. Statorsegment 23 angeordnet. Die Anordnung der Permanentmagnete 31 am Statorsegment 23 in der Luftspaltebene ist, insbesondere streifenförmig ausgeführt. Die Permanentmagnete 31 sind bei dieser Längsfluss-Variante im Wesentlichen parallel zu den Riegeln

30, die als Flussleitstücke fungieren, ausgerichtet. Zur Verringerung von Drehmomentenwelligkeiten können die Permanentmagnete 31 jedoch gezielt in einer Art Schräglage zu ihrem eigentlichen axialen Verlauf positioniert sein.

Diese Schrägung wird durch den Blechschnitt und damit den axialen Verlauf der Nuten 26 bestimmt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Zahn- struktur 20 aus Blechen hergestellt, die über die axiale Länge des Rotors 12 hintereinander gestapelt werden. Dabei sind die jeweiligen Bleche eines Rotorsegments 21 mit Rotorgrundkörper 29 und Riegel 30 aus einem Teil, also einstückig ausgeführt. Durch das hintereinander Stapeln der Bleche entsteht die Zahnstruktur 20 des Rotorsegments 21 mit den Riegeln 30. Die Art der Blechung ist in FIG 5 angedeutet.

Die Zahnstruktur 20 des Rotors 12 ist in Umfangsrichtung durch Rotorsegmente 21 aufgebaut, so dass ein Rotorsegment 21 an das nächste Rotorsegment 21 angrenzt. Derartige weitere in Bewegungsrichtung also in Umfangsrichtung angrenzende Rotorsegmente 21 sind in der Darstellung gemäß FIG 5 jedoch nicht dargestellt. Die Darstellung gemäß FIG 5 zeigt weiterhin die Permanentmagnete 31. Die Permanentmagnete sind N-S-Permanent- magnete oder S-N-Permanentmagnete . Diese Permanentmagnete 31 erstrecken sich beispielsweise über eine gesamte axiale Blechpaketbreite 61 des Stators 6. sind Um die magnetische Streuung zu reduzieren sind Pollücken 62 vorgesehen. Der Stator 6 ist in einer weiteren Ausführungsform nach FIG 6 derart ausgebildet, dass dieser dem Luftspalt zugewandte Polschuhe 55 aufweist. Die Polschuhe 55 verbreitern die Auflagefläche für Permanentmagnete 31. Hierdurch lässt sich die Kraftausbeute des Ringmotors 1 erhöhen.

Weitere Motorstränge (z.B. V und W) sind gleich aufgebaut. In der dargestellten Position erzeugen die Permanentmagnete 31 die magnetischen Erregerflüsse, deren Summe die Flussverket- tung ψ des Wicklungssystems 4 bildet.

Jeder Strang U, V, W ist für eine Phase eines Drehstromnetzes vorgesehen. Die erforderliche Phasenverschiebung wird durch den geometrischen Versatz der Stränge untereinander erreicht. Der geometrische Versatz Δx entspricht dabei 120° elektrisch für eine beispielsweise dreisträngige Maschine. Jedem Strang U, V und W ist nicht nur eine Zahnspule 25 des Wicklungssystems 4 zugeordnet ist, sondern es sind zwei oder mehr Zahnspulen 25 für jeweils einen Strang U, V und W des Ringmo- tors 1 vorgesehen.

Die Zahnstruktur 20 ist dabei pro Rotorsegment 21 einstückig ausgeführt .

Die Darstellung gemäß FIG 7 zeigt explizit die Ringform eines erfindungsgemäß möglichen Ringmotors 1. Der Ringmotor 1, der als Synchronmotor ausgeführt sein kann, weist einen Stator 6 und einen Rotor 12 auf. Der Rotor 12 ist um eine Achse 33 drehbar, die auch die Achse des in diesem Fall nicht näher dargestellten Mühlenkörpers 10 ist. Der Stator 6 weist um

Zähne angeordnete Zahnspulen 25 mit Polschuhe 55, und Permanentmagnete 31 auf. Die Statorsegmente 23 stoßen an den Trennstellen 24 aneinander und sind dort miteinander mechanisch verbunden.

Die Darstellung gemäß FIG 8 zeigt einen Detailausschnitt aus der Darstellung gemäß FIG 7. In der FIG 8 ist die Positionie- rung der Permanentmagnete 31 am Luftspalt in physikalischer Anlehnung an die vorigen Ausführungsformen dargestellt.

Die Darstellung gemäß FIG 9 zeigt einen Ausschnitt des Sta- torsegments 23 und die Zahnstruktur 20 eines Rotorsegments 21. Dieser Ausschnitt gibt schematisch wieder, wie sich magnetische Felder in einem Stator 6 aufteilen können, wobei dabei die Form einer Seitenansicht gewählt ist. In der FIG 9 ist eine Windung des Wicklungssystems 4 gezeigt. Weiterhin ist gezeigt, dass der Ausschnitt des Stators 6 sowie die

Zahnstruktur 20 in Sektionen aufteilbar sind. Der Stator 6 weist Primärsektionen 50, 51, 52 und 53 auf, wobei sich diese Primärsektionen auf die Permanentmagnete 31 beziehen. Diese Sektionen sind dabei Bereiche, in welchen entsprechend der Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 31 der magnetische Fluss entweder vom Rotorsegment 21 weg bzw. zum Rotorsegment 21 hin verläuft. Der Verlauf ist mit Pfeilen 38 dargestellt .

Die Summe aller mit dem Wicklungssystem 4 verketteten magnetischen Flüsse bildet einen Verkettungsfluss ψ. Der Verket- tungsfluss wird hauptsächlich durch die Permanentmagnete erzeugt, die einen magnetischen Rückschluss über das Rotorsegment 21 ausbilden können. Die unterschiedlich langen Fluss- pfeile 36, 37 zeigen für jeden Permanentmagneten 31 den mit dem Wicklungssystem 4 (Zahnspule) verketteten Fluss. Das Rotorsegment 21 weist entsprechend den vorhandenen Riegeln 30 auch Sektionen auf. Diese Sekundärsektionen 40, 41, 42 und 43 entsprechen also den Abschnitten in welchen ein Riegel 30 vorhanden bzw. nicht vorhanden ist. Mittels der Riegel 30 ist ein magnetischer Fluss führbar. Ein magnetischer Erreger- fluss, welcher beispielsweise durch einen Nord-Süd-Permanentmagneten hervorgerufen wird, schließt sich über den Riegel 30 und den Stator 6 in einer Sektion 50 in Verbindung mit der Sektion 40. Dabei weist der Stator 6 beispielsweise hinter einem ersten Nord-Süd-Permanentmagneten (N-S-Permanentmagnet) einen weiteren Permanentmagneten auf, welcher in entgegengesetzter Richtung magnetisiert ist, so dass dieser ein S-N- Permanentmagnet ist. Ein derartiger Permanentmagnet ist jedoch in der FIG 9 nicht dargestellt, da dieser dahinter angeordnet ist.

An den Positionen, wo ein Riegel 30 einem Permanentmagneten 31 gegenüberliegt, ergibt sich ein schmaler Luftspalt 35. An benachbarten Positionen ohne einen Riegel 33 ergibt sich ein weiter Luftspalt 35. Dadurch, dass die Luftspalte 35 und 37 nicht gleich sind, werden in Sektionen 50, 52 und 51,53 durch Permanentmagnete 31 unterschiedlich starke magnetische Flüsse 36 und 37 erzeugt. Der resultierende Fluss 63 ergibt sich als Summe aller Flüsse 36 und 37.

Die Darstellung gemäß FIG 9 zeigt den magnetischen Erreger- fluss 36, 37 zeitlich zu dem Zeitpunkt und für die Position von Statorsegments 23 und Rotorsegment 21 an, bei welchem ein Strom in dem Wicklungssystem 4 einen Nulldurchgang hat. Der positionsabhängige Verlauf des magnetischen Erregerflusses bzw. der induzierten Spannung in der Wicklung und der dabei umgesetzten Leistung eines bestromten Motors sind in Fig. 11 dargestellt. Für die in FIG 9 dargestellte Position des Rotorsegments 21 X=O ergibt sich ein negativer Verkettungsfluss ψ, für die eine Position X=τ_M, welche in FIG 10 dargestellt ist, ein positiver Fluss ψ. Die Darstellung gemäß FIG 10 zeigt das Rotorsegment 21 also in einer Position X=τ_M. Bewegt sich das Rotorsegment 21 also um eine magnetische Polteilung, ändert sich dadurch die Flussverkettung 63 der Zahnspule 25 (Wicklungssystems 4) allmählich von einem negativen zu einem positiven Wert.

Wie die Änderung verläuft kann durch Geometrieparameter wie Permanentmagnetbreite, Luftspalt, Zahnbreite (Breite der Riegel 30) usw. beeinflusst werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine möglichst sinusförmige Änderung ange- strebt.

Die Darstellung gemäß FIG 11 zeigt in drei Graphen den magnetischen Verkettungsfluss ψ, die daraus resultierende indu- zierte Spannung U₁ und die elektrische Leistung P_ei,_str eines Strangs/einer Wicklung, im zeitlichen Verlauf. Der zeitliche Verlauf wird durch die Angabe der Phasenposition der Spannung repräsentiert. Der Verlauf des Flusses ψ gibt auch den Ver- lauf des magnetischen Feldes wieder, welches z.B. mittels Permanentmagneten 31 erzeugbar ist. Für die optimale Kraftbildung eines Stranges muss der Strom in Phase mit der induzierten Spannung eingeprägt werden. Weiterhin sind die Positionen X=O und X=τ_M gezeigt, wobei sich diese Positionen zu- sammen mit den weiteren dargestellten Verläufen von Fluss ψ, Spannung U₁ und elektrischer Leistung P_ei,_str auf die symbolische Darstellung gemäß FIG 9 und 10 beziehen. Aus dem dritten Graphen, auf welchem die elektrische Leistung aufgetragen ist, ist ersichtlich, dass für eine konstante Leistung (~ Kraft) die Anzahl der Motorstränge m größer und/oder gleich zwei sein muss. Vorteilhafterweise sind drei Stränge gewählt, da dreisträngige Umrichter weniger Halbleiterventile benötigen als zwei- oder mehrsträngige .

Jedoch sind für Anwendungen bei Ringmotoren mehrsträngige Systeme auch einsetzbar.

Die Darstellung gemäß FIG 13 dient zur Veranschaulichung des technischen Prinzips und veranschaulicht die Erzeugung einer Kraft F. Um die Kraftbildung in Umfangsrichtung eines Ringmotors 1 etwas anschaulicher zu machen, wird ein Hilfsmodell vorgestellt. Ein Permanentmagnet 31 wird durch Ströme auf einer dieser zugehörigen Mantelfläche ersetzt. Der Permanentmagnet 31 lässt sich also beispielsweise durch einen Quader gedanklich repräsentieren, wobei auf den Seitenflächen des

Quaders 44, wie dargestellt, Strom fließt. In einem Modell 45 lässt sich also der Permanentmagnet 31 durch eine Wicklung repräsentieren, wobei gemäß dem Modell die Richtung des Stromes innerhalb der Wicklung durch einen Punkt 48 bzw. einem Kreuz 47 dargestellt ist. In der Darstellung 2D wird der Permanentmagnet auf den Leiterquerschnitt der äquivalenten Ströme reduziert. Substituiert man nun in der Seitenansicht des Stators die Permanentmagnete, ergibt sich die darauf folgende Anordnung .

Das durch das Wicklungssystem 4 erzeugte magnetische Feld konzentriert sich im Luftspalt 35 an den Stellen der Riegel 30, welche als Flussleitstücke dienen, da hier der magnetische Widerstand am geringsten ist. Die fiktiven Leiter liegen also im Feld der Strangspule, verstärken es auf der einen und schwächen es auf der anderen Seite. Die Leiter „weichen" in den Bereich geringerer Feldstärke aus, was mit der Richtung der auf den Stator wirkenden Kraft F in FIG 13 dargestellt ist. Dieser Zusammenhang wird auch durch die „Rechte-Hand- Regel" beschrieben, bei der der Strom, das magnetische Feld und die Kraft F in einem rechten Winkel stehen. In der in FIG 13 gezeigten Lage X=τ_M/2 von Stator 6 und Rotorsegment 21 zueinander erreicht der Strangstrom, also der Strom durch die Wicklung, also die Zahnspule 25 sein Maximum.

Die Darstellung gemäß FIG 12 zeigt einen Statorsegment 23 und ein Rotorsegment 21, die einen schematisierten Teil eines Ringmotors 1 darstellen.

Das Rotorsegment 21 ist gemäß FIG 12 sowohl im Bereich des Rotorgrundkörpers 29 wie auch im Bereich der Riegel 30 ge- blecht ausgeführt. Die Anordnung der Permanentmagnete 31 in der Luftspaltebene ist streifenförmig ausgeführt. Die Permanentmagnete 31 sind bei dieser Längsfluss-Variante im Wesentlichen parallel zu den Riegeln 30 (Flussleitstücken) ausgerichtet. Zur Verringerung von Drehmomentenwelligkeiten können die Permanentmagnete 31 und damit der Verlauf der Nuten 26 um einen vorgebbaren Winkel bezüglich ihrer axialen Ausrichtung geschrägt angeordnet sein.

Der Teil eines Statorsegments 23 weist eine Zahnspule 25, Permanentmagnete und gerade, d.h. mit parallelen Nutflanken ausgebildete bewickelte Zähne 27 aus. Die Permanentmagnete 31 sind N-S-Permanentmagnete oder S-N- Permanentmagnete . Diese Permanentmagnete 31 erstrecken sich beispielsweise über eine gesamte Blechpaketbreite 77 des Stators 6. Die Permanentmagnete 31 können aber auch grundsätz- lieh in ihrer axialen Erstreckung und/oder in ihrer Erstreckung in Umfangsrichtung in mehrere Teilmagnete unterteilt sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft um Wirbelströme innerhalb der Permanentmagnete 31 zu verringern.

Die Darstellung gemäß FIG 14 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere mögliche Ausführungsform eines Ringmotors 1. Das Statorsegment 23 weist dabei Polschuhe 55 auf. Die Polschuhe 55 verbreitern die Auflagefläche für Permanentmagnete 31. Hierdurch lässt sich die Kraftausbeute der elektri- sehen Maschine erhöhen. Da sich durch die Vergrößerung der

Fläche zur Positionierung der Permanentmagnete 31 z.B. gegenüber der Ausführungsform gemäß FIG 12 der Bereich verengt, in welchem ein Wicklungssystem 4, insbesondere eine Zahnspule 25 im Stator 6 bzw. Statorsegment 23 einlegbar ist, ist der Zahn vorteilhafterweise mit einem Wickelkörper 56 ausgeführt.

Der Wickelkörper 56 weist sowohl einen Polschuh 55 wie auch einen Wickelhals 57 auf. Um den Wickelhals 57 ist eine Wicklung wickelbar oder eine vorgefertigte Zahnspule 25 positio- nierbar, wobei der bewickelte Wickelkörper 56 anschließend in dem Statorsegment 23 positionierbar ist. Der Wickelkörper 56 ist vorteilhafterweise mittels Nasen oder schwalbenschwanzähnlichen Elementen am Statorsegment 23 fixiert.

In FIG 14 ist die Wicklung als Strang U eines Ringmotors 1 bezeichnet. Weitere Motorstränge (z.B. V und W) sind durch gleich aufgebaute Statorsegmente 23 realisierbar, jedoch nicht dargestellt. In der dargestellten Position erzeugen die Permanentmagnete 31 die magnetischen Erregerflüsse, deren Summe die Flussverkettung ψ der Zahnspule 25 bildet.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Wickelkörper 56 e- benfalls zweigeteilt, um eine einfache Montage der Zahnspulen am Statorsegment 23 zu gewährleisten. Dabei bildet der Wickelhals 57 mit dem Jochrücken 65 eine Einheit und der Polwird nach Montage der Zahnspule 25 auf dem Wickel- durch die oben genannten Befestigungsmittel am Wi- ckelhals 57 positioniert und fixiert.

FIG 15 zeigt in schematischer Darstellung einen Teil eines Stator- und Rotorsegments 21 eines Ringmotor 1 mit einem Längsfluss-Magnetkreis . Dieser entspricht der Darstellung ge- maß FIG 14, wobei lediglich der Wickelkörper 56 einteilig mit dem Statorsegment 23 verbunden ist. Dies hat zur Folge, dass die Zahnspule 25 über den Nutschlitz 64 in die Nut 26 geträufelt werden muss.

Die Darstellung gemäß FIG 16 zeigt eine mehrsträngige Anordnung eines Ringmotors 1. Jeder Strang ist für eine Phase eines Mehrphasenstromnetzes z.B. eines Drehstromnetzes vorgesehen. Die erforderliche Phasenverschiebung wird durch den geometrischen Versatz der Stränge untereinander erreicht. Der geometrische Versatz Δx entspricht dabei 120° elektrisch für die dargestellte dreisträngige Maschine. Jedem Strang U, V und W des Statorsegments 23 sind dabei in dieser Darstellung zwei Zahnspule 25 zugeordnet ist. Die Anzahl der Stränge und/oder die Anzahl der Zahnspulen 25 pro Strang ist dabei grundsätzlich nicht beschränkt, wird aber durch die praktische Ausführbarkeit nach oben begrenzt.

Die Darstellung gemäß FIG 17 zeigt eine weitere Ausführung eines Ringmotors 1, wobei hier als Permanentmagnete 31 Zahn- magnete verwendet sind. Die Zahnmagnete 58, welche eben auch Permanentmagnete sind, befinden sich zwischen z.B. geblechtem Weicheisenmaterial. Das durch die Zahnmagnete 58 erzeugte weitere magnetische Feld 54 ist durch Linien mit Pfeilen gekennzeichnet. Die Magnetisierungsrichtung 59 der Permanent- magnete 31 ist ebenfalls durch Pfeile veranschaulicht. Die

Zahnmagnete sind im Wesentlichen mittig in einem Zahn positioniert und verlaufen im Wesentlichen parallel zu einer Spulenachse der Zahnspule 25. Der Zahn 27 ist von einer Zahnspu- Ie 25 umgeben. Das magnetische Erregerfeld ist das weitere magnetische Feld, welches mittels der Zahnmagnete 58 erzeugt ist. Diese konstruktive Anordnung führt zur Flusskonzentration am Luftspalt. Die Flusskonzentration wird durch die Mag- netkreisgeometrie bestimmt. Einflussgrößen sind dabei beispielsweise die Abmessungen der Permanentmagnete 31 und die Blechschnittsabmessungen. Die Magnetisierungsrichtung 59 der Zahnmagnete 58 (der Zahnmagnet ist ein Permanentmagnet 31) ist hauptsächlich parallel zu einer Luftspaltebene des Luft- spaltes.

Die Zahnteilung des Rotorsegments 21 des Ringmotors 1 nach FIG 17 ist kein ganzzahliges Vielfaches der Magnetteilung des Statorsegments 23. Dies gilt insbesondere für den Mittelwert, falls die Zahn- oder Magnetteilung nicht konstant sind.

Das Wicklungssystem 4, insbesondere die Anordnung der Zahnspulen 25 ist ebenfalls ein- oder mehrsträngig ausgeführt. Die Zuordnung der Zahnspulen 25 zu einzelnen Motorpha- sen ist vom gewählten Zahnteilungsverhältnis zwischen dem

Stator 6 und dem Rotor 12 abhängig. Die Darstellung gemäß FIG 17 zeigt bei den Zähnen 27 des Stators 6 eine andere Zahnteilung als bei den Zähnen des Rotors 6, die durch Riegel 30 gebildet werden.

Dabei kann ein mehrphasiger Ringmotor 1 sowohl für eine gleiche als auch für ungleiche Zahnteilung am Stator 6 und Rotor 12 realisiert werden. Eine gleiche Zahnteilung ist beispielsweise in FIG 14 und FIG 15 dargestellt.

Die Darstellung gemäß FIG 18 unterscheidet sich von der Darstellung gemäß FIG 17 im Wesentlichen dadurch, dass anstelle von Zahnmagneten 58 nunmehr Jochmagnete 60 als weiteres Mittel zur Erzeugung weiterer magnetischer Felder eingesetzt sind. Die Jochmagnete 60 sind auch Permanentmagnete 31 und sind im Bereich eines Joches positioniert. Das Joch dient zur Verbindung von Zähnen 27. Aus der Positionierung dieser Mag- nete im Vergleich zu FIG 17 ergibt sich in FIG 18 auch ein anderes Erregerfeld.

Die Darstellung gemäß FIG 17, 18 zeigt einen Stator 6 eines Ringmotors 1, der aus einzelnen Zähnen aufgebaut ist, wobei jeder Zahn eine Zahnspule aufweist und wobei die Zahnelemente durch Magnetelemente verbunden sind. Damit kann der Fluss verstärkt werden und es sind keinerlei Permanentmagnete oder ein weiteres elektrisches Erregungssystem auf dem Mühlenkör- per 10 vorzusehen. Dort ist lediglich die Zahnstruktur 20 vorhanden .

Es sind, wie in FIG 14 oder 15 dargestellt, pro Zahnkopf auch mehrere Permanentmagnete 31 möglich. Dabei ergibt sich aber bei Verbreiterung des Zahnkopfes das Problem, die Zahnspulen 25 in die vorhandenen Nuten 26 einzusetzen. Dieses Problem kann dadurch umgangen werden, dass der Wickelhals 57 des Zahns als Ganzes mit seinen Permanentmagneten vorab mit der Zahnspule bestückt wird und über Schwalbenschwanzverbindungen in einem Jochrücken 65 positioniert wird.

Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft zwischen Permanentmagneten 31 eines Polschuhs 55 mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung Flusssperren 32 vorgesehen, um „magnetische Kurzschlüsse" zu vermeiden.

Erfindungsgemäß ist der Ringmotor 1 als Direktantrieb von Erzmühlen oder Rohrmühlen sowohl bzgl. des Stators 6 als auch des Rotors 12 in Umfangsrichtung betrachtet segmentartig aus- geführt.

Der Rotor weist im zusammengebauten Zustand, d.h. wenn die Rotorsegmente 21 aneinandermontiert sich auf dem Mühlenkörper 10 befinden lediglich ein Zahnstruktur 20 auf.

Diese Zahnstruktur 20 wird durch einen Rotorgrundkörper 29 und darauf in Richtung Luftspalt des Ringmotors radial weisende Riegel 30 ausgebildet. Die Zahnstruktur 20 eines jeden Rotorsegments 21 ist dabei einstückig und massiv ausgeführt, bildet sozusagen ein Einzelteil.

Des Weiteren kann die Zahnstruktur 20 eines Rotorsegments 21 auch durch axial hintereinander angeordnete Bleche geschaffen werden. Jedes Blech ist dabei auch einstückig ausgeführt, Rotorgrundkörper 29 und Riegel 30 eines Blechs bilden ein Teil.

Außerdem sind sowohl Riegel 30 und Rotorgrundkörper 29 auch als separate Teile ausführbar, unabhängig davon ob das Rotorsegment 21, d.h. damit die Einzelteile Rotorgrundkörper und Riegel 30 massiv und/oder geblecht ausgeführt sind.

Folgende Varianten eines Rotorsegments 21 sind damit ausführ- bar. Rotorgrundkörper 29 und als separates Teil Riegel 30 geblecht ausgeführt. Rotorgrundkörper 29 massiv und Riegel 30 geblecht ausgeführt. Rotorgrundkörper 29 geblecht und Zumindest ein Riegel 30 massiv ausgeführt.

Der Stator 6 des Ringmotors 1 ist aus Statorsegmenten 23 aufgebaut, wobei jedes Statorsegment 23 Zahnspulen 25 aufweist. Zumindest eine Zahnspule 25 befindet sich an jedem Zahn oder jeden zweiten Zahn. Die Zähne sind somit alle zumindest mit jeweils einer Zahnspule 25 bewickelt oder es ist in Umfangs- richtung betrachtet nur jeder zweite Zahn zumindest mit jeweils einer Zahnspule 25 bewickelt.

Das Statorsegment 23 ist geblecht oder gesintert ausgeführt.

Die Nuten des Stators 6 sind entweder parallelflankig oder zumindest die bewickelten Zähne weisen in Richtung Luftspalt eine Verbreiterung der Polschuhe 55 auf.

Die Montage der Zahnspulen 25 auf die Zähne des Statorseg- ments 23 erfolgt von der späteren Luftspaltseite her über die Polschuhe 25 und bei verengten Nutschlitzen 64 durch Einträufeln oder indem ein Zahn als Wickelkörper 56 mehrteilig ausgebildet ist. Entweder ist dabei der Polschuh 55 am Wickel- oder der Wickelhals 57 am Jochrücken 65 positionierbar .

Die Permanentmagnete 31 befinden sich auf der dem Luftspalt zugewandten Seite oder im Stator 6 in den Zähnen 27 als Zahnmagnet 58 oder im Jochrücken als Jochmagnet 60 den und sind einstückig oder mehrteilig ausführbar. Die Magnetisierungsrichtung der Remanentmagnete 31 ist dabei frei wählbar, je nach Anordnung sind Flusssperren 32 vorzusehen.

Die Teilung der Zahnstruktur 20 des Rotors 12 ist dabei ein ganzzahliges Vielfaches der Magnetteilung des Stators 6 wie z.B. in FIG 14 und FIG 15, oder aber die Zahnstruktur 20 des Rotors 12 ist unterschiedlich von diesem ganzzahligen Vielfa- chen der Magneteilung des Stators 6, wie z.B. in FIG 16 dargestellt .

Dadurch ist eine vorgebbare Drehmomentenwelligkeit bewusst wählbar oder auch dementsprechend vermeidbar.

Des Weiteren ist die Zahnstruktur 20 zwischen den Riegeln 30 mit geeignetem Material, z.B. mit Kunststoff gefüllt, um Schmutzablagerungen zu vermeiden.

Die Zahnstruktur 20 kann durch von einander beabstandeten

Riegeln 30 gebildet werden, wobei die zwischen den Riegeln 30 vorhandene Lücke der Breite der Riegeln 30 entspricht. Diese Lücke kann aber auch kleiner oder größer als die Breite der Riegel 30 sein.

Des Weiteren ist es auch möglich in Umfangsrichtung betrachtet, unterschiedliche Riegelabstände zu realisieren. Dies gelingt insbesondere durch einzelne Rotorsegmente 21 mit jeweils definierten unterschiedlichen Riegelabständen.

Somit lassen sich durch Austausch der Rotorsegmente 21, mit anderen Riegelabständen andere Motoreigenschaften herstellen. Diese aufgeführten Varianten von Stator 6, Statorsegmenten 23, Ausführungsformen der Zähne des Stators 6, Rotor 12, Rotorsegmenten 21, Zahnstruktur 20, Materialien von Stator 6 und Rotor 12, Ausführungsformen der Permanentmagneten 31, Material und Abstände der Riegel 30 etc. sind bei Realisierung eines Ringmotors 1 im MW-Bereich (von einigen bis über 20 MW) über die bereits dargestellten Ausführungsformen in beliebiger Kombination umsetzbar.

Claims

Patentansprüche

1. Ringmotor (1) als Direktantrieb, insbesondere für Erzmühlen oder Rohrmühlen mit einem Stator (6) und einem als rotie- rendem Mühlenkörper (10) ausgebildeten Rotor (12), wobei der Stator (6) zumindest zwei unterschiedliche Erregungssysteme aufweist und der Mühlenkörper (10) eine gezahnte Struktur aufweist, die mit den Erregersystemen des Stators (6) elektromagnetisch wechselwirkt und somit eine Rotation des Mühlen- körpers (10) bewirkt.

2. Ringmotor (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erregersysteme als strom- durchflossenes Wicklungssystem (4) und als permanentes Mag- netsystem ausgeführt sind.

3. Ringmotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Wicklungssystem (4) in Nuten (26) des Stators (6) untergebracht ist und das per- manent erregte Magnetsystem in Form von Permanentmagneten

(31) im Stator (6) und/oder auf der dem Luftspalt des Ringmotors (1) zugewandten Seite der durch die Nuten (26) gebildeten Zähne (27) gebildeten Polschuhe (55) angeordnet ist.

4. Ringmotor (1) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Permanentmagnete (31) im Stator (6) in den Zähnen (27) des Stators (6) und/oder im Jochrücken (65) positioniert sind.

5. Ringmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Wicklungssystem (4) aus Zahnspulen (25) gebildet ist, wobei zumindest jeder zweite Zahn des Stators (6) zumindest eine Zahnspule (25) aufweist, die diesen Zahn (27) umgibt.

6. Ringmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Stator (6) und/oder der Rotor (12) aus Segmenten aufgebaut ist.

7. Ringmotor (1) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Wicklungen, die als Zahnspulen ausgeführt sind, an Trennstellen (24) von einem Statorsegment (23) zum anderen, derart ausgebildet sind, dass bei Zusammenfügen der einzelnen Statorsegmente (23) an den Trennstellen (24) eine Nut gebildet wird, in der sich die jeweils Hälften zweier unterschiedlicher Zahnspulen (25) befinden .

8. Ringmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gezahnte Struktur des Rotors (12) massiv und/oder geblecht und/oder geschrägt ausgeführt ist.

9. Ringmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass pro Zahn

(27) ein oder mehrere Permanentmagnete (31) vorgesehen sind.

10. Ringmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zahnstruktur (20) des Rotors (12) ein ganzahliges Vielfaches der Magnetteilung des Stator (6) ist oder von einem ganzzahligen Vielfachen der der Magnetteilung des Stators (6) unterschied- lieh ist.