WO2013000007A2

WO2013000007A2 - Elektrische maschine und verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine

Info

Publication number: WO2013000007A2
Application number: PCT/AT2012/050091
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Amrhein; Walter Bauer
Original assignee: Johannes Kepler Universität
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2013-01-03
Also published as: EP2727223A2; WO2013000007A3; AT511659A1

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (1) und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (1) mit mindestens einem insbesondere magnetischen Lager (2, 3), insbesondere einem Axiallager (17), mit wenigstens einem Anker (4), der wenigstens eine Ankerwicklung (4') mit mindestens einem Wicklungskopf (6', 7') aufweist, und mit wenigstens einem Magnetfelderregersystem (5) gezeigt, das in einer Bewegungsrichtung (8) Motorpole (9, 10) mit zumindest teilweise abwechselnder Polarität (11) zur Momenten- und/oder Kraftbildung in diese Bewegungsrichtung (8) aufweist, wobei wenigstens eine Ankerwicklung (4') über mindestens einen Luftspalt (12) mit dem Magnetfelderregersystem (5) magnetisch gekoppelt ist. Um eine konstruktive Einfachheit zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass das Magnetfelderregersystem (5) wenigstens einen Lagerpol (13) umfasst, mit dessen Magnetfeld (15) wenigstens teilweise mindestens ein Wicklungskopf (6', 7') der Ankerwicklung (4') zur Ausbildung von wenigstens einer zur Bewegungsrichtung (8) geneigt verlaufenden Kraft (16), insbesondere Axialkraft für das magnetische Axiallager (17), zusammenwirkt.

Description

Elektrische Maschine und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit mindestens einem insbesondere magnetischen Lager, insbesondere einem Axiallager, mit wenigstens einem Anker, der wenigstens eine Ankerwicklung mit mindestens einem Wicklungskopf aufweist, und mit wenigstens einem Magnetfelderregersystem, das in einer Bewegungsrichtung Motorpole mit zumindest teilweise abwechselnder Polarität zur Momenten- und/oder Kraftbildung in diese Bewegungsrichtung aufweist, wobei wenigstens eine Ankerwicklung über mindestens einen Luftspalt mit dem Magnetfelderregersystem magnetisch gekoppelt ist.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt, die mit Hilfe einer elektrischen Ankerwicklung ein magnetisches Feld erzeugen, das mit Permanentmagneten eines Magnetfelderregersystems zur Drehmomenten- oder Kraftbildung zusammenwirkt, um damit eine Bewegung der elektrische Maschine oder eine Bewegung an der elektrische Maschine in eine gewünschte Richtung zu schaffen. Bekannte Wicklungen teilen sich meist in Wicklungsteile, die zur Momenten- oder Kraftbildung beitragen, und Wicklungsköpfen zur elektrischen Verbindung der vorstehend genannten Wicklungsteile. Wicklungsköpfe führen bei konventionellen elektrischen Maschinen meist jedoch zu störenden Einflüssen hinsichtlich der Funktionalität einer elektrischen Maschine führen und stellen außerdem einen nicht unerheblichen Kostenfaktor im Gehäuseaufbau und Materialeinsatz dar, was nachteilig ist. Der Stand der Technik geht daher in Richtung einer Kostenreduktion bzw. einer Verkleinerung von Wicklungsköpfen, was konstruktiv aufwendig und wiederum zu einem erhöhten Kostenfaktor führen kann, um zu einer standfesten elektrischen Maschine zu gelangen.

Diverse Wicklungsarten, beispielsweise Rauten- oder Schrägwicklung bzw. Maxon- oder Faulhaberwicklung etc., sind aus der DE102006052457A1 , DE102006052455A1 , EP2107668A1 , DE2920749A1 , EP1780871 A1 und/oder US4509564A1 bekannt.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine elektrische Maschine der eingangs geschilderten Art derart zu verbessern, dass trotz eines Wicklungskopfes konstruktive Einfachheit gegeben ist und dennoch geringe Herstellungskosten bestehen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das Magnetfelderregersystem wenigstens einen Lagerpol umfasst, mit dessen Magnetfeld wenigstens teilweise mindestens ein Wicklungskopf der Ankerwicklung zur Ausbildung von wenigstens einer zur Bewegungsrichtung geneigt verlaufenden Kraft, insbesondere Axialkraft für das magnetische Axiallager, zusammenwirkt.

Umfasst das Magnetfelderregersystem wenigstens einen Lagerpol, dann kann dessen Magnetfeld genutzt werden, in der Ankerwicklung eine weitere Kraft zu erzeugen, ohne dass zusätzliche konstruktive Maßnahmen notwendig wären. Durch diesen zusätzlichen Lagerpol können nun auch jene Teile der Ankerwicklung genützt werden, die ansonsten lediglich zur elektrischen Verbindung der zur Momentenoder Kraftbildung beitragen Wicklungsteile vorgesehen sind. Zu diesem Zweck muss lediglich das Magnetfeld wenigstens teilweise mit mindestens einem Wicklungskopf der Ankerwicklung zur Ausbildung von wenigstens einer zur Bewegungsrichtung geneigt verlaufenden Kraft zusammenwirken. Es stehen daher zur Momenten- oder Kraftbildung zusätzliche Leiterteile zur Verfügung, die beispielsweise im Falle eines Linearmotors zur Schaffung einer neuen bzw. weiteren oder zusätzli- chen Bewegungsrichtung oder am Beispiel einer rotierenden elektrischen Maschine auch als Axialkraft für ein magnetisches Axiallager genutzt werden kann. Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Magnetpol und der Lagerpol des Magnetfelderregersystems voneinander beabstandet angeordnet sind. Vorstellbar ist außerdem, dass diese Konstruktion dazu verwendet wird, eventuell störende Einflüsse der Wicklungsköpfe auf die Funktion der elektrischen Maschine zu kompensieren. Die Wicklungsköpfe sind daher nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, lediglich ein nachteiliger Kostenfaktor beim Gehäuseaufbau und beim Materialeinsatz, sondern damit kann die Funktionalität einer elektrischen Maschine erweitert werden. Im Allgemeinen wird hier erwähnt, dass es für einen Fachmann ohne weiteres möglich ist, die Wicklungen des Ankers derart elektrisch zu versorgen, dass damit die Wicklungsköpfe untereinander in Bewegungsrichtung zumindest teilweise eine gemeinsame Stromflussrichtung aufweisen. Diese Stromflussrichtung kann sowohl zur Bewegungsrichtung entgegengesetzt als auch mit dieser Bewegungsrichtung gleichgerichtet der Fall sein. Auf jeden Fall kann so eine Kraft erzeugt werden, die sich in Summe über die Wicklungsköpfe nicht aufhebt und daher zur weiteren Verwendung an der elektrischen Maschine zur Verfügung steht. Mit einer Ankerwicklung können daher zwei nutzbare Kräfte mit unterschiedlichen Kraftrichtungen erzeugt werden, wobei diese Wicklung auch eine flexible Leistungsaufteilung zwischen den Kräften ermöglichen kann. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann daher selbst bei verminderten Herstellungskosten dennoch eine hohe Standfestigkeit bei elektrischen Maschinen mit Wicklungsköpfen ermöglicht werden.

Im Allgemeinen wird festgehalten, dass die Leitungsabschnitte des Wicklungskopfes zur Senkrechten der Bewegungsrichtung zumindest teilweise geneigt sind und die momentenbildenden Leiteranteile des Wicklungsstrangs verbindet. Weiter wird im Allgemeinen erwähnt, dass unter einem Lager Maschinenelemente zum Führen gegeneinander beweglicher Bauteile verstanden werden kann. Solche Lager können Wälzlager, Gleitlager, magnetische Lager, Linearführungen etc. darstellen.

Vorteilhafte Eigenschaften können sich weiter ergeben, wenn der Lagerpol bzw. die Lagerpole in Bewegungsrichtung des Ankers oder des Magnetfelderregersystems im Wesentlichen gleichbleibende Polarität aufweist bzw. aufweisen. Wird nun über die Gesamtlänge bzw. Umfang dieser Bewegungsrichtung der magnetische Fluss integriert, so ergibt sich im Mittel ein verbleibender Nord oder Südpol.

Die zur Bewegungsrichtung geneigte Kraft kann auf einfache Weise erhöht werden, wenn das Magnetfelderregersystem zum Zusammenwirken mit mindestens zwei Wicklungsköpfen wenigstens zwei Lagerpole umfasst, wobei die Lagerpole zueinander im Wesentlichen entgegengesetzte Polarität aufweisen und zwischen sich die Motorpole aufnehmen. Außerdem können so ohne zusätzliche Maßnahmen an der Ankerwicklung jene Wicklungsköpfe verwendet werden, die bereits hinsichtlich deren Stromflusses zur Erzeugung der Kraft geeignet sind. Dadurch können einfache Konstruktionsverhältnisse durch Verwendung der bestehenden beiden Wicklungsköpfe für eine kostengünstige elektrische Maschine genützt werden.

Einfache konstruktive Eigenschaften können sich ergeben, wenn der Wicklungskopf durch in Bewegungsrichtung geneigte Leiterabschnitte des Wickelungsstrangs der Ankerwicklung gebildet wird. Außerdem kann dadurch im Vergleich zu anderen Wicklungen der Wicklungskopf mit einem vergleichsweise geringen Materialaufwand geschaffen werden, was eine kostengünstige elektrische Maschine schaffen kann.

Konstruktive Einfachheit sowie hohe Effizienz und/oder Energiedichte kann sich ergeben, wenn Permanentmagnete die Pole des Magnetfelderregersystems ausbilden. Anstatt der bzw. zusätzlich zu Permanentmagneten sind auch elektrisch versorgte Spulen vorstellbar, bevorzugt für kompakte Bauverhältnisse haben sich jedoch Permanentmagneten herausgestellt. Außerdem kann durch Permanentmagneten auf eine elektrische Leistungserzeugung verzichtet werden, wodurch die mechanische Robustheit verbessert und/oder der Verscheiß reduziert werden kann.

Besondere Konstruktionsverhältnisse können sich ergeben, wenn die Wicklungsstränge der Ankerwicklung als konzentrierte, konzentrische, verteilte und/oder überlappende Spulenanordnungen am Anker ein- oder mehrschichtig vorgesehen sind, insbesondere als Rauten- oder Schrägwicklung bzw. Maxon- oder Faulhaberwicklung vorgesehen sind. Eine konzentrierte Spulenanordnung kann beispielsweise zur Erzeugung einer hinreichend hohe Krafterzeugung geschaffen werden, wobei konzentrierte Wicklungen auch für verhältnismäßig lange Wicklungsköpfe für eine vergrößerte Krafterzeugung genützt werden können. Verteilte Wicklungen können beispielsweise für eine selbstragende Eigenschaft der Wicklung und/oder zur Verkleinerung des Luftspalts genützt werden. Letztenfalls kann für einen vorteilhaften Ein- fluss auf die Kraft- und Momentenbildung bei genuteten Ständerausführen sorgen. Überlappende Spulenanordnungen kann in der Art einer Sehnung zur Oberwellenreduktion in der induzierten Spannung und damit zur Reduktion von Oberschwingungen der elektrischen Maschine genützt werden. Das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine kann durch solche Wicklungen auf einfache Weise verbessert werden, insbesondere wenn Rauten- oder Schrägwicklung bzw. Maxon- oder Faulhaberwicklung vorgesehen werden.

Um auf einfacher konstruktive Weise die Leiteranzahl pro Wicklungsstrang zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Wicklungsstrang der Ankerwicklung zusammengeschaltete Ankerspulen oder Ankerspulengruppen aufweist, die insbesondere um ein Vielfaches der Polteilung versetzt sind. Insbesondere kann durch das Versetzen die Kraftwirkung der Wicklungsköpfe erhöht werden, ohne zur Aufnahme der erhöhten Windungsanzahl die Luftspaltlänge vergrößern zu müssen. Die Zusammenschaltung kann daher insbesondere genützt werden, trotz begrenzter Luftspaltlänge eine große Leiteranzahl vorsehen zu können.

Einfache Konstruktionsverhältnisse können sich ergeben, wenn der Anker den drehfest angeordneten Ständer und das Magnetfelderregersystem den gegenüber dem Anker drehbar gelagerten Läufer ausbildet. Weist der Läufer nun Permanentmagneten auf, dann kann so auf eine Übertragung von elektrischer Leistung in den Läufer verzichtet werden, was zusätzliche konstruktive Vereinfachungen erlauben kann.

Ist der Eisenrückschluss des Magnetfelderregersystems dem Läufer ganz oder teilweise zugeordnet, dann kann mit konstruktiv einfachen Mitteln eine exakte magneti- sehe Führung geschaffen werden, die Streu-, Ummagnetisierungs-, Hysterese- und/oder Wirbelstromverluste reduzieren kann. Ein hoher Wirkungsgrad der elektrischen Maschine kann so gewährleistet werden, zumal damit Wirbelstrom- und/oder Hystereseverluste vermindert werden können.

Kompakte Bauverhältnisse können geschaffen werden, wenn die die Ankerwicklung selbsttragend ausgeführt ist. Damit kann auf einen Ankerkern verzichtet werden, und beispielsweise die Ankerwicklung durch Tränken mit Gießharz als formsteifer glockenförmiger Wickel ausgeführt sein, um so insbesondere eine nutenlose Luftspaltwicklung zu schaffen. Formstabilität kann so durch eine selbstragende Eigenschaft auf konstruktiv einfache Weise gewährleistet werden.

Konstruktive Einfachheit kann geschaffen werden, wenn die zur Kraft- und/oder Momentenbildung in Bewegungsrichtung beitragenden Ankerwicklungsteile und/oder Wicklungsköpfe der Ankerwicklung in Nuten eines ferromagnetischen Trägers des Ankers wenigstens teilweise verlaufen. Außerdem können dadurch die Streuverluste auf einfache Weise vermindert werden, was den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessern kann. Zusätzlich kann damit auch der Luftspalt klein gehalten werden, was einen robusteren bzw. konstruktiv einfacheren Wicklungsaufbau ermöglichen kann.

Ist der Läufer über passive Radiallager, insbesondere magnetische oder mechanische Radiallager, gegenüber dem Ständer gelagert ist, dann kann auf konstruktiv einfache Weise lediglich über die mit Hilfe der Wicklungsköpfe erzeugten Axialkraft eine stabile Lagerung der elektrischen Maschine geschaffen werden. Eine kostengünstige elektrische Maschine kann sich so ergeben, wobei solch einen magnetische Lagerung auch mit einem vergleichsweise geringen stationärem elektrischen Energiebedarf ermöglicht werden kann. Aktive magnetische Lager, Luftlager etc. sind ebenso vorstellbar.

Besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Wicklungskopfs zur Krafterzeugung herausgestellt, wenn die Bewegungsrichtung eine Drehrichtung darstellt. Beispielsweise kann dann die durch den oder die Wicklungsköpfe erzeugte Kraft auch zur magnetischen Lagerung genützt werden, so dass mit einem Wicklungssystem Axialkräfte und Drehmomente erzeugbar sein können. Neben einfachen Konstruktionsverhältnissen können hier auch deutliche Kostenreduktionen genützt werden, weil beispielsweise keine zusätzliche Wicklung zur bestehenden Motorwicklung notwendig wird, um damit Lagerkräfte für eine magnetische Lagerung erzeugen zu können.

Die Erfindung hat sich außerdem ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur magnetischen Lagerung derart zu verbessern, dass ohne erheblichen zusätzlichen Verfahrensaufwand eine stabile und standfeste Lagerung einer elektrischen Maschine möglich ist.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass in mindestens einem Wicklungsstrang eine Spannungs- oder Strom komponente derart zusätzlich eingespeist wird oder die Spannungs- oder Strom komponente in deren Amplitude oder Phasenlage derart verändert wird, dass sich über mindestens einen Wickelkopf des Wicklungsstrangs im Zusammenwirken mit wenigstens einen Lagerpol des Magnetfelderregersystems eine zur Bewegungsrichtung geneigt verlaufende Kraft ausbildet.

Wird in mindestens einem Wicklungsstrang eine Spannungs- oder Stromkomponente derart zusätzlich eingespeist oder die Spannungs- oder Strom komponente in deren Amplitude oder Phasenlage derart verändert, dass sich über mindestens einen Wickelkopf des Wicklungsstrangs im Zusammenwirken mit wenigstens einen Lagerpol des Magnetfelderregersystems eine zur Bewegungsrichtung geneigt verlaufende Kraft ausbildet, dann kann mit einfachen Verfahrensschritten und ohne weitere Maßnahmen eine bestehende Ankerwicklung zur zusätzlichen Krafterzeugung herangezogen werden. Außerdem können aus dem Stand der Technik bekannte Mittel verwendet werden, um das Verfahren zu ermöglichen, welche bereits dazu geeignet sind, in mindestens einem Strang der Ankerwicklung eine Spannungs- o- der Strom komponente zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern für eine Momenten- und/oder Kraftbildung in diese Bewegungsrichtung einzuspeisen. So ist beispielsweise vorstellbar, in einem Wickelstrang eine Gleichspannung einzuprägen, wodurch eine Krafterzeugung im Wicklungskopf im Zusammenwirken mit dem Lagerpol ermöglicht werden kann. Im Falle von mehreren Wicklungsköpfen, kann die Einprägung einer Gleichspannung, auf die konstruktive Ausgestaltung abgestellt, zu Ausbildung einer gemeinsamen Gesamtkraft genützt werden.

Das Verfahren kann weiter vereinfacht bzw. erweitert werden, wenn für die Krafterzeugung in der Luftspaltebene oder deren Nahfeld, insbesondere senkrecht zur Bewegungsrichtung, über die Wicklungsköpfe die Spannungs- oder Stromkomponente der Wicklungsstränge der Ankerwicklung zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern in der Amplitude im Wesentlichen gleichfolgend verändert werden.

Einfache Steuerungsverhältnisse des Verfahrens können sich ergeben, wenn die Strom komponenten der Wicklungsstränge gleiche Amplituden aufweisen und die Summe der Strom komponenten ungleich null ist. Dadurch kann außerdem sichergestellt sein, dass sich die Ströme nicht auslöschen.

Das Verfahren kann weiter vereinfacht bzw. erweitert werden, wenn für die Krafterzeugung über die Wicklungsköpfe die Spannungs- oder Strom komponente der Wicklungsstränge der Ankerwicklung zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern in der Amplitude im Wesentlichen ungleichmäßig verändert werden, um mindestens ein Kippmoment zu erzeugen.

Einfache Verfahrensverhältnisse zur Erzeugung solch eines Kippmoments können sich ergeben, wenn die Strom komponenten der Wicklungsstränge unterschiedliche Amplituden aufweisen.

Erhöhte Standfestigkeit des Verfahrens bzw. der magnetischen Axiallagerung kann sich ergeben, wenn die Spannungs- oder Stromkomponente entsprechend einer Positions- und/oder Kippregelung unter Zuhilfenahme von Messung oder Schätzung der Systemzustände des magnetischen Lagers verändert wird. Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Figuren ist beispielsweise der Erfindungsgegenstand anhand von Ausführungsbeispielen näher dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine vereinfachte Ansicht der Fig. 1 zur Funktionsbeschreibung,

Fig. 3 eine abgewickelte Darstellung des nach Fig. 2 dargestellten Aufbaus bei einer Speisung der Ankerwicklung zur Erzeugung einer Axialkraft und Fig. 4 eine Darstellung der Fig. 3 mit einer anderen Anspeisung der Ankerwicklung zur Erzeugung eines Drehmoments,

Fig. 5 eine Schnittansicht einer linear beweglichen elektrischen Maschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine Seitenansicht der elektrischen Maschine nach Fig. 5,

Fig. 7, 8 und 9 Beispiele zu elektrischen Speisungen,

Fig. 10 zwei weitere Ausführungen zu einer Ankerwicklung,

Fig. 1 1 eine Schnittansicht zu einer weiteren rotierenden elektrischen Maschine nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 12 eine Schnittansicht durch einen ferromagnetischen Teil der elektrischen

Maschine nach Fig. 1 1 ,

Fig. 13 eine zu Fig. 1 alternative Ausführungsform mit einem radialen Gleitlager, Fig. 14 und 15 Darstellungen zur Erzeugung eines Kippmoments.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Gemäß dem nach Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel zu einer elektrischen Maschine 1 weist zwei radiale Magnetlager 2 und 3 auf, die für eine stabile Lagerung in radialer Richtung von Anker 4 und des Magnetfelderregersystem 5 sorgen. Die radiale Magnetlager 2 und 3 verhindern außerdem ein Kippen des rotierenden Magnetfelderregersystems 5 gegenüber dem Anker 4. Der Anker 4 weist ein Ankerwicklung 4' mit Wicklungssträngen 6, 7 auf, die je einen Wicklungskopf 6', 7' umfassen. Das Magnetfelderregersystem 5 weist in einer Bewegungsrichtung 8 bzw. Drehrichtung der elektrischen Maschine 1 Motorpole 9, 10 mit abwechselnder Polarität 1 1 zur Momentenbildung in diese Bewegungsrichtung 8 auf. Zu diesem Zweck ist der Anker 4 über zwei Luftspalten 12 mit dem Magnetfelderregersystem 5 magnetisch gekoppelt. Gemäß den Figuren 1 und 2 kann beispielsweise die abwechselnde Polarität 1 1 als Doppelpfeil dargestellt erkannt werden. Um nun konstruktive Einfachheit und dennoch geringe Herstellungskosten zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Wicklungskopf 6', 7' in die Kraft- oder Momentenbildung einzubeziehen. So wird zu diesem Zweck beim Magnetfelderregersystem 5 ein Lagerpol 13 vorgesehen, der in Bewegungsrichtung 8 gleichbleibende Polarität 14 aufweist. Ist nun weiter das Magnetfeld 15 dieses Lagerpol 13 mit den Wicklungsköpfen 6', 7' der Wicklungssträngen 6, 7 magnetisch verkettet bzw. wirkt mit diesen zusammen, dann kann so eine zur Bewegungsrichtung 8 geneigt verlaufende Kraft 16 ausgebildet werden, was insbesondere in der Figur 2 erkannt werden kann. Die Wicklungsköpfe 6', 7' der Wicklungsstränge 6, 7 tragen somit zu einer Krafterzeugung bei, welche Kraft 16 vorteilhaft als Axialkraft 16 zur axialen Stabilisierung der magnetischen Radiallager 2, 3 verwendet werden kann. Die Radiallager 2, 3 können so auch gemeinsam mit den Wickelköpfen zur Stabilisierung der magnetischen Axiallagerung dienen, weil deren Magnetringe 18 und 18' damit axial stabilisiert werden können. Neben einer konstruktiven Einfachheit in der Lagerung kann durch die besondere Erzeugung der Axialkraft durch die Wicklungsköpfe 6', 7' auch auf eine zusätzliche Wicklung verzichtet werden. Eine vorzugsweise kostengünstige elektrische Maschine 1 kann so geschaffen werden. Wie beispielsweise der Fig. 2 entnommen werden kann, wird nun diese Kraft 16 als magnetische axiale Lagerung des sich drehenden Magnetfelderregersystems 5 verwendet, wodurch ein magnetisches Axiallager 17 ohne besondere konstruktive Maßnahmen geschaffen werden kann.

Gemäß Fig. 1 umfasst das Magnetfelderregersystem 5 außerdem zwei Lagerpole

13, 18 mit einer im Wesentlichen in Bewegungsrichtung 8 gleichbleibenden Polarität

14, 19. Die Lagerpole 13, 18 jedoch weisen zueinander entgegengesetzte Polarität 14, 19 auf und sind an gegenüberliegenden Seiten des Pols 1 1 zur Momenten- oder Kraftbildung in Bewegungsrichtung 8 angeordnet. Damit können auf einfache Weise beide Wicklungsköpfe 6', 7' zur Kraftausbildung beitragen, um so beispielsweise die maximale Lagerkraft zu vergrößern.

Zur Erzeugung der Axialkraft 16 ist eine entsprechende elektrische Speisung 20 bzw. Anspeisung mit einer nicht näher dargestellten Spannungsquelle der Ankerwicklung 4' vorgesehen, was der Fig. 3 besser erkannt werden kann. Die Stromflüsse 21 und 22 durch die Wicklungsstränge 6, 7, wie im oberen Teil der Wicklungsstränge 6, 7 zu erkennen, verlaufen wenigstens teilweise in eine gemeinsame Richtung bzw. in Bewegungsrichtung 8. Unter Berücksichtigung des diesen Wicklungsköpfen 6' und 7' zugeordneten Lagerpols 13 kann nun eine Kraft 16 erzeugt werden, die sich in Summe über die Wicklungsköpfe 6' und 7' nicht aufhebt. Die Kraftrichtung dieser Kraft 16 ist geneigt, insbesondere senkrecht zur Bewegungsrichtung 8 bzw. Drehrichtung der elektrischen Maschine 1 , weil diese unter Berücksichtigung einer magnetischen Verkettung zwischen den Wicklungsköpfen 6', 7' der Wicklungsstränge 6, 7 und dem in der Polarität 14 in Bewegungsrichtung 8 gleichbleibenden Magnetfeld 15 des Lagerpols 13 des Magnetfelderregersystems 5 erzeugt wird. Diese Kraft 16 kann beispielsweise auch einen Tragkraft für eine magnetische Axiallagerstelle darstellen.

Zur Erzeugung eines Drehmoments werden die Wicklungsstränge 6, 7 beispielsweise gemäß Fig. 4 elektrisch gespeist, wodurch sich bekanntermaßen Drehkräfte 23 in Bewegungsrichtung 8 einstellen und zur Rotation der elektrischen Maschine 1 führen.

Im Allgemeinen wird erwähnt, dass zur elektrischen Speisung der Ankerwicklung 4' bzw. der Wicklungsstränge 6, 7 jegliche analoge und/oder digitale Elektronik zur Steuerung, Regelung, Überwachung und/oder Anspeisung vorstellbar ist. Außerdem können die Spulen der Ankerwicklung 4' bzw. der Wicklungsstränge 6, 7 auch getrennt voneinander gespeist werden, was nicht näher dargestellt worden ist. Gemäß Fig. 1 und insbesondere gemäß Fig. 2 ist zu erkennen, dass der Anker 4 den drehfest angeordneten Ständer 24 und das Magnetfelderregersystem 5 den gegenüber dem Anker 4 drehbar gelagerten Läufer 25 ausbildet.

Weiter ist in Fig. 1 zu erkennen, dass der Eisenrückschluss 26 des Magnetfelderregersystems 5 dem Läufer 25 ganz zugeordnet ist. Dieser Eisenrückschluss 26 dreht sich mit dem Läufer 25 mit, wodurch insbesondere Wirbelstromverluste klein gehalten werden können.

Die Ankerwicklung 4' ist als nutenlose Luftspaltwicklung 41 , selbsttragend ausgeführt, was insbesondere der Fig. 2 entnommen werden kann. Einfache Konstruktionsverhältnisse können damit geschaffen werden.

Nach Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer linear beweglichen elektrischen Maschine 26 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Anker 4 weist eine mehrsträngige Ankerwicklung 4' mit Wicklungsköpfe 6', 7', 6" und 7" auf, wie diese nach Fig. 6 besser erkannt werden können. Weiter ist ein Magnetfelderregersystem 5 vorgesehen, das in einer Bewegungsrichtung 8 Motorpole 9, 10 mit abwechselnder Polarität 1 1 zur Momenten- oder Kraftbildung in diese Bewegungsrichtung 8 aufweist. Gleichwie nach Fig. 1 umfasst das Magnetfelderregersystem 5 in Bewegungsrichtung 8 Lagerpole 13, 18 mit gleichbleibender Polarität 14, 19. Die Wicklungsköpfe 6', 7', 6", 7" der Ankerwicklung 4' sind damit zur Ausbildung von einer zur Bewegungsrichtung 8 geneigt verlaufenden Kraft 16 magnetisch verkettet. Damit kann beispielsweise ein Heben und Senken des Magnetfelderregersystems 4 bzw. des Läufers gegenüber dem Anker 4 ermöglicht werden, die zur magnetischen Lagerung verwendet werden können.

Nach Fig. 7 ist eine entsprechende elektrische Speisung (Spannungs- und/oder Stromspeisung) wenigstens einer zur Kraft- und/oder Drehmomentenausbildung in Bewegungsrichtung vorgesehene Ankerwicklung 4' dargestellt, deren Wicklungsköpfe mit dem Magnetfelderregersystem zur Erzeugung einer zur Bewegungsrichtung geneigten Lagerkraft zusammenwirken. Die Axialkraft 16 für das magnetische Axiallager 17 wird gebildet durch Konstantbestrom ung 27 bzw. 28 aller Wicklungsstränge 6 bzw. 7 der Ankerwicklung 4' derart, dass die Ströme in den Wicklungsköpfen 6', 7' entlang oder entgegen der Bewegungsrichtung 8 gerichtet sind und es dadurch zu einer resultierenden Lorentzkraftbildung kommt. Zur Krafterzeugung in Momentenrichtung bzw. zur Erzeugung eines Drehmoments werden in den Wicklungssträngen 6, 7 zusätzlich zur Konstantbestromung 27 bzw. 28 auch Wechselströme eingeprägt, welche nicht näher dargestellt worden sind. Durch die Konstantbestromung 27 bzw. 28 in Modulation mit den Wechselströme zur Erzeugung eines Drehmoments ergibt sich nun resultierende Strom komponente 29, 20.

In Fig. 9 ist eine weitere elektrische Speisungen der Ankerwicklung 4' für die Krafterzeugung in der Luftspaltebene, insbesondere senkrecht zur Bewegungsrichtung 8 gezeigt. Hier wird die Strom komponente 27, 28 der Wicklungsstränge 6, 7 der Ankerwicklung 4' in der Amplitude gleichfolgend verändert, in dem auf den drehmomentbildenden Stromkomponente 31 , 32 der kraftbildende Stromanteil 27, 38 moduliert wird, was eine resultierende Stromkomponente 29, 30 ergibt. Der Einfachheit halber weisen die Strom komponenten 27, 28 der Wicklungsstränge 6, 7 - - gleiche Amplituden aufweisen. Deren Summe ist ungleich null.

In Fig. 8 ist eine weitere elektrische Speisungen der Ankerwicklung 4' für die Erzeugung eines Kippmoments dargestellt. Hierfür werden über die Wicklungsköpfe 6', 7' die Strom komponente 27', 28' der Wicklungsstränge 6, 7 der Ankerwicklung 4' zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern in der Amplitude ungleichmäßig verändert. Hierfür wird eine unterschiedlich hohe Konstantbestromung 27, 28 verwendet, um den Wechselströmen 29, 30 verschiedene Offsets zuzuordnen. Der Einfachheit halber weisen die Stromkomponenten 27', 28' der Wicklungsstränge 6, 7 unterschiedliche Amplituden auf, wie dies der Fig. 8 entnommen werden kann.

Nach den Figuren 14 und 15 ist die Erzeugung eines Kippmoments näher dargestellt. Gemäß Fig. 14 ergibt sich eine Kraftausbildung in x-Richtung - gemäß Fig. 15 ergibt sich eine Kraftausbildung in y-Richtung. Sämtliche eingezeichneten Stromflüsse 49, 50 sind rotorwinkelunabhängig. Die Darstellungen beziehen sich auf ei- nen Anker 4 mit vier Spulen 51 , 52, 53 und 54 und zwei Motorpolpaaren. Diese elektrische Maschine 1 weist somit Einphasencharakteristik auf. Die Amplituden der Stromflüsse 49, 50 unterscheiden sich zur Kippmomenten-Erzeugung voneinander, wie bereits vorstehend erläutert. Weil die Kraftangriffspunkte der elektromagnetisch erzeugten Lorentzkräfte und der Schwerpunkt des Rotors verschoben sind, entstehen aufgrund der oben beschriebenen Ansteuerstrategie Momente in der xy-Ebene. Die so erzeugten Kippmomente sind rotorwinkelunabhängig. Durch gezielte Bestromung (Gewichtung der Spulenströme) lassen sich die Kippmomente in beliebige Richtung einstellen.

Die Spulen/Stränge können insbesondere auch sternverschalten (mit Nullpunktan- schluss) sein (Reduktion der Komplexität). Natürlich ist auch der Betrieb im Einzelstrang möglich.

In Fig. 10 werden wird ein Rauten- bzw. Schrägwicklung bzw. Maxon- oder Faulhaberwicklung 33, 34 gezeigt, welche Wicklungen 33, 34 ebenso für die Ankerwicklung 4' vorstellbar sind.

Einfache konstruktive Eigenschaften können sich ergeben, wenn der Wicklungskopf 6', 7' durch in Bewegungsrichtung geneigte Leiterabschnitte 34, 35 des Wickelungsstrangs 6 der Ankerwicklung 4' gebildet wird, wie dies beispielsweise anhand der Faulhaberwicklung 34 in Fig. 10 erkannt werden kann.

Gemäß dem nach Fig. 1 1 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Maschine 37 mit einem Innenläufer als Magnetfelderregersystem 5 und einem genuteten Anker 4 auf. Der elektrischen Maschine 37 sind mehrere Sensoren 38, 39 zugeordnet, mit denen die Axiallage bzw. Kipplage des Magnetfelderregersystems 5 bzw. der daran befestigten Welle 40 gemessen werden kann.

Bei dieser elektrischen Maschine 37 werden sowohl die Axialkräfte 16 als auch ein Drehmomente in Bewegungsrichtung 8 durch Grenzflächenkräfte zwischen Eisen und Luftspalt erzeugt. Zu diesem Zweck müssen die zur Kraftbildung beitragenden Wicklungsköpfe 6', 7' der Ankerwicklung 4' in Nuten 42 eines ferromagnetischen Trägers 43 des Ankers 4 wenigstens teilweise verlaufen, um einen Angriffspunkt für die Grenzflächenkräfte zu ermöglichen. Besonders wichtig ist die eingezeichnete Unterbrechung des Statoreisenpakets zwischen Motorteil und axialkrafterzeugen- dem Wickelkopfteil des Statorpakets. Diese magnetisch nichtleitende Unterbrechung 44 dient als Flussbarriere und verhindert den Rückschluss des Flusses des Wicklungskopfes auf einem Weg, der zu keiner Axialkraftbildung führen würde. Außerdem weist der Anker 4 weitere nicht ferromagnetische Teile 45 auf. Ansonsten unterscheidet sich diese elektrische Maschine 37 nach Fig. 1 1 nicht wesentlich von der elektrischen Maschine 1 nach Fig. 1 . Die radiale Stabilisierung und die Stabilisierung der Kippbewegung der Welle erfolgt durch permanentmagnetische Radiallager 2 und 3. Stirnseitig sind ein Sensor 39 zur vorgesehen. Die Radiallager 2, 3 werden mit ringförmig ausgeformten Distanz- und Haltebuchsen ausgeführt. Auch hier wird mit Hilfe der Wicklungsköpfe 6', 7' eine Axialkraft 16 erzeugt, um eine axiale Lagerung der Welle 40 zu ermöglichen - ein magnetisches Axiallager 17 kann sich so auf einfache konstruktive Weise ergeben. In Fig. 12 ist eine Schnittansicht durch den ferromagnetischen Träger 43 der elektrischen Maschine 37 nach Fig. 1 1 zu erkennen, wo die Längsnuten 44 zum Ausdruck kommen.

Nach Fig. 13 wird eine weitere Ausführungsform einer elektrischen Maschine 46 dargestellt. Diese elektrische Maschine 46 weist zum Unterschied zur nach Fig. 1 dargestellten elektrischen Maschine 1 anstatt radialer Magnetlagern 2 und 3 radiale Gleitlager 47 und 48 auf.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1 . Elektrische Maschine mit mindestens einem insbesondere magnetischen Lager (2, 3), insbesondere einem Axiallager (17), mit wenigstens einem Anker (4), der wenigstens eine Ankerwicklung (4') mit mindestens einem Wicklungskopf (6', 7') aufweist, und mit wenigstens einem Magnetfelderregersystem (5), das in einer Bewegungsrichtung (8) Motorpole (9, 10) mit zumindest teilweise abwechselnder Polarität (1 1 ) zur Momenten- und/oder Kraftbildung in diese Bewegungsrichtung (8) aufweist, wobei wenigstens eine Ankerwicklung (4') über mindestens einen Luftspalt

(12) mit dem Magnetfelderregersystem (5) magnetisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfelderregersystem (5) wenigstens einen Lagerpol

(13) umfasst, mit dessen Magnetfeld (15) wenigstens teilweise mindestens ein Wicklungskopf (6', 7') der Ankerwicklung (4') zur Ausbildung von wenigstens einer zur Bewegungsrichtung (8) geneigt verlaufenden Kraft (16), insbesondere Axialkraft für das magnetische Axiallager (17), zusammenwirkt.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerpol (13) bzw. die Lagerpole (13) in Bewegungsrichtung (8) im Wesentlichen gleichbleibende Polarität (14) aufweist bzw. aufweisen.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfelderregersystem (5) zum Zusammenwirken mit mindestens zwei Wicklungsköpfen (6', 7') wenigstens zwei Lagerpole (13, 18) umfasst, wobei die Lagerpole (13, 18) zueinander im Wesentlichen entgegengesetzte Polarität (14, 19) aufweisen und zwischen sich die Motorpole (9, 10) aufnehmen.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungskopf (6', 7') durch in Bewegungsrichtung geneigte Leiterabschnitte (35, 36) des Wickelungsstrangs (6) der Ankerwicklung (4') gebildet wird.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Permanentmagnete und/oder elektrisch versorgte Spulen die Pole (9, 10, 13, 18) des Magnetfelderregersystems (5) ausbilden.

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstränge (6, 7) der Ankerwicklung (4') als konzentrierte, konzentrische, verteilte und/oder überlappende Spulenanordnungen am Anker (4) ein- oder mehrschichtig vorgesehen sind, insbesondere als Rauten- oder Schrägwicklung bzw. Maxon- oder Faulhaberwicklung (34, 33) vorgesehen sind.

7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wicklungsstrang (6, 7) der Ankerwicklung (4') zusammengeschaltete Ankerspulen oder Ankerspulengruppen aufweist.

8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) den ortsfest, insbesondere drehfest angeordneten Ständer (24) und das Magnetfelderregersystem (5) den gegenüber dem Anker (4) beweglich, insbesondere drehbar gelagerten Läufer (25) ausbildet.

9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenrückschluss (26) des Magnetfelderregersystems (5) dem Läufer (25) ganz oder teilweise mechanisch zugeordnet ist.

10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung (4'), insbesondere als nutenlose Luftspaltwicklung (41 ), selbsttragend ausgeführt ist.

1 1 . Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Kraft- und/oder Momentenbildung in Bewegungsrichtung (8) beitragenden Ankerwicklungsteile (4') und/oder Wicklungsköpfe (6', 7') der Ankerwicklung (4') in Nuten (42, 44) eines ferromagnetischen Trägers (43) des Ankers (4) wenigstens teilweise verlaufen.

12. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (25) über passive Radiallager, insbesondere magnetische Radiallager (2, 3) oder mechanische Radiallager, gegenüber dem Ständer (24) gelagert ist.

13. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung (8) eine Drehrichtung ist.

14. Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem in mindestens einem Wicklungsstrang (6, 7) der Ankerwicklung (4") eine Spannungs- oder Stromkomponente (31 , 32) zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern für eine Momenten- und/oder Kraftbildung in diese Bewegungsrichtung (8) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Wicklungsstrang (6, 7) eine Spannungs- oder Strom komponente (27, 28) derart zusätzlich eingespeist wird oder die Spannungs- oder Strom komponente (31 , 32) in deren Amplitude oder Phasenlage derart verändert wird, dass sich über mindestens einen Wickelkopf (6', 7') des Wicklungsstrangs (6, 7) im Zusammenwirken mit wenigstens einen Lagerpol des Magnetfelderregersystems eine zur Bewegungsrichtung (8) geneigt verlaufende Kraft (16) ausbildet.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Krafterzeugung in der Luftspaltebene oder deren Nahfeld, insbesondere senkrecht zur Bewegungsrichtung (8), über die Wicklungsköpfe (6', 7') die Spannungs- oder Strom komponenten (29, 30) der Wicklungsstränge (6, 7) der Ankerwicklung (4') zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern in der Amplitude im Wesentlichen gleichfolgend verändert werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkomponenten der Wicklungsstränge (6, 7) gleiche Amplituden aufweisen und deren Summe ungleich 0 ist.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Krafterzeugung über die Wicklungsköpfe (6', 7') die Spannungs- oder Strom komponente (29, 30) der Wicklungsstränge (6, 7) der Ankerwicklung (4') zur Erzeugung von Wechsel- oder Drehfeldern in der Amplitude im Wesentlichen ungleichmäßig verändert werden, um mindestens ein Kippmoment zu erzeugen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkomponenten der Wicklungsstränge (6, 7) unterschiedliche Amplituden aufweist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- oder Strom komponente (29, 30) entsprechend einer Positi- ons- und/oder Kippregelung unter Zuhilfenahme von Messung oder Schätzung der Systemzustände des magnetischen Lagers verändert wird.