DE102006034578A1 - Electrical machine for use in e.g. roller mill drive, has air gap provided between stator and rotor, where air gap has subareas with different radial expansions arranged side by side in axial middle section - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem um eine Drehachse drehbar gelagerten Läufer.The The invention relates to an electric machine with a stator and a rotatably mounted about a rotation axis runners.
Derartige elektrische Maschinen sind derzeit beispielsweise als Synchron- oder als Asynchronmotoren im Einsatz. Die Anwendungsfelder sind vielfältig. Ein Einsatzbereich mit besonders hohen Anforderungen an den elektrischen Antrieb ist die Walzwerktechnik.such Electrical machines are currently used, for example, as synchronous or as induction motors in use. The application fields are diverse. A field of application with particularly high demands on the electrical Drive is the rolling mill technology.
So wird eine als Walzwerkantrieb eingesetzte elektrische Maschine in Form eines Asynchronmotors oft in einem weiten Drehzahlbereich betrieben, wobei zugleich eine hohe Überlastfähigkeit gewährleistet sein muss. Insbesondere wird eine zulässige Überlast von bis zu 300% und eine maximale Drehzahl gefordert, die bis zu dreimal so groß ist wie eine für den speisenden Umrichter optimale Eckdrehzahl an der Grenze zwischen dem Proportional- oder Spannungsstellbereich und dem Feldstell- oder Feldschwächbereich.So is used as a rolling mill electric machine in Form of an asynchronous motor often operated in a wide speed range, where at the same time a high overload capacity guaranteed have to be. In particular, a permissible overload of up to 300% and Required a maximum speed, which is up to three times as large as one for the feeding inverter optimum corner speed at the boundary between the proportional or voltage range and the field setting or field weakening area.
Bei gängigen Asynchronmotoren nimmt das Kippmoment im Feldschwächbereich quadratisch mit der Drehzahl ab, sodass eine Überdimensionierung des Motors und/oder des speisenden Umrichters vorgesehen ist. Dies ist aufwändig und erhöht die Kosten.at common Asynchronous motors take the overturning moment in the field weakening range square with the speed, thus over-dimensioning the motor and / or the supplying converter is provided. This is expensive and elevated the costs.
Aus
der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, mittels der mit geringem Aufwand ein möglichst großer Drehzahlbereich abgedeckt werden kann.The The object of the invention is an electric machine of Specify at the beginning designated type, by means of a little effort preferably greater Speed range can be covered.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist zwischen dem Ständer und dem Läufer ein Luftspalt vorgesehen, der zumindest in einem axial mittleren Abschnitt axial nebeneinander angeordnete Teilbereiche mit unterschiedlicher radialer Ausdehnung aufweist.These Task is solved by the characteristics of the independent Patent claim 1. In the electric machine according to the invention between the stand and the runner provided an air gap, at least in an axially middle Section axially juxtaposed partial areas with different having radial extent.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine zeichnet sich insbesondere durch eine Vielzahl an Teilbereichen aus, die axial, d.h. bezogen auf die Richtung der Drehachse, nebeneinander platziert sind und von denen benachbarte Teilbereiche jeweils eine unterschiedliche Breite (= radiale Ausdehnung) des Luftspalts aufweisen.The electrical according to the invention Machine is characterized in particular by a large number of sub-areas which is axial, i. related to the direction of the axis of rotation, side by side are placed and of which adjacent portions each one have different width (= radial extent) of the air gap.
Dies führt dazu, dass es insbesondere im Feldschwächbereich zu einer Konzentration der magnetischen Flussdichte (= Induktion) in den Teilbereichen kommt, die eine geringe Luftspaltbreite haben. Im Idealfall verschwindet die magnetische Flussdichte in den Teilbereichen mit einer größeren Luftspaltbreite vollständig. Somit bleibt auch bei einem Feldschwächbetrieb in den Teilbereichen mit einer kleinen Luftspaltbreite dank der vorteilhaften Konzentration der Flussdichte die günstige Sättigung im Ständer und/oder Läufer er halten. Die Feldschwächung tritt an diesen Teilbereichen mit schmalem Luftspalt also nicht oder erst bei sehr viel größeren Drehzahlen auf.This leads to, that it is especially in the field weakening area to a concentration of the magnetic flux density (= induction) comes in the areas that have a small air gap width. in the Ideally, the magnetic flux density disappears in the subregions with a larger air gap width Completely. Thus, even in a field weakening operation remains in the sub-areas with a small air gap width thanks to the favorable concentration the river density the cheap saturation in the stand and / or runners receive. The field weakening occurs at these areas with narrow air gap so not or only at much higher speeds.
Die mittlere magnetische Flussdichte ist proportional zu der Amplitude und zu dem Kehrwert der Frequenz einer das Ständerwicklungssystem speisenden elektrischen Spannung. Die Drehzahl der Maschine ist im Wesentlichen proportional zur Frequenz der elektrischen Speisespannung. Gemäß den Maxwellschen Flächenspannungen ist das lokale Kippmoment einer elektrischen Maschine proportional zum Quadrat der magnetischen Flussdichte. Für eine herkömmliche elektrische Maschine mit gleichmäßigem Luftspalt resultiert damit die bekannte quadratische Abhängigkeit des Kippmoments vom Kehrwert der Drehzahl.The mean magnetic flux density is proportional to the amplitude and to the inverse of the frequency of a stator winding system feeding electrical voltage. The speed of the machine is essentially proportional to the frequency of the electrical supply voltage. According to Maxwell's surface tension is the local overturning moment of an electrical machine proportional to the square of the magnetic flux density. For a conventional electric machine with even air gap This results in the known quadratic dependence of the overturning moment on Reciprocal of the speed.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit der in axialer Richtung insbesondere mehrfach variierenden Luftspaltbreite ergibt sich aufgrund der beschriebenen günstigen Flussdichtekonzentration anstelle der quadratischen eine im Idealfall lineare Abhängigkeit vom Kehrwert der Drehzahl. Jedenfalls reduziert sich der Abfall des Kippmoments mit der Drehzahl im Feldschwächbetrieb deutlich. Die Abhängigkeit des Kippmoments von der Drehzahl nimmt ab.at the electric machine according to the invention with the in the axial direction in particular repeatedly varying air gap width results from the described favorable flux density concentration instead of the quadratic an ideally linear dependence from the reciprocal of the speed. In any case, the waste is reduced the overturning moment with the speed in field weakening clearly. The dependence the overturning moment of the speed decreases.
Damit kann die Maschine bei deutlich größeren Drehzahlregelbereichen betrieben werden als eine vergleichbare herkömmliche Maschine. Zugleich kann die ansonsten übliche Überdimensionierung des Motors und/oder des speisenden Umrichters entfallen oder zumindest erheblich reduziert werden. Bei den Dimensionierungsüberlegungen spielt die Abnahme des Kippmoments nicht mehr die allein ausschlaggebende Rolle. Die Dimensionierung kann vielmehr nun auch nach thermischen Kriterien erfolgen.Thus, the machine can be operated at much larger speed control ranges than a comparable conventional machine. To Equally, the otherwise customary oversizing of the motor and / or the feeding converter can be dispensed with or at least considerably reduced. In the dimensioning considerations, the decrease of the overturning moment no longer plays the decisive role. The dimensioning can now be done according to thermal criteria.
Diese erfindungswesentlichen Vorteile werden insbesondere auch dadurch erzielt, dass insbesondere über die gesamte axiale Luftspaltlänge, also auch in dem axial mittleren Ab schnitt, in dem die Feld- und Flussverhältnisse nicht durch Randeffekte beeinflusst werden, die vorteilhafte Variation der Luftspaltbreite vorgesehen ist. Dadurch resultiert eine günstige Regelung der magnetischen Flussdichte im Luftspalt, im Gegensatz zu der bei der bekannten Synchronmaschine aus dem Stand der Technik vorgesehenen Beeinflussung der Erregung, die außerdem nur in den axialen Randabschnitten stattfindet.These essential to the invention advantages are also characterized achieved that in particular over the total axial air gap length, So also in the axially middle section from where the field and flow conditions not affected by edge effects, the beneficial variation the air gap width is provided. This results in a favorable regulation the magnetic flux density in the air gap, unlike that at provided the known synchronous machine of the prior art Influencing the excitement, moreover, only in the axial marginal sections takes place.
Weiterhin lässt sich das günstige Verhalten der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit vergleichsweise geringem Aufwand erzielen. Im Gegensatz zu der ansonsten für ein ausreichendes Drehzahlverhalten im Feldschwächbereich vorgesehenen sehr kostenträchtigen Überdimensionierung der Maschine und/oder des Umrichters ist die erfindungsgemäße Luftspaltvariation deutlich einfacher zu realisieren. Beispielsweise kann zur Herstellung der den Luftspalt begrenzenden Wände ein gängiges Laser-Verfahren zum Einsatz kommen. Ebenso kann man aber auch für den Ständer und/oder den Läufer Bleche mit im Luftspaltbereich entsprechend variierenden Abmessungen verwenden.Farther let yourself the cheap Behavior of the electrical according to the invention Achieve machine with comparatively little effort. In contrast to the otherwise for a sufficient speed behavior in the field weakening area provided very costly oversizing of the Machine and / or the inverter is the air gap variation according to the invention much easier to realize. For example, for the production of the air gap limiting walls a common laser process be used. But you can also for the stand and / or the runner sheets Use with varying dimensions in the air gap area.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.advantageous Embodiments of the electric machine according to the invention result arising from the features of the dependent claims of claim 1.
Günstig ist eine Variante, bei der sich die Teilbereiche periodisch abwechseln, sodass die radiale Ausdehnung des Luftspalts einen periodischen Verlauf in Richtung der Drehachse hat. Dadurch lässt sich auch im Feldschwächbetrieb ein möglichst einheitlich verteilter Verlauf der Flussdichte erzielen. Die Periodizität erleichtert die lokale Konzentration der Flussdichte auf viele Teilbereiche mit der gleichen geringen Luftspaltbreite. Die Periodenlänge in axialer Richtung sollte dabei insbesondere nicht mehr als das 5fache der mittleren radialen Ausdehnung des Luftspalts betragen. Dies trägt dazu bei, dass lokale thermische Überlastungen vermieden wer den. Es kommt insbesondere nicht zur Ausbildung lokal begrenzter überhitzter Bereiche.Cheap is a variant in which the subregions alternate periodically, so that the radial extent of the air gap has a periodic course in the direction of the axis of rotation. This also allows field weakening one possible achieve uniformly distributed flow density. The periodicity facilitates the local concentration of the flux density over many subareas with the same small air gap width. The period length in the axial direction should in particular not more than 5 times the average radial expansion of the air gap. This contributes to it at that local thermal overloads be avoided. In particular, there is no training locally limited overheated Areas.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die radiale Ausdehnung des Luftspalts einen stufenförmigen Verlauf in Richtung der Drehachse hat. Die Variation der Luftspaltbreite kann so einerseits sehr definiert und verfeinert vorgenommen werden. Andererseits ist ein Stufenprofil leicht herzustellen, beispielsweise mittels Blechen mit bereichsweise gleichen, aber von Teilbereich zu Teilbereich verschiedenen Abmessungen.Advantageous it is also if the radial extent of the air gap has a stepped course in the direction of the axis of rotation. The variation of the air gap width On the one hand, this makes it very well defined and refined. On the other hand, a step profile is easy to produce, for example by means of Sheet metal with areawise same, but from partial area to partial area different dimensions.
Vorzugsweise kann außerdem jeder Teilbereich durch bis zu einige Hundert axial hintereinander gestapelter Bleche des Läufers oder des Ständers gebildet sein. Damit kann die radiale Ausdehnung, also die Breite des Luftspalts mit einem weitgehend beliebigen Profil in axialer Richtung hergestellt werden. Im Extremfall kann ein Teilbereich auch nur ein einziges Blech umfassen, dessen Luftspaltgeometrie sich von der des benachbarten Blechs unterscheidet. Typischerweise umfassen die Teilbereiche bei einer Asynchronmaschine bis zu einige zehn Bleche, insbesondere bis zu 10 bis 20 Bleche, und bei einer Synchronmaschine bis zu einige Hundert Bleche, insbesondere bis zu 50 bis 300 Bleche.Preferably can also each sub-area stacked by up to a few hundred axially one behind the other Trays of the runner or the stand be. Thus, the radial extent, ie the width of the air gap manufactured with a largely arbitrary profile in the axial direction become. In extreme cases, a subarea can only be one Sheet metal, the air gap geometry of which of the adjacent Sheet metal is different. Typically, the subareas include an asynchronous machine up to several tens of sheets, in particular up to 10 to 20 sheets, and in a synchronous machine up to a few One hundred sheets, in particular up to 50 to 300 sheets.
Gemäß weiteren vorteilhaften Varianten sind die Teilbereiche mittels einer Profilierung einer dem Luftspalt zugewandten Wandfläche des Läufers oder des Ständers gebildet. Ebenso ist eine Profilierung sowohl der Wandfläche des Läufers als auch der des Ständers möglich. Dies erhöht die Freiheitsgrade und den Gestaltungsspielraum bei der Festlegung des Luftspalts mit variierender Spaltbreite.According to others Advantageous variants are the subregions by means of a profiling formed of the air gap facing wall surface of the rotor or the stator. Likewise, a profiling of both the wall surface of the rotor and the stator is possible. This elevated the degrees of freedom and the design freedom in the determination the air gap with varying gap width.
Günstig ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Teilbereiche mit unterschiedlicher radialer Ausdehnung des Luftspalts über eine gesamte axiale Länge des Luftspalts vorgesehen sind. Dann erfolgt die günstige Flussdichtekonzentration überall, also sowohl im mittleren Abschnitt als auch an den beiden Randabschnitten. Dies verstärkt den positiven Einfluss der Flussdichtekonzentration auf das Drehzahlverhalten.Cheap is furthermore an embodiment the subregions with different radial extent of Air gap over an entire axial length the air gap are provided. Then the favorable flux density concentration is everywhere, So both in the middle section as well as at the two edge sections. This is reinforced the positive influence of the flux density on the speed behavior.
Außerdem ist es bevorzugt, dass der Luftspalt in axialer Richtung zur einen Hälfte mit einer großen radialen Ausdehnung und zur anderen Hälfte mit einer kleinen radialen Ausdehnung ausgeführt ist. Dies gilt insbesondere im Mittel. Die (mittlere) große und die (mittlere) kleine radiale Ausdehnung sind dabei vorzugsweise so gewählt, dass ein über die gesamte axiale Länge bestimmter Mittelwert gleich einer nach den sonstigen Auslegungskriterien ermittelten konstanten radialen Ausdehnung ist. Die Variation der Spaltbreite in axialer Richtung hat dann außer dem erwünschten positiven Einfluss hinsichtlich der Konzentration der magnetischen Flussdichte keine negativen Auswirkungen auf das Verhalten der elektrischen Maschine.Besides that is it is preferred that the air gap in the axial direction to one half with a big one radial expansion and the other half with a small radial Extension performed is. This applies especially on average. The (medium) big and the (middle) small radial extent are preferably so selected that one over the entire axial length certain mean value equal to one according to the other interpretation criteria is determined constant radial extent. The variation of Slit width in the axial direction then has the desired positive influence No negative for the concentration of magnetic flux density Effects on the behavior of the electric machine.
Gemäß anderen bevorzugten Varianten kann sowohl ein Außen- als auch ein Innenläufer vorgesehen sein. Die vorstehend beschriebene günstige Variation der Luftspaltbreite kann bei beiden Läufer-Ausführungsformen mit den genannten Vorteilen eingesetzt werden.According to other preferred variants can be provided both an external and an internal rotor. The favorable variation of the air gap width described above can be used in both runner embodiments with the mentioned advantages.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:Further Features, advantages and details of the invention will become apparent the following description of embodiments with reference to Drawing. It shows:
Einander
entsprechende Teile sind in
In
Beide
Maschinen
Die
Ständer
Auch
die Läufer
Zwischen
dem Ständer
Der
Luftspalt
Bei
der Maschine
Bei einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl die Ständer-Innenwand als auch die Läufer-Außenwand mit einem Profil in axialer Richtung versehen. Auch so wird ein Luftspalt mit variierender Spaltbreite gebildet.at another embodiment not shown are both the stator inner wall as well as the runner outer wall provided with a profile in the axial direction. Even so will one Air gap formed with varying gap width.
Bei
den Maschinen
In
Ähnlich wie
bei der Maschine
Jeder
Stufenhöhe
ist ein Teilbereich
Zu
den Teilbereichen
Prinzipiell
ist es möglich,
dass axial sehr schmale Teilbereiche
Im
Folgenden werden die Wirkungsweise und besondere Vorteile der elektrischen
Maschinen
Im
in
In
Im
Feldschwächbetrieb
kommt es in den Teilbereichen
Im
Feldschwächbetrieb
wechseln sich Teilbereiche
Die
Variation der Spaltbreiten W1, W2 und W3 ermöglicht also, dass auch im Feldschwächbetrieb
zumindest ein Teil der Einzelbleche gesättigt bleibt. Auf diese Weise
wird die im Feldschwächbetrieb
ansonsten übliche
quadratische Abnahme des Kippmoments mit der Drehzahl in Richtung
einer linearen Abnahme abgeschwächt.
Somit können
die Maschinen
Auf
den Spannungsstellbetrieb hat die Variation der Spaltbreiten W1,
W2 und W3 dagegen keine wesentlichen Auswirkungen. Wie aus
Insgesamt
bieten die Maschinen
Elektrische
Maschinen
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200610034578 DE102006034578A1 (en) | 2006-07-26 | 2006-07-26 | Electrical machine for use in e.g. roller mill drive, has air gap provided between stator and rotor, where air gap has subareas with different radial expansions arranged side by side in axial middle section |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200610034578 DE102006034578A1 (en) | 2006-07-26 | 2006-07-26 | Electrical machine for use in e.g. roller mill drive, has air gap provided between stator and rotor, where air gap has subareas with different radial expansions arranged side by side in axial middle section |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102006034578A1 true DE102006034578A1 (en) | 2008-01-31 |
Family
ID=38859299
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE200610034578 Withdrawn DE102006034578A1 (en) | 2006-07-26 | 2006-07-26 | Electrical machine for use in e.g. roller mill drive, has air gap provided between stator and rotor, where air gap has subareas with different radial expansions arranged side by side in axial middle section |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102006034578A1 (en) |
Citations (4)
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DE60025583T2 (en) * | 1999-12-30 | 2006-07-20 | Valeo Equipements Electriques Moteur | Rotary electric machine whose stator and / or rotor is provided with edge cutouts |
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2006
- 2006-07-26 DE DE200610034578 patent/DE102006034578A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |