DE102007059203A1 - Permanent magnet excited electrical machine for use with longitudinal flux guidance for rotary and linear application, has two machine components which are separated by air gap - Google Patents

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Abstract

The permanent magnet excited electrical machine has two machine components which are separated by the air gap. The primary machine component carries an alternating current carrying coil, whose magnetizing conductors are surrounded by magnetically conducting components. The excitation component (ET) consists of a magnetically conducting arrangement which is assembled with the permanent magnets (M) in V-shaped arrangement so that the magnetizing magnet ends stand at air gap in the clearance of the pole pitch ends and opposite the neutralizing magnet ends.

Description

Die Erfindung betrifft eine permanentmagneterregte Wechselstrom-Synchronmaschine (PWS) für rotierende und lineare Anwendung mit hoher Kraftdichte und kompakter Ausführung. Zur Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen wird das Ziel verfolgt, hohen Maschinenwirkungsgrad und hohe Kraftdichte mit minimalem Aufwand an Permanentmagneten und guter Baubarkeit der Maschinenteile zu verbinden.The The invention relates to a permanent magnet AC synchronous machine (PWS) for high power density rotary and linear applications and compact design. To adapt to different Operating conditions, the goal is pursued, high machine efficiency and high power density with minimal expenditure of permanent magnets and good buildability of the machine parts to connect.

Stand der TechnikState of the art

Hohe Kraftdichte bei niedrigen Wicklungsverlusten wird z. B. durch Transversalflussmaschinen (TF) erreicht, deren Permanenterregung in Sammleranordnung mit relativ kleiner Polteilung ausgeführt ist. DE 10 2006 023 249 zeigt hierfür Bemessungsbeispiele des Magnetkreises und gibt mit 11 auch eine Anordnung zur sinngemäßen Anwendung bei longitudinaler Flussführung vor. Die Zielrichtung sind dabei Maschinen hoher Polzahl, die mit größerer Polteilung einem entsprechend größeren Luftspalt zugeordnet und damit für größere Durchmesser bestimmt sind. Dabei sollen, soweit dies die longitudinale Flussführung (LF) zulässt, geringe Wicklungsverluste angestrebt werden. Hierzu ist es geboten, die vom Erregerteil erzeugte Felddichte im Luftspalt bis nahe an den Sättigungswert des benachbarten Eisens zu erhöhen, was durch entsprechende Wahl der Magnetabmessungen möglich ist. Dem Erregerteil steht ein mit einer Wechselstromwicklung ausgestattetes Primärteil gegenüber, das auch radial eine hohe magnetische Leitfähigkeit aufweist. Die radiale Bauhöhe beider Maschinenteile bestimmt, zusammen mit der Paketabmessung in axialer Richtung Volumen und Masse der Magnetkreisteile. Sie sollen möglichst klein sein, bezogen auf die von der Maschine entwickelte Kraft. Die Wicklung des Primärteils wird häufig als dreisträngige Wanderfeldwicklung ausgeführt. Im Beispiel 11 ist hingegen als einsträngige Wechselstromwicklung, deren Spulenweite der Polteilung entspricht, gezeichnet. In dieser Ausführung ist der LF-Magnetkreis als Ableitung aus den in Sammler-anordnung erregten TF-Magnetkreisen anzusehen. Der Übergang zur Drehstrom-Wechselfeldwicklung für vielpolige Maschinen wurde in der Anmeldung DE 10 2007 042 935.7 beschrieben, wo im Zusammenhang mit einem passiven Reaktionsteil in den 7 und 8 jeweils versetzte einsträngige Wicklungsteile zu einer mehrsträngigen, am Umfang symmetrischen Wicklungsanordnung führen. Neben dem Zonenversatz von Polgruppen besteht auch die Möglichkeit der am Umfang kontinuierlich eingesetzten verstimmten Polteilung. Mit diesem Wicklungsmodell wird dann ein etwas ungünstigeres Ergebnis für die Wechselwirkung zwischen Erreger- und Primärteil erreicht. Magnetkreise mit passivem Reaktionsteil weisen durch die im Primärteil eingesetzten Permanentmagnete im Vergleich zum Magnetkreis mit aktivem Erregerteil eine etwas reduzierte magnetische Leitfähigkeit und damit etwas ungünstigere Feldverhältnisse auf, die sich in der Kraftdichte und im Gesamtaufwand auswirken. Unbestritten bleibt jedoch, dass diese Magnetkreise dann vorteilhaft sind, wenn schnelllaufende Maschinen mit hohen Fliehkraftwirkungen oder lineare Anwendungen mit größerer Streckenlänge zur Diskussion stehen. Hingegen zeit sich bei hochpoligen Maschinen mit größerem Durchmesser der Vorteil des aktiven Erregerteils darin, dass das Primärteil günstigere Auslegungsbedingungen erfährt und eine höhere Kraftdichte bei geicher Kühlleistung ermöglicht. Für die Herstellung des Primärteils ergeben sich dabei vereinfachte Bedingungen. Im Zusammenhang mit 11 der oben zitierten Anmeldung ist anzumerken, dass die radial gestellten Permanentmagnete am äußeren Rand des Erregerteils eine nennenswerte Streufeldkomponente aufweisen. Ihr Auftreten bewirkt eine Schwächung des magnetischen Hauptflusses. Zur Kompensation muss eine Vergrößerung der Magnetlänge lm herangezogen werden; es wird also eine Erhöhung der Masse des Erregerteils in Kauf genommen. Weiterhin ist aus 11 unschwer zu entnehmen, dass die Herstellung des Erregerteils mit Hilfe von vorgeformten Eisenlamellen nicht ganz einfach ist. Es wird zwar der grundsätzlichen Linie der Herstellung von LF-Magnetkreisen gefolgt, indem längslamellierte Bleche eingesetzt werden, jedoch ist deren Anwendung durch die radial gestellten Magnete ohne Abschnittsverbindungen der Blechteile sehr problematisch. Dies betrifft die Frage der Festigkeit des rotierenden Teils und die Positionsgenauigkeit der einzusetzenden Magnete. Die zur Lösung des Problems in den beiden Patentanmeldungen vorgeschlagene lm-Unterteilung löst dieses Problem teilweise indem dünne Stege als Verbindungen zwischen den Blechteilen angeordnet werden. Nach Einkleben der Magnete in die so entstandenen Taschen wird erwartet, dass ein mechanisch fester Verband zwischen den Bauteilen wenigstens minimalen Festigkeitsansprüchen genügt und das Positionierproblem gelöst ist. Höheren Ansprüchen hinsichtlich Festigkeit und Formstabilität kann hierdurch jedoch nicht entsprochen werden.High power density at low winding losses is z. B. achieved by transversal flux machines (TF) whose permanent excitation is performed in collector assembly with relatively small pole pitch. DE 10 2006 023 249 shows design examples of the magnetic circuit and gives along 11 also an arrangement for analogous application in longitudinal flow guidance ago. The target direction are machines of high number of poles, which are associated with a larger pole pitch a correspondingly larger air gap and thus intended for larger diameter. As far as the longitudinal flux guidance (LF) permits, low winding losses should be aimed for. For this purpose, it is necessary to increase the field density generated by the excitation part in the air gap close to the saturation value of the adjacent iron, which is possible by appropriate choice of the magnet dimensions. The exciter part faces a primary part equipped with an alternating current winding, which also has a high magnetic conductivity radially. The radial height of both machine parts determines, together with the package dimension in the axial direction volume and mass of the magnetic circuit parts. They should be as small as possible, based on the force developed by the machine. The winding of the primary part is often performed as a three-stranded traveling field winding. For example 11 is, however, drawn as a single-phase AC winding whose coil width corresponds to the pole pitch. In this embodiment, the LF magnetic circuit is to be regarded as a derivative of the excited in collector arrangement TF magnetic circuits. The transition to three-phase alternating field winding for multi-pole machines was in the application DE 10 2007 042 935.7 described where in connection with a passive reaction part in the 7 and 8th each staggered single-stranded winding parts lead to a multi-stranded, circumferentially symmetric winding arrangement. In addition to the zone offset of pole groups, there is also the possibility of the detuned pole pitch continuously used on the circumference. This winding model then achieves a somewhat less favorable result for the interaction between the exciter and the primary part. Magnetic circuits with a passive reaction part have, due to the permanent magnets used in the primary part in comparison to the magnetic circuit with active exciter part a slightly reduced magnetic conductivity and thus somewhat less favorable field conditions, which affect the power density and the total cost. It is undisputed, however, that these magnetic circuits are advantageous when high-speed machines with high centrifugal force effects or linear applications with longer path lengths are discussed. On the other hand, the advantage of the active excitation part in the case of multi-pole machines with a larger diameter is that the primary part experiences more favorable design conditions and enables a higher force density with reliable cooling performance. Simplified conditions result for the production of the primary part. In connection with 11 It should be noted in the above cited application that the radially set permanent magnets have a significant stray field component at the outer edge of the exciter part. Their occurrence causes a weakening of the main magnetic flux. For compensation, an increase in the magnet length l m must be used; So it is an increase in the mass of the excitation part accepted. Furthermore, it is off 11 It is not difficult to deduce that the production of the exciter part by means of preformed iron lamellae is not very easy. Although the basic line of producing LF magnetic circuits is followed by using longitudinally laminated sheets, their application by the radially-set magnets without sectional joints of the sheet metal parts is very problematic. This concerns the question of the strength of the rotating part and the positional accuracy of the magnets to be used. The l m subdivision proposed to solve the problem in the two patent applications solves this problem in part by arranging thin webs as connections between the sheet metal parts. After gluing the magnets into the resulting pockets, it is expected that a mechanically strong bond between the components will satisfy at least minimum strength requirements and the positioning problem will be solved. Higher demands in terms of strength and dimensional stability can not be met thereby.

Es besteht somit die erfindungsgemäße Aufgabe darin, eine durch Permanentmagnete erregte Magnetkreisvariante mit longitudinaler Flussführung für rotierende und lineare Anwendung anzugeben, deren Kraftdichte Höchstwerte und deren Masse Kleinstwerte erreicht, wobei die Permanentmagnete im Erregerteil sehr streuungsarm und so angeordnet sind, dass die Eisenlamellen über mehrere Polteilungen ein zusammenhängendes maßhaltiges Raster für die Permanentmagnete bilden. Dabei wird sowohl auf einfach und präzise zu positionierende Magnete als auch auf das erforderliche Maß an Eigenfestigkeit des Erregerteils geachtet. Die im Allgemeinen mehrsträngige Wechselstromwicklung wird im Zusammenwirken mit einem Frequenzumrichter betrieben und an die Erfordernisse des Einsatzes angepasst.It is therefore the object of the invention to provide a magnetic field excited by permanent magnets magnetic circuit variant with longitudinal flux for rotating and linear application, the power density reaches maximum values and their mass smallest values, the permanent magnets in the excitation are very low-scattering and arranged so that the iron fins over several pole pitches form a coherent dimensionally stable grid for the permanent magnets. Here, attention is paid to both simple and precise magnets to be positioned as well as the required level of inherent strength of the excitation part. The more generally Single-phase alternating current winding is operated in conjunction with a frequency converter and adapted to the requirements of the application.

Ausführungsbeispieleembodiments

Im Folgenden wird anhand eines ausführlichen Textes und mit Hilfe mehrerer zeichnerischer Darstellungen die Lösung der Aufgabe beschrieben.in the The following is based on a detailed text and with Help of several drawings the solution described the task.

Die Merkmale des Magnetkreises MK, 1.The characteristics of the magnetic circuit MK, 1 ,

Ein den oben aufgestellten Forderungen entsprechender Magnetkreisentwurf muss im Luftspalt mit Hilfe der Permanentmagnete eine der Sättigungsinduktion des Eisens nahekommende Felddichte erzeugen. Hierzu werden zwei Magnete je Polteilung eingesetzt, deren Abmessungen in Relation zur Größe des Luftspalts und der Polteilung zu wählen sind. Wie auch an anderer Stelle für das Sammlerprinzip erwähnt, soll die Länge der Permanentmagnete um den Faktor 2 ÷ 3 größer sein als die halbe Polteilung, während die Magnetisierungshöhe hm um etwa den selben Faktor größer gewählt wird als der Luftspalt. Damit wird erzielt, dass jeder Magnet die Hälfte des Polflusses erzeugt und Luftspaltinduktionen zwischen 1,5 und 1,7 T erreicht werden.A magnetic circuit design corresponding to the above requirements must generate a field density close to the saturation induction of the iron in the air gap with the aid of the permanent magnets. For this purpose, two magnets per pole pitch are used, the dimensions of which are to be selected in relation to the size of the air gap and the pole pitch. As mentioned elsewhere for the collector principle, the length of the permanent magnets should be larger by a factor of 2 ÷ 3 than half the pole pitch, while the magnetization height h m is chosen larger than the air gap by about the same factor. This achieves that each magnet generates half of the pole flux and achieves air gap inductions between 1.5 and 1.7 T.

1 zeigt zwei Pole eines permanenterregten Erregerteils ET mit dem Primärteil PT, das in einsträngiger Form die Wechselstromwicklung W trägt, während das Erregerteil ET V-förmig angeordnete Magneten M aufweist. Für den Wicklungsquerschnitt von W bleibt der Raum zwischen den Primärteilzähnen der Breite bZ, wobei die radiale Ausdehnung etwa der Zahnhöhe hZ entspricht. 1 shows two poles of a permanent-magnet excitation part ET with the primary part PT, which carries the AC winding W in single-stranded form, while the exciter part ET V-shaped arranged magnet M has. For the winding cross-section of W, the space between the primary part teeth of width b Z remains, wherein the radial extent corresponds approximately to the tooth height h Z.

Die Polteilung τ setzt sich aus der Zahnbreite bZ und der Nutbreite zusammen.The pole pitch τ is composed of the tooth width b Z and the groove width.

Mit der Wahl der V-förmigen Magnetanordnung und der gezeichneten Wahl der Polarität ergibt sich am Berührungspunkt der Magnete in Luftspaltnachbarschaft eine Addition der eingeprägten Erregerströme zu 2Θm, deren Richtung für aufeinanderfolgende Polteilungen variiert. Am entgegengesetzten luftspaltfernen Faltungspunkt ergänzen sich jedoch die Durchflutungen zu Null. Das beschriebene Faltungsschema von 1 ist im Gegensatz zu der Parallelanordnung der Magnete praktisch streuungslos. Nur durch die endliche Ausdehnung der Magnete bedingt, entsteht am äußeren Faltungspunkt eine sehr geringe Restanregung für ein Streufeld. Es genügt ein radial gering bemessener Luftraum, etwa der halben Magnethöhe, um die Felddichten auf geringe Werte zu begrenzen. Die radiale Gesamthöhe des Erregerteils ET ist mit hr als Summe aus der Radialprojektion der Magnetlänge lm und dem aus Herstellungs- und Festigkeitsgründen hinzukommenden Anteil hK gebildet. Mit der durchgehenden Verbindung des Jochteils entsteht für das Lamellenteil LER ein beträchtlicher Festigkeitszuwachs. Gleichzeitig erfüllt die Konturierung in V-Form die Forderung nach dem gewünschten Positionsraster für die Magnete. Zum Luftspalt hin bilden die dreieckigen Polteile Pe, die ebenfalls als lamellierte Pakete zu denken sind, abwechselnd Nordpol Pn, und Südpol Ps.With the choice of the V-shaped magnet arrangement and the drawn choice of the polarity results at the point of contact of the magnets in the air gap neighborhood an addition of the impressed excitation currents to 2Θ m , the direction of which varies for successive pole pitches. At the opposite air gap remote folding point, however, the fluxes complement each other to zero. The described folding scheme of 1 In contrast to the parallel arrangement of the magnets is virtually free of scatter. Only due to the finite extent of the magnets, a very low residual excitation for a stray field arises at the outer folding point. It suffices a radially small sized airspace, about half the height of the magnet to limit the field densities to low values. The radial total height of the exciter part ET is formed with h r as the sum of the radial projection of the magnet length l m and the component h K added for manufacturing and strength reasons. With the continuous connection of the yoke part, a considerable increase in strength results for the lamella part LER. At the same time, contouring in V-shape fulfills the requirement for the desired position grid for the magnets. Towards the air gap, the triangular pole parts Pe, which are likewise to be thought of as laminated packets, alternately form the north pole P n and the south pole P s .

Abgesehen von Festigkeits- und Herstellungsfragen würde die Magnetkreisbemessung bereits mit hK = 0 ihr optimales Ziel erreichen können. Wird entsprechend 2 bei Wechselrichterbetrieb der Strom Ia(x) in trapezförmiger Form der Maschine zugeführt, lässt sich ohne Berücksichtigung von Verzerrungen als Folge der Sättigungseffekte im Eisen der Kraftverlauf F(x) der einsträngigen Maschine konstruieren. Man findet ihn ebenfalls trapezförmig mit der Periode der Polteilung τ und dem Maximalwert F1. 2 lässt erkennen, dass der Mittelwert der Kraft Fm gegenüber F1 um den Faktor bZ/τ reduziert ist. Die Polkraft F1 wird gemäß der Lorentz-Kraftgleichung in zwei möglichen Versionen erfasst, nämlich F1 = Θa·Bf·l = 2Θm·Ba·l. Apart from strength and manufacturing issues, the magnetic circuit design would already be able to achieve its optimum goal with h K = 0. Will be accordingly 2 In inverter operation, the current I a (x) supplied in trapezoidal shape of the machine, can be constructed without consideration of distortions as a result of saturation effects in the iron, the force curve F (x) of the single-strand machine. It is also found trapezoidal with the period of the pole pitch τ and the maximum value F 1 . 2 indicates that the mean value of the force F m with respect to F 1 is reduced by the factor b Z / τ. The pole force F 1 is detected according to the Lorentz force equation in two possible versions, namely F 1 = Θ a · B f · L = 2Θ m · B a · L.

Ba ist, wie in Tafel 1 angegeben, die durch die Ankerdurchflut8ung Θa erzeugte Luftspaltinduktion und l die Paketlänge.As indicated in Table 1, B a is the air gap induction created by the armature clearance Θ a and l is the package length.

Analog ergeben sich auch für die Kraftdichte FA nach Tafel 1 zwei gleichwertige Darstellungsmöglichkeiten.The same applies to the force density F A according to the table 1 two equivalent display options.

Der zuletzt angegebenen Gleichung kann z. B. entnommen werden, dass für einen Quotienten bZ/τ = 0,6 und eine vom Erregerteil erzeugte Felddichte Bf = 1,7 T ein Strombelag Θa/τ = 98 kA/m erforderlich ist, wenn die Kraftdichte FA = 100 kN/m2 erreicht werden soll. Es gilt dabei die Relation Θa/2Θm < 1. Der Zusammenhang zwischen Magnethöhe hm und Luftspaltlänge δ führt zwangsläufig zu einer mit dem Luftspalt und damit auch dem Maschinendurchmesser ansteigenden Polteilung. Hiermit steigt auch proportional der Wert der Nutdurchflutung an. Über die Zahnhöhe hZ bzw. die Wicklungshöhe kann Einfluss auf die Stromdichte der Wicklung W und damit auf deren Verlustleistung genommen werden. Bei einer annähernd polteilungsproportionalen Vergrößerung von hZ ermittelt man eine mit τ umgekehrt proportional fallende Stromdichte. Die auf die Umfangskraft bezogenen Wicklungsverluste nehmen entsprechend mit steigender Polteilung ab.The last-mentioned equation can be z. For example, it can be seen that for a quotient b Z / τ = 0.6 and a field density B f = 1.7 T generated by the exciter part, a current loading Θ a / τ = 98 kA / m is required if the force density F A = 100 kN / m 2 is to be achieved. The relationship Magn a / 2Θ m <1 applies here. The relationship between the magnetic height h m and the air gap length δ inevitably leads to a pole pitch rising with the air gap and thus also the machine diameter. This also increases proportionally the value of Nutdurchflutung. The tooth height h Z or the winding height can influence the current density of the winding W and thus its power loss. With an approximately pole-division-proportional magnification of h Z , a current density which is inversely proportional to τ is determined. The related to the peripheral force winding losses decrease accordingly with increasing pole pitch.

Der Kraftdichtewert der einsträngigen Anordnung von etwa 100 kN/m2 darf als realistisch erreichbar gelten. Hochpolige Synchronmaschinen lassen sich hierdurch auf der Grundlage der Erregung mit Permanentmagneten mit dreifach höherer Kompaktheit als konventionell erregte Maschinen ausführen. Auch bezüglich des Wirkungsgrades ergibt sich durch den Wegfall der Erregerverluste ein beträchtlicher Vorteil. Es zeigt sich, dass die für den Materialaufwand bestimmende Radialabmessung hs + hr geringer ausfällt als bei elektrisch erregten Maschinen, so dass auch hinsichtlich der aktiven Gesamtmasse mindestens der Faktor 3 den Unterschied kennzeichnet. Wie sich weiter zeigt, ist die mit dieser Masseverkleinerung verbundene Kostenverringerung für Eisen und Wicklungskupfer so groß, dass selbst bei den beträchtlich höheren spezifischen Magnetpreisen insgesamt recht deutliche Kostensenkungen für den beschriebenen Magnetkreis erwartet werden dürfen. Aufgrund kleinerer Maschinenabmessungen und geringerer Massen entstehen weitere technische Vorteile im konstruktiven Bereich wie etwa für das Gehäuse.The force density value of the single-stranded arrangement of about 100 kN / m 2 may be considered realistic attainable. High-poled synchronous machines can thereby be designed on the basis of the excitation with permanent magnets with three times greater compactness than conventionally excited machines. Also regarding the efficiency results By eliminating the pathogen losses a considerable advantage. It can be seen that the radial dimension h s + h r determined for the material cost is lower than in the case of electrically excited machines, so that at least a factor of 3 characterizes the difference in terms of the total active mass. As will be further shown, the cost reduction associated with this mass reduction for iron and coil copper is so great that quite significant cost reductions may be expected for the described magnetic circuit even at the significantly higher specific magnetic prices. Due to smaller machine dimensions and lower masses, further technical advantages arise in the structural area, such as for the housing.

Die in 1 dargestellte Konstruktionsidee der streuungslosen Magnetfaltung führt bei der Magnetbemessung durch den Wegfall der Streuung im äußeren Bereich bei gleicher Feldintensität Bf zu einer Reduktion für die erforderliche Länge lm und damit zu einer kleineren Magnetmasse. Durch die schräge Anordnung der Magnete verringert sich darüber hinaus die erforderliche radiale Höhe hr zusätzlich.In the 1 The design idea of the dispersionless magnetic folding shown in the magnetic design by eliminating the scattering in the outer region at the same field intensity B f leads to a reduction for the required length l m and thus to a smaller magnetic mass. The oblique arrangement of the magnets also reduces the required radial height h r in addition.

Für langsam laufende hochpolige Maschinen werden bezüglich der Fliehkraftfestigkeit von ET keine besonderen Ansprüche gestellt. Es erscheint deshalb naheliegend, für nicht sehr lange Pakete auch von einer Gitterform der Eisenlamellen Gebrauch zu machen. Hierbei kann, ähnlich wie in 2 von DE 10 2007 042 935.7 , von einer Mehrfachunterteilung der Magnetlänge lm ausgegangen werden, wobei dünne Stege von 1 ÷ 2 mm Dicke die Bauteile LER und PE verbinden. Die dabei entstehende Flussverzweigung hat eine geringfügige Schwächung des Hauptflusses zur Folge und kann durch etwas größere Abmessungen kompensiert werden. Die in die Öffnungen eingeklebten Permanentmagnete tragen zur Versteifung des Erregerteils bei. Damit wird für Anwendungen mit geringen Festigkeitsansprüchen eine sehr sparsame Bemessung des Zusatzjochs hK oder sogar ein Totalverzicht auf hK > 0 möglich.For slow-running high-poled machines, there are no special requirements regarding the centrifugal strength of ET. It therefore seems obvious to make use of a lattice shape of the iron fins for not very long packets. Here, similar to in 2 from DE 10 2007 042 935.7 , Are assumed by a multiple division of the magnetic length l m , with thin bars of 1 ÷ 2 mm thickness connect the components LER and PE. The resulting flow branching results in a slight weakening of the main flow and can be compensated by slightly larger dimensions. The permanent magnets glued into the openings contribute to the stiffening of the exciter part. This makes possible a very economical dimensioning of the additional yoke h K or even a complete waiver of h K > 0 for applications with low strength requirements.

Für Anwendungen, die jedoch eine erhöhte Festigkeit von ET verlangen, wird entsprechend 1 auf die Möglichkeit eines stärkeren Hilfsjochs hK > 0 nicht verzichtet. Soll umgekehrt der Einsatz von dünnen Stegen zwischen den Bauteilen LER und Pe vermieden werden, so hilft, dass sich infolge der starken magnetischen Zugkräfte zwischen den Eisenteilen eine Bindekraft ergibt, die sich zur Klebewirkung addiert. Es liegt nahe, bei der Fertigung zunächst in das Ausgangspaket LER die Permanentmagnete, eventuell in kleinen Einheiten, einzukleben und anschließend die Dreikant-Polteile Pe durch Kleben auf den Magneten zu befestigen.For applications, however, which require increased strength of ET, will be appropriate 1 on the possibility of a stronger auxiliary yoke h K > 0 not waived. If, conversely, the use of thin webs between the components LER and Pe be avoided, it helps that results from the strong magnetic tensile forces between the iron parts, a binding force that adds up to the adhesive effect. It makes sense to first glue the permanent magnets into the output package LER, possibly in small units, and then attach the triangular pole pieces Pe to the magnet by gluing.

Erfahrungsgemäß ist ein wichtiger Punkt für die Beurteilung der Zweckmäßigkeit einer Konstruktionsidee die Frage nach dem erforderlichen Materialaufwand. Durch die streuungsarme Ausführung des Erregerteils gelingt es, die Sammleranordnung auch den Erfordernissen des materialsparenden Einsatzes anzupassen. Im Falle größerer Polteilungen kann allerdings die Frage gestellt werden, ob sämtliche Bereiche des magnetisch leitfähigen Materials von LER gut genutzt sind.Experience shows an important point for the assessment of expediency a design idea the question of the required material cost. Due to the low-dispersion design of the exciter part succeeds it, the collector arrangement also meets the requirements of the material-saving Use to adapt. In case of larger pole pitches However, the question can be asked, if all Areas of the magnetically conductive material of LER good are used.

In 3a ist in leicht geänderter Geometrie gegenüber 1 der Magnetkreis mit etwas vergrößertem Sammelfaktor dargestellt. Der Raum zwischen den gleichgepolten Magneten wird fast ausschließlich von einer geringen Felddichte in Bewegungsrichtung durchsetzt und kann z. B. dazu herangezogen werden, dass quer zur Bewegungsrichtung in Kühlkanälen A Kühlluft transportiert wird. Durch den Einfluss der Bewegung und der Wicklungsströme treten besonders unter Last Felddichteschwankungen in ET auf, deren Verluste dann von der Kühlluft abgeführt werden. Eine Schwächung der mechanischen Festigkeit von ET ist durch die Anordnung der Kühlkanäle nicht zu erwarten.In 3a is opposite in slightly changed geometry 1 the magnetic circuit shown with a slightly increased collection factor. The space between the Gleichgepolten magnets is almost exclusively interspersed by a low field density in the direction of movement and z. B. be used that transversely to the direction of movement in cooling channels A cooling air is transported. Due to the influence of the movement and the winding currents, field density fluctuations occur in ET, especially under load, whose losses are then dissipated by the cooling air. A weakening of the mechanical strength of ET is not expected by the arrangement of the cooling channels.

Zu einer Reduktion der magnetisch erforderlichen Radialabmessung hr führt die nach 3b gezeichnete Magnetanordnung. Gegenüber 3a sind nun die Magnete M in die Einheiten M1 und M2 geteilt und anstelle einer sind nun drei Faltungen mit der Stromsumme 0 je Polteilung angeordnet. Die Gesamtlänge der Magnete lm kann zur Erzeugung der Felddichte Bf konstant gehalten werden. Um im gesamten Zahnbereich des Luftspalts eine gleichmäßige Felddichte Bf erzeugen zu können, ist über der mittleren Faltung ein entsprechender Steg mit ausreichender Leitfähigkeit in Bewegungsrichtung angesetzt. Dem eingezeichneten Feldverlauf ist zu entnehmen, dass nun ein Flussübertritt zwischen den mittleren Magneten der benachbarten Pole auftritt, so dass das Hilfsjoch hK nun magnetisch belastet wird.This leads to a reduction of the magnetically required radial dimension h r 3b drawn magnet arrangement. Across from 3a Now, the magnets M are divided into the units M1 and M2 and instead of a three convolutions are now arranged with the current sum 0 per pole pitch. The total length of the magnets l m can be kept constant to produce the field density B f . In order to be able to produce a uniform field density B f in the entire tooth region of the air gap, a corresponding web with sufficient conductivity in the direction of movement is set above the middle fold. It can be seen from the marked field profile that now a flux transition occurs between the middle magnets of the adjacent poles, so that the auxiliary yoke h K is now magnetically loaded.

Die radiale Höhe hr reduziert sich gegenüber 3a jedoch deutlich, wobei allerdings die Masse der Permanentmagnete konstant bleibt.The radial height h r is reduced relative to 3a but clearly, although the mass of the permanent magnets remains constant.

Da vielfach die Betriebsfrequenzen hochpoliger Maschinen sehr gering sind, liegen die Eisenverluste von ET so niedrig, dass sie bei geeigneter Gestaltung der Rotorkonstruktion, die in thermisch leitender Verbindung mit ET steht, abgeführt werden können. Auf eine besondere Luftführung innerhalb von LER kann dann verzichtet werden. Der Übergang von einer Anordnung mit einer auf eine solche mit drei Nullstrom-Faltungen je Polteilung lässt unschwer die Möglichkeit der Verallgemeinerung des Faltungsprinzips von Permanentmagneten in Sammleranordnung erkennen. Für große Polteilungen ist in analoger Erweiterung von 3b, z. B. eine Anordnung mit fünf Faltungspunkten, ableitbar, wodurch dann wiederum eine weitere Reduktion von hr erreicht werden kann.Since in many cases the operating frequencies of high-poled machines are very low, the iron losses of ET are so low that they can be dissipated with suitable design of the rotor structure, which is in thermally conductive connection with ET. On a special air flow within LER can then be dispensed with. The transition from an arrangement with one to one with three zero-current convolutions per pole pitch easily reveals the possibility of generalizing the convolution principle of permanent magnets in a collector arrangement. For large pole pitches is in analogue extension of 3b , z. B. an arrangement with five folding points, derivable, which in turn can be achieved a further reduction of h r .

Für die Überlastbarkeit der Maschine wirkt sich eine mehrfach gefaltete Magnetanordnung insofern günstig aus, als eine Beschränkung der Leitfähigkeit für das Ankerfeld entsteht.For the overload capacity of the machine has a multiple impact folded magnet arrangement insofar favorable, as a Limitation of the conductivity for the Anchor field is created.

Wechselstromwicklung für hochpolige SynchronmaschinenAC winding for high-poled synchronous machines

Die in den 1–3 dargestellten Primärteile zeigen dasselbe Anordnungsmuster, nämlich das einer einsträngigen Wechselstromwicklung ohne Überlappung und eine Begrenzung der Spulen in Bewegungsrichtung durch die Polteilung. Die Zahnbreite bZ ist demnach kleiner als die Polteilung τ; das Durchflutungszentrum von Θa, der stromführenden Wicklung, liegt in der Mitte der Nut. Ungeachtet der gezeichneten speziellen Spulen und der Wicklungsform ist festzustellen, dass die beschriebene Erregeranordnung eine Magnetfeldverteilung, ähnlich der einer konventionellen Synchronmaschine erzeugt und demgemäß grundsätzlich mit jeder Art von Primärwicklung kombinierbar ist. Dies schließt auch die bekannte dreisträngige Wanderfeldwicklung mit überlappten Spulen ein.The in the 1 - 3 shown primary parts show the same arrangement pattern, namely that of a single-phase AC winding without overlap and a limitation of the coils in the direction of movement by the pole pitch. The tooth width b Z is therefore smaller than the pole pitch τ; The full-wave center of Θ a , the live winding, is located in the middle of the groove. Regardless of the particular coils shown and the shape of the winding, it should be noted that the described excitation arrangement generates a magnetic field distribution similar to that of a conventional synchronous machine and, accordingly, can basically be combined with any type of primary winding. This includes the well-known three-stranded traveling field winding with overlapped coils.

Dank der Erzeugung des Erregerfelds mit Permanentmagneten erschließt sich gegenüber der elektrischen Erregung allerdings die Möglichkeit kleinerer Polteilungen, mit dann auch kleinerer Wicklungsdurchflutung und geringerer radialer Höhe. Dem entspricht bei verlustarmer Ausführung die Tendenz zur Wicklung mit möglichst geringer Nutzahl je Pol, am besten mit nur einer Nut. Bei hochpoligen Maschinen sind zur Glättung der Umfangskraft mehrere Maßnahmen, außer der Möglichkeit überlappte Spulen heranzuziehen, bekannt. So lassen sich Wicklungskonzepte einsetzen, die streckenweise am Umfang einsträngige Abschnitte mit nicht überlappten Spulen aufweisen. Der für den Einsatz wichtige Ausgleich von Schwankungen der Tangentialkraft erfolgt dabei nicht innerhalb einer Polteilung, sondern durch nacheinander am Umfang angeordnete Wicklungsstränge mit unterschiedlicher Phasenlage der Ströme. Der Grenzfall ist dadurch zu charakterisieren, dass jedem Erregerpol ein unterschiedlicher Wicklungsstrang gegenübersteht, wobei das Muster der Kombinationen am Umfang wiederholbar ist. Da unterschiedliche Wechselströme mit unterschiedlicher Phasenlage einen entsprechenden Phasenversatz verlangen, führt dies zu einer Polteilungsverstimmung des Primärteils. Diese Maßnahme erweist sich jedoch gegenüber dem Zonenversatz als geringfügig weniger effizient, führt also zu etwas kleineren Kraftdichten.thanks the generation of the exciter field opens with permanent magnets However, compared to the electrical excitation the Possibility of smaller pole pitches, with then smaller ones Wicklungsdurch flooding and lower radial height. the Corresponds with low-loss design, the tendency to Winding with the lowest possible number of slots per pole, preferably with only one groove. For high-poled machines are for smoothing the peripheral force several measures, except the Possibility to use overlapped coils known. Thus, winding concepts can be used, the extent of the circumference single-stranded sections with non-overlapping Have coils. The balance that is important for the job fluctuations of the tangential force does not take place within a pole pitch, but by sequentially arranged on the circumference Winding strings with different phase position of the currents. The borderline case is characterized by the fact that every exciter pole facing a different winding strand, wherein the pattern of the combinations is repeatable on the circumference. Because different Alternating currents with different phase position a corresponding Require phase offset, this leads to a pole pitch detuning of the primary part. This measure, however, proves compared to the zone offset as slightly less efficient, so leads to slightly smaller power densities.

4 zeigt in 4 Darstellungen das Wicklungskonzept mit dem Muster der Wicklungsanordnung in der Form von 4 Strängen, deren Spannungen eine Phasenverschiebung von je 90° entsprechend 4c aufweisen. Die 4a und 4b zeigen in zwei linearen Darstellungen jeweils die Hälfte der MK-Anordnung des Maschinenumfangs mit dem viermal auftretenden Zonenversatz von je τ/2, entsprechend 90°el. Der achtzehnpoligen Erregeranordnung stehen sechzehn aktive Statorpole gegenüber. Vorausgesetzt, dass sich das Erregerfeld den Polen von PT ungestört mitteilt, drückt der Quotient 16/18 den Wechselwirkungsschwund der mehrsträngigen Wicklung aus. Wie 4d zeigt, erreicht die viersträngige Gruppenanordnung der Wicklung auch ein Mindestmaß an Symmetrie bezüglich der Wirkung der Normalkräfte. Es wird Symmetrie in Bezug auf eine Teilungslinie erreicht, was einer elliptischen Verformungsfigur für entsprechende Biegewirkungen gleichkommt. Auch bezüglich der Überlagerung der Tangentialkräfte wird durch das viersträngige System eine deutliche Verbesserung aber kein vollständiger Ausgleich erzielt. 4 shows in 4 representations the winding concept with the pattern of the winding arrangement in the form of 4 strands whose voltages corresponding to a phase shift of 90 ° 4c exhibit. The 4a and 4b show in two linear representations each half of the MK-arrangement of the machine circumference with the four times occurring zone offset of τ / 2, corresponding to 90 ° el. The eighteen-pole exciter array faces sixteen active stator poles. Provided that the excitation field tells the poles of PT undisturbed, the quotient 16/18 expresses the interaction fading of the multi-stranded winding. As 4d shows, the four-stranded group arrangement of the winding also achieves a minimum degree of symmetry with respect to the effect of the normal forces. It achieves symmetry with respect to a division line, which equates to an elliptic deformation figure for corresponding bending effects. Also with respect to the superposition of the tangential forces is achieved by the four-stranded system a significant improvement but no complete compensation.

Die mögliche Wahl von 8 anstelle von 4 Wicklungssträngen mit einem Versatz von jeweils τ/4 führt offensichtlich bei gleichem Reduktionsfaktor zu erhöhter Umfangssymmetrie und einem weiter verbesserten Ausgleich von Tangentialkraftschwankungen.The possible choice of 8 instead of 4 winding strands with an offset of each τ / 4 obviously leads at the same reduction factor to increased circumferential symmetry and a further improved compensation of tangential force fluctuations.

Für Wicklungen auf der Basis dreisträngiger symmetrischer Stromsysteme lassen sich ähnliche Zusammenhänge ableiten. Es ist somit festzustellen, dass Wicklungsverteilungen mit einer größeren Zahl von einsträngigen Gruppen bezüglich der Schwingungsanregung durch die Normalkraftverteilung und die Gleichmäßigkeit des auf die Welle übertragenen Drehmoments vorteilhafte Merkmale ergeben. Hierbei ist in gewissem Umfang die Gruppenwiederholung am Umfang möglich, so dass die Zahl der für die Speisung erforderlichen Umrichtermodule begrenzt bleibt. Bei Maschinen großen Durchmessers und geringer Drehzahl relativiert sich das Problem der Schwingungsanregung insofern, als durch die niedrige Betriebsfrequenz die entsprechende Schwingungsenergie und ein eventueller Schallpegel gering sind.For Windings based on three-phase symmetrical current systems similar relationships can be derived. It Thus, it should be noted that winding distributions with a larger Number of single-stranded groups with respect to the vibration excitation through the normal force distribution and uniformity the torque transmitted to the shaft advantageous Features revealed. This is to a certain extent the group repeat on the circumference possible, so that the number for feeding required converter modules remains limited. In machines big Diameter and low speed relativizes the problem the vibration excitation insofar as by the low operating frequency the corresponding vibration energy and a possible sound level are low.

Als Vorteil für die Heranziehung einer nicht überlappten mehrsträngigen Wechselstromwicklung mit Zonenversatz gilt neben der einfachen Spulenherstellung auch deren aufwandsarme Montage etwa bei parallelen Zahnflanken. Für die Statorbleche lassen sich gemäß der Gruppenausdehnung Blechlamellensegmente gleicher Abmessung herstellen, aus denen die Pakete geschichtet werden. Auf diese Weise entsteht entsprechend der Zahl der einzelnen Spulengruppen, die unterschiedlichen Strängen angehören, jeweils ein mechanisch identisches Primärteilelement. Aus mechanischer Sicht besteht dabei die Notwendigkeit einer gegenüber Normal- und Tangentialkraft-Schwankungen einwandfrei kraftschlüssigen Verbindung mit dem Gehäuse. Letzteres muss im Falle der an der Strangtrennstelle unterbrochenen Blechkörper seinen Anteil an der Biegefestigkeit der Gesamtanordnung des Stator beitragen. Andererseits liegt es nahe, für Maschinen großen Durchmessers das Gehäuse so auszuführen, dass es der Segmentierung des Blechpakets entsprechend unterteilbar, d. h. auch montier- und demontierbar wird. Wicklungsschäden können auf diese Weise durch Heranziehung von Ersatzsegmenten am Anwendungsort leichter behoben werden.As an advantage for the attraction of a non-overlapped multi-strand AC winding with zone offset applies in addition to the simple coil production and their low-cost assembly, for example, parallel tooth flanks. For the stator laminations, according to the group expansion, it is possible to produce laminar segments of the same dimension from which the packages are stacked. In this way, according to the number of individual coil groups, which belong to different strands, in each case a mechanically identical primary sub-element. From a mechanical point of view exists the necessity of a relation to normal and Tangentialkraft flawlessly frictional connection with the housing. The latter must contribute its share in the bending strength of the overall arrangement of the stator in the case of interrupted at the strand separation point sheet metal body. On the other hand, it makes sense for machines of large diameter, the housing to be designed so that it can be subdivided according to the segmentation of the laminated core, ie also assembled and disassembled. Winding damage can be more easily remedied in this way by using replacement segments at the point of use.

In 5 ist ein Ausschnitt aus einem mit Paketen bestückten Maschinengehäuse einer hochpoligen Maschine in segmentierter Form gezeichnet. Die Gehäuseteile GT1 und GT2 lassen sich über Flansche und Schrauben V1,2 im Bereich der Trennstelle zwischen den unterschiedlichen Strangteilen biegesteif verbinden. Jedes Gehäuseteil wird in Umfangsrichtung durch Rippen und Aufschweißungen im Flanschbereich mit einem gegen Biegung erhöhten Widerstand ausgestattet. Die Wicklung W wurde nur im Segment 1 eingezeichnet. Die geforderte kraftschlüssige Verbindung zwischen den Teilen LES und GT kommt durch den Einsatz von 4 Spannvorrichtungen je Segment zustande. Zur Aufnahme eines axial verlaufenden Stahlteils weisen die Blechlamellen von LES entsprechende kreisförmige Aussparungen mit Öffnungen nach außen auf. Werden diese Öffnungen ebenso wie die Bohrungen im Gehäuse parallel zur Schwerpunktlinie der Blechlamellen ausgeführt, ermöglicht dies eine entsprechende Schraubverbindung. 5 zeigt hierzu passende senkrecht auf den Stahl-Füllstücken aufgeschweißte Gewindebolzen, die durch Muttern von außen angezogen werden. Das Blechpaket leistet hierdurch seinen Beitrag zur Steifigkeit gegenüber Biegung und bleibt dennoch montier- und auswechselbar.In 5 is a section of a packaged machine packages of a high-poled machine drawn in segmented form. The housing parts GT1 and GT2 can be rigidly connected via flanges and screws V1,2 in the region of the separation point between the different strand parts. Each housing part is equipped in the circumferential direction by ribs and welds in the flange with a resistance to bending increased. The winding W was drawn only in segment 1. The required frictional connection between the parts LES and GT is achieved by the use of 4 clamping devices per segment. For receiving an axially extending steel part, the laminations of LES corresponding circular recesses with openings to the outside. If these openings, like the holes in the housing, are made parallel to the centroid line of the laminations, this allows a corresponding screw connection. 5 shows for this purpose welded perpendicular to the steel filler pieces threaded bolt, which are tightened by nuts from the outside. The laminated core thus makes its contribution to the rigidity against bending and still remains mountable and replaceable.

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Claims (6)

Permanentmagneterregte elektrische Maschine mit longitudinaler Flussführung für rotierende und lineare Anwendung mit zwei Maschinenteilen, die durch den Luftspalt δ getrennt sind, wobei das primäre Maschinenteil PT eine wechselstromführende Wicklung trägt, deren magnetisierende Leiter von magnetisch leitfähigen Teilen von LES umgeben sind und das Erregerteil ET aus einer magnetisch leitfähigen Anordnung LER besteht, die mit Permanentmagneten in V-förmiger Anordnung bestückt ist, so dass die magnetisierenden Magnetenden am Luftspalt im Abstand der Polteilung enden und sich gegenseitig neutralisierende Magnetenden nahe dem gegenüberliegenden Rand von LER stehen und die gesamte Magnetlänge je Pol deutlich größer ist als die Länge der Flusseintrittsfläche zu LES und die Dicke der Magnete größer als die Luftspaltlänge gewählt ist.Permanent magnet excited electric machine with longitudinal flow control for rotating and linear Application with two machine parts, separated by the air gap δ are, wherein the primary machine part PT an AC leading winding carries, whose magnetizing conductors of magnetically conductive Parts of LES are surrounded and the exciter part ET from a magnetic conductive arrangement LER consists of permanent magnets is equipped in a V-shaped arrangement, so that the magnetizing magnet ends at the air gap at the distance of the pole pitch end and mutually neutralizing magnetic ends near the opposite edge of LER stand and the entire magnet length each pole is significantly larger than the length of the Fluseintrittsfläche to LES and the thickness of the magnets larger as the air gap length is selected. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle großer Polteilungen zwei oder mehrere V-förmige Magnetabschnitte je Polteilung eingesetzt werden und dabei die Faltungspunkte entsprechend 3b in Luftspaltnähe einen in Längsrichtung verlaufenden Steg zur Führung einer entsprechenden Feldkomponente aufweisen und ein Hilfsjoch auf der luftspaltfernen Seite von LER eine leitfähige Verbindung zwischen den inneren P-Magneten verschiedener Pole bewirkt.Permanent magnet excited electric machine according to claim 1, characterized in that in the case of large pole pitches two or more V-shaped magnet sections are used per pole pitch and thereby the folding points accordingly 3b have in the air gap near a longitudinally extending web for guiding a corresponding field component and an auxiliary yoke on the air gap remote side of LER causes a conductive connection between the inner P-magnets of different poles. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstärkung des mechanischen Aufbaus des Blechkörpers von ET die Magnetlänge unterteilt und dünne Eisenstege als Verbindung zwischen den Teilen LER und Re eingerichtet werden.Permanent magnet excited electric machine after one of the above-mentioned claims, characterized that for strengthening the mechanical structure of the sheet metal body divided by ET the magnet length and thin iron bars be established as a link between the parts LER and Re. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Verstärkung von ET am Luftspalt abgewandten Rand von LER eine Jochverbindung hK besteht, die sich über die Gesamtlänge der Lamellen von ET erstreckt und an den magnetisch neutralen Faltungspunkten kleine Ausnehmungen des Eisens befinden, die als Streufeldzonen eingerichtet sind.Permanent magnet excited electric machine according to one of the above claims, characterized in that for the mechanical reinforcement of ET at the air gap facing away from the edge of LER a yoke connection h K exists, which extends over the entire length of the fins of ET and at the magnetically neutral folding points small recesses of Iron, which are set up as stray fields. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wechselstromführende Wicklung W aus gleichartigen Teilwicklungen besteht, die unüberlappt sind, mehrere Pole umfassen können und jeweils Ströme gleicher Größe und Phasenlage führen, dabei einem bestimmten Maschinensegment mit mechanisch identischem Aufbau zugeordnet sind, so, dass am Umfang eine hinsichtlich der Normal- und Tangentialkräfte symmetrische Belastung entsteht.Permanent magnet excited electric machine after one of the above-mentioned claims, characterized that the AC leading winding W from similar Partial windings, which are unüberlappt, several poles may comprise and each streams of the same size and phase position, while a specific machine segment associated with mechanically identical structure, so that on the perimeter one with respect to the normal and tangential forces symmetrical Stress arises. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Segmente durch Flansche und Schrauben verbunden, örtlich montierbar gestaltet sind, und durch besondere Verbindungsmaßnahmen, entsprechend 5, Blechpaket und Gehäuseteile bei minimalem Materialeinsatz eine biegesteife Ausführung des Stators ergeben.Permanent magnet excited electric machine according to one of the above claims, characterized in that the individual segments are connected by flanges and screws, designed locally mountable, and by special connection measures, accordingly 5 , Laminated core and housing parts with minimal use of material yield a rigid design of the stator.
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