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Die
Erfindung betrifft einen Rotor für eine dynamoelektrische
Maschine, wobei der Rotor eine vorgebbare Anzahl an Permanentmagneten
aufweist und wobei die Permanentmagnete in zwei in einer radialen
Richtung übereinander liegenden Schichten angeordnet sind.
Ferner betrifft die Erfindung eine dynamoelektrische Maschine mit
einem derartigen Rotor.
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Dynamoelektrische
Maschinen, insbesondere permanentmagneterregte Synchronmotoren,
weisen im Wesentlichen einen Rotor, einen Stator, ein Rotorlagersystem
sowie weitere Komponenten auf. Der Rotor weist i. d. R. ein Blechpaket
auf, welches beispielsweise auf eine Stahlwelle aufgepresst ist. Der
Stator weist i. d. R. ebenso ein Blechpaket auf, wobei der Stator
dasjenige Bauteil ist, welches eine bestrombare Wicklung aufweist.
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Der
Rotor eines permanentmagneterregten Synchronmotors weist mehrere
Permanentmagnete auf, die entweder im Inneren oder an der Oberfläche des
Blechpakets angeordnet sind. Im Inneren des Rotors angeordnete Permanentmagnete
werden auch als vergrabene Permanentmagnete bezeichnet.
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Bei
permanentmagneterregten Maschinen ist die Erregung konstant. Sind
jedoch besonders hohe Drehzahlen jenseits des Nennpunkts der elektrischen
Maschine gewünscht, beispielsweise für hochtourige
Werkzeugmaschinen, ist eine Feldschwächung erforderlich.
Als Feldschwächung wird die Verringerung der Erregung bzw.
des Erregerflusses bezeichnet. Eine Schwächung der Erregung
und somit des Erregerstroms hat u. a. eine Erhöhung der Drehzahl
der elektrischen Maschine zur Folge.
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Die
Feldschwächung kann bei permanentmagneterregten Rotoren
beispielsweise auf elektrische Weise durch Vorgabe von negativen
Stromkomponenten beim Erregerstrom (Id-Stromkomponenten bei der
Vektorregelung) erfolgen. Dadurch wird das Erregerfeld durch eine
eingeprägte Stromkomponente teilweise kompensiert und der
Drehzahlbereich erweitert. Diese eingeprägte Stromkomponente
steht jedoch nicht zur Drehmomentbildung zur Verfügung, führt
aber zur Erhöhung des Ankerstroms und somit zu einer starken
thermischen Belastung (Erwärmung) der elektrischen Maschine.
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Eine
weitere Möglichkeit ist, neben der elektrischen Feldschwächung,
eine sogenannte mechanische Feldschwächung. Aus der
DE 10 2006 020 867
A1 ist ein Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor
bekannt, wobei der Stator und der Rotor zur Feldschwächung
axial gegeneinander verschiebbar sind, wobei die Axialverschiebung
unter Einhaltung eines konstanten Luftspalts zwischen Stator und Rotor
einstellbar ist. Der Stator besteht aus einer axialen Verfahreinheit
mit dem im Inneren der Verfahreinheit angebrachten Aktivteil des
Stators und stellt somit ein komplexes und aufwendig zu fertigendes und
montierendes Bauteil dar.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor sowie eine
dynamoelektrische Maschine mit einstellbarer Feldschwächung
bereitzustellen, welche die Nachteile einer elektrischen Feldschwächung
vermeidet und einfach herzustellen ist.
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Die
Aufgaben werden mit den Merkmalen der Patentansprüche 1
und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Der
erfindungsgemäße Rotor für eine dynamoelektrische
Maschine weist eine vorgebbare Anzahl an Permanentmagneten auf,
wobei die Permanentmagnete in zwei in einer radialen Richtung übereinander
liegenden Schichten angeordnet sind.
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Die
Permanentmagnete sind symmetrisch im Rotor, insbesondere im äußeren
Randbereich des Rotors, angeordnet.
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Eine
Schicht mit Permanentmagneten ist dabei jeweils ringförmig
oder kreisförmig um eine Drehachse des Rotors ausgebildet.
Insbesondere ist die Schicht ring- oder kreisförmig in
einem Querschnitt parallel zu beiden Stirnseiten des Rotors ausgebildet. Jede
Schicht ist demzufolge hohlzylinderartig um ein Rotorblechpaket
angeordnet, wobei das Rotorblechpaket aus vielen in axialer Richtung
der Drehachse hintereinander geschichteten Blechen aufgebaut ist. Das
Rotorblechpaket bildet zusammen mit den zwei Schichten mit Permanentmagneten
den Rotor.
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Gemäß der
Erfindung ist eine der zwei Schichten um die Drehachse des Rotors
drehbar angeordnet bzw. gelagert, derart, dass die Permanentmagnete
dieser drehbaren Schicht gegen die Permanentmagnete der anderen
Schicht verschiebbar sind.
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Die
Schwächung des magnetischen Erregerfeldes des Rotors erfolgt
auf mechanische Weise. Durch die Drehung bzw. Verschiebung der Permanentmagnete
gegeneinander ist eine stufenlose Feldschwächung des Erregerfeldes
möglich. Je nach Bedarf können die Permanentmagnete
der verschiebbaren Schicht mehr oder weniger verschoben werden.
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Ferner
vermeidet die erfindungsgemäße Lösung
die Nachteile der elektrischen Feldschwächung, insbesondere
die dabei auftretende thermische Belastung der elektrischen Maschine.
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Die
zwei Schichten sind in der radialen Richtung eine innere und eine äußere
Schicht, wobei vorzugsweise die äußere Schicht
drehbar angeordnet ist. Die technische Umsetzung der Drehbarkeit
ist bei der äußeren Schicht wesentlich einfacher
als bei der inneren Schicht, welche sich zwischen Rotorblechpaket
und äußerer Schicht befindet. Es bestünde
jedoch die Möglichkeit, die innere Schicht oder auch beide
Schichten als drehbar bzw. verschiebbar auszugestalten.
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Die
Permanentmagnete einer Schicht sind jeweils mit abwechselnden Polaritäten
angeordnet, da diese die Erregerpole des Rotors bilden. In einem ersten
unverschobenen Zustand, d. h. in einer Neutralstellung der Schichten,
sind die Permanentmagnete gleicher Polaritäten in radialer
Richtung übereinander liegend angeordnet. Die Permanentmagnete gleicher
Polarität überdecken sich komplett. In dieser Neutralstellung
liegt keine Feldschwächung vor.
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Vorteilhafterweise
ist die äußere Schicht derart drehbar ausgebildet,
dass die Permanentmagnete der äußeren Schicht
soweit gegen die Permanentmagnete der inneren Schicht verschiebbar
sind, dass radial betrachtet Permanentmagnete unterschiedlicher
Polaritäten übereinander liegend anordenbar sind.
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In
einem zweiten komplett verschobenen Zustand, d. h. in einer Feldschwächstellung
der Schichten, sind die Permanentmagnete unterschiedlicher Polarität
in radialer Richtung übereinander liegend angeordnet. In
dieser Feldschwächstellung liegt die maximale Feldschwächung
vor.
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In
einem dritten Verschiebezustand, d. h. in einer Zwischenstellung
der Schichten, überdecken sich die Permanentmagnete der
beiden Schichten nur teilweise. Bei der Zwischenstellung liegt weder die
Neutralstellung noch die Feldschwächstellung vor, sondern
sämtliche anderen möglichen Stellungen. Insbesondere
sind im dritten Verschiebezustand Permanentmagnete gleicher Polaritäten
radial übereinander liegend angeordnet, wobei sich die
Permanentmagnete nur zur Hälfte überdecken. In
dieser Zwischenstellung liegt eine mittlere Feldschwächung vor.
Natürlich sind auch sämtliche anderen Zwischenstellungen
zur beliebigen Einstellung der Feldschwächung möglich.
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Erfindungsgemäß sind
die Permanentmagnete in zwei Schichten eingebettet, wobei diese Schichten
als solche mechanisch gegeneinander verschoben werden können.
Somit ergeben sich zwei ausgezeichnete Stellungen (Neutralstellung, Feldschwächstellung).
Zum einen ist in der Neutralstellung der volle magnetische Fluss
vorhanden, wohingegen in der Feldschwächstellung sich die
Magnetwirkung völlig aufhebt. Der Übergangszustand während
dem Verschieben der beiden Schichten bildet Zwischenzustände
ab.
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Die
Permanentmagnete sind in Taschen, welcher der Rotor aufweist, eingelassen
oder eingeschoben. Der Permanentmagnete der äußeren Schicht
können jedoch auch als Oberflächemagnete angeordnet
sein.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Verschiebung
einer der Schichten auf pneumatischem, hydraulischem oder elektromagnetischem
Weg.
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Die
Verschiebung einer der beiden Schichten, insbesondere der äußeren
Schicht, erfolgt im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine. Dabei
dreht der Mechanismus zur Verschiebung (Verschiebe-Mechanismus)
mit dem Rotor mit und während der Drehbewegung ist eine
autarke Verschiebung ermöglicht. Der Verschiebe-Mechanismus
ist entweder an einer Stirnseite oder an beiden Stirnseiten des
Rotors angeordnet und veranlasst die Verschiebung im Betrieb der
elektrischen Maschine.
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Bei
einem Verschiebe-Mechanismus auf pneumatischer oder hydraulischer
Basis wird der Grad der Verschiebung mittels eines Ventils geregelt oder
gesteuert. Bei einem Verschiebe-Mechanismus auf elektromagnetischer
Basis wird der Grad der Verschiebung mittels Spule und Eisenteil
geregelt oder gesteuert.
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Die
erfindungsgemäße dynamoelektrische Maschine weist
einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Rotor wie erfindungsgemäß beschrieben
ausgestaltet ist. Der Stator weist eine ein- oder mehrphasige Wicklung,
insbesondere eine dreiphasige zum Anschluss an ein Drehstromnetz
auf. Die dynamoelektrische Maschine ist insbesondere als permanentmagneterregter
Synchronmotor ausgebildet.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten
der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand
von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei
sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge
grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Rotor in einer Schnittdarstellung,
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2 einen
Ausschnitt der Schnittdarstellung nach 1 in einer
ersten Stellung (Neutralstellung),
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3 der
Ausschnitt nach 2 in einer zweiten Stellung
(Zwischenstellung),
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4 der
Ausschnitt nach 2 in einer dritten Stellung
(Feldschwächstellung),
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5 eine
erfindungsgemäße dynamoelektrische Maschine in
einer schematischen Darstellung,
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6 einen
ersten Verschiebe-Mechanismus, und
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7 einen
zweiten Verschiebe-Mechanismus.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Rotor 1 in einer
Schnittdarstellung von vorn. Der Rotor 1 weist eine Rotorwelle 7 mit
der Drehachse A auf. Die Drehachse A bildet den Mittelpunkt des
Rotors 1 und der Rotorwelle 7. Drehachse A und
Rotorwelle 7 verlaufen in die Zeichenebene hinein.
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An
der Rotorwelle 7 ist ein Rotorblechpaket 6 angeordnet,
beispielsweise aufgeschrumpft oder aufgepresst. Das Blechpaket 6 weist
eine Vielzahl an einzelnen Blechen, wie Elektroblechen, auf, welche axial
hintereinander gefügt sind. Gemäß 1 sind die
Einzelbleche in die Zeichenebene hinein geschichtet.
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Weiterhin
weist der Rotor 1 zwei Schichten 3, 4 auf,
welche in radialer Richtung R übereinander angeordnet sind.
In jede Schicht 3, 4 sind Permanentmagnete 2 eingebettet,
beispielsweise in Taschen 5 eingelassen oder eingeschoben.
Die Permanentmagnete 2 jeder Schicht 3, 4 sind
symmetrisch im äußeren Bereich des Rotors 1 als
vergrabene Permanentmagnete angeordnet.
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Die
Schichten 3, 4 sind eine innere Schicht 3 und
eine äußere Schicht 4. Erfindungsgemäß ist
insbesondere die äußere Schicht 4 drehbar
angeordnet, derart, dass die Permanentmagnete 2 der äußeren Schicht 4 entsprechend
der Verschieberichtung V gegen die Permanentmagnete 2 der
inneren Schicht 3 verschoben werden können. Die
Verschiebung der äußeren Schicht 4 erfolgt
entlang der gestrichelten Grenzlinie. Aufgrund der Verschiebemöglichkeit
zumindest einer der beiden Schichten 3, 4 ist
eine mechanische Feldschwächung möglich.
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Gemäß der
Darstellung nach 1 befinden sich die Schichten 3, 4 in
einer Neutralstellung, d. h. es liegt keine Feldschwächung
vor. Es sind Permanentmagnete 2 gleicher Polaritäten
radial übereinander angeordnet. Die Polaritäten
der Permanentmagnete sind mittels der Pfeile auf den Permanentmagneten 2 gekennzeichnet.
In dieser Neutralstellung ist der volle magnetische Fluss vorhanden.
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Jeder
Erregerpol ist beispielhaft gemäß 1 aus
zwei Permanentmagneten 2 aufgebaut. Die Erregerpole können
jedoch auch aus einer beliebigen Anzahl an Permanentmagneten 2 aufgebaut sein.
Entsprechend können auch mehrere Schichten 3, 4 im
Rotor 1 vorhanden sein.
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2 zeigt
einen Ausschnitt aus der Schnittdarstellung nach 1.
Wie bereits erwähnt, ist in 1 die Neutralstellung
der Schichten 3, 4 dargestellt, d. h. Permanentmagnete 2 gleicher
Polaritäten liegen radial übereinander und es
liegt keine Feldschwächung vor.
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3 zeigt
den Ausschnitt nach 2 in einer Zwischenstellung.
In der Zwischenstellung sind die Permanentmagnete 2 der
verschiedenen Schichten 3, 4 teilweise gegeneinander
verschoben. Insbesondere überdecken sich Permanentmagnete 2 gleicher Polaritäten
zur Hälfte. In dieser Stellung ist eine mittlere Feldschwächung
gegeben.
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Da
aufgrund der Verschiebemöglichkeit insbesondere der äußeren
Schicht 4 ist eine stufenlose Feldschwächung möglich.
Je nach Bedarf kann die äußere Schicht 4 mehr
oder weniger verschoben werden.
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4 zeigt
den Ausschnitt nach 2 in einer weiteren Stellung,
der Feldschwächstellung. In der Feldschwächstellung
sind die Permanentmagnete 2 der äußeren
Schicht 4 soweit gegen die innere Schicht 3 verschoben,
dass nun Permanentmagnete 2 unterschiedlicher Polaritäten
radial übereinander liegen. In dieser Stellung ist die
magnetische Wirkung der Permanentmagnete 2 komplett aufgehoben
und eine maximale Feldschwächung gegeben.
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5 zeigt
eine erfindungsgemäße dynamoelektrische Maschine 10 in
einer schematischen Darstellung. Der Rotor 1 entspricht
der Darstellung nach 1. Weiterhin ist schematisch
ein Stator 11 dargestellt, welche insbesondere eine dreiphasige Wicklung
zum Anschluss an ein Drehstromnetz aufweist (Wicklung ist nicht
gezeigt). Die dynamoelektrische Maschine 10 ist insbesondere
als permanentmagneterregter Synchronmotor ausgebildet.
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6 zeigt
einen ersten Verschiebe-Mechanismus, wobei die Verschiebung durch
elektromagnetische Kräfte erfolgt. Der Verschiebe-Mechanismus
ist nur schematisch dargestellt.
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Der
Verschiebe-Mechanismus funktioniert mit einer Spule 8 und
einem Eisenteil 9, wobei an einer Schicht die Spule 8 und
an der anderen Schicht das Eisenteil 9 fest fixiert ist.
Im vorliegenden Fall ist an der äußeren Schicht 4 die
Spule 8 und an der inneren Schicht 3 das Eisenteil 9 fixiert.
Durch Anlegen einer Spannung an die Spule 8 entsteht ein
Magnetfeld bzw. ein magnetischer Fluss im Bereich der Spule 8,
wodurch das Eisenteil 9 in die Spule 8 bewegt wird.
Je nach Spannung wird das Eisenteil 9 mehr oder weniger
bewegt. Da das Eisenteil 9 an der Schicht 3 fest
angeordnet ist, wird die Schicht 3 durch die Bewegung des
Eisenteils mitbewegt.
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7 zeigt
einen zweiten Verschiebe-Mechanismus, wobei die Verschiebung durch
Druckluft oder Wasser erfolgt. Der Verschiebe-Mechanismus ist nur
schematisch dargestellt.
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Bei
einem Verschiebe-Mechanismus auf pneumatischer oder hydraulischer
Basis wird der Grad der Verschiebung mittels eines Ventils 12 geregelt
oder gesteuert. An beiden Schichten 3, 4 ist die Druckluft-
oder Wasserleitung befestigt und durch entsprechendes Beaufschlagen
mit Druckluft oder Wasser wird eine der beiden Schichten 3, 4 bewegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006020867
A1 [0006]