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Die Erfindung betrifft ein Maschinenbauteil in Form eines Rotors oder Stators für eine elektrische Maschine, umfassend einen Grundkörper aus einem magnetischen Material, insbesondere Eisen, mit wenigstens zwei insbesondere geometrisch ausgeprägten magnetischen Polen, denen jeweils eine um einen Wicklungskern gelegte Polwicklung zur Erzeugung eines magnetischen Wicklungsfeldes zugeordnet ist. Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem gegen den Stator rotierbaren Rotor.
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Elektrische Maschinen, wie z. B. Synchronmaschinen, die auf der Wechselwirkung von Magnetfeldern eines Rotors und eines Stators (häufig auch Läufer bzw. Ständer genannt) basieren, sind weithin bekannt. Eine solche Synchronmaschine kann als ein Motor betrieben werden, wenn ein entsprechender Erregerstrom auf die Ständerwicklungen gegeben wird, oder aber auch als Generator, wenn eine Bewegung des Rotors einen Stromfluss in den Wicklungen des Stators induziert. Voraussetzung ist in beiden Fällen, dass am Rotor ein Magnetfeld mit wenigstens zwei Polen vorliegt. Auch die umgekehrte Ausgestaltung ist denkbar, worin der Stator die wenigstens zwei Pole aufweist. Der Einfachheit halber wird im Folgenden meist vom Rotor als wenigstens zwei Pole aufweisendes Maschinenbauteil ausgegangen, die Ausführungen lassen sich jedoch auf einen die Pole tragenden Stator als Maschinenbauteil übertragen. Dabei sind zwei verschiedene Varianten zur Erregung bei elektrischen Maschinen bekannt.
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So kann das Magnetfeld des Maschinenbauteils allein durch Permanentmagneten erzeugt werden, sodass sich eine so genannte Permanentmagnet-Maschine ergibt. Derartige Maschinen bieten eine hohe Leistungsdichte und einen guten Wirkungsgrad sowie den Vorteil eines einfachen Aufbaus. Beim Einsatz von Permanentmagnet-Maschinen in sicherheitskritischen Anwendungen, beispielsweise in Luft- oder Landfahrzeugen, bestehen jedoch Probleme hinsichtlich möglicher Gefahren bei Kurzschlüssen in der Ständerwicklung. Dabei existiert eine nicht vorgesehene elektrisch leitende Verbindung zwischen verschiedenen Leitern in einer Wicklung des Stators, wobei die Folge derartiger Wicklungsfehler unter Umständen hohe Bremsmomente sowie weitere Zerstörungen der Maschine sein können, die durch einen entsprechenden Kurzschlussstrom und das daraus erzeugte Feld erzeugt werden. Diese Problematik lässt sich nicht vermeiden, da das magnetische Feld der Permanentmagneten nicht abgeschaltet werden kann.
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Deshalb kommen aus Sicherheitsgründen häufig Synchronmaschinen zum Einsatz, deren Rotoren elektrisch erregt werden. Dabei sind auch im Rotor Wicklungen vorgesehen, die bei Bestromung ein gewünschtes magnetisches Feld bzw. einen gewünschten magnetischen Fluss erzeugen. Solche elektrisch erregten Synchronmaschinen erlauben durch Regelung des Erregerstromes die Erzeugung einer stets konstanten Maschinenspannung auch bei variabler Drehzahl und Last sowie die Abschaltung der Maschine im Fehlerfall. Im Vergleich zur Permanentmagnet-Maschine geht jedoch die notwendige Zuführung von elektrischer Energie für die Erregung zu Lasten des Wirkungsgrades.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Maschinenbauteil für eine elektrische Maschine derart auszugestalten, dass bei einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad im Vergleich zu einer nur elektrisch erregten Maschine dennoch hohe Bremsmomente bzw. weitere Schäden an der Maschine bei Kurzschlüssen in der Wicklung des jeweils anderen Maschinenbauteils vermieden werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Maschinenbauteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in Umfangsrichtung zwischen zwei Polen, insbesondere jeweils zwischen zwei Polen, wenigstens ein Permanentmagnet derart vorgesehen ist, dass bei unbestromten Polwicklungen der durch den Permanentmagnet erzeugte Magnetfluss in dem Grundkörper, wenigstens einen Wicklungskern durchströmend, kurzgeschlossen ist.
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Wie üblich kann hierbei der Wicklungskern durch einen Teil des Grundkörpers, der bevorzugt aus Eisen besteht, gebildet werden. Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, eine elektrische Erregung und eine Permanentmagnet-Erregung zu einer hybriderregten Maschine zu kombinieren, und zwar derart, dass immer dann, wenn die Polwicklungen des die Pole tragenden Maschinenbauteils unbestromt sind, wenigstens ein Teil des durch den Permanentmagnet erzeugten Magnetflusses, insbesondere der wesentliche Teil, in dem Grundkörper kurzgeschlossen ist. Nur ein insbesondere geringer Magnetflussanteil, der den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator überwinden kann, durchflutet dann die Wicklung des jeweils anderen Maschinenbauteils. Letztlich ist es eine Frage der konkreten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Maschinenbauteils, welche Streumagnetflussanteile tatsächlich zugelassen werden und auf welchen Wert ein möglicherweise auftretendes Bremsmoment beschränkt werden soll. Durch den Streumagnetfluss wird letztlich zwar ebenso eine, wenn auch kleine, Leerlaufspannung in der Wicklung des jeweils anderen Maschinenbauteils erzeugt, die im Falle eines Wicklungsfehlers einen Kurzschlussstrom bewirken wird. Dieser Kurzschlussstrom kann jedoch zum einen durch entsprechende Ausgestaltungen des die Pole tragenden Maschinenbauteils begrenzt werden, zum anderen wird durch die Ankerrückwirkung der Magnetfluss zurückgedrängt, sodass die vorhandene Restbremswirkung abgeschwächt wird und eine zusätzliche Sicherheit erreicht wird.
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Der Grundkörper ist dabei so gestaltet, dass bei unbestromten Wicklungen der zum magnetischen Kurzschluss beitragende Teil des von dem Permanentmagneten erzeugten Magnetflusses wenigstens einen Wicklungskern, insbesondere die jeweils benachbarten Wicklungskerne, durchströmt, sodass bei Bestromung der Polwicklungen auf den magnetischen Kurzschluss Einfluss genommen werden kann. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass mit zunehmender Bestromung der Polwicklungen ein zunehmender Anteil des aus dem Wicklungsfluss und dem Permanentmagnetfluss zusammengesetzten Magnetflusses an den Polen aus dem Maschinenbauteil austritt. Das bedeutet also, dass mit steigender elektrischer Erregung der Polwicklungen der magnetische Kurzschluss im Maschinenbauteil mehr und mehr aufgehoben wird und der Magnetfluss zunehmend über das andere Maschinenbauteil geführt wird, sodass bei maximaler Erregung der gesamte Fluss aus permanentmagnetischer und elektrischer Erregung die Wicklung des nicht die Pole tragenden Maschinenbauteils durchfluten kann. Mit wieder abnehmender elektrischer Erregung kehrt sich der Vorgang um und es wird sich ein zunehmender Anteil des durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetflusses im Maschinenbauteil selbst schließen, ohne dabei die Wicklungen des anderen Maschinenbauteils zu durchfluten. Daraus ergibt sich, dass durch das erfindungsgemäße Maschinenbauteil auch die Vorteile einer elektrisch erregten Maschine erhalten werden können, nachdem eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Maschinenbauteil je nach Drehzahl und Last regelbar ist. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist es, dass der Permanentmagnet so angeordnet und der Grundkörper so ausgestaltet ist, dass sich der durch den Permanentmagneten erzeugte Magnetfluss bei entregter, das bedeutet unbestromter, Wicklung im Wesentlichen schließen kann, ohne die Wicklung des nicht die Pole tragenden Maschinenbauteils zu durchfluten. Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die erfindungsgemäßen Merkmale sinngleich in allen Bauformen von elektrischen Maschinen bzw. Rotoren/Statoren verwirklicht werden können, unabhängig von der Zahl der Pole, ob es sich um einen Außen- oder Innenrotor handelt, hohe oder niedrige Leistungen erbracht werden sollen oder ob die Synchronmaschine als Motor, Generator oder im gemischten Betrieb benutzt werden soll.
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Ausgenutzt werden kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung also vor allem, dass bei Maschinenbauteilen mit geometrisch ausgeprägten Innen- oder Außenpolen ein nicht genutzter Bereich zwischen den Polen existiert, in dem dann der Permanentmagnet vorgesehen werden kann. Dies unterscheidet solche Maschinenbauteile von sogenannten „Vollpolbauteilen”. Ein Beispiel solcher geometrisch ausgeprägter Pole, zwischen denen bei herkömmlichen Maschinen ein Freiraum existiert, bei dem die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft realisiert werden kann, sind die sogenannten Schenkelaußenpole beziehungsweise Schenkelinnenpole. Es kann also vorgesehen sein, dass die Pole des erfindungsgemäßen Maschinenbauteils als Schenkelaußenpole oder Schenkelinnenpole realisiert sind.
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Dabei wird im Allgemeinen eine symmetrische Ausgestaltung des Bauteils bevorzugt, bei der jeweils zwischen zwei Polen wenigstens ein Permanentmagnet angeordnet ist, das bedeutet, die Pollücken werden alle genutzt, um wenigstens einen Permanentmagneten dort anzuordnen. Dabei kann beispielsweise wenigstens ein Permanentmagnet zwischen zwei Polen angeordnet sein, dessen Magnetfluss zur Bildung des Kurzschlusses die Wicklungskerne beider Pole durchströmt.
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Wie viel Magnetfluss der Permanentmagneten außerhalb des Kurzschlusses verbleibt, ist letztlich eine Frage, die von der konkreten Ausgestaltung des Maschinenbauteils abhängt. Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass wenigstens 50% des durch den Permanentmagnet erzeugten Magnetflusses, bevorzugt wenigstens 90% des durch den Permanentmagnet erzeugten Magnetflusses, bei unbestromten Polwicklungen kurzgeschlossen ist. Letztlich kann die konkrete Ausgestaltung des Maschinenbauteils davon abhängig gemacht werden, wie viel Streufluss und mithin wie viel Bremsmoment zugelassen werden soll bzw. wie hoch die Leerlaufspannung der Maschine sein darf.
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Zusammenfassend wird erfindungsgemäß also ein Maschinenbauteil, mithin ein Rotor oder ein Stator, für eine elektrische Maschine mit kombinierter elektrischer und permanentmagnetischer Erregung vorgeschlagen, das die Vorteile elektrisch erregter Maschinen, insbesondere die Möglichkeit zum Abschalten des nach außen sichtbaren magnetischen Feldes, nutzt. Dabei hat sich gezeigt, dass der Wirkungsgrad unter Verwendung des erfindungsgemäßen Maschinenbauteils gegenüber vergleichbaren rein elektrisch erregten Maschinen deutlich gesteigert werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es also, den Wirkungsgrad elektrisch erregter Maschinen zu steigern und gleichzeitig die Nachteile permanentmagnet-erregter Maschinen zu vermeiden.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper einen die Polwicklungen umfassenden Wicklungsanteil und einen formschlüssig anschließenden, insbesondere in Längsrichtung des Maschinenbauteils einschiebbaren Rückschlussanteil mit dem Permanentmagneten umfasst. Es wird mithin vorgeschlagen, den Grundkörper des Maschinenbauteils aus mehreren Bauteilen zusammenzusetzen, was eine einfachere Herstellung und Montage erlaubt. Indem der Grundkörper, insbesondere Eisenkörper, des Maschinenbauteils entsprechend geteilt ist, können die Polwicklungen sehr einfach auf diesen aufgebracht werden. Anschließend können die beispielsweise mit Teilen des Grundkörpers vormontierten Permanentmagneten in das fertig bewickelte Maschinenbauteil eingesetzt, insbesondere eingeschoben, werden. Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten einer zusammengesetzten Bauweise des Grundkörpers denkbar. Zur beachten ist, dass die Teilungsfugen im Fluss führenden Grundkörperkreis den magnetischen Widerstand nicht oder nur geringfügig erhöhen sollten.
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Zweckmäßigerweise kann dabei der außerhalb der Pole liegende Rückschlussanteil aus einem ungeblechten Material bestehen. Im Bereich der Pole liegen insbesondere an der Poloberfläche hohe Frequenzen vor, sodass häufig geblechtes Material, insbesondere geblechtes Eisen, verwendet wird. Zwischen den Polen jedoch liegt im Wesentlichen ein Gleichfluss vor, sodass es möglich ist, an diesen Stellen einen massiven Rückschlussanteil aus ungeblechtem Material, beispielsweise aus massivem Eisen, zu verwenden. Auf diese Weise ermöglicht die zusammengesetzte Bauweise des Grundkörpers die Verwendung von massiven Teilen aus einfachem Eisen an Stellen, die nicht den Wechselfeldern der Ankerrückwirkung ausgesetzt sind.
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In konkreter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Schwerpunkt des wenigstens einen, insbesondere ein im Wesentlichen in Umfangsrichtung orientiertes Permanentmagnetfeld aufweisenden Permanentmagneten auf einer Winkelhalbierenden der radialen Mittelrichtungen der Pole liegt. Beispielsweise ist es dabei möglich, dass der eine Permanentmagnet auf der Winkelhalbierenden liegt und ein dazu senkrechtes Permanentmagnetfeld aufweist. In diesem Fall ist nur ein Permanentmagnet erforderlich, der letztlich mittig zwischen den Polen angeordnet wird und einen Magnetfluss erzeugt, der zunächst im Wesentlichen in Umfangsrichtung liegt, dann beispielsweise durch die Wicklungskerne der benachbarten Pole nach innen (oder außen) geführt werden kann, wo sich der Fluss im Grundkörper schließt. In einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass zwischen den Polen wenigstens zwei insbesondere den Polwicklungen benachbart angeordnete Permanentmagnete vorgesehen sind. Der Schwerpunkt dieser beiden Permanentmagnete liegt dann wiederum auf der Winkelhalbierenden, wobei letztlich eine ähnliche Feldstruktur wie bei einem einzigen Permanentmagneten auf der Winkelhalbierenden erzeugt wird, nun jedoch aus den Magnetflüssen beider Permanentmagnete ergänzt wird. Diese können dann näher an den Polwicklungen angeordnet werden.
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Vorzugsweise kann bei einem Rotor ferner vorgesehen sein, dass der Kurzschluss durch einen den Permanentmagneten umfassenden Bereich, die zwei Pole, insbesondere die Wicklungskerne der beiden Pole, und einen innen, insbesondere benachbart einer Öffnung für eine Welle liegenden Bereich gebildet wird. In einer derartigen Ausgestaltung ist es auch besonders vorteilhaft, wenn jede Lücke zwischen zwei Polen durch eine derartige Anordnung mit einem Permanentmagneten gefüllt wird.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass den Polwicklungen benachbarte Kühlkanäle zur Kühlung der Pole, insbesondere der Polwicklungen, vorgesehen sind. Derartige Kühlkanäle, beispielsweise für Kühlluft, können in das Design insbesondere derart integriert werden, dass sie nicht nur die Wicklungen vor einer Überhitzung schützen, sondern gleichzeitig auch den Permanentmagneten vor zu hohen Temperaturen bewahren. Mit besonderem Vorteil können diese Kühlkanäle derart in das Gesamtkonzept integriert werden, dass sie gleichzeitig das Zentrum des Kurzschlusses bilden.
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Allgemein gesagt kann also vorgesehen sein, dass das Zentrum des Kurzschlusses bildend wenigstens eine Durchgangsöffnung, insbesondere wenigstens ein Kühlkanal, vorgesehen ist. Der Grundkörper weist also wenigstens eine Durchgangsöffnung auf, die letztlich mithilft, den Magnetfluss so zu definieren, dass sich tatsächlich der Kurzschluss bildet, beispielsweise, wie bereits beschrieben, durch einen den Permanentmagneten umfassenden Bereich, die zwei Pole und einen innen liegenden Bereich. Die Durchgangsöffnung sorgt mithin dafür, dass der wesentliche Anteil des Magnetflusses der Permanentmagneten auch tatsächlich die Wicklungskerne durchströmt, sodass bei elektrischer Erregung der Kurzschluss tatsächlich schrittweise aufgehoben werden kann.
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Neben dem Maschinenbauteil betrifft die vorliegende Erfindung auch eine elektrische maschine, umfassend ein erfindungsgemäßes Maschinenbauteil. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Maschinenbauteils lassen sich analog auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine übertragen, sodass mit dieser die bereits beschriebenen Vorteile erreicht werden können.
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Zweckmäßigerweise kann eine Spannungsüberwachungseinrichtung zur Überwachung von an Wicklungen des nicht die Pole tragenden Maschinenbauteils anfallenden Spannungen vorgesehen sein, wobei bei einem detektierten elektrischen Kurzschluss in wenigstens einer Wicklung die Polwicklungen stromfrei schaltbar sind. Hier zeigen sich besonders deutlich die Vorteile der erfindungsgemäßen Maschine, nachdem diese zwar einen gegenüber einer rein elektrisch erregten Maschine höheren Wirkungsgrad aufweist, es gleichzeitig aber möglich ist, bei einem Fehler, beispielsweise einem Kurzschluss in der Statorwicklung, den Erregerstrom und damit die Maschine elektrisch abzuschalten, sodass sich der Kurzschluss im Maschinenbauteil wieder bildet und weiterer Schaden von der elektrischen Maschine und gegebenenfalls einem Land- oder Luftfahrzeug, in das diese verbaut ist, abgewendet werden kann.
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Wie bereits erwähnt, kann vorgesehen sein, dass die Pole Schenkelinnenpole oder Schenkelaußenpole sind und/oder die elektrische Maschine eine Synchronmaschine ist. In den bei herkömmlichen Maschinen vorhandenen Freiräumen zwischen den geometrisch ausgeprägten Polen lassen sich die Permanentmagnete und sonstige Bestandteile des Kurzschlusses gut realisieren.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass das Verhältnis, in dem (bei völlig aufgelöstem Kurzschluss) der Permanentmagnet und die Polwicklungen zum Fluss der Pole beitragen, von den konkreten Designkriterien abhängt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass zum maximal möglichen Magnetfluss aus den Polen in die Wicklungen des nicht die Pole tragenden Maschinenbauteils zu 40 bis 60% der wenigstens eine Permanentmagnet beiträgt; denkbar sind jedoch auch höhere Werte, wenn sich eine geeignete Rückschlussquerschnitt realisieren lässt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 den Querschnitt einer rein elektrisch erregten Synchronmaschine mit einem Schenkelpolrotor gemäß dem Stand der Technik,
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2 den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Synchronmaschine,
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3 eine teilgeschnittene Ansicht des Rotors der Synchronmaschine nach 2,
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4 den Magnetflussverlauf im Rotor bei unbestromten Wicklungen,
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5 den Magnetflussverlauf im Rotor bei maximal bestromten Wicklungen,
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6 einen die Wirkungsgrade der Synchronmaschinen gemäß 1 und 2/3 vergleichenden Graphen, und
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7 eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Rotors im Querschnitt.
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1 zeigt zu Vergleichszwecken eine rein elektrisch erregte Synchronmaschine 1 gemäß dem Stand der Technik. Dargestellt ist ein Querschnitt, in dem deutlich der Stator 2 und der als Innenläufer ausgebildete Rotor 3 zu erkennen sind. Im Stator 2 sind, wie grundsätzlich bekannt, in regelmäßiger Anordnung Statorwicklungen 4 vorgesehen, die mit einem vom Rotor 2 erzeugten Feld interagieren sollen.
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Der Rotor 3 weist vier geometrisch ausgeprägte, als Schenkelpole realisierte Pole 5 auf, die jeweils durch Polwicklungen 6 um einen Wicklungskern 7, der Teil des aus Eisen bestehenden Grundkörpers 8 ist, definiert sind. Jedem Pol 5 ist eine Polwicklung 6 zugeordnet. Ferner erkennt man die längs verlaufende Durchgangsöffnung 9 für eine hier nicht näher dargestellte Welle.
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Werden die Polwicklungen 6 bestromt, so entsteht ein magnetisches Feld an den Polen 5. Der hierfür notwendige Erregerstrom kann beispielsweise über Schleifringe zugeführt werden. Je nach Drehzahl und Last kann der Erregerstrom so verändert werden, dass eine gewünschte Maschinenspannung bzw. ein gewünschtes Drehmoment erzeugt wird. Tritt ein Fehler, beispielsweise ein Kurzschluss, in der Statorwicklung 4 auf, so kann der Erregerstrom und damit die Synchronmaschine 1 elektrisch abgeschaltet und somit weiterer Schaden von der Synchronmaschine 1 und gegebenenfalls einem Fahrzeug, in das die Synchronmaschine 1 verbaut ist, abgewendet werden. Allerdings weist eine solche rein elektrisch erregte Synchronmaschine 1 einen schlechten Wirkungsgrad auf, nachdem die Erregerleistung zusätzlich aufgebracht werden muss.
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Die 2 und 3 zeigen nun eine erfindungsgemäße Synchronmaschine 10 mit einer Hybriderregung, wobei 2 einen der 1 entsprechenden Querschnitt zeigt und 3 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht. Ersichtlich weist auch die Synchronmaschine 10 einen Stator 11 mit Statorwicklungen 12 sowie einen Rotor 13 mit vier als Schenkelaußenpole realisierten Polen 14 auf. Jedem Pol 14 ist wiederum eine Polwicklung 15 zugeordnet, die einen Wicklungskern 16 umschließt, der Teil des aus Eisen bestehenden Grundkörpers 17 ist. Zentral ist wiederum eine länglich verlaufende Durchgangsöffnung 18 für die hier nicht näher gezeigte Welle vorgesehen. Stützbleche 19 zur Stabilisierung der Polwicklungen 15 sind ebenso zu erkennen. Wie ebenso aus dem Stand der Technik bekannt, sind im Polbereich ferner eingeschobene Kurzschlussstäbe 20 aus Kupfer vorgesehen.
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Jeweils zwischen zwei Polen 14 ist jedoch nicht nur der Grundkörper 17 fortgesetzt, sondern es sind zudem, vorzugsweise entlang der Mittelhalbierenden zwischen den radialen Zentralachsen der Pole 14 verlaufend Permanentmagnete 21 in den Grundkörper 17 eingeschoben oder montiert, die unmittelbar an den Grundkörper 17 anschließen und ein senkrecht zu der Winkelhalbierenden, also letztlich in Umfangsrichtung zeigendes Permanentmagnetfeld aufweisen. Zum Stabilisieren der Permanentmagnete 21 sind diese nach außen durch hier aus Aluminium bestehende Schieber 22 abgedeckt. Im vorliegenden Fall sind die Permanentmagnete 21 aus NdFeB hergestellt.
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Die 4 und 5 zeigen nun den Verlauf des Magnetflusses in verschiedenen Zuständen des Rotors 13 und somit das Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung. 4 zeigt einen Zustand, in dem die Wicklungen 15 unbestromt sind. Es liegt mithin nur das Magnetfeld der Permanentmagneten 21 vor. Ersichtlich ist nun der Grundkörper 17 so gebildet, dass sich ein Kurzschluss 23 des von den Permanentmagneten 21 erzeugten magnetischen Flusses ergibt, nachdem der Magnetfluss von einem Bereich 24, in dem der Permanentmagnet 21 selbst vorgesehen ist, durch einen Wicklungskern 16 zu einem innen benachbart der Durchgangsöffnung 18 liegenden Bereich 25 des Grundkörpers 17 geführt wird, von wo er durch den anderen Wicklungskern 16 wieder in den Bereich 24 gelangt.
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Definiert wird dieser Kurzschluss letztlich auch durch die Durchgangsöffnung 26, in der zum einen das Stützblech 19 vorgesehen ist, zum anderen aber auch benachbart den Polwicklungen 15 verlaufende Kühlkanäle 27, die von Luft als Kühlmedium durchströmt werden können gebildet werden.
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In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, also auch beim hier dargestellten Rotor 13, sind die Ausgestaltungen jeweils so gewählt, dass mehr als 90% des durch die Permanentmagneten 21 erzeugten Magnetflusses einen Teil des Kurzschlusses 23 bildet, das bedeutet, weniger als 10% des Magnetflusses überwindet als Streufeldanteil den Luftspalt zu dem Stator 11, sodass bei unbestromten Wicklungen 15 nur ein geringer Kurzschlussstrom bei Wicklungsfehlern im Stator 11 entsteht. Die bei einem solchen Wicklungsfehler entstehende Ankerrückwirkung drückt zudem zusätzlich die Streuanteile des Magnetflusses der Permanentmagneten 21 in den Rotor 13 zurück und erniedrigt einen möglicherweise entstehendes Bremsmoment weiter.
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Werden nun die Wicklungen 15 bestromt, und zwar so, dass der durch die Wicklungen 15 erzeugte Magnetfluss entgegen der für den Kurzschluss 23 in 4 gezeigten Richtung verläuft, tritt mit zunehmender Bestromung der Wicklungen 15 ein zunehmender Anteil des aus dem durch die Wicklungen 15 erzeugten Magnetflusses und durch die Permanentmagneten 21 erzeugten Magnetflusses zusammengesetzten Magnetflusses an den Polen 14 aus dem Rotor 13 aus und durchströmt die Statorwicklungen 12. Der Kurzschluss 23 wird also schrittweise aufgehoben und der Fluss wird zunehmend über den Stator 11 geführt, bis bei maximaler Erregung der gesamte Magnetfluss der Permanentmagneten 21 und der elektrischen Erregung der Polwicklungen 15 die Statorwicklung 12 durchflutet, wie dies in 5 dargestellt ist, vgl. Pfeile 28.
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Mit abnehmender elektrischer Erregung kehrt sich der Vorgang um und es wird sich ein zunehmender Anteil des durch die Permanentmagnete 21 erzeugten Magnetflusses im Rotor 13 selbst schließen, ohne dabei die Statorwicklungen 12 zu durchfluten. Mithin ist die bei der Synchronmaschine 1 die Spannung je nach Drehzahl und Last regelbar.
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Die Synchronmaschine 10 umfasst – in den Zeichnungen nicht näher dargestellt – jedoch zusätzlich auch eine Spannungsüberwachungseinrichtung, die die an den Statorwicklungen 12 anfallenden Spannungen überwacht. Wird ein Fehler der Statorwicklung 12 detektiert, beispielsweise ein elektrischer Kurzschluss in wenigstens einer Statorwicklung 12, so werden sofort die Polwicklungen 15 des Rotors 13 stromfrei geschaltet, sodass sich der Kurzschluss 23 ausbildet und das Bremsmoment, welches der Synchronmaschine 10 schaden könnte, stark reduziert wird. Es können mithin die Vorteile einer elektrischen Erregung genutzt werden, ohne die Nachteile einer rein permanentmagnetischen Synchronmaschine in Kauf nehmen zu müssen.
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Es zeigt sich zudem durch einen direkten Vergleich, dass der Wirkungsgrad gegenüber einer vergleichbaren rein elektrisch erregten Synchronmaschine 1 des Standes der Technik deutlich erhöht ist. Dies wird durch die in 6 dargestellten Messdaten näher erläutert, in der der Wirkungsgrad gegen die abgegebene elektrische Leistung nach Gleichrichtung bei 11000 U/min dargestellt ist. Vergleicht man die Kurve 29 für die rein elektrisch erregte Synchronmaschine 1 mit der Kurve 30 für die erfindungsgemäße Synchronmaschine 10, so ist die deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades klar ersichtlich.
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Die 2 und 3 zeigen auch ein weiteres zweckmäßiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, nämlich die Möglichkeit, den Grundkörper 17 aus mehreren Bauteilen zusammenzusetzen. Vorliegend umfasst nämlich der Grundkörper 17, den Permanentmagneten 21 umfassend, vier einschiebbare Rückschlussanteile 31, die möglichst dicht an den die Polwicklungen 15 umfassenden Wicklungsanteil 32 des Grundkörpers 17 anschließen. Dies hat mehrere Vorteile.
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Zum einen ermöglicht dies eine einfachere Herstellung und Montage, da die Polwicklungen 15 sehr einfach aufgebracht werden können. Anschließend können die Rückschlussanteile 31 mit den vormontierten Permanentmagneten 21 in den fertig bewickelten Rotor 13 eingesetzt werden. Dabei ist aber zu beachten, dass vorteilhafterweise das rückschließende Eisen fest mit dem Läufer verbunden sein sollte, damit die Belastung der Hohlstruktur gegen Fliehkräfte reduziert wird.
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Zum anderen ist es möglich, den Rückschlussanteil 31 aus einem ungeblechten Material, beispielsweise aus massivem Eisen, herzustellen, nachdem die Bereiche zwischen den Polen 14 nicht den Wechselfeldern der Ankerrückwirkung ausgesetzt sind.
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7 zeigt schließlich eine alternative Ausgestaltung eines Rotors 13', wobei der Einfachheit halber korrespondierende Bestandteile mit korrespondierenden Bezugszeichen versehen sind. Die in 7 im Querschnitt dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsform darin, dass statt eines Permanentmagneten 21 nun zwei, den Wicklungen 15 benachbart vorgesehene Permanentmagneten 21 verwendet werden, deren Schwerpunkt vorzugsweise wiederum auf der Winkelhalbierenden liegt. So kann die Quelle des durch die Permanentmagneten 21 erzeugten Magnetflusses näher an die Polwicklungen 15 herangelegt werden. Sonstige Ausgestaltungen lassen sich von der ersten Ausführungsform auch auf die zweite Ausführungsform übertragen.
