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Die Erfindung betrifft eine permanenterregte dynamoelektrische Maschine, die im Feldschwächbereich betrieben werden kann.
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Beispielhaft für eine derartige elektrische Maschine ist die sogenannte permanenterregte Synchronmaschine. Permanenterregte Synchronmaschinen kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz, bei denen elektrische Antriebsaufgaben zu verrichten sind. In industriellen Anwendungen, beispielsweise bei Werkzeugmaschinen oder Produktionsmaschinen, werden sie als hochdynamische Servomotoren eingesetzt. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Maschinentypen hohen Leistungsdichte wird sie bevorzugt auch im Bereich der Elektromobilität verwendet, wo der zur Verfügung stehende Bauraum häufige eine limitierende Größe darstellt. Aber auch als Generator, beispielsweise im Umfeld regenerativer Energien, insbesondere Windkraft, wird die permanenterregte Synchronmaschine häufig eingesetzt.
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Im Vergleich zu elektrisch erregten Synchronmaschinen zeichnet sich die permanenterregte Synchronmaschine durch einen erhöhten Wirkungsgrad aus. Dadurch, dass die permanenterregte Synchronmaschine auf eine elektrische Erregung verzichten kann, werden ohmscher Verluste eingespart. Das Erregerfeld der Maschine wird in der Regel von Permanentmagneten erzeugt, die im Rotor der Maschine angeordnet sind. Auf eine Schleifringkontaktierung, die bei elektrisch erregten Synchronmaschinen notwendig ist, um eine am Rotor angeordnete Erregerspule mit Strom zu versorgen, kann bei der permanenterregten Synchronmaschine verzichtet werden. Hierdurch reduziert sich auch der Wartungsaufwand der permanenterregten Maschine gegenüber der elektrisch erregten.
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Ein Nachteil der Permanenterregung besteht jedoch darin, dass das Erregerfeld nicht ohne Weiteres modifiziert werden kann. Grundsätzlich kann eine Synchronmaschine über ihre Nenndrehzahl hinaus betrieben werden, indem der sogenannte Feldschwächbereich angesteuert wird. In diesem Bereich wird die Maschine mit der maximalen Nennleistung betrieben, wobei mit zunehmender Drehzahl das von der Maschine abgegebene Drehmoment reduziert wird. Elektrisch erregte Synchronmaschinen können sehr einfach im Feldschwächbereich betrieben werden, indem der Erregerstrom reduziert wird.
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Zwar sind auch bei permanenterregten Maschinen Möglichkeiten bekannt, über eine geeignete Bestromung des Ständers der Maschine eine Luftspaltfeldkomponente zu erzeugen, die dem von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt und dieses somit schwächt. Jedoch bewirkt eine derartige Ansteuerung der Maschine erhöhte Verluste, sodass die Maschine in diesem Bereich nur mit einem reduzierten Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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Um permanenterregte dynamoelektrische Maschinen im Feldschwächbereich betreiben zu können, ohne hierbei den Wirkungsgrad der Maschine nennenswert zu verschlechtern, sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur mechanischen Feldschwächung bekannt. So zeigt die
CN101783536 A einen permanenterregten Synchronmotor mit vergrabenen, in Tangentialrichtung magnetisierten Permanentmagneten, an die sich jeweils radial nach außen betrachtet ein radial verschiebbarer Kurzschlussblock anschließt. Dieser Kurzschlussblock ist über eine Feder derart vorgespannt, dass er sich bei niedriger Rotordrehzahl in einem magnetisch isolierenden Bereich des Rotors befindet. Mit zunehmender Drehzahl wird der Kurzschlussblock nach außen gegen die Federspannung gedrückt, wo er für den magnetischen Fluss einen Kurzschlusspfad bildet. Der über diesen Kurzschlusspfad geführte magnetische Streufluss reduziert den effektiven Luftspaltfluss der Maschine, sodass der Feldschwächbetrieb angesteuert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit in Antriebssystemen mit dynamoelektrischen Maschinen, die mit der Möglichkeit einer mechanischen Feldschwächung ausgerüstet sind, zu erhöhen.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer dynamoelektrischen Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Eine erfindungsgemäße Maschine umfasst einen Stator, einen vom Stator über einen Luftspalt beabstandeten Rotor, am Rotor angeordnete Permanentmagnete zur Erzeugung eines Erregerfeldes im Luftspalt und einen fliehkraftgesteuerten Feldschwächmechanismus zur drehzahlabhängigen Schwächung des Erregerfeldes im Luftspalt.
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Der Erfindung liegt nunmehr die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Betriebssicherheit bei einer derartigen Maschine und mittels derartiger Maschinen angetriebener Systeme signifikant erhöhen lässt, wenn die Maschinen einen Signaleingang für ein Fehlersignal und einen Aktor zur drehzahlunabhängigen Ansteuerung des besagten Feldschwächmechanismus aufweist. Durch diesen Aktor ist es möglich, im Fehlerfall einen magnetischen Kurzschluss des von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeldes herbeizuführen. Im Normalbetrieb wird die Feldschwächung erfindungsgemäß durch die mit zunehmender Drehzahl ansteigende Fliehkraft hervorgerufen. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass der Feldschwächbetrieb auch in einem Fail-Safe-Modus mittels des Aktors angesteuert werden kann. Dies geschieht beispielsweise bei einem aktiven Kurzschluss eines Umrichters, der zur Ansteuerung der dynamoelektrischen Maschine vorgesehen ist. Durch die Möglichkeit, mithilfe des Aktors bei einem solchen aktiven Kurzschluss schlagartig den Feldschwächbetrieb und damit eine deutliche Reduktion der Erregungen herbeizuführen, kann das Kurzschlussmoment der Maschine begrenzt werden. Werden hingegen die Klemmen der Maschine im Fehlerfall geöffnet, so kann durch die forcierte Feldschwächung die in die Ständerwicklungen induzierte Spannung reduziert werden.
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Vorteilhafterweise umfasst die dynamoelektrische Maschine im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung des Rotors magnetisierte Permanentmagnete, die in Magnettaschen des Rotors angeordnet sind.
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Der Feldschwächmechanismus kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung derart gestaltet sein, dass die Permanentmagnete durch diesen radial verschoben werden und der Rotor derart gestaltet ist, dass eine radial nach außen gerichtete Verschiebung der Permanentmagnete eine Schwächung des Erregerfeldes im Luftspalt bewirkt.
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Um zu gewährleisten, dass diese Feldschwächung nur bei Drehzahlen oberhalb der Nenndrehzahl der Maschine einsetzt, können die Permanentmagnete in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung durch eine oder mehrere Federn in eine radial innen liegende Position vorgespannt sein, wobei die Federkonstante entsprechend zu dimensionieren ist.
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Anstelle von radial verschiebbaren Permanentmagneten können in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung auch verschiebbare Flussleitstücke vorgesehen sein, die in radial verlaufenden Nuten geführt werden und deren radiale Position die Dichte des Erregerfeldes im Luftspalt beeinflusst. Derartige Streuflussleitstücke schließen einen Teil des von den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses kurz, wenn sie sich in einer radial außen liegenden Position befinden, wobei diese radial außen liegende Position im Normalbetrieb durch die mit zunehmender Drehzahl zunehmende Fliehkraft hervorgerufen wird.
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Hierbei ist eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor an jedem axialseitigen Ende des Rotors eine Kurvenscheibe aufweist, deren Verdrehung gegenüber dem Rotor eine Verschiebung der Streuflussstücke radial nach außen bewirkt. Auf diese Art und Weise kann der Aktor beispielweise im Fehlerfall angesteuert werden, um fliehkraftunabhängig und damit drehzahlunabhängig die Streuflussleitstücke radial betrachtet nach außen in Richtung des Luftspaltes zu verschieben und somit den Feldschwächbetrieb hervorzurufen. Dieselbe radiale Verschiebung der Streuflussstücke würde auch durch die Fliehkraft bewirkt, wenn die Drehzahl ausreichend hoch ist, sodass sich bei erhöhter Drehzahl der Maschine auch eine entsprechende Verdrehung der Kurvenscheibe gegenüber dem Rotor ergibt.
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Um zu gewährleisten, dass bei dieser Ausführungsform der Feldschwächbetrieb erst ab einer gewissen Eckdrehzahl angefahren wird, kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass die Kurvenscheiben jeweils durch eine Rückstellfeder in eine Drehwinkelposition vorgespannt sind, bei der die Streuflussleitstücke in einer radial innen liegenden Position angeordnet sind.
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Eine alternative Ausführungsform mit Streuflussleitstücken ist dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Streuflussleitstücke an jedem axialseitigen Ende des Rotors durch eine auf der Rotorwelle angeordneten Tellerfeder radial nach innen vorgespannt sind und der Aktor derart ausgebildet ist, dass er eine axiale Kraft auf die Tellerfeder aufbringen kann, die der Vorspannung entgegenwirkt. Hierbei kann beispielsweise ein Aktor eine axial bewegliche Hülse jeweils auf eine der Tellerfedern pressen, sodass die Tellerfeder eine radial gerichtete Verschiebung der Flussleitstücke in Richtung des Luftspaltes bewirkt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten in einem ersten Material mit einer ersten Permeabilität angeordnet sind, die Magnettaschen in einem zweiten Material mit einer zweiten Permeabilität angeordnet sind, die größer als die erste Permeabilität ist, wobei die Nuten mit den Magnettaschen radialfluchtend angeordnet sind, sodass die Streuflussleitstücke zumindest teilweise von einer Nut in eine Magnettasche verschiebbar sind. Solange sich die Streuflussleitstücke im Bereich des ersten Materials mit der niedrigeren Permeabilität befinden, stellen sie keinen nennenswerten Streuflusspfad für den von den Permanentmagneten erzeugten Fluss dar. Zur Einleitung des Feldschwächbereiches werden die Streuflussleitstücke jeweils von einer Nut in eine Magnettasche verschoben, sodass sie zunehmend von dem zweiten Material mit der höheren Permeabilität benachbart sind. Je tiefer die Streuflussleitstücke in die Magnettasche eindringen, desto mehr hochpermeables Rotormaterial steht für den Streufluss zur Verfügung.
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Eine Art Speichenkonstruktion für den Rotor lässt sich in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzeugen, dass der Rotor einen zentralen, im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper aus dem ersten Material aufweist, indem die Nuten ausgebildet sind und mehrere Flussleitstücke aus dem zweiten Material in einem teilringförmigen Querschnitt, die an einer Mantelfläche des Grundkörpers zu einem vollen Ring angeordnet sind, wobei jeweils zwei Flussleitstücke durch eine Magnettasche voneinander in Umfangsrichtung beabstandet sind. Die Flussleitstücke können hierbei formschlüssig mit dem Grundkörper verbunden werden. Es ergibt sich eine Art segmentierter Rotoraufbau, der auch hinsichtlich der Fertigungskosten erhebliche Vorteile aufweist. Denkbar ist z. B., den zylinderförmigen Grundkörper aus dem ersten, niederpermeablen Material als Massivkörper auszubilden und die Flussleitstücke aus hochpermeablen Elektroblechen, die in axialer Richtung aufeinander stanzpaketiert werden. Dadurch, dass die Flussleitstücke teilringförmigen Querschnitt aufweisen, kann im Vergleich zu vollkreis- oder vollringförmigen Elementen der Blechverschnitt reduziert werden.
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Eine dynamoelektrische Maschine gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen eignet sich hervorragend für einen Einsatz in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie batteriebetriebenen elektrischen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben.
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Elementen mit gleicher Funktion ist hierbei in allen Figuren das gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
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Es zeigen:
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1 einen aus dem Stand der Technik bekanntem Aufbau einer permanenterregten dynamoelektrischen Maschine,
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2 eine erste Ausführungsform eines Rotors gemäß der Erfindung mit fliehkraftgesteuerter Feldschwächung,
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3 einen Ausschnitt aus dem Rotor nach 2 in einem ersten Betriebszustand,
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4 einen Ausschnitt aus dem Rotor nach 2 in einem zweiten Betriebszustand,
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5 eine zweite Ausführungsform eines Rotors gemäß der Erfindung mit fliehkraftgesteuerter Feldschwächung,
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6 eine Feder zur Vorspannung von Streuflussleitstücken,
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7 eine stirnseitige Aufsicht auf einen Rotor mit einem Aktor zur Ansteuerung eines Feldschwächmechanismus,
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8 eine Seitenansicht des Rotors nach 7,
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9 eine stirnseitige Aufsicht auf einen Rotor mit einem weiteren Aktor zur Ansteuerung eines Feldschwächmechanismus und
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10 eine Seitenansicht des Rotors nach 9.
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1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau einer permanenterregten dynamoelektrischen Maschine.
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Von einem Stator 1 mit Zahnspulentechnik ist nur ein teilringförmiger Ausschnitt dargestellt. Der Stator 1 umgibt konzentrisch einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor 2, der drehfest mit einer Rotorwelle 9 verbunden ist. Stator 1 und Rotor 2 sind in radialer Richtung über einen Luftspalt 8 voneinander beabstandet. Zur Erzeugung des Erregerfeldes, welches den Luftspalt 8 radial durchflutet, weist der Rotor 2 in Magnettaschen vergrabene Permanentmagnete 4 auf. Diese Permanentmagnete 4 sind in Umfangsrichtung des Rotors 2 und somit orthogonal zur Radial- und Axialrichtung des Rotors magnetisiert. Jeder Permanentmagnet 4 ist in Umfangsrichtung beidseitig von zwei Flussleitstücken 6 aus hochpermeablem Material, beispielsweise stanzpaketierten Elektroblechen, benachbart. Innerhalb dieser Flussleitstücke 6 wird der zunächst in Umfangsrichtung aus den Permanentmagneten 4 austretende magnetische Fluss in eine Radialrichtung umgelenkt, sodass die magnetischen Flusslinien den Luftspalt 8 im Wesentlichen radial durchsetzen. Der Rotor 2 besteht neben den Permanentmagneten 4 aus zwei wesentlichen weiteren Elementen: einem Grundkörper 5, der die drehfeste Verbindung mit der Rotorwelle 9 bildet und im radialinneren Bereich des Rotors 2 angeordnet ist und die mit diesem Grundkörper 5 formschlüssig verbundenen Flussleitstücke 6. Bei der Montage können die Flussleitstücke 6 axial auf entsprechende Formschlusselemente 7 des Grundkörpers 5 aufgeschoben werden. Die umfangsseitige Ausdehnung der Flussleitstücke 6 ist hierbei derart gewählt, dass in den Zwischenräumen zwischen den Flussleitstücken Magnettaschen zur Aufnahme der Permanentmagnete 4 verbleiben.
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Um eine solche permanenterregte dynamoelektrische Maschine im Feldschwächbereich betreiben zu können, muss in den Statorstrom der Maschine eine geeignete Stromkomponente eingeprägt werden, die dem von den Permanentmagneten 4 erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt. Eine derartige elektrische Feldschwächung, die sich beispielsweise mithilfe der bekannten feldorientierten Regelung realisieren lässt, ist jedoch mit erhöhten Verlusten innerhalb der Maschine und einer damit einhergehenden Reduktion ihres Wirkungsgrades verbunden.
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Die darauffolgenden Figuren zeigen nunmehr beispielhaft, wie die in 1 dargestellte dynamoelektrische Maschine modifiziert werden kann, um einen Feldschwächbetrieb mit hohem elektrischen Wirkungsgrad zu ermöglichen.
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2 zeigt eine erst Ausführungsform eines Rotors 2 gemäß der Erfindung mit fliehkraftgesteuerter Feldschwächung. Der aus 1 bekannte Rotor ist nunmehr derart modifiziert worden, dass sich radial oberhalb der Permanentmagnete 4 in den Magnettaschen 3 eingebettet in magnetisch schlecht leitfähiges Material radial bewegliche Streuflussleitstücke 10 befinden. Diese Streuflussleitstücke 10 sind durch Federn 11 derart vorgespannt, dass sie bei einer Maschinendrehzahl unterhalb Nenndrehzahl der Maschine eine radial maximal innen liegende Position annehmen, in der sie vollständig in dem magnetisch schlecht leitfähigen Material eingebettet sind. Dieser Betriebszustand ist in 3 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich das Streuflussleitstück 10 in einer Einbettung 15 aus niederpermeablem Material befindet und somit, magnetisch betrachtet, wirkungslos bleibt. Der von den Permanentmagneten 4 erzeugte magnetische Fluss schließt sich nahezu vollständig über dem Luftspalt.
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In 4 ist hingegen ein Betriebszustand der Maschine dargestellt, wo das Streuflussleitstück 10 aus der Einbettung heraus in Richtung des Luftspaltes gedrückt ist. Diese Positionsänderung ist durch eine erhöhte Fliehkraft aufgrund einer Maschinendrehzahl bewirkt, die oberhalb der Nenndrehzahl der Maschine liegt. In dieser Position ist das Streuflussleitstück 10 nunmehr angrenzend an das hochpermeable Material der Flussleitstücke 6. Hier kann es einen signifikanten Anteil des von den Permanentmagneten 4 erzeugten magnetischen Flusses kurzschließen, sodass dieser Streuflussanteil nunmehr nicht mehr zur Momentenbildung im Luftspalt 8 zur Verfügung steht. Diese Position kann zum einen durch die Fliehkraft hervorgerufen werden, zum anderen aber auch durch einen hier nicht dargestellten Aktor, der insbesondere im Fehlerfall diese radial außen liegende Position der Streuflussleitstücke 10 unabhängig von der Maschinendrehzahl anfahren kann.
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5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Rotors 2 gemäß der Erfindung mit fliehkraftgesteuerter Feldschwächung. Auch hier sind radial bewegliche Streuflussleitstücke 10 vorgesehen, die sich aber nunmehr unterhalb von in Umfangsrichtung magnetisierten Permanentmagneten 4 befinden. Sie befinden sich bei niedriger Drehzahl in dem Grundkörper 5, der im Vergleich zu den Flussleitstücken 6 eine deutlich niedrige Permeabilität aufweist. In dieser Position werden die Streuflussleitstücke 10 durch eine Feder 11 gehalten, die in 6 deutlicher erkennbar ist. Bewirkt nun die Fliehkraft oder auch ein in den 5 und 6 nicht dargestellter Aktor eine Verschiebung der Streuflussleitstücke 10 in Richtung des Luftspaltes, also in radial nach außen gerichtete Richtung, dringen die Streuflussleitstücke 10 in einen Bereich ein, in dem sie zumindest zum Teil umfangsseitig benachbart zu den hochpermeablen Flussleitstücken 6 liegen. Hierzu kommt es ähnlich wie bei der in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsform zu einem Kurzschluss eines Teils des von dem Permanentmagneten 4 erzeugten magnetischen Flusses und somit zu einer Feldschwächung.
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7 zeigt eine stirnseitige Aufsicht auf einen Rotor 2 mit einem Aktor zur Ansteuerung eines Feldschwächmechanismus. An jeder Stirnseite des Aktors befindet sich eine Kurvenscheibe 13. Innerhalb dieser Kurvenscheibe 13 werden in entsprechend ausgeformten Nuten die Streuflussleitstücke 10 gelagert. In der dargestellten Position befinden sich die Streuflussleitstücke in ihrer radial betrachtet innen liegendsten Position. Durch eine Verdrehung der Kurvenscheiben 13 gegen den Rotor 2 wird eine Verschiebung der Streuflussleitstücke 10 in Richtung des Luftspaltes bewirkt. Die Kurvenscheiben 13 sind durch eine hier nicht dargestellte Rückstellfeder zunächst so vorgespannt, dass sich die Streuflussleitstücke 10 radial betrachtet innen befinden.
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Durch zunehmende Fliehkraft verdreht sich jede der Kurvenscheiben derart, dass die Streuflussleitstücke 10 der Fliehkraft folgend eine Position einnehmen können, die näher am Luftspalt liegt. Damit eine solche Position, die zur Feldschwächung führt, auch unabhängig von der Maschinendrehzahl insbesondere im Fehlerfall angesteuert werden kann, ist die Kurvenscheibe 13 entgegen der Rückstellfeder, auch durch einen geeigneten Aktuator verdrehbar.
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9 zeigt eine stirnseitige Aufsicht auf einen Rotor 2 mit einem weiteren Aktor zur Ansteuerung eines Feldschwächmechanismus. Hierbei sind die Streuflussleitstücke 10 durch Teller- oder Krakenfedern 16 radial vorgespannt, sodass sie bei niedriger Drehzahl eine innere Position einnehmen, indem sie nicht vom magnetischen Fluss durchsetzt sind. Die Tellerfeder 16 ist hierbei derart bemessen, dass sie eine radial außen liegende Position der Streuflussleitstücke 10 zulässt, wenn die Maschine eine Drehzahl oberhalb der Nenndrehzahl erreicht. Oberhalb der Nenndrehzahl setzt auf diese Art und Weise der Feldschwächbetrieb ein. Auch hier wirkt die Fliehkraft der Vorspannung der Tellerfeder 16 entgegen.
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Drehzahlunabhängig kann eine solche Position der Streuflussleitstücke 10 auch mittels der in 10 erkennbaren Druckhülsen 17 erreicht werden. An jeder Stirnseite des Rotors 2 befindet sich eine dieser Druckhülsen 17. Durch einen geeigneten Aktuator können die Druckhülsen axial auf die Tellerfedern 15 einwirken, sodass die Streuflussleitstücke 10 radial betrachtet nach außen gedrückt werden, ohne dass die im Normalbetrieb hierfür notwendige Maschinendrehzahl vorliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Rotor
- 3
- Magnettaschen
- 4
- Permanentmagnete
- 5
- Grundkörper
- 6
- Flussleitstücke
- 7
- Formschlusselemente
- 8
- Luftspalt
- 9
- Rotorwelle
- 10
- Streuflussleitstücke
- 11
- Feder
- 12
- Nuten
- 13
- Kurvenscheibe
- 14
- Tellerfeder
- 15
- Einbettung
- 16
- Druckhülse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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