DE10219060A1 - Elektrische Maschine, die im Ständer mehrere einsträngige Maschinen räumlich neben oder hintereinander vereint, die durch einen gemeinsamen Läufer erregt werden - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine die im Ständer mehrere einsträngige Maschinen räumlich neben- oder hintereinander vereint, die durch einen gemeinsamen Läufer erregt werden, wobei im Läufer eine Kopplung der Erregung durch elektrische oder magnetische Leiter erfolgt.
• Die erfindungsgemäße Anordnung ist prinzipiell auf alle Formen der Erregung anwendbar, also auf Synchromaschinen mit Permanent Magneten und Fremderregung sowie auf Asynchronmaschinen.
• Ebenso ist die Anwendung auf viele geometrische Varianten möglich:
  Innen und Außenläufer, Glockenläufer, Scheibenläufer, Klauenpol-Läufer.
• Durch diese Bauweise ergeben sich für geeignete Anordnungen und bestimmte Anwendungsfälle folgende Vorteile:
  Materialeinsparung und geringe elektrische Kupferverluste im Stator durch Vermeidung von großen Wickelköpfen, der Fluss wird konzentriert durch die Spulen im Ständer geführt.
• Hohe Feldstärken sind durch große Spulenquerschnitte möglich, dadurch sind auch geringe Verluste bei großem Luftspalt, z. B. in Spaltrohrmotoren zu erreichen.
• Ein hoher Füllgrad der kompakten Wicklung, besonders bei Aufbau des Ständers aus aneinander gereihten Einzelspulen, ermöglicht Materialeinsparung oder hohe Leistungsdichte.
• Der Aufbau aus Einzelspulen ermöglicht die preiswerte Herstellung der Einzelspulen und geringen Verschnitt bei Stanzteilen.
• Eine effektive Sammleranordnung ist bei Erregung mit Permanentmagneten möglich. Daraus ergibt sich eine optimale Ausnutzung des Magnetwerkstoffs, maximale Induktion kann auch mit Ferritmagneten erreicht werden.
• Die vergleichsweise kleine Polteilung ermöglicht eine hohe Leistungsdichte.
• Bei kleiner Polteilung und elektrisch gesteuerter Erregung kann die nachteilige Streuung zwischen der Erregerpolen durch den parallelen Einsatz von Permanentmagneten innerhalb der Sammlerstruktur wirksam unterdrückt werden.
• Die Streuung zwischen den benachbarten Statorpolen kann durch Betrieb mit relativ hoher Luftspaltinduktion minimiert werden.
• Fig. 1 zeigt an einer linearen Struktur die prinzipielle gegenüberliegende Anordnung von zwei Ständer-Strängen mit einem gemeinsamen Sammler aus Permanetmagneten und Flußleitstücken.
• Sind die zwei Stränge um 90° Phasenwinkel gegeneinander versetzt, bleibt die Induktion der Erregung annähernd konstant.
• Fig. 2 zeigt die gleiche Situation für eine Asynchronmaschine mit Kopplung der Erregung durch eine Vielzahl von Flussleitstücken im Läufer.
• Fig. 3 zeigt die Übertragung des Prinzips auf einen rotierenden Läufer.
• Fig. 4 zeigt einen permanent-magnetisch erregten Innenläufer, dessen Flussleiter den Erregerfluss auf zwei nebeneinander angeordnete Sänderstränge verteilt. Die Energie der relativ großvolumigen Magnete wird in den keilförmigen Flußleitern zwischen den Magneten gesammelt und wedelt in den Flußleitern im Wechsel von einem Strang zum andern.
  Durch Einsatz von Ferritmagneten und gesinterten Flusleitern können Wirbelströme im Läufer fast vollständig unterbunden werden.
• Fig. 5 zeigt die adäquate Anordnung für eine Asynchronmaschine.
  Hier findet die Kopplung der Erregung durch die elektrischen Leiter statt, die außen an den Läuferscheiben durch einen Kurzschlussring verbunden sind und deren Strom also immer beide Läuferscheiben gleichzeitig durchflutet.
• Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit der elektrischen Kopplung der Erregerspulen für elektrisch erregte Synchromaschinen mit Klauenpol-Läufer.
• Fig. 7 zeigt ebenfalls eine Anordnung mit Klauenpol-Läufer. Hier findet die Kopplung jedoch in den Polklauen, also durch Flussleiter statt.
  Dieses Beispiel zeigt außerdem die Anordnung von Permanentmagneten zwischen den Polklauen. Die Magnete sperren den Streupfad zwischen den Polklauen. Ohne elektrische Erregung wird der magnetische Kreis durch den zentralen Kern geschlossen und der Ständer durch den Luftspalt nur in geringem Maße erregt. Durch eine zusätzliche elektrische Erregung wird der Kern des Läufers in die Sättigung gebracht und der Erregerfluss durch den Ständer geleitet. Das Ausführungsbeispiel eignet sich als Bordgenerator für Kraftwagen.
• Fig. 8 zeigt eine Anordnung bei der der Ständer aus zwei ringförmigen Reihen von U-förmigen Flußleitern gebildet wird, die auf einen scheibenförmigen Läufer wirken. Dieses Beispiel zeigt eine 3-strängige Ausführung der Ständer, deren Flußleiter aus kornorientierten Schnittbandkernen besteht.
  Der Läufer hat einzelne Erregerspulen deren Fluss beidseitig durch die Sammler auf die Ständer verteilt werden. Zwischen den Sammlern können Permanentmagnete für die Sperrung des Streuflusses angebracht werden.
  Die Struktur des Läufers kann durch die scheibenförmige Ausbildung mit einer Ringbandage aus Faserverbundwerkstoff für höchste Drehzahlen stabilisiert werden.

Claims (10)

1. Elektrische Maschine, die im Ständer mehrere einsträngige Maschinen räumlich neben- oder hintereinander vereint, die durch einen gemeinsamen Läufer erregt werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Läufer eine Kopplung der Erregung durch elektrische oder magnetische Leiter erfolgt.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Läufer der Maschine eine regelmäßige Folge von Erreger-Magneten und Fluss-Sammlern zwischen den Ständer-Strängen angeordnet ist, so dass in jeder relativen Lage der flächengleiche Eisenquerschnitt durchflutet wird.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Fluss- Sammler zugleich die Klauen eines Klauenpol-Läufers bilden, der durch eine Spule um den zentralen Kern erregt wird.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Klauen des Klauenpol-Läufers Permanentmagnete angeordnet sind, die dem Erreger-Streufluss zwischen den Polklauen entgegenwirken.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Läufer hintereinander eine Reihe von H-förmigen Flussleitern mit jeweils das zentrale Joch des H umschlingenden Spule angeordnet ist, die einen während der Relativbewegung zwischen Läufer und Ständer durch das zentrale Joch des Flussleiters konstanten Erregerfluss abwechselnd auf U-förmige Flußleiter des Ständers richten, die beidseitig den Polschenkeln des Läufers und vorzugsweise versetzt zu einer dreisträngigen Anordnung gegenüberliegend angeordnet sind.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerfluss im Läufer jeweils durch einen Permanentmagneten anstelle des Jochs mit Erregerspule erzeugt wird.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Flußleitern der Läufers Permanentmagnete angeordnet sind, die dem Erreger- Streufluss zwischen den Flussleitern entgegenwirken.

8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Läufer entsprechend der Anzahl der im Ständer nebeneinander angeordneten Stränge Spulen vorhanden sind, die seriell oder parallel miteinander kurzgeschlossen sind.

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stränge, gegeneinander um die halbe Polteilung versetzt und durch einen Läufer mit Kurzschlußkäfig getrennt gegenüberliegend angeordnet sind.

10. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Stränge im Ständer mit um den Phasenwinkel versetzten Polen axial nebeneinander und gegenüber einem sich über die axiale gesamte Länge des Ständers erstreckenden Läufer mit Kurzschlusskäfig angeordnet sind.