DE29518104U1 - Elektrische Maschine - Google Patents
Elektrische MaschineInfo
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Description
Dipl.-Ing. Thomas Strothmann, 49134 Walienhorst
"Elektrische Maschine"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer fremderregten
Läuferordnung für die Erzeugung von in der Läuferbewegungsrichtung aufeinanderfolgenden,
jeweils ganzen magnetischen Perioden entsprechenden Magnetfeldern und mit entlang der Läuferanordnung aufeinanderfolgend angeordneten Statorpolen,
Es sind derartige elektrische Maschinen mit einem fremderregten Läufer (oder Stator, in
diesem Fall sind die Begriffe Läufer und Stator sinngemäß austauschbar) bekannt, bei
welchen die den ganzen magnetischen Perioden entsprechenden Magnetfelder durch einzelne, voneinander getrennte Pole, einem Nord- und Südpo! (je magnetischer Periode)
gebildet sind. Entsprechend der Anzahl der durch die Läuferpolpaare gebildeten Magnetfelder sind hinsichtlich Anordnung und Anzahl der Statorpole übereinstimmende
Statorpolsätze vorgesehen, so daß sich unter jedem Läuferpolpaar übereinstimmende
Anordnungen von Statorpolen befinden. Für die Läuferpole können z.B. Permanentmagneten
verwendet werden.
Bedingt durch Streufluß und insbesondere die Lücken zwischen den Läuferpolen bildet
sich bei derartigen Maschinen ein solches Läuferfeld aus, daß bei einer Bewegung des
Läufers gegen den Stator eine nicht lineare Variation der an den Läuferpolen ansetzenden,
von der Summe der an den Polen herrschenden Feldbeträge abhängigen Kräfte ergibt. Letztlich resultiert daraus ein Eigenrastverhalten, d.h. es tritt ein Selbsthaltemoment
(auch Rastmoment oder Cogging genannt) auf. Besonders ausgeprägt ist dieses Eigenrastverhaiten in Sangsamen Leerlauf. Dieser Effekt tritt insbesondere
deshalb auf, weil sich durch die stets gleichen Verhältnisse innerhalb der einzelnen
magnetischen Perioden des Läuferfeldes die sich nicht linear ändernden Kräfte über die
Gesamtlänge des Stators bzw. Läufers addieren. In Verbindung mit dem Eigenrastverhalten
ergeben sich weitere Nachteile solcher Maschinen wie unruhiger Lauf, Vibrationen,
die Notwendigkeit des Betriebs der Maschinen mit Mindestdrehzahlen usw..
Da hinsichtlich Variationen der Form von Stator und Läuferpolen enge Grenzen gesetzt
sind, ist eine Reduzierung des Selbsthaltemoments nur mit Hilfe von Pol- oder Blechpaketschränkungen,
Vergrößerungen des Luftspalts oder durch eine spezielle Ausbildung der Polkopfform möglich. Durch die genannten Maßnahmen werden jedoch die
Betriebsparameter der Maschine beeinträchtigt, so daß eine durch solche Maßnahmen
in ihrem Eigenrastverhalten verbesserte Maschine einen ungünstigen Kompromiß darstellt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, deren Selbsthaltemoment eliminiert oder wenigstens reduziert
ist.
Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe ist eine elektrische
Maschine vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß auf eine magnetische Periode
eine von einer ganzen Zahl abweichende Zahl von Statorpolen entfällt.
Entsprechend dieser Erfindungslösung ergeben sich unterschiedliche Anordnungen von
Statorpolen relativ zu den einzelnen, ganzen magnetischen Perioden entsprechenden
Magnetfeldern, so daß sich nicht linear verändernde, an den Läuferpolen ansetzende
Kräfte, die zu einem Selbsthaltemoment führen könnten, sich nicht unter Vervielfachung
über die Stator- bzw. Läuferiänge addieren, sondern unter Reduzierung bzw.
Eliminierung des Selbsthaltemoments gegenseitig aufheben. Entsprechend der von einer ganzen Zah! abweichenden, auf eine magnetische Periode entfallenden Zahl von
Statorpolen ergibt sich ein variierender Versatz zwischen den einzelnen, den ganzen
magnetischen Perioden entsprechenden Magnetfeldern und den diesen gegenüber angeordneten Statorpolen, so daß an den verschiedenen Läuferpolen unterschiedlich
ausgerichtete Kräfte angreifen, die sich über die Länge bzw. den Umfang des Stators
oder Läufers ausmitteln können.
Entsprechend der Abweichung von der ganzen Zahl ist eine Periodizität in der räumlichen
Anordnung der Statorpole relativ zu den Magnetfeldperioden innerhalb der Läufer bzw. Statoriänge vermieden. Damit treten keinerlei Wiederholungen in den räumlichen
Relationen zwischen den Magnetfeldern und Statorpolen auf, so daß kein Rastmomente
verstärkender Additionseffekt auftreten kann.
Vorteilhaft kann bei der Konstruktion der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine
vollständig auf Standardmaterialäen und -bauteile zurückgegriffen werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine zeitversetzte Speisung der
Statorpole zum Ausgleich des durch das Abweichen der auf eine Magnetfeldperiode entfallenden Zahl von Statorpolen von einer ganzen Zahl bedingten variierenden räumlichen
Versatzes zwischen den Magnetfeldern und den Statorpolen vorgesehen. Durch diese Maßnahme werden Beeinträchtigungen der Motorleistung ausgeglichen, indem
durch die den Versatz berücksichtigende zeätversetzte Speisung dafür gesorgt wird,
daß die Statorpole eine von ihrem Versatz weitgehend unabhängigen Beitrag zu der das
Motordrehmoment erzeugenden Gesamtkraft liefern.
Eine weitere, die obengenannte Aufgabe lösende elektrische Maschine nach der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden, jeweils einer ganzen magnetischen Periode entsprechenden Magnetfelder durch abwechselnd einen magnetischen
Nord- und Südpol aufweisende Permanentmagnetabschnitte gebildet sind, wobei zwischen den Permanentmagnetabschnitten Trennspalte vorgesehen sind, die
mit abwechselnd entgegengesetztem Neigungswinkel schräg zur Läuferbewegungsrichtung
verlaufen.
Auch durch diese erfindungsgemäße Lösung wird ein Mittelungseffekt erzielt, in dem
sich bedingt durch die Verläufe der Trennspalte Kraftbeträge, durch die ein Haitemoment
gebildet werden könnte, gegenseitig wenigstens teilweise aufheben.
In vorteilhafter Ausgestaltung dieser weiteren erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen,
daß die Trennspaite Teile eines einzigen durchgehenden Trennspalts sind, durch den sich in Bewegungsrichtung durchgehend erstreckende, die Permanentmagnetabschnitte
enthaltende Magnetkörper voneinander getrennt werden, wobei einer der Magnetkörper die Magnetelemente für die Nordpole und der andere die
Magnetelemente für die Südpole umfaßt. Insbesondere kann der durchgehende Trennspalt
in der Form einer Sinuskurve ausgebildet sein. Durch diesen durchgehenden Trennspalt werden Unstetigkeiten im Feldverlauf zwischen den entgegengesetzten
Polen geeignet ausgeglichen, was zu einer weiteren Reduzierung des Selbsthaltemoments
beiträgt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich
auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben
werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispie! für die vorliegende Erfindung,
Fig. 2 eine das erste Ausführungsbeispiei gemäß Fig. 1 erläuternde Darstellung einer
elektrischen Maschine mit übereinstimmenden Anzahlen von Läuferpoipaaren
und Statorpolsätzen,
Fig. 3 das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 in einer zu der Ansicht von Fig. 1 senkrechten
Betrachtungsrichtung (ausgeschnitten),
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße elektrische
Maschine,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine,
Fig. 6 das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 in einer Ansicht gemäß der Schnittlinie l-l
von Fig. 5 und
Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße elektrische
Maschine.
Mit dem Bezugszeichen 1 ist in den Fig. 1 bis 3 ein Läufer einer Elektromaschine
bezeichnet. Der Läufer enthält Permanentmagnete 2. Die Permanentmagnete 2 sind entsprechend Bewegungsrichtungen des Läufers, die durch einen Doppelpfeil 3
gekennzeichnet sind, mit konstantem Zwischenabstand aneinandergereiht. Den Nord-
und Südpolen 2 des Läufers 1 gegenüberliegend ist ein Stator 4 angeordnet, welcher
Statorpole 5 aufweist, die in den Bewegungsrichtungen des Läufers 1 mit konstantem
Zwischenabstand aneinandergereiht sind. Die Statorpoie 5 sind mit in den Fig. 1 bis 3
nicht gezeigten Statorwicklungen versehen.
Zur Vereinfachung ist in den Fig. 1 bis 3 eine Linearmaschine dargestellt. Die Darstellungen
können aber auch als Abwicklung des Läufers und Stators einer Rotationsmaschine angesehen werden. Gemäß dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
weist die elektrische Maschine insgesamt zwanzig Permanentmagnete zur Bildung von
zehn, jeweils einen magnetischen Nord- und Südpol enthaltenden Läuferpolpaaren auf.
• «
Den zehn, jeweils eine Magnetfeldperiode bildenden Läuferpolpaaren stehen insgesamt
siebenundzwanzig Statorpole gegenüber, so daß auf ein Läuferpolpaar die nicht ganze
Zahl 2,7 von Statorpolen entfällt. In der Darstellung gemäß Fig. 2 enthält der Läufer
neun Läuferpolpaare. Hier beträgt die Zahl der auf ein Läuferpolpaar entfallenden Statorpole
3.
Wie aus einem Vergleich der Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, ergibt sich bei ganzzahligem
Quotienten aus der Zahl der Statorpole und der Zahl der Läuferpolpaare eine sich über
die Länge des Stators bzw. Läufers wiederholende räumliche Beziehung zwischen Statorpolen und Läuferpolpaaren, während bei dem von der geraden Zahl abweichenden
Quotienten ein sich von Statorpol zu Statorpol ändernder Versatz zwischen den Statorpolen und Permanentmagneten auftritt. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
ergibt sich daher innerhalb der Statorlänge keine periodisch wiederkehrende räumliche Relationsbeziehung zwischen Permanentmagneten und Statorpolen.
Die Speisung der Statorpole des in den Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsbeispieis
einer elektrischen Maschine erfolgt mittels einer dreiphasigen Speisewechseispannung,
wobei an den Windungen der mit dem Buchstaben R bezeichneten Statorpole eine O0-Phase,
an den Windungen der mit S bezeichneten Statorpole eine 120°-Phase und an
den Windungen der mit T bezeichneten Statorpole eine 240°-Phase der Speisewechselspannung
anliegt. Die Windungen der mit R', S' und T1 bezeichneten Statorpole sind
in eine Verpolungsschaltung, im einfachsten Fail mittels einfacher Verpolung, derart
eingebunden, daß sich aus den drei genannten Phasen für diese Windungen weitere Phasen ergeben, wobei an den Windungen der mit T1 bezeichneten Statorpole eine
60°-Phase, an den Windungen der mit R' bezeichneten Statorpole eine 180°-Phase
und an den Windungen der mit S' bezeichneten Pole eine 300°-Phase liegt. Damit stehen zur Speisung aller Statorpoie insgesamt sechs verschiedene Phasen mit gegenüber
der dreiphasigen Speisewechselspannung halbierten Phasensprüngen zur Verfügung.
Beim Betrieb der in den Fig. 1 und 3 gezeigten elektrischen Maschine sorgt der variierende
Versatz der Statorpole gegen die Läuferpaare dafür, daß sich solche an den jeweiligen Läuferpolen ansetzenden Kräfte, die zu einem Selbsthaltemoment führen
wurden, ausmitteln. Bei der in Fig. 2 gezeigten Maschine, in der sich die gleiche räumliche
Relationsbeziehung zwischen Läufer- und Statorpolen nach jeweils drei Statorpolen
wiederholt, wirken dagegen sämtliche Kräfte im gleichen Sinn, und es wird ein Selbsthaltemoment erzeugt.
r 9 ·«a
Durch den variierenden Versatz der Statorpole gegen die Läuferpole kommt es andererseits
dazu, daß die Polphasen der dreiphasigen Speisespannung nach einer gewissen Stator- bzw. Läuferlänge nicht mehr den jeweiligen räumlichen Positionen der Statorpole
innerhalb der gerade durchlaufenen magnetischen Perioden angepaßt wären, denn die ähnliche Position der Statorpoie innerhalb der magnetischen Perioden ist maßgebend
für den die Wicklungen auf den Statorpolen durchsetzenden Flußverlauf und über dessen Ableitung nach der Zeit auch maßgebend für den Spannungsverlauf in den
Wicklungen.
Hier wird ein Ausgleich dadurch geschaffen, daß durch geeignete Verschaltung der in
Sternschaltung angeordneten Wicklungen der Statorpole ein Teil der Statorpole mit
Phasen gespeist werden, die gegen die Phasen der dreiphasigen Speisewechselspannung
um jeweils 60° versetzt sind. Damit stehen gegenüber den nur drei primären Phasen der Speisewechseispannung Phasen in feinerer Abstimmung zur Verfügung, die
geeignet sind, den variierenden Versatz der Statorpole gegen die Läuferpole so auszugleichen,
daß über die Länge des Läufers annähernd gleichverteilt das Motordrehmoment erzeugende, an den Läuferpolen ansetzende Kräfte entstehen, so daß der Lauf
der Maschine trotz des beschriebenen Versatzes der Pole nicht beeinträchtigt ist. Die
sich bei dem in den Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel nur noch ergebenden
Fehlwinkel gehen aus der nachfolgenden Tabelle hervor:
6 Phasen, 27 Statorpole, 10 Rotorpolpaare bzw. 20 Rotorpole Darstellung stationärer Zustand, Statorpo! 1=0° = Referenzphase R
Alle Winkel in Grad
Statorpol | mech. Winke! | * · | elek. Winkel | Phase | Fehlwinkel |
1 | 0.000 | 0.000 | R | 0.000 | |
2 | 13.333 | 133.333 | S | 13.333 | |
3 | 26.667 | 266.667 | T | 26.667 | |
4 | 40.000 | 40.000 | R | 40.000 | |
5 | 53.333 | 173.333 | S | 53.333 | |
6 | 66.667 | 306.667 | S1 | 6.667 | |
7 | 80.000 | 80.000 | T' | 20.000 | |
8 | 93.333 | 213.333 | R' | 33.333 | |
9 | 106.667 | 346.667 | S' | 46.667 | |
10 | 120.000 | 1 20.000 | S | 0.000 | |
1 1 | 133.333 | 253.333 | T | 13.333 | |
12 | 146.667 | 26.667 | R | 26.667 | |
13 | 160.000 | 160.000 | S | 40.000 | |
14 | 173.333 | 293.333 | T | 53.333 | |
15 | 186.667 | 66.667 | T1 | 6.667 | |
16 | 200.000 | 200.000 | R' | 20.000 | |
• · · # · · · ·» n | |||||
• · · &bgr; |
213.333 | • Φ &phgr; Φ Φ Φ |
7 | * · &phgr; &phgr; Φ ΦΦΦ &phgr; &phgr; Φ |
&phgr; » Φ Φ Φ Φ Φ &phgr; Φ &phgr; &phgr; &phgr; |
Φ Φ Φ
Φ Φ ΦΦΦ Φ ΦΦΦ &phgr; Φ &phgr; |
|
226.667 | 333.333 | |||||
17 | 240.000 | 106.667 | S' | 33.333 | ||
18 | 253.333 | 240.000 | T1 | 46.667 | ||
19 | 266.667 | 13.333 | T | 0.000 | ||
20 | 280.000 | 146.667 | R | 13.333 | ||
21 | 293.333 | 280.000 | S | 26.667 | ||
22 | 306.667 | 53.333 | T | 40.000 | ||
23 | 320.000 | 186.667 | R | 53.333 | ||
24 | 333.333 | 320.000 | R1 | 6.667 | ||
25 | 346.667 | 93.333 | S1 | 20.000 | ||
26 | 226.667 | T1 | 33.333 | |||
27 | R' | 46.667 | ||||
Wie der Tabelle entnommen werden kann, wird der maximal mögliche Winkeifehler von
60° bei dem betreffenden Ausführungsbeispiel nicht erreicht.
Weitere Reduzierungen der in der Tabelle angegebenen Fehlwinkel sind möglich, indem
die Maschine mit einer kombinierten Bewicklung versehen wird. Im vorliegenden Beispiel
eines Drei-Phasen-Systems können beispielsweise die bekannten Stern- und Dreieckschaltungen
gemeinsam verwandt werden. In der Dreieckschaltung ist die Wicklungsspannung
die verkettete Strangspannung, d.h. Differenzspannung zweier Phasen. Dadurch entsteht neben einer betragsmäßig größeren Wicklungsspannung aber auch
ein Phasenversatz von 30° zum Sternsystem. Zusammen mit der obigen Sternschaltung
können daher insgesamt zwölf Phasen erzeugt werden, d.h. der maximale elektrische
Winkelfehier bei Verwendung dieses Systems reduziert sich auf 30 bzw. ± 15°.
Die geeignete Verschaltung wird gefunden, indem zum Versatz eines Statorpols die
jeweils am besten passende Phase, d.h. die Phase mit der geringsten Phasenabweichung
ausgewählt wird. Bei der Bewicklung ist lediglich darauf zu achten, daß selbst nur geringfügig elektrisch in der Phase versetzte Wicklungen nicht parallel, sondern in
Reihe geschaltet werden, da sonst erhebliche Ausgleichsströme fließen würden. Sind
innerhalb der jeweiligen Phase mehrere dieser elektrisch versetzten Wicklungen beteiligt,
so führt dies zudem zu einer wünschenswerten Betonung der Sinusgrundwelle der Summenphasenspannungen. Die durch die einzelnen Phasenverschiebungen beschriebene
Synchronisation schwächt die Oberwellenanteile der Summenspannung gegenüber nicht auf die beschriebene Weise versetzten Polanordnungen ab.
Die erläuterten Effekte treten bei Hochpolmaschinen besonders vorteilhaft in Erscheinung,
da hier feinere Polversätze des Eigenrastverhaitens stärker reduzieren und mehr
Pole an den Phasenspannungen beteiligt sind. Hierzu zählen z.B. langsam laufende
Maschinen, Maschinen mit großem Rotordurchmesser, wie z.B. Fahrmotoren und Servomotoren.
• ·
Bei den weiteren in den Fig. 4 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispielen sind gleiche oder
gleichwirkende Teile mit der gleichen, jedoch mit dem Buchstaben a, b bzw, c versehenen
Bezugszahl bezeichnet.
Bei dem in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind mit einem Läufer 1a verbundene
Permanentmagnete 5a in Läuferbewegungsrichtung entsprechend dem Pfeil 3a
aneinandergereiht, wobei sich einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol bildende Permanentmagnetabschnitte abwechseln. Durch ein Polpaar wird ein
einer vollständigen magnetischen Periode entsprechendes Läufermagnetfeld gebildet.
Zwischen den einzelnen Permanentmagneten 2a sind Trennspalte vorgesehen, die schräg zur Bewegungsrichtung verlaufen und dabei abwechselnd im entgegengesetzten
Winkei zur Bewegungsrichtung 3a geneigt sind. Den Permanentmagneten 2a stehen
Statorpole 5a gegenüber, wobei auf jedes Läuferpolpaar ein Satz von drei Statorpolen
5a entfällt. Die Statorpole eines Satzes sind jeweils mit einer dreiphasigen Wechselspannung
gespeist, wobei jeder Statorpol mit einer Wicklung für jeweils eine der drei Phasen versehen ist.
Durch den schrägen Verlauf der Trennspalte mit abwechselnd entgegengesetztem Neigungswinkel
zur Bewegungsrichtung wird ebenfalls eine Verringerung des Selbsthaitemoments
erreicht, indem sich zum Selbsthaltemoment beitragende, an den Läuferpoien ansetzende Kräfte ausmitteln.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 bzw. 6 unterscheidet sich von dem vorangehenden
Ausführungsbeispiel dadurch, daß nicht mehrere Trennspaite zwischen Permanentmagneten gebildet sind, sondern ein einziger durchgehender Trennspalt 9
zwischen sich in einer Bewegungsrichtung 3b eines Läufers 1 b erstreckenden Magnetkörpern
7 und 8 gebildet ist. Der Magnetkörper 7 dient zur Bildung magnetischer Südpole,
während der Magnetkörper 8 zur Bildung magnetischer Nordpole vorgesehen ist. Der durchgehende Trennspalt hat einen sinusförmigen Verlauf.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 ist der sinusförmige Trennspalt 9 durch einen
trapezförmigen Trennspalt 9c ersetzt. Bei dem in den Fig. 5 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispielen mit ununterbrochenem Trennspait 9 treten im Unterschied zu
der Anordnung von Fig. 4 keine durch die Unterbrechung des Trennspalts bedingten
Unstetigkeiten auf. Durch Variation der Spaltposition quer zur Bewegungsrichtung kann
bedingt durch die Addition der den Statorpol durchsetzenden, an den Läuferpolen erzeugten und vorzeichenbehafteten Feldanteile eine Veränderung des jeweils
resultierenden, den Stator durchsetzenden Statorflusses ermöglicht werden. Damit
können durch einen geeigneten, periodischen Verlauf der Spaltposition in Abhängigkeit
von der Läuferposition die gewünschten Kurvenformen für die Hilfsverläufe in den Statorpolen
und somit die Funktionsverläufe der Phasenspeisungen eingestellt werden. Unabhängig hiervon können durch Variationen der Fläche der beiden Läuferpole,
bedingt durch die Addition der zwischen Läufer- und Statorpolen herrschenden FeIdbeträge,
die an den Statorpolen angreifenden Kräfte in Abhängigkeit von der Läuferposition
variiert werden, um das Eigenrastverhalten der Maschine zu beeinflussen. Spezielle Statorpolformen sind nicht erforderlich.
Sofern die Auslegung einen vollständig rastmomentfreien Betrieb erfordert, müssen bei
beliebiger Positionierung des Läufers lediglich die aus der Sicht der Statoren aktiven
Feldbeträge allgemein über einem feststehenden Intervall konstant bleiben. Die aktiven
Flächenanteile der beiden Läuferpole eines Intervalls sind, als Auslegungsrichtlinie,
etwa proportional zu den oben beschriebenen Feldanteilen. Durch das über die Bewegung
stetige Konstanthalten der oben genannten Feldbeträge können auch die an den Statorpolen angreifenden Kräfte konstant gehalten werden, so daß ein Selbsthaitemoment
völlig beseitigt werden kann.
Die Differenz der Flächenanteile bzw. die Summe der am Pol angreifenden Felder
(gemäß Definition bildet der Nordpol den positiven Feldvektor und der Südpol den negativen
Feldvektor) bestimmt dagegen den auch nach außen hin relevanten, residualen Fluß durch den gesamten betreffenden Statorpol; die Zeitableitung dieses Flusses ist
dann z.B. der Spannung an der auf dem Pol befindlichen Wicklung proportional. Eine
entsprechende Anordnung der Läuferpole und entsprechende Ausbildung des Spaltveriaufs
in Abhängigkeit von der Läuferposition dient so der Erzeugung bestimmter Flußverläufe,
die letztlich die gewünschten Strom- und Spannungsverläufe an den Phasen prägen.
Die beschriebenen Verhältnisse sind in Fig. 6 veranschaulicht. Ein bestimmter Teii der
beiden durch die Läuferpole erzeugten Flüsse durchsetzt nur den Polkopf und wird
dadurch hinsichtlich des Gesamtflusses durch den Pol kompensiert. Er hält dabei aber
unabhängig von der Position des Läufers und somit des Trennspalts die am Pol angreifende
Kraft stets aufrecht und konstant. Der nach der Kompensation verbleibende, dargestellte Gesamtfluß wird dagegen direkt von der Position des Trennspalts abhängig
sein und z.B. in der Polwicklung wirksam werden. Diese Kriterien werden von einer
Vielzahl von Läuferpolformen erfüllt. Im Falle einer einfachen und kostengünstigen
Lösung werden bestimmte Kurvenverläufe nur angenähert. Zum Beispiel stellt der in
Fig. 7 gezeigte Trennspalt eine Annäherung an den sinusförmigen Trennspalt gemäß
Fig. 4 dar. Es ist leicht zu erkennen, daß diese Lösung die übrigen Leistungsdaten der
Maschine kaum beeinträchtigt, wohl aber das Selbsthaltemoment vollständig beseitigen
kann.
Die durch den durchgehenden Trennspalt entstehenden Flußveriuste sind meist
wesentlich geringer als diejenigen, die durch die bekannten, oben beschriebenen Maßnahmen
zur Reduzierung des Selbsthaltemoments, wie Schränkungen, Luftspaltvergrößerung usw., bewirkt werden.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiei können durch die Unterbrechung des
Trennspalts und dadurch bedingte Unstetigkeiten zwar noch geringe Rastmomente erzeugt werden, aber dafür können bei dieser Anordnung die maximal möglichen
Leistungswerte der Maschine erreicht werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
wären Symmetriebrüche im Statorkörper ohne die sonst üblichen, nachteiligen Auswirkungen
auf das Maschinenverhalten möglich. Insbesondere Linearmaschinen weisen gegenüber Rotationsmaschinen eine endliche Statorlänge in Bewegungsrichtung auf
und können so von der gebotenen Möglichkeit profitieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen
betreffen die Anordnung bestimmter Konstruktionselemente im frei gewordenen Bereich des Stators. Dazu zählen beispielsweise Bremsen, die direkt auf
den Rotoraußendurchmesser wirken und demzufolge hohe Bremsmomente bei kleiner Betätigungskraft erzeugen können. Weitere Ausgestaltungen betreffen die Erfassung
oder Beeinflussung des in diesem Raum vorhandenen, vom Statorfeld weitestgehend unbeeinflußten Läuferfeldes. Es können zusätzliche, vom Läuferfeld beeinflußte oder
das Läuferfeld beeinflussende Bauteile in diesen Raum eingebracht werden. Vorteilhaft
könnte dort eine Einrichtung zur Läuferpositionserfassung angeordnet werden, die
magnetisch empfindliche Halbleiter, insbesondere Hailsensoren, enthalten und auf diese
Weise ohne eine eigene, spezielle Polanordnung auskommen kann. Aber auch die Beeinflussung des Läuferfeldes kann Vorteile bringen, wobei diese Wirkung
frequenzabhängig sein kann, wie bei einer Wirbeibremse, aber auch positionsabhängig
und periodisch, wie bei zusätzlichen Magnetpolen der ferromagnetische Teile, die durch entsprechende Ausgestaltung ein eigenes, dann gewünschtes Rastverhaiten
erzeugen können.
Auf diese Weise kann beispielsweise die in Fig. 4 gezeigte Polanordnung zugunsten
maximalen Drehmoments genutzt werden, wobei mit einer geeigneten, das Läuferfeld
beeinflussenden Konstruktion ein noch auftretendes geringes Haltemoment kompensiert
werden kann.
Jede Phase beansprucht in den beschriebenen Maschinenausführungen nur einen einzigen
Statorpol pro magnetischer Periode. Die vorzusehende Läuferpoibreite muß zur Erzeugung maximalen Flusses im Statorpol wenigstens ebenso breit sein. Da aber nur
zwei Läuferpole zur Anwendung kommen, sind die Polbereiche entsprechend schmal. Dadurch wird der Einsatz von Magnetmatenai bei Permanentmagnetenmaschinen
erheblich verringert. Durch die symmetrische Konstruktion, die die Phasen gleichmäßig
auf die Maschine verteilt, ist die Empfindlichkeit gegenüber Toleranzen und die Geräuschentwicklung gering.
Da jeder Statorpo! nur eine Wicklung trägt, können letztere bei Bedarf optimal vorgefertigt
und anschließend einzeln aufgebracht werden.
Die einzelnen Statorpole sind kompakt ausgeführt, und die darauf befindlichen Wicklungen
sind hinsichtlich der Windungslänge so kurz wie möglich vorgesehen, wobei der Wicklungskopf äußerst klein gehalten werden kann, so daß bei geringem Gewicht und
kleiner Bauform der Wirkungsgrad der Maschine hoch ist.
Die in den Fig. 1 und 3 gezeigte Maschine kann weiterhin durch bestimmte Ausgestaltungen
der Läuferpole in ihren Betriebseigenschaften beeinflußt werden. Beispielsweise ist eine einfache Schränkung der Läuferpole möglich, um unter Beibehaltung der maximalen
Leistungsdaten die elektrischen Verläufe der Speisung anzupassen und das Eigenrastmoment weiter zu verringern.
Claims (14)
1. Elektrische Maschine mit einer fremderregten Läuferanordnung (1) für die Erzeugung
von in der Läuferbewegungsrichtung (3) aufeinanderfolgenden, jeweils ganzen magnetischen Perioden entsprechenden Magnetfeldern, und mit entlang der
Läuferanordnung aufeinanderfolgend angeordneten Statorpolen (5),
dadurch gekennzeichnet, daß auf eine magnetische Periode eine von einer ganzen Zahl abweichende Zahl
von Statorpolen entfällt.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein durch die Abweichung bedingter, variierender Versatz zwischen den Magnetfeldperioden und den Statorpolen wenigstens teilweise durch eine entsprechend
zeitversetzte Speisung der Statorpolwicklungen ausgeglichen ist.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitversetzten Speisung Schaltungen zur Erzeugung weiterer Speisespannungsphasen
aus einer mehrphasigen Speisespannung vorgesehen sind.
4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungen durch geeignete Verschaltung von Statorpolwicklungen gebildet
sind.
5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Stern- oder/und Dreiecksschaltungen umfassende Verschaltungen zur Erzeugung
weiterer Phasen aus einer dreiphasigen Speisespannung vorgesehen sind.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Läuferpole durch Permanentmagnete (2) gebildet sind.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere, jeweils die gleiche Zahl von Statorpolen (5) aufweisende und jeweils
durch mehrere Phasen einer Speisespannung gespeiste Statorpoisätze vorgesehen sind.
8. Maschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß Statorpolsätze mit einer der Anzahl der Phasen einer Speisespannung entsprechenden
Zahl von Statorpoien (5) vorgesehen sind.
9. Maschine nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Statorpol (5) eines Statorpolsatzes jeweils eine Wicklung für jeweils eine
Speisespannungsphase aufweist.
10. Elektrische Maschine mit einer fremderregten Läuferanordnung (1) für die Erzeugung
von in der Läuferbewegungsrichtung (3) aufeinanderfolgenden, jeweils einer ganzen magnetischen Periode entsprechenden Magnetfeldern, und mit entsprechend
den Magnetfeldern aufeinanderfolgend angeordneten Statorpolen, dadurch gekennzeichnet,
daß die aufeinanderfolgenden, jeweils einer ganzen magnetischen Periode entsprechenden
Magnetfelder durch abwechselnd einen magnetischen Nord- und Südpol
aufweisende Permanentmagnetabschnitte gebildet sind, wobei zwischen den Permanentmagnetabschnitten Trennspalte vorgesehen sind, die mit abwechselnd
entgegengesetztem Neigungswinkel schräg zur Läuferbewegungsrichtung verlaufen.
11. Maschine nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennspaite Teile eines einzigen durchgehenden Trennspaltes (9) sind,
durch den sich in Bewegungsrichtung erstreckende, die Permanentmagnetabschnitte enthaltende Magnetkörper (7,8) voneinander getrennt werden,
von denen einer die Magnetelemente für die Nordpole und der andere die Magnetelemente
für die Südpole umfaßt.
12. Maschine nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der durchgehende Trennspalt die Form einer Sinuskurve (9b) oder Trapezkurve
(9c) aufweist.
13. Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennspalte (6) bzw. der durchgehende Spalt (9) in der Spaltbreite variieren.
14. Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus einer den aufeinanderfolgenden Magnetfeldern entsprechenden Reihe von
Statorpolen unter Bildung eines elektrisch oder/und mechanisch unsymmetrischen Maschinenaufbaus ein oder mehrere Statorpole entfernt sind.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R207 | Utility model specification |
Effective date: 19960814 |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 19981127 |
|
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20020301 |
|
R158 | Lapse of ip right after 8 years |
Effective date: 20040602 |