DE3401163C2

DE3401163C2 - Elektrische Maschine oder magnetische Tragvorrichtung

Info

Publication number: DE3401163C2
Application number: DE19843401163
Authority: DE
Inventors: Hardo Dipl.-Ing. 3300 Braunschweig May; Herbert Prof. Dr.-Ing. Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-05-02
Filing date: 1984-01-14
Publication date: 1987-03-26
Also published as: DE3401163A1

Abstract

Zur Erzielung hoher Kraftdichten bei günstigem Wirkungsgrad kommt einer hohen Magnetfelddichte im Luftspalt große Bedeutung zu. Durch die sogenannte Sammleranordnung lassen sich höhere Luftspaltinduktionen mit begrenztem Materialeinsatz für die Permanentmagnete erzielen. Zur Verringerung der größeren Ankerrückwirkung und der Streuung wird eine Längslamellierung und eine Dreieckform der Weicheisenpole (Bild 4) vorgeschlagen. Hieraus folgt eine höhere Kraftdichte, eine kleinere Scheinleistung, geringere Streuung und verschwindende Oberflächenverluste. Weiter ergibt sich die Möglichkeit einer Streuflußsteuerung, durch die die Luftspaltinduktion beeinflußt werden kann. Verbindet man die Teilpole magnetisch leitend und verzichtet auf Permanentmagnete, so entsteht eine sehr günstige Rotoranordnung für Reluktanzmaschinen. Die Anwendung einer Vielphasenwicklung und die Möglichkeit der Ankerfeldkompensation durch Permanentmagnete werden vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine oder magnetische Tragvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei einer bekannten Maschine der genannten Art, die als Reluktanzmaschine ausgebildet ist, befindet sich in den nichtmagnetischen Zwischenräumen der aus Blechpaketen bestehenden Pollamellen elektrisch leitendes Material, um eine Verstärkung des Flusses der axialen Wirbelströme in den Läuferblechpaketen und im Läufer zu erzielen (CH-PS 4 47 350). Dabei wird vorgeschlagen, zur weiteren Reduzierung des Magnetisierungsstromes und zur Verbesserung des Leistungsfaktors eine Permanenterregung für den Läufer durch Einbetten von Permanentmagneten in diesem zu erzielen, wofür die Form der nichtmagnetischen Zwischenräume vorgeschlagen wird. Von dieser Zielsetzung ausgehend müßten die eingebetteten Permanentmagnete einen magnetischen Fluß in Richtung der Lamellen erzeugen, wenn sie magnetisierend wirken sollen. Dies ist jedoch durch die Einbettung der Magnete zwischen die Pollamellen nicht erreichbar, da die Lamellen in einer solchen Anordnung einen magnetischen Kurzschluß darstellen, der das Austreten des Flusses im wesentlichen behindert. Auch der weitere Vorschlag, einen Teil des vom magnetisierbaren Material eingenommenen Raumes für derartige Magnete zu verwenden, führt zu den gleichen Schwierigkeiten. Auch die in der Druckschrift genannte Zielsetzung, nämlich das Errreichen eines kleinsten magnetischen Widerstandes für den von der Ständerwicklung erzeugten Magnetfluß, läßt keine andere Magnetform und Magnetisierungsrichtung als die parallel zu den Lamellen zu. Eine Anordnung der Permanentmagnete quer zu den Lamellen würde diesem Ziel widersprechen, da hierdurch der magnetische Widerstand stark erhöht würde.
Elektrische Maschinen mit Erregung durch Permanentmagnete weisen gegenüber elektrisch erregten Maschinen Vorteile auf. Insbesondere bei Speisung über Wechselrichter lassen sich sehr einfach aufgebaute Maschinen konstruieren, die mit hoher Polzahl und kleinen Eisenmassen gestaltet werden können. Ihr Wirkungsgrad liegt höher als der von elektrisch erregten Maschinen. Permanentmagnete mit hoher Energiedichte (großes Produkt aus Flußdichte und Feldstärke) erweisen sich dabei den weniger energiestarken Magneten überlegen.
Es ist bekannt, daß Permanentmagnete nicht nur in der Form der direkten Zuordnung zum Nutzspalt (Flachanordnung), sondern auch in der Sammler-Konfiguration zur Anwendung kommen können. Die direkte Zuordnung zum Nutzspalt bedeutet, daß die Flußdichte des Magneten etwa gleich jener des Nutzspaltes ist. Dies gilt zumindest solange, wie der Nutzspalt im Verhältnis zur Magnethöhe klein ist. Die Sammler-Konfiguration läßt im Nutzspalt größere Flußdichten als im Magnet zu. Dies wird durch eine großflächige Magnetanordnung erreicht; die Querschnittsfläche des Magneten ist größer als die Polfläche im Nutzspalt. Entsprechend ist die Flußdichte im Magnet geringer als diejenige im Polbereich. Die hierbei notwendige Flußumlenkung erfordert im Gegensatz zur direkten Zuordnung des Permanentmagneten zum Nutzspalt besondere Weicheisenpole.
Die Magnetanordnung nach dem Sammlerprinzip (DE-OS 31 35 924) eignet sich insbesondere zur Erzielung hoher Flußdichten im Nutzspalt. Es entsteht der Vorteil einer günstigeren Ausnutzung des Magnetmaterials. Für Magnete mit weitgehend gerader Entmagnetisierungskennlinie (im 2. Quadranten) führt ein großer Magnetquerschnitt zu einer Magnetnutzung nahe dem Energiemaximum. Dies ist etwa bei einer Flußdichte zu erreichen, die der Hälfte der Remanenzinduktion entspricht. Mit gleichem Materialaufwand der Magnete lassen sich höhere Flußdichten erzielen als mit der direkten Zuordnung des Permanentmagneten zum Nutzspalt. Bei letzterem bringt eine Vergrößerung der Magnethöhe nur eine geringe Steigerung der Flußdichte. Da das Energieprodukt mit zunehmender Höhe wieder absinkt, sinkt oberhalb einer optimalen Magnethöhe die Ausnutzung des Magnetmaterials.
Es ist erwünscht, höhere Flußdichten als bei direkter Zuordnung der Magnete zum Nutzspalt verwirklichen zu können. Es sollte dabei aber nicht der bekannte Nachteil der Sammleranordnung, bestehend in hoher Ankerrückwirkung und großem Streufluß, wirksam sein.
Die Aufgabe der Erfndung ist eine das Magnetmaterial bestmöglich nutzende Konfiguration gemeinsam mit dem Vorteil großen magnetischen Widerstandes für ausgezeichnete Feldbahnen.
Diese Aufgabe wird bei einer Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst durch die in dessen Kennzeichen herausgestellten Merkmale.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Maschine sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 10.
Bei einer Ausführungsform der Maschine als Reluktanzmaschine sind ausgehend von einer Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 11 die Permanentmagnete in die Schlitze zwischen den Weicheisenlamellen mit der Magnetisierungsrichtung quer zur Lamellenebene eingesetzt.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch einen elektrischen Antrieb mit permanent erregtem beweglichen Teil mit Flachanordnung der Permanentmagnete.
Fig. 2 zeigt schematisch eine elektrische Maschine mit permanent erregtem beweglichen Teil mit Permanentmagneten in Sammler-Konfiguration.
Fig. 3 zeigt ein Zeigerdiagramm.
Fig. 4 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Maschine gemäß der Erfindung mit durch Permanentmagnete erregtem beweglichen Teil.
Fig. 5 zeigt das Induktionsdiagramm der Ausführungsform nach Fig. 4.
Fig. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Reluktanzmaschine.
Fig. 7 zeigt das Induktionsdiagramm der Maschine nach Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer Reluktanzmaschine nach Fig. 6.
Fig. 9 zeigt das Induktionsdiagramm der Ausführungsform nach Fig. 8.
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Maschine gemäß der Erfindung mit Mischerregung.
Fig. 11 zeigt das Induktionsdiagramm der Ausführungsform nach Fig. 10.
Fig. 12 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer Maschine nach Fig. 4.
Fig. 13 zeigt ein Induktionsdiagramm der Ausführungsform nach Fig. 12.
Fig. 14 zeigt eine weitere Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 4.
Fig. 15a bis 15c zeigen weitere Abwandlungen der Ausführungsform nach Fig. 4.
Fig. 1 zeigt die dem Nutzspalt δ in Flachanordnung direkt zugeordneten Permanentmagnete 1 , einen Stator 2 mit stromführenden Nuten 3, einem Statorjoch 4 und einem Rotor- oder Translatorjoch 5. Dem von den Magneten erzeugten Feld entspricht die strichpunktiert gezeichnete Feldlinie b.
Bei der bekannten Sammler-Konfiguration nach Fig. 2 ist der Stator 12 wiederum mit stromführenden Nuten 13 in einem Statorjoch 14 ausgebildet. Der Rotor 16 trägt Pole 15, zwischen denen Permanentmagnete 11 mit abwechselnder Flußrichtung angeordnet sind. Der Magnetfluß wird in den Polen gesammelt und zum Nutzspalt umgelenkt. Zu diesem Zweck sind am Fuß der Pole keilförmige Ausschnitte 17 vorgesehen. Durch Wahl der Parameter Magnethöhe und Magnetquerschnitt kann die Magnetausnutzung jeweils im Optimum gehalten werden. Hierdurch lassen sich auf den Feldbahnen b durch den Nutzspalt δ bei gegebenem Materialaufwand für die Magnete grundsätzlich höhere Flußdichten erzielen.
Für die praktische Anwendung erweist sich jedoch als nachteilig, daß auf den Feldbahnen c an dem vom Nutzspalt abgewandten Ende der Pole verhältnismäßig große Streuflußanteile auftreten. Dies führt dazu, daß nur ein Teil des Magnetquerschnitts zur Magnetisierung des Nutzspaltes verfügbar ist. Auch an den seitlichen Stirnflächen der Magnete entstehen entsprechende Streuflüsse. Die Größe der Streuflüsse nimmt zu, wenn die Magnethöhe (in Magnetisierungsrichtung) abnimmt. Durch die mit abnehmender Magnethöhe wirksam werdenden Streuflußanteile werden die beschriebenen Dimensionierungsvorteile zum Teil abgebaut.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil für Anordnungen nach Fig. 2 besteht darin, daß der Strom der Ankerwicklung eine starke Feldverzerrung hervorruft. Bei der Flachanordnung nach Fig. 1 wird hingegen als vorteilhaft empfunden, daß Flußdichten auf den Feldbahnen a durch den Magneten nur kleine Werte erreichen. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß das Magnetmaterial sich für Fremdfelder ähnlich verhält wie Luft. Es kann also festgestellt werden, daß die Ankerrückwirkung eine umso geringere Feldverzerrung verursacht, je größer die Magnethöhe ist.
Für Maschinen mit großen Ankerströmen sind hohe Magnete günstig, obgleich sie im Hinblick auf die Erzeugung einer hohen Felddichte des Erregerfeldes eine unwirtschaftliche Lösung darstellen. Die praktische Anwendung der Magnetkreisgestaltung nach Fig. 2 wird jedoch durch die starke Ankerrückwirkung sehr behindert. Sie wirkt sich reduzierend auf die erzielbare Kraftdichte aus.
Eine große Feldverzerrung hat für wechselrichtergespeiste Maschinen weitere Nachteile, die anhand des Diagramms nach Fig. 3 erläutert werden. Der Feldanteil der Ankerströme der q-Achse bedingt einen großen Querspannungsteil X _q · I _a (gestrichelter Teil in Fig. 3). Der entsprechende Spannungsanteil ist im Diagramm senkrecht auf dem Spannungszeiger V _p der Polradspannung angetragen. Entsprechend groß ist der Ankerspannungsbetrag V _a im Vergleich zur Spannung V _p. Für die Dimensionierung des Wechselrichters ist die Spannungsvergrößerung gleichbedeutend mit einer Leistungsvergrößerung und damit der Wahl größerer Bauteile. Eine Magnetanordnung nach Fig. 1 ermöglicht dagegen ein schlankes Spannungsdiagramm mit einer kleineren Spannungskomponente des Ankerfeldes und einer entsprechend verringerten Ankerspannung V _a (Ausgezogener Teil des Diagramms). Erwünscht ist also eine verbesserte Magnetanordnung, die die Vorteile beider Konzepte vereinigt.
Die Magnetanordnung nach Fig. 1 zeigt keine befriedigenden Möglichkeiten für einen günstigen Einsatz des Magnetmaterials, wenn hohe Luftspalt-Flußdichten erzielt werden sollen. Eine Flußdichte von z. B. mehr als 0,6 T zwingt selbst bei Anwendung besonders hochwertiger Seltenerden-Kobaltmagneten bereits zu einer übergroßen Magnethöhe. Die Energiedichte liegt bereits jenseits des optimalen Wertes.
Für die gesuchte Lösung bei einer permanent erregten Maschine ist demnach von der Sammleranordnung nach Fig. 2 auszugehen. Um den Nachteil der großen Ankerrückwirkung auf Feldbahnen entsprechend a zu beseitigen, darf der Feldlinienverlauf b nicht durch erhöhte magnetische Widerstände gestört werden. Es muß sowohl für die luftspaltnahen wie auch für die luftspaltfernen Teile der Magnete 21 die hohe Leitfähigkeit zum Luftspalt hin gesichert bleiben.
Umgekehrt muß für Feldlinien der Form a der in Fig. 2 gezeichnete Weg über das Weicheisen der Pole unterbrochen werden. Ein erster Schritt der Vergrößerung des magnetischen Widerstandes für Feldbahnen a ist ein Spalt e in der Mitte des Pols. Dieser Spalt muß sich über die gesamte Höhe des Pols P erstrecken. Der Pol P wird also in zwei Teilpole P ₁ und P ₂ aufgeteilt. Um wirksam zu sein, sollte er größer als der Nutzspalt δ sein, besonders dann, wenn die Poldurchflutung der Ankerwicklung groß ist. Sollen Maschinen großer Polteilung mit großem Strombelag ausgeführt werden, zeigt sich, daß die Unterteilung der Pole durch den Spalt e allein nur begrenzt hilfreich ist. Innerhalb der Polhälften treten weiterhin erhebliche Verzerrungen auf, so daß große Unterschiede zwischen maximalen und minimalen Werten der Flußdichten entstehen. Unter Berücksichtigung der Sättigung bedeutet dies eine Verringerung der mittleren Flußdichte.
Eine wirksame Maßnahme zur Unterdrückung selbst lokaler Feldverzerrungen insbesondere auch bei großen Polteilungen und zugleich eine günstige Anordnung im Hinblick auf die ungestörte Feldausbildung im Nutzspalt δ ergibt sich bei einer Lamellierung der Teilpole P ₁ und P ₂ entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 4. Die Verbindung zwischen den in ihrer Flußrichtung senkrecht zum Spalt e zwischen den Teilpolen stehenden Permanentmagneten 1 und dem Nutzspalt δ wird über eine lamellenartige Weicheisen- Polanordnung 25 mit dazwischenliegenden nichtmagnetischen Räumen 26 erreicht. Die Zwischenräume können dabei mit festem Material (z. B. Kunststoff oder unmagnetischen Metallen) gefüllt sein, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Der Anteil des nichtmagnetischen Füllmaterials bestimmt die quer zu den Lamellen 25 wirksame magnetische Restleitfähigkeit. Diese liegt wesentlich niedriger als die Leitfähigkeit in Längsrichtung. Durch die gezeichnete Anordnung wird erreicht, daß jeder Zahn des entsprechend den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 ausgebildeten Stators oder Ankers zwischen den Magneten im annähernd gleicher Flußdichte versorgt wird. Im gesamten Polbereich tritt damit entsprechend dem Diagramm nach Fig. 5 eine konstante Induktion B _b auf. Örtliche Schwankungen als Folge der gezeichneten offenen Nuten sind nicht dargestellt.
Um Sättigungseinflüsse zu vermeiden, ist davon auszugehen, daß die Summe der Lamellenstärken mindestens der Summe der Zahnstärken entsprechen sollte. Wie Fig. 4 erkennen läßt, entsteht nun für Feldlinien der Form a dadurch ein erhöhter Widerstand, daß mehrere Schlitze 26 und der verhältnismäßig große Spalt e in Polmitte überbrückt werden müssen. Damit wird der bei gegebener Durchflutung der Feldlinie a zuzuordnende Flußanteil sehr viel kleiner als bei der bekannten Ausführungsform nach Fig. 2. Die Flußdichte B _a, die sich dem Leerlauffeld überlagert, fällt selbst im Vergleich zur Flachanordnung (Fig. 1) gering aus. Das resultierende Feld im Luftspalt weicht selbst bei großen Ankerströmen nur wenig von der Form des Leerlauffeldes B _b ab.
Mit der lamellierten Ausführung vom Nutzspalt weg konvergierender, insbesondere dreieckförmiger Teilpole kann ohne Beeinträchtigung des Leerlauffeldes eine sehr weitgehende Ankerfeldunterdrückung erreicht werden. Die Kraftdichte (Kraft je Flächeneinheit) erreicht einen größeren Wert als bei Maschinen, die etwa nach Fig. 2 ausgebildet sind.
Wie man aus dem Vergleich von Fig. 4 mit Fig. 2 erkennt, ist infolge der Schlitze 26 zwischen den Lamellen 25 auch eine Schwächung magnetischer Teilflüsse auf Feldbahnen der Form c (Streuflußanteil) gegeben. Nur ein sehr geringer Teil des Permanentmagneten dient somit der Erzeugung des Streuflusses; der weitaus größte Teil ist der Erregung des Nutzflusses vorbehalten.
Die vollständige Vermeidung von Streuflüssen entsprechend der Feldlinie c gelingt bei doppelseitigen symmetrischen Anordnungen von Erregerteil und Stator. Diese doppelseitige Anordnung kann z. B. bei Axialfeldmaschinen verhältnismäßig einfach verwirklicht werden.
Grundsätzlich darf festgestellt werden, daß die beschriebene Erregeranordnung in Sammlerform mit lamellierten Dreieckpolen für Axialfeld- und Radialfeldanordnungen gleichermaßen geeignet ist.
Der magnetisch schlecht leitende Raum zwischen den Lamellen kann wie erwähnt durch mechanisch sehr widerstandsfähiges Material gefüllt werden, so daß der Lamellenverband eine feste Einheit bildet. Es lassen sich damit auch hohe Umfangsgeschwindigkeiten beherrschen. Eine Sicherung der Permanentmagnete durch ein keilförmiges Abschlußelement erscheint bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten zweckmäßig. Die Weicheisenlamellen 25 lassen sich aus magnetisch gut leitendem Stahl oder auch aus einigen Schichten Dynamoblech herstellen. Um eine geringe Beeinträchtigung des Nutzspaltfeldes B _b zu erzielen, empfiehlt sich eine verhältnismäßig feine Unterteilung. Hierbei spielt die Schlitzbreite im Verhältnis zum Nutzspalt eine Rolle. Auch die möglichst günstige Verwendung des Magnetmaterials spricht für die Anordnung einer kleinen Lamellenteilung. Größere Schlitze bedingen eine Feldlinienverformung bzw. -verlängerung innerhalb des Magnetmaterials 21, was gleichbedeutend mit einem vergrößerten magnetischen Widerstand ist.
Die verhältnismäßig feine Lamellierung erweist sich zusätzlich günstig im Hinblick auf die Unterdrückung von Wirbelstromverlusten, die nahe der Oberfläche als Folge der durch die Nutöffnungen bewirkten Feldschwankungen entstehen. Die Verwendung von Dynamoblechen für die Lamellen 25 ergibt ein Minimum an zusätzlichen Oberflächenverlusten. Sie können in diesem Fall als praktisch vernachlässigbar angesehen werden.
Da durch die beschriebenen lamellierten Dreieckpole die Wirksamkeit der Sammleranordnung verbessert wird, kann die beschriebene Technik auch zur günstigeren Nutzung weniger energiestarker Magnete eingesetzt werden. Es läßt sich so z. B. das preislich günstigere Material der Ferrit-Magnete mit einer Remanenzinduktion um 0,38 T zur Erzeugung einer Flußdichte von ca. 0,6 T heranziehen. Durch die nun weitgehend unterdrückte Ankerrückwirkung können Maschinen mit verhältnismäßig hohen Strombelägen bei gutem Wirkungsgrad konzipiert werden. Für besonders hohe Anforderungen an Kraftdichte und Wirkungsgrad lassen sich Seltenerden-Kobaltmagnete mit Remanenzinduktionen von bis zu 1,1 T und etwa gleichen Luftspaltinduktionen anwenden. Dieser Wert ist deutlich höher als der mit der Flachanordnung erreichbare; entsprechende Vorteile im Hinblick auf die Bemessung der Maschine und den Wirkungsgrad sind daraus ableitbar.
Abgesehen vom Maschinenentwurf ergeben sich auch Vorteile für den Frequenzumrichter. Der beim Antrieb der Maschine speisende Wechselrichter kann bei geringer Ankerrückwirkung, d. h. kleinem X _q entsprechend Fig. 3 (ausgezogenes Diagramm) mit verhältnismäßig kleiner Scheinleistung konzipiert werden. Die dem Produkt aus maximal auftretender Spannung und größtem Strom entsprechenden Leistungshalbleiter sind somit kostengünstiger als jene der Maschinenformen nach Fig. 2 und Fig. 1. Die stark reduzierte Felddeformation als Folge der Ankerströme wirkt sich günstig auf die Kommutierung aus. Sie hat weiterhin einen vorteilhaften Einfluß auf die maximal notwendige Taktfrequenz.
In Fig. 4 ist als Ankerwicklung eine Vielphasenwicklung mit sieben Phasen 51-57 (unabhängigen Wicklungselementen) vorgesehen. Sie führt bei gleichphasigen Strömen in z. B. sechs von sieben Strängen zu einer sehr hohen Kraftdichte. Bei einer annähernd rechteckförmigen magnetischen Flußdichte im Polbereich entsprechend Fig. 5 ist die günstigste Stromverteilung zur Erzielung großer Kräfte bei maximalem Wirkungsgrad ein über die Polteilung ebenfalls konstant angenommener Verlauf der Stromverteilung. Dies setzt im allgemeinen voneinander unabhängige Ströme in den einzelnen Phasen voraus. Durch das Vielphasenkonzept lassen sich auch höhere Bauteilausnützungen für den Wechselrichter als etwa bei Dreiphasen-Anordnungen erreichen, da sich die Anzahl der stromführenden Halbleiterschalter erhöht.
Um eine besonders verlustarme Energieumwandlung und gleichzeitig eine hohe Bauteilausnützung bei Maschine und Wechselrichter zu erzielen, erweist sich somit eine größere Phasenzahl als drei als besonders günstig. Darüber hinaus können die ungeraden Phasenzahlen von fünf bzw. sieben aufgrund einer günstigeren Betriebssymmetrie für den Aufbau der Schaltung für Maschinenwicklung und Wechselrichter einen kleineren Bauteilaufwand zulassen als gerade Phasenzahlen.
Sind die lamellierten dreieckförmigen Teilpole 81, 82 in ihrem mittleren Bereich miteinander magnetisch leitfähig verbunden, also dort, wo bei der Ausführungsform nach der Fig. 4 der Permanentmagnet angeordnet ist, so entsteht ein magnetisch passiver Rotor entsprechend Fig. 6. Die Lamellen 83, 84, 85 und 86 der Teilpole 81, 82 konvergieren auch hier. Zwischen ihren Enden sind Stege 88, 89, 90 und 91 angeordnet, die sich im wesentlichen parallel zum Nutzspalt δ erstrecken und mit den Lamellen aus einem Stück bestehen können. Der Steg 88 der Lamellen 83 ist mit einem Rücksprung 92 ausgebildet, durch den zwischen den Teilpolen eine Lücke gebildet wird, deren Breite wenigstens einer Nutteilung des Stators 82 entspricht. Beim Ausführungsbeispiel beträgt die Breite der Lücke bei Nutteilungen. Die Breite der Lücke der Polelemente bestimmt über die Stromsumme der Ankerspulen (R _f), die für die Erregung des magnetischen Feldes wirksam sind, die Felddichte im Polbereich. Wird wieder eine Vielphasenwicklung wie nach Fig. 4 angenommen, so lassen sich die das Feld und die Ankerströme im Polbereich bestimmenden Spulenströme getrennt einstellen. Sie können durch Schalteingriffe in den jeweiligen Wechselrichterphasen beeinflußt werden. Dieses Verfahren wird mit "Stromorientierung" bezeichnet.
Die magnetische Flußdichte, die den Feldlinien b 1 und b 2 entspricht, wird durch die der Lücke zugehörigen Spulenströme (z. B. zwei) der Durchflutung R _f hervorgerufen. Das magnetische Feld ist durch die gewählte Polgeometrie praktisch wieder gleichmäßig über die gesamte Polbreite verteilt. Mit elektrischer Erregung vom Anker aus lassen sich unter diesen Voraussetzungen ebenfalls hohe Flußdichten im Polbereich erzielen. Durch die lamellierte Polanordnung kann die Feldverformung durch die Ankerströme gegenüber bekannten Lösungen stark zurückgedrängt werden. Fig. 7 zeigt das Leerlauffeld B _b, erregt von den Spulen über der Lücke 92 und das durch die Anteile aller Spulen R _f + R _a erzeugte resultierende Gesamtfeld.
Die Vergleinerung der Feldverzerrung ist bei Reluktanzmaschinen von ähnlicher Bedeutung wie im Falle der permanenterregten Synchronmaschinen nach Fig. 4. Durch kleinere Ankerrückwirkung lassen sich höhere Kraftdichten bei gegebenem Strom und höheren Bauteilausnutzungen beim Wechselrichter sowie ein günstigeres Kommutierungsverhalten erzielen.
Die wechselrichtergespeiste Reluktanzmaschine erreicht unter den genannten Voraussetzungen ähnlich hohe Kraftdichten wie permanenterregte Maschinen. Der Wegfall der Permanentmagnete bedeutet eine Kostenersparnis und eine Vereinfachung der Maschinenherstellung. Es kommt hinzu, daß die Stellbarkeit der Erregung, wie sie bei Vielphasenwicklungen mit unabhängig voneinander gespeisten Strängen besteht, beachtliche betriebliche Vorteile bietet. Das Stell- und Regelverhalten einer Reluktanzmaschine dieses Typs ähnelt dem Verhalten einer im Feld- und Ankerstrom getrennt stellbaren (fremderregten) Gleichstrommaschine.
Für sicherheitsempfindliche Anordnungen kann die über den Spulenstrom vorzunehmende Entregung der Maschine ein sehr positives Merkmal sein. Es lassen sich hier bei entsprechender Wicklungsaufteilung auch Teilbereiche der Maschine im Störungsfall abschalten, während ungestörte Sektoren in Betrieb bleiben.
Für Anwendungen mit besonders hohen Ansprüchen im Hinblick auf Wirkungsgrad und Kraftdichte der Maschine ist es möglich, eine weitere Verbesserung des Reluktanzkonzepts dadurch zu erzielen, daß mit Hilfe von Permanentmagneten das Ankerfeld leistungslos kompensiert wird. Auch hierbei ist zur Erzielung einer Feldentzerrung im gesamten Bereich des Pols davon auszugehen, daß lamellierte Polelemente entsprechend Fig. 6 existieren. Für gleiche Teile werden daher in Fig. 8 die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 6. Es ist auch in diesem Fall besonders günstig, die Lamellenteilung kleiner als die Nutteilung des Stators zu wählen. Zur Kompensation des auf Feldbahnen a von den Strömen des Ankers erzeugten Magnetfeldes werden Permanentmagnete 96 in den Schlitzen 26 der lamellierten Polelemente angewendet. Die Magnetisierungsrichtung verläuft quer zu den Schlitzen und ist in allen Schlitzen gleichgerichtet. Es zeigt sich, daß die Anwendung von billigen Ferrit-Magneten zur Kompensation von Ankerstrombelägen bis zu etwa 1200 A/cm ausreicht. Durch Verminderung der Schlitzbreite lassen sich mit demselben Magnetmaterial Feldentzerrungen auch bei kleineren Strombelägen vornehmen.
Mit Ferrit-Magnetmaterial können somit verhältnismäßig starke Ankerfelder kompensiert werden.
Fig. 9 gibt den Verlauf der Flußdichte unter Last an. Vermindert sich die Größe der Ströme in den Spulen, tritt im Vergleich zu Fig. 7 eine Feldverformung in umgekehrter Richtung auf. Hierbei kann aber davon ausgegangen werden, daß bei verkleinerter Umfangskraft die Nachteile der Feldverzerrung keine besondere Rolle mehr spielen. Die nun in umgekehrter Richtung auftretende Verformung des Feldverlaufs hat z. B. den Vorteil, daß der Kommutierungsvorgang beschleunigt abläuft. Das resultierende Feld längs der Feldlinie a verschwindet bei Nennlast (volle Kompensation).
Die oben beschriebene Ausführung der permanenterregten Pole und die Möglichkeit der Polerregung über den Anker mit Hilfe einer Vielphasenanordnung lassen sich kompensieren. Es läßt sich mit diesen Mitteln erreichen, daß für einen bestimmten Erregungsgrad (eine bestimmte Flußdichte des Leerlauffeldes) die Erregung ausschließlich leistungslos von den Permanentmagneten erzeugt wird, während höhere oder niedrigere Felddichten unter Zuhilfenahme der Ankerregung bereitgestellt werden. Dies entspricht dem für manche Anwendung bekannten Ablauf, bei dem Betriebszustände mit maximalem Feld und auch jene mit minimalem Feld nur kurzzeitig im Vergleich zu denen mit mittlerer Felddichte auftreten.
Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform einer derartigen Maschine. Die Pole sind im wesentlichen entsprechend der Ausführung nach Fig. 8 ausgebildet. In der Mitte der in Achsrichtung lamellierten Teilpole bzw. der Stege zwischen den Teilpolen 113, 114 aus Weicheisen ist wie bei der Ausführung nach Fig. 4 ein entsprechend bemessener Permanentmagnet 115 angeordnet. Die Pollücke 112 ist hierbei ähnlich wie bei der reinen Reluktanzversion nach Fig. 6 und 8 so breit gestaltet, daß die notwendige Erregerdurchflutung R _f zur Verstellung des Leerlauffeldes verfügbar ist. Da die vom Permanentmagneten zu erzeugende Felddichte B _m nun niedriger liegt als bei ausschließlicher Permanenterregung (Fig. 4), läßt sich die Höhe des Permanentmagneten reduzieren. Sie kann z. B. bei Verwendung von Seltenerden-Kobaltmagneten noch unter 1 cm liegen, wenn B _m-Werte zwischen 0,4 und 0,5 T erreicht werden sollen. Berücksichtigt man das Flächenverhältnis von Magnet- und Polfläche von etwa 2, so bedeutet der Magnet mit einer Höhe von 0,8 cm eine fiktive Luftspaltvergrößerung von etwa 0,2 cm. Es wird somit deutlich, daß mit einer begrenzten Durchflutung R _f Flußdichten B _f von 0,2 bis 0,3 T erreichbar sind. Magnete mit noch höheren B _r-Werten verbessern das Konzept.
In Fig. 11 ist der Verlauf der Flußdichte für drei Fälle dargestellt.
B _m bezeichnet in Fig. 11 den Feldverlauf ohne Ankererregung. B _m + B _f gibt den erzielbaren Maximalwert an. Hierbei unterstützen sich die Wirkungen der Permanentmagnete und die der Ankererregung. B _m - B _f kennzeichnet den Minimalwert der Flußdichte. Die Ankererregung wirkt der Permanenterregung entgegen. Abhängig vom Magnetmaterial ist darauf zu achten, daß durch die Gegenerregung Zustände irreversibler Magnetisierung im Magnetmaterial vermieden werden. Innerhalb der beschriebenen Grenzen der Flußdichte ist deren Einstellung mit Hilfe der Ankerströme stufenlos möglich. Das Konzept der Mischerregung ist im Vergleich zu anderen Lösungen dann besonders vorteilhaft, wenn die Dicke der Permanentmagnete gering angesetzt werden soll. Dies trifft für hochwertige Magnetmaterialien wie Seltenerden-Kobalt-Magnete stärker zu als etwa für Ferrit-Magnete. Im Vergleich zu einer starren Permanenterregung lassen sich beträchtliche Einsparungen an Magnetmaterial erzielen. Im Vergleich zur Reluktanzversion treten die durch die Erregerströme verursachten Wicklungsverluste zurück, wenn die Betriebsphasen mit geringer Erregung zeitlich überwiegen. Die zur Feldbeeinflussung notwendige Stromaufschaltung für die Spulen der Pollücke ist mit kleiner Zeitkonstante und damit verzögerungsarm durchführbar.
Für eine Anzahl von Anwendungen ist eine sehr schnelle Änderung des magnetischen Feldes nicht notwendig. Es kann dann davon ausgegangen werden, daß z. B. ein Stellmotor oder ein Kraftverstärker mit Zwischenspeicher zur Bewegung eines mechanischen Teils herangezogen wird, das seinrseits die Leitfähigkeit des magnetischen Kreises verändert. Der vom Permanentmagneten erregte magnetische Kreis besteht im Rotor aus dem Magneten selbst und aus Weicheisenteilen. Bei einer Anordnung nach Fig. 1 ( Flachmagnet) ist ein mechanischer Eingriff zur Veränderung der Leitfähigkeit sehr schwierig und kaum praktisch durchführbar.
Letzteres gilt zumindest für rotierende elektrische Maschinen.
Für Anordnungen nach Fig. 2 bzw. 4 besteht die Möglichkeit, durch kleine Modifikationen der Form des Sammlers einen stellbaren magnetischen Nebenweg zum Nutzspalt auszuführen. Wie Fig. 2 zeigt, kann in der dem Luftspalt δ abgewandten Magnetbegrenzung ein verschiebbares Weicheisen-Stellelement 60 zur Beeinflussung der Luftspaltflußdichte angewendet werden. In Stellung A wird der am Magnetende sich ausbildende Streufluß durch das Stellelement 60 praktisch nicht vergrößert. Im Nutzspalt stellt sich der Höchstwert der Flußdichte B _A (Fig. 13) ein. Wird das Stellelement 60 mit Hilfe einer Verschiebevorrichtung in Stellung B gebracht, so vergrößert sich der Streufluß (Feldlinie c) erheblich. So kann z. B. zwischen 30 und 40% des vom Magneten erzeugten Flusses über den Nebenweg c verlaufen. Das Luftspaltfeld b wird damit geschwächt. Dies ist in Fig. 13 mit einer entsprechend kleineren Felddichte B _B dargestellt. Durch Zwischenstellungen des Stellelementes 60 lassen sich stufenlos Zwischenwerte der Flußdichte innerhalb der Grenzen B _A und B _B einstellen. Die Verschiebung des Stellelementes aus der Stellung A erfordert größere mechanische Kräfte. Durch eine Feder mit entsprechender Charakteristik oder ein anderes Speicherelement können die Kräfte in der Summe weitgehend ausgeglichen werden; der Antrieb für das Stellelement 60 kann sich auf das Aufbringen der geringen Differenzkräfte zwischen Feder und Magnet beschränken.
Bei einer rotierenden Maschine lassen sich die Stellelemente 60 zu einer Art Käfig zusammenfassen. Die Bewegung dieses Käfigs in Umfangsrichtung kann durch einen gemeinsamen Antrieb vorgenommen werden. Wie Fig. 12 erkennen läßt, besteht noch genügend Raum für die Befestigung der Polelemente, auch dann, wenn für die Stellelemente 60 der Verschiebeweg berücksichtigt wird.
Es ist zweifellos vorteilhaft für die Ausführung der Stellelemente und für die Konstruktion des Rotors, daß der Verschiebeweg in Umfangsrichtung nur etwa ein Viertel der Polteilung umfaßt. Dies ist ein Ergebnis, das der Verwendung der Sammlerkonfiguration zuzuschreiben ist.
Für Anwendungen bei magnetischen Lagern oder bei Linearmotoren ist die vom Magnetfeld erzeugte Normalkraft und deren Stellbarkeit von erheblichem zusätzlichen Interesse. Die Stellbarkeit des Feldes im Nutzspalt kann dabei zur Steuerung bzw. Regelung der Normalkraft Verwendung finden. An die Stelldynamik werden dabei erhöhte Anforderungen gestellt. Die Normalkraft wird zur Kompensation der Gewichtskräfte herangezogen. Da der Massenanteil des Stellelements 60 klein ist und sich die darauf wirkenden magnetischen Reaktionskräfte sehr weitgehend kompensieren lassen, kann durch ein schnell wirksames Stellorgan (z. B. ein hydraulischer Kraftverstärker) eine sehr große Beschleunigung erzielt werden. Dank der begrenzten Verschiebestrecke und der geringen Eigenmasse der Stellelemente lassen sich auch kleine Stellzeiten erreichen. Innerhalb dieser Stellzeit erfolgt die Änderung des magnetischen Feldes zwischen den Grenzen B _A und B _B. Die Normalkraft ist proportional B ² und ändert sich entsprechend. Es erscheint somit sehr aussichtsreich, die Verschiebung der Stellelemente 60 auch zur Regelung des Spaltes mit Hilfe der Normalkräfte einzusetzen. Gegenüber herkömmlichen Tragkraftregelungen auf elektromagnetischer Basis treten bei dem hier beschriebenen Verfahren die günstige Dimensionierung des Magnets sowie die geringe Masse der Stellelemente 60 und die daraus folgende hohe Stelldynamik vorteilhaft in Erscheinung. Zur Anwendung bei magnetischen Lagern für rotierende Körper muß eine selbständige Betätigung der Stellelemente 60 in verschiedenen Sektoren möglich sein, wenn Lagerkräfte in den beiden Hauptrichtungen verwirklicht werden sollen. Dabei lassen sich bei symmetrischer Anordnung die Stellelemente an verschiedenen Polen gegensinnig auslenken.
Fig. 14 zeigt eine im Vergleich zur Fig. 12 modifizierte Stellanordnung. Das Weicheisen-Stellelement 62 ist hier Teil eines Zylinderes 64 und kann durch Drehung der Welle 66 relativ zum Magneten 68 verstellt werden. Zum Vergleich zur Anordnung nach Fig. 12 wird nun in Umfangsrichtung Raum gespart. Im übrigen gilt auch für diese Anordnung ein ähnliches Verhalten wie oben für Fig. 12 beschrieben.
Die zusammen mit den Fig. 12 und 14 beschriebenen Magnetanordnungen sind bezüglich des Stellantriebs nicht an eine bestimmte Antriebsart gebunden. Es besteht hierbei jedoch die Möglichkeit, auch einen elektrischen Antrieb ( linear oder rotierend) vorzusehen.
Die lamellierte Form der Polelemente läßt sich so modifizieren, daß eine Flußsperrung über die gesamte Magnethöhe erzielbar wird. Fig. 15a zeigt eine Anordnung, bei der parallel zum Magnet 70 zwei vertikale, verschiebliche gitterförmige Elemente 72 in der Teilung der Lamellen 74 angebracht sind. In Stellung A wird der magnetische Fluß im Vergleich zur Anordnung Fig. 4 (ungeteilte Lamellen) praktisch gleich gut geführt. Es wird in dieser Stellung im Spalt die maximale Flußdichte B _A erreicht (Fig. 11). Werden hingegen die verschieblichen Gitter 72 um eine halbe Teilung nach unten versetzt, so treten an den Übergängen zwischen dem Magneten 70 und den Lamellen 74 Flußeinengungen auf. Damit ergibt sich für Stellung B die verringerte Flußdichte B _B im Nutzspalt. Je nach Formgebung der einzelnen Gitter 72 läßt sich B _B auch auf noch tiefere Werte im Vergleich zu B _A einstellen. Zur Verschiebung der Gitter 72 lassen sich wieder Stellantriebe beliebiger Art heranziehen. Das Gitter 72 läßt sich auch einseitig ausführen. Fig. 15b zeigt eine Ausführungsform, bei der die Gitter Zwischenräume 76 wie die Nuten elektrischer Maschinen mit stromführenden Leitern 78 gefüllt sind. Dabei kann zur Verringerung des magnetischen Übergangswiderstandes vom Magnet zum Stellelement auch eine teilweise geschlossene Nutanordnung wie in Fig. 15c gewählt werden.
Für die angegebene Feld- und Stromrichtung entsteht wie bei einem Linearantrieb eine nach unten wirkende Stellkraft F. Sie ist der Summe der Produkte aus Strom und Dichte des magnetischen Feldes proportional. Bei Umkehrung der Stromrichtung kann die Richtung der Kraft umgekehrt werden. Geht man davon aus, daß die durch die Verschiebung des Weicheisen-Stellelementes vurursachte Reluktanzkraft durch eine Feder kompensiert wird, so ist die durch den Strom hervorgerufene Stellkraft für die Beschleunigung des beweglichen Gitters 72 im vollen Umfang nutzbar. Es läßt sich zeigen, daß günstige Voraussetzungen bestehen, um mit begrenztem Strom hohe Stellbeschleunigungen und eine schnelle Flußänderung im Nutzspalt zu erzielen.
Wie die Fig. 15a bis 15c zeigen, erweist sich für das Gitter 72 eine ungefähr gleiche Aufteilung der Gitterfläche in Weicheisenflächen 73 und offene Nuten 75 als besonders günstig zur Erzielung einer wirksamen Flußabsperrung. Für Linearmotoranordnungen erscheint weiter die Verbindung der Leiter aus dem Bereich benachbarter Magnete zu Spulen als eine sehr günstige Lösung.
Die beschriebenen Stellvorrichtungen zur Beeinflussung des magnetischen Feldes im Nutzspalt lassen sich als Steuerungen oder Regelungen betreiben. Im Falle der Anordnung nach Bild 15b wird der Strom der in den Stellelementen 72 angeordneten Leiter 78 über ein elektrisches Stellglied und einen Regler ausgesteuert. Hierbei kann in bekannter Weise der Luftspalt berechnet oder gemessen und mit einem Sollwert verglichen werden. Das Differenzmaß der Luftspaltabweichung und eine ebenfalls ermittelte Spalt-Änderungsgeschwindigkeit werden für die Größe der Stromaussteuerung durch den Regler zugrundegelegt. Da die Anordnung 15b außer einer geringen Masse auch eine sehr geringe Stellauslenkung bedingt, lassen sich sehr große Stellgeschwindigkeiten mit begrenzter Stelleistung erreichen. Die Schweberegelung kann mit geringem Aufwand an elektrischen Bauelementen realisiert werden. Unter Verzicht voller Symmetrie läßt sich die Flußsperrung mit Hilfe des Gitters 72 auch auf nur einer Seite des Magneten 70 ausführen.

Claims

1. Elektrische Maschine oder magnetische Tragvorrichtung bestehend aus einem feststehenden Teil (Stator) und einem beweglichen Teil (Rotor, Translator bzw. Erregerteil), die beide durch einen Luftspalt (Nutzspalt) getrennt sind, innerhalb dessen ein magnetisches Feld wirksam ist, bei denen im Rotor bzw. Erregerteil dieses Feld in einer lamellierten Weicheisenpolanordnung mit nichtmagnetischen Zwischenräumen verläuft, deren Lamellen sich in der Richtung der stromführenden Leiter erstrecken und mit Permanentmagneten verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Pol (P) gehörigen Lamellen (25) auf einer Seite an den Luftspalt (6), auf der anderen Seite an die Permanentmagnete (21) so anschließen, daß ihre Anschnittsflächen an dieser Seite auf der Poloberfläche der Permanentmagnete liegen, diese etwa um einen Faktor 1,5-3 größer ausgebildet sind als die (Weicheisen-)Polflächen am Luftspalt und gegenüber diesem in einem größeren Winkel gedreht sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lamellenquerschnitt in der Summe etwa gleich den entsprechenden Zahnquerschnitten ist und die Pollamellen (25) eine trapezähnliche Form aufweisen.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für große Ankerdurchflutungen die Lamellenteilung kleiner ist als die Nutteilung des Stators.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für kleine Ankerdurchflutungen jeder Teilpol aus nur einer Lamelle und einem Weicheisenelement in Dreieckform besteht und zwischen den Teilpolen ein Abstand eingehalten ist.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator eine Vielphasenwicklung (51-57) mit einer Nutzahl größer als 3 je Polteilung besitzt.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen der Statorwicklung mit ihren Anschlüssen herausgeführt und die Ströme einzeln einstellbar sind.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenzahl (51-57) und mit ihr die Nutenzahl je Polteilung ungerade, und zwar 5 oder 7 ist.

8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellbarkeit des magnetischen Feldes durch den Streufluß (c) vergrößernde Stellelemente (60, 62) erreichbar ist (Fig. 12 und 14).

9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellbarkeit des magnetischen Feldes durch ein parallel zur Magnetebene verschieblich angeordnetes Gitter (72) aus Weicheisenelementen (73) in der Teilung der Pollamellen (74) erzielbar ist (Fig. 15a-15c).

10. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellkraft für die Verschiebung des gitterförmigen Stellelementes durch in Leitern zwischen den Weicheisenlamellen fließende elektrische Ströme erzeugbar und die magnetische Reaktionskraft durch eine Feder oder ein entsprechendes Element kompensierbar ist.

11. Elektrische Maschine oder magnetische Tragvorrichtung, bestehend aus einem feststehenden Teil (Stator) und einem beweglichen Teil (Rotor, Translator bzw. Erregerteil), die beide durch einen Luftspalt (Nutzspalt) getrennt sind, innerhalb dessen ein magnetisches Feld wirksam ist, bei denen im Rotor bzw. Erregerteil dieses Feld in einer lamellierten Weicheisenpolanordnung mit nichtmagnetischen Zwischenräumen verläuft, deren Lamellen sich in der Richtung der stromführenden Leiter erstrecken und mit Permanentmagneten verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (96) in die Schlitze zwischen den Weicheisenlamellen (84, 85, 86, 89) mit der Magnetisierungsrichtung (N-S) quer zur Lamellenebene eingesetzt sind.