DE3800916A1 - Feldstellung fuer eine elektrische maschine mit permanentmagneten im erregerteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Feldstellung für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Feldstellung für solche permanentmagneterregte Maschinen ist aus der DE-PS 34 01 163 bekannt und zwar für eine Maschine mit lamellierten Weicheisenpolanordnungen nach dem Sammler­ prinzip gemäß der DE-OS 31 35 924, bei der der magnetische Widerstand innerhalb des magnetischen Kreises auf mechanische Weise vergrößert wird.

Bei der Konzipierung und Anwendung von permanenterregten und wechselrichtergespeisten elektrischen Maschinen sind nach­ folgend dargelegte verschiedene Gesichtspunkte gegeneinander abzuwägen und entsprechend aufeinander abzustimmende Maßnahmen zu beachten.

Anordnungen von Permanentmagneten zur Erregung elektrischer Maschinen dienen dem Ziel, das Leerlauffeld verlustlos zu erzeugen und eine kompakte Bauform bzw. eine hohe Kraftdichte für Antriebe und Generatoren zu ermöglichen.

In Kombination mit Ankerwicklungen, deren Strangzahl fünf oder größer ist, lassen sich sowohl erhöhte Kraftdichten als auch steuerbare Leerlauffelder erzielen. Die erhöhte Strangzahl ermöglicht bei Speisung über individuell stellbare Teilwechsel­ richter eine weitgehend rechteckförmige Stromverteilung und damit, im Zusammenwirken mit einem annähernd rechteckförmigen Feld, einen hohen mittleren Wert der Polkraft. Gleichzeitig erreicht auch der Wirkungsgrad einen hohen Wert.

Trotz der großen Fortschritte auf dem Gebiet der Wechsel­ richtertechnik und der einschlägigen Bauelemententwicklung stellen die Geräte der Leistungselektronik einen entscheidenden Kostenfaktor für derartige Antriebe dar. Es kommt deshalb der bestmöglichen Anpassung von Maschine und Wechselrichter eine hohe Bedeutung zu. Eine wichtige Maßnahme ist in diesem Zusammenhang die Nutzung von Auslegungsvorteilen der Feld­ schwächung, insbesondere bei Fahrzeugantrieben. Die bei fallen­ der Drehmomentcharakteristik mögliche Reduktion des Flusses (Flußdichte) wird zur Begrenzung der induzierten Spannung und damit der spannungsbedingten Bauteilbeanspruchung im Wechsel­ richter genutzt. Eine entsprechende Kostenreduktion des Bau­ teilaufwandes ist damit nicht verbunden.

Aus der Sicht der elektrischen Maschine ist das Verfahren der Feldschwächung allenfalls als akzeptabler Kompromiß, nicht aber als eine optimale Lösung zu sehen. Da mit der Feldschwächung im oberen Drehzahlbereich der Ankerstrom meist konstant gehal­ ten wird, treten trotz der Momentenschwächung hohe Wicklungs­ verluste auf. Eine Reduktion des Ankerstroms, anstelle der reduzierten Felddichte, ließe sich in eine stärkere Limitierung der Maschinenverluste umsetzen und würde der Erhöhung des Wirkungsgrades in den meisten Fällen dienlicher sein. Mit Rück­ sicht auf die teuren Wechselrichter wird im allgemeinen jedoch der Weg der Feldschwächung beschritten.

Die erwünschte Feldstellbarkeit ist bei ankererregten Asynchron­ maschinen oder bei elektrisch erregten Synchronmaschinen ohne Schwierigkeiten gegeben. Bei Anwendung von permanenterregten Feldern entstehen bekanntlich aber Probleme.

Die bekannten Maßnahmen (DE-PS 34 01 163) der Feldstellung beschränken sich vornehmlich auf mechanische Eingriffe zur Vergrößerung des magnetischen Widerstandes innerhalb des mit Weicheisenelementen bestückten magnetischen Kreises. So werden z.B. durch axiale Verschiebung von Teilen des Erregerkreises im Rotor Vergrößerungen des insgesamt wirksamen Luftspalts herbei­ geführt. Es sind ferner aus der DE-PS 34 01 163 Vorschläge bekannt, bei denen eine Feldstellung durch Spulenströme der Ankerwicklung, die mit fünf oder mehr Strängen ausgeführt ist, erfolgt und diese mit Hilfe des Wechselrichters der Läufer­ stellung entsprechend weitergeschaltet werden.

Eine Entregung dieser Art bedeutet allerdings bei Anwendung von normalen Magneten, daß ein ständiger "Erregerstrom" im Anker aufgebracht werden muß, der auch entsprechende Verluste hervorruft. Darüber hinaus wird die Zahl der an der Kraft­ bildung beteiligten Wicklungsstränge verringert, so daß zur Erzielung einer großen Umfangskraft der Strangstrom erhöht werden muß.

Wie sich zeigt, ist insbesondere eine Erregeranordnung in Sammlerkonfiguration zur Realisierung der Feldstellung geeignet. Im Vergleich zur Flachmagnetanordnung ist dabei vorteilhaft der verhältnismäßig kleine magnetische Widerstand der Permanentmagnete zur Erzeugung einer Ankerfeldkomponente kennzeichnend. Dabei wird bei der Sammleranordnung vorausge­ setzt, daß der Magnetquerschnitt deutlich (um den Faktor 2 oder mehr) größer ist als der entsprechende Polquerschnitt. Es lassen sich dann bereits nennenswerte Feldänderungen durch die Spulenströme von nur ein oder zwei Strängen erzielen, ohne daß der Strom den Wert des Nennstromes überschreitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feldstellung von Permanentmagneten in solchen Polanordnungen zu vereinfachen und zu verbessern.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Ausge­ staltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Zum leichteren Verständnis der Erfindung wird auf die folgenden Darlegungen und die Zeichnung verwiesen, in denen die maßgeb­ lichen Gesichtspunkte herausgestellt sind. Dabei ist in Fig. 1 die im zweiten und dritten Quadranten des B-H-Koordinaten­ systems liegende Hystereseschleife der geschichteten Permanent­ magneten von zwei in Fig. 4 gezeigten Polanordnungen nach dem Sammlerprinzip von besonderer Bedeutung.

Die Schichten der Permanentmagnete bestehen aus Magnetmaterial mit den in Fig. 2 und 3 angegebenen Magneteigenschaften.

Mit begrenztem Spulenstrom, der möglichst nicht größer als der Nennstrom sein und außerdem nur kurzzeitig aufgebracht werden soll, wird für eine längere Arbeitsperiode ein veränderter Wert der Leerlauffelddichte eingestellt. Der zeitliche Eingriff für diese Feldstellung beschränkt sich somit auf eine sehr kurze Zeit, so daß der Betriebsablauf nicht oder nicht nennenswert gestört wird. Der Energieaufwand zur Herbeiführung eines neuen Magnetisierungszustandes ist somit sehr klein im Vergleich zu den Vorteilen, die durch den Erregerzustand im Zeitablauf des Arbeitsabschnitts erzielt werden. Diese Vorteile können in der Form von reduzierten Wicklungsverlusten (höherer Wirkungsgrad) bestehen; gleichzeitig kann auch eine Anpassung der Maschine an den Wechselrichter und in Verbindung damit eine Kostenminderung erzielt werden. Bei geeigneter Dimensionierung des Erreger­ systems, das die Permanentmagneten enthält, wird erreicht, daß die zur Ummagnetisierung nötigen Ströme so begrenzt werden können, daß hierdurch keine zusätzlichen Forderungen für die Wechselrichter-Auslegung entstehen. Es findet somit keine Überbelastung der für normalen Betrieb auszulegenden Bauele­ mente statt. Gleichzeitig soll die Bedingung eingehalten werden, daß bei maximaler Umfangskraft hohe Magnetflußdichten gebildet werden.

Die Verwirklichung einer stellbaren Magnetisierung mit Hilfe begrenzter kurzzeitig anwendbarer Erregerströme setzt voraus, daß gemäß Fig. 1 eine ganz bestimmte Form der Hystereseschleife des Magnetmaterials gegeben ist. Die Breite der Hysterese­ schleife darf im zweiten Quadranten ein bestimmtes Maß nicht überschreiten, damit durch Eingriff mit Hilfe der Ankerströme Feldänderungen in nennenswerter Größe erzielt werden können. Um gleichzeitig hohe Kraftdichten ohne Inanspruchnahme größerer zusätzlicher Erregerkomponenten der Ankerströme zu erzeugen, muß das Magnetmaterial auch eine hohe Remanenzinduktion auf­ weisen. Die Forderung nach verhältnismäßig schmaler Hysterese­ kurve ist unter Beachtung der zuletzt genannten Bedingung nur realisierbar, wenn das Magnetmaterial mit hoher innerer Energie und gerader B(H)-Kennlinie im zweiten Quadranten nach Fig. 3 in einer sehr dünnen Schicht angewendet wird. Um dennoch hohe Flußdichten im Luftspalt erzeugen zu können, wird das Prinzip der Flußdichtekonzentration mit Hilfe der Sammleranordnung eingesetzt. Das Verhältnis von Magnetquerschnitt zu Polquer­ schnitt ist dabei möglichst groß (größer als 2) zu wählen. Um z.B. den Übergang von einem Magnetisierungszustand hoher Feld­ dichte in einen solchen niedriger Felddichte durchzuführen, ist ein Wechsel von einer höheren Zustandsgeraden a innerhalb der Hystereseschleife auf eine niedrigere Zustandsgerade g,g _o zu vollziehen. Dieser Übergang setzt nach Fig. 1 eine stärkere Krümmung des Hystereserandbereichs im zweiten Quadranten voraus. In dieser Darstellung ist der Einfachheit halber ein geknickter Linienzug als Berandung zugrunde gelegt. Es wird davon ausge­ gangen, daß zusätzlich zu dem erwähnten harten Magnetmaterial II nach Fig. 3 mit gerader Kennlinie ein Magnetmaterial I nach Fig. 2 verwendet wird, dessen Kennlinie im zweiten Quadranten einen Knick aufweist. Bei der Magnetanordnung nach Fig. 4 ist jeweils der Permanentmagnet symmetrisch aus Schichten von Magnetmaterial I und II aufgebaut, wobei die Schicht aus hartem Magnetmaterial II beidseitig von Schichten aus Magnetmaterial I mit geknickter Kennlinie I bedeckt ist.

Mit dieser Materialkombination kann die in Fig. 1 dargestellte resultierende Hysteresekurve verwirklicht werden. Die erziel­ bare Flußdichte B im Magnetbereich der Reihenschaltung von Magnet I und II ergibt sich abhängig von der Wahl der B(H)- Kennlinien und der gewählten Dicke der Magnetschichten. Berücksichtigt man die Vorgeschichte der Magnetisierung und den magnetischen Widerstand von Luftspalt und Ankeranordnung, so ergeben sich unterschiedliche Betriebspunkte. Herausgehoben sind die Schnittpunkte 0 und 0′ mit der strichpunktiert ange­ deuteten Geraden R _M für den Verlauf des magnetischen Wider­ standes in der Luft. Die Punkte 0 und 0′ stellen die normalen Betriebspunkte dar. Die entsprechenden B-Werte (B _o , B _min) sind ohne gleichzeitige zusätzliche Erregung durch Ankerströme erzielbar. Sie entsprechen offensichtlich einer unterschied­ lich großen Felddichte im Luftspalt und können allein zur Erregung der elektrischen Maschine (ohne zusätzliche Erreger­ komponenten der Ankerströme) herangezogen werden.

Um einen Übergang von einem zum anderen Felddichtewert zu erreichen, ist nur eine sehr kurzzeitige Aussteuerung mit Hilfe der Ankerströme notwendig. Hierzu muß ein bestimmter Maximalwert der Durchflutung, mit dem örtlichen Zentrum der Magnetmitte, aufgebracht werden. Beim Übergang von Betriebs­ punkt 0 auf 0′ ist dieser Durchflutungswert im entmagneti­ sierenden Sinne anzuwenden. Wird hingegen ein Übergang von Punkt 0′ auf 0 angestrebt, so ist der Durchflutungswert im magnetisierenden Sinne (Pfeilrichtung) aufzubringen. Die Magnetisierungsdurchflutung der Ankerwicklung kann entsprechend Fig. 4 durch mehrere Wicklungsstränge (z.B. drei von insgesamt sieben) aufgebracht werden. Ihr Zentrum liegt in Magnetmitte. Bei laufendem Rotor wird die Erregerdurchflutung über die wechselrichtergespeisten Ankerspulen weitergeschaltet. Auch bei Anwendung von einigen nebeneinanderliegenden Ankerspulen ergibt sich noch eine hinreichend gleichmäßige Feldverteilung im Bereich der Permanentmagnete. Der übrige Aufbau der Erreger­ pole entspricht der aus der DE-PS 34 01 163 bekannten Anordnung. Hierbei ist ein schichtartiger Aufbau des magnetisch leit­ fähigen Bereichs E mit magnetisch nicht leitfähigen Zwischen­ bereichen Z vorgesehen für den lamellierten Sammler.

Werden kleinere Magnetisierungsdurchflutungen als der oben erwähnte Durchflutungsmaximalwert angewendet, stellen sich auf der Arbeitsgeraden a in Fig. 1 Zwischenwerte der Induktion B (z.B. der Wert B _max entsprechend Punkt 1) ein.

Wird die Richtung der Durchflutung umgekehrt, tritt eine Verringerung von B auf; die Werte liegen links von Punkt 0 zunächst auf der Geraden a und bei weiterer Stromerhöhung auf der stark abfallenden Geraden b. Der Punkt 2′ entspricht der entmagnetisierend wirkenden Durchflutung R _fmax . Wird von diesem Zustand aus die Durchflutung wieder auf 0 geändert, so bewegt sich der Magnetisierungszustand auf der Geraden a in Richtung Punkt 0′. Ein direkter Weg zu Punkt 0′ ist gegeben, wenn die negative Durchflutung nicht ganz bis auf den Betrag R _fmax gesteigert, sondern nur bis auf einen etwas kleineren Wert R _f (Punkt 2′′) gesteigert wird (Arbeitsgerade g _o ). Der Übergang von 0′ auf 0 erfolgt nach einer positiven Aussteuerung der Erregerdurchflutung und führt über den Punkt 2 höchstmög­ licher Felddichte. So kann z.B. der für einen gewissen Zeit­ anteil auftretende Betrieb mit maximaler Flußdichte B _max im Luftspalt durch Anwendung von elektrischer Zusatzerregung entsprechend Punkt 1 vorgesehen werden. Die dabei erforderliche elektrische Durchflutung R _f ist kleiner als der für den Über­ gang erforderliche Maximalwert R _fmax . Dies kann z.B. durch Anwendung von zwei statt drei magnetisierend wirkenden und nennstromführenden Ankerspulen bewirkt werden. Bei einem Fahr­ zeugmotor würde dieser Betriebspunkt dem Anfahrvorgang mit größtem Drehmoment entsprechen. Für hohe Betriebsgeschwindig­ keit des Fahrzeugs wird die kleine Flußdichte B _o entsprechend Punkt 0 eingestellt.

Dieser Feldschwächebetrieb ist auch dann von Interesse, wenn ein Antrieb bei Teillast zur Reduktion der Eisenverluste mit reduzierter Felddichte betrieben werden soll und eine mit der Drehzahl fallende Momentenkennlinie gegeben ist.

Claims (3)

1. Feldstellung für eine elektrische Maschine mit Permanent­ magneten in den in Sammlerform ausgeführten Polen eines beweglichen Erregerteils und einer wechselrichtergespeisten mehrsträngigen Ankerwicklung im luftspaltbeabstandeten Stator, dadurch gekennzeichnet, daß aus Magnetmaterial (I, II) unterschiedlicher B-H-Kennlinie im zweiten und dritten Quadranten geschichtete Permanentmagnete mit stark gekrümmter schmaler Hysterseschleife vorgesehen sind und die den Polmitten jeweils zentral zugeordneten Ankerspulen kurzzeitig im Sinne einer gewünschten Änderung der Felddichte der Permanentmagneten durchflutet werden, wobei die Reihen­ schaltung der einzelnen Schichten der Permanentmagnete durch einem in der Pollücke zwischen benachbarten Polen wirksamen Stromimpuls der betreffenden Teile der Ankerwicklungen je nach der Durchflutungsrichtung in auferregendem oder entregendem Sinne gesteuert wird.

2. Feldstellung nach Anspruch 1 mit Polanordnungen nach dem Sammlerprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zum aktiven Luftspalt gerichteten Permanentmagnete aus einer harten mittleren Magnetschicht und diese beidseitig bedeckenden weicheren Magnetschichten zusammengesetzt sind und von einem Teil der erregerfeldändernd betriebenen Ankerspulen in ihrer Felddichte beeinflußt werden.

3. Feldstellung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an Stelle der kurzzeitigen Erregung eine dauernde Durchflutung im Sinne einer gewünschten Erhöhung der Felddichte der Permanentmagneten zur Erzeugung relativ großer Drehmomente vorgesehen ist.