DE3827450A1 - Schwingungsarme ausfuehrung von transversalflussmaschinen - Google Patents
Schwingungsarme ausfuehrung von transversalflussmaschinenInfo
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Description
Transversalflußmaschinen mit ringförmigen Wicklungen und
einer hohen Zahl permanenterregter Pole lassen bei kleinen
Wicklungsverlusten hohe Kräfte je Volumeneinheit zu und
erlauben vergleichsweise hohe Leistungsdichten. Die Anker
anordnung wird bevorzugt doppelseitig, d.h. mit innen- und
außenliegenden Einheiten des Stators ausgeführt. Hierdurch
ergibt sich gegenüber der einseitigen Ausführung normaler
Maschinen zusätzlich eine Verdoppelung der Leistung, ohne
daß die Magnetanordnung mit größerer Masse ausgeführt
werden müßte. Die hier beschriebenen Vorschläge haben zum
Ziel, die Zuordnung und Ausführung der Elemente der
Maschine so zu gestalten, daß ein weitgehend schwingungs
armer Betrieb erreicht wird. Hierbei ist sowohl an die
Minimierung der Momentenschwankungen als auch die Begren
zung der Normalkraftanregung sowie deren Übertragung auf
Gehäuse und Fundament gedacht. Maschinenschwingungen auf
grund elektromagnetischer Anregungen werden als Körper
schall bzw. als Luftschall emittiert. Ihre Vermeidung ist
für die möglichst vielseitige Anwendung der Maschinen
höchster Leistungsdichte von Bedeutung. Es kann davon aus
gegangen werden, daß bei Maschinen kleinen Volumens auf
grund der Abstrahlungsbedingungen für den Luftschall zu
dessen Unterdrückung weniger Vorkehrungen getroffen werden
müssen als im Falle großvolumiger Maschineneinheiten.
Unter Beibehaltung der für die Transversalflußmaschinen
bekannten charakteristischen Formmerkmale der Stator- und
Rotorelemente entsprechend P 37 05 059.3 werden Maßnahmen
beschrieben, die zu einem Minimum an Schwingungsanregung
für den Rotor und die Statorstruktur führen. Der Aufbau des
Rotors und die Anordnung der Statorelemente im Gehäuse
ergeben eine minimale Schwingungsabstrahlung und eine ge
ringe Körperschallübertragung.
Zur Darlegung der erfindungsgemäßen Vorschläge sind
folgende Bilder vorgesehen:
Fig. 1 Schnittdarstellung der oberen Hälfte einer Trans
versalflußmaschine in zwei alternativen Aus
führungen der Gehäuseschalen.
Fig. 2 Verbindungsteil zwischen Gehäuse und Fundament.
Fig. 3 Teil einer Schnittdarstellung der Transversal
flußmaschine mit elektromagnetisch wirksamen
Rippen.
Fig. 4 Teildarstellung der elektromagnetischen Rippen
quer zur Maschinenachse.
Fig. 5 Schematische Schnittdarstellung einer zweisträn
gigen Transversalflußmaschine.
Fig. 6 Schematische Schnittdarstellung einer dreisträn
gigen Transversalflußmaschine.
Fig. 7 Schematische Schnittdarstellung einer viersträn
gigen Transversalflußmaschine.
Fig. 8 Schnittdarstellung einer viersträngigen Transver
salflußmaschine mit Außengehäuse.
Fig. 8a Gehäuseausführung zur Anordnung der Leistungs
elektronik am Maschinenaußenumfang.
Fig. 1 stellt den Schnitt durch eine Transversalfluß
maschine mit vier Statoreinheiten in doppelseitiger Anord
nung und einen Rotor mit Permanenterregung dar. Die
Maschine kann, z.B. als Antriebsmotor oder als Generator
mittlerer Leistung, in der beschriebenen Weise schwingungs
arm gestaltet werden. Hierzu erscheint es, wie bereits in
der Anmeldung P 37 05 089.3 beschrieben, günstig, die
beiden Halbseiten der Maschine als zwei um 90° el zeitlich
bzw. um eine halbe Polteilung räumlich versetzte Systeme
(Wicklungsstränge) zu betreiben.
In Fig. 1 bedeuten:
W, die Welle,
Ll, Lager linke Seite,
Lr, Lager rechte Seite,
R, Rotor bestehend aus einer Mittelscheibe und zwei zylinderförmigen seitlichen Ansätzen,
Pl 1, Pl 2, zwei Reihen von Permanentmagneten auf der linken Rotorseite mit unterschiedlicher Polarität,
Pr 1, Pr 2, zwei Reihen von Permantentmagneten auf der rechten Rotorseite mit unterschiedlicher Polarität,
Wla, Wli, äußere und innere Wicklung der linken Seite,
Ela, Eli, äußere und innere Ankerelemente der linken Seite,
Wra, Wri, äußere und innere Wicklung der rechten Seite,
Era, Eri, äußere und innere Ankerelemente der rechten Seite,
Gl, Gr, Gehäuseschalen linke bzw. rechte Seite.
Ll, Lager linke Seite,
Lr, Lager rechte Seite,
R, Rotor bestehend aus einer Mittelscheibe und zwei zylinderförmigen seitlichen Ansätzen,
Pl 1, Pl 2, zwei Reihen von Permanentmagneten auf der linken Rotorseite mit unterschiedlicher Polarität,
Pr 1, Pr 2, zwei Reihen von Permantentmagneten auf der rechten Rotorseite mit unterschiedlicher Polarität,
Wla, Wli, äußere und innere Wicklung der linken Seite,
Ela, Eli, äußere und innere Ankerelemente der linken Seite,
Wra, Wri, äußere und innere Wicklung der rechten Seite,
Era, Eri, äußere und innere Ankerelemente der rechten Seite,
Gl, Gr, Gehäuseschalen linke bzw. rechte Seite.
Durch die doppelseitige Anordnung der Statoreinheiten ist
davon auszugehen, daß die magnetisch erzeugten Restkräfte,
die als radialer Zug auf den Rotor wirken, sich im Verlauf
von zwei Polteilungen praktisch vollständig ausgleichen und
somit in ihrer Wirkung insgesamt verschwindend klein sind.
Durch die Verschiebung der linken und rechten Wicklungs
stränge um die Hälfte einer Polteilung (90° el) wird die
sonst zu erwartende Schwankung von Umfangskraft bzw. Dreh
moment stark reduziert. Dies betrifft den Schwankungsanteil
der durch die Änderung der magnetischen Energiedichte des
Leerlauffeldes (als Reluktanzanteil) auftritt und den als
Folge des Laststroms auftretenden Einfluß. Letzterer führt
bei rechteckförmigem Strom zu einer Verformung des
stellungsabhängigen Kraftverlaufs (gegenüber dem Rechteck)
und bedingt ebenfalls eine periodische Schwankung. Diese
folgt hauptsächlich der doppelten Polfrequenz. Ihr über
lagert sind mit abnehmender Amplitude auch Schwankungsan
teile höherer Ordnungszahl. Um die periodischen Anteile im
Kraftverlauf zu minimieren wird eine Polverstimmung
zwischen Stator- und Rotor durchgeführt. Im vorliegenden
Fall bietet sich hierzu z.B. eine in 4 Gruppen erfolgte
Verschiebung der Statorelemente um ± τ/4 gegenüber der
idealen äquidistanten Polanordnung des Rotors an. Es
gelingt hierdurch bei einem um 90° el versetzten Maschinen
paar den Reluktanzanteil praktisch vollständig zu eliminie
ren, ohne daß unerwünschte Nebeneffekte entstehen. Der Ein
fluß auf die Momentengröße liegt unter 10%.
Weitere Maßnahmen zur Verkleinerung der Momentenschwankun
gen bei zweisträngig ausgeführter Wicklung müssen offenbar
dem Ziel dienen, eine möglichst rechteckförmige Verteilung
der Kraft zu erreichen. Es ist somit ein Stromverlauf anzu
streben der mit raschem Anstieg seinen Höchstwert
(schneller als die Luftspaltinduktion) erreicht und im
Mittelbereich auf einen kleineren Wert zurückgeführt wird.
Dies setzt im allgemeinen Fall des Motorbetriebs eine aus
reichend dimensionierte Wechselrichtereinheit und eine hin
reichend hohe Spannung voraus. Besondere Maßnahmen zur
Erzielung eines kleinen Kommutierungsintervalls bei gegebe
ner Zwischenkreisspannung, wie in P 36 12 343.9 beschrie
ben, sind dabei sehr zweckmäßig.
Weitere Möglichkeiten zur Verkleinerung der Momentenpul
sationen sind bei Maschinen mit einer größeren Strangzahl
des Stators gegeben und werden an den Beispielen von Bild 5
bis 8 beschrieben.
Daß die auf den Rotorkörper wirkenden Normalkräfte durch
die doppelseitige Anordnung sich auf engem Raum praktisch
zu Null ergänzen, wurde bereits erwähnt. Für die
Statorstruktur tritt resultierend ebenfalls die verschwin
dend kleine Differenzkraft zweier entgegengesetzter, gleich
großer Komponenten auf. Allerdings werden die zylindrischen
Innen- und Außenteile des Statorkörpers für sich von den
Magnetkräften angezogen. Der Wert dieser Zugkräfte unter
liegt den erwähnten Schwankungen, die hauptsächlich der
doppelten Polwechselfrequenz entsprechen und auch Vielfache
davon beinhalten. Wenn die hierdurch bewirkten Verformungen
aufgrund des elastischen Verhaltens der Stator-Gehäuse
struktur ein bestimmtes Maß überschreiten, treten uner
wünschte Körper- bzw. Luftschallerscheinungen auf. Von
Bedeutung hierfür ist die Begrenzung der Schwingungsampli
tude durch Vermeidung von Resonanzerscheinungen, also der
Übereinstimmung von Anregungs- und Eigenfrequenz für die
schwingungsfähige Struktur. Darüber hinaus ist zur Begren
zung der Schwingungsamplituden eine ausreichende Steifig
keit gegenüber den verformenden Kraftkomponenten anzustre
ben. Letzteres ist im allgemeinen gleichbedeutend mit der
Verschiebung der Eigenfrequenzen zu hohen Werten, so daß
sie möglichst außerhalb des Anregungsbereichs liegen.
Es ist weiter von Bedeutung, daß die schwingungstechnisch
verfolgte Zielsetzung im Einklang mit den elektromagne
tischen Bedingungen für die Energieumwandlung ist und mit
den Fragen einer geeigneten Herstellung sowie den Möglich
keiten einer ausreichenden Wärmeabfuhr harmoniert.
Fig. 1 sieht eine besondere Formgebung der Stator-Gehäuse
struktur im Hinblick auf diese Zielsetzung vor. So ist z.B.
die rechte Gehäuseschale Gr aus nichtmagnetischem Material
gefertigt und sieht zur Aufnahme und Distanzierung der
Statorelemente Eri und Era rippenförmige Ansätze vor, die
dem Abstand zwischen den Weicheisenelementen entsprechen
und diesen in der radialen Höhe weitgehend ausfüllen. Sie
sind mit Pa und Pi in Fig. 1 gekennzeichnet. Durch sie wird
eine sichere Befestigung der Ankerelemente, z.B. durch eine
Klebeverbindung, ermöglicht. Die Gehäuseschale Gr läßt
sich, z.B. durch gießtechnische Gestaltung, formgenau mit
geringstem Bearbeitungsaufwand herstellen. Der innere
Zylinderansatz mit dem die der halben Polzahl entsprechende
Rippenausbildung Pi verbunden ist, bildet für sich ein
schwingungssteifes Teilelement des Gehäuses. Ähnlich ist
auch der äußere zylinderförmige Gehäuseteil mit seinen
Rippenansätzen Pa biegesteif mit dem scheibenförmigen
Gehäuseteil (vertikal gezeichnet) verbunden. Neben der
Wandstärke der zylindrischen Gehäuseteile spielt für die
Steifigkeit die Höhe der Rippenansätze eine wichtige Rolle.
Durch sie kann die Eigenfrequenz des Gehäuses gegenüber den
anregenden Radialkraftkomponenten beträchtlich erhöht
werden. Weiterhin trägt die durch die Spannverbindung
erzeugte Verkoppelung der linken und rechten Gehäuseschale
(z.B. durch Schrauben; nicht gezeichnet) zur Versteifung
des Gehäuses bei. Als Anhalt für die quantitativen Zu
sammenhänge zwischen Schwingungsamplitude und Kraft lassen
sich die bei ebenen Platten entstehenden Relationen heran
ziehen. Hierbei ist die Amplitude umgekehrt proportional
der zur dritten Potenz erhobenen Plattendicke. Die Wirkung
von Rippen kann ähnlich erfaßt werden.
Sofern bei der Gehäuseausbildung der durch die Masse der
Wandstärke bedingte Anteil zu groß empfunden wird, läßt
sich alternativ eine Ausführung mit Anwendungen auch von
außen aufgesetzten Rippen angeben - siehe Fig. 1, linke
Seite, Gehäuseschale Gl. Die versteifende Wirkung dieser
zusätzlichen Rippen, in Kombination mit einem Gehäuse
kleinerer Wandstärke, führt zu einer ähnlichen Gesamt
wirkung wie das Gehäuse dicker Wandstärke rechts (Gr). Sie
läßt i.a. wegen der reduzierten Gehäusemasse noch etwas
höhere Eigenfrequenzen erreichen.
Die Übertragung von Körperschallanregungen von der Maschine
auf die umgebenden Teile ist, wegen der Gefahr des Mit
schwingens dieser Komponenten, im allgemeinen ebenfalls zu
bedenken. Es kann sinnvoll und zweckmäßig sein, eine
Schwingungsisolation dadurch herbeizuführen, daß die noch
verbleibenden Restanregungen, die auf die Gehäusestruktur
wirken, dadurch ausgeschaltet werden, daß eine besondere
Art der Kraftübertragung zum Fundament und damit der Umge
bung vorgenommen wird. Normalerweise werden elektrische
Maschinen mit einem an das Gehäuse angegossenen Fuß oder
Flansch ausgestattet. In Fig. 2 ist ein Geräteteil F skiz
ziert, das die Dreh- und Massenkräfte des Gehäuses
beispielsweise an drei Stellen aufnimmt. Die hierfür vorge
sehenen Verbindungsbolzen B 1, B 2, B 3 (nur B 1 ist gezeich
net) sind um 120° am Gehäuseumfang versetzt. An der Ge
häusewand sind sie so angebracht, daß sie praktisch keine
Auslenkung durch die magnetische Anregung als Folge der
Radialkraftschwingungen erfahren. Dies wird daraus ersicht
lich, daß die Kräfte von innen- und außenliegenden Statoren
sich gegenseitig aufheben, woraus sich ergiebt, daß etwa
die Mitte der scheibenförmigen Gehäuseteile (mittlerer
Rotordurchmesser) in Ruhe verharrt. Nur die zylinderförmi
gen Anteile und die gegenüber der Mitte außen- bzw. innen
liegenden Anteile des Gehäuses schwingen im Gegentakt
radial. Eine Kraftübertragung die also in der Mitte der
beiden Zylinderansätze vorgenommen wird, bewirkt demnach
ein Minimum an Schwingungsübertragung auf die Umgebung der
Maschine. Hierdurch kann die Körperschallanregung auf das
Fundament weitgehend unterdrückt werden. Um die gegebenen
falls dennoch vorhandenen, durch Unsymmetrien im Aufbau der
Maschine bedingten Restanregungen noch weiter zu isolieren,
erscheint es zweckmäßig, die Befestigungen in den Bohrungen
B 1′ bis B 3′ über Buchsen vorzunehmen, deren Material durch
nichtlineare elastische Kennlinien gekennzeichnet ist. Die
hier beispielhaft beschriebene Ankopplung kann sinngemäß
modifiziert werden; die schwingneutrale Zone kann sich
durch geometrische Einflüsse geringfügig verschieben.
Die anhand von Fig. 1 beschriebene Ausführung der innenge
rippten Gehäuseschale diente dem Ziel der Versteifung und
der Erhöhung der Eigenfrequenz. Die Rippenausführung aus
nichtmagnetischem aber elektrisch gut leitendem Material,
wie z.B. Aluminium und eine besondere Formgebung der
Rippen, wie sie etwa durch Fig. 3 und Fig. 4 beschrieben
ist, kann weiter dem Ziel dienen, die anregenden Kraft
schwankungen zu verringern. Gleichzeitig gelingt es, den
Nutzkraftanteil für gegebenen Ankerstrom zu vergrößern und
die Induktivität der Ankerwicklung zu verringern.
Wie in der Abhandlung AfE 71 (1988) S. 187-198 ausgeführt
wird, ist der bei Transversalflußmaschinen gegebene Kraft
bildungsvorgang durch Heranziehung der Zusammenhänge
zwischen magnetischer Energie und den Flußdichtekomponenten
beschreibbar. Die dort gefundenen Relationen zeigen, daß
der Höchstwert der Umfangskraft mit einer Feldausbildung
erreicht wird, die in Umfangsrichtung unter dem Ankerele
ment eine Rechteckform aufweist. D.h., die außerhalb der
Polelemente verlaufenden radialen Feldkomponenten bewirken
eine Verkleinerung der erzielbaren Umfangskraft. Für den
Idealfall der im Zwischenraum fehlenden Magnetfeldkomponen
ten und für rechteckförmigen Stromverlauf ergibt sich neben
dem Höchstwert der Kraft auch weitgehend der erwünschte
rechteckförmige Verlauf ohne Schwankungsanteile. Dabei
zeigt sich, unter diesen idealisierten Bedingungen, daß das
Ankerzwischenfeld auf die Normalkraftschwankungen nur einen
geringen Einfluß hat.
Die Zielsetzung günstiger Energieumwandlung in Kombination
mit geringster Schwingungsanregung kann offensichtlich
durch möglichst weitgehende Verwirklichung eines idealen
Feldverlaufs ohne radiale Feldkomponenten im Bereich
zwischen den Ankerelementen angenähert werden. Der feldlose
Zwischenraum ist verständlicherweise nicht voll realisier
bar. Die Raumeigenschaft, die mit Permeabilität Null
gekennzeichnet werden kann, läßt sich unter heute gegebenen
technischen Bedingungen prinzipiell durch Supraleiter ver
wirklichen. Allerdings ist mit der hier vorliegenden geome
trischen Bedingung kleiner Abmessungen (der Zwischenräume)
eine entsprechende Supraleiter-Anwendung nicht denkbar. Es
müßte davon ausgegangen werden, daß Supraleiter als Schirme
zur Anwendung im Zentimeterbereich ohne die Maßnahmen einer
besonderen Kühltechnologie zur Verfügung stehen.
Eine weniger anspruchsvolle, schließlich aber auch nicht
perfekt wirkende Methode besteht darin, die Feldkomponenten
des Zwischenraums bei endlicher Frequenz durch Anwendung
elektrisch leitfähigen Materials abzudämpfen. Hierzu lassen
sich die bereits beschriebenen Rippen, z.B. aus Aluminium,
anwenden, wenn sie nahe an den Läufer herangeführt werden.
Um das Ziel ausreichender Feldabdämpfung zu erreichen, sind
insbesondere die aus dem Bereich der Ankerelement-Kopf
region seitlich (in Umfangsrichtung) austretenden Feld
komponenten zu erfassen. In direkter Nachbarschaft zum
Ankerelement ist die Aluminiumrippe deshalb weitgehend an
den Luftspalt heranzuführen. Da der Abdämpfungsvorgang
elektrodynamischer Art ist, bedarf es einer bestimmten
minimalen Betriebsfrequenz der Maschine um genügend kleine
Feldstärken zu erreichen. Letzteres ist allerdings bereits
weit unterhalb des Maximalwerts der Betriebsfrequenz
gegeben.
Fig. 3 und 4 stellen Maschinenquerschnitte mit elektro
magnetisch wirksamen Innenrippen des Gehäuses dar. Sie sind
auf beiden Seiten der Ankerwicklung durch getrennte
Ringstrukturen ausgeführt und zeichnen sich durch engen
Abstand gegenüber dem Läufer aus. Die versteifende Wirkung
des Gehäuses durch Innenrippen ist jeweils durch eine Halb
seite der von der Rotormitte weiter entfernten Statoren
gegeben. Aus der Darstellung Fig. 3 wird weiter deutlich,
daß durch flüssigkeitsführende Kanäle K a , außen und K 1,
innen eine wirksame Wärmeabfuhr von den aktiven Teilen Era
und Eri bewirkt wird. Die Innenrippen verbessern ersicht
lich die Wärmeleitung zu den Kühlkanälen.
Fig. 4 zeigt die Rippenausführung in der Ebene quer zur
Welle in einem Ausschnitt.
Da die Kraft-Stromrelation der Maschine durch die
Dämpfungsmaßnahme günstiger wird, ist die Entstehung der
zusätzlichen Wirbelstromverluste in den elektrisch leit
fähigen Rippen des Stators akzeptabel. Die diesen Verlusten
entsprechende elektrische Leistung wird im Motorbetrieb
über den Wechselrichter zugeführt. Es wirkt sich dabei
günstig aus, daß der Abdämpfung des Anker-Zwischenfeldes
bei gleichem Strom auch eine kleinere magnetische Energie
des Ankerfeldes und somit eine kleinere Ankerinduktivität
entspricht. Hierdurch entsteht eine günstigere Voraus
setzung für die Stromwendung. Diese kann innerhalb kürzerer
Zeit durchgeführt werden. Mit gleicher angelegter Spannung
erfolgt damit eine insgesamt günstigere Energieumsetzung.
Es läßt sich darüber hinaus mehr Einfluß auf die Stromform,
mit dem Ziel eines weitgehend rechteckförmigen schwankungs
armen Kraftverlaufs nehmen.
Die von den aktiven Statorelementen Era, Ela auf das äußere
Gehäuse übertragenen Normalkräfte rufen dort Auslenkungen
hervor, die, wie erwähnt, möglichst gering sein sollen. Die
Kombination von aktiven Statorelementen mehrerer Teil
maschinen mit elektrisch unterschiedlicher Phasenlage und
geometrisch versetzter Position in einem gemeinsamen
Gehäuse verringert die resultierenden Auslenkungen erheb
lich. Auch die Restschwankungen des Drehmoments an der
Welle nehmen mit zunehmender Ankerstrangzahl ab.
Bereits die Unterbringung von zwei um 90° el versetzten
Ankersystemen, wie sie schematisch in Fig. 5 skizziert ist,
verringert die Normalkraftamplitude auf etwa 20%. Weitere
Reduzierungen ergeben sich bei der Strangzahl m= 3, Fig. 6
bei der zwei Teilrotoren gezeichnet sind. Sie sind erfor
derlich; wenn die beiden außen- und innenliegenden Stator
teile jeweils in einem eigenständigen und steifen Zwischen
gehäuse, analog zu Fig. 1, angeordnet werden sollen.
Eine weitere interne Kompensation der anregenden Kraft
komponenten erfährt eine Anordnung nach Fig. 7, bei der 4
Stränge und zwei Teilrotoren symmetrischer Art gegeben
sind. Durch die Steigerung der Strangzahl auf noch höhere
Werte kommt eine zusätzliche Glättung des Anregungsspek
trums zustande. Neben diesen Konstruktionsverfeinerungen
lassen sich erfolgreich Glättungsmaßnahmen der Normalkraft
schwankungen für die einzelne Teilmaschine angeben. Ähnlich
wie für die Tangentialkraft gilt bei der Normalkraft, daß
ein Teil der Schwankung durch die Permanentmagnete, ein
anderer Teil durch den Ankerstrom bedingt ist. Wie die
Zusammenhänge der Kraft mit den Magnetfeldkomponenten
erkennen läßt, kann i.a. für jede Stellung der Erreger
magnete gegenüber dem Anker ein Strom angegeben werden, der
bei einer bestimmten mittleren Antriebskraft die Normal
kraftschwankung Null ergibt. Der Kompensationsstrom besitzt
erwartungsgemäß einen periodischen Anteil der i.a. gegen
über der Mitte der tangentialkraftbildenden Stromhalbwelle
verschoben ist. Im Motorbetrieb führt die Berücksichtigung
dieses Kompensationsstroms zu einer verfrüht durchgeführten
Kommutierung.
Der Ausgleichstrom ist so zu gestalten, daß die stellungs
bzw. lastbedingten Feldschwankungen im Luftspalt der Anker
elemente verschwinden.
Dort, wo aufgrund der Magnetstellung das mittlere
Induktionsquadrat (Normalkraft) unter dem Ankerelement
absinkt, wird durch zusätzliche Ankerstromerregung die
Luftspaltinduktion so erhöht, daß die resultierende Normal
kraft gleich groß ist wie im Falle der für die Normalkraft
günstigsten Stellung.
Die für die Normalkraftglättung günstigste Stromform läßt
sich für eine Transversalflußmaschine mit bekanntem magne
tischen Kreis abhängig vom mittleren Drehmoment berechnen.
Sie kann damit in Speicherelementen (z.B. E-Proms) abgelegt
und für den Betrieb der Maschine am Wechselrichter Verwen
dung finden. Mit Hilfe eines Stromregelkreises lassen sich
lastabhängig die Stromformen so vorgeben, daß die Maschine
minimale Schwingungsanregungen infolge von Normalkraft
schwankungen erzeugt. Es leuchtet ein, daß die erforder
lichen Kompensationsströme umso kleiner sind, je weit
reichender der interne Ausgleich durch mehrsträngige
Systeme innerhalb des gemeinsamen Gehäuses ist.
Die Eingriffe in den für maximale Umfangskraft günstigsten
Stromverlauf sind bei einem einsträngigen Motor sehr groß
und mindern dort die abgebbare Leistung; sie sind bei zwei
und mehrsträngigen Anordnungen jedoch ohne Schwierigkeit
machbar. Sie lassen sich besonders auch bei Teillast sehr
günstig anwenden.
Die lastabhängige Kompensation der Normalkraftschwankungen
erfordert i.a. eine im Vergleich zur Momentenglättung geän
derte Stromform. Vielsträngige Maschinenkonzepte bedürfen
im Hinblick auf die resultierenden Tangentialkraftschwan
kungen kaum der zusätzlichen Maßnahme einer Stromregelung
Es kann damit zur Geräusch- und Körperschallreduktion der
optimale Strom mit Kompensationskomponente zugeführt
werden. Ähnliches gilt auch für Antriebsaggregate niedriger
Strangzahl deren Wellenstrang rotatorisch keine Eigen
frequenzen im Hinblick auf die Restschwankungen des Drehmo
ments aufweist.
Die Einsatzbedingungen für die Maschinen großer Leistungen
verlangen häufig besonders weitgehende Vorkehrungen gegen
über Schwingungsanregung und Schwingungsübertragung. Es
erscheint somit zweckmäßig, die oben beschriebenen Maß
nahmen, die zu geringen Schwingungsanregungen und zur
Unterdrückung der Schwingungen außerhalb der Maschine
führen, in sinnvoller Weise zu vereinigen. Weitgehender
interner Ausgleich durch sich gegenseitig aufhebende Anre
gungskomponenten, kann wie erwähnt, durch Mehrfachanordnung
von Statoreinheiten in enger Nachbarschaft und gleichzeiti
ger Phasenverschiebung erzielt werden. Hierbei heben sich
in der Summe, die auf die gemeinsamen Gehäuseelemente
wirkenden Schwankungsanteile weitgehend auf.
Fig. 8 zeigt eine Anordnung bei der linke und rechte Seite
des einteiligen Rotors mit je einem zweisträngigen um
90° el phasenversetzten System El und Er ausgestattet sind.
Die beiden Teilsysteme werden ihrerseits um 45° el gegen
einander versetzt angeordnet und betrieben. Es entsteht
hierdurch eine Art viersträngige Maschine mit zwei (zwei
seitigen) Doppelstatoren. Dem Grundsatz einer mehr
schwingungssteifen Aufnahme für die aktiven Statorelemente
ist wieder dadurch entsprochen, daß außer der notwendigen
Wandstärke für die Zwischengehäuse Gl und Gr eine Innen
rippung vorgesehen ist. Hierbei kann auch die elektro
magnetische Wirkung durch entsprechende Formgebung bzw.
durch Heranführung der Rippen an den Luftspalt mit reali
siert werden. Die Montagefähigkeit wird durch ringförmige
Rippenträger Tal, Til links sowie Tar und Tir rechts
erreicht. Für die Statorelemente der jeweils zur Rotormitte
hin liegenden Wicklung sind eigene Einsätze G′al, G′ar
außen sowie G′il, G′ir innen und T′al, T′ar bzw. T′il, T′ir
vorgesehen.
Es kann somit davon ausgegangen werden, daß für die Teilge
häuse Gl und Gr durch weitgehenden internen Ausgleich
bereits kleinstmögliche Anregungen und kleinere resultie
rende Schwingungsamplituden erzielt werden. Die Ab
strahlungsbedingungen für Luftgeräusche sind bei Strahlern,
deren gegenüberliegende Flächen im Gegentakt schwingen,
deutlich ungünstiger, ihr Geräusch also kleiner, als bei
Strahlern deren Oberfläche im Gleichtakt schwingt. Zusätz
lich kann, wie oben erläutert, ein Kompensationsstrom zur
Aufhebung der nach außen wirksamen Normalkraftschwankungen
mit Hilfe eines Stromregelkreises angewendet werden. Die
Weitergabe der Schwingungen als Körperschall zu unterbinden
ist außerdem durch eine Schwingungsisolation in der Weise
möglich, daß die Übertragung der Kraft auf das Gehäuse mit
Verbindungselementen geschieht, die in einem schwingungs
neutralen Bereich der Zwischengehäuse Gl und Gr angreifen.
Entsprechende Verbindungen Bl 1, Br 1 sind in Fig. 8 gezeich
net. Sie stellen beispielhaft eine Möglichkeit zur Übertra
gung von Tangentialkräften dar. Die vertikalen Massenkräfte
lassen sich, z.B. über eine Verbindung mit dem Gehäusean
satz in Lagernähe übermitteln. Hierdurch wird sowohl die
Körperschallübertragung auf das Fundament wie auch die
Luftschallemission sehr stark beschränkt. Es ist natürlich
möglich, innerhalb des Gehäuses G zusätzlich schall
schluckende Massen auf der Innenseite der Oberfläche aufzu
tragen um hierdurch den Austritt von Schallenergie zusätz
lich zu behindern.
Da Transversalflußmaschinen gegenüber herkömmlichen
elektrischen Maschinen mit vergleichsweise kleinem Volumen
gebaut werden können, ist auch der Gehäusedurchmesser
kleiner ausführbar. Der im Falle des Motors notwendige
Wechselrichter läßt sich zweckmäßig am Außenumfang des
Gehäuses anordnen. Hierfür ist eine Gehäusestruktur
geeignet, die im Längsschnitt kasten- bzw. sektorförmige
Fächer aufweist, in die die einzelnen Wechselrichtermodule
eingebaut werden können, siehe Fig. 8a. Das Gehäuse erfährt
durch die Anbauten, gegenüber der Fig. 8, zusätzlich eine
Versteifung wodurch sich die Geräuschabstrahlung weiter
verringert. Es sind auch in diesen segmentförmigen Gehäuse
bereichen S zur Beschränkung der von Wechselrichterkompo
nenten hervorgerufenen Geräuschanteile Dämmstoffe einsetz
bar. Die leichte Montierbarkeit von Wechselrichter-Teilein
heiten ist dadurch gegeben, daß die Lagerschilde LS und die
Fächerabdeckungen getrennt befestigt werden können.
Die in Fig. 8 skizzierte Maschinenform mit den Zwischenge
häusen Gl und Gr, die an Ansätze des Gehäuses im Lagerbe
reich geführt sind, erlaubt zusätzlich eine axiale Ver
schiebung der Zwischengehäuse. Hierdurch ist eine Einfluß
nahme auf die in den Statorelementen wirksamen Leerlauf
flüsse möglich. Diese können durch geringfügige seitliche
Verschiebung verringert werden. Bei einer Verschiebung um
die Polausdehnung des Ankerelements (axial) ergibt sich der
Leerlauffluß Null. Hierbei wird auch die auftretende Axial
kraft verschwindend klein. Bei allen Zwischenstellungen
tritt eine axial wirkende Kraft auf die jeweilige Rotor
bzw. Statorhälfte auf. Bei gleichmäßiger (symmetrischer)
Verschiebung von Gl und Gr hebt mich die Axialkraft in der
Summe auf die Lager auf. Die so beschriebene Anordnung
ermöglicht über die Feldschwächung eine Einflußnahme auf
die Größe der in der Wicklung induzierten Spannung. Dies
kann zur Begrenzung der Wechselrichterleistung dienen. Es
kann aber auch zur Reduktion der Eisenverluste im Teillast
bereich hilfreich sein. Zur Schadensbegrenzung bei Stör
fällen, wie etwa bei einem Wicklungskurzschluß in einer
Statorhälfte, läßt sich durch Ankerverschiebung einer
Maschinenseite und Entregung des Leerlauffeldes der Betrieb
der Maschine mit der nicht gestörten Hälfte weiterführen.
Claims (7)
1. Elektrische Transversalflußmaschinen bestehend aus einem
Rotor mit in mehreren Reihen angeordneten Permanent
magneten unterschiedlicher Polarität und dazwischen
liegenden Weicheisenblöcken sowie Konstruktionsmaterial
in ringförmiger Form und einer Statoranordnung die aus
in bezug zum Rotor innerer und äußerer Ringwicklung
sowie diese U-förmig umschließenden Weicheisenelementen
besteht, die mit ihren freien Schenkeln am Luftspalt zum
Rotor anschließen,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Aufnahme der aktiven Statorelemente Gehäuseteile
Verwendung finden, die aus nichtmagnetischem, elektrisch
leitfähigem Material geformt sind und im Bereich des
seitlichen Rotorendes nach innen gerichtete Rippen auf
weisen, deren Breite der Ausdehnung der Ankerelemente
entspricht und die nahe an den Luftspalt herangezogen
werden.
2. Elektrische Transversalflußmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenrippen des Gehäuses in Gruppen gegenüber
dem gleichmäßig geteilten Rotor um einen festen Betrag
der ein Bruchteil der Polteilung ist, z.B. vier Gruppen
mit einem Versatz von ± t/4, verschoben sind.
3. Elektrische Transversalflußmaschine nach obigen An
sprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ankerwicklung mit Hilfe eines Stromregelkreises
eine solche Stromform führt, daß die Normalkraftanregun
gen auf das Gehäuse kompensiert werden.
4. Elektrische Transversalflußmaschine nach Anspruch 1 und
2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ankerwicklung mit Hilfe eines Stromregelkreises
Stromkomponenten führt, so daß Tangentialkraftschwankun
gen des Rotors unterdrückt werden.
5. Elektrische Transversalflußmaschine nach obigen An
sprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
daß Zwischengehäuse und äußeres Gehäuse an Stellen
gekoppelt werden, die bezüglich der Radialschwingungen
des Zwischengehäuses keine oder nur minimale Amplituden
aufweisen.
6. Elektrische Transversalflußmaschine nach obigen An
sprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
daß elektronische Bauteile zur Leistungsumformung in
segmentförmigen Taschen des Gehäuses außerhalb des
Statordurchmessers angeordnet werden und die Gehäuse
struktur versteift wird.
7. Elektrische Transversalflußmaschine nach obigen An
sprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischengehäuse mit den aktiven Statoreinheiten
seitlich um die axiale Breite eines Stator-Polelements
verschoben werden können.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3827450A DE3827450A1 (de) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | Schwingungsarme ausfuehrung von transversalflussmaschinen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3827450A DE3827450A1 (de) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | Schwingungsarme ausfuehrung von transversalflussmaschinen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3827450A1 true DE3827450A1 (de) | 1990-02-15 |
Family
ID=6360757
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3827450A Withdrawn DE3827450A1 (de) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | Schwingungsarme ausfuehrung von transversalflussmaschinen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3827450A1 (de) |
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