DE3827450A1 - Schwingungsarme ausfuehrung von transversalflussmaschinen - Google Patents

Description

Aufgabenstellung

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.

Kurzfassung der Zielsetzung

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.

Beschreibung

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.

Schwingungsarme Ausführung bei zweisträngiger Anordnung

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.

Normalkraftschwankungen und Strangzahlen größer als zwei

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.