DE3915623C1

DE3915623C1 - Permanent magnet electrical machine - has magnetic flow direction crossing direction of motor movement and permanent magnetic excitation

Info

Publication number: DE3915623C1
Application number: DE3915623A
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof. Dr.-Ing. 3300 Braunschweig De Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1989-05-12
Publication date: 1990-12-20
Anticipated expiration: 2009-05-13

Abstract

The permanent magnet electrical machine has a magnetic circuit provided by the stationary machine part, the latter carrying a winding (Wa) providing symmetrically opposing magnetic poles. The stationary machine part is attached to the machine housing via a series which is perpendicular to the poles. Pref. the stationary machine part supports the permanent magnets, between which soft iron elements (Sa) are fitted, the movable machine part being passive. The magnetisationn conductor sections of the winding pref. extend in the motor movement direction. USE - For vehicle drive motor.

Description

Stand der Technik und ZielsetzungState of the art and objective

Die Erfindung bezieht sich auf eine wechselrichtergespeiste elektrische Maschine mit magnetischer Flußführung quer zur Bewegungsrichtung und mit Permanentmagneterregung, wie sie im einzelnen im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben ist. Elektrische Maschinen mit magnetischer Flußführung quer zur Bewegungsrichtung, sogenannte Transversalflußmaschinen, gehören zu den Sonderbauformen elektrischer Maschinen. Die hierbei vorgesehene Form des magnetischen Kreises gewährt eine vorteilhaft hohe Leistungs- bzw. Kraftdichte. Die Ausführung der Maschine mit Permanenterregung und feststehender Ankerwicklung, also als Synchronmaschine, führt auf eine einfache Gesamtanordnung für rotierende Wandlerversionen. Auch translatorische Maschinenkonzepte lassen sich in entsprechender Bauform ausführen. Wie sich gezeigt hat, ist für die Magnetkreis- Erregung neben der Anwendung von Permanentmagneten in Normalanordnung (mit flußführender Fläche angrenzend an den Luftspalt) die Sammleranordnung (mit flußführender Magnetfläche senkrecht zur Luftspaltebene) besonders effektvoll, vgl. DE-OS 37 05 089, die auch dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegt. Es hat sich gezeigt, daß für Maschinen mittlerer Leistung grundsätzlich die Anordnung mit zweit getrennten Einheiten, die elektrisch ein zweisträngiges Drehstromsystem bilden, eine sehr einfache Maschinenstruktur darstellt. Die Maschine kann symmetrisch zur Rotormitte mit zylindrischen Rotorteilen zur Aufnahme der Permanentmagnete gebaut werden. Innen- und Außenteil des Stators bilden hierbei eine gemeinsame Einheit; die entsprechenden ringförmigen Wicklungen führen phasengleiche Ströme.The invention relates to an inverter-powered electrical machine with magnetic flow across Direction of movement and with permanent magnet excitation, as in individual is specified in the preamble of claim 1. Electrical Machines with magnetic flux guidance transverse to the direction of movement, so-called transverse flux machines belong to the special designs of electrical machines. The one here provided form of the magnetic circuit provides an advantageous high power or power density. The execution of the Machine with permanent excitation and fixed armature winding, So as a synchronous machine, leads to a simple one Overall arrangement for rotating converter versions. Also translational Machine concepts can be correspondingly Execute design. As has been shown, the magnetic circuit Excitation in addition to the use of permanent magnets in Normal arrangement (with the river leading surface adjacent to the Air gap) the collector arrangement (with flux-carrying magnetic surface perpendicular to the air gap plane) particularly effective, see. DE-OS 37 05 089, which is also the preamble of the claim 1 is based. It has been shown that for machines medium Performance basically the arrangement with two separate Units that are electrically a two-phase three-phase system form a very simple machine structure. The machine can be symmetrical to the center of the rotor cylindrical rotor parts to hold the permanent magnets be built. The inner and outer part of the stator form here a common unity; the corresponding annular Windings carry in-phase currents.

An dieser Form ist besonders vorteilhaft, daß durch ein sehr begrenztes Wicklungsvolumen nur geringe Wicklungsverluste entstehen. Die Vorteile hoher Polzahlen werden nicht durch verlustbedingte Nachteile bezahlt, wie dies bei Maschinen mit longitudinalem Magnetkreis der Fall ist. Die Möglichkeiten der Schwingungsunterdrückung beim üblichen longitudinalen Magnetkreis sind begrenzt.This form is particularly advantageous in that a very limited winding volume only small winding losses arise. The advantages of high number of poles are not realized loss-related disadvantages, as with machines longitudinal magnetic circuit is the case. The possibilities the vibration suppression in the usual longitudinal Magnetic circuit are limited.

Schwingungsarme Ausführungen elektrischer Maschinen im Sinne der hier angestrebten Größenordnung sind durch die konventionelle Magnetkreis-Form longitudinaler Art nicht darstellbar. Zylinderförmige Magnetkreis-Anordnungen, wie sie etwa bei normalen Synchronmaschinen herangezogen werden, lassen sich schwingungsarm grundsätzlich nur durch Reduktion der magnetischen Flußdichte ausführen. Berücksichtigung muß hierbei finden, daß die magnetische Flußdichte eine Erregungskomponente für das Leerlauffeld (erzeugt z. B. durch Permanentmagnete) und eine statorstromabhängige Feldkomponente enthält. Die Reduktion beider Komponenten bedingt jedoch eine sehr große, schwere und unwirtschaftliche Maschine, so daß der hier beschriebene Weg bei solchen Maschinen nicht zum Ziele führt. Es ist erfindungsgemäß besonders bei wechselrichtergespeisten elektrischen Maschinen mit einem stark angereicherten Anregungsspektrum für (magnetisch erzeugte) Schwingungen zu rechnen. Besonders bei hochwertigen Antrieben ist aber auch die Reduktion der anregegenden Kraftkomponenten eine Aufgabe mit hohem Stellenwert. Die Verbindung der schwingungsarmen Ausführung mit gleichzeitig angestrebtem geringen Volumen und geringen Verlusten erscheint eine besonders wichtige Aufgabe. Der transversale magnetische Kreis läßt anders als die konventionelle Bauform elektrischer Maschinen mehrere Möglichkeiten der Unterteilung und damit auch der Erzielung einer schwingungsarmen Ausführung zu.Low-vibration versions of electrical machines in the sense The order of magnitude sought here is due to the conventional Magnetic circuit shape of a longitudinal type cannot be represented. Cylindrical magnetic circuit arrangements, such as in normal synchronous machines can be used Low-vibration basically only by reducing the magnetic Execute flux density. Account must be taken of this find that the magnetic flux density is an excitation component for the idle field (generated e.g. by permanent magnets) and contains a stator current dependent field component. However, the reduction of both components requires a lot large, heavy and uneconomical machine, so that the The route described here is not the goal with such machines leads. According to the invention, it is particularly useful for inverter-fed systems electrical machines with a highly enriched Excitation spectrum for (magnetically generated) Vibrations. Especially with high-quality drives is also the reduction of the stimulating force components a task of great importance. The connection of the Low-vibration design with the desired low volume and low losses appears a special important task. The transverse magnetic circuit leaves electrical unlike the conventional design Machines several ways of subdivision and thus also to achieve a low-vibration design.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei der vorstehend genannten elektrischen Maschine, bei Beibehaltung wesentlicher Merkmale wie Verlustarmut bei hohen Polzahlen, hohe Leistung bzw. Kraft je Volumeneinheit, die Laufruhe zu verbessern, d. h., eine Verbesserung hinsichtlich der Schwingungsanregung für die Statorstruktur zu erzielen. The object of the invention is in the aforementioned electrical machine, while maintaining essential features such as low loss with high number of poles, high performance or Force per unit volume to improve smoothness, d. H., an improvement in vibration excitation for to achieve the stator structure.

Lösungsmöglichkeiten durch den transversalen MagnetkreisPossible solutions through the transverse magnetic circuit

Ausgangspunkt für die gewählte Lösung muß sein, daß die Krafteinleitung in das den magnetischen Kreis umgebende Gehäuseteil möglichst generell vermieden wird. Eine weitgehende elektrische Glättungsmaßnahme zur Erzeugung schwankungsarmer Normalkräfte, die radial oder axial in das Gehäuseteil eingeleitet werden, erweist sich aus Gründen der hohen Anforderungen an die Wechselrichterbemessung als kaum durchführbar. Für den Rotor sollte bei hohen Anforderungen ebenfalls angestrebt werden, daß durch symmetrischen Aufbau bzw. eine entsprechende Magnetkreisunterteilung eine Kompensation von Normalkraftkomponenten erzielt wird.The starting point for the chosen solution must be that the Force transmission into the housing part surrounding the magnetic circuit is avoided as generally as possible. An extensive one electrical smoothing measure to produce low-fluctuation Normal forces that are introduced radially or axially into the housing part turns out to be due to the high demands to the inverter design as hardly feasible. For the rotor should also be aimed at with high requirements be that by symmetrical structure or a corresponding Magnetic circuit subdivision compensation of normal force components is achieved.

Wenn auf die elektrische Glättung der Normalkraftanteile verzichtet werden muß, kann mit Hilfe besonderer konstruktiver Maßnahmen für die Magnetkreisgestaltung die Aufgabe gelöst werden. Eine sehr weitgehende Unterdrückung anregender Kraftkomponenten hat zur Folge, daß die Maschinenstruktur zur Erzielung einer besonders hohen Schwingsteifigkeit keine zusätzlichen Maßnahmen verlangt. Das Gehäuse kann verhältnismäßig normal dimensioniert und auch z. B. aus Aluminium, dessen E-Modul vergleichsweise niedrig ist, ausgeführt werden. Auf die Anwendung von versteifenden Rippen kann aus Gründen der Schwingungsunterdrückung verzichtet werden. Der konstruktive Aufwand und entsprechende Massenanteile reduzieren sich hierdurch erheblich.If there is no electrical smoothing of the normal force components can be, with the help of special constructive Measures for magnetic circuit design solved the task will. A very extensive suppression of stimulating power components has the consequence that the machine structure to achieve a particularly high vibration rigidity no additional Action required. The housing can be proportionate normal size and also z. B. made of aluminum, the Modulus of elasticity is comparatively low. The application of stiffening ribs can be for reasons vibration suppression can be dispensed with. The constructive Effort and corresponding mass fractions are reduced this significantly.

Die gestellte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Lösungsmerkmal der symmetrisch einander gegenüberliegenden Polreihen mit fluchtenden Flächennormalen der Schwerpunkte der Pole ist an sich zwar auch bereits z. B. durch die DE-OS 35 36 538 bekannt. Die Erfindung wird hierdurch jedoch nicht berührt, da dort der bewegliche Maschinenteil in einer Ausnehmung des feststehenden Maschinenteils läuft, weshalb der letztere ein hochgradig schwingungsfähiges Gebilde darstellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der geräuscharm konstruierten Maschine ergibt sich durch die Berücksichtigung der Unteransprüche.The task set is due to the characteristic features of claim 1 solved. The solution feature of the symmetrical opposite rows of poles with aligned The normal to the center of gravity of the poles is in itself already z. B. known from DE-OS 35 36 538. The However, this does not affect the invention, since there the movable machine part in a recess of the fixed Machine part runs, which is why the latter is a high grade represents vibratory structure. Advantageous configurations the low-noise machine results from taking the subclaims into account.

Als besonders vorteilhaft werden die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 10 bis 12 angesehen, dabei werden für die schwingungsarme Ausführung Steuerverfahren zur Beeinflussung (Stellbarkeit) des magnetischen Felds angewendet und wird eine Glättungstechnik für die Schwankungsanteile des Drehmoments mit Hilfe elektrischer Mittel angegeben.The configurations according to FIGS Claims 10 to 12 viewed, for the low-vibration Execution of control procedures for influencing (Adjustability) of the magnetic field is applied and is a smoothing technique for the fluctuation components of the torque indicated by means of electrical means.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen durch die sehr weitgehende Reduktion der Schwingungsanregung und die den magnetischen Fluß betreffende Stellbarkeit die Herstellung sehr laufruhiger Maschinen und damit eine starke Erweiterung der Anwendungsbreite. Es lassen sich hierdurch sowohl Maschinen großer Leistung konzipieren wie auch Anwendungen für Antriebsmotoren im Fahrzeugbereich realisieren. Die Vorteile des Transversalflußkonzepts sind somit für eine weit größere Anwendung nutzbar zu machen.The measures according to the invention enable the very extensive reduction of the vibration excitation and the adjustability related to magnetic flux manufacturing very smooth running machines and thus a strong expansion the range of applications. This allows both machines design great performance as well as applications for drive motors realize in the vehicle area. The advantages of the transverse flow concept are therefore for a much larger one Make the application usable.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigtThe invention is illustrated by way of example with reference to drawings explained. It shows

Bild 1 eine Schnittzeichnung eines Transversalflußmotors mit axialen Luftspalten, Figure 1 is a sectional drawing of a transverse flux motor with axial air gaps,

Bild 2 eine Schnittzeichnung eines Statorteils eines Transversalflußmotors mit axialen Luftspalten, Figure 2 is a sectional drawing of a stator part of a transverse flux motor with axial air gaps,

Bild 3 eine Darstellung des Verlaufs des magnetischen Felds durch Feldlinien in der Umgebung des axialen Luftspalts, Figure 3 shows the curve of the magnetic field by field lines in the vicinity of the axial air gap,

Bild 4 eine Darstellung der Tangentialkraft in Abhängigkeit von der Polverschiebung des Rotors gegenüber dem Stator, Figure 4 is an illustration of the tangential force in dependence on the pole shift of the rotor relative to the stator,

Bild 5a eine Schnittzeichnung eines Transversalflußmotors mit einem Statorteil je Magnetkreis, Figure 5a is a sectional drawing of a transverse flux motor having a stator magnetic circuit each,

Bild 5b eine perspektivische Darstellung des Transversalflußmotors mit versetzten Polelementen, Figure 5b is a perspective view of the transverse flux pole elements with offset,

Bild 5c eine perspektivische Darstellung des Transversalflußmotors mit geschrägtem Stator, Image 5c is a perspective view of the transverse flux with geschrägtem stator,

Bild 6 eine Schnittzeichnung durch eine viersträngige Transversalflußmaschine, Figure 6 is a cross-sectional view through a four-phase transverse flux machine,

Bild 7a die glättungsoptimale Stromform zur Eliminierung von Vortriebskraftschwankungen bei Strangzahl zwei, Figure 7a, the smoothing current form for the elimination of propulsive force fluctuations with number of strands two,

Bild 7b den Verlauf der Vortriebskraftanteile der beiden Teilstränge für glättungsoptimalen Strom, und Figure 7b shows the course of the propulsive force components of the two branches for smoothing current, and

Bild 8 eine Schaltungsanordnung zur Überlagerung von abgespeicherten und abrufbaren Magnetisierungsstrom- Komponenten. Figure 8 shows a circuit arrangement for superimposing stored and retrievable magnetizing current components.

Reduktion der anregenden Kräfte für Stator- und RotorstrukturReduction of the exciting forces for the stator and rotor structure 1 Magnetkraftsymmetrie1 magnetic force symmetry

Die durch magnetische Kräfte am Gehäuse hervorgerufenen Deformationen sind hauptsächlich eine Folge der durch das magnetische Feld erzeugten Schwankungen in der magnetischen Zugkraft zwischen ferromagnetischen Oberflächen, die an den Luftspalt angrenzen. Die Schwankungen werden durch die bei Bewegung stattfindenden Änderungen der Magnetisierung der magnetischen Widerstände im Feldkreis und die aufgrund der Änderungen der Ströme hervorgerufenen Feldschwankungen ausgelöst. Eine Erhöhung der Felddichten bewirkt eine Erhöhung der anziehenden Kräfte. Da jedoch die gewünschte Vortriebswirkung ebenfalls mit der Felddichte zunimmt, ist eine Reduktion der Felddichten als Weg zur Verminderung der Schwingungen auszuschließen.The deformations caused by magnetic forces on the housing are mainly a result of the magnetic field produced fluctuations in the magnetic Traction between ferromagnetic surfaces on the Border the air gap. The fluctuations are caused by the Changes taking place in the magnetization of the movement magnetic resistances in the field circuit and due to the Changes in the currents caused field fluctuations triggered. An increase in the field density causes an increase in the attractive forces. However, since the desired propulsion effect also increases with the field density, is a reduction in Exclude field densities as a way to reduce vibrations.

Bei Transversalflußmaschinen besteht die Möglichkeit, durch die Formgebung des magnetischen Kreises und die Wahl der Schnittebene zwischen Rotor- und Statorelementen eine nachhaltige Reduktion der insgesamt wirkenden Kräfte und damit der Strukturdeformationen zu erreichen.With transverse flux machines, there is the possibility of the shape of the magnetic circuit and the choice of Cutting plane between rotor and stator elements a sustainable Reduction of the total acting forces and thus of structural deformations.

Bild 1 zeigt eine Maschinenanordnung, die in diesem Sinne eine annähernd vollständige Normalkraftreduktion aufweist und im Vergleich mit dem longitudinalen Magnetkreis sowie den bisher beschriebenen Transversalflußvarianten im Hinblick auf die erzeugten Kraftkomponenten praktisch anregungsfrei ist. Figure 1 shows a machine arrangement which, in this sense, has an almost complete reduction in normal force and, in comparison with the longitudinal magnetic circuit and the previously described transverse flux variants, is practically excitation-free with regard to the force components generated.

Hierbei ist zunächst zwischen dem feststehenden Maschinenteil, dem Stator St und dem beweglichen, im Beispiel drehbaren Maschinenteil, die Rotor R zu unterscheiden. Letzter umfaßt die zu den beiden Teilmaschinen gehörenden Rotor- Weicheisenelementen RWE 1 bis RWE 4, das Rotormittelteil Rm und die Rotorseitenteile Rl und Rr. Letztere sind über eine Zentrierung Zl bzw. Zr mit entsprechenden Ansätzen am Rotormittelteil Rm verbunden.The rotor R must first be distinguished between the fixed machine part, the stator St and the movable machine part, which in the example can be rotated. The latter includes the rotor soft iron elements RWE 1 to RWE 4 belonging to the two sub-machines, the rotor center part Rm and the rotor side parts Rl and Rr. The latter are connected to corresponding approaches on the rotor center part Rm via a centering Zl or Zr.

In Bild 2 ist dieselbe Statoranordnung mit den aktiven Teilen, der aufgeteilten Ringwicklung in zwei Teilstränge Wa und Wi, der Statorweicheisen-Anordnung Sa und Si, den Trägerringen Ta und Ti sowie der Gehäuseschale für die rechte Hälfte Gr, einem Gehäuse-Mittelteil Gm mit Kühleinrichtungen Kr, im Schnitt gezeichnet. Die gegenüber Bild 1 nicht gezeichneten Feldelemente gehören zum Rotor. Sie stellen mit RWE 1 bis RWE 4 die Ergänzung des magnetischen Kreises in einer der Polzahl entsprechenden, ansonsten gleichartigen Gliederung in Umfangsrichtung dar. Die Ausdehnung der ringkernähnlichen Elemente in Umfangsrichtung beträgt weniger als eine Polteilung. Es ist zu erkennen, daß die Magnetkreisteile der rechten und linken Rotorseite die gleiche Form aufweisen. Das Rotorseitenteil Rr bildet insofern eine selbstständige Einheit, als er bei der Maschinenmontage zuerst in die Gehäuseschale Gr eingebracht und dort fixiert werden muß. Erst dann können die Statorteile W, S und T eingesetzt werden. Erst nach dem Zusammenbau der Gehäuseschale Gr mit dem Gehäuse- Mittelteil Gm können die Rotor-Seitenteile Rr mit dem Mittelteil Rm verbunden und die Luftspalte justiert werden. Die linke Maschinenseite entspricht grundsätzlich der rechten, der Rotorseitenteil Rl ist aber - was aus der Zeichnung nicht hervorgeht - gegenüber rechts um eine halbe Polteilung in Umfangsrichtung versetzt. Die Wicklung wird um 90° el phasenverschoben gespeist. Das Drehmoment wird über das Rotormittelteil Rm auf die Welle übertragen, während die entgegengesetzte Reaktionskraft durch das Gehäuse Gm dem Fundament mitgeteilt wird. Figure 2 shows the same stator arrangement with the active parts, the ring winding divided into two partial strands Wa and Wi, the stator soft iron arrangement Sa and Si, the carrier rings Ta and Ti and the housing shell for the right half Gr, a housing middle part Gm with cooling devices Kr, drawn on average. The field elements not shown in Figure 1 belong to the rotor. With RWE 1 to RWE 4, they represent the addition of the magnetic circuit in an otherwise similar structure in the circumferential direction, corresponding to the number of poles. The extent of the toroid-like elements in the circumferential direction is less than one pole pitch. It can be seen that the magnetic circuit parts of the right and left side of the rotor have the same shape. The rotor side part Rr forms an independent unit insofar as it must first be inserted into the housing shell Gr during machine assembly and fixed there. Only then can the stator parts W, S and T be used. Only after the housing shell Gr has been assembled with the middle housing part Gm can the rotor side parts Rr be connected to the middle part Rm and the air gaps adjusted. The left side of the machine basically corresponds to the right side, but the rotor side part R1 is - which does not appear from the drawing - offset by half a pole pitch in the circumferential direction from the right. The winding is fed out of phase by 90 °. The torque is transmitted to the shaft via the rotor center part Rm, while the opposite reaction force is communicated to the foundation by the housing Gm.

Die im Bild 2 eingezeichneten Pfeile stellen schematisch die auf die Statorelemente wirkenden magnetischen Kräfte dar. Die beiden axial gerichteten magnetischen Zugkräfte F_n1 und F_n2 sind dabei etwa um den Faktor 100-1000 größer als die (im Verhältnis hierzu stark vergrößert gezeichneten) Tangentialkräfte F_t1 und F_t2, die nach innen gerichteten Radialkomponenten entsprechen. Da sich die entgegengesetzt gerichteten Normalkräfte (außen und innen) in ihrer resultierenden Wirkung auf die Gehäuseschale Gr aufheben, treten sie als Schwingungsanregung nicht in Erscheinung. Die radialen Komponenten F_t sind hingegen durch ihre geringe Größe zu nennenswerten Gehäusedeformationen nicht imstande. Es soll betont werden, daß die Komponenten F_n und F_t jeweils die Gesamtkraft darstellen. Sie umfaßt einen konstanten Anteil, dem ein Schwankungsanteil überlagert ist. Letzterer weist als Hauptbestandteil eine Komponente mit der doppelten Grundfrequenz und kleinere Anteile mit vielfacher Frequenz hiervon auf.The arrows drawn in Figure 2 schematically represent the magnetic forces acting on the stator elements. The two axially directed magnetic tensile forces F _n1 and F _n2 are approximately 100-1000 times greater than the tangential forces F (which are drawn in a greatly enlarged manner in relation to this) _t1 and F _t2 , which correspond to inward radial components. Since the opposing normal forces (outside and inside) cancel each other out on the housing shell Gr, they do not appear as vibration excitation. The radial components F _t , on the other hand, are not capable of significant housing deformations due to their small size. It should be emphasized that the components F _n and F _t each represent the total force. It comprises a constant component over which a fluctuation component is superimposed. The latter has as its main component a component with twice the fundamental frequency and smaller components with a multiple frequency thereof.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Schwingungsunterdrückung beruht also darauf, daß im Hinblick auf die anregenden radialen und axialen Kraftkomponenten, die auf das Gehäuse wirken, die dargestellte Statoranordnung mit zweiseitigem Luftspalt zu einer Auslöschung der Normalkraft (Σ F_{n 1, 2}; Σ F_{n 3, 4}) durch gegensätzliche Wirkung (Symmetrie) führt.The method of suppressing vibrations according to the invention is therefore based on the fact that, with regard to the exciting radial and axial force components acting on the housing, the stator arrangement shown with a bilateral air gap results in an extinction of the normal force (Σ F _{n 1, 2} ; Σ F _{n 3, 4} ) leads through opposite effects (symmetry).

Gemäß den Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 6 und 7 wird darüber hinaus eine beliebige Reduktion der Tangentialkraft (Σ F_{t 1, 2, 3, 4}) bewirkt. According to the configurations according to claims 6 and 7, any reduction in the tangential force (Σ F _{t 1, 2, 3, 4} ) is also effected.

Es muß dabei sicher beachtet werden, daß sowohl die Einleitung von axialen, wie auch von radialen Kraftkomponenten in die Gehäuseschale zu Biegeverformungen führen. Im zylindrischen wie auch im scheibenförmigen Gehäuseteil entstehen hierdurch Auslenkungen, die wiederum der Umgebung mitgeteilt werden. Dieser Vorgang wird sowohl durch die äußeren, wie auch die inneren Elemente und Kraftkomponenten bewirkt.It must be ensured that both the introduction of axial as well as radial force components in the housing shell lead to bending deformations. In the cylindrical as also arise in the disc-shaped housing part hereby deflections, which in turn communicated to the environment will. This process is carried out both by the external, as also the inner elements and power components.

Stellt man sich die in Bild 2 gezeigten Kraftkomponenten entgegengesetzt wirkend als Anregung auf die benachbarten Rotorelemente vor, so wird deutlich, daß die durch sie ausgelöste Anregung praktisch keine resultierenden Wirkungen erzeugt. Wie durch Feldanalysen untersucht wurde, ist bei einer Formgebung mit vorspringender Polfläche der Rotor-Polelemente, wie sie in den Bildern 1 und 3 gewählt wurde, die tangentiale Magnetkraft F_t immer nur ein sehr kleiner Bruchteil der Normalkraft F_n. Dies kann auch anhand des Feldbilds nach Bild 3 qualitativ nachvollzogen werden. Es ist dort zu erkennen, daß am oberen und unteren Feldrand geringe Unterschiede in der Ausbildung der Feldlinien existieren. Das sich dort außerhalb des Spaltraums schnell abschwächende Feld bewirkt insgesamt nur kleine tangentiale Kräfte. Die für den Rotor radial nach außen (und für den Stator nach innen) wirkende Kraft am inneren Rand ist dabei etwa größer als die entgegengesetzte Kraftkomponente am äußeren Rotorrand. Durch den geringen Unterschied an magnetischer Feldenergie an der inneren und äußeren Kante kommt eine geringe Differenzkraft zustande.If one imagines the force components shown in Figure 2 acting in opposite directions as excitation on the neighboring rotor elements, it becomes clear that the excitation triggered by them produces practically no resulting effects. As examined by field analysis is, at a mold with protruding pole face of the rotor pole members, as selected in the images 1 and 3, the tangential magnetic force F _t always only a very small fraction of the normal force F _n. This can also be qualitatively understood using the field image according to Figure 3. It can be seen there that there are slight differences in the formation of the field lines at the top and bottom of the field. The field that weakens there quickly outside the gap space causes only small tangential forces. The force acting radially outward for the rotor (and inward for the stator) is approximately greater than the opposite force component on the outer rotor edge. Due to the small difference in magnetic field energy on the inner and outer edge, there is little difference in force.

Bild 4 zeigt, daß durch Versatz der Rotorkontur gegenüber dem Stator die Tangentialkraft weiter verkleinert werden kann. Bei einem Kantenversatz von etwa 0,4 mm (was kleiner als der Luftspalt ist) verschwindet beim vorliegenden Beispiel die Tangentialkraft F_t vollständig. Die Normalkraft F_n ändert sich dabei praktisch nicht. Durch diese Maßnahme läßt sich die radiale Anregungskomponente, einschließlich ihres Schwankungsanteils, zu Null reduzieren. Weiter ist aus den Analysen ersichtlich, daß die gewählte Formgebung, insbesondere das Maß, um das die Polflächen des Rotorelemente vorstehen, für die Größe der resultierenden Tangentialkraft von Bedeutung ist. Die um mindestens 2 Luftspaltlängen vorgesetzten, ausgeprägt ausgeführten Polflächen verringern die Differenzkraft zusätzlich. Figure 4 shows that the tangential force can be further reduced by offset of the rotor contour relative to the stator. With an edge offset of approximately 0.4 mm (which is smaller than the air gap), the tangential force F _t disappears completely in the present example. The normal force F _n practically does not change. This measure allows the radial excitation component, including its fluctuation component, to be reduced to zero. Furthermore, it can be seen from the analyzes that the shape chosen, in particular the dimension by which the pole faces of the rotor elements protrude, is important for the magnitude of the resulting tangential force. The pronounced pole faces that are placed in front of at least 2 air gap lengths additionally reduce the differential force.

Wird das Rotor-Struktur-Material, das den inneren Bereich der ringkernähnlichen Elemente ausfüllt, elektrisch leitfähig ausgeführt, werden die magnetischen Schwankungsanteile bei Bewegung des Rotors abgedämpft und durch Wirbelströme reduziert.Will the rotor structure material covering the inner area of the fills toroidal elements, electrically conductive executed, the magnetic fluctuation components at Movement of the rotor damped and reduced by eddy currents.

Die Vortriebskraft wird jeweils an den radial verlaufenden Kanten der Stator- und Rotor-Weicheisen-Polelemente erzeugt. Beim Entwurf nach Bild 1 treten diese Kräfte im inneren und äußeren magnetischen Kreis auf.The propulsive force is generated on the radial edges of the stator and rotor soft iron pole elements. In the design according to Figure 1, these forces occur in the inner and outer magnetic circuit.

2 Der einfach genützte Magnetkreis2 The simply used magnetic circuit

Wenn also, wie im Bild 5a nur am äußeren magnetischen Kreis Trennflächen zwischen Rotor und Stator vorhanden sind, beschränkt sich die Kraftwirkung nur auf diesen Teil des Magnetkreises. Gegenüber Bild 1 wird hierdurch der mittlere wirksame Maschinendurchmesser vergrößert, was bei gleicher Drehzahl und gleichen Abmessungen (gleiche Polteilung) sich günstig auswirkt. Weiter wirkt sich günstig aus, daß zur Magnetisierung des Erreger- und Ankerfelds in nur zwei Luftspalträumen magnetisiert werden muß. Die Masse der Permanentmagnete kann somit halbiert und die erforderliche Wicklungsdurchflutung verringert werden. Der Raum für die erforderliche Wicklung W läßt sich reduzieren, wodurch auch wiederum der Eisenkreis RWE in seinen Abmessungen verkleinert werden kann. Es treten somit Materialeinsparungen, aber auch Vereinfachungen im Aufbau von Rotor- und Statoranordnung auf.If, as shown in Figure 5a, there are only separating surfaces between the rotor and stator on the outer magnetic circuit, the force effect is limited to this part of the magnetic circuit. Compared to Figure 1, this increases the mean effective machine diameter, which has a favorable effect at the same speed and the same dimensions (same pole pitch). It also has a favorable effect that the magnetization of the excitation and armature fields has to be magnetized in only two air gap spaces. The mass of the permanent magnets can thus be halved and the required winding throughput can be reduced. The space for the required winding W can be reduced, which in turn also allows the dimensions of the iron circuit RWE to be reduced. This results in material savings, but also simplifications in the construction of the rotor and stator arrangement.

Es zeigt sich weiter, daß als zweckmäßigste Art der Unterbringung der Permanentmagnete sich deren Einbau im Stator Sa erweist. Die Permanentmagnete sind damit der Wirkung der Fliehkraft entzogen und lassen sich einfacher befestigen und kühlen. Bild 5b zeigt in perspektivischer Darstellung und liniarisiert die Elemente von Stator- und Rotoranordnung, soweit sie den aktiven Teilen zuzurechnen sind.It also shows that the most expedient way of accommodating the permanent magnets is their installation in the stator Sa. The permanent magnets are no longer affected by centrifugal force and are easier to attach and cool. Figure 5b shows a perspective view and linearizes the elements of the stator and rotor arrangement insofar as they can be assigned to the active parts.

Dem feststehenden Teil S sind die mit Sa bzw. N, S, N gekennzeichneten Weicheisenteile und die zwischen ihnen angeordneten Permanentmagneten P, deren Magnetisierung mit einem Pfeil markiert ist sowie die darunter liegende Wicklung W zuzurechnen.The fixed part S is marked with Sa or N, S, N Soft iron parts and the parts arranged between them Permanent magnet P, whose magnetization with a Arrow is marked and the winding W underneath is to be added.

Die dem Rotor zugeordneten Weicheisenelemente WEr, rechts und WEl, links sind durch ein Weicheisen-Verbindungsstück WEm magnetisch gut leitend verbunden. Hierdurch wird ein Ausgleich des magnetischen Flusses in Bewegungsrichtung und eine versetzte Anordnung der am Luftspalt liegenden Weicheisenelemente ermöglicht.The soft iron elements WEr, right and assigned to the rotor WEl, on the left are WEm through a soft iron connector magnetically well connected. This is a compensation of the magnetic flux in the direction of movement and one staggered arrangement of the soft iron elements lying on the air gap enables.

Eine etwas einfachere Magnetkreis-Geometrie für die Weicheisenteile des Rotors besteht bei der Bauform nach Bild 5c. Hierbei sind die Rotorelemente WE c-förmig in einer Ebene liegend ausgeführt. Für den Stator ist eine geschrägte Anordnung der Weicheisenteile Sa und der dazwischen liegenden Permanentmagnete P vorgesehen. Die Schrägung beträgt eine Polteilung. Die Anordnung nach Bild 5b erweist sich als etwas günstiger im Hinblick auf die Minimierung von Streuflußanteilen der Wicklung, besonders zur Unterdrückung der frequenzbedingten Zusatzverluste.A somewhat simpler magnetic circuit geometry for the soft iron parts of the rotor exists in the design according to Figure 5c. Here, the rotor elements WE are c-shaped in one plane. For the stator, an inclined arrangement of the soft iron parts Sa and the permanent magnets P located between them is provided. The slope is one pole pitch. The arrangement according to Fig. 5b proves to be somewhat more favorable in terms of minimizing stray flux components in the winding, especially to suppress the frequency-related additional losses.

Die Anwendung der einseitig benutzten magnetischen Kreise für Transversalflußmaschinen kann besonders im Falle kleiner Durchmesser günstig genutzt werden. Bei Maschinen mit großem Durchmesser bringt die beschriebene Konzeption geringere Vorteile.The application of magnetic circuits used on one side for Transversal flow machines can be especially small Diameter can be used cheaply. For machines with large The described design has fewer advantages in diameter.

Es sei erwähnt, daß besonders für die einseitig genutzten magnetischen Kreise sich eine Maschinenversion anbietet, bei der im Vergleich zu Bild 5a der Magnetkreis um 90° so gedreht wird, daß anstelle der Axialfeldvariante wieder eine Radialfeldmaschine entsteht. Der Rotor kann hierbei aus einer mechanischen Einheit bestehen. Das Statorteil läßt sich dann axial in das Ringkernelement des Rotors einschieben. Die beschriebenen Vorteile des weit außen liegenden magnetisch wirksamen Maschinendurchmessers sind dabei allerdings wieder aufgehoben. Es bleibt jedoch die geringe Schwingungsanregung als Vorteil bestehen. Die radiale und die axiale Kraftkomponente vertauschen dabei ihre Anordnung.It should be mentioned that a machine version is particularly suitable for the magnetic circuits used on one side, in which the magnetic circuit is rotated by 90 ° in comparison to Figure 5a so that a radial field machine is created again instead of the axial field variant. The rotor can consist of a mechanical unit. The stator part can then be inserted axially into the ring core element of the rotor. The described advantages of the magnetically effective machine diameter lying far outside are, however, canceled again. However, the low vibration excitation remains an advantage. The radial and axial force components swap their arrangement.

3 Die vielsträngige Ausführung3 The multi-strand version

Die im Bild 6 dargestellte Maschinen-Schnittzeichnung basiert auf der Anwendung der zweifach geteilten magnetischen Kreise für Maschineneinheiten mit großem Durchmesser. Es sind dabei vier Teilmaschinen in symmetrischer Bauform um den Mittelrotor gruppiert. Die viersträngige Ausführung weist zwei jeweils um eine halbe Polteilung versetzte nebeneinander liegende Einheiten und die radial übereinander liegenden, die ihrerseits gegeneinander um eine Viertel-Polteilung verschoben sind, auf. Sie werden mit Strömen, die um 90° bzw. 45° phasenverschoben sind, gespeist. Dies bewirkt im Vergleich zur zweisträngigen Maschine eine Reduktion der Vortriebskraftschwankungen bei gleicher Stromform. Letztere wird i. a. als trapezförmig angenommen. Es gilt für jede Teileinheit, daß die normal und tangential angeregten Komponenten sich als sehr klein erweisen bzw. sich gegenseitig aufheben und somit das Teilgehäuse und das entsprechende Rotorteil praktisch anregungsfrei gehalten wird. Die am zweisträngigen Maschinenkonzept erläuterten Maßnahmen zur Schwingungsreduktion lassen sich auf vielphasige Maschineneinheiten mit Strangzahlen größer als zwei ohne Einschränkung übertragen. Für Maschinen mit großem Durchmesser spielt die Schwingungsreduktion insofern eine große Rolle, als dabei sonst ein überproportionaler Aufwand zur Erhöhung der Schwingsteifigkeit durch dicke Gehäusewandstärken und aufgesetzte Rippen erfolgen müßte. Ohne diese Maßnahmen würden die Schwingungsamplituden der Gehäusestruktur mit zunehmendem Durchmesser bei gegebener Kraftdichte der Anregung unzulässig stark anwachsen. Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens kommt also bei der Anwendung auf große Maschinendurchmesser besonders deutlich zum Tragen.The machine section drawing shown in Figure 6 is based on the application of the double-divided magnetic circuits for machine units with large diameters. Four sub-machines in a symmetrical design are grouped around the center rotor. The four-strand version has two units located next to one another, each offset by half a pole pitch, and the units lying radially one above the other, which in turn are shifted from one another by a quarter pole pitch. They are fed with currents that are 90 ° or 45 ° out of phase. Compared to the two-strand machine, this reduces the fluctuations in the driving force with the same current shape. The latter is generally assumed to be trapezoidal. It applies to each sub-unit that the normally and tangentially excited components prove to be very small or cancel each other out and the sub-housing and the corresponding rotor part are thus kept practically free of excitation. The measures for vibration reduction explained on the two-strand machine concept can be transferred to multi-phase machine units with number of strands greater than two without restriction. For machines with a large diameter, the vibration reduction plays a major role, since otherwise a disproportionate effort would have to be made to increase the vibration rigidity through thick housing wall thicknesses and attached ribs. Without these measures, the vibration amplitudes of the housing structure would increase inadmissibly strongly with increasing diameter with a given force density of the excitation. The advantage of the described method is particularly evident when applied to large machine diameters.

Glättung der Vortriebskraft-Schwankungen (vgl. Ansprüche 10 u. 11)Smoothing the fluctuations in propulsive force (see claims 10 and 11)

Neben der mehr als um einen Faktor 100 geringeren Schwingungsanregung durch radiale und axiale Kraftkomponenten im Vergleich zur Maschine mit herkömmlichere Bauform besteht weiter die Möglichkeit einer sehr weitgehenden Glättung der Vortriebskraft-Schwankungen durch elektrische Maßnahmen. Darunter ist zu verstehen, daß durch einen Eingriff am Wechselrichter die Ströme derart beeinflußt werden, daß die resultierend an Rotor und Stator angreifende Umfangskraft schwankungsfrei erzeugt wird. Dies ist sowohl bei zwei- als auch bei mehrsträngigen Maschinen durchführbar. Diese Art der Schwingungsunterdrückung durch eine geeignete Steuerungstechnik für die Leistungselektronik erfordert einen Wechselrichter mit ausreichend hoher Taktfrequenz und ein geeignetes Spannungsniveau im Zwischenkreis. Transversalflußmaschinen erweisen sich insofern als besonders gut geeignet für die Durchführung des Verfahrens, weil deren Wicklungsstränge (Teilmaschinen) induktiv nicht gekoppelt sind. Es kommt hinzu, daß im Falle der longitudinalen Magnetkreise die radialwirkende Magnetkraft-Schwankung auch nicht annähernd vollständig unterdrückt werden kann. Ein die Vortriebskraft glättender Eingriff würde dort bewirken, daß die Normalkraft- Schwankungen sich deutlich verstärken. In addition to the more than 100 times less vibration excitation through radial and axial force components in the There is a comparison to the machine with a more conventional design further the possibility of a very extensive smoothing of the Driving force fluctuations through electrical measures. This means that an intervention on the inverter the currents are influenced such that the resulting peripheral force acting on the rotor and stator is generated without fluctuations. This is both with two- Can also be carried out on multi-strand machines. That kind of Vibration suppression using a suitable control technology for the power electronics requires an inverter with a sufficiently high clock frequency and a suitable one Voltage level in the intermediate circuit. Transverse flux machines have proven to be particularly well suited for the Implementation of the process because of its winding strands (Sub-machines) are not inductively coupled. It is coming added that in the case of the longitudinal magnetic circuits radial magnetic force fluctuation is nowhere near can be completely suppressed. A the driving force smoothing intervention would cause the normal force Fluctuations increase significantly.

Nur in Kombination mit einer Magnetkreisausführung, die eine sehr weitgehende Reduktion der radialen und axialen Kraftkomponenten zuläßt, wird die elektrische Glättung der Vortriebskraft rückwirkungsfrei anwendbar.Only in combination with a magnetic circuit version, the one very extensive reduction of the radial and axial force components allows the electrical smoothing of the driving force retrospectively applicable.

Das Ziel der elektrischen Glättung der Vortriebskraft- Schwankungen besteht nun darin, daß die Schwankungsanteile der Teilmaschinen sich in der Summe zu null ergänzen.The goal of electrical smoothing of the propulsive force Fluctuations now consists in the fact that the fluctuation components of the sub-machines add up to zero in total.

Bei einer zweisträngigen Maschine bestehen zwei Vortriebskraftanteile, die je einen konstanten und einen überlagerten, periodischen Anteil aufweisen. Die angestrebte Lösung ist dann erreicht, wenn die von der Teilmaschine 1 und 2 erzeugten Kraftanteile folgende Form aufweisen:In a two-strand machine, there are two propulsive force components, each with a constant and a superimposed, periodic component. The desired solution is achieved when the force components generated by submachine 1 and 2 have the following form:

F₁ = F₁₀ + F₁₁sin2ωt + F₁₂sin4ωt + (1)
F₂ = F₂₀ - F₂₁sin2ωt - F₂₂sin4ωt + (2)F₁ = F₁₀ + F₁₁sin2ωt + F₁₂sin4ωt + (1)
F₂ = F₂₀ - F₂₁sin2ωt - F₂₂sin4ωt + (2)

Aufgrund der symmetrischen Speisung und der symmetrischen Bauweise der Teilmaschinen gilt:Because of the symmetrical feed and the symmetrical Construction of the sub-machines applies:

F₂₀ = F₁₀; F₂₁ = F₁₁; F₂₂ = F₁₂ (3)F₂₀ = F₁₀; F₂₁ = F₁₁; F₂₂ = F₁₂ (3)

Die beiden Kraftverläufe sind offensichtlich im Hinblick auf die Schwankungsterme spiegelbildlich und ergänzen sich zu null. Die resultierende Vortriebskraft nimmt den WertThe two force curves are obvious with regard to the fluctuation terms are mirror images and complement each other zero. The resulting propulsive force takes on the value

F = 2 F₁₀ (4)F = 2 F₁₀ (4)

an. Bei einer dreisträngigen Maschine würden folgende Schwankungsterme für die Hauptkomponente vorhanden sein:at. The following fluctuation terms would apply to a three-strand machine for the main component:

F₁₁sin2ω, F₁₁sin(2ω - 2/3) und F₁₁sin(2ω - 4/3) (5)F₁₁sin2ω, F₁₁sin (2ω - 2/3) and F₁₁sin (2ω - 4/3) (5)

Auch sie ergänzen sich gegenseitig zu null.They also complement each other to zero.

Es ist erkennbar, daß hierbei je zwei Komponenten sich an der Kompensation einer Störung beteiligen.It can be seen that there are two components each on the Participate in compensation of a disturbance.

Die Stromkorrekturen zur Herstellung eines Systems symmetrischer Komponenten, wie es in den Gleichungen 1, 2 und 5 erkennbar ist, bewirken die Glättung der Vortriebskraft. The current corrections to make a system more symmetrical Components as in Equations 1, 2 and 5 is recognizable, smooth the propulsive force.

Sie sind bei drei- und mehrsträngigen Maschinen von geringerer Größe als bei zweisträngigen. Die Form des Ankerstroms, der zur Herbeiführung der Korrektur der Kraftterme notwendig ist, kann rechnerisch oder experimentell ermittelt werden. Sie ergibt sich dabei abhängig von der Stellung des Rotors, also abhängig von der Wechselwirkung zwischen Leerlauf- Magnetfeld und Strom. Sie weicht normalerweise sowohl von der kraftoptimalen Trapezform, wie auch von der Sinusform ab und enthält gegenüber letzterer zusätzliche Modulationsterme wie Bild 7a an einem Beispiel zeigt. In Bild 7b sind die beiden Kräfte F₁ und F₂ in ihrem räumlichen Verlauf dargestellt. Es ist zu entnehmen, daß die Schwankungsterme spiegelbildlich verlaufen.They are smaller in size with three- and multi-strand machines than with two-strand machines. The shape of the armature current, which is necessary to bring about the correction of the force terms, can be determined by calculation or experiment. It arises depending on the position of the rotor, that is to say on the interaction between the no-load magnetic field and the current. It normally differs from the force-optimal trapezoidal shape as well as from the sinusoidal shape and contains additional modulation terms compared to the latter, as shown in Figure 7a using an example. In Figure 7b, the two forces F₁ and F₂ are shown in their spatial course. It can be seen that the fluctuation terms are mirror images.

Ein analoges Verfahren der Schwankungskompensation läßt sich für mehrsträngige Maschinen anwenden. Wie bereits erwähnt, sind die Korrekturterme der einzelnen Ströme dabei geringer als beim zweisträngigen Beispiel. Dies bedeutet, daß auch die Anforderungen an die Erzeugung der Stromkorrektur durch den Wechselrichter mit zunehmender Strangzahl sinken. Letztere sind allerdings auch im Falle der zweisträngigen Maschine ohne nennenswerte Spannungsüberhöhungen darzustellen.An analogous method of fluctuation compensation can be used use for multi-strand machines. As already mentioned, the correction terms of the individual currents are lower than the two-strand example. This means that the Requirements for the generation of the current correction by the Inverters decrease with increasing number of strings. Latter are, however, also in the case of the double-strand machine without showing any significant voltage increases.

Das Verfahren der Erzeugung spiegelbildlicher Schwankungsterme in den Teilmaschinen zu deren gegenseitiger Tilgung ist offenbar wirtschaftlich anwendbar. Es darf davon ausgegangen werden, daß die Bereitstellung entsprechender Pulsmuster zur Taktung des Wechselrichters in Abhängigkeit von der Maschinenbelastung (der Stromamplitude) in elektronischen Speicherelementen, d. h., in einem Stromsollwertspeicher abrufbar vorgenommen werden kann (Bild 8). Die Erzeugung der glättungsoptimalen Stromform durch Eingriffe an der Zündvorrichtung des Wechselrichters WR kann damit den Betriebsbedingungen angepaßt werden.The process of generating mirror-image fluctuation terms in the sub-machines for their mutual repayment is obviously economically applicable. It can be assumed that the provision of appropriate pulse patterns for clocking the inverter depending on the machine load (the current amplitude) can be carried out in electronic memory elements, ie, in a current setpoint memory ( Figure 8). The generation of the smoothest current shape by interventions on the ignition device of the inverter WR can thus be adapted to the operating conditions.

Bild 8 zeigt ein entsprechendes Schema der Wechselrichtersteuerung eines Transversalflußmotors TFM, der aus einer Batterie gespeist wird. Figure 8 shows a corresponding diagram of the inverter control of a transverse flux motor TFM, which is fed from a battery.

Feldstellbarkeit durch phasenverschobene Stromkomponenten (vgl. Anspruch 12)Field adjustability through phase-shifted current components (see claim 12)

Die beschriebene Maschinenvariante mit Sammlerkonfiguration der Permanentmagnete ermöglicht eine durch die Ankerströme und damit über den Wechselrichter durchführbare Feldbeeinflussung. Als Voraussetzung der Durchführbarkeit spielt die Verringerung des magnetischen Widerstands durch das über 1 liegende Flächenverhältnis Magnetquerschnitt zu Polfläche des Weicheisenelements am Luftspalt eine wichtige Rolle. Wird über den Wechselrichter WR eine Stator-Stromkomponente aufgeschaltet, die mit ihrem Maximalwert in dem Zeitbereich liegt, der den sich gegenüberstehenden Weicheisenblöcken von Stator und Rotor entspricht, so kann von diesem Strom dem Leerlauffeld eine zusätzliche Feldkomponente direkt überlagert werden. In der Richtung der Felddichte-Erhöhung ist diese Art der stromabhängigen Magnetfeldbeeinflussung durch den (durch Sättigung) zunehmenden magnetischen Widerstand des Eisenwegs eine Grenze gesetzt. Die Feldschwächung durch die Überlagerung des elektrisch erzeugten Feldanteils ist jedoch voll wirksam. Die benötigte, feldbeeinflussende Stromkomponente ist gegenüber dem die Vortriebskraft erzeugenden Stromanteil umd 90° phasenverschoben. Die so geforderte Blindleistung ist über den Wechselrichter mit bereitzustellen.The described machine variant with collector configuration the permanent magnet enables one through the armature currents and thus the field can be influenced via the inverter. As a prerequisite for feasibility, the Reduction of the magnetic resistance by over 1 lying area ratio magnetic cross section to pole area of the Soft iron element at the air gap plays an important role. Becomes a stator current component connected via the inverter WR, which lies in the time range with its maximum value, the stator opposing soft iron blocks and rotor corresponds, this current can be the idle field an additional field component is directly superimposed will. This is in the direction of increasing the field density the current-dependent influence of the magnetic field by the (by Saturation) increasing magnetic resistance of the iron path set a limit. The field weakening through the overlay however, the electrically generated field portion is full effective. The required current influencing field component is compared to the share of electricity generating the propulsive force 90 ° out of phase. The reactive power required in this way is to be provided via the inverter.

Eine drehzahlabhängige Feldbeeinflussung setzt also eine Überlagerung von Magnetisierungsstrom-Komponenten mit stellbarer Amplitude voraus. Die damit verbundenen Veränderungen der Stromform und der Phasenlage gegenüber der Rotorposition sind rechnerisch und experimentell vorherbestimmbar und lassen sich in programmierbaren Bausteinen (Stromsollwertspeicher, Bild 8) abspeichern und von dort abrufen.Speed-dependent field influencing therefore requires superposition of magnetizing current components with adjustable amplitude. The associated changes in the current shape and the phase position relative to the rotor position can be predicted mathematically and experimentally and can be saved in programmable modules (current setpoint memory, Figure 8) and called up from there.

Die Voraussetzungen für die Formbeeinflussung des Ankerstroms sind dann gegeben, wenn eine ausreichend hohe Taktfrequenz und ein ausreichendes Spannungsniveau im Zwischenkreis des Wechselrichters vorliegt. Der Maximalwert der Spannung wird durch die notwendige Bereitstellung der Magnetisierungsleistung bei Sammler-Magnetkreisen nur ganz wenig angehoben. Die Durchführbarkeit der stromabhängigen Feldschwächung kann bei fallender Drehmomenten-Kennlinie zu einer Begrenzung der induzierten Spannung und damit der erforderlichen Zwischenkreisspannung führen. Dies ist gleichbedeutend mit einer Leistungsbegrenzung der Bauelemente des Wechselrichters und einer Beschränkung der Kosten. Die durch die Magnetisierungskomponente bedingten Normalkraft- und Vortriebskraftschwankungen können bei der beschriebenen Maschinenbauform nicht zu nachteiligen Wirkungen führen. Die Normalkraftanregungen werden durch die gewählte Form des magnetischen Kreises und dessen reduzierende Wirkung unbedenklich klein.The requirements for influencing the shape of the armature current are given if the clock frequency is sufficiently high and a sufficient voltage level in the DC link of the Inverter is present. The maximum value of the voltage is through the necessary provision of the magnetization power only slightly raised for collector magnetic circuits. The feasibility of the current-dependent field weakening can with a falling torque characteristic to a limitation of the induced voltage and thus the required DC link voltage to lead. This is equivalent to one Power limitation of the components of the inverter and a limitation of costs. The through the magnetization component conditional fluctuations in normal force and propulsive force can not with the described machine design cause adverse effects. The normal force excitations are determined by the shape of the magnetic circuit and its reducing effect is harmlessly small.

Die Vortriebskraftanregungen kompensieren sich bei zwei- und mehrsträngigen Maschinen sehr weitgehend.The propulsive force excitations compensate for two and multi-strand machines very largely.

Claims

1. Wechselrichtergespeiste elektrische Maschine hoher Polzahl, bestehend aus einem feststehenden und einem beweglichen Maschinenteil, mit magnetischer Flußführung im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung und mit einer Erregung des magnetischen Leerlauffelds durch Permanentmagnete, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Magnetkreisstruktur (Sa; Si) des feststehenden Maschinenteils (Sa, Wa; Si, Wi) im Querschnitt ohne Ausnehmungen und somit formsteif ausgeführt ist,
- daß das feststehende Maschinenteil die Wicklung (Wa; Wi) trägt und symmetrisch einander gegenüberliegende Polreihen aufweist, wobei die Flächennormalen (F_{n 1} bis F_{n 4}) der Schwerpunkte der Pole flüchten,
- und daß das feststehende Maschinenteil mit einer zu den Polreihen senkrechten Fläche mit dem Gehäuse (Gr) verbunden ist.

1. Inverter-fed electrical machine with a high number of poles, consisting of a fixed and a movable machine part, with magnetic flux guidance essentially transverse to the direction of movement and with an excitation of the magnetic idling field by permanent magnets, characterized in that

- That the magnetic circuit structure (Sa; Si) of the fixed machine part (Sa, Wa; Si, Wi) is designed in cross section without recesses and thus dimensionally stable,
that the fixed machine part carries the winding (Wa; Wi) and has symmetrically opposite rows of poles, the surface normals (F _{n 1} to F _{n 4} ) of the centers of gravity of the poles being in flight,
- And that the fixed machine part is connected to the housing (Gr) with a surface perpendicular to the pole rows.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende Maschinenteil (S) die Permanentmagnete (P) trägt, zwischen denen Weicheisenelemente (Sa) angebracht sind und daß das bewegliche Maschinenteil (WE) passiv ausgeführt ist.2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the fixed machine part (S) the permanent magnets (P) carries, between which soft iron elements (Sa) are attached and that the moving machine part (WE) is carried out passively.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierend wirkenden Leiterteile der Wicklung (W) in Bewegungsrichtung verlaufen.3. Electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetizing conductor parts of the winding (W) run in the direction of movement.

4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Maschinenteil eine durchgehende Längsverbindung (WEm) aufweist, an die beidseitig Polelemente (WEr, WEl) so anschließen, daß die Polreihen an den Luftspalten um eine Polteilung gegeneinander versetzt sind (Bild 5b). 4. Electrical machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the movable machine part has a continuous longitudinal connection (WEm) to which on both sides pole elements (WEr, WEl) connect so that the rows of poles offset from one another by a pole pitch at the air gaps are ( Figure 5b).

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Weicheisenelemente (Sa) und/oder Permanentmagnete (P) des feststehenden Maschinenteils um eine Polteilung geschrägt sind und daß das bewegliche Maschinenteil Weicheisenelemente (WE) aufweist, die in der Querebene angeordnet sind (Bild 5c).5. Electrical machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the soft iron elements (Sa) and / or permanent magnets (P) of the fixed machine part are chamfered by a pole pitch and that the movable machine part has soft iron elements (WE) which in the Transversal plane are arranged ( Figure 5c).

6. Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen des beweglichen Maschinenteils um mindestens die doppelte Luftspaltlänge gegenüber dem zugehörigen Rückschlußelement vorstehen (Bild 3).6. Electrical machine according to one of the above claims, characterized in that the pole faces of the movable machine part protrude by at least twice the air gap length with respect to the associated yoke element ( Figure 3).

7. Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen des beweglichen gegenüber dem feststehenden Maschinenteil um einen geringen Betrag, der kleiner als die Luftspaltlänge ist, nach außen verschoben sind (Bild 3 und 4).7. Electrical machine according to one of the above claims, characterized in that the pole faces of the movable compared to the fixed machine part by a small amount, which is smaller than the air gap length, are shifted to the outside ( Figures 3 and 4).

8. Elektrische Maschine mit einem magnetischen Kreis, der zwei feststehende und zwei bewegliche Maschinenteile entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei die beweglichen Maschinenteile zu einem gemeinsamen Rotor gehören (ähnlich Bild 2).8. Electrical machine with a magnetic circuit, which has two fixed and two movable machine parts according to one of the preceding claims, wherein the movable machine parts belong to a common rotor (similar to Figure 2).

9. Elektrische Maschine mit mehreren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebauten magnetischen Kreisen, mit gemeinsamem Rotor (Bild 1, 5a und 6).9. Electrical machine with a plurality of magnetic circuits constructed according to one of the preceding claims, with a common rotor ( Figures 1, 5a and 6).

10. Elektrische Maschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wechselrichtersteuerung die Stromform der Teilmaschinen so gestaltet wird, daß die von den Teilmaschinen erzeugten Vortriebskraftschwankungen ein System symmetrischer Komponenten bilden und sich gegenseitig aufheben. 10. Electrical machine according to claim 8 or 9, characterized in that through the inverter control the current form of the Part machines is designed so that that of the part machines generated motive power fluctuations System of symmetrical components form and mutually cancel.

11. Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsmuster zur Vortriebskraftglättung in Abhängigkeit von der Größe des Laststroms bestimmt und elektronisch abrufbar abgelegt werden.11. Electrical machine according to claim 10, characterized in that the pulse pattern for smoothing the propulsive force depending determined by the size of the load current and electronically available for download.

12. Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Wechselrichtersteuerung zur Erzeugung einer gegenüber der Vortriebsstromkomponente um 90° el phasenverschobene Magnetisierungskomponente, die getrennt in der Amplitude stellbar ist.12. Electrical machine according to one of the above claims, characterized by an inverter control to generate a compared to the propulsion current component 90 ° el phase-shifted magnetization component, which can be set separately in amplitude is.