DE4030619A1 - Mehrphasige permanentmagneterregte elektrische maschine synchroner bauart - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrphasige permanentmagneterregte elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine solche Maschine ist durch die DE-A-37 18 983 bekannt. Bei dieser Maschine ist der Läufer in mindestens zwei axial hinter­ einanderliegende Abschnitte unterteilt, von denen ein Abschnitt mit Permanentmagneten bestückt ist und der andere, einen Reluk­ tanzteil bildende Abschnitt aus weichmagnetischem Material steht. Durch einen solchen Reluktanzteil wird eine zusätzliche je nach Lage und Größe der Ankerlängsdurchflutung gleich oder gegensin­ nig zum Permanentmagnetfluß wirkender Flußanteil veränderbarer Amplitude erzeugt. Damit ist die bei einer Drehzahländerung einer solchen mit konstanter Spannung gespeisten Maschine not­ wendige Änderung des mit der Ankerwicklung verketteten Gesamt­ flusses, d. h. ein Feldschwächbetrieb, durch entsprechende Steue­ rung der Ankerlängsdurchflutung möglich. Durch den konstruktiven Aufbau dieser Maschine bedingt, treten bei der zum Erreichen von höheren Drehzahlen notwendigen Feldschwächung relativ hohe Ei­ senverluste im Ständer auf. Außerdem treten bei dieser Maschine mit eingeprägter gemeinsamer Ankerdurchflutung die Maxima im elektromagnetisch erzeugten Drehmoment (Kippmoment) im Perma­ nentmagnetteil und im Reluktanzteil bei unterschiedlichen Pol­ radwinkeln auf, wodurch sich ein entsprechend verringertes maxi­ mal nutzbares Drehmoment ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß ihr Wirkungsgrad verbessert und ihr Leistungsvermögen erhöht ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die im Kenn­ zeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale. Durch den gemein­ samen Flußpfad wird bei Feldschwächung eine Verminderung der magnetischen Flußdichte im gemeinsamen Flußpfad des Ständer­ eisens erreicht. Da die Eisenverluste etwa dem Quadrat der magnetischen Flußdichte proportional sind, ergibt sich hier­ durch eine sehr starke Reduzierung der Eisenverluste. Durch einen Winkelversatz der Achsen des Permanentmagnetteiles und des Reluktanzteiles können deckungsgleiche Kippmomente erreicht werden. Gegenüber dem Stand der Technik führt dies bei unverän­ derter elektro-magnetischer Beanspruchung zu einem höheren Nutz­ drehmoment der Maschine. Bei gleichzeitiger Anwendung beider Maßnahmen wird sowohl ein besserer Wirkungsgrad als auch ein höheres Nutzdrehmoment erzielt.

Die gewünschte Flußüberlagerung auf gemeinsamen Flußpfaden im Ständer wird auf einfache Weise mittels des im Anspruch 3 be­ schriebenen Läuferaufbaus erreicht. Dabei ist ein Läuferaufbau gemäß Anspruch 4 insbesondere zur Vergleichmäßigung des Fluß­ verlaufes vorteilhaft.

Durch eine Kombination beider Maßnahmen, wie sie im Anspruch s beschrieben ist, gelingt neben der Verminderung der Eisenver­ luste eine Erhöhung des Drehmomentes der Maschine. Bei einem Winkelversatz von 45^o el., d. h. 1/4 der Polteilung, sind die Maxima der beiden Drehmomentverläufe deckungsgleich. Es wird somit ein maximales nutzbares Drehmoment erreicht.

Eine weitere Vergleichmäßigung des für die induzierte Maschinen­ spannung maßgebenden Gesamtflußverlaufes ist mit einem Läufer­ aufbau gemäß Anspruch 7 möglich.

Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbei­ spiele wird der Anmeldungsgegenstand nachfolgend näher beschrie­ ben. Es zeigt:

Fig. 1 den Verlauf des mit der Ankerwicklung verketteten magnetischen Flusses in Abhängigkeit von der Maschinen­ drehzahl,

Fig. 2 einen zweipoligen Läufer im Querschnitt,

Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsvarianten eines zweipoligen Läufers im Querschnitt,

Fig. 5 und 6 Ausführungsvarianten eines vierpoligen Läufers im Querschnitt,

Fig. 7 eine 2-polige Läuferausführung im Querschnitt, bei der die Achsen der Permanentmagnetbestückten Abschnitte und der weichmagnetischen Abschnitte eines Polpaares gegen­ einander winkelversetzt sind,

Fig. 8 eine Läuferausführung im Längsschnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7.

Die Fig. 1 zeigt den charakteristischen Verlauf des magnetischen Flusses bei Feldschwächbetrieb gemäß ⌀ ≈ l/n bei konstanter Ma­ schinenspannung U. Bei der Darstellung in Fig. 1 ist ein Dreh­ zahlverhältnis von n_max : n_N=4 : 1 zugrundegelegt. Dementsprechend sind auf der Flußkurve vier charakteristische Betriebspunkte gekennzeichnet. Zwischen den Betriebspunkten 0 und 1 liegt Be­ trieb mit vollem Feld und maximal möglichem Drehmoment vor. Der Betriebspunkt 1 entspricht der Grund- bzw. Nenndrehzahl n=n_N; der Betriebspunkt 2 der doppelten Nenndrehzahl n=2.n_N und der Betriebspunkt 4 der maximalen Drehzahl n_max=4.n_N.

Mit ⌀_M ist der von den permanentmagnetbestückten Abschnitten erzeugte Permanentmagnetfluß und mit ⌀_R der von den weichmagne­ tischen Abschnitten, dem Reluktanzteil, mittels der stromdurch­ flossenen Ankerwicklung erzeugte Reluktanzfluß bezeichnet. Je nach Betriebsbereich wird die Längskomponente der Ankerdurch­ flutung so gesteuert, daß sich der in seiner Größe veränderbare Reluktanzfluß ⌀_R zu bzw. von dem Permanentmagnetfluß ⌀_M zum resultierenden Gesamtfluß ⌀ addiert bzw. subtrahiert.

Infolge der erfindungsgemäßen Flußüberlagerung im Ständereisen ergibt sich im Feldschwächbetrieb bei einer über der Nenndreh­ zahl n_N der Maschine liegenden Drehzahl n eine verminderte Fluß­ dichte im Ständereisen. Für die Eisenverluste gilt V_Fe ≈ f^1,5.B², wobei f die Frequenz und B die Flußdichte im Ständereisen bedeu­ tet. Im Betriebspunkt 4 mit vierfacher Drehzahl gilt damit für die Frequenz f₄=4.f₁ und für die Flußdichte B₄= 0,25 B₁. Da­ mit ergibt sich für die in diesem Beispiel bei maximaler Dreh­ zahl und bei Nenndrehzahl auftretenden Eisenverluste im Ständer­ joch ein Verhältnis von V_Fe4/V_Fel=4^1,5.0,25²=0,5.

Die Eisenverluste sind damit bei der maximalen Drehzahl, d. h. der vierfachen Nenndrehzahl nur noch halb so groß wie bei der Nenndrehzahl der Maschine.

Erfolgt dagegen aufgrund des konstruktiven Aufbaus der Maschine gemäß dem Stand der Technik keine Flußüberlagerung im Ständer­ eisen, so herrscht bei der Nenndrehzahl - Betriebspunkt 1 - und der maximalen Drehzahl n_max=4.n_N - Betriebspunkt 4 - in dem Magnetteil M und dem Reluktanzteil R jeweils die gleiche Fluß­ dichte. Es gilt damit V_Fe4/V_Fel=4^1,5.1²=8. Die Eisenver­ luste steigen somit bei einer solchen Maschine bei der maximalen Drehzahl auf das Achtfache. Im Vergleich hierzu verringern sich die Eisenverluste im Ständerjoch der erfindungsgemäßen Maschine beim obersten Betriebspunkt 4 um den Faktor 16.

In den Fig. 2-8 sind Ausführungsformen von Läufern gezeigt, durch die eine Überlagerung des Permanentmagnetflusses ⌀_M und des Reluktanzflusses ⌀_R im Ständer erreicht wird.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten zweipoligen Läufer ist z. B. auf der rechten Seite jeder Pol N und S über etwas mehr als die Hälfte seiner Polbreite mit einem Permanentmagneten 5 bzw. 6 bestückt. Dieser Bereich bildet somit den Magnetteil M. Der restliche Bereich 7 der Polbreite auf der linken Seite besteht aus weich­ magnetischem Material, das sich bis zum Luftspalt der Maschine erstreckt. Dieser Bereich bildet somit den Reluktanzteil R. Sowohl in dem Reluktanzteil R als auch dem Magnetteil M können die Läuferkerne vorteilhaft aus sich abwechselnden weichmagne­ tischen und amagnetischen Schichten 8 und 9 bestehen. Hierdurch wird der magnetische Widerstand in der Querachse q erhöht.

Bei den zweipoligen Ausführungsvarianten des Läufers nach den Fig. 3 und 4 sind symmetrisch zur magnetischen Längsachse d je­ weils drei Abschnitte angeordnet. Der Läufer nach Fig. 3 besitzt einen zentralen Reluktanzteil R, zu dessen beiden Seiten jeweils ein Magnetteil M angeordnet ist. Bei dem Läufer nach Fig. 4 ist diese Anordnung umgekehrt. Der Magnetteil M liegt in der Mitte und zwei Reluktanzteile R sind zu beiden Seiten des Magnet­ teiles M angefügt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen vierpolige Ausführungsvarianten eines Läufers. Die Variante nach Fig. 5 weist wiederum einen mittig angeordneten Reluktanzteil R und seitlich dazu angeordnete Magnetteile M auf. Bei der Variante nach Fig. 6 ist der Magnet­ teil M in der Mitte zwischen zwei Reluktanzteilen R angeord­ net.

Die in den Fig. 3 und 4 bzw. 5 und 6 gezeigten Varianten können auch gemeinsam in einem Läufer verwirklicht werden. Hierzu wer­ den diese Varianten in axial aufeinanderfolgenden Bereichen des Läufers abwechselnd angeordnet. Ferner können auch asymmetrisch strukturierte Läuferabschnitte (Fig. 2) abwechselnd spiegelbild­ lich zueinander angeordnet werden.

Mit derartigen in den Ansprüchen 6 bis 8 beschriebenen Anord­ nungen wird erreicht, daß sich der zeitliche Verlauf des mit der Ankerwicklung verketteten Gesamtflusses und damit die Kurvenform der induzierten Maschinenspannung innerhalb des gesamten Feld­ schwächbereiches nicht′ bzw. nur geringfügig verändert.

Die Maxima der elektromagnetisch erzeugten Drehmomente treten im Magnetteil M und im Reluktanzteil R bei unterschiedlichen Polradwinkeln auf. Das Drehmoment erreicht im Magnetteil M bei einem Polradwinkel von 90^o el. und das im Reluktanzteil R bei einem Polradwinkel von 45^o el. sein Maximum. Ein maximal nutz­ bares Drehmoment läßt sich dann erreichen, wenn die magnetischen Längsachsen d1 und d2 der beiden Abschnitte M und R so gegen­ einander versetzt werden, daß beide Drehmomentmaxima zusammen­ fallen. Hierzu muß die gegenseitige Relativlage der beiden Ab­ schnitte M und R um ca. 45^o el, d. h. um 1/4 Polteilung vescho­ ben werden.

Eine solche vorteilhafte Winkelverschiebung läßt sich auch bei einem gemeinsamen Flußpfad für den Magnetfluß ⌀_M der Permanent­ magnete und den Reluktanzfluß ⌀_R mit der in den Fig. 7 und 8 ge­ zeigten Läuferausführung erreichen. Bei dieser Läuferkonstruk­ tion, mit abwechselnd aus weichmagnetischen und amagnetischen Schichten 8 und 9 gebildeten Läuferkernen, liegt der Magnetteil M des einen Poles S dem Magnetteil M des anderen Poles H schräg gegenüber, desgleichen die Reluktanzteile R der beiden Pole H und S. Hierdurch ergibt sich zwischen den beiden Längsachsen d1 und d2 des Magnetteiles M und des Reluktanzteiles R ein Winkel­ versatz. Der Winkelversatz kann so gewählt werden, daß die Dreh­ momentmaxima deckungsgleich sind und damit für das nutzbare Drehmoment ein Maximalwert erreicht wird.

Sowohl die Verminderung der Eisenverluste im Feldschwächbereich zwischen den Betriebspunkten 1 bis 4, insbesondere im Betriebs­ punkt 4, als auch die Erhöhung des nutzbaren maximalen Drehmo­ mentes zwischen den Betriebspunkten 0 und 1 werden ohne Mehrauf­ wendungen von Material allein durch entsprechende konstruktive Gestaltung des Läufers erreicht.

Claims (9)

1. Mehrphasige permanentmagneterregte elektrische Maschine synchroner Bauart mit einer über Stromrichter derart gespeisten Ständerwicklung, daß außer dem von den Permanentmagneten erzeug­ ten Magnetfluß (⌀_M) ein zusätzlicher Flußanteil (Reluktanzfluß ⌀_R) durch die stromdurchflossene Ankerwicklung erzeugt wird, wobei die Ankerwicklung mit der vektoriellen Summe aus beiden Flußanteilen (∂_M und ⌀_R) verkettet ist, bei welcher Maschine der Läufer mindestens einen mit Permanentmagneten bestückten Abschnitt (M) und mindestens einen aus weichmagnetischem Mate­ rial bestehenden Reluktanz-Abschnitt (R) aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (M und R) so angeordnet sind, daß sich im Ständer der Maschine ein gemeinsamer Flußpfad für den Magnetfluß der Permanentmagnete (⌀_M) und den zusätzlichen Flußanteil (Reluktanzfluß ⌀_R) ergibt und/oder daß die Abschnitte (M und R) mit ihren magnetischen Achsen (d1, d2) in Umfangsrichtung gegeneinander winkelversetzt sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Abschnitte (M, R) an jedem Läuferpol in Umfangsrichtung des Läufers aufeinander folgend angeordnet sind.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je Läuferpol ein oder mehrere permanentmagnetbestückte Abschnitte (M) und ein oder mehrere weichmagnetische Abschnitte (R) angeordnet sind.

4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Polen (N, S) eines Polpaares die permanentbestück­ ten und die weichmagnetischen Abschnitte (M,öR) mit ihren magnetischen Achsen (d1, d2) in Umfangsrichtung gegeneinander winkelversetzt sind.

5. Maschine nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelversatz zwischen den magnetischen Achsen (d1, d2) etwa 45^o el. beträgt.

6. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abschnitte (M, R) am Läufer in axial hinter­ einanderliegenden Bereichen abwechselnd in unterschiedlicher Strukturierung zueinander angeordnet sind.

7. Maschine nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine jeweils asymmetrische, abwechselnd spiegelbildliche Strukturierung der Abschnitte.

8. Maschine nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine jeweils hinsichtlich der Reihenfolge der Abschnitte (M und R) geänderte Strukturierung.

9. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine abwechselnd aus weichmagnetischen (8) und amagnetischen Schichten (9) gebil­ deten Längsstruktur der Läuferkerne.