DE4421594A1

DE4421594A1 - Vorrichtung zur Veränderung der magnetischen Luftspaltinduktion in elektromechanischen Energiewandlern, bei denen der magnetische Widerstand des magnetischen Schließungskreises in der Maschine variabel ist

Info

Publication number: DE4421594A1
Application number: DE19944421594
Authority: DE
Inventors: Bernhard Kraser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-06-21
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1996-01-04

Description

Gattung des Anmeldungsgegenstandes

Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektromechanischen Energiewandler und ist sowohl für Rotationsmaschinen als auch für Linearmotoren nutzbar. Da Rotationsmaschinen deut lich verbreiteter sind als Linearmotoren ist die Beschreibung in erster Linie auf diesen Typ bezogen.

Zum Energiewandlungsprozeß sind ein magnetisches Feld sowie ein stromdurchflossener Leiter, der sich in diesem Feld bewegt, nötig. Das Magnetfeld wird entweder mittels strom durchflossener Wicklungen erregt oder durch Permanentmagneten erzeugt. Die maßgeben den physikalischen Größen zur Charakterisierung eines magnetischen Feldes sind Feldstärke und Induktion. Alle elektromechanischen Energiewandler enthalten hochpermeable Mate rialien wie Ferromagneten, um das zum Energiewandlungsprozeß erforderliche magnetische Feld gezielt zu führen und die Induktion anzuheben. Dadurch wird die Effizienz des Wand lers in verschiedener Hinsicht stark erhöht.

Die Erfindung gestattet die Veränderung der Querschnitte der in Rotor und Stator zur Feldführung eingesetzten Materialien und ermöglicht so eine Veränderung der Induktion in weiten Bereichen. Da die Erfindung auf der Veränderung des Querschnitts beruht, ist sie in allen elektromechanischen Energiewandlern einsetzbar.

Eine Veränderung der Induktion in der Maschine ist besonders bei drehzahlvariablen An trieben von Bedeutung. Meist besteht die Anforderung, ab der Drehzahl, bei der das erste Mal die Nennleistung erreicht wird (Nenndrehzahl), die Drehzahl weiter anzuheben und dabei die abgegebene Leistung konstant zu halten. Um das Spannungsniveau der Spei sequelle niedrig zu halten ist hierzu ein Absenken der Induktion d. h. eine Schwächung des magnetischen Feldes erforderlich. Man nennt den Drehzahlbereich konstanter Leistung oberhalb der Nenndrehzahl deshalb Feldschwächbereich.

Wird das magnetische Feld der Maschine durch einen elektrischen Strom erregt, ist eine Veränderung der Induktion in der Regel leicht möglich. In diesen Fällen wird der durch die Erfindung nötige Zusatzaufwand nicht unter dem Aufwand für eine elektrische Veränderung des Magnetfeldes liegen. Demgegenüber ist ein Feldschwächbetrieb bei permanenterregten Maschinen bisher mit zahlreichen Schwierigkeiten und Nachteilen verbunden. Hier bietet die Erfindung deutliche Vorteile gegenüber den bisher aufgezeigten Wegen. Der Hauptan wendungsbereich der Erfindung wird somit bei den permanenterregten Maschinen liegen.

Stand der Technik

Bei Generierung der Felder durch elektrische Ströme kann die Induktion meist einfach verändert werden, auch wenn hierfür - wie bei der Asynchronmaschine - spezielle Steu erverfahren benötigt werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt in einem ständig zur Felderzeugung erforderlichen separaten Strom oder Stromanteil, der Verluste verursacht und so den Wirkungsgrad verschlechtert. Dieser Nachteil kann bei den Maschinentypen vermieden werden, bei denen das Feld durch Permanentmagneten erzeugt werden kann. Diesem Vorteil steht der Nachteil gegenüber, daß die Stärke eines von Permanentmagne ten erzeugten Feldes vergleichsweise schlecht verändert werden kann.

Eines der heute zur Verfügung stehenden Feldschwächverfahren arbeitet mit einer teilwei sen Ab- und Aufmagnetisierung der Permanentmagneten. Die hierfür nötigen magneti schen Felder werden durch die Ankerwicklung erzeugt. Dieses Verfahren eignet sich aller dings nicht für Hochenergiemagneten auf Basis von SmCo (Samarium-Cobalt) und NdFeB (Neodym-Eisen-Bor). Diese Magneten besitzen so hohe Koerzitivfeldstärken und Rema nenzinduktionen, daß ein Verändern des Magnetisierungszustands mit den in einem elek tromechanischen Energiewandler erreichbaren Feldstärken nicht möglich ist. Nur durch Kombination von mehreren Magnetmaterialien, wobei ein Material mit geringer Koerzi tivfeldstärke enthalten sein muß, kann dieses Verfahren auch angewandt werden, wenn der andere Teil der Permanentmagneten aus Seltenerdmagneten bestehen soll. Ein Nachteil bleibt auch in diesem Fall bestehen: Die Ströme müssen nach erfolgter Ummagnetisierung gering gehalten werden, um ein unbeabsichtigtes Ummagnetisieren zu vermeiden. Dies re duziert die maximal mögliche Ausnutzung des Potentials der Seltenerdmagneten. Erhöhter Magnetmaterialbedarf und größere Abmessungen sind die Folge.

(Weschta, A.: Schwächung des Erregerfelds bei einer dauermagneterregten Synchronma schine, etz Archiv 7 (1985); 79-84).

Eine weitere Methode benutzt die Magnetfelder des Statorstrombelags um das Feld der Permanentmagneten gezielt zu schwächen. Im Gegensatz zum ersten Verfahren ist hier die Entmagnetisierung der Permanentmagneten reversibel; d. h. nach Wegfall des äußeren Feldes - hier das magnetische Feld des Statorstrombelags - besitzen die Permanentma gneten den ursprünglichen Magnetisierungszustand. Aus diesem Grund kann hier auch bei SmCo- und NdFeB-Magneten eine Feldschwächung erreicht werden. Um mit diesem Verfahren bei diesen Seltenerdmagneten eine signifikante Feldschwächung zu erreichen, sind jedoch Ströme nötig, die in der Größenordnung der Ströme liegen, die zum Aufbau des Drehmoments dienen. Diese hohen Ströme führen zu Nachteilen im Wirkungsgrad im Feldschwächbereich und machen einen größeren Stromrichter erforderlich.

(Leitgeb, W.: Die Grenzen permanentmagneterregter Mehrphasenmaschinen mit Feld schwächung über die Ankerwicklung. Archiv für Elektrotechnik 72 (1989); 19-26).

Die dritte Methode beruht auf der gegenseitigen Verschiebung von Rotor und Stator in axialer Richtung. Besonders klar wird die Funktion bei Maschinen mit scheibenförmigem Luftspalt (anstatt des sonst üblichen zylinderförmigen Luftspalts). Werden Rotor und Sta tor in axialer Richtung um einige Millimeter verschoben, so reduziert sich die Induktion der Permanentmagneten bedeutend und es wird ein großer Feldschwächbereich möglich. Bei Maschinen mit zylindrischem Luftspalt führt ein Auseinanderschieben in axialer Rich tung zu einer verminderten Überdeckung von Rotor und Stator, was ebenfalls einen erwei terten Drehzahlbereich ermöglicht. Bei Anwendung des Verfahrens bei diesen Maschinen verlängert sich die Maschine in Abhängigkeit vom gewünschten Feldschwächgrad um bis zu 80%. Der Gewinn an kompakter Bauform, der sich durch den Einsatz von Seltenerd magneten gewinnen läßt, geht dadurch teilweise wieder verloren.

Es sei angemerkt, daß diese Verfahren in der Literatur nicht zu finden waren. Die Infor mationen stammen von einem Industriebetrieb, der diese Methode untersucht hat.

Schließlich besteht noch die Möglichkeit, an jedem einzelnen Permanentmagneten eine Wicklung anzubringen, die je nach Stromflußrichtung das Feld des Magneten auf- oder abbaut. Nachteilig wirkt sich hier der erforderliche Zusatzaufwand (Wicklung, Schleifringe und Stromversorgung) aus.

(Eriksson, S.: Antriebssysteme mit permanenterregten Synchronmotoren. 4. Aachener Kol loquium Fahrzeug- und Motorentechnik '93; 733-742).

Problem

Die Aufgabe besteht darin, die kompakte Bauform und den hohen Wirkungsgrad - in Ma schine und Stromrichter - einer nicht feldgeschwächten mit Hochenergiemagneten erregten Maschine auf den Feldschwächbereich und den Teillastbereich zu erweitern. So soll ein Be triebsverhalten ähnlich dem von elektrisch erregten Maschinen erreicht werden, wobei die Vorteile der Verlustlosigkeit und der hohen Energiedichte bei Permanenterregung erhalten bleiben.

Lösung

Die angegebenen Verfahren erreichen dies über eine Verschiebung oder Drehung oder son stige Lageänderung verschiedener Bauteile, bei denen es sich auch um Eisenspäne handeln kann, im magnetischen Schließungskreis des Feldes der Permanentmagneten. In Abhängig keit von der Position der Bauteile verändert sich die Luftspaltinduktion, die die maßge bende Größe im Betrieb der Maschine darstellt.

Vorteile

Durch die zahlreichen Ausführungsformen kann jeweils die geeignetste Variante für den speziellen Anwendungsfall gewählt werden. Grundsätzlich stehen durch die fliehkraftge steuerten Verfahren im Rotor einfache zuverlässige Methoden zur Verfügung, die auf der anderen Seite durch die direkt gesteuerten Verfahren im Stator ergänzt werden. Für Spezi alfälle kann auch im Rotor eine direkte Steuerung angebracht werden. Dieser Fall ist jedoch am aufwendigsten und wird nur Verwendung finden, wenn eine Feldschwächung im Stator nicht möglich ist. Bei einem Wunsch nach besonders starker Feldschwächung, die nicht mit einer Ausführungsform allein realisierbar ist, kann je eine Vorrichtung in Rotor und Stator vorgesehen werden.

Durch die Feldschwächung auf rein mechanischem Weg kann der Stromrichteraufwand auf einem Minimum gehalten werden. Reserven für Auf- und Abmagnetisierung der Magneten bzw. für feldschwächende Statorstromkomponenten sind nicht erforderlich.

Durch das reduzierte magnetische Feld im Stator reduzieren sich die Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste erheblich. Gerade im Hinblick auf die Einsatzmöglichkeiten von Hochenergiemagneten ist dies von großer Bedeutung.

Die meisten der angegebenen Ausführungsformen lassen sich relativ leicht realisieren, was ihren Einsatz bei hohen Stückzahlen gestattet.

Bei Anwendung der gesteuerten Verfahren kann im Teillastbetrieb die Induktion auf den gerade unbedingt erforderlichen Wert eingestellt werden, um die Eisenverluste minimal zu halten.

Die irreversible Entmagnetisierung der Permanentmagneten versagt bei Seltenerdmagne ten. Da die Erfindung ohne Entmagnetisierung der Magneten arbeitet, ist das hier aufge zeigte Verfahren unabhängig vom Magnettyp einsetzbar.

Das Feld der Permanentmagneten wird durch mechanische Verfahren geschwächt. Zusätz liche Stromwärmeverluste während des Betriebs fallen deshalb nicht an. Der Strom kann im ganzen Feldschwächbereich konstant gehalten werden, so daß auch der Leistungsfaktor im Feldschwächbereich stets auf cosϕ = 1 geregelt werden kann. Das bedeutet, daß der Energiewandler stets nur Wirkleistung aus dem Stromrichter aufnimmt. Andererseits kann der Leistungsfaktor einer am Netz betriebenen Maschine durch die Erfindung eingestellt werden. Gerade im Hinblick auf Windkraftanlagen oder andere dezentrale Erzeuger bzw. Verbraucher, die an schwachen Netzauslegern angeschlossen sind, kann dies von Bedeutung sein.

Die Erfindung benötigt nach erfolgter Einstellung eines bestimmten Feldschwächgrades kei ne weitere Energiezufuhr. Es ist ein deutlich besserer Wirkungsgrad im Feldschwächbereich als bei den Feldschwächverfahren zu erwarten, die einen ständigen Stromfluß benötigen um das Feld zu reduzieren.

Die dritte der oben aufgezeigten Feldschwächmethoden bietet bei Scheibenläufermotoren eine gute Möglichkeit zur Feldschwächung. Bei Maschinen mit zylindrischem Luftspalt erhöht sich die Baulänge dagegen erheblich. Eine konische Form von Rotor und Stator kann diesen Effekt reduzieren, ist aber schwieriger zu fertigen. Bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der zusätzliche Bauraum zur Realisierung sehr gering. So läßt sich die kompakte Bauform von permanenterregten Maschinen mit Seltenerdmagneten voll nut zen.

Ausführungsbeispiele Einführung

Die folgenden Beschreibungen sind speziell für Maschinen mit Permanentmagneten im Ro tor gedacht. Die zugrunde liegenden Prinzipien können jedoch problemlos auch bei elek trisch erregten Maschinen angewandt werden. Die Zeichnungen und die Beschreibung der Ausführungsformen sind innerhalb der Gruppe der permanenterregten Maschine auf einen bestimmten Maschinentyp, die Modulare Dauermagnetmaschine, bezogen.

(Bausch, H.; Kolletschke, H.-D.: A Novel Polyphase Multipole Permanent-Magnet-Machine For Wheel Drive Applications. ICEM, Lausanne 1984 Proceedings; 591-594).

Der einfacheren Zeichenbarkeit halber wurden die Abbildungen in der räumlichen Abwick lung dargestellt; so wird auch die Analogie von Außen- und Innenläufermaschinen klar.

Wie bereits erwähnt, führt eine Schwächung des magnetisch wirksamen Eisenquerschnitts an beliebiger Stelle (Rotorjoch, Statorjoch und Statorzähne) zum gewünschten Erfolg. Ebenso ist eine Vergrößerung des Luftspalts geeignet, das Magnetfeld der Permanentma gneten zu schwächen. Diese Luftspaltvergrößerung kann entweder durch eine Durchmes serreduktion im Rotor (Innenläufer) bzw. Stator (Außenläufer) oder eine Durchmesserver größerung im Stator (Innenläufer) bzw. Rotor (Außenläufer) erreicht werden.

Die beschriebenen Ausführungsformen beruhen alle auf der Verstellung von bestimmten Teilen des magnetischen Schließungskreises. Diese Verstellung - eine lineare oder rotatori sche Bewegung - kann grundsätzlich auf beliebige Weise erfolgen:

Im Stator kann sie durch einen von der übergeordneten Steuerung kontrollierten Antrieb (z. B. elektrisch oder hydraulisch) erfolgen. Dieser Antrieb kann verhältnismäßig leistungs schwach ausgeführt sein, da die erforderlichen Verstelleistungen gering sind. Grundsätzlich kann auch im Rotor ein solcher Antrieb vorgesehen werden. Bei den geringen benötig ten Leistungen kann auch eine berührungsfreie also schleifringlose und damit wartungs freie Ausführung gewählt werden. Der Aufwand für ein solches Steuerverfahren mit Ein griffsmöglichkeit von außen ist jedoch höher als im Stator. Um die Eigenschaften der ein zelnen Ausführungsformen und die jeweils erreichbare Feldschwächung zu bestimmen, sind solche Steuerungen bei Labormustern durchaus sinnvoll. Diese Steuerverfahren sollen "di rekte Steuerverfahren" genannt werden.

Völlig ohne Ansteuerung kommen dagegen die Verstellverfahren für den Rotor aus, die die Fliehkraft nutzen. Dem steht der Nachteil gegenüber, daß ein Eingriff von außen nicht möglich ist. Deshalb ist ein wirkungsgradoptimierter Teillastbetrieb nicht möglich. Das Feld darf bei einer bestimmten Drehzahl nur so weit geschwächt werden, daß das Drehmoment zum Erreichen der Nennleistung stets aufgebracht werden kann. Grundsätzlich soll das Feld ab der Nenndrehzahl meist umgekehrt proportional zur Drehzahl abnehmen. Die Fliehkraft steigt allerdings mit dem Quadrat der Drehzahl an. Läßt man nun der auf die bewegli chen Teile wirkenden Fliehkraft eine Federkraft entgegenwirken, die entsprechend einer bestimmten Funktion (z. B. Hooksches Gesetz) mit der Auslenkung zunimmt, so resultiert eine Auslenkung, die in berechenbarer Weise mit der Drehzahl zunimmt. Wenn schließ lich die Funktion bekannt ist, entsprechend der eine zunehmende Auslenkung das Feld schwächt, so läßt sich der Zusammenhang von Drehzahl und Feldstärke bestimmen. Durch die Auswahl bestimmter Federcharakteristiken lassen sich zusammen mit den verschie denen Ausführungsformen unterschiedliche Funktionen der Induktion über der Drehzahl erreichen. Ferner kann eine Feldschwächung bis zur Nenndrehzahl durch Vorspannen der Feder verhindert werden. Durch Verändern der Federkonstanten bzw. der Bauteile, die sich unter dem Einfluß der Fliehkraft bewegen sollen, kann die Feldschwächcharakteristik an die im Betrieb auftretenden Umfangsgeschwindigkeiten angepaßt werden. Die Ausführungsfor men nach den Ansprüchen 2-5 machen sich dieses Prinzip zunutze. Innerhalb dieser Klasse von Ausführungsformen kann noch unterschieden werden zwischen den Mechanismen, bei denen das feldschwächende Bauteil und das Bauteil, auf das die Fliehkraft wirkt, iden tisch sind (z. B. Ausführungsform 3 und 4 für Außenläufer und auch Ausführungsform 5 für Innen- und Außenläufer) und denjenigen, bei denen es sich um zwei verschiedene Bau teile handelt (z. B. Ausführungsform 1 und 2 für Außenläufer). Weiterhin kann die durch magnetische Influenz erzeugte Anziehungskraft genutzt werden, um der Drehzahl entge genzuwirken. Die Stärke dieser Kraft kann jedoch nicht so einfach verändert werden wie die Federkräfte in dem oben angegebenen Prinzip. Die Anwendbarkeit der Ausführungsform nach Anspruch 6, die auf diesem Prinzip beruht, wird deshalb auf einen engen Bereich von Umfangsgeschwindigkeiten begrenzt sein. Eine Einflußmöglichkeit besteht in der Auswahl von Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte, da hierdurch die auf die Eisenspäne wirkende Kraft verändert werden kann. Ob jedoch eine ausreichende Zahl geeigneter Flüssigkeiten gefunden werden kann, ist fraglich. Alle Verfahren, die die Fliehkraft nutzen, um die erfor derlichen Stellbewegungen auszuführen, werden mit "Fliehkraftsteuerung" bezeichnet.

Die nun beschriebenen Ausführungsformen geben je eine Realisierungsmöglichkeit der in den Ansprüchen 2-6 genannten Grundgedanken an. Dabei wird auf Unterschiede bei der Realisierung in Rotor und Stator, sowie bei Außen- und Innenläufermaschinen hingewiesen. Bauteile mit gleicher Funktion in Rotor und Stator sind gleich bezeichnet, auch wenn die Bezeichnung sinngemäß angepaßt werden muß (z. B. Statorjoch statt Rotorjoch). Die Beschreibung ist unabhängig von der gewählten Ansteuerung. Abschließend wird für jede Ausführungsform eine mögliche Konstruktion für die Fliehkraftansteuerung erläutert, die in der rechten Bildhälfte in den Zeichnungen für den Rotor dargestellt ist.

Ausführungsbeispiel 1: Drehbarer Zylinder mit Eisenelementen Rotor: (Zeichnung 1.1)

Die Permanentmagneten (1) sind auf einem dünnwandigen Eisenzylinder (2) aufgeklebt. Auf diesem Zylinder befindet sich ein weiterer Zylinder (3), der den ersten Zylinder um schließt. Zylinder 2 (3) soll den Zylinder 1 (2) eng umschließen (geringer Luftspalt), muß aber eine Verdrehbarkeit der Zylinder gegeneinander ermöglichen. Im zweiten Zylinder, der aus einem niederpermeablen Material wie glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) be steht, sind Eisenstücke (4) eingebettet. Befindet sich Zylinder 2 gegen Zylinder 1 in der Position "A", können sich viele Feldlinien über die Ferromagnetika in Zylinder 2 schließen. Der Feldlinienfluß ist hoch und eine hohe Luftspaltinduktion ist die Folge. Verdreht man Zylinder 2 in die Position "B", können sich die Feldlinien nur noch über Zylinder 1 oder über das niederpermeable Material in Zylinder 2 schließen. Dies führt zu einem höheren magnetischem Widerstand des magnetischen Rückschlusses, da die Dicke von Zylinder 1 so gewählt wird, daß dieser stark gesättigt ist, wenn die meisten Feldlinien sich über diesen Weg schließen müssen. Die wenigen Feldlinien, die sich über Zylinder 2 schließen, verlaufen über einige Millimeter durch das niederpermeable Material, was ebenfalls einen höheren magnetischen Widerstand für diesen Feldanteil bedeutet. Durch das Verdrehen des Zy linders 2 von Position "A" nach Position "B" wird der Feldlinienverlauf immer stärker behindert, was eine verminderte Induktion zur Folge hat. Entsprechend dem angegebenen Konstruktionsgedanken kann diese Ausführungsform auch bei Innenläufermaschinen ver wendet werden. Bei dieser und allen anderen Ausführungsformen, die im Rotor angebracht werden, sind Statorblechpaket (7) und Statorwicklung (6) identisch aufgebaut.

Stator: (Zeichnung 1.2)

Die Ausführungsform 1 entspricht bei Einbau in den Stator von Innen- und Außenläufer maschinen völlig der für den Rotor beschriebenen Konstruktion. Eine Beschreibung der Funktion soll deshalb entfallen. Ein Unterschied ergibt sich für das Rotorjoch (14) das hier für den vollen Fluß ausgelegt ist. Das Statorblechpaket (37) ist dagegen im Jochbereich geschwächt.

Fliehkraftverstellung: (Zeichnung 1.1)

Der für zwei nebeneinanderliegende Permanentmagneten eingezeichnete Mechanismus ge stattet die Verstellung von Zylinder 2 durch die Fliehkraft. Dabei bewegt sich das Ge wicht (8), das an einem Hebel (9) angebracht ist entgegen der Kraft einer Spiralfeder (10) nach außen. Die Spiralfeder ist in der Draufsicht gezeichnet. Das eine Ende der Feder ist im GFK-Material von Zylinder 2, das andere im Hebel befestigt. Die Spiralfeder wird durch die Verdrehung des Hebels auf Torsion - bezogen auf ihre Längsachse - beansprucht. Durch die beschriebene Bewegung verdreht sich die Achse (11) auf der das Zahnrad (12) montiert ist. Das Zahnrad greift in einen auf Zylinder 1 angebrachten Zahnkranz (13) und verschiebt Zylinder 2 gegenüber Zylinder 1 nach links. Der Durchmesser des Zahnrads ist so zu be messen, daß eine Vierteldrehung gerade der Verschiebung um eine halbe Rotorpolteilung entspricht. Die Anzahl der Verstelleinrichtungen am Umfang ist grundsätzlich beliebig. Zur Vermeidung von Unwuchten sollte aber auf eine symmetrische Anordnung geachtet werden. Eine Anwendung des oben beschriebenen Mechanismus bei Innenläufermaschinen ist analog zur obigen Beschreibung möglich.

Ausführungsbeispiel 2: Drehbare Stifte mit Schlitzung Rotor: (Zeichnung 2.1)

Der Rotor besteht aus einem Eisenzylinder (18) auf dem die Permanentmagneten (1) in nen aufgeklebt sind. Die Wandstärke wird so gewählt, daß das Rotoreisen durch das Feld der Permanentmagneten, dessen magnetischen Rückschluß es bildet, leicht in Sättigung geht. Der Eisenzylinder weist an den Stoßstellen der Permanentmagneten axiale Bohrun gen (15) im Material auf. In diesen Bohrungen befinden sich Stifte (16), die in der Mitte eine Schlitzung (17) aufweisen. Statt eines Schlitzes sind auch mehrere parallele, schmale Schlitze denkbar. Die Passung von Stift und Bohrung ist so zu wählen, daß eine Verdre hung nur geringen Kraftaufwand erfordert. Durch Verdrehen der Stifte von Position "A" nach Position "B" kann der magnetische Widerstand gesteigert werden, was wiederum ei ner Feldschwächung entspricht. Verwendet man für die Stifte ein kornorientiertes Material, kann die Wirkung noch verstärkt werden. Diese Konstruktion läßt sich genauso auch bei einer Innenläufermaschine einsetzen.

Stator: (Zeichnung 2.2)

Völlig analog zur Ausführungsform für den Rotor werden hier die Bohrungen im Stator blechpaket (38) im Jochbereich zwischen den Zähnen angebracht. Eine nochmalige Er klärung der Funktionsweise soll entfallen.

Fliehkraftverstellung: (Zeichnung 2.1)

Eine Verstellung der Stifte kann wie bei den beiden rechts im Bild befindlichen Stiften realisiert werden. Entscheidet man sich für diesen Verstellmechanismus, müssen alle Stif te damit ausgestattet werden. Die Stifte werden bei geringen Drehzahlen durch Spiralfe dern (19) zunächst in Position "A" gehalten. Bei steigenden Drehzahlen bewegen sich die an den Stiften angebrachten Hebel (20), auf denen Gewichte (21) sitzen, durch die Fliehkräfte nach außen bis schließlich Position "B" erreicht wird. Die wiederum auf Torsion belasteten Spiralfedern wirken dabei der Fliehkraft entgegen und gestatten die Rückstellung der Stif te bei Drehzahlrückgang. Bei einer Innenläufermaschine arbeitet die Fliehkraftverstellung völlig analog.

Ausführungsbeispiel 3: Verschiebliche Eisenstäbe in Nuten Rotor: (Zeichnung 3.1)

Wie bisher befinden sich die Permanentmagneten (1) auf einem Zylinder (22) aus ferro magnetischem Material. Die Dicke des Zylinders 1 (22) ist so gewählt, daß das Material leicht in die Sättigung kommt. Im Rotor sind axiale Nuten (23) vorgesehen, in denen sich Eisenstäbe (24) befinden, die den Nutraum vollständig ausfüllen und nur einen möglichst geringen Luftspalt an den Rändern freilassen. Um den Zylinder 1 befindet sich ein zweiter Zylinder (25) z. B. aus GFK, der auf dem Umfang an den gleichen Stellen wie Zylinder 1 Nuten (26) der gleichen Breite und mindestens gleicher Tiefe an seiner Innenseite aufweist. Befinden sich die Stäbe vollständig in der Nut, können sich die Feldlinien auf einem großen Querschnitt im Eisen schließen (Position "A"). Verschiebt man dagegen die Stäbe in die Nuten des Zylinders 2 müssen sich die Feldlinien über Luft oder über den schmalen Steg an der Unterseite von Zylinder 1 schließen, der dadurch zunehmend sättigt und so seinen magnetischen Widerstand vergrößert (Position "B"). Eine Anwendung des Prinzips bei Innenläufern ist ebenso wie bei Außenläufern möglich.

Stator: (Zeichnung 3.2)

Auch hier ist die Ausführungsform für den Stator völlig analog zur Rotorkonstruktion rea lisierbar. Das Statorblechpaket (39) ist dazu zwischen den Zähnen mit Nuten zu versehen.

Fliehkraftverstellung: (Zeichnung 3.1)

In den Nuten von Zylinder 2 befinden sich Federn (27), die die Eisenstäbe in die Nut drücken. Bei niedrigen Drehzahlen befinden sich die Stäbe vollständig in der Nut. Steigt die Drehzahl, werden die Eisenstäbe durch die Fliehkraft entgegen der Federkraft nach außen gedrückt. Es muß sich in jeder Nut mindestens eine Feder befinden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Bei Verwendung einer speziellen Geometrie für den Rotorblechquer schnitt ist dieses Verfahren auch für Innenläufermaschinen anwendbar. Man kann aber auch die gleiche Geometrie, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, verwenden, wenn die Eisenstäbe entgegen der Fliehkraft aus der Nut gedrückt werden. Hierzu kann z. B. ein ähn licher Mechanismus verwendet werden, wie er in Ausführungsform 1 beschrieben wurde.

Ausführungsbeispiel 4: Verschiebung der Permanentmagneten bzw. Statorzähne Rotor: (Zeichnung 4.1)

Bei dieser Ausführungsform sind die Permanentmagneten auf quaderförmigen Ei senstücken (28) angebracht. Diese Elemente befinden sich in einem Käfig (29) aus fer romagnetischem Material, der von einem GFK-Zylinder (30) umgeben ist. Die zwischen den Dauermagnet-Eisenelementen liegenden Abschnitte des Käfigs müssen dabei der Krümmung des Rotors angepaßt sein. Die Induktion ist dann am höchsten, wenn die Elemente dem Stator am nächsten sind (Position "A"). Werden die Elemente weiter in den Käfig eingeschoben, vergrößert sich der Luftspalt, was einer Verringerung der Induk tion entspricht (Position "B"). Bei der Verschiebung ist darauf zu achten, daß sich die Elemente alle gleichweit in den Käfig hineinbewegen, um unterschiedliche Abstände der Elemente vom Stator zu vermeiden. Dies könnte zu unsymmetrischen Radialkräften und damit Unwuchten im Rotor führen.

Stator: (Zeichnung 4.2)

Genau das gleiche Konstruktionsprinzip kann im Stator eingesetzt werden. Hierbei werden die Statorzähne (40) von einem Joch (41) getragen, das genauso wie der Käfig (29) geformt ist. Die Feldschwächung wird auch hier durch Luftspalterweiterung erzielt.

Fliehkraftverstellung: (Zeichnung 4.1)

Bei niedrigen Drehzahlen befindet sich die Anordnung in Position "A". Steigen die Dreh zahlen an, werden sich die einzelnen Elemente durch Fliehkrafteinwirkung entgegen den Federkräften der Spiralfedern (31) nach außen bewegen (Position "B"). Eine Fliehkraftver stellung dieser Ausführungsform bei Innenläufermaschinen kann z. B. durch einen Mecha nismus wie er in Zeichnung 1.1 angegeben ist erreicht werden. Dieser Mechanismus baut aufgrund des großen Gewichts der Elemente relativ groß, da diese entgegen den auf sie selbst wirkenden Fliehkräften nach innen geschoben werden müssen. Man sollte deshalb von einer Fliehkraftverstellung bei Innenläufermaschinen besser absehen.

Ausführungsbeispiel 5: Eisenspäne in Flüssigkeit Rotor: (Zeichnung 5.1)

Wieder befinden sich die Permanentmagneten auf einem Eisenzylinder (32) geringer Dicke, der sich an den Übergangsstellen von zwei Permanentmagneten (1) stark in Sättigung befindet, wenn sich alle Feldlinien über den Zylinder schließen. Um den Eisenzylinder befindet sich ein Gehäuse aus GFK (33), das an den Rändern mit dem Eisenzylinder dicht abschließt. Der Hohlraum (34) zwischen Zylinder und Gehäuse ist vollständig mit einer Flüssigkeit (35) (z. B. Öl) gefüllt, die Eisenfeilspäne (36) enthält. Befinden sich viele Eisenspäne im Hohlraum zwischen Gehäuse und Eisenzylinder (Position "A" links im Bild), so ist der magnetische Widerstand gering. Entfernt man dagegen die Eisenspäne aus dem Hohlraum, sättigt der Eisenzylinder stark und die Luftspaltinduktion sinkt (Position "B" links im Bild).

Stator: (Zeichnung 5.2)

Eine Realisierung dieser Ausführungsform im Stator ist denkbar, wenn man im Stator blechpaket (42) Hohlräume (43) vorsieht, die mit einer Flüssigkeit, die mit Eisenspänen vermischt ist, befüllt sind. Durch einen variablen Gehalt von Eisenspänen in der Flüssig keit (35) oder durch eine unterschiedliche Flüssigkeitsmenge in den Hohlräumen kann der magnetische Widerstand verändert werden. Die beschriebene Bauform ist für Innen- und Außenläufermaschinen möglich.

Fliehkraft: (Zeichnung 5.1)

Diese Ausführungsform eignet sich besonders gut für eine Fliehkraftsteuerung. Eine direkte Ansteuerung z. B. mit Pumpen wird vergleichsweise aufwendiger. Für eine Fliehkraftver stellung ist die Menge der Eisenspäne so zu bemessen, daß bei Konzentration aller Späne am Innen- oder Außenrand der jeweils gegenüberliegende Bereich frei von Eisenspänen ist. Befinden sich die Eisenspäne aufgrund der magnetischen Anziehungskräfte am Innenrand der Flüssigkeitszone, können sie sich, wie in Position "A" rechts im Bild gezeigt, entlang der Feldlinien ausrichten. Ein geringer magnetischer Widerstand ist die Folge. Steigen die Drehzahlen, wird die Fliehkraft die Anziehungskraft der Eisenspäne übersteigen und es werden immer mehr Eisenspäne an den Außenrand abwandern. Werden die Eisenspäne - gemäß Position "B" rechte Bildhälfte - nach außen gedrückt, können sich keine Feldlinien mehr über die Späne schließen. Der magnetische Rückschluß wird somit behindert. Die dreieckförmige Außenwand begünstigt das Aufbrechen geschlossener Ketten. Wenn eine Feldschwächung schon bei niedrigen Drehzahlen gewünscht wird, ist dies von Vorteil. Soll die Feldschwächung erst bei höheren Drehzahlen einsetzen, kann ein höherer Anteil von Ei senspänen in der Flüssigkeit oder eine Wandform, die den Erhalt von geschlossenen Ketten begünstigt, gewählt werden. Eine Anwendung dieses Prinzips bei Innenläufermaschinen ist bei veränderter Formgebung des Hohlraums möglich. Die dreieckförmige Kontur des Gehäuses muß dann an der dem Eisenzylinder zugewandten Seite; also der Außenseite des Hohlraums vorgesehen werden.

Claims

1. Vorrichtungen zur Veränderung der magnetischen Luftspaltinduktion in elektrome chanischen Energiewandlern, bei denen der magnetische Widerstand des magnetischen Schließungskreises in der Maschine variabel ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Möglichkeit der Veränderung durch ein oder mehrere bewegliche Elemente, die sich an bestimmten Stellen im magnetischen Schließungskreis befinden, ohne Verschiebung des ganzen Rotors bzw. Stators erreicht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein verdrehbarer Zylinder (3) aus niederpermeablem (para- oder diamagnetischen) Material einen Teil des Rotor- oder Statorjochs bildet, der (vorzugsweise axial ausgerichte te) Elemente (4) aus hochpermeablem (ferromagnetischen) Material enthält, deren Breite (vorzugsweise) der Polteilung oder dem Zahnabstand entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotor (vorzugsweise im Jochbereich zwischen den Polen) oder im Stator (vor zugsweise im Jochbereich zwischen den Zähnen) axiale Bohrungen (15) angebracht sind, in denen sich drehbare Stifte (16) aus ferromagnetischem Material befinden, die (vorzugsweise in der Mitte) eine Schlitzung (17) aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotor (vorzugsweise im Jochbereich zwischen den Polen) oder im Stator (vorzugs weise im Jochbereich zwischen den Zähnen) in axialer Richtung Nuten (23) angebracht sind, in denen sich (vorzugsweise radial) verschiebliche Stäbe (24) aus ferromagnetischem Material befinden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotor- bzw. Statorblechpaket (vorzugsweise axial) so unterteilt sind, daß sich die Rotorpole (1, 27) bzw. die Statorzähne (40) (vorzugsweise radial) verschieben lassen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, sich in Rotor- bzw. Statorblechpaket Hohlräume (34) befinden, die Späne (36) eines Fer romagnetikums enthalten, deren Menge oder Lage im Hohlraum variabel ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der den magnetischen Widerstand verändernden Elemente entweder durch einen mit Hilfsenergie versorgten Antrieb oder, sofern sich die Elemente im Rotor befinden, durch Nutzung der Fliehkraft erfolgen kann.