DE4427323C2 - Elektrische Maschine mit Permanentmagneten und Erregerfeldwicklungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit mindestens einer Erregereinheit, die sowohl Permanentmagnete als auch Erregerfeldwicklungen aufweist.

Permanenterregte elektrische Maschinen erfordern eine hohe Eckpunktleistung der An­ steuerung. Insbesondere in batteriebetriebenen Fahrzeugen bestimmen die Höchstge­ schwindigkeit und das maximale Moment die Maschinenauslegung. Eine hohe Fluß­ dichte im Luftspalt verursacht - besonders bei hohen Drehzahlen - hohe Eisenverluste.

In rein elektrisch erregten Maschinen vermindern die Erregerverluste - insbeson­ dere im Teillastbetrieb - den Wirkungsgrad. Weiterhin werden durch die gute Leitfähig­ keit der Rotoroberfläche die Pulsations- und Oberflächenverluste gesteigert.

Bereits aus der DE-PS 708 038 ist seit 1941 eine Synchrongroßmaschine hoher Drehzahl bekannt, deren Erregung zum größeren Teil durch umlaufende Permanent­ magnete und zum kleineren Teil durch regelbare Magnetisierungströme herrührt. Als Permanentmagnete werden Magnetstähle eingesetzt, die niedrige Koerzitivfeldstärken aufweisen. Der gesamte Eisenkörper des Läufers besteht aus einem hartmagnetischen Stahl. Für eine konstante Spannung, wird die elektrische Zusatzmagnetisierung zur Überwindung von Ankerrückwirkung und Streuung eingesetzt. Ziel ist ein kleines Ge­ wicht der Läuferwicklung. Um den Aufwand für die Erregerwicklung zu halbieren, wirkt die Zusatzmagnetisierung nicht nur feldverstärkend, sondern auch feldschwächend. Hierzu wird eine Gleichstromerregermaschine mit Wendeerregerstromregler benutzt, die auch einen magnetisierenden Erregerstrom liefern soll, der den Magnetstahl aufma­ gnetisiert.

Im Elektromaschinenbau haben sich am Markt seit den sechziger Jahren Ferrit­ magnete und für hochwertige Antriebe die seit ca. 1980 verfügbaren Seltenerdemagne­ te durchgesetzt. Gegenüber den nicht mehr gebräuchlichen Magnetstählen weisen die heute üblichen Magnetwerkstoffe wesentlich höhere Koerzitivfeldstärken auf. Eine Ent­ magnetisierung durch Ankerquerfelder kann innerhalb des zulässigen Temperaturbe­ reichs ausgeschlossen werden. Das Energieprodukt von Seltenerdemagneten, z. B. aus SmCo oder NdFeB, ist um den Faktor 10 größer als das von Magnetstählen, und ihre Kennlinie ist im gesamten zweiten Quadraten eine Gerade.

Aus der DE 34 24 402 C1 ist eine stromrichtergespeiste, selbstgesteuerte, läufer­ erregte Synchronmaschine bekannt, die eine als Gegenerregung zur Permanent­ erregung geschaltete elektrische Erregung aufweist. Die ausschließlich feldschwächend wirkende Gegenerregung zeichnet sich dadurch aus, daß sie mit steigender Drehzahl zunimmt. Das max. Erregerfeld soll für eine einem Gleichstromantrieb überlegene Steifigkeit sorgen und wird alleine von den Permanentmagneten erzeugt. Hierfür weisen die Luftspaltmagnete einen hohen Arbeitspunkt auf, der auch beim max. Ankerquerfeld eine Entmagnetisierung an den Polrändern vermeidet. Die Baugröße und das einge­ setzte Magnetvolumen entspricht einer rein permanenterregten Synchronmaschine mit gleichem Stillstandmoment. Während die Ummagnetisierungsverlusten im Ständer durch die Feldschwächung sinken, entstehen bei hohen Drehzahlen hohe Verluste in der Erregerwicklung, da der magnetische Widerstand für das elektrische Erregerfeld groß ist. Hohe Rotorverluste verstärken die Probleme bei der Wärmeableitung.

Aus der DE-AS 17 63 317 ist bekannt, die Entmagnetisierung der Permanent­ magnete im Stator eines Scheibenläufers zu verhindern, indem wenige Drahtwindungen direkt um die Permanentmagnete gewickelt werden. Aufgrund der geringen relativen Permeabilität des im Innenraum der Spulen angeordneten Magnetmaterials, kann mit dieser Bauform nur ein relativ geringer Stellbereich erzeugt werden. Dem elektrischen Strom steht nur ein auf den Pollückenraum beschränktes Kupfervolumen zur Verfü­ gung, das durch die Drahtwicklung schlecht ausgenutzt wird. Vergrößerte Pollücken verringern die Polabdeckung und damit die magnetische Ausnutzung der Maschine.

In der JP 58-222 765 A wird ein elektrischer Generator beschrieben, bei dem zur Senkung der Herstellungskosten auf der Erregerpolfläche ein kunststoffgebundener Ferritmagnet aufgebracht wird. Kunststoffgebundene Ferrite erreichen nur eine Fluß­ dichte von ca. 0,15 T. Der überwiegende Teil des Erregerfelds wird von der Erregerwick­ lung erzeugt. Die Magnetschicht selbst ist nur geringfügig besser magnetisierbar als Luft. Die angestrebte Verringerung der Fertigungskosten ist nur dann erreichbar, wenn die zusätzliche Magnetschicht den magnetischen Widerstand für das elektrisch erzeug­ te Erregerfeld nicht erhöht. Dies ist nur in großen Generatoren mit relativ großen Luftspalten möglich. Das schwache Feld der Magnetschicht wirkt additiv, und ein starkes Erregerfeld gegen Entmagnetisierung muß eine Entmagnetisierung durch das Anker­ querfeld vermeiden. Die Erregerwicklung wirkt ausschließlich feldverstärkend.

Aus der US-PS 4 398 112 ist eine Einphasenwicklung für eine Radialflußma­ schine bekannt, die durch das Einschneiden von axialen Aussparungen in ein zuvor aufgewickeltes dünnes Leiterband hergestellt wird.

Weiterhin ist aus der DE 41 26 019 A1 eine Flachbandwicklung für Schenkel­ polmaschinen mit radialem Luftspaltfluß und aus der US-PS 41 90 779 eine Erregerein­ heit für einen Innenläufer in Klauenpolbauform bekannt.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde eine elektrische Maschinen mit einer perma­ nentmagnetischen und elektrischen Erregung derart weiterzubilden, daß sowohl im Teillastbetrieb als auch bei hohen Drehzahlen geringe Verluste entstehen, das Permanentmagnetmaterial gut ausgenutzt wird und die Maschine sowohl hohe Drehmomente als auch hohe Drehzahlen erzeugen kann, wobei zusätzlich ein leichter und mechanisch stabiler Aufbau und eine aus­ reichende Kühlung sowie eine kostengünstige Herstellung zu gewährleisten ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird die Luftspaltoberfläche der Erregereinheit nur aus Permanentmagnet­ material und Isoliermaterial gebildet, wodurch geringe Oberflächenverluste entstehen. Die Permanentmagnete weisen eine hohe Polabdeckung sowie eine geringe Dicke in Richtung des magnetischen Flusses auf. Hierdurch nehmen sie im Normalbetrieb einen Arbeitspunkt nahe ihrem maximalen Energieprodukt ein. Die Permanentmagnetsegmente sind flächig auf weichma­ gnetischen Kernen befestigt, zwischen denen eine Erregerwicklung angeordnet ist, die aus Leitern mit rechteckförmigem Querschnitt besteht und somit einen hohen Füllfaktor aufweist. Je nach Maschinenbauform sind die Erregerwicklungen unterschiedlich ausgestaltet. Sie gewährleisten durch ihren kompakten Aufbau eine hohe Stabilität und Leistungsdichte.

Reicht die passive Kühlung der Erregerwicklung durch flächig anliegende Kühlkörper nicht aus, so kann eine aktive Kühlung durch Kühlkanäle erfolgen, die unterhalb der Pollücken und an den Stirnseiten der Erregerwicklung verlaufen.

Befindet sich die Erregereinheit im Läufer, so erfolgt die Übertragung der Erregerströme durch Schleifringe oder bürstenlos durch steuerbare Transformatoren, wobei ebenfalls auf ein geringes Gewicht und eine gute Raumausnutzung geachtet wird.

Die Zeichnungen stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.

Fig. 1 zeigt die Magnetisierungskennlinie eines Permanentmagneten mit Arbeitspunkten;

Fig. 2 zeigt die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie einer gemäß Fig. 1 ausgelegten elek­ trischen Maschine;

Fig. 3 zeigt schematisch ein Herstellungsverfahren für eine Flachband-Erregerfeldwicklung einer Axialflußmaschine;

Fig. 4 zeigt schematisch ein Herstellungsverfahren für eine Flachband-Erregerfeldwicklung einer Radialflußmaschine;

Fig. 5 zeigt eine Erregereinheit einer Axialflußmaschine in Schenkelpolbauform beim Zusammensetzen der Komponenten;

Fig. 6 zeigt eine Erregereinheit einer Radialflußmaschine mit mäanderförmiger Flachband­ spule beim Zusammensetzen der Komponenten;

Fig. 7 zeigt eine Erregereinheit einer Axialflußmaschine in Klauenpolbauform beim Zusammensetzen der Komponenten;

Fig. 8 zeigt den Querschnitt einer Axialflußmaschine, deren Erregereinheit gestanzte Leiterschichten enthält.

Fig. 1 zeigt die Magnetisierungskennlinie 1 von Permanentmagneten aus einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Die drei eingezeichneten Arbeitspunkte A_1-3 ergeben sich durch Über­ lagerung des permanenten Feldes durch ein elektrisch erzeugtes Erregerfeld, wobei A₁ den Arbeitspunkt bei stromloser Erregerwicklung, A₂ bei maximalem positiven Strom und A₃ bei maximalem negativen Strom darstellt. Ein positiver Strom bedeutet, daß das permanenterregte Magnetfeld durch das elektrische Feld verstärkt wird und die Flußdichte im Magneten von A₁ in Richtung A₂ ansteigt. Dagegen schwächt ein negativer Strom das Magnetfeld und der Arbeitspunkt wandert auf der Kennlinie in Richtung A₃.

In Fig. 2 wird die zur Maschinenauslegung von Fig. 1 gehörende Drehzahl-Drehmomentenkenn­ linie 2 gezeigt, wobei die Maschine bei reiner Permanenterregung durch Variation der Stator­ ströme und -spannungen lediglich den karierten Betriebsbereich I abdecken kann. Durch die elektrische Feldverstärkung sind bei weiterhin begrenztem Statorstrom höhere Drehmomente erreichbar, wodurch der schräg von links oben nach rechts unten schraffierte Bereich II hinzu kommt. Durch die elektrische Feldschwächung sind höhere Drehzahlen im schräg von links unten nach rechts oben schraffierten Bereich III realisierbar. Im Normalbetrieb I entstehen in der Maschine keine Erregerverluste und bei hohen Drehzahlen III aufgrund der abgesenkten Luftspaltflußdichte geringere Eisenverluste. Gegenüber einer rein elektrisch erregten Maschine wird das benötigte Kupfervolumen der Erregerwicklung um ca. 30% reduziert. Durch eine gute Raumausnutzung verringern sich die Verluste und das Gewicht der Erregerwicklung zusätzlich.

Für Linearmotoren, Radial- und Axialflußmaschinen sind mehrere Verfahren zur Herstellung einer Erregerwicklung aus Leiterflachband einsetzbar.

In Fig. 3 wird eine Variante zur Herstellung einer zweilagigen Erregerwicklung in Schenkelpol­ bauform für eine Axialflußmaschine schematisch dargestellt. Hierbei wird das Leiterflachband zunächst von einer Rolle 3 auf eine Spindel 4 gewickelt, deren Querschnitt dem späteren Polkernquerschnitt entspricht. Nachdem eine Spule 5 mit der doppelten Leiterlänge gegenüber einer späteren Einzelspule 6 gebildet wurde, wird das abgeschnittene Ende auf einem zweiten Spindelkörper 7 befestigt und das Leiterflachband zur Hälfte auf diesen zurück gewickelt. Derart vorgefertigte Spulenpaare 8 werden nun in zwei um eine Polteilung zueinander versetzten Lagen in eine Vorrichtung gesetzt. Der Strom fließt abwechselnd in Spulenpaaren der beiden Lagen, indem er an einer radialen Oberfläche des weichmagnetischen Polkerns innerhalb einer Kontaktschiene 9 von einem inneren Spulenende 10 zum nächsten Spulenende 10' wechselt. Die beiden Spulen eines Polkernes weisen somit einen entgegengesetzten Wickelsinn auf.

Ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer Erregerwicklung aus Leiterflachband zeigt Fig. 4, wobei diesmal eine Mäanderspule 11 für eine Radialflußmaschine vorgefertigt wird. Das von einer Trommel 12 abgerollte dünne Leiterflachband 13 durchläuft zunächst eine automatische Strahl­ schneideanlage 14, in der die Aussparungen 15 für die Polsegmente herausgearbeitet werden. Alternativ wäre auch ein Stanzautomat einsetzbar. Anschließend wird in einer Beschichtungs­ anlage 16 ein Backlack gleichmäßig aufgetragen und das geschnittene und beschichtete Band 17 auf eine Vorrichtung 18 gerollt. Nach dem Aushärten des Backlacks wird die Vorrichtung entfernt und die Polkerne und ein Jochring axial aufgeschoben (siehe Fig. 6).

Auch Axialflußmaschinen können mit mäanderförmigen Flachbandwicklungen ausgeführt werden, wobei das Flachband allerdings spiralförmig zu walzen ist.

Weiterhin ermöglicht es eine programmierbare Strahlschneideanlage auch, parallele Streifen mit mäanderförmigem Verlauf in einem Arbeitsgang aus dem Leiterflachband zu schneiden. Nach­ dem in Richtung der Nutbreite Isolierschichten aufgebracht wurden, werden Bandpakete aus zwei mit unterschiedliche Rollrichtungen arbeitenden Fertigungsmaschinen ausgetauscht, axial ineinander geschoben und an ihren Enden elektrisch leitend verbunden. Mehrere Mäanderspulen liegen dann axial flächig aneinander und sind in Reihe geschaltet.

Durch diese und ähnliche, vorzugsweise vollautomatische Verfahren werden Erregerwick­ lungen hergestellt, die trotz kleiner Leiterquerschnitte und großer Leiterlänge durch recht­ eckförmige Leiterquerschnitte einen sehr hohen Nutfüllfaktor und durch die Vermeidung von Biegeradien relativ kurze Verbindungswege in den Wickelköpfen aufweisen.

Fig. 5 zeigt eine Erregereinheit 20 mit Flachbandspulen 21 in Schenkelpolbauform für eine 18- polige Axialflußmaschine beim Zusammenbau. Die baugleichen Polkerne 22 mit auf der Luft­ spaltoberfläche aufgeklebten oder aufgetragenen Permanentmagneten 23 werden in die Flachbandspulen 21 gesteckt und radial von außen in die Nuten 24 eines weichmagnetischen Jochringes 25 geschoben. In dieser einlagigen Erregerwicklung erfolgt die Reihenschaltung der Flachband­ spulen 21 erst nach der Montage, z. B. durch Laserlöten.

In Fig. 6 wird eine Erregereinheit 26 einer zwölfpöligen Radialflußmaschine bei der Montage dargestellt. Zunächst erfolgt das, axiale Einschieben jedes zweiten Polkerns 27 in einen mit Nuten 28 versehenen weichmagnetischen Jochring 29. Anschließend wird eine funktionsbereit vorgefertigte Flachband-Mäanderspule 30 aufgepreßt und abschließend die zweite Hälfte der Polkerne 31 mit entgegengesetzt magnetisierten Permanentmagneten 32 ebenfalls axial einge­ schoben. Hierbei unterstützt das Permanentmagnetfeld den Zusammenhalt der Erregereinheit 26.

Bei axial kurzen Radialflußmaschinen oder ringförmigen Axialflußmaschinen erfolgt die Ausgestaltung der Erregerwicklung vorzugsweise in Form von Klauenpolen.

Fig. 7 zeigt eine derartige Erregereinheit 33 für eine 24-polige Axialflußmaschine beim Zusammensetzen. Nach dem Aufwickeln eines Leiterflachbandes zu einer Ringbandspule 34 sind sowohl die inneren Klauenpolsegmente 35 axial von der Luftspaltseite, als auch die äußeren Klauenpolsegmente, 36 radial von außen einsetzbar. Zur optimalen Ausnutzung des Magnetmaterials nehmen die Magnetsegmente 37 bis auf schmale Pollücken 38 die gesamte Luftspaltoberfläche ein, wobei sie tangential etwas über die Klauenpolsegmente 35, 36 hinaus­ ragen. Hierdurch wird der Streufluß des elektrisch erregten Feldes vermindert. Während der Aufwand zur Vorfertigung der Ringbandspule 34 gering ist, sind die komplexeren Klauenpol­ segmente 35, 36 vorzugsweise als Sinterteile auf Basis einer Kobalteisen-Legierung herstellbar.

In einer hochpoligen Axialflußmaschine 40 kann die Erregerfeldwicklung 41 - wie in Fig. 8 darge­ stellt - auch vorteilhaft aus gestanzten Leiterblechen bestehen. Um den Herstellungsaufwand und den Raumanteil des Isolierstoffes gering zu halten, wird nur eine geringe Schichtzahl realisiert und die Ansteuerspannung durch einen Wellentransformator 42 abgesenkt. Zur Kompensation der axialen Magnetkräfte weist die Axialflußmaschine zwei Luftspalte 43 auf, wobei zwei axiale Dünnringlager 44 nahe der inneren Wickelköpfe 45 einen konstante» Abstand der Rotorscheibe 46 von den beiden Statorhälften 47 gewährleisten. Beide Statorhälften be­ stehen aus baugleichen mehrphasigen Schichtwicklungen 48, die zusammen mit ihren genuteten weichmagnetischen Körpern 49 jeweils in eine Gehäusehälfte 50a, b eingepreßt sind. Das Magnetfeld durchströmt die Rotorscheibe 46 nur in axialer Richtung, wobei an beiden Luft­ spaltoberflächen Permanentmagnete 51 auf Polkernen 52 aus kornorientierten Blechen angeord­ net sind. In unter den Pollücken und über den Wickelköpfen angeordneten Kühlkanäle 53 zirkuliert ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel. Zusätzlich zu den magnetischen Kräften wird die Rotorscheibe durch zwei Kunststoffkörper 54a, b zusammengehalten, die an den radialen Oberflächen ineinander verhakt sind und die Pollücken ausfüllen. Eine faserverstärkte Bandage 55 am Außenumfang der Rotorscheibe nimmt die Fliehkräfte auf.

Während in der statorseitigen Transformatorkernhälfte 56b ein Profildraht 57 mit kleinem Leiterquerschnitt eingelegt ist, enthält die in der Welle 58 angeordnete Kernhälfte 56a ein gewendeltes Leiterflachband 59. Der durch den Wellentransformator 42 vervielfachte Erreger­ strom wird durch Schottkydioden 60 gleichgerichtet, wobei durch ein über einen Optokoppler 61 angesteuertes bistabiles Leistungsrelais 62 eine Stromumkehr ermöglicht wird.

Claims (15)

1. Elektrische Maschine mit mindestens einer Erregereinheit (20, 26, 33), die in Bewegungsrichtung Erregerpole mit abwechselnder Polarität aufweist, wobei die Erregereinheit sowohl Permanentmagnete (23, 32, 37, 51) als auch mindestens eine Erregerfeldwicklung (21, 30, 34, 41) mit weichmagnetischen Polkernen (22, 27, 31, 35, 36, 52) aufweist und Stromschaltelemente für den Wechsel der Strom­ richtung durch die Erregerwicklung vorgesehen sind, wobei die Permanentma­ gnete (23, 32, 37, 51) flächig an der zum Luftspalt weisenden Oberfläche der Er­ regerpole angeordnet sind und bei stromloser Erregerfeldwicklung (21, 30, 34, 41) einen Arbeitspunkt (A1) mit in etwa halber Remanenzflußdichte (B_R) nahe ihrem maximalen Energieprodukt aufweisen.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die zwischen den Polkernen (22, 27, 31, 35, 36, 52) angeordnete Erregerfeldwicklung (21, 30, 34, 41) aus Leitern mit rechteckförmigem Querschnitt besteht.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die weichmagnetischen Polkerne (22, 27, 31, 35, 36, 52) ihren Querschnitt in Flußrichtung auf das 0,3 bis 0,5- fache der Poloberfläche vermindern.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei um jeden Polkern (22) minde­ stens ein Ring aus einem dünnen Leiterflachband (21) angeordnet ist.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Polkerne (35, 36) Klauenpole bilden, die gemeinsam eine Erregerfeldwicklung (34) aus aufgewickeltem Flachband umgreifen.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei zwischen den Polkernen (27, 31, 51) die Leiter der Erregerfeldwicklung (30, 41) in mäanderförmig in Umfangsrichtung verlaufenden Schichten angeordnet sind.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei in den Pollücken zwischen den Erregerpolen elektrisch isolie­ rendes Material oder in Bewegungsrichtung magnetisierte Magnetsegmente an­ geordnet sind.

8. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Permanentmagnete (37) in Bewegungsrichtung eine größere Breite aufweisen als die Polschuhe ihrer Polkerne (35, 36).

9. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Polkerne (22, 27, 31) an der den Permanentmagneten (23, 32) abgewandten Seite in einem ringförmigen weichmagnetischen Jochring (25, 29) befestigt sind.

10. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Polkerne (52) auf zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Permanentma­ gneten (51) aufweisen.

11. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Erregerwicklung (41) über einen Transformator (42) gespeist wird, der die Erregerstromstärke vervielfacht.

12. Elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei unter­ halb der Pollücken und an den Wickelköpfen (45) Kühlkanäle (53) verlaufen in denen ein Kühlmittel zirkuliert.

13. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, wobei auf weichmagnetische Polkerne dünne hartmagnetische Schichten aufgetragen und diese anschließend in eine vorgefertigte Wicklung mit rechteckförmigem Leiterquerschnitt eingesetzt werden.

14. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 13, wobei die dünnen hartmagnetischen Schichten durch Lasersintern oder Plasmasprit­ zen auf die weichmagnetischen Polkerne aufgetragen werden.

15. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 13, wobei ein Leiterflachband zunächst eine Strahlschneide- oder Stanzmaschine durch­ läuft, in der Aussparungen für die Polkerne herausgearbeitet werden, und dann vor dem Aufwickeln in einer Beschichtungsanlage mit einer dünnen Klebe- und Isolierschicht versehen wird.