DE69019315T2 - Synchronmaschine. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Synchronmaschine, die entweder elektrische Energie abgibt oder ein Drehmoment erzeugt, indem ein Feid, welches von magnetisierten Dauermagneten bereitgestellt wird, relativ zu einem mit Spulen umwickelten Ankeraufbau gedreht wird.
• Die konventionellen Gielchstromgeneratoren, Gleichstrommotoren, Synchrongeneratoren und Synchronmotoren können in die zwei großen Gruppen eines Typs mit Ankerdrehung und eines Typs mit Felddrehung klassifiziert werden, und diejenigen, bei welchen Permanentmagnete benutzt werden, gehören in vielen Fällen zu der letztgenannten Gruppe. Bei diesen allen steht die Anzahl der magnetischen Pole des Feldes und die Anzahl der Ankerpole in einem ganzzahligen Verhältnis, wie z.B. 1:1 oder 1:2. Außerdem werden die Dauermagnete als die Feldpole senkrecht zu den Ankerspulen magnetisiert und drehen sich von selbst Um das Magnetfeld in der Nähe der magnetischen Pole dicht an einen gewünschten Wert zu bringen, werden üblicherweise einige Überlegungen bezüglich der Form der Magnetpole, des Luftspaltes etc. angestellt
• Beispielsweise wird bei den konventionellen Gleichstromgeneratoren oder Synchrongeneratoren, da die Dauermagnete als die Feldpole senkrecht zur Richtung der relativen Drehung des Ankers magnetisiert sind, die größte Anziehungskraft erzeugt, wenn die Magnetpole und die Ankerpole einander direkt gegenüberliegen, andererseits jedoch tritt in dem Tal zwischen den Magnetpolen, da die Anziehungskraft plötzlich abnimmt, ein starkes Stocken (verrasten) der Drehung des Ankers auf. Es ist nachteilig, daß die Ankerdrehung nicht gleichmäßig ausgeführt werden kann, was ein starkes Rotationsmoment zum Überwinden des Stockens bzw. Verhakens erfordert.
• Die EP-A-0.291.219 offenbart einen Motor, der einen Anker mit n auskragenden Polen hat, die um eine zentrale Achse herum angeordnet sind. Der Rotor weist (n-1) Dauermagnete auf, die in Umfangsrichtung um die n auskragenden Pole angeordnet sind. Jeder Dauermagnet ist in radialer Richtung magnetisiert, so daß er Nord- und Südpole hat
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Synchrongenerator oder einen Synchronmotor bereitzustellen, der das Problem des Stockens bzw. kammartigen Ineinandergreifens vermindert.
• Gemäß der Erfindung wird eine Synchronmaschine bereitgestellt, die einen Ankeraufbau und einen Feldaufbau aufweist, wobei der Ankeraufbau und der Feldaufbau relativ zueinander um eine Drehachse drehbar sind, der Ankeraufbau eine Mehrzahl von auskragenden Polen hat, die um diese Drehachse herum angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Wicklungen hat, die um die auskragenden Pole gewickelt sind, wobei diese Wicklungen so miteinander verbunden sind, daß sie einen Ankerwicklungsaufbau bilden, der Feldaufbau eine Mehrzahl von Dauermagneten aufweist, die in Umfangsrichtung um die Drehachse und um die auskragenden Pole des Ankeraufbaues herum angeordnet sind, wobei die Anzahl der auskragenden Pole des Ankeraufbaues n ist, und wobei n eine ganze Zahl ist und die Anzahl der Dauermagnete (n-1) beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete so magnetisiert sind, daß jeder der Dauermagnete einen Nordpol an einem Ende in Umfangsrichtung (Umfangsende) und einen Südpol an dem anderen Ende in Umfangsrichtung hat, wobei die benachbarten Umfangsenden jedes benachbarten Paares der Magnete relativ zueinander von entgegengesetzter Polarirät sind, und daß die Dauermagnete so angeordnet sind, daß die Grenze zwischen benachbarten Umfangsenden jedes benachbarten Paares der Dauermagnete sich in einer spiraligen Richtung entlang der und um die Drehachse herum erstreckt
• Die voriiegende Erfindung stellt eine Magnetisierung der Dauermagnete in Umfangsrichtung bereit Auch die Grenze Zwischen den Umfangsenden der Dauermagnete (d.h. die Grenze zwischen einem Nordpol und einem Südpol eines benachbarten Dauermagneten), ist derart angeordnet, daß sie sich in einer spiraligen Richtung entlang der Drehachse und um die Drehachse herum erstreckt. Diese Schräge bzw. Verdrehung der Grenzfläche bedeutet, daß die magnetische Kraft zwischen einem vorüberlaufenden auskragenden Pol des Ankeraufbaues und den Polen der Dauermagnete an der Grenzfläche sich allmählich verändert, während der auskragende Pol an der Grenzfläche vorbeiläuft.
• Eine nicht beschränkende Ausführungsform der Erfindung wird jetzt unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, von denen:
• Figur 1 eine Schnittansicht eines Generators gemäß der vorliegenden Erfindung von dem Typ mit rotierendem Feld ist,
• Figur 2 eine Vorderansicht eines Ankerkernes des Generators ist,
• Figur 3 den Ankerkern mit herumgewickelten Wlndungen zeigt,
• Figur 4 eine Vorderansicht der Dauermagnete des Generators ist,
• Figur 5 eine teilweise, abgewickelte Ansicht der Magnete ist,
• Figur 6 ein Kreislaufdiagramm für den Generator ist und
• Figur 7 eine Kurve ist, weiche die erzeugten Spannungen, Ströme und Drehmomente gegenüber der Belastung bei unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten zeigt.
• Wie in Figur 1 dargestellt ist, enthält eine hohle feste Welle 1 eine drehbare Welle 2, die durch ein Lager 3 drehbar gehaltert ist.
• Auf der festen Welle 1 ist ein Ankerkern 4 befestigt, der neun darauf ausgebildete Poie hat (n= 9 in diesem Beispiel), wie in Figur 2 dargestellt, wobei jeder der Pole n&sub1;-n&sub9; mit einer Spulenwicklung versehen ist Figur 3 zeigt den Wicklungsvorgang für eine ungerade Anzahl von Polen. Die Wicklungs- und Verbindungsdrähte zu Phase A sind mit einer durchgezogenen Linie wiedergegeben, die zu Phase B mit einer gestrichelten Linie und die zu Phase C mit einer strichpunktierten Linie. Eine Phase wird unter Verwendung von drei Polen gebildet, wobei die neun Pole n&sub1;-n&sub9; drei Phasen bereitstellen. In der Schnittansicht gemäß Figur 1 sind die Ankerspulen mit 5 wiedergegeben.
• Damit ein Feld durch den rotierenden Rahmen bzw. die Halterung 6 gebildet wird, weiche(r) auf der rotierenden Welle 2 befestigt ist, ist eine Mehrzahl von Dauermagneten 7 so befestigt, daß sie entlang des Umfangs der Pole des zuvor erwähnten Ankerkernes 4 angeordnet sind.
• Die Dauermagnete 7 sind derart angeordnet, daß die N- und S-Pole abwechselnd auf der Innenfläche angeordnet sind, wie in den Figuren 4 und 5 dargestellt, und sie haben Enden, die relativ zu der Mittellinie, wie in Figur 5 dargestellt, schräg verlaufen.
• Die Anzahl der Pole der Dauermagnete 7 beträgt 2(n-1)=2(9-1)=16, und dementsprechend wird ein 16-poliges Feld gebildet Nur ein Paar von Polen der Dauermagnete liegt zu einer bestimmten Zeit den Polen n&sub1;-n&sub9; des Ankerkernes 4 gegenüber.
• Wegen der abgeschrägten Enden der Dauermagnete 7 verändert sich die im wesentlichen anziehende Kraft, welche zwischen einem der Pole n&sub1;-n&sub9; und einem vorüberlaufenden Polpaar der Dauermagnete 7 erzeugt wird, allmählich, während das Polpaar vorüberläuft.
• Wenn beispielsweise der S-Pol eines bestimmten Dauermagneten 7, der das Feld bildet, an der Position von beispielsweise n&sub1; in Figur 3 vorübergelaufen ist und die Anziehungskraft zwischen den gepaarten Polen schwächer wird, so wird zunehmend eine abstoßende Kraft zwischen der nächsten Position n&sub2; und einem weiteren Pol erzeugt, der ein N-Pol des Dauermagneten 7 ist, so daß das Nachlassen bzw. der Abfall in der im wesentlichen anziehenden Kraft verschoben werden kann.
• Dies gibt also eine solche Beziehung, weiche der Situation nahe ist, in weicher ein Paar von Polen einander direkt gegenüberliegt und deshalb ist die Änderung des sich verhakenden bzw. abstoppenden Drehmomentes aufgrund der plötzlichen Veränderungen in der anziehenden Kraft des Ankerpoles 4, die von dem Pol des Dauermagneten 7 bewirkt wird, weicher das Feld bildet, sehr klein.
• Außerdem sind, wie in dem Kreislaufdiagramm gemäß Figur 6 gezeigt, die Spulen 5 an einem Ende miteinander verbunden und bilden damit eine Y-Verblndung bzw. Sternschaltung. Die anderen Enden der Spulen sind jeweils mit dem Punkt zwischen zwei Dioden verbunden, d.h. D&sub1;a und D&sub1;b, D&sub2;a und D&sub2;b und D&sub3;a und D&sub3;b, wobei D&sub1;a, D&sub2;a und D&sub3;a und D&sub1;b, D&sub2;b und D&sub3;b jeweils kombiniert und durch eine gemeinsame Leitung verbunden sind und wobei eine Last R mit der gemeinsamen Leitung verbunden ist
• Man erhält damit also einen Gleichstromgenerator, bei welchem ein Strom nur in einer Richtung durch die Last R fließen kann.
• Wie weiterhin oben beschrieben ist, vermindert die Abschrägung der Pole der Permanentmagnete, weiche das Feld bilden, die Variation in der magnetischen Flußdichte, die an den Ankerpolen hervorgerufen werden, bevor und nachdem sie den Magnetpolen gegenüberliegen. Damit stellt sich heraus, daß der in den Spulen 5 erzeugte elektrische Strom nahezu flach bzw. gleichmäßig ist, und im Ergebnis kann auch die darin enthaltene Brummspannung bzw. Spannungswelligkeit vermindert werden.
• Figur 7 zeigt die erzeugten Spannungen, Ströme und Drehmomente entsprechend der Anzahl von Drehungen der sich drehenden Weile 2 zu dem Zeitpunkt, wenn ein Voltmeter V und ein Ampèremeter A mit diesem Generator verbunden sind, wie in Figur 6 dargestellt, wobei die Lastwiderstände R=0, 10, 100, 470, 100 und unendlich viel Ohm betragen.
• Inzwischen werden in dem vorliegenden Experiment ein Ankerkern 4 mit 39,4mm äußerem Durchmesser, Permanentmagneten 7 mit 40mm innerem Durchmesser, welche das Feld bilden, Spulen 5 mit 150 Windungen aus 0,16mm isoliertem Kupferdraht und ein Spuienwicklungswiderstand von 9,3 Ohm verwendet.
• Weiterhin kann der Gegenstand, welcher sich dreht (der Rotor) der auf der Innenseite vorgesehene Anker anstelle der Pennanentmagneten 7 auf der Außenseite sein, weiche das Feld bilden, wobei in diesem Fall konventioneiie Bürsteneinrichtungen verwendet werden können, üm die eiektrische Energie abzunehmen.
• Auch wenn die vorstehende Erläuterung nur bezüglich eines Generators gegeben worden ist, so haben Generatoren und Motore im wesentlichen denselben Mechanismus und es ist nicht notwendig zu betonen, daß dasselbe auch auf Motoren angewendet werden kann.
• Indem man die Richtung der Magnetisierung der Mehrzahl von Dauermagneten mit der Richtung der Drehung der Feldmagneten oder des Ankers zusammenfallen läßt und indem die magnetisierten Pole der Mehrzahl von Dauermagneten relativ zu der Achse der zuvor erwähnten Drehbewegung geneigt werden, kann der magnetische NS-Weg verlängert werden und die Magnetfeldverteilung zwischen N und S kann verbreitert werden. In der Position zwischen einem N-Pol und dem benachbarten S-Pol wird das Verhakungsdrehmoment vermindert, da die anziehende Kraft des N-Poles und die abstoßende Kraft des S-Poles einander aufheben. Weiterhin können, da die Anzahl der Ankerpole n und die Anzahl der Dauermagnete, welche das Feld bilden, n-1 ist, nur ein Ankerpol und ein Polpaar der Dauermagneten zu einem bestimmten Zeitpunkt einander gegenüberliegen und dies trägt ebenfalls zur Verminderung des Verhakungsmomentes bei.
• Wenn ein statischer Induktionstransistor (SIT) oder dergleichen, der nur wenig Verluste hat, als Gieichrichterelement verwendet wird, so erhält man noch weiter reduzierte Verhakungsverluste. Da Dauermagnete verwendet werden, ist der Verlust an Erregungsstrom ebenfalls praktisch Null.
• Andererseits wird, da die magnetische Feldflußdichte, weiche die Ankerwicklung kreuzt, verbreitert ist und auch in ihrem Spitzenbereich abgeflacht ist, die Wellenform fast trapezförmig, so daß, wenn der Strom über Dioden in einen Gleichstrom umgewandelt wird, die Umwandlungseffizienz ausgezeichnet ist.
• Die Synchronmaschine ist also nicht nur insofern ausgezeichnet, als sowohl die mechanischen als auch die eiektrischen Energieverluste sehr klein sind, sondern auch in der Hinsicht, daß sie mit einem kleinen Einsatz bzw. einer kleinen Eingabe einen großen Ausgabewert (Output) hat.

Claims (6)

1. Synchronmaschine mit einem Ankeraufbau (4) und einem Feldaufbau (7), wobei die Anker- und Feldaufbauten relativ zueinander um eine Drehachse drehbar sind, der Ankeraufbau eine Mehrzahl von auskragenden Polen (n&sub1;-n&sub9;) hat, die um die Drehachse herum angeordnet sind, sowie eine Mehrzahl von Wicklungen (5) hat, die auf die auskragenden Pole gewickelt sind, wobei die Wicklungen miteinander so verbunden sind, daß sie einen Ankerwicklungsaufbau bilden, der Feldaufbau eine Mehrzahl von Dauermagneten (7) aufweist, die in Umfangsrichtung um die Drehachse herum und um die auskragenden Pole des Ankeraufbaues herum angeordnet sind, wobei die Zahl der auskragenden Pole des Ankeraufbaues n ist, wobei n eine ganze Zehi ist, und die Zahl der Dauermagnete (n-1) ist, dadurch gekennzeichnet daß die Dauermagnete (7) derart magnetisiert sind, daß jeder der Dauermagnete an einem Umfangsende einen Nordpol und an dem anderen Umfangsende einen Südpol hat, wobei die benachbarten Umfangsenden jedes benachbarten Paares derartiger Magnete (7) reiativ zueinander von entgegengesetzter Polarität sind, und daß die Dauermagnete derart angeordnet sind, daß die Grenzfläche zwischen den benachbarten Enden in Umfangsrichtung jedes benachbarten Paares der Dauermagnete sich in einer spiraligen Richtung entlang der Drehachse und um die Drehachse herum erstreckt

2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, wobei die Zahl der auskragenden Pole (n&sub1;-n&sub9;) neun ist und die Zahl der Dauermagnete (7) acht beträgt

3. Synchronmaschine nach Anspruch 2, wobei die Zahl der Wicklungen (5) drei beträgt und wobei jede der Wicklungen auf eine entsprechende Gruppe von dreien der auskragenden Pole (n&sub1;-n&sub9;) gewickelt ist.

4. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Feldaufbau (7) an einer drehbaren Welle (2) befestigt ist.

5. Synchronmotor, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.

6. Synchrongenerator, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.