DE9112183U1

DE9112183U1 - Elektrische Maschine mit einem magnetisch gelagerten Läufer

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Publication number: DE9112183U1
Application number: DE9112183U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-10-11
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1992-02-13
Anticipated expiration: 2001-10-01

Description

GR 90 .G "3.461 OE Siemens Aktiengesellschaft

Elektrische Maschine mit einem magnetisch gelagerten Läufer 5

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche, nach dem Hysterese-Prinzip arbeitende Synchronmaschine ist durch die DE-C-23 53 3A2 bekannt. Bei dieser Maschine sind die Stränge der Drehfeldwicklung in komplizierter Weise jeweils um den gesamten Umfang verteilt mit sinusförmig abgestufter Windungszahl angeordnet und mittig aufgetrennt. Die Steuerströme zur Erregung der magnetischen Lagerkraft werden an diesen Trennstellen eingespeist und durchfließen die beiden Stranghälften gegensinnig. Dadurch, daß das magnetische Drehfeld zum Antrieb und das durch die Steuerströme erzeugte magnetische Stellfeld für die Lagerung gleichzeitig auf den Läufer einwirken, entstehen parasitäre Störeffekte, z.B. ein Bremsmoment durch das Stellfeld, elliptisch umlaufende Radialkräfte und dergleichen, welche in kauf genommen oder durch entsprechende Regelungseingriffe auf eine tolerierbare Größe begrenzt werden müssen.

Da die Maschine nach DE-C-23 53 342 einen um eine vertikale Drehachse rotierenden Läufer aufweist, muß dort durch die magnetische Lagerung nur eine radiale Führung, d.h. Zentrierung des Läufers bewirkt werden, wozu eine verhältnismäßig geringe magnetische Kraft ausreicht. Damit sind die zur Erzeugung dieser Kraft notwendigen Steuerströme relativ klein und eine Überlagerung dieser Ströme in den das Drehfeld erzeugenden Wicklungsspulen ist ohne Gefahr der überlastung dieser Spulen möglich. Naturgemäß ist dadurch auch die genannte Problematik der Parasitäreffekte durch die überlagerung von Drehfeld und magnetischem Stellfeld entschärft.

Df / Th / 27.09.1991

2 GR 90 ti '3461 "OE Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß unabhängig vom konstruktiven Aufbau und dem Wirkungsprinzip der Maschine als synchrone oder asynchrone Drehfeldmaschine; - einfache, konventionelle Drehstrom-Ständerwicklungen verwendet werden können;

- parasitäre Störeinflüsse, insbesondere Bremsmomente, zumindest weitestgehend unterbunden werden und

- eine magnetische Lagerung des Läufers auch bei waagrechter Drehachse mit entsprechend hohen magnetischen Lagerkräften möglich wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Beide Wicklungen werden vom gleichen Netz gespeist. Dabei wird nur von der die gleiche Polpaarzahl wie der Läufer aufweisenden Wicklung das zum Antrieb des Läufers notwendige Drehmoment erzeugt. Durch das Drehfeld der anderen Wicklung wird kein Antriebsmoment erzeugt, da im Läufer eine entsprechende Polpaarzahl fehlt. Im Zusammenwirken der beiden verschiedenpoligen, jedoch mit gleicher Frequenz erregten, gleichsinnig umlaufenden Drehfelder wird im Luftspalt der Maschine eine räumlich feststehende, einseitige magnetische Zugkraft erreicht, welche die Lagerung des Läufers bewirkt. Die Größe dieser einseitigen magnetischen Zugkraft ist dem Produkt der Amplituden der beiden verschiedenpoligen Drehfelder proportional und ihre Richtung hängt von der gegenseitigen räumlichen und zeitlichen Relativlage der beiden Drehfelder ab.

Wird die Maschine als Synchronmaschine ausgeführt, dann darf der als Permanentmagnet- oder Reluktanzläufer ausgebildete oder elektrisch erregte Läufer keinen Dämpferkäfig besitzen. Ein solcher Dämpferkäfig würde die ungehinderte Ausbildung des anderen Drehfeldes stören.

3 GR 90 €^&Lgr; "3461 ^ETE " ^V *^; Bei einer Asynchronmaschine ist es notwendig, daß der Läufer eine in sich kurzgeschlossene Schleifen- oder Wellenwicklung aufweist, deren Polpaarzahl einer der beiden Polpaarzahlen der von dem im Ständer angeordneten Wicklungen erzeugten Drehfelder entspricht. Damit reagiert die Läuferwicklung hinsichtlich der Drehmomentbildung nur auf das entsprechende Drehfeld gleicher Polpaarzahl. Das andere Drehfeld kann sich ungehindert im Läufer ausbilden.

Durch eine Veränderung von Größe und Phasenlage der die Wicklungen speisenden Spannungen in bezug zueinander können der Betrag und die Richtung der magnetischen Lagerkraft eingestellt werden. Vorzugsweise wird die Spannung der Wicklung verändert, deren Drehfeld mit dem Läufer zusammen kein Drehmoment bildet.

Die beiden verschiedenpoligen Wicklungen können im Ständer radial übereinanderliegend oder auch ineinander verschachtelt angeordnet sein, d.h. mit in Umfangsrichtung abwechselnd zu der einen oder anderen Wicklung gehörenden Spulen.

Die Wicklungen können weiterhin vorteilhafterweise als polumschaltbare Wicklung nach dem Prinzip der Stromrichtungsumkehr oder nach dem Umgruppierungsprinzip ausgebildet sein. Die bei solchen polumschaltbaren Wicklungen notwendige Potentialtrennung läßt sich mittels eines Trenntransformators erreichen.

Eine magnetische Lagerung, die auch auf den Läufer einwirkenden dynamischen und externen Kräften entgegenwirken kann, wird dadurch erreicht, daß die Maschine in zwei axial hintereinanderliegende Hälften unterteilt und in jeder Hälfte eine gesondert steuerbare Wicklung für die Regelung der Lagerkraft vorgesehen ist. Es besteht somit die Möglichkeit, in beiden Hälften die magnetische Lagerkraft entsprechend den einwirkenden Kräften

4 GR 90 d"3461 DE unabhängig voneinander zu steuern. Eine durchgehende Erstrekkung der das Drehfeld erzeugenden Wicklung führt dabei zu Materialeinsparungen.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgen näher beschrieben. Es zeigen:

FIG 1 ein Schaltbild einer elektrischen Maschine mit galvanisch getrennten Drehstromwicklungen, FIG 2 eine polumschaltbar Wicklung einer elektrischen Maschine nach dem Prinzip der Stromrichtungsumkehr,

FIG 3 eine polumschaltbar Wicklung nach dem Umgruppierungsprinzip,

FIG 4 ein Schaltbild einer elektrischen Maschine die eine polumschaltbar Wicklung nach einem der beiden Prinzipien aufweist,

FIG 5 eine in zwei axial hintereinanderliegende Hälften unterteilte elektrische Maschine im Längsschnitt,

FIG 6 ein Schaltbild für eine in zwei axiale Hälften unterteilte elektrische Maschine,

FIG 7 bis 11 Ausführungsbeispiele von Wicklungen in Form von Kurzschlußkreisen für Läufer von Asynchronmaschinen.

In FIG 1 ist mit 1 der Läufer einer elektrischen Maschine bezeichnet. Die Ständerwicklung besteht aus zwei galvanisch getrennten Drehstromwicklungen 2 und 3 mit den Polpaarzahlen pl und p2. Die Polpaarzahlen pl und p2 der beiden die Ständerwicklung bildenden Drehstromwicklungen 2 und 3 unterscheiden sich um eins. Die beiden Drehstromwicklungen 2 und 3 können somit 2/4-;4/6-;6/8-polig usw. ausgeführt werden.

Der Läufer 1 kann im Falle der Ausführung der Maschine als Synchronmaschine entweder als Reluktanzläufer, als mit Permanentmagneten bestückter Läufer oder auch als mittels einer entsprechenden Induktorwicklung elektrisch erregter Läufer

5 GR 90 G 3461 OE " ausgeführt sein. Dabei ist die Polpaarzahl des Läufers entsprechend der Nenndrehzahl der Maschine identisch mit einer der beiden Polpaarzahlen pl bzw.p2 der Ständerwicklung. Der Läufer ist ferner so gestaltet, daß sich das Drehfeld mit der anderen Polpaarzahl ungehindert im Läufer ausbilden kann. Der Läufer darf daher keine Dämpferwicklung enthalten.

Ist die Maschine als Asynchronmaschine ausgeführt, dann darf der Läufer nicht als üblicher Kurzschluß-Käfigläufer ausgebildet sein, da er ansonsten für beide Polpaarzahlen pl und p2 der Drehfelder wirksam wäre. Der Läufer 1 muß vielmehr mit einer Wicklung versehen sein, die nur mit einer der Polpaarzahlen pl und p2 der Ständerwicklung reagiert.

Dies kann z.B. eine kurzgeschlossene Dreiphasenwicklung nach Art eines Schleifringläufers sein. Vorteilhaft können auch eine Anzahl von getrennten, gegenseitig räumlich versetzten Kurzschlußkreisen mit der entsprechenden Polzahl angeordnet werden. Damit lassen sich ähnlich hohe Drehzahlen wie mit konventionellen Käfigwicklungen ausführen.

In den FIG 7 bis 11 sind Ausführungsbeispiele für solche 2-,4- und 6-polig ausgebildete Kurzschlußkreise dargestellt, wobei jeweils nur ein einzelner Kurzschlußkreis gezeigt ist. Jeder Kurzschlußkreis umfaßt dabei mindestens 2p symmetrisch längs des Umfanges verteilte LÄuferstäbe, d.h. mindestens jeweils einen Stab pro Pol, bezogen auf die drehmomentbildende Polpaarzahl pl oder p2. Die Schaltverbindungen zwischen den Stäben können wellenförmig mit einer Schrittweite von entweder durchwegs W=T oder abwechselnd auf der einen Stirnseite mit (T-A) und gegenüberliegend mit ( f + &Dgr; ) ausgeführt sein. Ersteres ergibt ungesehnte, letzteres gesehnte Spulen. T bedeutet dabei die Polteilung für die drehmomentbildende Polzahl, d.h. 2-polig für FIG 7 und 8, 4-polig für FIG 9 und 10 und 6-polig für FIG 11. Wie die FIG 8 und 10 zeigen, können

6 GR 90 G 3461 DE auch Kurzschlußkreise mit 4p Läuferstäben, d.h. jeweils 2 Stäben pro Pol durch zwischengefügte schleifenförmige Verbindungen der Schrittweite ¹X gebildet werden.

Das den Läufer 1 antreibende Drehmoment wird nur von der in ihrer Polpaarzahl pl mit der Polpaarzahl pl der Läuferwicklung 4 übereinstimmenden Drehstromwicklung 2 erzeugt. Durch die andere Drehstromwicklung 3 mit der Polpaarzahl p2 wird ein mit der dieser Polpaarzahl entsprechenden Geschwindigkeit umlaufendes weiteres Drehfeld erzeugt. Der Läufer 1 muß so ausgebildet sein, daß sich dieses Drehfeld ungehindert ausbilden kann. Durch die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit umlaufenden, räumlich und zeitlich sinusförmigen Drehfelder ergibt sich eine ortsfeste Magnetkraft, durch die die Lagerung des Läufers 1 bewirkt wird.

Gemäß FIG 1 wird die das Drehmoment M erzeugende Drehstromwicklung 2 mit der Polpaarzahl pl direkt von einer dreiphasigen Versorgungsspannung Ul mit der Frequenz f gespeist. Die Speisung der anderen Drehstromwicklung 2 mit der Polpaarazahl p2 erfolgt über ein Steuergerät 5, dessen Steuerelemente 6 in Abhängigkeit von dem Läufer 1 zugeordneten Lagesensoren 7 die Größe der an der anderen Drehstromwicklung 2 liegenden Spannung U2 und deren Relativlage, d.h. Phasenverschiebung, zu der Versorgungsspannung Ul einstellen. Damit wird die Größe und Richtung der Magnetkraft entsprechend den jeweiligen Erfordernissen geregelt.

Anstelle einer Speisung mit konstanter Versorgungsspannung Ul und konstanter Frequenz kann die Maschine selbstverständlich auch an spannungs- und frequenzgeregelten Umrichter betrieben und als drehzahlvariabler Antrieb eingesetzt werden.

Die beiden Drehstromwicklungen 2 und 3 können zur besseren Maschinenausnutzung vorteilhaft durch eine polumschaltbar

7 GR 90 G ^461 "BE ■' Wicklung 8 (FIG 2) nach dem Prinzip der Stromrichtungsumkehr oder durch eine polumschaltbar Wicklung 9 (FIG 3) nach dem Umgruppierungsprinzip gebildet werden. Da bei einer solchen Ausbildung gleiche Wicklungsteile von beiden Spannungen Ul und U2 gleichzeitig gespeist werden, ist eine Potentialtrennung zwischen diesen beiden Spannungen erforderlich.

Die in FIG 4 schematisch dargestellte Ständerwicklung 8;9 besitzt einen Netzanschluß für den mit der Polpaarzahl pl arbeitenden Wicklungsteil und einen mit dem Steuergerät verbundenen Anschluß für den mit der Polpaarazahl p2 arbeitenden Wicklungsteil. Das Steuergerät wird in diesem Falle über einen an der Netzspannung Ul liegenden Trenntransformator 10 gespeist, so daß die erforderliche Potentialtrennung gegeben ist.

Bei der in FIG 5 gezeigten elektrischen Maschine wird der Läufer und der Ständer in jeweils zwei axial hintereinanderliegende Hälften 11 und 12 bzw. 13 und IA unterteilt. Eine Läuferwicklung 4, z.B. in Form von Kurzschlußkreisen gemäß den FIG 7 bis 11, ist über beide Läuferhälften 11 und 12 durchgehend ausgebildet. Die in ihrer Polpaarzahl pl mit der Polpaarzahl pl der Läuferwicklung 4 übereinstimmende eine Drehstromwicklung 2 ist ebenfalls über beide Ständerhälften 13 und 14 durchgehend ausgeführt. Die andere Drehstromwicklung ist dagegen in zwei getrennte Drehstromwicklungen 3a und 3b unterteilt, von denen jeweils eine einer der Ständerhälften 13 bzw.14 zugeordnet ist. Gemäß FIG 6 ist jeder dieser getrennten Drehstromwicklungen 3a und 3b ein eigenes Steuergerät 5 zugeordnet, so daß beide Wicklungen unabhängig voneinander steuerbar sind. Die beiden Ständerhälften 13,14 können auch jeweils mit zwei getrennten oder polumschaltbaren Wicklungen ausgerüstet werden.

Damit können an zwei Ebenen die magnetischen Lagerkräfte F, und F₁₁ unabhängig voneinander in ihrer Größe und Winkellage ^f₁

8 GR 90 6 und V₁₁ beeinflußt werden. Es kann bei einer derart ausgebildeten Maschine somit sowohl extern auf den Läufer einwirkenden und zu einer Schräglage führenden als auch dynamischen, z.B. von einer Unwucht herrührenden Kräften entgegengewirkt werden. 5

Eine weitere Möglichkeit, derartigen Kräften entgegenzuwirken, besteht darin, daß zusätzlich auf beiden Stirnseiten des Läufers konventionelle magnetische Lager angeordnet sind, die nur für die Aufnahme solcher auf den Läufer einwirkenden Kräfte dimensioniert sind. Die eigentliche Tragkraft des Lagers wird dagegen von der entsprechenden im Ständer angeordneten Drehstromwicklung 3 im Zusammenwirken mit der das Drehmoment liefernden Drehstromwicklung 2 erzeugt.

Eine magnetische Führung in Längsrichtung ergibt sich bei den

beschriebenen Ausführungsformen der elektrischen Maschine von

selbst aufgrund der bei einer axialen Auslenkung des Läufers

aus der Mittelstellung entstehenden magnetischen Rückstellkraft.

Diese Rückstellkraft läßt sich durch eine axiale Unterteilung

des Ständers und des Läufers noch vervielfachen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, neben den ohnehin erforderlichen Fanglagern konventionelle Axiallager vorzusehen.

Claims

1 Ö * * 3 « &Lgr; * *■? 9 GR 90 6 Schutzansprüche

1. Elektrische Maschine mit einem magnetisch gelagerten Läufer, bei der das Drehmoment und die magnetische Lagerkraft bewirkende Wicklungen gemeinsam im Ständer angeordnet sind und mindestens an einer der Wicklungen die speisende Spannung mittels eines Regelsystems in Abhängigkeit von der radialen Lage des Läufers steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (2 und 3) mit Spannungen gleicher Frequenz gespeist und derart ausgebildet sind, daß sie zwei gleichsinnig umlaufende Drehfelder mit unterschiedlichen, sich um eins unterscheidenden Polpaarzahlen (pl und p2) erzeugen und daß ferner der Läufer (1) so gestaltet ist, daß mit einem der Drehfelder eine Drehmomentbildung erfolgt und das andere Drehfeld sich ungehindert ausbilden kann.

2. Elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (1) als Reluktanz-, Permanentmagnet- oder elektrisch erregter Läufer ohne Dämpferkäfig ausgeführt ist.

3. Elektrische Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (1) eine mehrphasige kurzgeschlossene Schleifen- oder Wellenwicklung aufweist, deren Polpaarzahl einer der beiden Polpaarzahlen (pl bzw.p2) der von dem im Ständer angeordneten Wicklungen (2 und 3) erzeugten Drehfelder entspricht.

4. Elektrische Asynchronmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwicklung aus gegenseitig räumlich versetzten Kurzschlußkreisen gebildet ist, welche jeweils mindestens 2p symmetrisch am Umfang verteilte Läuferstäbe enthalten.

10 GR 9U G 3&Agr;*61 &Iacgr;3£ ^ ^" 5. Elektrische Asynchronmaschine nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch wellenförmig verlaufende Schaltverbindungen zwischen den Läuferstäben, welche auf der einen Stirnseite jeweils einen Umfangsbereich von ( T - &Dgr; ) und auf der anderen Stirnseite einen solchen von ( T + &Dgr; ) überbrücken, wobei ¹X die Polteilung für die drehmomentbildende Polpaarzahl &rgr; und &Dgr; die Abweichung von der Polteilung bedeutet (FIG 9 und 11).

6. Elektrische Asynchronmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußkreise jeweils 4p Läuferstäbe enthalten, wobei zwei eingefügte schleifenförmige Verbindungen jeweils einen Umfangsbereich von t* überbrücken (FIG 8 und 10).

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines elektronischen Stellgliedes (5) die Größe und gegenseitige Phasenlage der die Wicklungen (2 und 3) speisenden Spannungen (Ul und U2) veränderbar ist.

8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,2,3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen (2 und 3) radial übereinanderliegend im Ständer angeordnet sind.

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,2,3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen (2 und 3) in Umfangsrichtung ineinander verschachtelt angeordnet sind.

10. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,2,3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen als polumschaltbar Wicklung (8) nach dem Prinzip der Stromrichtungsumkehr ausgeführt sind.

11 GR 90 G 34SI" DE

11. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,2,3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen als polumschaltbar Wicklung (9) nach dem Umgruppierungsprinzip ausgeführt sind. 5

12. Elektrische Maschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Polzahlstufe über einen Trenntransformator gespeist ist.
10

13. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine in zwei axial hintereinanderliegende Ständerund Läuferhälften (13,14 bzw.11,12) unterteilt und in jeder Ständerhäfte (13 bzw.14) eine gesteuerte Wicklung (3A unmd 3B) für die Regelung der Lagerkraft vorgesehen ist.

14. Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die das Drehfeld erzeugende Wicklung (2) sich durchgehend über beide Ständerhälften (13 und 14) erstreckt.

15. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Stirnseiten der Maschine zusätzlich Magnetlager mit reduzierter Tragkraft angeordnet sind.