WO2016000699A1 - Elektrische maschine mit mechanischer feldschwächung und fail-safe-aktuatorik - Google Patents

Elektrische maschine mit mechanischer feldschwächung und fail-safe-aktuatorik Download PDF

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Thomas Schencke
Thomas Pfund
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching

Definitions

  • the invention relates to a permanent magnet dynamoelekthsche machine that can be operated in the field weakening.
  • Permanent-magnet synchronous machines are used in a large number of applications in which electrical drive tasks are to be performed. In industrial applications, for example in machine tools or production machines, they are used as highly dynamic servomotors. Due to its high power density compared to other types of machines, it is also preferably used in the field of electromobility, where the available space is often a limiting factor. But as a generator, for example in the field of renewable energy, especially wind power, the permanent-magnet synchronous machine is often used.
  • the permanent-magnet synchronous machine is characterized by increased efficiency. Because the permanent-magnet synchronous machine can do without electrical excitation, ohmic losses are saved.
  • the exciter field of the machine is usually generated by permanent magnets, which are arranged in the rotor of the machine. In a slip ring contact, which is necessary in electrically excited synchronous machines to supply power to a rotor arranged on the exciting coil, can be dispensed with in the permanent-magnet synchronous machine. This also reduces the maintenance of the permanent-magnet machine compared to the electrically excited.
  • a disadvantage of permanent excitation is that the excitation field can not be easily modified.
  • a synchronous machine can be operated beyond its nominal speed by controlling the so-called field weakening range. In this area, the machine is operated at the maximum rated power, and as the speed increases, the torque output by the machine is reduced. Electrically excited synchronous machines can be operated very easily in the field weakening range by the excitation current is reduced.
  • the CN101783536 A shows a permanent-magnet synchronous motor with buried, magnetized in the tangential direction permanent magnet, which in each case radially outwardly followed by a radially displaceable short-circuit block.
  • This shorting block is biased by a spring so that it is located at a low rotor speed in a magnetically insulating region of the rotor. As the speed increases, the shorting block is forced outward against the spring tension, where it forms a short circuit path for the magnetic flux.
  • the magnetic flux flux guided via this short circuit path reduces the effective air gap flux of the machine, so that the field weakening operation is controlled.
  • the invention has for its object to increase the safety in drive systems with dynamoelectric machines that are equipped with the possibility of mechanical field weakening.
  • a machine according to the invention comprises a stator, a rotor spaced from the stator via an air gap, permanent magnets arranged on the rotor for generating an exciting field in the air gap and a centrifugally controlled field weakening mechanism for speed-dependent weakening of the exciting field in the air gap.
  • the invention is now based on the finding that the reliability can be significantly increased in such a machine and by such machines powered systems when the machine has a signal input for a fault signal and an actuator for speed-independent control of said field weakening mechanism.
  • this actuator By this actuator, it is possible to bring about a magnetic short circuit of the exciting field generated by the permanent magnets in case of failure.
  • the field weakening according to the invention caused by the increasing centrifugal force with increasing speed.
  • the field weakening operation can also be activated in a fail-safe mode by means of the actuator. This happens, for example, in the case of an active short circuit of an inverter, which is provided for controlling the dynamoelectric machine.
  • the dynamoelectric machine comprises substantially tangentially to the circumferential direction of the rotor magnetized permanent magnets, which are arranged in magnetic pockets of the rotor.
  • the field weakening mechanism can be designed such that the permanent magnets are radially displaced thereby and the rotor is designed such that a radially outward displacement of the permanent magnets causes a weakening of the exciter field in the air gap.
  • the permanent magnets can be biased by one or more springs in a radially inner position in an advantageous embodiment of the invention, wherein the spring constant is dimensioned accordingly.
  • an advantageous embodiment of the invention is characterized in that the actuator has at each axial-side end of the rotor a cam whose rotation relative to the rotor causes a displacement of the stray flux pieces radially outward.
  • the actuator can be controlled, for example, in the event of a fault, in order to move the stray flux conductors radially outward in the direction of the air gap independent of centrifugal force and thus independent of rotational speed and thus to cause the field weakening operation.
  • the same radial displacement of the leakage sections would also be caused by the centrifugal force when the speed is sufficiently high, so that at an increased speed of the machine also results in a corresponding rotation of the cam against the rotor.
  • the cams are each biased by a return spring kelposition in a Drehwin-, in which the stray flux conductors are arranged in a radially inner position .
  • An alternative embodiment with stray flux conductors is characterized in that said stray flux conductors are biased radially inwardly at each axial end of the rotor by a Belleville spring disposed on the rotor shaft and the actuator is adapted to apply an axial force to the cup spring counteracts the bias.
  • an actuator can press an axially movable sleeve in each case on one of the plate springs, so that the plate spring causes a radially directed displacement of the flux guide in the direction of the air gap.
  • a further advantageous embodiment of the machine is characterized in that the grooves are arranged in a first material having a first permeability, the magnetic pockets are arranged in a second material having a second permeability, which is greater than the first permeability, wherein the grooves with the Magnetic pockets are arranged radially in alignment, so that the stray flux conductors are at least partially displaceable by a groove in a magnetic pocket.
  • the stray flux conductors are in the region of the first material with the lower permeability, they do not represent a significant stray flux path for the flux generated by the permanent magnets.
  • the stray flux conductors are each shifted from a groove into a magnet pocket, so that they are increasingly affected by the second material with the higher permeability are adjacent. The deeper the stray flux conductors penetrate into the magnet pocket, the more highly permeable rotor material is available for the stray flux.
  • a kind of spoke construction for the rotor can be produced in a further advantageous embodiment of the invention by virtue of the rotor having a central, essentially cylindrical basic body of the first material in which the grooves are formed and a plurality of flux conducting pieces of the second material in a partially annular Cross-section, which are arranged on a lateral surface of the main body to form a solid ring, wherein in each case two flux guides are separated by a Magnetetta see each other in the circumferential direction.
  • the flux guides can in this case be positively connected to the body.
  • the cylindrical base body from the first form low-permeable material as a solid body and the flux conductors of high-permeability electrical sheets, which are stanzpiert each other in the axial direction. Due to the fact that the flux guides have a partial ring-shaped cross-section, the sheet metal waste can be reduced in comparison to full-circle or full-ring-shaped elements.
  • a dynamoelectric machine is well suited for use in at least partially electrically powered vehicles, such as battery powered electric vehicles or hybrid vehicles.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a rotor according to the invention with centrifugal force-controlled field weakening
  • FIG. 3 shows a detail of the rotor according to FIG. 2 in a first operating state
  • FIG. 4 shows a detail of the rotor according to FIG. 2 in a second operating state
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a rotor according to the invention with centrifugally controlled field weakening
  • FIG. 6 shows a spring for prestressing stray flux conducting pieces
  • FIG. 7 shows an end view of a rotor with an actuator for controlling a field weakening mechanism
  • FIG. 8 shows a side view of the rotor according to FIG. 7,
  • Figure 9 is an end view of a rotor with a further actuator for controlling a field weakening mechanism
  • FIG. 10 shows a side view of the rotor according to FIG. 9.
  • Figure 1 shows a known from the prior art structure of a permanent magnet dynamoelectric machine.
  • stator 1 With toothed coil technology, only a partial annular cutout is shown.
  • the stator 1 concentrically surrounds a rotor 2 designed as an internal rotor, which is connected in a rotationally fixed manner to a rotor shaft 9.
  • Stator 1 and rotor 2 are spaced apart in the radial direction via an air gap 8.
  • the rotor 2 has permanent magnets 4 buried in magnetic pockets. These permanent magnets 4 are magnetized in the circumferential direction of the rotor 2 and thus orthogonal to the radial and axial direction of the rotor.
  • Each permanent magnet 4 is adjacent in the circumferential direction on both sides of two Flussleit consortiumen 6 of highly permeable material, such as stanzlastier- th electrical sheets. Within these flux guide pieces 6, the magnetic flux exiting initially from the permanent magnets 4 in the circumferential direction is deflected in a radial direction so that the magnetic flux lines pass through the air gap 8 substantially radially.
  • the rotor 2 is in addition to the permanent magnet 4 from two other essential elements: a base body 5, which forms the rotationally fixed connection with the rotor shaft 9 and is disposed in the radially inner region of the rotor 2 and the form-fittingly connected to this base body 5 Flussleit proposede 6.
  • the flux-conducting pieces 6 can be pushed axially onto corresponding positive-locking elements 7 of the main body 5.
  • the um- Fangs workede expansion of the flux-conducting 6 is in this case selected such that in the spaces between the Flussleit Swissen magnetic pockets for receiving the permanent magnets 4 remain.
  • a suitable current component must be impressed into the stator current of the machine, which counteracts the exciting field generated by the permanent magnets 4.
  • an electric field weakening which can be realized for example by means of the known field-oriented control, is associated with increased losses within the machine and a concomitant reduction in their efficiency.
  • the following figures show by way of example how the dynamoelectric machine shown in FIG. 1 can be modified in order to enable field weakening operation with high electrical efficiency.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a rotor 2 according to the invention with centrifugal force-controlled field weakening.
  • the known from Figure 1 rotor has now been modified so that radially above the permanent magnets 4 in the magnetic pockets 3 embedded in magnetically poorly conductive material radially movable stray flux conductors 10 are located. These stray flux conductors 10 are biased by springs 1 1 so that they assume a radially maximum inner position at a machine speed below rated speed of the machine in which they are completely embedded in the magnetically poorly conductive material.
  • This operating state is shown in FIG. It can be seen that the leakage flux guide 10 is located in an embedding 15 made of low-permeability material and thus, considered magnetically, remains ineffective.
  • FIG. 4 shows an operating state of the machine, where the scattering flux guide 10 is pressed out of the embedding in the direction of the air gap.
  • This change in position is caused by an increased centrifugal force due to an engine speed which is above the rated speed of the engine. In this position Here, it can short-circuit a significant proportion of the magnetic flux generated by the permanent magnets 4, so that this leakage flux component is no longer available for instantiation in the air gap 8.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a rotor 2 according to the invention with centrifugally-controlled field weakening.
  • radially movable stray flux conducting pieces 10 are provided, which however are now below permanent magnet 4 magnetized in the circumferential direction. They are at low speed in the main body 5, which has a significantly low permeability compared to the flux guides 6. In this position, the leakage flux conductors 10 are held by a spring 1 1, which is clearly visible in Figure 6.
  • FIG. 7 shows an end view of a rotor 2 with an actuator for activating a field weakening mechanism. There is a cam disc 13 on each end face of the actuator.
  • the stray flux conducting pieces 10 are mounted in correspondingly shaped grooves. In the position shown, the stray flux conductors are located in their radially inwardmost position.
  • the cams 13 are initially biased by a return spring, not shown here so that the leakage flux conductors 10 are radially considered inside.
  • each of the cam disks rotates in such a way that following the centrifugal force, the leakage flux conducting pieces 10 can assume a position which is closer to the air gap.
  • the cam disk 13 can also be rotated by a suitable actuator, counter to the return spring.
  • Figure 9 shows an end view of a rotor 2 with a further actuator for driving a field weakening mechanism.
  • the leakage conductors 10 are radially biased by plate or octagonal springs 16 so that they occupy an inner position at low speed by they are not penetrated by the magnetic flux.
  • the plate spring 16 is in this case dimensioned such that it permits a radially outer position of the leakage flux conducting 10, when the machine reaches a speed above the rated speed. Above the rated speed, the field weakening mode starts in this way. Again, the centrifugal force of the bias of the plate spring 16 counteracts.
  • such a position of the stray flux conducting pieces 10 can also be achieved by means of the pressure sleeves 17 which can be seen in FIG.
  • the pressure sleeves can act axially on the disk springs 15, so that the stray flux conductors 10 are pressed radially outwards, without the machine speed necessary for normal operation being present.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische permanenterregte Maschine mit der Möglichkeit zur mechanischen Feldschwächung. Die Maschine umfasst einen Stator (1), eine vom Stator (1) über einen Luftspalt (8) beabstandeten Rotor (2), am Rotor (2) angeordnete Permanentmagnete (4) zur Erzeugung eines Erregerfeldes im Luftspalt (8) und einen fliehkraftgesteuerten Feldschwächmechanismus zur drehzahlabhängigen Schwächung des Erregerfeldes im Luftspalt (8). Zur Erhöhung der Betriebssicherheit von Systemen, die mit einer derartigen Maschine angetrieben werden, umfasst diese weiter einen Signaleingang für ein Fehlersignal und einen Aktor zur drehzahlunabhängigen Ansteuerung des besagten Feldschwächmechanismus.

Description

Elektrische Maschine mit mechanischer Feldschwächung und Fail-Safe-Aktuatorik
Die Erfindung betrifft eine permanenterregte dynamoelekthsche Maschine, die im Feldschwächbereich betrieben werden kann.
Beispielhaft für eine derartige elektrische Maschine ist die sogenannte permanenterregte Synchronmaschine. Permanenterregte Synchronmaschinen kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz, bei denen elektrische Antriebsaufgaben zu verrichten sind. In industriellen Anwendungen, beispielsweise bei Werkzeugmaschi- nen oder Produktionsmaschinen, werden sie als hochdynamische Servomotoren eingesetzt. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Maschinentypen hohen Leistungsdichte wird sie bevorzugt auch im Bereich der Elektromobilität verwendet, wo der zur Verfügung stehende Bauraum häufige eine limitierende Größe darstellt. Aber auch als Generator, beispielsweise im Umfeld regenerativer Energien, insbesondere Windkraft, wird die permanenterregte Synchronmaschine häufig eingesetzt.
Im Vergleich zu elektrisch erregten Synchronmaschinen zeichnet sich die permanenterregte Synchronmaschine durch einen erhöhten Wirkungsgrad aus. Dadurch, dass die permanenterregte Synchronmaschine auf eine elektrische Erregung verzichten kann, werden ohmscher Verluste eingespart. Das Erregerfeld der Maschine wird in der Regel von Permanentmagneten erzeugt, die im Rotor der Maschine angeordnet sind. Auf eine Schleifringkontaktierung, die bei elektrisch erregten Synchronmaschinen notwendig ist, um eine am Rotor angeordnete Erregerspule mit Strom zu versorgen, kann bei der permanenterregten Synchronmaschine verzichtet werden. Hier- durch reduziert sich auch der Wartungsaufwand der permanenterregten Maschine gegenüber der elektrisch erregten.
Ein Nachteil der Permanenterregung besteht jedoch darin, dass das Erregerfeld nicht ohne Weiteres modifiziert werden kann. Grundsätzlich kann eine Synchronmaschine über ihre Nenndrehzahl hinaus betrieben werden, indem der sogenannte Feldschwächbereich angesteuert wird. In diesem Bereich wird die Maschine mit der maximalen Nennleistung betrieben, wobei mit zunehmender Drehzahl das von der Maschine abgegebene Drehmoment reduziert wird. Elektrisch erregte Synchronmaschinen können sehr einfach im Feldschwächbereich betrieben werden, indem der Erregerstrom reduziert wird.
Zwar sind auch bei permanenterregten Maschinen Möglichkeiten bekannt, über eine geeignete Bestromung des Ständers der Maschine eine Luftspaltfeldkomponente zu erzeugen, die dem von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt und dieses somit schwächt. Jedoch bewirkt eine derartige Ansteuerung der Maschine erhöhte Verluste, sodass die Maschine in diesem Bereich nur mit einem reduzierten Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Um permanenterregte dynamoelektrische Maschinen im Feldschwächbereich betreiben zu können, ohne hierbei den Wirkungsgrad der Maschine nennenswert zu verschlechtern, sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur mechanischen Feldschwächung bekannt. So zeigt die CN101783536 A einen permanenterregten Syn- chronmotor mit vergrabenen, in Tangentialrichtung magnetisierten Permanentmagneten, an die sich jeweils radial nach außen betrachtet ein radial verschiebbarer Kurzschlussblock anschließt. Dieser Kurzschlussblock ist über eine Feder derart vorgespannt, dass er sich bei niedriger Rotordrehzahl in einem magnetisch isolierenden Bereich des Rotors befindet. Mit zunehmender Drehzahl wird der Kurzschlussblock nach außen gegen die Federspannung gedrückt, wo er für den magnetischen Fluss einen Kurzschlusspfad bildet. Der über diesen Kurzschlusspfad geführte magnetische Streu- fluss reduziert den effektiven Luftspaltfluss der Maschine, sodass der Feldschwächbetrieb angesteuert wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit in Antriebssystemen mit dynamoelektrischen Maschinen, die mit der Möglichkeit einer mechanischen Feldschwächung ausgerüstet sind, zu erhöhen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer dynamoelektrischen Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 .
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen. Eine erfindungsgemäße Maschine umfasst einen Stator, einen vom Stator über einen Luftspalt beabstandeten Rotor, am Rotor angeordnete Permanentmagnete zur Erzeugung eines Erregerfeldes im Luftspalt und einen fliehkraftgesteuerten Feldschwäch- mechanismus zur drehzahlabhängigen Schwächung des Erregerfeldes im Luftspalt.
Der Erfindung liegt nunmehr die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Betriebssicherheit bei einer derartigen Maschine und mittels derartiger Maschinen angetriebener Systeme signifikant erhöhen lässt, wenn die Maschinen einen Signaleingang für ein Fehler- Signal und einen Aktor zur drehzahlunabhängigen Ansteuerung des besagten Feldschwächmechanismus aufweist. Durch diesen Aktor ist es möglich, im Fehlerfall einen magnetischen Kurzschluss des von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeldes herbeizuführen. Im Normalbetrieb wird die Feldschwächung erfindungsgemäß durch die mit zunehmender Drehzahl ansteigende Fliehkraft hervorgerufen. Erfindungsge- mäß ist nunmehr vorgesehen, dass der Feldschwächbetrieb auch in einem Fail-Safe- Modus mittels des Aktors angesteuert werden kann. Dies geschieht beispielsweise bei einem aktiven Kurzschluss eines Umrichters, der zur Ansteuerung der dynamoelektrischen Maschine vorgesehen ist. Durch die Möglichkeit, mithilfe des Aktors bei einem solchen aktiven Kurzschluss schlagartig den Feldschwächbetrieb und damit eine deut- liehe Reduktion der Erregungen herbeizuführen, kann das Kurzschlussmoment der Maschine begrenzt werden. Werden hingegen die Klemmen der Maschine im Fehlerfall geöffnet, so kann durch die forcierte Feldschwächung die in die Ständerwicklungen induzierte Spannung reduziert werden. Vorteilhafterweise umfasst die dynamoelektrische Maschine im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung des Rotors magnetisierte Permanentmagnete, die in Magnettaschen des Rotors angeordnet sind.
Der Feldschwächmechanismus kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung de- rart gestaltet sein, dass die Permanentmagnete durch diesen radial verschoben werden und der Rotor derart gestaltet ist, dass eine radial nach außen gerichtete Verschiebung der Permanentmagnete eine Schwächung des Erregerfeldes im Luftspalt bewirkt. Um zu gewährleisten, dass diese Feldschwächung nur bei Drehzahlen oberhalb der Nenndrehzahl der Maschine einsetzt, können die Permanentmagnete in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung durch eine oder mehrere Federn in eine radial innen liegende Position vorgespannt sein, wobei die Federkonstante entsprechend zu dimen- sionieren ist.
Anstelle von radial verschiebbaren Permanentmagneten können in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung auch verschiebbare Flussleitstücke vorgesehen sein, die in radial verlaufenden Nuten geführt werden und deren radiale Position die Dichte des Erregerfeldes im Luftspalt beeinflusst. Derartige Streuflussleitstücke schließen einen Teil des von den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses kurz, wenn sie sich in einer radial außen liegenden Position befinden, wobei diese radial außen liegende Position im Normalbetrieb durch die mit zunehmender Drehzahl zunehmende Fliehkraft hervorgerufen wird.
Hierbei ist eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor an jedem axialseitigen Ende des Rotors eine Kurvenscheibe aufweist, deren Verdrehung gegenüber dem Rotor eine Verschiebung der Streuflussstücke radial nach außen bewirkt. Auf diese Art und Weise kann der Aktor beispielweise im Fehler- fall angesteuert werden, um fliehkraftunabhängig und damit drehzahlunabhängig die Streuflussleitstücke radial betrachtet nach außen in Richtung des Luftspaltes zu verschieben und somit den Feldschwächbetrieb hervorzurufen. Dieselbe radiale Verschiebung der Streuflussstücke würde auch durch die Fliehkraft bewirkt, wenn die Drehzahl ausreichend hoch ist, sodass sich bei erhöhter Drehzahl der Maschine auch eine entsprechende Verdrehung der Kurvenscheibe gegenüber dem Rotor ergibt.
Um zu gewährleisten, dass bei dieser Ausführungsform der Feldschwächbetrieb erst ab einer gewissen Eckdrehzahl angefahren wird, kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass die Kurvenscheiben jeweils durch eine Rückstellfeder in eine Drehwin- kelposition vorgespannt sind, bei der die Streuflussleitstücke in einer radial innen liegenden Position angeordnet sind. Eine alternative Ausführungsform mit Streuflussleitstücken ist dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Streuflussleitstücke an jedem axialseitigen Ende des Rotors durch eine auf der Rotorwelle angeordneten Tellerfeder radial nach innen vorgespannt sind und der Aktor derart ausgebildet ist, dass er eine axiale Kraft auf die Tellerfeder aufbringen kann, die der Vorspannung entgegenwirkt. Hierbei kann beispielsweise ein Aktor eine axial bewegliche Hülse jeweils auf eine der Tellerfedern pressen, sodass die Tellerfeder eine radial gerichtete Verschiebung der Flussleitstücke in Richtung des Luftspaltes bewirkt. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten in einem ersten Material mit einer ersten Permeabilität angeordnet sind, die Magnettaschen in einem zweiten Material mit einer zweiten Permeabilität angeordnet sind, die größer als die erste Permeabilität ist, wobei die Nuten mit den Magnettaschen radialfluchtend angeordnet sind, sodass die Streuflussleitstücke zumindest teil- weise von einer Nut in eine Magnettasche verschiebbar sind. Solange sich die Streuflussleitstücke im Bereich des ersten Materials mit der niedrigeren Permeabilität befinden, stellen sie keinen nennenswerten Streuflusspfad für den von den Permanentmagneten erzeugten Fluss dar. Zur Einleitung des Feldschwächbereiches werden die Streuflussleitstücke jeweils von einer Nut in eine Magnettasche verschoben, sodass sie zunehmend von dem zweiten Material mit der höheren Permeabilität benachbart sind. Je tiefer die Streuflussleitstücke in die Magnettasche eindringen, desto mehr hochpermeables Rotormaterial steht für den Streufluss zur Verfügung.
Eine Art Speichenkonstruktion für den Rotor lässt sich in weiterer vorteilhafter Ausges- taltung der Erfindung dadurch erzeugen, dass der Rotor einen zentralen, im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper aus dem ersten Material aufweist, indem die Nuten ausgebildet sind und mehrere Flussleitstücke aus dem zweiten Material in einem teilringförmigen Querschnitt, die an einer Mantelfläche des Grundkörpers zu einem vollen Ring angeordnet sind, wobei jeweils zwei Flussleitstücke durch eine Magnetta- sehe voneinander in Umfangsrichtung beabstandet sind. Die Flussleitstücke können hierbei formschlüssig mit dem Grundkörper verbunden werden. Es ergibt sich eine Art segmentierter Rotoraufbau, der auch hinsichtlich der Fertigungskosten erhebliche Vorteile aufweist. Denkbar ist z. B., den zylinderförmigen Grundkörper aus dem ersten, niederpermeablen Material als Massivkörper auszubilden und die Flussleitstücke aus hochpermeablen Elektroblechen, die in axialer Richtung aufeinander stanzpaketiert werden. Dadurch, dass die Flussleitstücke teilringförmigen Querschnitt aufweisen, kann im Vergleich zu vollkreis- oder vollringförmigen Elementen der Blechverschnitt reduziert werden.
Eine dynamoelektrische Maschine gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen eignet sich hervorragend für einen Einsatz in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie batteriebetriebenen elektrischen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben. Elementen mit gleicher Funktion ist hierbei in allen Figuren das gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
Es zeigen:
Figur 1 einen aus dem Stand der Technik bekanntem Aufbau einer permanenterreg ten dynamoelektrischen Maschine,
Figur 2 eine erste Ausführungsform eines Rotors gemäß der Erfindung mit fliehkraftgesteuerter Feldschwächung, Figur 3 einen Ausschnitt aus dem Rotor nach Figur 2 in einem ersten Betriebszustand,
Figur 4 einen Ausschnitt aus dem Rotor nach Figur 2 in einem zweiten Betriebszustand,
Figur 5 eine zweite Ausführungsform eines Rotors gemäß der Erfindung mit fliehkraftgesteuerter Feldschwächung, Figur 6 eine Feder zur Vorspannung von Streuflussleitstücken,
Figur 7 eine stirnseitige Aufsicht auf einen Rotor mit einem Aktor zur Ansteuerung eines Feldschwächmechanismus,
Figur 8 eine Seitenansicht des Rotors nach Figur 7,
Figur 9 eine stirnseitige Aufsicht auf einen Rotor mit einem weiteren Aktor zur Ansteuerung eines Feldschwächmechanismus und
Figur 10 eine Seitenansicht des Rotors nach Figur 9.
Figur 1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau einer permanenterregten dynamoelektrischen Maschine.
Von einem Stator 1 mit Zahnspulentechnik ist nur ein teilringförmiger Ausschnitt dargestellt. Der Stator 1 umgibt konzentrisch einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor 2, der drehfest mit einer Rotorwelle 9 verbunden ist. Stator 1 und Rotor 2 sind in radialer Richtung über einen Luftspalt 8 voneinander beabstandet. Zur Erzeugung des Erre- gerfeldes, welches den Luftspalt 8 radial durchflutet, weist der Rotor 2 in Magnettaschen vergrabene Permanentmagnete 4 auf. Diese Permanentmagnete 4 sind in Um- fangsrichtung des Rotors 2 und somit orthogonal zur Radial- und Axialrichtung des Rotors magnetisiert. Jeder Permanentmagnet 4 ist in Umfangsrichtung beidseitig von zwei Flussleitstücken 6 aus hochpermeablem Material, beispielsweise stanzpaketier- ten Elektroblechen, benachbart. Innerhalb dieser Flussleitstücke 6 wird der zunächst in Umfangsrichtung aus den Permanentmagneten 4 austretende magnetische Fluss in eine Radialrichtung umgelenkt, sodass die magnetischen Flusslinien den Luftspalt 8 im Wesentlichen radial durchsetzen. Der Rotor 2 besteht neben den Permanentmagneten 4 aus zwei wesentlichen weiteren Elementen: einem Grundkörper 5, der die drehfeste Verbindung mit der Rotorwelle 9 bildet und im radialinneren Bereich des Rotors 2 angeordnet ist und die mit diesem Grundkörper 5 formschlüssig verbundenen Flussleitstücke 6. Bei der Montage können die Flussleitstücke 6 axial auf entsprechende Formschlusselemente 7 des Grundkörpers 5 aufgeschoben werden. Die um- fangsseitige Ausdehnung der Flussleitstücke 6 ist hierbei derart gewählt, dass in den Zwischenräumen zwischen den Flussleitstücken Magnettaschen zur Aufnahme der Permanentmagnete 4 verbleiben. Um eine solche permanenterregte dynamoelektrische Maschine im Feldschwächbereich betreiben zu können, muss in den Statorstrom der Maschine eine geeignete Stromkomponente eingeprägt werden, die dem von den Permanentmagneten 4 erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt. Eine derartige elektrische Feldschwächung, die sich beispielsweise mithilfe der bekannten feldorientierten Regelung realisieren lässt, ist jedoch mit erhöhten Verlusten innerhalb der Maschine und einer damit einhergehenden Reduktion ihres Wirkungsgrades verbunden.
Die darauffolgenden Figuren zeigen nunmehr beispielhaft, wie die in Figur 1 dargestellte dynamoelektrische Maschine modifiziert werden kann, um einen Feldschwäch- betrieb mit hohem elektrischen Wirkungsgrad zu ermöglichen.
Figur 2 zeigt eine erst Ausführungsform eines Rotors 2 gemäß der Erfindung mit fliehkraftgesteuerter Feldschwächung. Der aus Figur 1 bekannte Rotor ist nunmehr derart modifiziert worden, dass sich radial oberhalb der Permanentmagnete 4 in den Magnettaschen 3 eingebettet in magnetisch schlecht leitfähiges Material radial bewegliche Streuflussleitstücke 10 befinden. Diese Streuflussleitstücke 10 sind durch Federn 1 1 derart vorgespannt, dass sie bei einer Maschinendrehzahl unterhalb Nenndrehzahl der Maschine eine radial maximal innen liegende Position annehmen, in der sie vollständig in dem magnetisch schlecht leitfähigen Material eingebettet sind. Dieser Be- triebszustand ist in Figur 3 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich das Streufluss- leitstück 10 in einer Einbettung 15 aus niederpermeablem Material befindet und somit, magnetisch betrachtet, wirkungslos bleibt. Der von den Permanentmagneten 4 erzeugte magnetische Fluss schließt sich nahezu vollständig über dem Luftspalt. In Figur 4 ist hingegen ein Betriebszustand der Maschine dargestellt, wo das Streu- flussleitstück 10 aus der Einbettung heraus in Richtung des Luftspaltes gedrückt ist. Diese Positionsänderung ist durch eine erhöhte Fliehkraft aufgrund einer Maschinendrehzahl bewirkt, die oberhalb der Nenndrehzahl der Maschine liegt. In dieser Position ist das Streuflussleitstück 10 nunmehr angrenzend an das hochpermeable Material der Flussleitstücke 6. Hier kann es einen signifikanten Anteil des von den Permanentmagneten 4 erzeugten magnetischen Flusses kurzschließen, sodass dieser Streuflussanteil nunmehr nicht mehr zur Momentenbildung im Luftspalt 8 zur Verfü- gung steht. Diese Position kann zum einen durch die Fliehkraft hervorgerufen werden, zum anderen aber auch durch einen hier nicht dargestellten Aktor, der insbesondere im Fehlerfall diese radial außen liegende Position der Streuflussleitstücke 10 unabhängig von der Maschinendrehzahl anfahren kann. Figur 5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Rotors 2 gemäß der Erfindung mit fliehkraftgesteuerter Feldschwächung. Auch hier sind radial bewegliche Streuflussleitstücke 10 vorgesehen, die sich aber nunmehr unterhalb von in Umfangsrichtung mag- netisierten Permanentmagneten 4 befinden. Sie befinden sich bei niedriger Drehzahl in dem Grundkörper 5, der im Vergleich zu den Flussleitstücken 6 eine deutlich niedri- ge Permeabilität aufweist. In dieser Position werden die Streuflussleitstücke 10 durch eine Feder 1 1 gehalten, die in Figur 6 deutlicher erkennbar ist. Bewirkt nun die Fliehkraft oder auch ein in den Figuren 5 und 6 nicht dargestellter Aktor eine Verschiebung der Streuflussleitstücke 10 in Richtung des Luftspaltes, also in radial nach außen gerichtete Richtung, dringen die Streuflussleitstücke 10 in einen Bereich ein, in dem sie zumindest zum Teil umfangsseitig benachbart zu den hochpermeablen Flussleitstücken 6 liegen. Hierzu kommt es ähnlich wie bei der in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Ausführungsform zu einem Kurzschluss eines Teils des von dem Permanentmagneten 4 erzeugten magnetischen Flusses und somit zu einer Feldschwächung. Figur 7 zeigt eine stirnseitige Aufsicht auf einen Rotor 2 mit einem Aktor zur Ansteue- rung eines Feldschwächmechanismus. An jeder Stirnseite des Aktors befindet sich eine Kurvenscheibe 13. Innerhalb dieser Kurvenscheibe 13 werden in entsprechend ausgeformten Nuten die Streuflussleitstücke 10 gelagert. In der dargestellten Position befinden sich die Streuflussleitstücke in ihrer radial betrachtet innen liegendsten Posi- tion. Durch eine Verdrehung der Kurvenscheiben 13 gegen den Rotor 2 wird eine Verschiebung der Streuflussleitstücke 10 in Richtung des Luftspaltes bewirkt. Die Kurvenscheiben 13 sind durch eine hier nicht dargestellte Rückstellfeder zunächst so vorgespannt, dass sich die Streuflussleitstücke 10 radial betrachtet innen befinden. Durch zunehmende Fliehkraft verdreht sich jede der Kurvenscheiben derart, dass die Streuflussleitstücke 10 der Fliehkraft folgend eine Position einnehmen können, die näher am Luftspalt liegt. Damit eine solche Position, die zur Feldschwächung führt, auch unabhängig von der Maschinendrehzahl insbesondere im Fehlerfall angesteuert werden kann, ist die Kurvenscheibe 13 entgegen der Rückstellfeder, auch durch einen geeigneten Aktuator verdrehbar.
Figur 9 zeigt eine stirnseitige Aufsicht auf einen Rotor 2 mit einem weiteren Aktor zur Ansteuerung eines Feldschwächmechanismus. Hierbei sind die Streuflussleitstücke 10 durch Teller- oder Krakenfedern 16 radial vorgespannt, sodass sie bei niedriger Drehzahl eine innere Position einnehmen, indem sie nicht vom magnetischen Fluss durchsetzt sind. Die Tellerfeder 16 ist hierbei derart bemessen, dass sie eine radial außen liegende Position der Streuflussleitstücke 10 zulässt, wenn die Maschine eine Drehzahl oberhalb der Nenndrehzahl erreicht. Oberhalb der Nenndrehzahl setzt auf diese Art und Weise der Feldschwächbetrieb ein. Auch hier wirkt die Fliehkraft der Vorspannung der Tellerfeder 16 entgegen.
Drehzahlunabhängig kann eine solche Position der Streuflussleitstücke 10 auch mittels der in Figur 10 erkennbaren Druckhülsen 17 erreicht werden. An jeder Stirnseite des Rotors 2 befindet sich eine dieser Druckhülsen 17. Durch einen geeigneten Aktuator können die Druckhülsen axial auf die Tellerfedern 15 einwirken, sodass die Streuflussleitstücke 10 radial betrachtet nach außen gedrückt werden, ohne dass die im Normalbetrieb hierfür notwendige Maschinendrehzahl vorliegt.
Bezuqszeichenliste
1 Stator
2 Rotor
3 Magnettaschen
4 Pernnanentnnagnete
5 Grundkörper
6 Flussleitstücke
7 Formschlusselemente
8 Luftspalt
9 Rotorwelle
10 Streuflussleitstücke
1 1 Feder
12 Nuten
13 Kurvenscheibe
14 Tellerfeder
15 Einbettung
16 Druckhülse

Claims

Patentansprüche
1 . Dynamoelektrische permanenterregte Maschine auswesend
• einen Stator (1 ),
· einen vom Stator (1 ) über einen Luftspalt (8) beabstandeten Rotor (2),
• am Rotor (2) angeordnete Permanentmagnete (4) zur Erzeugung eines Erregerfeldes im Luftspalt (8)
• und einen fliehkraftgesteuerte Feldschwächmechanismus zur drehzahlabhängigen Schwächung des Erregerfeldes im Luftspalt (8),
gekennzeichnet durch eine Signaleingang für ein Fehlersignal und einen Aktor zur drehzahlunabhängigen Ansteuerung des besagten Feldschwächmechanismus.
2. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 1 , wobei die Permanentmagnete (4) im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung des Rotors (2) magnetisiert sind und in Magnettaschen (3) des Rotors (2) angeordnet sind.
3. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Feldschwächmechanismus zur radialen Verschiebung der Permanentmagnete (4) ausgebildet ist und der Rotor (2) derart gestaltet ist, dass eine radial nach außen ge- richtete Verschiebung der Permanentmagnete (4) eine Schwächung des Erregerfeldes im Luftspalt bewirkt.
4. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 3, wobei die Permanentmagnete (4) durch eine Feder (1 1 ) in eine radial innen liegende Position vor- gespannt sind.
5. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit in radial verlaufenden Nuten (12) geführten, verschiebbaren Streuflussleitstücke (10), über deren radiale Position die Dichte des Erregerfeldes im Luftspalt (8) beeinf- lussbar ist.
6. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 5, wobei der Aktor an jedem axialseitigen Ende des Rotors (2) eine Kurvenscheibe (13) aufweist, deren Verdrehung gegenüber dem Rotor (2) eine Verschiebung der Streuflussleitstücke (10) radial nach außen bewirkt.
7. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 6, wobei die Kur- venscheiben (13) jeweils durch eine Rückstellfeder in eine Drehwinkelposition vorgespannt sind, bei der die Streuflussleitstücke (10) in einer radial innen liegenden Position angeordnet sind.
8. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 5, wobei die Streu- flussleitstücke (10) an jedem axialseitigen Ende des Rotors (2) durch eine auf der Rotorwelle (9) angeordnete Tellerfeder (14) radial nach innen vorgespannt sind und der Aktor derart ausgebildet ist, dass er eine axiale Kraft auf die Tellerfeder (14) aufbringen kann, die der Vorspannung entgegenwirkt.
9. Dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei
• die Nuten (12) in einem ersten Material mit einer ersten Permeabilität angeordnet sind,
• die Magnetaschen (3) in einem zweiten Material mit einer zweiten Permeabilität angeordnet sind, die größer als die erste Permeabilität ist,
· wobei die Nuten (12) mit den Magnettaschen (3) radial fluchtend angeordnet sind, so dass die Streuflussleitstücke (10) zumindest teilweise von einer Nut (12) in eine Magnettasche (3) verschiebbar sind.
10. Zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer dynamoelektri- sehen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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