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Dokumentenidentifikation DE10110719C2 27.03.2003
Titel Transversalflußmaschine mit mehreren einsträngigen Erregerteilen
Anmelder Weh, Herbert, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., 87534 Oberstaufen, DE
Erfinder Weh, Herbert, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., 87534 Oberstaufen, DE
DE-Anmeldedatum 07.03.2001
DE-Aktenzeichen 10110719
Offenlegungstag 21.11.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.03.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.03.2003
Addition 10211259.2
IPC-Hauptklasse H02K 21/02

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine in rotierender oder linearer Ausführung mit transversalen Magnetkreisen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.

Entwurfsbeschreibungen von Transversalflußmaschinen gehen ganz überwiegend davon aus, daß die magnetischen Kreise mit einer ringförmig konzentrisch zur Welle verlaufenden Wicklung ausgestattet werden. Gegeben ist damit eine einsträngige Ausführung des durch den magnetischen Kreis gebildeten Maschinenteils. Die wechselstromgespeiste Wicklung und die Ausführung des Magnetkreises bilden eine Wechselfeldanordnung mit stark fluktuierendem Schubverlauf. Durch die Kombination mehrerer elektrisch autonomer Teilmaschinen in axialer Richtung entsteht bei einer Verbindung der schubbildenden Maschinenteile ein mehr oder weniger ausgeglichener Schubverlauf als Folge der Summenbildung der Kräfte. Die über Wechselrichter bereitzustellenden Wechselströme werden im Sinne eines Drehstromsystems in der Weise phasenverschoben eingespeist, wie die Magnetkreise gegeneinander Polteilungsversatz aufweisen. Bekanntlich nimmt mit steigender Strangzahl der Oberschwingungsgehalt der Summenschubkraft ab, wenn von einer ganz bestimmten Stromform (zeitlicher Verlauf) ausgegangen wird.

Wie ebenfalls beschrieben wird, lassen sich für die Kraftbildung günstige Maschinenquerschnitte mit einem gegliederten Magnetkreis und mit mehreren Rotorscheiben auf einer Welle konzipieren. Ein Beispiel hierfür wird in der DE 198 48 123 C1 vermittelt. Sowohl bei kleinen als auch bei großen Maschinendurchmessern können wichtige Gründe dafür vorliegen, am Umfang der Maschinen eines Magnetkreisquerschnitts mehrere Wicklungsstränge vorzusehen. Bei kleinen Maschinen ergibt sich dadurch ein Magnetkreis, dessen Streuflußanteile niedriger sind als bei Anordnung von zwei Magnetkreisen. Bei großen Maschinen spricht für eine mehrsträngige Ausführung der Umstand, daß sich bei Ringwicklungen eine sehr niedrige Windungszahl je Spule ergibt und hierdurch Bemessungs- und Herstellungsprobleme entstehen.

Weiter wird zusätzlich angestrebt, die Schwingungsanregung durch tangential und radial gerichtete Kraftkomponenten mit Hilfe der erhöhten Strangzahl zu minimieren. Insbesondere bei Maschinen großen Durchmessers müssen durch die Normalkraftanregung große Schwingungsamplituden an der Maschinenoberfläche befürchtet werden, weil gegenüber den kleineren Maschinen relativ ein Steifigkeitsschwund vorliegt. Es sind somit Maßnahmen zur Begrenzung von Körper- und Luftschallpegel kombiniert mit der Reduktion des Schubkraftrippels ein wichtiges Entwicklungsziel.

Für stromerregte Reluktanz-Magnetkreise wurde in DE 39 27 454 C2 eine am Umfang mehrsträngige Ausführung vorgeschlagen, wobei sich allerdings die Magnetkreise nicht auf die durch Permanentmagnete erregte Transversalßußmaschine übertragen lassen, da beide Maschinenteile Magnetkreiselemente im Polabstand aufweisen.

In DE 198 48 123 C1 wurde eine Magnetkreisvariante vorgeschlagen, die insbesondere für kleinere Maschinen vorteilhaft ist und eine Wicklungsunterteilung mit der außerhalb des Magnetkreises zurückgeführten Spulenhälfte aufweist. In Anbetracht der hierbei auftretenden kleineren Spulendurchflutungen erscheint dies ausführbar. Das Baukonzept der Maschine ist verhältnismäßig einfach. Bei hohen Durchflutungen, wie sie bei größeren Leistungen auftreten, empfiehlt sich eine andere Bauformvariante; es ist auf erhöhte Streufelder und mit diesen im Zusammenhang stehende Verluste stärker zu achten.

Es stellt sich somit erfindungsgemäß die Aufgabe, mit Blick auf hohe Kraftdichte bei durch Permanentmagneten erregten Transversalflußmaschinen und schwingungsarmes Verhalten eine Bauform anzugeben, bei der unabhängig von der Maschinenleistung die Unterteilungsmöglichkeiten mit günstigen Betriebsmerkmalen kombiniert sind. Außerhalb des Magnetkreises verlaufende Spulenteile (in Längsrichtung) sind zu vermeiden. Diese Merkmale werden auch von der DE 692 06 774 T2 nicht erbracht. Weiter ist die Nebenbedingung der Aufgabe die, daß einfache Baubarkeit, d. h. geringe Zahl von Rotorscheiben zur Verbindung der aktiven Teile mit der Welle bzw. eine möglichst einseitige Verbindung der schubbildenden Elemente mit dem zu bewegenden Fahrzeug erreicht werden.

Für die Anwendung als Linearantrieb mag zusätzlich die Erzielung einer niedrigen Bauhöhe in Kombination mit der verlustarm ausgeführten Erregeranordnung ebenso eine Rolle spielen, wie die magnetisch und elektrisch passive Ausführung der Fahrbahnelemente.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich gemäß Anspruch 1.

Die Anforderungen an kompakt auszuführende elektrische Maschinen beinhalten sowohl den Energieaspekt, d. h. die Ausführung mit kleinen Verlusten, als auch andere Merkmale, wie einfache Bauweise sowie die schwingungsarme Ausführung. Hieraus ergeben sich Ansprüche an das Entwurfskonzept, insbesondere den Magnetkreisquerschnitt, die Längsgliederung mit der dazugehörigen Wicklungsführung sowie der Kraftübertragung auf Rotor- und Statorbauteile.

Analoges gilt auch für Linearantriebe. Die Einhaltung von Schubkräften bei kleinen Abmessungen zusammen mit der Forderung, die Permanentmagnete nur im wicklungsführenden Teil anzuordnen, läßt sich prinzipbedingt und einfach nur bei Transversalfluß-Magnetkreisen erreichen.

Für die Anwendung von rotierenden und linearen Maschinen ist deshalb wichtig, Anordnung und Gliederung des Magnetkreises so zu wählen, daß mit kleinen Wicklungsverlusten und einer zweckmäßigen Wechselrichterspeisung auch ein schwingungsarmer Betrieb möglich wird. Letzteres steht im Zusammenhang mit Gliederung und Symmetrie der Gesamtanordnung und schließt das Stromführungsmuster der Wicklung mit ein. Auch der Schritt, den zeitlichen Verlauf des Stromes zwischen den Grenzen eines trapezförmigen oder eines mehr sinusförmigen Verlaufs und damit abhängig von den Speiseverhältnissen(der Spannungsreserve und der Wechselrichter-Taktfrequenz) zu ändern, ermöglicht eine Einflußnahme. Durch elektronischen Eingriff kann insbesondere der Schwingungsgehalt der Vortriebskräfte, aber auch derjenige der Normalkräfte reduziert werden. Beschränkt man sich auf das Ziel, den Schwingungsgehalt von Maschinenteilen zu reduzieren, auf die zwei verschiedene Maschinenstränge einwirken, so ist leichter ein bestimmter Glättungseffekt zu realisieren, als bei Schwingungsglättung einer einsträngigen Teilmaschine. Für die Normalkraftglättung ist ebenfalls davon auszugehen, daß bei der einsträngigen Anordnung elektronische Maßnahmen für eine totalen Glättung in absolutem Widerspruch zur Ausführung mit einer hohen Vortriebskraftdichte stehen und somit nicht anzustreben sind.

Das obengenannte Ziel der Aufgabe ist somit die Entwurfsbeschreibung für eine in den Effizienzmerkmalen gut abgestimmte Maschinenauslegung in Verbindung mit den Möglichkeiten weitgehender Schwingunusreduktion.

Im Folgenden wird eine ausführliche Beschreibung des Erfindungsgedankens in Verbindung mit 8 Figuren gegeben:

Fig. 1 zeigt einen mit einer einsträngigen Wicklung und angrenzenden Sammlereinheiten ausgestattetes Erregerteil.

Fig. 2a zeigt einen Ausschnitt einer Anwendung des Linearantriebs zur Bewegung von Eisenbahnwagen. Fahrzeuganordnung niedriger Bauhöhe und Führung durch Rollen.

Fig. 2b zeigt die Federkennlinie und die magnetische Normalkraft. Federnullpunkt kann versetzt werden.

Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltbild der Energieversorgung über Wechselrichter und Steuerungsschema für vier Erregerteile in zweisträngiger Anordnung.

Fig. 4 zeigt die Querschnittszeichnung einer rotierenden Maschine. Erregerteil im Querschnitt in Doppelanordnung. Rotor magnetisch passiv in Topfform.

Fig. 5 zeigt die Spulenanordnung für Erregerteile bei zweisträngiger Ausführung.

Fig. 6 zeigt das der Wicklungsanordnung entsprechende Zeit-Zeigerdiagramm der entsprechenden Phasengrößen wie Spannung, Strom und magnetischer Fluß.

Fig. 7 zeigt für einen optimierten Stromverlauf mit Blick auf pulsationsarme Schubkraft ermittelte Schubkraftanteile der Stränge a und b sowie deren Summe a + b.

Fig. 8 zeigt schematisch das Verformungsbild bei Anregung durch die Restanteile der Normalkraftschwingung für eine Anordnung entsprechend Fig. 5 und Fig. 6. Befestigung des Gehäuses an den Schwingungsknoten.

Fig. 9 zeigt den Teil eines Maschinenquerschnitts mit gegenüber Fig. 4 erweitertem Magnetkreis. Die Maschine weist zwei Topfrotoren mit jeweils zwei konzentrischen Zylindern auf und ist zur Mittellinie mechanisch symmetrisch. Sie wird viersträngig ausgeführt.

In Fig. 1 ist das Erregerteil einer Transversalflußmaschine für Linearanwendungen dargestellt. Die gezeichnete Spule SP mit ihren Spulenteilen T1 und T2 stellt einen Strang einer mehrsträngigen Erregeranordnung dar, der von einem Wechselrichter nach Fig. 3 gespeist wird. Die Spule ist seitlich eingegrenzt durch die Sammleranordnungen PS. Diese bestehen aus Permanentmagneten PM und den dazwischenliegenden lamellierten Eisenteilen EL.

Zur Übertragung mechanischer Kräfte sind die Konstruktionsteile K und Verbindungen zwischen denselben vorgesehen.

Die im Fahrweg zu positionierenden Bauteile Mo und Mu sind entsprechend Fig. 2a ausschließlich aus ferromagnetischem Material lamellierter Art zur Führung des magnetischen Flusses quer zur Bewegungsrichtung. Sie sind im Abstand der doppelten Polteilung auf beiden Luftspaltseiten angebracht. Das magnetische Feld schließt sich in zwei Wirbeln jeweils um das Zentrum der stromführenden Spulenteile T1, T2. Ähnlich wie bei einem rotierenden Motor wird durch eine Rollenführung des Erregerteils der mechanische Abstand zwischen beweglichen und ruhenden Teilen annähernd konstant gehalten.

Für die Rückschlußelemente im feststehenden Teil ist zu beachten, daß sie für das mehrsträngige Erregerteil keine magnetische Kopplung darstellen. Die magnetische Leitfähigkeit in Bewegungsrichtung ist somit auf einen niedrigen Wert zu begrenzen. Dem kann dadurch entsprochen werden, daß zwischen den in doppeltem Polteilungsabstand postierten Querflußelementen keine ferromagnetische Verbindung besteht. Der Trennabstand ferromagnetischer Teile sollte deutlich größer als der doppelte Luftspalt sein. Mit Rücksicht auf zweckmäßige Befestigung ist die Zusammenfassung zweier Rückschlußelemente zu einer Doppeleinheit mit ferromagnetischer Verbindung als zulässig zu bezeichnen, wenn zwischen den entsprechenden Einheiten der erwähnte magnetische Trennspalt von mehrfacher Luftspaltlänge ist.

Fig. 2a zeigt einen Querschnitt durch eine Linearmotor-getriebene Fahrzeuganordnung mit besonders niedriger Bauhöhe. Das zu bewegende Wagenteil Wr kann über die beweglichen Hebel H und die daran befestigte Rolle Hr Vortriebskräfte auf das Stützrad R, das auf der Schiene S rollt, ausüben. Die Vortriebskräfte werden vom Erregerteil des Motors Me auf das Bauteil Fm übertragen. Die Schienenreaktionskräfte übertragen sich auf die Fahrwegteile Mu und Mo. Sie sind mit Hilfe der Abdeckung Ma mit dem Fahrweg verbunden. Die Stromübertragung wird ermöglicht durch die Stromschiene St und die Übertragungseinheit Ü.

Die Führung des Fahrzeugs und des über V starr mit ihm verbundenen Erregerteils Me, also auch die Einhaltung des Luftspalts, besorgen die Führungsrollen r1 und r2 durch Vermittlung der Hilfsschiene Sh.

Wie Fig. 2b andeutet, ergibt sich in Abhängigkeit von der vertikalen Auslenkung Δy eine magnetische Differenzkraft FM, die nur im Symmetriepunkt, bei gleichen Luftspaltlängen oben und unten, null ist. Die zentrierende Führung mit Hilfe der Rollen setzt voraus, daß deren Federkennlinie FC steifer ist als die instabile Kennlinie von FM.

Im Bild 2b wird angedeutet, daß bei Versatz des Federnullpunkts um einen bestimmten y-Wert vom Linearantrieb magnetische Kräfte Fm auf das Fahrzeug übertragen werden können. Sie lassen sich zur Kompensation äußerer Kräfte, wie z. B. Gewicht oder vertikale Kräfte, infolge Hebelreaktion verwenden. Mit den damit minimierten Anpreßkräften der Rollen ermöglicht man eine reduzierte Reibungsleistung für den Betrieb des Förderwagens. In Fig. 2a ist die maximale Verschiebbarkeit des Federnullpunkts durch yg gekennzeichnet. Eine Verschiebung wird betriebs- bzw. belastungsabhängig z. B. über Hydraulikzylinder bewirkt.

Durch die nebeneinander angeordneten magnetischen Teilkreise wird für die Auslegung des Motors - wie erwähnt - eine niedrige Bauhöhe (vertikal) erzielt und durch Nutzung beider Spulenteile zur Magnetisierung auch eine verlustarme Gestaltung ermöglicht. In Bewegungsrichtung erfolgt die Unterteilung in einzelne oder in Gruppen angeordnete autonome Einheiten. Ihre genaue Positionierung entspricht der gewünschten Phasenlage der magnetischen Flüsse ausgehend von einer kontinuierlichen Teilung der Fahrwegelemente. An den Trennstellen der benachbarten Stränge ist dementsprechend ein geometrischer Phasenversatz der Erregerteile gegenüber der Schiene zu beachten. Z. B. ist für eine 90°-Phasenverschiebung des Stromes eine geometrische Verschiebung der Sammler von einer halben Polteilung vorzusehen. Bei 120° Phasenverschiebung im Falle einer 3-strängigen Anordnung beträgt der geometrische Versatz 2/3 einer Polteilung.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild und eine Prinzipdarstellung der Energieversorgung für einen vierteiligen 2-strängigen Linearmotor, bei dem die Phasen A und B auf jeweils zwei gleichgroße Teile A1, A2 und B1, B2 aufgeteilt sind. Die von der Stromschiene auf die Wechselrichter übertragene Gleichspannung UD wird auf der Fahrzeugseite in Wechselspannungen umgeformt, die 90° Phasenverschiebung aufweisen. Die Wechselrichter sind in 4Q-Schaltung ausgeführt und speisen jeweils die beiden in Reihe geschalteten Strangteile. Die Ansteuerung A der IGBT-Schaltmodule erfolgt über die Steuerelektronik SR, die ihrerseits vom Fahrzeug- Positionsgeber S das Lagesignal empfängt und die Steuerbefehle für die Schubvorgabe und damit die Höhe des Stromes z. B. über digitale Impulse durch die Stromschiene als Fahrbefehle F empfängt.

Vorteil der gewählten Aufteilung in 4 Strangteile nach Fig. 3 mit Symmetrie zur Mitte von Strang B ist die Vermeidung von Schwingungsanregungen, die als Folge von Normalkraftunterschieden zu Nickschwingungen (um die horizontale Mittelachse) führen würden.

Zur Glättung von Schubkraftspulsationen wird das Mittel der Stromformbeeinflussung durch Schaltmustervorgabe bei der Wechselrichteransteuerung A nach Fig. 3 eingesetzt. Es wurde nachgewiesen, daß mit Stromformen, die aus dem Kraftverlauf abgeleitet wurden, bei 2- und 3-strängigen Strangkombinationen ein pulsationsfreier Kraftverlauf erzielt werden kann. Hierzu ergeben sich Stromverläufe, die etwas lastabhängig sind und nicht sehr stark von der Sinusform abweichen. Ihr Effektivwert liegt damit ähnlich wie derjenige eines sinusförmigen Stroms. Die erforderliche Spannungsreserve (Zwischenkreisspannung) ergibt sich nur geringfügig erhöht. Zur Unterdrückung schaltspielbedingter Strom- und Schubkraftschwankungen ist für eine reduzierte "Hysterese" eine Taktfrequenz der Wechselrichter im Bereich der 10- bis 15-fachen Betriebsfrequenz notwendig. Fig. 7 stellt die Schubkraftverläufe über einer Polteilung dar. Für eine 2-strängige Maschine mit den Schubkraftanteilen der einzelnen Stränge a und b ergibt die Stromformoptimierung in der Summe den geglätteten Schub a + b.

Rotierende Maschinen

Auch rotierende Maschinen lassen sich entsprechend der Querschnittsgebung nach den Fig. 1 und 2 konzipieren. Hierbei ist das Mittelteil, die Erregeranordnung als feststehend und die vorher fahrwegbasierten Maschinenteile als rotierend anzusehen.

Fig. 4 stellt einen Teil des Maschinenquerschnitts einer im Vergleich zu Fig. 1 modifizierten Form dar. Ein passiver Rotor mit ferromagnetischen Teilen Mr und der Rotorscheibe R ist mit der Welle W verbunden. Diese ist über die Lager L mit dem Statorgehäuse Sg zentriert. Das Lagerschild Sl schließt das Gehäuse gegenüber dem rotierenden Teil ab. Die Magnetkreisteile Me' und Me" vervollständigen den Magnetkreis. Die Gliederung des Magnetkreises im Querschnitt entspricht der paarweisen Anordnung der Spulenseiten T1 und T2. Als vorteilhaft für rotierende Maschinen ist die massearme Ausführung des Rotors R mit den ferromagnetischen Bauteilen Mr im Spaltbereich hervorzuheben. Es treten geringe Verluste auf, die über den Spalt an die mit guter Kühlung ausgestatteten Nachbarelemente des Stators abgeführt werden können. Die Statorbauteile Me' und Me" sind in der Form der auch in Fig. 1 dargestellten Sammler ausgeführt. Permanentmagnete und ferromagnetische Teile wechseln im Polteilungsabstand. Ähnlich wie bei Fig. 1 wird auch bei Fig. 4 der Läufer mit ferromagnetischen Bauteilen ausgeführt, die im Abstand der doppelten Polteilung herausgehobene magnetische Leitfähigkeit aufweisen. Entsprechend den Ausführungen zu Fig. 1 beim Linearmotor sind für die Rotorausführung bezüglich der magnetischen Leitfähigkeit in Umfangsrichtung wieder besondere Vorsichtsmaßnnahmen zu beachten.

Weitere Vereinfachungen der Bauform sind gegenüber Fig. 4 zu erzielen, wenn ähnlich wie in Fig. 1 das an Me' angrenzende Mr-Bauteil in axialer Richtung gleichzeitig einen Rückschluß des magnetsichen Flusses ermöglicht; das zweite Maschinenteil damit einseitig wirkend ausgeführt wird. Diese Variante weist kleinere Schubkräfte auf, hat jedoch auch Anwendungsvorteile z. B. für Linearantriebe.

Eine naheliegende Gliederung der im Bauteil Me' einzubringenden Spulen ist in Fig. 5 angegeben. Für eine zweisträngige Wechselstrom-Phasenzuordnung nach Fig. 6 bietet sich aus Symmetriegründen die gewählte geometrische Aufteilung der Spulen nach Fig. 5 an. Die Strangpaare a, b und a', b' bilden jeweils ein zweisträngiges System mit 90° Phasenspreizung der Ströme und einem geometrischen Versatz einer halben Polteilung.

Entsprechend den in Fig. 6 phasenverschobenen Stromzeigern sind auch die magnetischen Flüsse und die durch sie erzeugten Spannungen durch symmetrische vierstrahlige Zeiger darstellbar. Wie das Bild vermittelt, ergibt sich für jeden Zeitaugenblick die Summe aller Spannungen zu null. Dies ist analog zu einem symmetrischen System dreisträngiger Anordnung. Als Folge der am Umfang vorhandenen wechselnden Polaritäten ist bei gleichartigen geometrischen Abmessungen der Statorelemente auch die resultierend am Umfang auftretende Ringspannung null. Dies ist mit Blick auf anderenfalls entstehende Wirbelstromwirkungen von Bedeutung und erleichtert die Anwendung von metallischen Gehäuse- und Rotorelementen. Hierdurch wiederum wird auch die Fähigkeit einer intensiveren Wärmeabgabe verbessert. Zu erwähnen ist, daß die gewählte zweisträngige Ausführung in vier Sektoren - ähnlich wie beim beschriebenen zweisträngigen Linearmotor - bereits eine gute Ausgangsposition für die Vermeidung von Schubkraftpulsationen bietet. Das im Zusammenhang mit Fig. 7 beschriebene Verfahren läßt sich sinngemäß auch auf rotierende Maschinen anwenden.

Mit Blick auf die Normalkraftanregungen wurde die Strangfolge in Bild 5 anders als für den Linearmotor in Fig. 3 gewählt. Es läßt sich zeigen, daß die hauptsächlichen Schwingungsanteile der Normalkräfte beim zweisträngigen System zwischen den Strängen eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen. Die gewählte Unterteilung entspricht damit einer raumfesten Schwingungsform mit vier Knoten und elliptischen Verformungen des kreisförmigen Gehäuses. Diese Schwingungsform zweiter Ordnung ist in Fig. 8 dargestellt. Die hierbei erreichte Kraftsymmetrie vermeidet zu jedem Zeitpunkt Schwingungsanteile, die zu exzentrischen Verlagerungen von Rotor und Stator führen könnten. Bei einer Schwingungsform zweiter Ordnung, (Fig. 8), empfiehlt sich in Folge der feststehenden Knoten für körperschallarme Anwendung eine Gehäusebefestigung im Knotenbereich. Dies ist in Fig. 8 ebenfalls angedeutet.

Bei einer Unterteilung in nur zwei Strangabschnitte in Halbkreissegmenten würde sich die gezeichnete Anregungssymmetrie von Fig. 8 nicht erreichen lassen. Es wäre zu erwarten, daß zumindest bei größeren Maschinen unerwünschte Schwingungsanregungen erster Ordnung auftreten. Auch für die dreisträngige Wicklungsgliederung ist selbst bei Einhaltung aller Symmetriebedingungen elektrischer und geometrischer Art kein stehendes Schwingungsbild wie nach Fig. 8 zu erwarten. Die Anregungsunsymmetrien sind allerdings kleiner als im Falle einer zweiteiligen Maschine.

Mit zunehmender Zahl der Segmentteile steigt mit dem Einfluß der nicht mehr kraftbildenden Polelemente der Schwund der mittleren Kraftdichte mehrsträngig ausgeführter Maschinen. Der Abgleich zwischen den Forderungen nach massearmer Ausführung und schwingungsarmer Auslegung führt auf eine Segmentzahlbegrenzung. Für größere Maschinen bietet sich hierbei an, daß die Anordnung nach Fig. 4 doppelseitig ausgeführt wird. Die linke Stirnseite der Maschine ist dann als Mittelebene einer Anordnung mit zwei Topfrotoren zu verstehen. Hierbei empfiehlt sich, die zweite Teilmaschine mit einer analogen Viererteilung zu bauen und dabei dieses System um 45° gegenüber dem ersten zu schwenken. Die hinzugekommenen Zweiphasensysteme bilden zusammen mit dem rechten Teil der Maschine dann ein viersträngiges Wicklungssysstem. Mit Blick auf die Unterdrückung von tangentialen Schubschwingungen ergibt sich hierdurch eine weitere Verbesserung. Die Schwankungsanteile im Drehmoment lassen sich damit unter die 2%-Grenze (des Nennmoments) absenken.

Fig. 9 stellt eine Maschinenhälfte dar, bei der als weitere Maßnahme zur Schubkrafterhöhung der Topfrotor R mit zwei Zylindern Mz' und Mz" zum Eingriff mit einem entsprechend erweiterten Erregerteil Me0, Me1, Me2 gebracht wird. Die Maschine ist zur Ausführung mit vier Strängen in axialer Richtung ebenfalls doppelseitig mit Magnetkreisen ausgestattet und symmetrisch zur gezeichneten Mittellinie ML gebaut. Die Erhöhung der Zahl der Luftspalte erfordert eine Wicklungsausführung mit etwas vergrößerter Durchflutung. Durch die nun vergrößerte Zahl der Wirkungsflächen steigt auf den Magnetkreis bezogen die resultierende mittlere Kraftdichte. Mehrere Kühlkanäle Kü für flüssiges Kühlmittel sorgen für intensive Wärmeabfuhr. Mit massearmem, passivem Läufer können so schwingungsarm ausgeführte Maschinen in verhältnismäßig einfacher Bauform mit kleinen Abmessungen und - wie gezeichnet - auch mit kleinem Lagerabstand und damit unanfällig gegenüber von außen eingeleiteten Störkräften hergestellt werden. Die in Fig. 9 angedeutete Lagerausführung mit schwingungssteifer Welle läßt wiederum zu, daß nur kleine Luftspaltlängen für den Magnetkreis angesetzt werden können. Analog zu den Ausführungen im Zusammenhang mit Fig. 4 sind auch für Maschinen nach Fig. 9 günstige Bedingungen zur Unterdrückung von Körperschall- und Schubschwingungen gegeben.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrische Maschine in rotierender oder linearer Ausführung mit transversalen Magnetkreisen,

    mit einem ersten Maschinenteil, das zur Flußführung ausschließlich mit ferromagnetischen Teilen bestückt und magnetisch leitfähige Masseansammlungen im doppelten Polteilungsabstand aufweist,

    mit einem zweiten Maschinenteil, das dem ersten Maschinenteil unter Bildung eines Luftspaltes gegenüberliegt und im Polteilungsabstand Reihen von Permanentmagneten und ferromagnetischen Teilen in Sammleranordnung sowie Spulen aufweist, die im Querschnitt des Magnetkreises zwei elektrische Durchflutungen gleicher Größe und unterschiedlicher Richtung führen, die beide über den Luftspalt hinweg in magnetischer Wechselwirkung mit den ferromagnetischen Teilen des ersten Maschinenteils stehen,

    wobei das zweite Maschinenteil in mehrere weitgehend gleichartige Erregereinheiten unterteilt ist, die in Bewegungsrichtung hintereinanderliegen und in zwei oder drei Strängen angeordnet sind, deren Phasenverschiebung der Ströme dem geometrischen Polyersatz entsprechen.
  2. 2. Elektrische Maschine nach obigem Anspruch, wobei durch Speisung in zwei oder mehr hintereinanderliegenden Strängen durch Stromformoptimierung, die vom Kraftverlauf abgeleitet ist, ein bis auf wenige Prozent Schwankungsanteil geglättetes Drehmoment oder ein entsprechend glatter Linearmotorschub erreicht wird.
  3. 3. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei die Erregerteile eines Linearmotors eine Stranggliederung aufweisen, die symmetrisch zur Mitte einer entsprechenden mechanischen Einheit angeordnet sind.
  4. 4. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei bei einem Linearmotor eine beidseitige mechanische Führung eingesetzt wird, die sich einer Federsteifigkeit bedient, die größer als die destabilisierende Steifigkeit des magnetischen Feldes im Luftspalt ist.
  5. 5. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei die magnetische Normalkraft durch Beeinflussung der mechanischen Führung zur Kompensation äußerer Kräfte herangezogen wird.
  6. 6. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei die Gehäusestützung gegenüber dem Fundament bei einer rotierenden Maschine an Knotenpunkten der Normalkraftschwingung erfolgt.
  7. 7. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei ein Topfrotor mit zwei konzentrischen Zylinderteilen und mit einer zu deren Mittelebene symmetrisch angepaßten Magnetkreisform des Erregerteils zur Anwendung kommt.
  8. 8. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei eine Maschine mit zwei Topfrotoren und eine Ausführung symmetrisch zur Mittelebene vorliegt, wobei eine Verdoppelung der Strangzahl erreicht wird.
  9. 9. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei bei einer Maschine mit zwei Topfrotoren die Lager innerhalb der Rotorscheiben angeordnet sind und ein sehr kleiner Lagerabstand erreicht wird.






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