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Dokumentenidentifikation DE10211182A1 09.10.2003
Titel Transversalflußmaschine mit ebenen Magnetkreisen
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 14.03.2002
DE-Aktenzeichen 10211182
Offenlegungstag 09.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.10.2003
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
Zusammenfassung Es wird eine elektrische Maschine mit weiterentwickelten transversalen Magnetkreisen und der Möglichkeit einer kombinierten Erregung durch Permanentmagnete (Hauptanteil) und einem stellbaren Feldanteil durch elektrisch erregte Zusatzwicklungen beschrieben.
Kennzeichnend ist gegenüber der bekannten Sammleranordnung für die neuen Magnetkreise, daß deren Erregerachse senkrecht zur Bewegungsachse liegt, wodurch sich die Kombination beider Erregerkomponenten ermöglicht, Fig. 1a, 1b.

Beschreibung[de]

Die Weiterentwicklung von elektrischen Maschinen mit transversalen Magnetkreisen für die Erschließung weiterer Anwendungen mit reduziertem Materialeinsatz und kleinem Energieverbrauch erfolgt mit zunehmender Geschwindigkeit. Während die Vielgestaltigkeit der Magnetkreise transversaler Art bezüglich ihrer geometrischen Gestaltung grundsätzlich bekannt ist, sind jedoch schlüssige Konzepte mit zweckmäßiger Bauteilgestaltung und zugleich höchster Kraftdichte weiterhin gesucht. Zur Kostenminimierung der Bauteile werden hierbei oft die Nebenbedingungen kleiner Verluste und kleiner Magnetmasse herangezogen. In vielen Anwendungsbereichen spielt allerdings neben der verlustarmen Betriebsweise die Frage der Laufgüte und der geringen Schwingungsanregung eine wichtige Rolle. Wie an anderer Stelle beschrieben, lassen sich die gewünschten Merkmale durch die Einführung des bidirektionalen Magnetkreises in Verbindung mit der Magnet-Sammleranordnung in fast allen Punkten erreichen. Weiter kommt die Alternative des passiven Reaktionsteils vielen Anwendungswünschen entgegen und unterscheidet die transversale Magnetkreistopologie grundlegend von derjenigen konventioneller longitudinaler Magnetkreise.

Es hat sich gezeigt, daß die besonderen baulichen Vorteile für die Ausführung von Maschinen mit passivem Reaktionsteil z. B. als Außenläufer die Anwendung erheblich erleichtern. Verlustarme Ausführungen linearer Antriebe mit geringer Primärteilmasse und massearmem Reaktionsteil einfachster Art mit gleichzeitig günstigen Fahreigenschaften bezüglich Schwingungsvermeidung sind jedoch weiterhin wichtige Entwicklungsziele. Erwünscht ist darüber hinaus eine Funktionsergänzung der Transversalflußtechnik mit Blick auf die Beherrschung der Normalkräfte. Auch bei rotierenden Maschinen bewirken exzentrische Verlagerungen zwischen den wechselwirkenden Teilen starke magnetische Normalkräfte. Es ist bekannt, daß der Schwankungsanteil der Normalkräfte eines Strangs durch gestaltende Eingriffe über die vom Wechselrichter erzeugte Stromform der Ankerwicklung nur begrenzt reduziert und das Anregungsproblem nur zum Teil entschärft werden kann. Eine am Umfang vorgesehene Mehrsträngigkeit ermöglicht bezüglich der Normalkraftanregung eine merkliche Beruhigung und die fast vollkommene Ausschaltung der tangentialen Schwankungsterme. Eine Beeinflussung der mittleren Normalkraft über den Ankerstrom erweist sich als nur sehr begrenzt möglich; sie ist überdies mit Blick auf die Wechselrichterauslegung als zu aufwendig und in Bezug auf schnelle i. a. Aussteuerung als zu langsam einzustufen.

Für zahlreiche Anwendungsfälle ist die Erzeugung einer definierten und auch schnell stellbaren (regelbaren) Normalkraft ein wichtiges Ziel der Entwicklung.

Es besteht somit die erfindungsgemäße Aufgabe darin, transversale Magnetkreise anzugeben, die begrenzten Bauteilaufwand, ein einfaches Reaktionsteil sowie günstig baubare Primärteile ermöglichen und für besondere Fälle der Anwendung, wie z. B. großer Luftspalt und große Polteilung, hohe Kraftdichten und darüber hinaus die Stellbarkeit der Normalkraft (Mittelwert und zeitlicher Verlauf) in weiten Grenzen zulassen.

Im Folgenden wird anhand einer ausführlichen Textdarstellung und unter Einbezug mehrerer illustrativer Figuren die Lösung dieser Aufgabe beschrieben:

Fig. 1a zeigt die am Luftspalt liegenden Permanentmagnete MP in einer Reihe von Magnetkreisen ME, die einem passiven Reaktionsteil zugeordnet sind.

Fig. 1b zeigt das untere Teil einer Reihe von E-förmigen Magnetkreisen ME mit zusätzlichen Erregerspulen Es.

Fig. 2a zeigt den Querschnitt von Primär(ME)- und Reaktionsteil, (RE).

Fig. 2b zeigt den zugehörigen Polteilungs-Ausschnitt in der Seitenansicht.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Querschnittszeichnung mit drei Magnetkreisteilen (ME) des Stators innen mit zusätzlicher Erregerwicklung ES und ein Reaktionselement RE des Läufers.

Fig. 4a zeigt die rechte Hälfte des Magnetkreises im Axialschnitt.

Fig. 4b zeigt einen Teil des Maschinenquerschnitts mit den einzelnen Magnetkreiselementen ME, den Permanentmagneten MP und den Reaktionselementen RE.

Fig. 5a zeigt die Axialschnitthälfte mit dem Primärteil in Paketversion und dem passiven Läufer L.

Fig. 5b zeigt einen Teilquerschnitt der Paketversion mit Stranglücke.

Fig. 5c zeigt die 3D-Ansicht der bidirektionalen Paketversion.

Fig. 6a zeigt den Magnetflußverlauf in Abhängigkeit von der Bewegung über zwei Polteilungen in Spulengruppen der Erregerwicklung für Reihenschaltung von zwei- und viersträngigen Wicklungsgruppen.

Fig. 6b zeigt die Schaltung von Spulengruppen der Erregerwicklung zur Entkopplung des Wechselfeldeinflusses bei Reihenschaltung der Gruppen a und b (zwei Stränge).

Fig. 7a zeigt den Maschinenquerschnitt für eine einsträngige Maschine mit magnetischer Lagerung der Welle und die Schaltung von vier Wicklungsanteilen der ES-Wicklung.

Fig. 7b zeigt den Axialschnitt der einsträngigen Maschine mit Ankerwicklung T und zusätzlicher Feldwicklung, Es.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß Anspruch 1 in der Form, daß die Erregung der transversalen Magnetkreise gegenüber den bekannten Varianten mit Sammleranordnung in modifizierter Form gestaltet und ergänzt wird.

Um der allgemein gestellten Aufgabe zu entsprechen, muß dabei die bislang ausschließlich auf Permanentmagnete gestützte Erregungsart der transversalen Magnetkreise um eine stellbare elektrische Erregungskomponente ergänzt werden. Hiermit entsteht eine kombinierte (hybride) Erregung, bei der ein Erregerfeld mittlerer Intensität durch Permanentmagnete und der andere Teil durch stromtragende Erregerspulen erzeugt wird.

Fig. 1a und Fig. 1b stellen einen E-förmigen Magnetkreis bestehend aus ferromagnetischem Material in ebenen Lamellen ME sowie den beiden Erregungskomponenten dar. In Fig. 1a ist in linearer Darstellung der Kopfbereich der mit den Permanentmagneten MP bestückten Magnetkreise abgehoben vom unteren Teil dargestellt. Es ist die alternierende Polarität der Magnete durch Pfeile dargestellt. Zwischen den E-förmigen Magnetkreisteilen ME nach Fig. 1b besteht ein Abstand, so daß es möglich ist, um deren vertikale Schenkel Spulen aufzusetzen. Sie lassen sich so zusammenschalten, daß der in ihnen fließende Strom - wie gezeichnet - z. B. die Flußanteile der P-Magnete NIP verstärkt oder bei Gegenrichtung schwächt. Die in Fig. 1 gezeichneten Magnetkreisteile gehören zu einer einsträngig zu denkenden Maschineneinheit.

Wie in DE 101 10 719.6-42 beschrieben wurde, sind für den Maschinenumfang oder für einen schwingungsarm auszuführenden Linearmotor mehrere einsträngige Einheiten mit Polyersatz hintereinander im Eingriff. Diese Maschinensegmente werden im allgemeinen durch ein symmetrisches Stromsystem phasenverschoben über Wechselrichter gespeist.

Fig. 2a zeigt den Querschnitt des Magnetkreises mit den ferromagnetischen Reaktionselementen RE1, RE2, die im Abstand der doppelten Polteilung stehen und über den horizontalen Luftspalt ah mit dem hybrid erregten Primärteil mit bidirektionaler Wicklung T1, T2 in Wechselwirkung sind. Die Permanenterregung des Primärteils besteht je Feldwirbel aus zwei am Luftspalt angeordneten Permanentmagneten MP und zwei Sammlermagneten HP, deren flußführender Querschnitt größer als die Flußaustrittsfläche am Spalt ist. Das ferromagnetische Teil ME ist entsprechend unterteilt. Es sind die Erregerspulen ES in den Schenkelbereich und die Erregerspulen LS liegend im Jochbereich angeordnet, um eine möglichst hohe Querschnittsfläche bei begrenzten Elementabständen zu erzielen.

Wie in der Seitenansicht von Fig. 2b gezeichnet ist, empfiehlt sich zur Unterdrückung von magnetischen Streuflüssen in den Elementen ME der Einsatz von Magnetblenden zwischen benachbarten Magnetkreisen ME. Hierzu werden in den Dreieckausschnitten im oberen Schenkelbereich von ME formgleiche Permanentmagneten HP' eingesetzt. Bei gleicher Remanenzinduktion - wie für die Magnete HP - ergibt sich die Dicke der Blenden HP' als der zweifache Wert der Dicke von HP.

Der in Fig. 2 gezeichnete Magnetkreis wird z. B. für Linearantriebe mit Polteilungen von 50 bis 100 mm und Luftspalten von etwa 10 mm zur Erzeugung von Antriebskräften (tangential) im Bereich von 1 kN/m und Tragkräften (normal) von etwa dem zehnfachen Betrag der Vortriebskräfie herangezogen. Dabei sind Gleichströme der Spulen ES und LS immer dann einzusetzen, wenn sich durch Spaltänderungen (Fahrbahneinflüsse) Schwankungen der Tragkräfte bezw. des Erregerfelds ergeben. Für diese Stellbarkeit wird eine hohe Dynamik gefordert. Sie kann über entsprechend ausgelegte Gleichstromsteller (mit 4-Quadrantenbetrieb) sichergestellt werden. Von besonderer Bedeutung ist dabei, daß die beschriebenen passiven Fahrwegelemente in ihren begrenzten Abmessungen eine gute Grundlage für eine sehr kostengünstige Fahrbahnausstattung darstellen.

Kennzeichnend für die Magnetkreisgestaltung ist somit der Verlauf des magnetischen Flusses, der von den Quellzentren der Magnetisierung (die Permanentmagnete MP und die Spulen Es, LS) ausgehend die Ebene der Magnetkreiselemente ME nicht verläßt. Abgesehen von Problemen der den Magneten HP zuzuordnenden Streuflüsse und deren Unterdrückung durch die Feldblenden HP' handelt es sich gegenüber der DE 101 10 719 um eine rein ebene Flußführung. Charakteristisch ist zusätzlich, daß die Achsen Erregerzentren (P-Magnete und Spulen) senkrecht zur Bewegungsebene liegen. Beim herkömmlichen Sammler deckt sich die Richtung der Achsen (der Permanentmagnete) mit der Bewegungsrichtung. Als Folge ist dort ein Übertritt des Erregerflusses von einem ferromagnetischen Element zum nächsten (in Bewegungsrichtung) zu verzeichnen. Die Ausführung des Primärteils (mit Polyersatz) im Vergleich zur vorliegenden Anordnung ist somit erschwert.

Fig. 3 stellt einen zweckmäßig zu wählenden Aufbau einer Transversalflußmaschine im Ausschnitt dar. Bei kleiner Polteilung wird unter Verzicht auf die Magnete HP und die Blenden HP' eine Erregerkombination der Permanentmagnete MP und der mit abgestuften Querschnitt gezeichneten Erregerwicklung ES gewählt. Letztere ermöglicht die Beeinflussung des Erregerfeldes für Überlastfälle, zur Feldschwächung und Anpassung der Wechselrichterleistung sowie zur Normalkraftstellung.

Fig. 4a weist meist auf eine weiter vereinfachte Maschinenvariante im Axialschnitt hin, die in Fig. 4b im Querschnitt gezeichnet ist. Durch die unterhalb der MP-Magnete liegenden Verbindungselemente ferromagnetischer Art VE wird eine Verbesserung der Flußführung unterhalb von MP und eine zweckmäßige mechanische Verbindung der Lamellenpakete ME erzielt.

Mit der in Figur a angedeuteten seitlichen Befestigung durch eine Spannverbindung (Schwalbenschwanz) ist eine einfache Integration der Elemente einerseits im Rotor L und andererseits im Stator S möglich. Der Verzicht auf die Erregerwicklung ES ermöglicht besonders bei kleine Polteilungen, zwingt aber zum Verzicht auf höchste Überlastungsfähigkeit.

Eine Modifikation bezüglich des Aufbaus des Magnetkreises stellen die Fig. 5a bis 5c dar. Für die z. B. vier Segmenten zugeordneten zwei Maschinenstränge lassen sich Magnetkreisformen angeben, die im Schenkelbereich von E aus rondenförmigen Blechpaketen SP in 4 Lücken bestehen. Sie weisen z. B. taschenförmige Öffnungen am inneren Durchmesserbereich oder gezahnte Übertrittsbereiche auf, die zur Aufnahme der ebenen Elemente ME dienen. Letztere bestehen ebenfalls aus lamellierten Paketen, die kubische Form aufweisen. Der flußführende Querschnitt entspricht annähernd demjenigen der Reaktionselemente RE (je Sektor).

Erkennbar ist die verhältnismäßig einfache Bauform des Magnetkreises, bei dessen Herstellung eine spielarme Ausführung in den Übertrittsbereichen des Feldes erforderlich ist. Gleichzeitig ist sicherzustellen, daß, gegebenenfalls durch dünne Zwischenlagen, potentielle Wirbelstrombahnen innerhalb des Magnetkreises unterdrückt werden.

Für die Speisung der elektrischen Zusatzerregung werden die Spulengruppen ES und LS in Reihe geschaltet.

Bei Bewegung des Läufers treten in den Spulen der einzelnen Erregerwicklungen Flußänderungen auf, wenn zusätzliche Permanentmagneten im Magnetkreis eingebaut sind. Fig. 6a zeigt den prinzipiellen Flußverlauf bei Bewegung über zwei Polteilungen. In zwei in Längsrichtung nebeneinander liegenden Wicklungen ist im Sinne alternierender Polarität (entsprechend der Polarität der P-Magnete) eine Reihenschaltung vorgenommen, so daß die Feldänderung bei einem Spulenpaar eines Stranges a mit der Bezeichnung Φa auf zwei Halbwellen führt. Es entsteht eine verhältnismäßig große Schwankung, deren Hauptanteil (im Fourier- Sinne) die doppelte Erregerfrequenz aufweist. Durch die in Fig. 6b gezeichnete Reihenschaltung von zwei Spulenpaaren mit der um 90° elektrisch versetzten Phase b ergibt sich die unter dem Symbol Φa + Φb gezeichnete Schwankungskurve. Die Schwankungsamplituden verringern sich, während sich die Frequenz der Schwankung erhöht. In der Fig. 6a ist oben der Schwankungsverlauf für eine Reihenschaltung der Erregerspulen bei einer viersträngigen Anordnung gezeichnet. Der Erfolg der Maßnahme zur weitere Verringerung der Schwankungsamplituden ist erkennbar. In einer entsprechend betriebenen Maschinenanordnung ist die Amplitude der in der Erregerwicklung induzierten Wechselströme annähernd dem Schwankungsverlauf der Flüsse proportional und sinkt mit der Zahl in Reihe geschalteter Spulen. Ohne besondere Maßnahmen besteht die Gefahr, daß durch die Wirkung der Wechselspannungen der Gleichstrom Unterbrechungen erfährt, und seine Wirkung im Sinne guter Stellbarkeit selbst bei effizienter Auslegung der Stellglieder nicht erreicht.

Fig. 7a und 7b zeigen eine elektrische Maschine mit zusätzlichen Erregerwicklungen zur Stabilisierung der von dieser Maschine erzeugten Normalkräfte, die ihrerseits zur Lagerung der Welle benutzt werden.

Der Axialquerschnitt zeigt die insgesamt 8 Magnetkreise ME mit den zugehörigen Wicklungen ES für die zusätzliche elektrische Erregung. Die Grunderregung wird durch die Permanentmagnete MP erzeugt. Die mit vier ausgeprägten Masseansammlungen (zahnförmige Ausprägungen) versehene Welle W ist als ferromagnetischer Körper (magnetisch passiv, elektrisch wenig leitfähig) zu denken und erfährt sowohl Umfangskräfte (tangential) als auch je Zahn radial gerichtete Normalkräfte. Das äußere Primärteil ist in vier Sektoren eingeteilt und für eine einsträngige Maschine dargestellt. Zwei weitgehend gleichartige Maschinen ermöglichen in axialer Anordnung die Beherrschung von fünf mechanischen Freiheitsgraden in stellbarer Form, während der sechste Freiheitsgrad durch eine nicht stellbare axiale Stabilisierung (durch Kanteneffekt) abgedeckt ist.

Die zweckmäßige Schaltung der Erregerwicklungen ist Fig. 7a zu entnehmen. Es handelt sich um eine Reihenschaltung von je zwei ES1-Spulen oben und ES2-Spulen unten, wobei ES1 gegenüber den Magneten MP1 das Feld verstärkt, während ES2 gegenüber MP2 in gleichem Umfang eine Schwächung herbeiführt. Durch diese Zu- und Gegenschaltung wird bei konstantem Spalt die auf die Welle erzeugte Anziehungskraft oben gestärkt und unten geschwächt. Somit lassen sich auf die Welle wirkende (nach unten ziehende Kräfte) durch das Magnetfeld kompensieren. Die Größe der Tragkräfte hängt von der Größe der in den Erregerwicklungen fließenden Strömen und diese wiederum von der Gleichspannung Ufv ab. Der Einkopplungseinfluß (Wechselspannung) ist in dieser Schaltung durch die gegeneinander gerichteten Feldkomponenten im gleichen Schaltungsverlauf (bei etwa gleichem Luftspalt) weitgehend kompensiert, so daß hier auf eine Reihenschaltung von Spulengruppen unterschiedlicher Stränge verzichtet werden kann.

Die Erzeugung horizontaler Kraftkomponenten erfolgt analog zu derjenigen der vertikalen Kräfte. Ohne horizontale Kraftstörung sind keine Aussteuerungen der Spannung Ufh erforderlich. Für die Ausführung der Stellglieder zur Speisung der Wicklung wird 4-Quadrantenbetrieb vorausgesetzt. Den dynamischen Ansprüchen und insbesondere der zu erzielenden Steifigkeit der Lager entsprechend ist der Steuerbereich für die Ströme der Feldwicklungen und die Stellelemente (Halbleiterschalter) der gesteuerten Gleichrichter zu wählen.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrische Maschine in rotierender oder linearer Ausführung mit transversalen Magnetkreisen
    1. - mit einem ersten Maschinenteil, das zur Flußführung ausschließlich mit ferromagnetischen Teilen (RE) bestückt ist und magnetisch leitfähige Masseansammlungen im doppelten Polteilungsabstand aufweist,
    2. - mit einem zweiten Maschinenteil, das dem ersten Maschinenteil unter Bildung des Luftspalts mit alternierenden Polen (von ME) und in mehreren gleichartigen Einheiten unterteilt gegenübersteht, der Maschinenkreis bidirektional magnetisiert ist und Spulen aufweist, die von einem mehrsträngigen Stromsystem mit phasenverschobenen Strömen gespeist werden und mit den durch entsprechenden Polyersatz positionierten Magnetkreisen hintereinander angeordnet sind,
    3. - wobei zur Magnetisierung des Erregerfelds, deren Quellzentren (MP, HP, ES, LS) mit ihren Magnetisierungsachsen senkrecht zur Bewegungsrichtung liegen.
  2. 2. Elektrische Maschine nach obigem Anspruch, wobei im zweiten Maschinenteil zur Erregung Permanentmagnete (MIP) in Reihen am Luftspalt in alternierender Polarität (längs und quer) und in Verbindung mit ebenen Magnetkreiselementen (ME) angeordnet sind.
  3. 3. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei im zweiten Maschinenteil zur Erregung Permanentmagnete (HP) mit gegenüber den Polquerschnitten am Luftspalt vergrößerten Querschnitten nach Art der Flußkonzentration in streuungsarmer Anordnung innerhalb der ferromagnetischen Lamellen (ME) und in Kombination mit Feldblenden(HP'), die nahe dem Luftspalt enden, eingesetzt sind.
  4. 4. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei das zweite Maschinenteil im Schenkelbereich von ME aus rondenförmigen Blechpaketen (SP) besteht, in deren Luftspalt nahen Bereich Permanentmagnete (MP) aufgesetzt sind und die Querverbindung durch zusätzliche ferromagnetische Teile erfolgt.
  5. 5. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei zur Erzeugung eines stellbaren Erregerfelds die Magnetisierungswirkung von Erregerspulen (ES, LS) mit einem eigenen Einspeisegerät eingesetzt wird.
  6. 6. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei die stellbare Spulenerregung in den Spulen ES und LS als Zusatzerregung zur Erzeugung des Erregerfelds durch Permanentmagnete (MP, HP) eingesetzt wird.
  7. 7. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei die Erregerwicklung (ES, LS) durch Reihenschaltung von Gruppen verschiedener Polarität sowie Zu- und Gegenschaltung von Bereichen gleicher Stränge so betrieben wird, daß die Wechselspannungseinkopplung minimiert ist.
  8. 8. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei die Erregerwicklung (ES, LS) durch Reihenschaltung von Gruppen verschiedener Polarität und Phasenlage so betrieben wird, daß die Wechselspannungseinkopplung minimiert ist.
  9. 9. Elektrische Maschine nach obigen Ansprüchen, wobei die Wahl der Wicklungsquerschnitte von ES so gewählt wird, daß trotz radial stehender Magnetkreise durch Querschnittsanpassung der Leiter ein hoher Füllgrad erreicht wird.






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