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Dokumentenidentifikation DE102006023249B4 15.05.2008
Titel Permanentmagneterregte elektrische Maschine mit Transversalflussführung und hoher Kraftdichte mit begrenzter Betriebsfrequenz
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 26.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006023249
Offenlegungstag 29.11.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.05.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.2008
IPC-Hauptklasse H02K 21/02(2006.01)A, F, I, 20070209, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 1/27(2006.01)A, L, I, 20070209, B, H, DE   H02K 41/03(2006.01)A, L, I, 20070209, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine PM-erregte Wechselstrom-Synchronmachine (PWS) für rotierende und lineare Anwendung hoher Kraftdichte in niederfrequenter Ausführung.

Bei der Weiterentwicklung der verschiedenen Bauformvarianten und ihrer Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen wird das Ziel verfolgt, den Vorzug hoher Kraftdichte bei kleinen Polteilungen zu erhalten und zusätzliche Merkmale des Betriebsverhaltens und der Baubarkeit durch eine gößere Polteilung zu verbessern.

Stand der Technik

Mit Blick auf Herstellungsfragen und geringe Bauteilkosten wird angestrebt, dass für Maschinen größerer Abmessungen die Magnetkreise bevorzugt mit ebenen paketierbaren Blechkörpern ausgeführt werden können. Unter den in dem Artikel von H. Weh; W. Niemann: Transverse Flux Machines for Traffic Application, in: Proc. Power Electronics, El. Drives, Automation a. Mution, June 2002, Ravello (Ital), C 5.1-8 für Transversalflussmaschinen (TFM) erwähnten unterschiedlichen Bauvarianten gilt jenen Magnetkreisen großes Interesse, die mit Permanentmagneten auf der Seite des Primärteils konzipiert sind. Diese sogenannte TF-Variante mit magnetisch passivem Rotor ermöglicht einen einfachen mechanischen Aufbau und weist niedrige Eisenverluste im Statur auf.

Von großer Bedeutung ist das passive Reaktionsteil bei Anwendung als linear wirkende elektrische Maschine, entweder als Generator oder als Motor. Bei lang ausgedehntem Fahrweg spielt dabei die deutlich preisgünstigere Variante mit Erregung im Primärteil eine wichtige Rolle. Sie ist bekanntlich im Falle der permanenterregten Synchronmaschine mit longitudinalem Magnetkreis nicht realisierbar. Wie in dem oben angegebenen Artikel, 2 I, skizziert ist, sind bei rotierenden Maschinen unidirektionale Ringwicklungen besonders interessant, da durch sie die Problematik von nicht zur Magnetisierung beitragenden Leitern umgangen ist. Bei linearer Anwendung wird, wie in 2 II dargestellt, die magnetische Nutzung des Stroms im erweiterten bidirektionalen Magnetkreis durch Integration des rückführenden Leiters sichergestellt. Es ist weiter angedeutet, dass der Wunsch nach hoher Kraftdichte mit der Heranziehung des Sammlerprinzips (magnetische Flusskonzentration), siehe auch 1a, 1b verbunden ist. Hierdurch werden deutlich höhere Erregerfelddichten im kraftbildenden Spalt erreicht als im Falle der Magnetkreisvariante, deren Permanentmagneten flach am Luftspalt angeordnet sind oder wie sie in den Entgegenhaltungen 1 und 2 in vom Eisen umschlossener Form angeordnet werden.

Große Maschinenabmessungen bedeuten bei rotierender Anwendung für die Wicklungsauslegung ein besonderes Anpassungsproblem. Durch große flussführende Flächen und begrenzte Spannung reduziert sich die Zahl der Leiter je Spule, so dass, wie z.B. in DE 101 10 719 A1 beschrieben, eine Unterteilung der Wicklung in mehrere Segmente geboten ist. Auch hierbei tritt die bidirektionale Ausführung des Magnetkreises ins Blickfeld.

In DE 10 2004 906 890 B3 wurde durch einen anderen Ansatz das Problem umgangen. Es wurde eine mit sich überlappenden Spulen gegliederte Wanderfeldanordnung der Wicklung und eine entsprechend gepulste Drehstromversorgung vorgeschlagen.

Durch eine Frequenzminderung könnte allerdings die notwendige Anwendung einer gegliederten Wicklung vermieden oder in den Bereich noch größerer Durchmesser verschoben werden.

Bei Maschinen mit begrenzter Betriebsgeschwindigkeit und damit relativ niedriger Frequenz sind die in zahlreichen Patenten und Veröffentlichungen beschriebenen TF-Magnetkreisvarianten zweckmäßig einsetzbar. Es ist bekannt, dass bei gegebenem Wicklungsstrom die Kraftdichte besonders für kleine Polteilungen große Werte annimmt, sofern auch der Luftspalt im Vergleich zur Polteilung eine geringe Größe besitzt. Umgekehrt ist auch bekannt, dass mit zunehmender Polteilung die Wicklungsdurchflutung erhöht werden müsste, um die Kraftdichte annähernd konstant auf hohem Wert zu halten. Hierdurch kann dem Wunsch nach kleinen Eisenverlusten, niedriger Blind- und Scheinleistung durch niedrige Frequenz nicht entsprochen werden. Dies wiederum hat nachteilige Folgen für die Baubarkeit und die Kosten für Maschine und ihre Energieaufbereitung.

Für Maschinen mit longitudinalen Magnetkreisen liegen in der US 2006/0055 268A1 und der US 2006/0017 345A1 Konstruktionsansätze zur Lösung des Problems vor. Dort wurde versucht, durch die Anordnung von Magnetgruppen gleicher Polarität innerhalb des Musters alternierender Pole vergrößerte Polteilungen bei kleiner radialer Ausdehnung zu bilden. Allerdings wird durch die vorgesehene Eisenumschließung der Permanentmagnete der in den Luftspalt austretende kraftbildende Feldanteil so stark geschwächt, dass kaum noch verwertbare Kraftdichten zu erzielen sind.

Der Übergang zu Magnetkreisen vergrößerter Polteilung bei gleichzeitig hoher Kraftdichte würde nicht nur für Maschinen mit großen Abmessungen, sondern im Falle höherer Betriebsgeschwindigkeiten auch für die mittleren und kleineren Durchmesser sowie den Einsatz bei linearer Anwendung offensichtliche Vorteile bieten und ist folglich ein wichtiges Entwicklungsanliegen.

Somit besteht die erfindungsgemäße Aufgabe darin, Magnetkreise für rotierende und lineare Anwendung anzugeben, deren Kraftdichte mit größer werdender Polteilung bei konstantem Wicklungsstrom wenig oder gar nicht abnimmt. Hierbei soll von dem hohen Wert der Kraftdichte ausgegangen werden, der bei Sammleranordnung und kleinen Luftspalten bei gleichzeitig kleiner Polteilung erreicht wird und der das besondere Kennzeichen der Transversalflussmaschinen darstellt. Weiter soll sich die Magnetkreisgestaltung auch für die Anwendung ebener Magnetkreisteile eignen und damit günstig herstellbare Bauelemente ermöglichen. Die Unterteilung der Wicklung in kleinere Einheiten soll für Maschinen großer Abmessungen nicht ausgeschlossen werden. Es wird angestrebt, die Sammleranordnung mit begrenzter Masse an Permanentmagneten auszuführen und sie so zu gestalten, dass bei Transversalflussmaschinen (TFM) die Magnetisierung aus dem Primärteil oder dem Sekundärteil heraus erfolgen kann.

Für die Kombination mit Statoren longitudinaler Art und demgemäß größerer Polteilung konnte bislang die beschriebene Sammlerform nicht sinnvoll eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele

Im Folgenden wird anhand eines ausführlichen Textes, unter Einbezug mehrerer zeichnerischer Darstellungen die Lösung dieser Aufgabe beschrieben:

Ein TF-Basismodell bei kleiner Polteilung

Im ersten Schritt wird mit den 1a bis 1c an einem Grundmodell einer linearisierten TF-Maschine der Magnetkreis in Sammleranordnung dargestellt, wobei bereits einige Punkte des obigen Anforderungsprogramms erfüllt werden: So liegt erkennbar ein Magnetkreis bestehend aus ebenen Elementen vor; die Magnetisierung erfolgt aus dem Primärteil heraus; die gewählte Sammleranordnung mit ihrem Spalt gegenüber dem Rückschlußelement kann (etwa gegenüber dem eingangs erwähnten Artikel, 2, I.1) mit begrenzterem Aufwand an Permanentmagnet-Material hergestellt werden.

Das Primärteil St ist nach 1a aus der in Bewegungsrichtung verlaufenden Wicklung RW, dem Erregerteil Sm, das innerhalb einer Polteilung &tgr;p einen Permanentmagnet M und ein Eisenteil E umfaßt und dem Rückschlußelement Sr aufgebaut. Das magnetisch passive Sekundärteil L umfaßt die im Abstand der doppelten Polteilung angeordneten Rückschlußteile Lr. Der Luftspalt zwischen bewegten und passiven Teilen &dgr;1 wird den mechanischen Anforderungen entsprechend gewählt, während der Spalt &dgr;&sgr; zwischen Sm und Sr so groß zu wählen ist, dass der dort entstehende magnetische Streufluss &PHgr;&sgr; die Permanentmagnete nicht zu stark belastet. Er wird demzufolge etwa in gleicher Größenordnung angesetzt wie der Nutzspalt &dgr;1. In 1a ist angedeutet, dass der magnetische Hauptfluß die Magnete M in der x,y-Ebene durchströmt und der Rückschluß in der y,z-Ebene, in den Querverbindungen Lr und Sr stattfindet. Die in Längsrichtung verlaufenden Feldlinien nehmen dabei etwa die Länge einer Polteilung an.

Während 1b die Seitenansicht mit dem geschlossenen Feldverlauf in der y,z-Ebene zeigt, ist in 1c auf die generelle Sammlergliederung, mit Magnetabschnitten alternierender Polarität, hingewiesen. Es wird dabei auf Grund der Leitfähigkeit eine Magnetisierung mit im Luftspalt verstärkten Flußdichten gegenüber der Flachmagnetanordnung erreicht. Die Sammlerabmessung lm wird hierzu im Vergleich zur Abmessung 0,5be im allgemeinen um mehr als den Faktor 2 größer gewählt. Die magnetische Leitfähigkeit ist insbesondere quer zur Bewegungsrichtung durch die Eisenlamellen E stark erhöht. In geringerem Maße tritt durch sie auch eine Leitfähigkeitsverbesserung in x-Richtung ein. Die hohe Felddichte Bf, bewirkt als Folge der erhöhten magnetischen Leitfähigkeit in Wechselwirkung mit dem Strom eine hohe Kraftdichte.

Wie den Bildern zu entnehmen ist, wird üblicherweise eine annähernd hälftige Aufteilung für die Elemente M und E gewählt und dabei der Größtwert von Bf erzielt. Um die für kleine Polteilungen, von etwa 1 cm günstigen Verhältnisse auf größere Polteilungen zu übertragen, ist es nicht ausreichend, die Abmessungen der Sammlerelemente proportional zu vergrößern. Eine hierdurch angeregte Erhöhung der magnetischen Flußdichte Bf kann im allgemeinen wegen der Sättigungseigenschaften des Eisens und dessen lokale Überlastung nicht realisiert werden.

Der TF-Magnetkreis mit vergrößerter Polteilung, einseitig.

Deutlich günstigere Verhältnisse werden durch eine, wie in 2 dargestellte Aufteilung der Magnete M und ihrer ferromagnetischen Zwischenteile E in z.B. 4 M1 und 4 E1 erzielt. Wie das Bild zeigt, wird hierdurch eine gleichmäßigere Verteilung der einzelnen Teilflüsse über die gesamte Breite von Lr sichtbar. Der Ersatzmagnet von Sm stellt bei Mehrfachaufteilung in anregende und leitende Teilbereiche durch seinen homogeneren Aufbau einen insgesamt kleineren magnetischen Widerstand dar, als im Falle der Einfachgliederung. Es wird erreicht, dass sich der magnetische Fluß in mehrere Teilströme aufteilt, die von der Magnetanordnung parallel und wie die Feldskizze zeigt, mit einer kleineren internen Längserstreckung &tgr;n < &tgr;p geführt werden. Die magnetische Flußdichte Bf erreicht dabei einen höheren Mittelwert als im Falle der Einfachgliederung und gleicher Polteilung.

Gegenüber Maschinen kleinerer Polteilung geht folglich die Kraftdichte (Kraft je Einheit der Längsausdehnung) nur wenig zurück.

Zur Sicherstellung einer hohen magnetischen Leitfähigkeit des Sammlers in x-Richtung dienen die Maßnahmen der Verbreiterung von be gegenüber hm und von lm mit zunehmender Polteilung. Auch die Verbreiterung des mittleren E-Elements, in dem sich die Teilflüsse unterschiedlicher Richtungen verschmelzen bezw. trennen, ist ein Mittel zur Steigerung der Erregerfelddichte.

3 stellt für die gegenüber 2 um ein halbe Polteilung verschobene Erregeranordnung Sm das Wechselwirkungsmodell der stromführenden Leiter im Magnetfeld dar. Das Feld Ba ist von den Strömen der Wicklung erregt. Als Leiterströme fungieren die in den P-Magneten magnetisierenden Randströme Im.

Die Kraft je Lr-Einheit (Polteilung) folgt aus der Summe der Produkte Im·Ba·lp, mit lp der Pollänge.

Magnetisch aktives oder passives Sekundärteil

Bezüglich der dargelegten Funktionen und deren Einfluss auf die Sammlergestaltung sind keine grundsätzlichen Änderungen zu erwarten, wenn der Magnetkreis für ein aktives Sekundärteil L entsprechend 5 ausgelegt wird. Die topologischen Änderungen (Sm wechselt die Position und wird zu Lm) gegenüber 4 mit passivem Sekundärteil beeinflussen die Intensität des Kraftbildungsvorgangs nicht.

Anmerkungen zu Herstellungsfragen bei Frequenzabsenkung

Bezüglich der Teileherstellung für die MK-Elemente Sr und Lr sowie die Eisenteile von Sm gilt, dass es sich um einfache quaderförmige Körper handelt. Die magnetische Leitfähigkeit soll für Sr und Lr in y- und z-Richtung und bei den Zwischenelementen E in x- und y-Richtung hoch sein. Dementsprechend lassen sich für alle drei Körper prinzipiell geblechte Teilpakete heranziehen. Mit Rücksicht auf zusätzliche Verluste im Luftspalt-Kantenbereich wird i.a. der Einsatz von quergeblechten Teilpaketen nur für niedrige Betriebsgeschwindigkeiten als vertretbar angesehen. Kennzeichnend sind dabei Grenzfrequenzen von etwa 400 bis 500 Hz.

Für die in Anbetracht einer Polteilungsvergrößerung auftretende Frequenzabsenkung (um Faktoren von 2 bis 4) entspricht dies folglich nun einer wesentlich höheren Betriebsgeschwindigkeit. Ein sehr großer Teil aller Anwendungsfälle kann somit offensichtlich durch Einsatz von quergeblechten Magnetkreiselementen für Lr und Sr bei günstigem Herstellpreis abgedeckt werden.

Ähnlich günstig wirkt sich die weitgehende Anwendung der Ringwicklung auf den Herstellpreis aus.

Weitere Gestaltungsvorschläge für hohe Kompaktheit

Weitere Hinweise zur Umsetzung der oben beschriebenen Bauvorschläge für TF-Maschinen niederfrequenter Ausführung sind in 6 und 7 gegeben. Durch eine Verschmelzung von zwei Magnetkreisen nach 4 zu einer Doppelanordnung entsteht die in 6 dargestellte Querschnittszeichnung eines Magnetkreises mit vier Luftspalten. Durch die Doppelnutzung der Elemente Lr entsteht eine Einsparung an Magnetkreisvolumen verbunden mit einer beträchtlichen Vergrößerung der Umfangskraft gegenüber einer Einfachanordnung. Erregerteile und Wicklung treten allerdings im Volumen verstärkt in Erscheinung.

7 stellt ebenfalls eine Anordnung mit vier Luftspalten je Magnetkreis dar. Ähnlich wie bei 6 ist die Symmetrie zur links gezeichneten Maschinenmittellinie (Bauteil Lk) angenommen. In 7 ist die Verbindung der Statorelemente durch ein zusätzliches Konstruktionselement Wk sichergestellt. Durch dieses Verbindungsteil, das gleichzeitig als Wicklungsträger in Erscheinung tritt, werden die Kräfte auf das innenliegende Teil Sm übertragen. Wie in 6 ist davon auszugehen, dass das Läufermittelteil Lk mit der Welle W in Verbindung steht und diese ihre Kräfte über die Lager auf die Gehäuseteile abstützt.

Kraftdichteerhöhung durch Nutzung der Pollücke

Der vorgeschlagene Übergang auf Erregeranordnungen mit Flußkonzentration und größerer Polteilung, erzeugt durch mehrere gleichgepolte Erregerelemente, ermöglicht eine weitere Stufe der Kraftdichteerhöhung. Hierzu wird zunächst die Voraussetzung eines sich über mehrere Polteilungen erstreckenden und magnetisierenden Wicklungsteils fallen gelassen. Damit besteht die Möglichkeit, zur Erhöhung der Kraftwirkung die bislang bestehende Lücke zwischen den Magnetkreis-Rückschlusselementen Sr, 5 zu nutzen. 8a zeigt linearisiert in der x,y-Ebene die Magnetkreisanordnung von Stator St und Erregerteil L, wobei sich im Stator mm die MK-Elemente Sr2 zwischen den Elementen Sr1 befinden und jeweils die entgegengesetzte Polarität aufweisen. 8b stellt in der y,z-Ebene die Seitenansicht des MK dar. In 8c ist der MK mit Sr2 in der y,z-Ebene getrennt gezeichnet.

Die in Längsrichtung magnetisierenden Wicklungen W1 für Sr1 und W2 für Sr2 weisen etwa gleichen Querschnitt auf. Dabei ist erkennbar, dass nur durch eine Vergrößerung der Polteilung die Wicklungsquerschnitte mit ausreichender Größe zu dimensionieren sind.

8a lässt auch erkennen, dass die vorgenommene Gliederung von Lm mit Leitfähigkeitssteigerung in x- und y-Richtung die Möglichkeit eröffnet, Lm als magnetisch leitfähige Verbindung (in x-Richtung) einzusetzen. Durch die am Luftspalt &dgr;1 zusätzlich wirkenden Statorelemente Sr2 entsteht gegenüber den mit Lücken behafteten Konfigurationen 1÷7 je doppelter Polteilung eine Kraftverdoppelung, wenn gleiche Wicklungsdurchflutungen in W1 und W2 vorausgesetzt werden, und die magnetische Leitfähigkeit von Lm ud Lm1 erhalten bleibt.

Es kommt hinzu, dass bei Anordnungen mit Pollücke durch den in der Lücke auftretenden Streufluss in falscher Richtung eine Kraftreduktion entsteht, die durch Einführung der Polelemente Sr2 entfällt. Somit ist im Idealfall davon auszugehen, daß durch Einführung der Gegenpole Sr2 mehr als eine Verdoppelung der Polkräfte und damit auch eine gleich große Erhöhung der mittleren Kraftdichte erzielt wird. Aus 8 wird ersichtlich, dass die unterschiedliche Bemessung der MK-Elemente Sr1 und Sr2 sowie die unterschiedliche Anordnung ihrer Wicklungen W1 und W2 dem Ziel dienen, die vorhandenen Räume zur Unterbringung möglichst großer Wicklungsquerschnitte zu nutzen.

8d verdeutlicht, dass zur Steigerung der magnetischen Längsleitfähigkeit von Lm mehrere Maßnahmen beitragen. Bei Vergrößerung der Polteilung lassen sich die Einzelmagnete M1 schmaler als die ferromagnetischen Teile E1 dimensionieren. Eine Vergrößerung von lm bewirkt ebenso wie die Anordnung von dünnen leitfähigen Stegen im Magnetbereich (sh. M1g und E1g) eine Steigerung der Leitfähigkeit in Längsrichtung.

Der ferromagnetische Teil des Sammlers wird zweckmäßig aus gestanzten Blechteilen (der x,y-Ebene) hergestellt. Es bleibt noch der Hinweis, dass ähnlich wie bei 4 und 5 die MK-Anordnung von 8 nur den Ausschnitt aus einer einsträngigen Maschinenanordnung darstellt. Für die praktische Anwendung sind zur Vermeidung von tiefen Krafteinbrüchen mindestens zwei Magnetkreisanordnungen (also eine zweisträngige Einheit) mit entsprechender Speisung erforderlich.

Die Wanderfeldvariante bei TF-Maschinen

Dass nun von den Spulen der Rückschlusselemente nicht nur Wechselfeld-, sondern auch Wanderfeldanordnungen (durch mehrsträngige Wicklungen) gespeist werden können, ist in 9a am Beispiel der Stränge a, b, c angedeutet. Gegenüber der einsträngigen Anordnung nach 8 weist die Spulenanordnung nun drei überlappte Spuleneinheiten auf, die eine verhältnismäßig große Polteilung erfordern. Die Magnetisierung der von den Strömen erzeugten Feldkomponente Ba erfolgt von den in x-Richtung verlaufenden Leitern der Wicklungen Wf und Wf', deren Querschnitte sich gegenüber einer Strangeinheit (der x,y-Ebene) auf den doppelten Wert vergrößert, sh. 9b. In 9c ist die Strom- und Ba-Verteilung der dreisträngigen Wicklung für die Position des Strommaximalwertes dargestellt.

Die x-Verteilung des zwischen den Sr-Elementen verlaufenden Stroms entspricht dem bekannten Schema bei dreisträngigen Wicklungen. Für die in x-Richtung fließenden Ströme treten die Maximalwerte um eine halbe Polteilung versetzt auf.

Der Übergang zur Technologie der longitudinalen Magnetkreise (LF-MK) mit Sammler und vergrößerter Polteilung.

Ein topologisches Kennzeichen der TF-Technologie sind die den magnetisierenden Längsleiter umschließenden Rückschlusselemente ferromagnetischer Art. Für die LF-Technologie kennzeichnend sind die in Längsrichtung angeordneten Rückschlusselemente außerhalb der in z-Richtung verlaufenden (magnetisierenden) Ströme. In beiden Fällen ist der Sammler in der Lage, die Funktion eines magnetischen Längsleiters zu übernehmen.

Die in 9c gezeichnete Wanderfeld-Stromverteilung der TF-Variante legt nahe, dass sie mit einer Modifikation der MK-Teile auch einem LF-Stator mit ferromagnetischem Rückschlusselement zugeordnet werden kann, wobei sie die Magnetisierungsfunktion zur Erzeugung von Ba übernimmt. Ausgehend von 9b kann der TF-Magnetkreis entlang der Mittellinie getrennt werden, wenn die in Längsrichtung erforderlichen magnetischen Verbindungen zwischen den Sr-Elementen (Joche) hergestellt sind. Zur Minimierung der durch die Längsleiter verursachten Verluste dient eine Verbreiterung der Polflächen in z-Richtung. Aus der TF-Wanderfeldvariante entsteht auf diese Weise eine LF-Wanderfeldmaschine ohne grundsätzliche Kraftdichteeinbuße. Aus der Tatsache, dass der beschriebene Übergang mit dreisträngiger Wanderfeldanordnung vollzogen wurde, sollte nicht geschlossen werden, dass nur diese Wicklungsart für eine LF-Anwendung des Sammlers mit vergrößerter Polteilung geeignet ist. Unter der Voraussetzung, dass Magnetkreisanordnungen durch den Kreisen individuell zugeordnete Spulen erregt werden, lassen sich sowohl Wechselfeld als auch Wanderfeldkonzepte der verschiedensten Art realisieren.

Die doppelseitigen Varianten beim LF-Magnetkreis

Der höchste Kompaktheitsgrad für die Anwendung von TF- und LF-Magnetkreisen wird durch die Verschmelzung zweiter einseitiger Magnetkreise zu einer Doppelanordnung, wie z.B. im Falle der TF-Konfiguration in 6 und 7 beschrieben, erzielt. Die auf die Gesamtmasse der aktiven Teile bezogene Kraft erreicht hierbei ihren Höchstwert. Durch den Übergang zu einer den Einzelelementen Sr zugeordneten Spulenwicklung muss nun die Erregeranordnung fest dem Läufer L zugeordnet werden. Für Doppelanordnungen bieten sich zwei Möglichkeiten an: Die Erregeranordnung kann im Zentrum des MK oder an seinen beiden Außenseiten positioniert werden. Für den Stator ergeben sich dadurch zwei Alternativpositionen: Zweigeteilt im äußeren Bereich oder in der Mitte. Je nach Anwendungsfall sprechen Vor- und Nachteile unterschiedlich für beide denkbaren Lösungen.

10a zeigt für eine Statorausführung mit einsträngger Wechselfeldwicklung die doppelseitige MK-Anordnung in der x,y-Ebene. Die beiden Erregeranordnungen Lm und Lm' bilden gleichzeitig den magnetischen Rückschluss im äußeren Bereich. Die Aufteilung der Wicklungen W1 und W2 auf Sr1 und Sr2 ist so vorgenommen, dass die ferromagnetischen Statorteile, die auch Längsverbindungen aufweisen können, in z-Richtung mit dem Gehäuseteil G fest verbunden werden können.

Wie 10b zeigt, lassen sich die Erregerteile Lm und Lm' gut in den Rotorkörper Ls integrieren.

Bei durchgehend einsträngiger Ausführung des gesamten Maschinenumfangs in der Form von 10a würde eine zweisträngige Maschine aus zwei baulich identischen Hälften, wie in 10b bestehen, wobei eine Hälfte gegenüber der anderen um eine halbe Polteilung versetzte MK-Teile aufweist, und diese mit 90° el phasenverschobenen Wechselströmen gespeist werden. Für Maschinen großer Leistung liegt eine Ausführung mit höheren Strangzahlen nahe, was in unterschiedlicher Weise, etwa durch einen zonenweisen Versatz der Statorelemente, am Umfang oder durch Wahl einer Polteilungsverstimmung für die Spulen W1 und W2 zu realisieren ist.

Schließlich zeigt 11 den vergrößerten einseitigen Ausschnitt einer Polteilung aus einer LF-Anordnung mit einsträngiger Wicklung W entsprechend der 10a. Zur Erzielung einer hohen Kraftdichte ist die Sammleranordnung Lm mit einem verstärkten Mittelelement Em, das breiter als die durchschnittlichen Elemente E1 ist, ausgeführt. Die Permanentmagnete Mm im Grenzbereich zur Nachbarpolteilung sind gegenüber den Elementen M1 ebenfalls verstärkt. Mit der erhöhten magnetischen Leitfähigkeit in x-Richtung entsteht eine erhöhte mittlere magnetische Flussdichte als Ursache für eine ebenfalls erhöhte Kraftdichte. Auch die Erhöhung der Querabmessung lm des Sammlers, in der Größenordnung der Polteilung gewählt, trägt zu diesem Effekt bei.


Anspruch[de]
Permanentmagneterregte elektrische Maschine mit transversaler Flussführung für rotierende oder lineare Anwendung,

– mit zwei Maschinenteilen, die durch einen Luftspalt (&dgr;1) voneinander getrennt sind, wobei das erste Maschinenteil Träger der magnetischen Erregung in der Form mindestens einer Sammleranordnung je Feldumlauf ist und mindestens eine Seite an den Luftspalt (&dgr;1) grenzt, und wobei das zweite Maschinenteil mindestens eine Wicklung trägt, deren magnetisierende Teile von Elementen der Sammleranordnung und magnetisch leitenden Rückschlusselementen umgeben sind,

– die an den Luftspalt (&dgr;1) grenzende Sammleranordnung aus einer Folge von Elementpaaren von abwechselnd in oder gegen die Bewegungsrichtung der elektrischen Maschine magnetisierten Permanentmagneten (Mm) und ferromagnetischen Zwischenelementen (Em) besteht,

– wobei die Zahl der Elementpaare je Polteilung (&tgr;p) zwei oder größer als zwei ist, die Permanentmagnete (Mm) innerhalb einer Polteilung (&tgr;p) gleiche Magnetisierungsrichtung aufweisen und die Polteilung (&tgr;p) sich aus der Summe der Ausdehnungen der Elementpaare gleicher Magnetisierungsrichtung in Bewegungsrichtung der elektrischen Maschine ergibt.
Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querausdehnung (lm) der Sammleranordnung größer als die Ausdehnung der Flussaustrittsfläche am Luftspalt (&dgr;1) in Bewegungsrichtung gewählt wird, so dass sich eine Flusskonzentration im Luftspalt ergibt. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Mitte einer erregenden Polteilung (&tgr;p) der Sammleranordnung angeordneten ferromagnetischen Zwischenelemente (Em) sowie die in der Mitte der magnetisierenden Zone einer Polteilung (&tgr;p) angeordneten Permanentmagnete (Mm) in Bewegungsrichtung der elektrischen Maschine stärker dimensioniert werden als benachbarte Zwischenelemente (E1)/Permanentmagnete (M1) und die Zahl der Permanentmagnete (Mm) je Polteilung (&tgr;p) zu einer ungeraden Zahl gewählt wird. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Maschinenteil Rückschlusselemente (Lr oder Sr) aufweist, die im Abstand der doppelten Polteilung (&tgr;p) stehen und Wicklungen trägt, deren magnetisierende Leiter sich in Längsrichtung über mehr als eine Polteilung (&tgr;p) erstrecken und eine einsträngige Wicklung darstellen. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Maschinenteil Rückschlusselemente (Sr) im Abstand einer Polteilung (&tgr;p) aufweist und Wicklungen trägt, deren Spulen die einzelnen Rückschlusselemente (Sr) oder kleine Gruppen von Rückschlusslementen (Sr) innerhalb einer Polteilung (&tgr;p) umschließen Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlusselemente (Lr und Sr) aus lamellierten Teilpaketen ebener Art bestehen. Permanentmagneterregte elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je Magnetkreis vier Luftspalte (&dgr;1) zur Krafttbildung beitragen.






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