Elektrische Antriebsmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Antriebsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine solche Antriebsmaschine ist insbesondere nach dem Prinzip einer Synchronmaschine (SM) oder Asynchronmaschine (ASM) oder Reluktanzmaschine aufgebaut und kann als Linear- bzw. Drehan- trieb dienen.

Elektrische Antriebsmaschinen bestehen aus einem Stator und einem bewegten Läufer. Dabei ist u.U. elektrische Energie auf dem Läufer erforderlich, beispielsweise - zur Steuerung der Antriebsleistung durch separate Speisung des Läufers, wie z. B. Erregerleistung bei elektrisch erregter Synchronmaschine, doppelt gespeiste Asynchronmaschine .

- als Hilfsenergie zum Be- und Entladen bei Transportauf- gaben, Spannen von Werkstücken oder Werkzeugen, für eine Sensorik, z.B. Temperatur, Lage, etc., für Datenübertragungssysteme .

Zur Energieübertragung bei Antriebsmaschinen ist ein geeigne- tes Energieübertragungssystem erforderlich. Da die Antriebsmaschine je nach Anwendung als Synchronmaschine (SM) oder Asynchronmaschine (ASM) oder Reluktanzmaschine einschließlich spezifischer Untertypen ausgelegt sind, ist für deren Auslegung eine Reihe von Parametern zu berücksichtigen (s. bspw. Lehrbuch K. Vogt et al . „Elektrische Maschinen", VEB Verlag Berlin 1974, insbesondere Hauptabschnitt C: 'Entwurf rotierender elektrischer Maschinen' ) .

Ein derartiges Energieübertragungssystem muss in die Arbeits- maschine integriert oder separat angebaut werden. Beim Stand der Technik wird die erforderliche Leistung beispielsweise mittels Schleifkontakten, Schleppkabel (bei begrenztem Ver- fahrweg/-winkel) übertragen. Es ist auch bekannt, ein se-

parates EnergieübertragungsSystem mit räumlich getrenntem Aktivteil vorzusehen, z. B. die Erregermaschine in einer Synchronmaschine (SM) , oder lineare induktive Energieübertragungssysteme. Dieses Prinzip wird beispielsweise in der DE 42 36 340 Al beschrieben.

Inhärente Probleme dieser bekannten Problemlösungen sind:

- zusätzlich erforderlicher Bauraum/Masse für das Energieübertragungssystem: Bei Schleppkabeln ist die bewegte Schleppkabelmasse sogar variabel.

- Verschleiß, Reibung, Verschmutzung.

Von obigem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine zu schaffen, bei der neben dem Antrieb gleichermaßen eine geeignete Energieübertragung vorhanden ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei der Erfindung sind die oben genannten Nachteile vermieden, da die notwendige Energie induktiv auf den Läufer übertragen wird, die Motor- und Energieübertragungsfunktionen aber von einer kombinierten Elektromaschine mit gemeinsamem Aktivteil und kombiniertem Stromrichter erbracht werden. Wesentlich ist dabei die Realisierung des gemeinsamen Aktivteils durch geeignete Wahl der Wicklungsparameter von Motor- und Energieübertragungswicklungssystem. Dadurch ist ein ent- koppelter Betrieb von induktiver Energieübertragung und Motorbetrieb möglich.

Bei der Erfindung sind zwar nicht die Teilsysteme jeweils optimal, sondern vielmehr das Gesamtsystem hinsichtlich Bau- raum/Masse und Wirkungsgraden paretooptimal ausgelegt. Die Motor- und Energieübertragungswicklungen sind dabei als getrennte Wicklungen in ein gemeinsames Aktivteil eingebracht.

Bei der Erfindung lässt sich vorteilhafterweise läuferseitig mit einem Stromrichterstellglied eine Gleichspannung auskoppeln. Im einfachsten Fall kann dafür eine Diodenbrücke verwendet werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung

Figur 1 ein Blockschaltbild einer elektrischen Antriebsmaschine mit separater induktiver Energieübertragung des Standes der Technik

Figur 2 die räumliche Trennung von Motor- und Ener- gieübertragungssystem,

Figur 3 Motor- und Energieübertragungssystem mit gemeinsamem Aktivteil und kombiniertem Umrichter,

Figur 4 Ausführungen mit getrennten Wicklungen im ge- meinsamen Aktivteil, wobei FIG 4A den Fall einer Asynchron- oder Synchronmaschine mit Erregerwicklung und FIG 4B den Fall einer PM Synchronmaschine wiedergibt,

Figur 5 Stator und Läufer mit kombinierter Mo- tor(,,M")- und Energieübertragungs („E") -

Funktion bei Oberflächen (PM) -Magneten,

Figur 6 Stator und Läufer mit ihren korrespondierenden Luftspaltfeldern der Energieübertragung,

Figur 7 eine Asynchronmaschine mit einem Energieüber- tragungssystem im Läufer und Ständer,

Figur 8 eine IPM-Synchronmaschine mit schalenförmigen oder geraden Magneten im Läufer und einer Laufer-EnergieübertragungsWicklung,

Figur 9 eine IPM-Synchronmaschine mit radial angeord- neten Magneten im Läufer und einer Läufer-

EnergieübertragungsWicklung,

Figur 10 eine Vollpol-Synchronmaschine mit integriertem elektrischem Energieübertragungssystem,

Figur 11 eine Schenkelpol-Synchronmaschine mit integriertem elektrischen Energieübertragungssystem,

Figur 12 eine PM-Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten und integriertem Energieübertragungssystem,

Figur 13 eine synchrone Reluktanzmaschine mit integriertem EnergieübertragungsSystem,

Figur 14 ein einphasiges Ersatzschaltbild der Energieübertragungsstrecke für stationären Betrieb,

Figur 15 die lauferseitige Spannungsauskopplung mit einer m _E =3-phasigen Diodenbrücke und

Figur 16 die lauferseitige Spannungsauskopplung mit einem m _E =3-phasigen selbstgeführten Gleich-/ Wechselrichter .

Die Figuren 1 und 2 zeigen den Stand der Technik, wie er einleitend im Wesentlichen bereits erwähnt wurde. Weitere Erläuterungen erfolgen weiter unten.

Aus den Figuren 2 bis 6 ergibt sich das Prinzip der Erfindung. Die weiteren Figuren zeigen jeweils unterschiedliche Ausführungssysteme, wobei die Figuren 7 bis 12 unterschiedliche Maschinen und speziell die Figuren 14 und 15 die Span- nungsauskopplung zeigen.

Die Figuren 1 und 2 umfassen den Stand der Technik. In Figur 1 ist ein an einem Drehstromnetz 1 angeschalteter Antriebsmotor 5 dargestellt, dem ein System 10 zur Energieübertragung zugeordnet ist. In bekannter Weise wird der Motor 5 von einem Stromrichterstellglied 2/3 aus einem Gleichrichter 2 und einem Wechselrichter 3 angesteuert, wobei der Gleichrichter von einem Servoregler 4 angesteuert wird. Der Motor 5 und das Energieübertragungssystem 10 sind über eine Drehwelle 6 und u.U. mit einem Lageerfassungssystem 7 gekoppelt. Die Sensorik kann zusätzlich noch um die Funktion „Drehzahlistwert- Erfassung" erweitert werden. Weiterhin ist eine elektrische Last 9 vorhanden. Nicht dargestellt ist die mechanische Last

an der Abtriebswelle.

Es wird somit eine Antriebsmaschine realisiert. In der Figur 2 wird in den Teilfiguren 2A und 2B einmal ein Motorsystem M definiert, das aus einem Stator 50 mit darin angeordneter Ständerwicklung 51 und aus einem Läufer 60 mit darauf angeordneten einzelnen Permanentmagneten 61- 63 besteht. Im zugehörigen Energieübertragungssystem E gemäß der Figur 2b ist im Stator 55 eine Spulenanordnung 56 mit der Polpaarzahl P _E und im Läufer 65 eine Spulenanordnung mit der gleichen Polpaarzahl P _E vorhanden. Damit wird in bekannter Weise über den Luftspalt Ö2 hinweg induktiv elektrische Energie übertragen und steht auf dem Läufer zur Verfügung.

Wesentlich ist in Figur 2, dass im Motorsystem und im davon räumlich getrennten Energieübertragungssystem E im Allgemeinen unterschiedliche, optimale Luftspalte δi und 62 vorliegen.

Die Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäß verbesserte Anordnung: Hier ist ein Stromrichter 20 vorhanden, der im Einzelnen aus einem Gleichrichter 21 und zwei an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Wechselrichtern 22 und 23 besteht. Der erste Wechselrichter 22 ist für den Motor („M") zuständig und der zweite Wechselrichter für die Energieübertragung („E") . Beide Wechselrichter 22 und 23 wirken auf eine Antriebsmaschine M/E ein, die auch mit 25 bezeichnet ist. Die Antriebsmaschine 25 hat eine Abtriebswelle 26, die mit der Drehzahl n rotiert. Der Motor 25 ist wiederum über einen Ser- voregler 24 mit dem Wechselrichter 22 verbunden. Der Motor ist mit einem Lageerfassungssystem im Rückkoppelzweig an den Servoregler 24 angeschlossen. Weiterhin ist 29 als elektrische Lastnachbildung R _L vorhanden.

Wesentlich ist in Figur 3, dass Motor und Energieübertragungssystem ein gemeinsames Aktivteil aufweisen. Dies wird anhand Figur 4 verdeutlicht.

In Figur 4 ist die konstruktive Realisierung in zwei Alternativen dargestellt. Dabei ist beide Male der Stator als Aktivteil mit einer 3-phasigen Motor (M) - Wicklung 1 der Polpaarzahl p _M und einer 3-phasigen Energieübertragungs-Wicklung 1 der Polpaarzahl p _E aufgebaut. In Figur 4A befindet sich im Läufer 60 eine Motor (M) -Wicklung 2 und eine Energieübertra- gungs (E) -Wicklung 2. In der Teilfigur gemäß Figur 4B wird die Motor-Läufererregung durch Permanentmagnete bereitgestellt, während eine Wicklung der Polpaarzahl p _E der Energieübertra- gung dient. Dies wird nachfolgend erläutert:

Im Läufer 60 ist eine Energieübertragungswicklung erforderlich, u.U. auch eine weitere, sekundäre Motorwicklung. Das Energieübertragungssystem ist wiederum mit „E", das Motorsys- tem mit „M" bezeichnet. Bei „E" handelt es sich grundsätzlich um eine Asynchronmaschine mit gewickeltem Läufer, die als Übertrager je nach Energieübertragungsfrequenz geeigneterweise bei einem Schlupf ≥l eingesetzt wird. „M" ist vorzugsweise als Synchronmaschine (SM) ausgeführt, kann aber auch prinzi- piell als Asynchronmaschine (ASM) mit gewickeltem Läufer ausgeführt sein.

Die Wicklungsparameter der getrennten „E"- und „M"- Wicklungen sind so zu wählen, dass eine weitgehende Entkopplung der Motor- und Energieübertragungsfunktion sichergestellt wird.

Die beste Entkopplung bzgl. des Antriebsmoments/der Antriebskraft ist dann möglich, wenn das Wicklungssystem der Energieübertragung mit einem Wechselfeld bei Schlupf s=l gespeist wird. Dabei pulsiert aber die elektrische Leistung. Bei Dreh- stromspeisung ist die Übertragung elektrischer Leistung konstant, allerdings wird dabei ein wenn auch geringes Antriebsmoment bereitgestellt. Die Energieübertragung ist aber stets unabhängig von der Speisung des Motorsystems. Dies ist ein wesentlicher Bestandteil für die Funktionsweise der neuen An- triebsmaschine, was im nachfolgend verdeutlicht wird.

1. „M"-Funktion :

Die Ständerwicklung (M Wicklung 1) ist im allgemeinen Fall

(PM-SM) als sog. Bruchlochwicklung der Lochzahl q _M = z/n mit der Grundpolpaarzahl p _M ausgeführt und erzeugt die Drehfeld- polpaarzahlen :

Positive Polpaarzahlen V _M sind bei symmetrischer Speisung positiv umlaufende Wellen, negative entsprechend negativ umlaufende Wellen.

Ein durch Gleichstrom oder Permanentmagnete (PM) hervorgeru- fenes Läuferluftspaltfeld beinhaltet in der Regel alle ungeradzahligen Vielfachen der Grundpolpaarzahl p _M .

μ _M =p _M (l+2-g ₂ > g ₂ =0,1,2,... (2)

Dabei sind die einzelnen Amplituden zum Beispiel durch geeignete Formung der Polschuhe bei einer Schenkelpolmaschine, durch geeignete Verteilung der Erregerwicklung in Nuten bei einer Vollpolmaschine oder durch geeignete Polbedeckung oder variable Magnetdicke, bei einer PM-Synchronmaschine mit Ober- flächenmagneten, beeinflussbar.

2. „E"-Funktion:

Beim Energieübertragungssystem handelt sich grundsätzlich um eine Asynchronmaschine mit gewickeltem Läufer, wobei Ständer- und Läuferwicklung üblicherweise als Ganzlochwicklungen ausgeführt werden. Das von der Ständerwicklung (E Wicklung 1) erzeugte Luftspaltfeld beinhaltet die Drehfeldpolpaarzahlen.

Es gilt für die Mitsystemspeisung:

v _E =p _E +2-m _E -p _E -g' ₁ - ; g\ =0,±l,±2,... _(3>1)

und für Gegensystemspeisung:

v _E =-p _E +2m _E p _E g' ₁ - ; g\ =0,±l,i2,. [3.2)

Der Läufer (E Wicklung 2) reagiert auf ein Ständerluftspaltfeld der Polpaarzahl v _E mit Läuferluftspaltfeldern der Polpaarzahlen:

μ _E = v _E + 2 m _E p _E gV ; g' ₂ = 0 +l +2,... (4)

Figur 5 zeigt speziell für ein Beispiel mit Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten die Zuordnung der Wicklungen: Hier sind im Stator eine Motorwicklung und eine Energieübertragungswicklung einander zugeordnet angeordnet. Im Läufer sind Oberflächen-Permanentmagnete für die Erregung angeordnet, wobei weiterhin eine Energieübertragungswicklung vorhanden ist.

Konkret gilt, dass die Polpaarzahlen einer dreisträngigen (m _M = 3) Synchronmaschine SM mit PM Oberflächenmagneten und einer ebenfalls dreisträngigen (m _E = 3) Energieübertragungswicklung die folgenden Ungleichungen erfüllen müssen:

K = 4, A K ≠ (6)

durchiteübar geradeoder durch 3 teilbar

Ungleichungen stets erfüllt für gerade— — = 2 ^■ x\x e {l,2,...} (8)

Figur 6 zeigt, dass Stator 50 und Läufer 60 mit ihren korrespondierenden Luftspaltfeldern in definierter Weise einander zugeordnet sind. Die Entkopplung wird nachfolgend im Einzel

nen beschrieben:

3. Entkopplung:

Für eine Entkopplung von „M"- und „E"-Funktion, unabhängig von Mit- oder Gegensystemspeisung der „E"-Funktion, muss eine Entkopplung bezüglich der „M"- und „E"- Primärwicklungen

KW und bezüglich des Läuferluftspaltfeldes M≠k gewährleistet sein.

Darüber hinaus gilt für beide Wicklungssysteme dieselbe Nutzahl .

Ni = 2'm _M 'p _M 'qM = 2'm _E 'p _E 'q _E (5)

Eine mögliche Ausführung des M-Systems und E-Systems mit ihren Parametern Strangzahl m, Nutzahl Nl, Polpaarzahl p und Lochzahl q ist in nachfolgender Tabelle wiedergegeben:

Die Anordnung der einzelnen Strangwicklungen in Ständer und Läufer ergibt sich aus nachfolgendem Strang-Zonenplan. Es ist eine Polteilung der E-Wicklung gezeigt:

Für den Entwurf einer rotierenden elektrischen Maschine gilt grundsätzlich: Für große Luftspalte δ zwischen Primär- und

Sekundärteil ist die Polteilung des Energieübertragungssystems hinsichtlich einer starken magnetischen Kopplung und demzufolge einem hohen Wirkungsgrad möglichst groß zu wählen. Bei der Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten ist die PoI- paarzahl der Energieübertragung aufgrund des großen effektiven Luftspalts aus Magnethöhe und eigentlichem Luftspalt bei gegebener Motorpolpaarzahl kleiner als die Motorpolpaarzahl zu wählen.

Bei Antriebsmaschinen (sowohl ASM als auch SM) mit vergrabe- nen Magneten (IPMSM) , Schenkelpol- und Vollpol-SM mit kleinem Spalt zwischen Primär- und Sekundärteil lässt sich die Polpaarzahl der Energieübertragung u.U. auch kleiner als die Motorpolpaarzahl wählen.

Die Figuren 7 bis 13 zeigen den möglichen Aufbau unterschiedlicher Antriebsmaschinen. Dabei ist jeweils der Stator und der Läufer dargestellt, die über einen Luftspalt δ getrennt sind. Durch unterschiedliche Schraffuren werden die einzelnen Strangwicklungen des Motorsystems einerseits und des Energie- Übertragungssystems andererseits verdeutlicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird dabei für das Motorsystem nur jeweils eine Phase mit Schraffuren für A _M ⁺ und A _M ^~ dargestellt, während sich für die andern beiden Phasen der 3poligen Maschine jeweils Platzhalter ergeben.

Im Einzelnen zeigt Figur 7 eine Asynchronmaschine mit einem Energieübertragungs-Wicklungssystem im Läufer und im Ständer, welche jeweils im Nutgrund angeordnet sind.

In der Figur 7 bedeuten 110 der Stator und 150 der Läufer einer Asynchronmaschine (ASM) 100. Im Stator 110 und im Läufer 150 sind - jeweils durch die elektrischen Parameter der Antriebsmaschine vorgegeben - einzelne Nuten 111, 111', ... und 151, 151', ... eingebracht. In die Nuten 111, 111', ... bzw. 151, 151', ... sind die Wicklungen 115 des Motorsystems einerseits und die Wicklungen 155 des Energieübertragungssystems andererseits eingebracht. Für ein dreiphasiges System

sind jeweils drei Strangwicklungen vorhanden, die in der Legende mit A _M , B _M und C _M gekennzeichnet sind sowie weiterhin Wicklungen des EnergieübertragungsSystems mit der Bezeichnung A _E , B _E , C _E . Während die Wicklungen 115 des Motorsystems ober- flächennah angeordnet sind, befinden sich die Wicklungen 155 des Energieübertragungssystems sowohl im Läufer 150 als auch im Ständer 110 jeweils im Nutgrund.

Im Prinzip entsprechende Anordnungen ergeben sich aus den Fi- guren 8 bis 13 speziell für die Synchronmaschinen, wobei verschiedene Typen derartiger Synchronmaschinen dargestellt sind. In Figur 8,9 und 12 sind im Läufer für die Erregung der Motorfunktion keine Wicklungen, sondern Permanentmagnete (PM) eingebaut .

Figur 8 zeigt eine so genannte IPM-Synchronmaschine 200 mit schalenförmigen oder geraden Permanentmagneten 255, bei der im Aktivteil die Energieübertragungswicklungen im Nutgrund und im Läufer an der Oberfläche angeordnet sind. Zwischen den Permanentmagneten sind Bereiche aus amagnetischem Material angeordnet. Der Stator 210 ist entsprechend dem in Figur 7 ausgebildet .

Figur 9 zeigt eine IPM-Synchronmaschine 300 mit radial ange- ordneten Permanentmagneten 355 im Abstand T _pM im Läufer 350 und Energieübertragungswicklungen 155.

In Figur 10 ist eine Vollpol-Synchronmaschine 400 mit Stator 410 und Läufer 450 dargestellt. Bezüglich des Stators 410 wird auf die Figuren 8 und 9 verwiesen. An der Oberfläche des Läufers 450 sind in Nuten neben den Wicklungen des Motorsystems und des Energieübertragungssystems weiterhin Wicklungen zur Erzeugung von Magnetfeldern für die magnetischen Pole angeordnet. Die dafür notwendigen Wicklungen sind mit ihren Feldrichtungen durch die Schraffüren A _F ⁺ und A _F ^~ angedeutet.

Figur 11 zeigt eine Schenkelpol-Synchronmaschine 500 mit Stator 510 und Rotor 550 sowie Energieübertragungswicklungen,

die in den Nuten der Pole angeordnet sind.

Um die Schenkel 555 des Rotors 550 befindet sich jeweils eine Erregerwicklung 556, während der Stator 510 entsprechend den vorangehenden Figuren ausgebildet ist.

Insgesamt wird aus den Figuren 7 bis 11 deutlich, dass die Polteilung der Motorwicklungen größer ist als die der Energieübertragungswicklungen. Das ist möglich aufgrund des klei- nen Luftspalts zwischen Läufer und Ständer. Dennoch kann die magnetische Kopplung der Energieübertragung auf Kosten der Kopplung der Motorfunktion erhöht werden, indem die Polteilung der Energieübertragung weiter erhöht wird.

In Figur 12 ist eine Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten 600 mit Stator 610 und Läufer 650 und Energieübertragungswicklungen gezeigt, die im Stator 610 an der Oberfläche angeordnet sind. Im Läufer 650 liegen die Wicklungen in den Nuten unter den Permanentmagneten.

Durch m _E -phasige Speisung der Energieübertragungsstatorwicklung mit einem separaten Wechselrichter WR zur Energieübertragung kann Energie via Drehfeld übertragen werden. Das Energieübertragungssystem arbeitet als Asynchronmaschine mit einem Schlupf s, der von der Motordrehzahl und der Speisefrequenz fi abhängt .

In Figur 13 ist eine Reluktanzmaschine mit Stator 710 und Läufer 750 sowie zusätzlichen Energieübertragungswicklungen dargestellt. Die Reluktanzmaschine besitzt große Ähnlichkeit mit der Schenkelpolmaschine. Das Antriebsmoment der Maschine wird hier aber aus der Reluktanz der Maschine aufgrund ausgeprägter Pole geholt.

Figur 14 gibt ein Ersatzschaltbild der Energieübertragungsstrecke entsprechend einer Asynchronmaschine wieder. Es ist der stationäre Betrieb vorausgesetzt und ein Grundwellenmodell wiedergegeben. Dabei ist nur eine Phase dargestellt.

Die Ersatzschaltung setzt sich zusammen aus dem Stator- und Läuferwiderstand Ri und R' 2, der primären Streureaktanzen Xi _σ , der sekundären Streureaktanz X' ₂ σ und der Hauptreaktanz Xi _h . Die sekundärseitigen Bauelementkenngrößen sind dabei mit dem Übersetzungsverhältnis der Windungszahlen auf die Ständerseite umgerechnet, s bezeichnet den Schlupf zwischen dem Energieübertragungsfeld und dem Läufer.

Aus dem Ersatzschaltbild ist Folgendes ablesbar: Je größer der Schlupf (—>Gegensystemspeisung) , desto größer ist die se- kundärseitig abgreifbare Spannung (Leerlauf: U' 2 =s*Xih*I _μ ).

Der Leistungsfluss im Energieübertragungssystem ist nachfol- gend dargestellt:

Dabei kennzeichnen Pi _e i die der Energieübertragungsstator- Wicklung elektrisch zugeführte Leistung, P _C ui die ohmschen Statorverluste, Ps die - Luftspaltleistung, s den Schlupf, P2ei die im Läufer elektrisch abgeführte Leistung, Ii den Statorstrom. Der Statorwicklung wird die Leistung Pi _e i zugeführt: Im Stator fällt die ohmsche Verlustleistung P _C ui an, sodass die Luftspaltleistung Ps über den Luftspalt übertragen wird. Diese spaltet sich wiederum auf in einen Anteil mechanischer

Leistung P _meC h und den Anteil s'P _δ . Diese Leistung abzüglich der ohmschen Verlustleistung P _C u ₂ in den Läuferwiderständen wird als elektrische Versorgungsleistung P _e i2 abgeführt.

Es lässt sich zeigen, dass der Wirkungsgrad der Energieübertragung unabhängig von den Parametern der Energieübertragung (X _σ i, X' σ2fXihΛ Ri, R' 2, RL) mit wachsendem Schlupf s ansteigt. Daher läuft die Energieübertragungsmaschine geeigneterweise mit Gegensystemspeisung im Gegenstrombremsbetrieb s>l . Dabei entsteht auch ein entsprechendes Bremsdrehmoment. Bei Mitsys- temspeisung ist die im Läufer induzierte Spannung geringer und es entsteht ein antreibendes Drehmoment.

Durch Anschluss einer einsträngigen Energieübertragungs-ASM an eine Wechselspannung entsteht in der Maschine ein Wechselfeld (Lehrbuch G. Müller „Elektrische Maschinen", VEB Verlag Technik Berlin; 1967; insbesondere Hauptabschnitt B: 'Der stationäre Betrieb der rotierenden elektrischen Maschinen' ) . Dieses Wechselfeld lässt sich in ein Mit- und ein Gegensystem zerlegen. Mitkomponente und Gegenkomponente der Grundwellenfelder sind für s=l gleich groß, so dass zwar keine mechanische Leistung übertragen wird, sich aber dennoch am Läufer ebenfalls einphasig eine Wechselspannung abgreifen lässt. Bei Bewegung sind Mit- und Gegenkomponenten der Grundwellenfelder nicht gleich, es kommt drehrichtungsunabhängig zu einem geringen Antriebsmoment.

Der Vorteil liegt in der nur einphasigen Einspeisung des Energieübertragungssystems, dafür mit pulsierender übertrage- ner Leistung.

Die Figuren 15 und 16 zeigen die Auskopplung der übertragenen Energie, wobei hier die jeweils zugehörige läuferseitige Be- schaltung dargestellt ist.

In Figur 15 und in Figur 16 wird jeweils von der Prinzipdarstellung gemäß Figur 4 ausgegangen. Gezeigt ist hier, dass die läuferseitigen Energieübertragungswicklungen an Gleich-

richter angeschaltet sind.

Speziell in Figur 15 ist dafür eine 3-phasige Diodenvollbrü- cke 140 mit sechs Dioden 141, 141' und einer Kapazität 145 dargestellt, so dass eine Gleichspannung abgegeben werden kann. Im Allgemeinen ist die Vollbrücke mehr (m _E ) -phasig.

Letztere Schaltung gestattet nur Gleichrichterbetrieb bzw. unidirektionalen Leistungsfluss vom Stator zum Läufer. Über- schüssige Energie muss u.U. mit Hilfe eines Choppers in einem elektrischen Widerstand in Wärme umgesetzt werden.

In Figur 16 ist die läuferseitige Anschaltung eines im Allgemeinen m _E -phasigen selbstgeführten Stromrichters dargestellt. Beispielhaft ist eine dreiphasige (m _E =3) Vollbrücke wiedergegeben, die aus Dioden 151, 151' sowie abschaltbaren Leistungshalbleitern 152 und einer Kapazität 155 besteht. Es ergibt sich eine regelbare, hochsetzbare Gleichspannung. Diese Schaltung gestattet Gleich- und Wechselrichterbetrieb, bzw. einen bidirektionalen Leistungsfluss .

Werden speziell einphasige Energieübertragungssysteme verwendet, kann eine einphasige Vollbrücke in H-Schaltung oder eine Halbbrückenschaltung zum Einsatz kommen.

Bei den angegebenen Beispielen dient der Gleichspannungszwischenkreis als Energiespeicher, aus dem mehrere mit dem Läufer bewegte Komponenten, u.U. über DC/DC- oder DC/AC-Wandler, gespeist werden können. Alternativ können Drehstromverbrau- eher auch direkt an die Läuferwicklung angeschlossen werden. Die Frequenz f2 ist dann aber abhängig vom Schlupf s. Bei geeigneter schlupfabhängiger Steuerung der Frequenz fi = f ₂ /s lässt sich auch eine weitgehend konstante Läuferfrequenz f2 erzielen.

Die anhand der Figuren 7 bis 13 beschriebenen Ausführungsbeispiele waren insbesondere rotierende Asynchron- oder Synchronmaschinen. Das gleiche Prinzip gilt auch für Linearmoto-

ren, wie es insbesondere anhand der Lineardarstellungen in Figur 2 und Figur 4 angedeutet ist oder auch für Reluktanzmaschinen .

Die Vorteile der vorstehend beschriebenen Beispiele werden nachfolgend zusammengefasst :

- Es liegt eine reduzierte Masse bzw. ein reduzierter Bauraum bei weitgehend unabhängiger Funktionalität von Energieübertragung und Motorfunktion vor. - Es erfolgt eine kontaktlose Übertragung von elektrischer

Energie auf ein bewegtes System als integraler Bestandteil der Antriebs- bzw. Motorfunktion.

- Es ist ein kombinierter Umrichter für Motor- und Energieübertragungsfunktion vorhanden, ein gemeinsamer Spannungs- zwischenkreis ist möglich.

Eine erste vorteilhafte Anwendung der vorstehend anhand verschiedener Beispiele beschriebenen Antriebsmaschine ist bei Permanentmagnet-Antrieben, vorzugsweise als rotierende PM- Torque-Direktantriebe, gegeben. Eine zweite vorteilhafte Anwendung ist bei Permanentmagnet-Linear-Direktantrieben möglich.