Die Magnetlagertechnik erschliesst Applikationsfelder des Maschinen-und Gerätebaus mit äusserst hohen Anforderungen an den Drehzahlbereich, die Lebensdauer, die Reinheit und die Dichtheit des Antriebssystems-also im wesentlichen Anwendungsgebiete, die unter Verwendung konventioneller Lagertechniken nicht oder nur schwer realisierbar sind. Verschiedene Ausführungen, wie beispielsweise Hochgeschwindigkeitsfräs-und Schleifspindeln, Turbokompressoren, Vakuumpumpen, oder Pumpen für hochreine chemische oder medizinische Erzeugnisse werden bereits mit Magnetlagern ausgerüstet.

Eine konventionelle magnetgelagerte elektrische Maschine (Fig. 1) benötigt neben einer Maschineneinheit 1 zwei Radial-Magnetlager 2 bzw. 3, ein Axial- Magnetlager 4, zwei mechanische Auffanglager 5 bzw. 6 sowie für die Ansteuerung der Motor-und Magnetlagerstränge insgesamt dreizehn Leistungssteller 7,8,9 und 10.

In der Literatur gibt es Vorschläge (Fig. 2), Maschine und Radialmagnetlager in einer magnetischen Statoreinheit zu integrieren. In einem Stator sind zwei getrennte Wicklungssysteme 11 und 12 für die Drehmoment-und

Tragkraftwicklung mehrlagig in Nuten eingebracht. Beide Wicklungssysteme sind dreisträngig und unterscheiden sich in der Polpaarzahl um eins. Die Spulen sind über mehrere Nuten verteilt. Das Beispiel aus Fig. 2 zeigt : -eine vierpolige Maschinenwicklung 11 (aussen) : erster Strang 13, zweiter Strang 14, dritter Strang 15 -eine zweipolige Tragwicklung 12 (innen) : erster Strang 16, zweiter Strang 17, dritter Strang 18.

Die Pfeile (ohne Bezugszeichen) vom Rotor in Richtung zum Stator hin bzw. vom Stator in Richtung zum Rotor hin stehen für die Richtung der Magnetisierung der vier magnetischen Rotorsegmente (z. B. radiale oder diametrale Magnetisierung).

In Applikationen, die keine achsenstarre Rotorführung erfordern, wie beispielsweise in Ventilatoren, Lüftern, Pumpen oder Mischern kann in der integrierten Maschinen-Magnetlagerausführung das Axial-Magnetlager sowie das zweite Radial-Magnetlager entfallen. Voraussetzung hierfür ist eine scheibenförmige Ausführung des Rotors mit einer gegenüber dem Rotordurchmesser kleinen Längenabmessung (Fig. 3). Über den magnetischen Zug 41 zwischen Stator 39 und Rotor 40 ! ässt sich somit eine passive Stabilisierung der Rotorlage in axialer Richtung und den Kipprichtungen erzielen.

In vielen Fällen stehen jedoch dem technischen Einsatz der Magnetlagerung der aufwendige Systemaufbau und damit die hohen Herstellkosten im Wege.

Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe besteht daher in der Vereinfachung des mechanischen Aufbaus der Maschinen-und Magnetlagereinheit unter Berücksichtigung der hierfür geeigneten elektronischen Ansteuerung.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe geht aus den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hervor. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche definiert. Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemässen Lösung des Problems ist der wesentlich vereinfachte Stator-bzw. Rotor-und Wicklungsaufbau der magnetgelagerten Maschine gegenüber bisher bekannten Lösungen, sowie die Einsparung von Leistungsstellern. So werden beispielsweise für einen magnetgelagerten Einphasen-Motor lediglich drei Stränge und sechs Spulen benötigt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung : Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer konventionellen magnetgelagerten elektrischen Maschine, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer konventionellen magnetgelagerten elektrischen Maschine, bei der Maschine und Radialmagnetlager in einer magnetischen Statoreinheit integriert sind, Fig. 3 eine Möglichkeit der passiven Stabilisierung des Rotors in axialer Richtung sowie in den Kipprichtungen, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Stators des erfindungsgemässen magnetgelagerten elektrischen Antriebs, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen elektrischen Antriebs mit einer wicklungstechnischen Variante für einen Aussenläufer,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebs mit mehreren verteilten Spulen, Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer möglichen Brückenschaltung zur Ansteuerung des elektrischen Antriebs, Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen magnetgelagerten Antriebs mit gesehnten konzentrierten Wicklungen sowie mit ausgeprägten Polen und Hilfspolen, Fig. 9 eine Darstellung der winkelabhängigen Kraftschwankungen bei nichtsinusförmigen Statorstrombelagsverteilungen und nichtsinus- förmiger Erregerfeldverteilung im Luftspalt, Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Antriebs mit unsymmetrischem Blechschnitt im Bereich der Wicklungspole, Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Antriebs mit einem Hilfsmagneten zur Sicherstellung des Anlaufs bei einem Motorbetrieb mit Wechselfeld, Fig. 12 eine Möglichkeit des gesteuerten Abwälzens des Rotors an den Statorpolen, Fig. 13 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Antriebs mit einseitig auf den Statorpolen angebrachten Kurzschlussringen, Fig. 14 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Antriebs mit einer speziellen Formgebung der Magnetsegmente zur Erzielung einer sinusförmigen Erregerfeldverteilung im Luftspalt

und Fig. 15 ein Ausführungsbeispiel eines Stators des erfindungsgemässen magnetgelagerten Antriebs mit der Möglichkeit einer Drehfelderzeugung sowohl bei Maschine als auch beim Radiallager.

Die Maschinen können abhängig von der Applikation als Motor oder als Generator betrieben werden. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer Maschinen-Magnetlager-Einheit (der Stator ist z. B. zur besseren Kühlung in einem Aluminiumring bzw. einem Aluminiumzylinder eingefasst) mit konzentrierten Durchmesserwicklungen und ausgeprägten Polen. Unter konzentrierten Wicklungen sollen hierbei Wicklungen verstanden werden, deren Spulen über eine Polteilung nicht verteilt und gleichzeitig zueinander (magnetisch wirksam) versetzt sind. So werden beispielsweise die Spulen 34 bzw. 35 als konzentriert betrachtet. Unter ausgeprägten Polen werden ferromagnetische Pole oder Luftspulenpole verstanden, die von einer konzentrierten Wicklung umschlossen werden. Hierunter fallen beispielsweise Schenkelpole 99, die von der konzentrierten Wicklung umschlossen werden, oder einfach oder mehrfach geteilte Pole wie 99 und 100, die von der konzentrierten Spule 36 magnetisch eingeschlossen werden. Die Wicklungen können auch gesehnt, d. h. mit einer Wicklungsweite kleiner oder grösser einer Polteilung ausgeführt sein. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 8 dargestellt. Bei starker Sehnung ist es unter Umständen günstig, die durch Verkürzen der Polweite entstehende Pollücke mit einem ferromagnetischen Hilfspol 86 zu schliessen. Die Funktionen der Drehmoment-und Tragkraftbildung sind in den Anordnungen aus Fig. 4 und Fig. 8 durch zwei Wicklungssysteme realisiert : Eine

einsträngige, vierpolige Maschinenwicklung sowie eine zweisträngige, zweipolige Magnetlagerwicklung.

Der Maschinenstrang wird aus den Spulen 30,31,32 und 33, der erste Magnetlagerstrang aus den Spulen 34 sowie 35 und der zweite Magnetlagerstrang aus den Spulen 36 sowie 37 gebildet. Die konzentrierten Spulen des Maschinenstrangs bilden mit dem ferromagnetischen Werkstoff ausgeprägte Pole (hier : Schenkelpole). Sie können je nach Bedarf seriell oder parallel miteinander verschaltet werden und bilden bei Speisung mit einem Wechselstrom ein vierpoliges Drehfeld aus, das genügt, um beispielsweise an einem vierpoligen Permanentmagnetrotor ein Drehmoment zu erzeugen. Der erste und der zweite Magnetlagerstrang sind im Winkel von neunzig Grad zueinander angeordnet. Über eine entsprechende Bestromung der Magnetlagerstränge wird ein zweipoliges Drehfeld zur Einstellung der radialen Tragkraft in Amplitude und Phase aufgebaut. Die Spulen eines Maschinen-oder Magnetlagerstranges aus der Fig. 4 sind seriell oder parallel verschaltet. Die Magnetlagerspulen 34 und 35 bzw. die Spulen 36 und 37 können bei Bedarf jeweils zu einer Einzelspule zusammengefasst werden und bilden konzentrierte Wicklungen.

In Fig. 5 ist eine wicklungstechnische Variante für einen Aussenläuferantrieb mit ebenfalls einer einsträngigen, vierpoligen Maschinenwicklung 67,68,69,70 und einer zweisträngigen, zweipoligen Magnetlagerwicklung mit dem ersten Strang 71,72 und dem senkrecht hierzu angeordneten zweiten Strang 73,74 dargestellt. Die beiden Stränge der Magnetlagerwicklung können auch um 45° gedreht und in Nuten der Maschinenwicklung gelegt werden, sodass sich ein Aufbau ähnlich wie in Fig. 4 ergibt. Weiterhin lassen sich die Spulen 71,72 und 73,74 zu jeweils einer Spule zusammenfassen.

Den Maschinenstrang betreffend könnte auch auf zwei einander gegenüberliegende Spulen, z. B. 68,70 verzichtet werden. Der Aussenläufer

der Anordnung aus Fig. 5 wird vorzugsweise als vierpoliger Ring oder Glocke ausgeführt.

Alternativ zu den Anordnungen aus Fig. 4 und 5 kann die Maschinenwicklung oder die Magnetlagerwicklung auch aus mehreren (dargestellt : zwei) verteilten Spulen 75,76 aufgebaut werden (Fig. 6). In Fig. 6 erkennt man entsprechend einen ersten Stranganschluss 77 und einen zweiten Stranganschluss 78 bzw. die Weiterleitung zu dem nächsten benachbarten Wicklungspol mit umgekehrtem Wicklungssinn.

Die Bestimmung der einzelnen Strangströme erfolgt unter Beachtung der Soligrössenvorgabe und der Ist-Werte beispielsweise der Rotorlage und Drehzahl, Rotordrehwinkel oder Drehmoment nach Auswertung der Sensorsignale für Rotorlage und Rotordrehwinkel mittels einer Analogschaltung oder einer schnellen Rechnereinheit. Die ermittelten Signale werden von einer Leistungselektronik verstärkt und den drei Strängen über getaktete Schalter oder analoge Leistungsverstärker zugeführt. Eine mögliche Brückenschaltung ist in Fig. 7 angegeben. Mit 24 ist der Maschinenstrang, mit 25 und 26 die beiden Magnetlagerstränge bezeichnet. Anstelle einer Stromeinprägung kann auch unter Berücksichtigung der Charakteristik der Regelstrecke eine Spannungseinprägung erfolgen.

Die Rotorart der Maschine kann frei gewählt werden, insbesondere dann, wenn der Maschinenbetrieb über ein Drehfeld anstelle eines Wechselfeldes erfolgt. Verwendbar sind beispielsweise Permanentmagnetrotoren, Kurzschlusskäfigrotoren, Rotoren mit einer elektrisch hochleitfähigen Metallummantelung anstelle des Kurzschlusskäfigs oder Reluktanzrotoren mit winkelabhängigen Luftspaltänderungen.

Bei nicht ausreichender Sehnung bzw. Verteilung der Wicklungen und bei nichtsinuförmigen Erregerfeldverteilungen entstehen durch den Oberwellengehalt der Luftspaltfelder bei Bestromung eines Strangs der Radiallagerwicklung gemäss Fig. 4, Fig. 5 oder Fig. 8 mit einer konstanten Stromamplitude bei Drehung des Rotors winkelabhängige radiale Kraftschwankungen 42, wie sie beispielsweise in Fig. 9 dargestellt sind.

Diesem Effekt sollte, um ein gutes Betriebsverhalten zu erzielen, bei der Bestromung der Wicklungen Rechnung getragen werden.

Eine annähernd sinusförmige Erregerfeldverteilung lässt sich bei Verwendung von Permanentmagnetrotoren 85 beispielsweise durch eine Formgebung 82 mit einem winkelabhängigen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator 84 gemäss Fig. 14 erzielen. Günstig wirkt sich hinsichtlich einer sinusförmigen Feldverteilung auch eine diametrale Magnetisierung der Permanentmagnete aus. Mit 83 ist der ferromagnetische Rückschluss des Rotors bezeichnet. Aus Kostengründen kann es jedoch von Vorteil sein, konzentrierte Wicklungen und radial oder diametral magnetisierte Magnete ohne besondere Formgebung einzusetzen.

Da in der magnetgelagerten Maschine aus Fig. 4 bzw. Fig. 5 für den Maschinenbetrieb nur ein Wechselfeld zur Verfügung steht, ist zum Zeitpunkt des Anlaufes gegebenenfalls ein Hilfsmoment zur Überwindung der Totzone bereitzustellen. Dies kann beispielsweise durch einen unsymmetrischen Blechschnitt 38 im Bereich der Wicklungspole erfolgen (Fig. 10). Eine weiterer Lösungsvorschlag (Fig. 11) sieht einen oder mehrere axial oder radial zum Rotor angebrachte Hilfsmagnete 43 vor, die beispielsweise den vierpoligen Permanentmagnetrotor 50 aufgrund ihrer Zugkraft beim Starten in eine günstige Ausgangsposition 44 mit dem Winkel (p bringen. In der Stellung 45 der Magnetpolgrenze wäre das Startmoment bei beliebig hohem Strom null. Mit 46,47,48 und 49 sind die Wicklungspole angedeutet. Um die

Zugkraft zu unterstützen, können die Hilfsmagnete zusätzlich mit einem Eisenrückschluss versehen werden.

Eine Veränderung der Magnetpollage könnte auch durch ein vom Magnetlagerteil gesteuertes Abwälzen (Fig. 12) des Rotors 66 an der Luftspaltstirnseite der Statorpole 65 bewirkt werden. Infolge der unterschiedlichen Durchmesser ergibt sich beim Abwälzen eine wachsende Winkelverschiebung zwischen Magnet-und Statorpolen, sodass der Rotor aus der Totzone, in der eine Drehmomententwicklung nicht möglich ist, herausgedreht werden kann. Mit 67 ist die Mittelpunktsbewegung des Rotors während des Abwälzens dargestellt. Es kann erforderlich sein, am Umfang des Rotors und/oder Stators Mittel zur Verhinderung eines Gleitens zwischen Rotor und Stator während der Abwälzbewegung vorzusehen (z. B.

Verwendung von Werkstoffen mit hohen Reibwerten, Aufrauhen der Oberflächen, Verzahnung, etc.).

Eine weiterer Lösungsvorschlag ist in Fig 13 dargestellt. Die Statorpole sind einseitig mit einem Kurzschlussring 52 versehen, sodass sich aufgrund der Kurzschlussströme anstelle des Wechselfeldes ein stark elliptisches Drehfeld im Luftspalt ergibt.

Die Figuren 4,5,8 und 10 sind auch bezüglich der Polpaarzahl für die Drehmoment-und Tragkraftbildung sowie bezüglich der Strangzahl der beiden Wicklungen als beispielhaft zu sehen. Es lassen sich auch veränderte Polpaarzahlen realisieren, wobei zwischen der Polpaarzahl pM für den Maschinenbetrieb und der Polpaarzahl PML für den Magnetlagerbetrieb die Beziehung PM = PML 1 erfüllt sein muss. Durch Erweiterung der Strangzahl sowie der Anzahl Brückenzweige in der Leistungselektronik lässt sich auch erfindungsgemäss anstelle der Wechselfeldmaschine eine Drehfeldmaschine in den magnetgelagerten Antrieb integrieren.

Ein mögliches Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 15 dargestellt. Der Stator enthält zwei vierpolige Maschinenstränge bestehend aus den seriell oder parallel verschalteten Spulen 87,89,91,93 und 88,90,92,94. Die Maschinenstränge sind zueinander elektrisch um 90° versetzt, sodass ein Ankerdrehfeld zur Drehmomentbildung mit einem vierpoligen Rotor ohne Momenteniücke aufgebaut werden kann. Diese Anordnung benötigt daher im Unterschied zu vorangegangenen Beispielen keine Anlaufhilfe.

Die Durchmesserspulen 95 und 97 bilden die beiden geometrisch um 90° versetzten Stränge des Radialmagnetlagers. Auch hier ist eine Drehfeldbildung möglich. Zur besseren Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Wickelraums können zwei weitere Spulen 96 und 98 eingebracht und beispielsweise die Spule 96 mit der Spule 95 und die Spule 98 mit der Spule 97 zu je einem Strang verschaltet werden.

Eine andere Konstruktionsvariante ebenfalls mit den Polpaarzahlen zwei und eins in den Statorwicklungen könnte auch mit einem zweipoligen Rotor realisiert werden. Hierzu wäre die ein-oder mehrsträngige Maschinenwicklung zweipolig und die mehrsträngige Magnetlagerwicklung vierpolig zu wählen.

Ein weiterer wesentlicher, von den zuvor erläuterten Aspekten vollständig unabhängiger Aspekt der Erfindung beruht schliesslich auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, die magnetgelagerte Maschine des erfindungsgemässen elektrischen Antriebs im Stator oder Rotor mit getrennten Wicklungen für die Momenten-und die Tragkraftbitdung auszustatten und dabei die Maschinenwicklung einsträngig auszubilden.