Beschreibung

Elektrische Maschine, insbesondere permanenterregter Syn ^¬ chronmotor mit einstellbarer Feldschwächung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesonde ^¬ re einen Elektromotor, mit einem Stator sowie einem Rotor mit einer Rotorwelle, wobei der Stator und der Rotor zur Feldschwächung der elektrischen Maschine axial gegeneinander ver- schiebbar sind.

Elektrische Maschinen, insbesondere permanenterregte oder permanentmagneterregte Synchronmotoren, werden in den letzten Jahren immer häufiger für vielfältige Antriebsaufgaben, wie z.B. zum Antrieb von hochtourigen Werkzeugmaschinen, verwendet. Der Wegfall von Erregerwicklungen reduziert die Stromwärmeverluste der elektrischen Maschine. Zudem entfallen die verschleißbehafteten Stromzuführungselemente der elektrischen Maschine. Dadurch zeichnen sich solche elektrischen Maschinen durch eine sehr gute Ausnutzung und guten Wirkungsgrad aus.

Bei derartigen elektrischen Maschinen ist die Erregung konstant. Jedoch ist bei besonders hohen Drehzahlen jenseits des Nennpunkts der elektrischen Maschine eine Feldschwächung des Polrad- oder Ankerfelds erforderlich. Dies führt nachteilig zu einer erheblichen Erwärmung, insbesondere bei einem Synchronmotor mit geringer Last . Ein Feldschwächbetrieb ist zwar wegen der konstanten magnetischen Permanenterregung im eigentlichen Sinne nicht möglich. Dennoch kann das Ankerfeld durch eine eingeprägte Stromkomponente in der Längsachse teilweise kompensiert und dadurch der Drehmoment-Drehzahlbe ^¬ reich erweitert werden. Die zusätzliche Einprägung des Kom ^¬ pensationsstroms in die Wicklung kann bis zu 80% des Nenn ^¬ stroms des Synchronmotors betragen. Dieser Strom steht, von der starken Erwärmung des Synchronmotors abgesehen, nicht mehr zur Drehmomentbildung zur Verfügung. Wünschenswert wäre somit ein magnetischer Kreis, der sich bei höherer Drehzahl abschwächt .

Alternativ ist auch die Verwendung von Asynchronmotoren möglich. Diese weisen den Vorteil auf, dass diese bereits bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment zur Verfügung stellen können. Darüber hinaus weisen diese Motoren bei geringer Last ein besseres thermisches Verhalten auf. Nachteilig ist allerdings die starke Abnahme des Drehmoments bei höheren Drehzahlen jenseits des Leistungspunkts der elektrischen Ma ^¬ schine. Demnach nimmt das Drehmoment der Asynchronmaschine mit zunehmender Drehzahl jenseits des Leistungspunkts entlang ihrer Leistungshyperbel ab. Die aufgenommene elektrische Leistung des Asynchronmotors bleibt nahezu konstant .

Zur Lösung der oben genannten Probleme wurde unter anderem vorgeschlagen, den Luftspalt zur Feldschwächung des Anker- felds mit steigender Drehzahl zu erhöhen. Hierzu sind der

Stator und der Rotor eines permanenterregten Synchronmotors konisch ausgeführt. Werden Stator und Rotor axial gegeneinander verschoben, so verändert sich der Luftspalt. Die Axial ^¬ verschiebung von Stator zu Rotor kann z.B. mittels eines Stellantriebs erfolgen. Nachteilig an der vorgeschlagenen Lösung ist der aufwändige Aufbau des Stators und Rotors. Denn beide sind üblicherweise geblecht ausgeführt, um Wirbelstrom ^¬ verluste im Stator und Rotor zu vermeiden. Daher ist eine Vielzahl von Lamellen mit jeweils einem anderen Durchmesser für den Stator sowie auch für den Rotor erforderlich.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine anzugeben, welche eine einstellbare Feldschwächung erlaubt und zudem einen einfacheren Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine gemäß An ^¬ spruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 angegeben.

Erfindungsgemäß ist die Axialverschiebung unter Einhaltung eines konstanten Luftspalts zwischen Stator und Rotor einstellbar. Dies wird dadurch erreicht, dass der Aktivteil des Stators und der Aktivteil des Rotors der elektrischen Maschi-

ne einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt in axialer Richtung aufweisen. Insbesondere sind der Innenradius des Ak ^¬ tivteils des Stators und der Außenradius des Aktivteils des Rotors gleich. Der Innenradius ist geringfügig kleiner als der Außenradius. Dieser geringfügige radiale Unterschied ent ^¬ spricht dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor.

Damit ist der besondere Vorteil verbunden, dass Lamellen mit jeweils einem gleichen Blechschnitt bzw. Querschnitt zur BiI- düng eines Blechpakets des Stators und des Rotors verwendet werden können. Der Aufwand für eine derartige erfindungsgemä ^¬ ße elektrische Maschine reduziert sich im Vergleich zu einer elektrischen Maschine mit konischem Stator und konischem Rotor erheblich.

Ein weiterer besonderer Vorteil ist es, dass durch die axiale Verschiebung von Stator und Rotor gegeneinander eine stufenlose Feldschwächung des Ankerfelds vorgenommen werden kann.

Dadurch lässt sich vorteilhaft bei Maximaldrehzahl und geringer Last das Temperaturverhalten einer derartigen elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Synchronmotor, erheb ^¬ lich verbessern.

Ein weiterer Vorteil ist, dass im Vergleich zu permanenterregten elektrischen Maschinen mit einprägbarem Kompensationsstrom zur Feldschwächung nun dieser Strom in der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zur Drehmomentbildung zur Verfügung steht .

Im Besonderen sind eine axiale Stator-Aktivteilbreite und ei ^¬ ne axiale Rotor-Aktivteilbreite zumindest in etwa gleich. Liegen sich Stator und Rotor in axialer Richtung genau gegenüber, so liegt eine vollständige überdeckung vor. Davon aus- gehend kann durch Einstellung eines axialen Versatzes von

Stator zu Rotor eine Feldschwächung des Ankerfelds erreicht werden, indem die axiale überdeckung verändert wird. Auf die-

se Weise wirkt das Ankerfeld effektiv nur noch in dem gemeinsam überdeckten Bereich.

In einer Ausführungsform ist durch die Axialverschiebung zwi- sehen Stator und Rotor eine Stator/Rotorüberdeckung in einem Bereich von 50% bis 100% einstellbar. Auch wenn Werte für eine Stator/Rotorüberdeckung von 0% bis 100% prinzipiell mög ^¬ lich sind, ist der Bereich von 50% bis 100% in Hinblick auf die axiale Zunahme des Bauvolumens einer derartigen elektri- sehen Maschine und in Hinblick auf die letztendlich für den Betriebseinsatz benötigte Feldschwächung vorteilhaft.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische Maschine ein Maschinengehäuse auf, in welchem der Rotor mit der Rotorwelle drehbar gelagert und axial fixiert ist. Der Stator ist im Maschinengehäuse axial verschiebbar gelagert und radial fixiert . Im Maschinengehäuse kann eine axiale Ver ^¬ fahreinheit vorgesehen sein. Diese Verfahreinheit kann z.B. die Form eines Hohlzylinders aufweisen, an dessen Innenseite der Aktivteil des Stators, das heißt das Blechpaket mit der

Statorwicklung, fest angebracht ist. Der Stator besteht somit aus der axialen Verfahreinheit mit dem im Inneren der Verfahreinheit angebrachten Aktivteil des Stators.

In einer Ausführungsform erfolgt die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor auf hydraulischem Wege. Dies kann mittels einer hydraulischen Stelleinrichtung, wie z.B. mittels eines Zylinderkolbens, erfolgen. Die hydraulische Stellein ^¬ richtung kann eine Hydraulikpumpe aufweisen. Auch kann diese Stelleinrichtung in die elektrische Maschine integriert oder dort angeflanscht sein.

Weist der Stator die Form eines Hohlzylinders, wie zuvor be ^¬ schrieben auf, so können die beiden ringförmigen Enden des Hohlzylinders in einer entsprechend geometrisch darauf abge ^¬ stimmten öffnung im Maschinengehäuse axial und mittels Dicht ^¬ mittel, wie z.B. O-Ringen, druckdicht geführt sein. Diese

öffnungen können als Hydraulikanschlüsse an die Außenseite der elektrischen Maschine geführt sein.

Die Stellgröße für die Axialverschiebung kann von der Steuer- elektronik der elektrischen Maschine z.B. auf Basis der Motordrehzahl, des Drehmomentensollwerts, des elektrischen Stroms oder der elektrischen Spannung der elektrischen Maschine gebildet werden.

Die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor kann alternativ auch auf pneumatischem Wege erfolgen. Entsprechende pneumatische Stellglieder, Ventile, Druckregler etc. sind hinrei ^¬ chend bekannt. Der besondere Vorteil dabei ist, dass die üb ^¬ licherweise in einer Fabrik oder Werkstatt verfügbare Druck- luftanlage zur Axialverschiebung herangezogen werden kann.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform erfolgt die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor auf elektromotorischem Wege. Dies können elektromechanische Stellantriebe, Servomotoren oder dergleichen sein. Der Vorteil dabei ist, dass diese elektrisch von einer Steuer- und Leistungselektro ^¬ nik der elektrischen Maschine angesteuert werden können.

Es ist bekannt, dass der Rotor bei Stromerregung des Stator- felds im Sinne eines Tauchmagneten axial in den Stator „hineingezogen" wird. Die dabei entstehenden Kräfte können zur Einstellung der Axialverschiebung verwendet werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor daher unter Ausnutzung der elektromag- netischen Axialkräfte der magnetischen Aktivteile des Stators und des Rotors erfolgen.

In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor drehzahlabhängig und selbsttä- tig unter Ausnutzung der Fliehkräfte bei Rotation des Rotors der elektrischen Maschine. Dazu können eine oder mehrere auf der Rotorwelle radial bewegliche angebrachte Fliehkraftmassen angebracht sein, die sich im Sinne einer Fliehkraftkupplung

mit zunehmender Drehzahl gegen eine radialwirkende Rückstell ^¬ feder von der Drehachse der Rotorwelle wegbewegen können. Laufen diese Fliehkraftmassen in radialer Richtung gegen eine schiefe Ebene von radialen Führungselementen auf der Rotor- welle an, so wird die radiale Bewegung der Fliehkraftmasse in eine axiale Bewegung des Aktivteils des Rotors umgesetzt. Die Führungselemente können z.B. an einem axialen Ende des Aktivteils des Rotors oder im Inneren des Aktivteils des Rotors angebracht sein, wobei der Aktivteil auf der Rotorwelle selbst axial verschiebbar, aber radial fixierbar angebracht ist. In diesem Fall wird bei hoher Drehzahl die Radialbewe ^¬ gung der Fliehkraftmassen in eine Axialbewegung des Aktivteils des Rotors relativ zur Rotorwelle umgesetzt.

Die elektrische Maschine weist vorzugsweise eine elektrische Nennleistung von zumindest 5 kW und/oder ein Mindestdrehmoment von 4 Nm auf.

Vorzugsweise ist die elektrische Maschine ein Synchronmotor, insbesondere ein permanenterregter Synchronmotor. Ein derartiger Synchronmotor weist üblicherweise Permanentmagnete auf der Außenseite des Rotors zur Erzeugung des magnetischen Feldes auf. Die elektrische Maschine kann alternativ auch ein Asynchronmotor sein.

Darüber hinaus ist die elektrische Maschine vorzugsweise für eine mindestens dreiphasige Stromerregung zur Drehfelderzeu ^¬ gung ausgeführt. Hierzu kann die elektrische Maschine an ei ^¬ nen mindestens dreiphasigen Umrichter oder Wechselrichter zur Stromspeisung angeschlossen sein.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigen

FIG 1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine entlang ihrer Drehachse, wobei die elektrische Ma ^¬ schine einen im Maschinengehäuse axial verschiebba-

ren Aktivteil des Stators zur Feldschwächung gemäß der Erfindung aufweist,

FIG 2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße selbsttätige und drehzahlabhängige axiale Verschiebung zwischen Stator und Rotor unter Ausnutzung von Fliehkräften des Rotors und

FIG 3 das Beispiel gemäß FIG 3 im Falle einer hohen Dreh ^¬ zahl des Rotors der elektrischen Maschine.

FIG 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschi ^¬ ne 1 (insbesondere einen Elektromotor 1) entlang ihrer Drehachse A. Die elektrische Maschine 1 weist vorzugsweise eine Nennleistung von mindestens 5 kW und ein Mindestdrehmoment von 4 Nm auf. Sie kann alternativ als Asynchronmotor oder - bevorzugt - als Synchronmotor (insbesondere als permanenter ^¬ regter Synchronmotor) ausgebildet sein. Sie ist vorzugsweise für eine mindestens dreiphasige Stromerregung ausgeführt.

Der Rotor 4 ist mit der Rotorwelle 12 drehbar in einem Ma- schinengehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 gelagert und a- xial (d.h. in Richtung der Drehachse A) fixiert. Zur axialen Lagerung dienen in der FIG 1 eingezeichnete Wälzlager 10, 11. Der Stator 3 selbst ist im Maschinengehäuse 2 axial ver ^¬ schiebbar gelagert und radial (d.h. auf die Drehachse A zu bzw. von ihr weg) fixiert. Insbesondere ist zur Feldschwä ^¬ chung der Aktivteil des Stators 3 axial verschiebbar ausge ^¬ bildet.

Der Aktivteil des Stators 3 weist in einer zur Drehachse A senkrecht stehenden Ebene einen Statorquerschnitt auf. Der

Aktivteil des Rotors 4 weist in derselben Ebene einen Rotor ^¬ querschnitt auf. Sowohl der Statorquerschnitt als auch der Rotorquerschnitt sind konstant, also unabhängig von der Lage der Ebene entlang der Drehachse A. Ein Luftspalt LS zwischen den Aktivteilen ist daher unabhängig von einer axialen Verschiebung zwischen Stator 3 und Rotor 4 konstant.

Eine axiale Stator-Aktivteilbreite BS und eine axiale Rotor- Aktivteilbreite BR sind im Beispiel der vorliegenden FIG 1 gleich. Diese Ausgestaltung ist bevorzugt. Sie ist aber nicht zwingend erforderlich. Insbesondere kleinere Abweichungen (bis zu ca. 10%) sind möglich.

Zur Veranschaulichung des Feldschwächprinzips ist im oberen Teil der FIG 1 der Fall gezeigt, dass der Aktivteil des Sta ^¬ tors 3 genau dem Aktivteil des Rotors 4 gegenüber liegt . Im unteren Teil der FIG 1 ist der Fall gezeigt, dass beide Ak ^¬ tivteile um eine axiale Verschiebung V (bzw. einen axialen Versatz V) in axialer Richtung gegeneinander versetzt sind. Im letzteren Fall liegt keine vollständige überdeckung und somit eine Feldschwächung vor.

Der Versatz V ist vorzugsweise derart einstellbar, dass eine überdeckung von Aktivteil des Stators 3 und Aktivteil des Ro ^¬ tors 4 zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert be ^¬ liebig einstellbar ist. Der Minimalwert liegt vorzugsweise zwischen 40 und 75 % des Maximalwerts, z.B. bei etwa 50% des Maximalwerts .

Der Stator 3 besteht gemäß dem Beispiel der FIG 1 aus einem Hohlzylinder 5 mit einer axialen Hohlzylinderbreite BH, die deutlicher größer ist als die axiale Aktivteilbreite BS des Stators 3, und aus dem Aktivteil des Stators 3, der an der Innenseite des Hohlzylinders 5 angebracht ist. Der Aktivteil des Stators 3 weist eine in ein Blechpaket eingebrachte Sta ^¬ torwicklung zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes auf.

Der Hohlzylinder 5 dient als Verfahreinheit zur Erreichung des axialen Versatzes V zwischen Stator 3 und Rotor 4. Hierzu sind die beiden ringförmigen axialen Enden des Hohlzylinders 5 bzw. der Verfahreinheit in entsprechend geometrisch darauf abgestimmten öffnungen 19 im Maschinengehäuse 2 mittels

Dichtmittel 13, wie z.B. O-Ringen, axial und druckdicht ge ^¬ führt. Die öffnungen 19 sind an die Außenseite der elektri ^¬ schen Maschine 1 als Hydraulikanschlüsse 15 für eine Hydrau-

likflüssigkeit geführt. über die Anschlüsse 15 kann die e- lektrische Maschine 1 zur Einstellung des axialen Versatzes V an ein nicht weiter dargestelltes Hydrauliksystem angeschlos ^¬ sen sein.

Gemäß FIG 1 erfolgt die Relativverschiebung zwischen Rotor 4 und Stator 3 auf hydraulischem Wege. Alternativ ist eine Relativverschiebung auf pneumatischem Weg oder auf elektromotorischem Weg möglich.

Im unteren Teil der FIG 1 sind Positionierstifte 16, 17 zu sehen, welche am jeweiligen axialen Ende einer öffnung 19 im Maschinengehäuse 2 angebracht sind. Die Positionierstifte 16, 17 dienen der axialen und radialen Zentrierung der Verfahr- einheit 5 bzw. des Hohlzylinders .

Weiterhin kann die Verfahreinheit 5 zumindest teilweise axial verlaufende Nuten oder Stege aufweisen, die mit korrespondie ^¬ renden Stegen oder Nuten im Maschinengehäuse 2 zusammenwir- ken. Dadurch wird eine radiale und tangentiale Fixierung des Stators 3 gewährleistet .

Im Beispiel der FIG 1 weist die elektrische Maschine 1 eine Ein- und Auslassöffnung 7 für ein Kühlmittel zur Kühlung der elektrischen Maschine 1 auf. Das Kühlmittel kann gasförmig oder wie im Beispiel der vorliegenden FIG 1 eine Flüssigkeit sein. Das Kühlmittel wird mittels Rippen 18 wendeiförmig zwischen Maschinengehäuse 2 und Stator 3 geführt und wirkt als Kühlmantel insbesondere zur Kühlung des Aktivteils des Sta- tors 3.

FIG 2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße selbsttä ^¬ tige und drehzahlabhängige axiale Verschiebung V zwischen Stator 3 und Rotor 4 unter Ausnutzung der Fliehkräfte bei Ro- tation des Rotors 4. FIG 2 zeigt den Rotor 4, dessen Aktivteil 25 auf der Rotorwelle 12 des Rotors 4 sitzt. Der Aktiv ^¬ teil 25 ist radial fixiert und axial beweglich angebracht. Zwischen dem Aktivteil 25 des Rotors 4 und einer auf der Ro-

torwelle 12 angebrachten Anschlagscheibe 23 ist eine Rück ^¬ stellfeder 24 angeordnet. Als Anschlagscheibe 23 kann auch ein zur axialen Lagerung der Rotorwelle 12 dienendes Wälzla ^¬ ger verwendet werden. Die Rückstellfeder 24 drückt im Still- stand den Aktivteil 25 des Rotors 4 in die in FIG 2 gezeigte axiale Ruheposition. In dieser Position liegt der Aktivteil 25 des Rotors 4 genau dem nicht weiter gezeigten Aktivteil des Stators 3 gegenüber, so dass eine vollständige überde ^¬ ckung der Aktivteile vorliegt.

Im rechten Teil des Aktivteils 25 des Rotors 4 sind Führungs ^¬ elemente 20 zu sehen, die fest am rechten axialen Ende des Aktivteils 25 angebracht sind. Weiterhin sind auf der Rotor ^¬ welle 12 beispielhaft zwei Fliehkraftmassen 21 derart ange- bracht, dass sich diese bei Rotation der Rotorwelle 12 nach radial außen bewegen können. Die Fliehkraftmassen 21 können auch ringförmig ausgebildet sein. Zur Rückstellung der Fliehkraftmassen 21 können radial wirkende Rückstellfedern 22 vorgesehen sein.

FIG 3 zeigt das Beispiel gemäß FIG 2 im Falle einer hohen Drehzahl des Rotors 4 der elektrischen Maschine 1.

Bei hoher Drehzahl drücken die Fliehkraftmassen 21 in radia- ler Richtung gegen eine ausgebildete schiefe Ebene der radia ^¬ len Führungselemente 20. Dadurch wird die radiale Bewegung der Fliehkraftmassen 21 in eine axiale Bewegung des Rotors 4 mit einem Versatz V umgesetzt. Diese Bewegung zeigt der in der FIG 3 eingezeichnete Pfeil. Der axiale Versatz V führt zu einer nicht mehr vollständigen axialen überdeckung der Aktivteile des Stators 3 und des Rotors 4 und somit zu einer Feld ^¬ schwächung der elektrischen Maschine 1.

Prinzipiell ist es auch möglich, die gesamte selbsttätige und drehzahlabhängige Mechanik zur axialen Verschiebung V des Aktivteils 25 des Rotors 4 im Inneren des Aktivteils 25 unter ^¬ zubringen. Dies ist möglich, da der radiale und koaxiale Zwi ^¬ schenraum zwischen der magnetisch aktiven Mantelfläche des

Aktivteils 25 des Rotors 4 und der Mantelfläche der Rotorwel ^¬ le 12 nicht für den motorischen Antrieb genutzt wird. Auf diese Weise kann eine elektrische Maschine 1 im Vergleich zur in den FIG 2 und FIG 3 dargestellten Lösungen kompakter rea- lisiert werden.

Auch ist es möglich, zur Realisierung eines größeren axialen Verstellweges V mehrere selbsttätige und drehzahlabhängige Mechaniken axial hintereinander zu schalten.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine elektrische Ma ^¬ schine 1, insbesondere einen Elektromotor, mit einem Stator 3 sowie einem Rotor 4 mit einer Rotorwelle 12, wobei der Stator 3 und der Rotor 4 zur Feldschwächung der elektrischen Maschi- ne 1 axial gegeneinander verschiebbar sind. Erfindungsgemäß ist die Axialverschiebung V unter Einhaltung eines konstanten Luftspalts zwischen Stator 3 und Rotor 4 einstellbar. Dies wird dadurch erreicht, dass der magnetische Aktivteil des Stators 3 und des Rotors 4 der elektrischen Maschine 1 in axialer Richtung einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt aufweisen. Dadurch können vorteilhaft Lamellen mit jeweils einem gleichen Querschnitt zur Bildung eines Blechpakets des Stators 3 und des Rotors 4 verwendet werden. Durch die ein ^¬ stellbare Axialverschiebung V ist eine stufenlose Feldschwä- chung des Ankerfelds möglich. Dadurch lässt sich vorteilhaft das Temperaturverhalten der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 bei Maximaldrehzahl und geringer Last erheblich verbessern. Die elektrische Maschine 1 ist insbesondere ein permanentmagneterregter Synchronmotor .