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Title:
PERMANENT-MAGNET SYNCHRONOUS MACHINE COMPRISING COILS IN THE ROTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/144254
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a permanent-magnet synchronous machine (1) comprising a stator (2) and a rotor (3), the rotor (3) being provided with permanent magnets (6)for forming poles (4, 5), the rotor (3) also being provided with a plurality of coils (7, 7', 7"), one coil (7, 7', 7') being assigned to one of the poles (4, 5), the rotor being a non-salient-pole rotor, at least two coils (7, 7', 7") being at a distance from each other.

Inventors:
BRAUN JOCHEN (DE)
Application Number:
EP2017/052435
Publication Date:
August 31, 2017
Filing Date:
February 03, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
H02K21/04; H02K1/22
Domestic Patent References:
WO2015183379A12015-12-03
WO2005027321A12005-03-24
WO2012110883A22012-08-23
WO2014006294A12014-01-09
WO2014092957A22014-06-19
WO2015183379A12015-12-03
Foreign References:
EP2221945A22010-08-25
EP2078931A22009-07-15
Other References:
KAMIEV KATTEDEN ET AL: "Feasibility of an Armature-Reaction-Compensated Permanent-Magnet Synchronous Generator in Island Operation", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, USA, vol. 61, no. 9, 1 September 2014 (2014-09-01), pages 5075 - 5085, XP011543645, ISSN: 0278-0046, [retrieved on 20140321], DOI: 10.1109/TIE.2013.2289871
KATTEDEN KAMIEV ET AL: "Feasibility of different excitation methods of synchronous generators in island operation", ELECTRICAL MACHINES (ICEM), 2012 XXTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON, IEEE, 2 September 2012 (2012-09-02), pages 2902 - 2908, XP032465119, ISBN: 978-1-4673-0143-5, DOI: 10.1109/ICELMACH.2012.6350299
ZOU JIBIN ET AL: "Influence of the Axial-Length Ratio of Permanent Magnet to Homopolar Induction on the Performance of Hybrid Excitation Synchronous Generator", IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 39, no. 1, 1 January 2011 (2011-01-01), pages 368 - 373, XP011341104, ISSN: 0093-3813, DOI: 10.1109/TPS.2010.2063714
ZHU SHUSHU ET AL: "MPPT for stand-alone wind power generation system based on hybrid excitation synchronous generator", ELECTRICAL MACHINES AND SYSTEMS (ICEMS), 2011 INTERNATIONAL CONFERENCE ON, IEEE, 20 August 2011 (2011-08-20), pages 1 - 6, XP032020277, ISBN: 978-1-4577-1044-5, DOI: 10.1109/ICEMS.2011.6073515
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Claims:
Patentansprüche

1. Permanenterregte Synchronmaschine (1) mit einem Stator (2) und einem Läufer (3) , wobei der Läufer (3) Permanentmagnete (6) zur Ausbildung von Polen (4,5) aufweist, wobei der Läufer (3) eine Vielzahl von Spulen (7,7 7") aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine der Spulen (7,7 7") einem der Pole (4,5) zugeordnet ist, wobei der Läufer ein Vollpolläufer ist, wobei zumindest zwei Spulen (7,7 7") beabstandet sind.

2. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Ver¬ hältnis von äquivalenter Luftspaltweite (9) zur Polteilung einen Wert von 1/10 überschreitet.

3. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die permanenterregte Synchronmaschine (1) eine Leistung von mehr als 1 MW aufweist.

4. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Spulen (7,7 7") Litzen aufweisen.

5. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Spulen (7,7 7") zum Kurzschluss verlötet oder gecrimpt sind.

6. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die elektrische Grundfrequenz der permanenterregten Synchronmaschine (1) größer gleich 50 Hz ist.

7. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Spulen (7,7 7") vergossen sind.

8. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Permanentmagnete (6) vergossen sind. 9. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Spulen (7,7 7") in Kanälen in einem Läuferblechpaket (8) des Läufers (3) sind. 10. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ka¬ näle geschlitzt sind.

11. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An- sprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Spulen (7,7 7") auf einem Läuferblechpa¬ ket (8) des Läufers (3) sind.

12. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An- sprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Permanentmagnete einen Dysprosium Anteil von kleiner 2% oder gleich 0% aufweisen.

13. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An- sprüche 1 bis 12, wobei jedem Pol (4,5) des Läufers (3) je eine Spule (7,7 7") zugeordnet ist.

14. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 13, wobei jede Spule (7λ) von benachbarten Spu- len (7") elektrisch isoliert ist.

15. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 14, wobei die Spulenachsen (29) in der d-Achse (30) liegen.

16. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An¬ sprüche 1 bis 15, wobei die Spulen (7,7 7") nur die d-Kompo- nente des magnetischen Flusses umschließen.

17. Verwendung einer permanenterregten Synchronmaschine (1) in einer Gondel (19) einer Windkraftanlage (18) oder in einem Wasserfahrzeug (21), wobei die permanenterregte Synchronma¬ schine (1) einen Stator (2) und einen Läufer (3) aufweist, wobei der Läufer (3) Permanentmagnete (6) und Spulen (7,7 7") aufweist, wobei die Spulen (7,7 7") den magnetischen Fluss (9) der Permanentmagnete (6) umfassen.

18. Verwendung nach Anspruch 17, wobei bei einer Vielzahl von Spulen (7,7 7") eine Spule den magnetischen Hauptfluss eines

Pols (4,5) des Läufers umfasst.

19. Verwendung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die permanenterregte Synchronmaschine (1) eine permanenterregte Synchron- maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ist.

20. Verwendung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Windkraftanlage (18) auf See ist. 21. Verwendung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Wasserfahrzeug (21) ein Unterseeboot (23) ist oder ein Mari¬ neschiff ist oder ein Containerschiff ist.

Description:
Beschreibung

Permanenterregte Synchronmaschine mit Spulen im Läufer Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine mit Spulen im Läufer und deren Verwendung.

Permanenterregte Synchronmaschinen werden mit Permanentmagne ¬ ten über den Läufer magnetisch erregt. Diese Magnete sind beispielsweise Seltene-Erd-Magnete wie z.B. Neodym-Eisen-Bor- Magnete (NdFeB) die je nach Güte unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben. Diese Eigenschaften werden vom Hersteller durch unterschiedliche Materialzusammenstellungen erzielt. Zwei charakteristische Eigenschaften sind die Rema- nenz-Induktion und die Koerzitivfeidstärke . Diese zwei Größen der unterschiedlichen Magnetgüten verändern sich mit der Betriebstemperatur. Bei NdFeB-Magneten reduzieren sich sowohl die Remanenz als auch die Koerzitivfeidstärke mit steigender Temperatur. Die Koerzitivfeidstärke stellt die absolute Ent- magnetisierungsgrenze für den Magneten dar.

Aus der WO 2014/092957 A2 ist eine permanenterregte Synchron ¬ maschine mit Spulen im Läufer bekannt. Auch aus der WO 2015/183379 AI sind Spulen im Läufer bekannt. Diese sind miteinander verbunden und bilden einen Käfig aus.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine robuste permanenterregte Synchronmaschine anzugeben. Eine robuste permanenterregte Synchronmaschine kann in herausfordernden Anwendungsgebieten eingesetzt werden.

Eine Lösung der Aufgabe gelingt bei einer permanenterregten Synchronmaschine nach Anspruch 1 und bei einer Verwendung ei- ner permanenterregten Synchronmaschine nach Anspruch 17. Ausgestaltungen der permanenterregten Synchronmaschine bzw. der Verwendung ergeben sich nach den Ansprüchen 2 bis 11 bzw. nach den Ansprüchen 18 bis 21. Es wurde erkannt, dass auch bei kleineren magnetischen Feld ¬ stärken als die Koerzitivfeidstärke bereits eine Teilentmag ¬ netisierung eintritt. Diesen negativen Effekt gilt es zu re ¬ duzieren. Die Entmagnetisierung bei permanentmagneterregten Synchronmaschine ist für alle zulässigen Betriebstemperaturen und Betriebspunkte aber auch für Fehlerfälle oder für unzu ¬ lässige Betriebszustände auszuschließen oder zu reduzieren. Dies ist vorteilhaft, da sich die Maschineneigenschaften mit der Entmagnetisierung von Magneten verändern, bzw. schlechter sind. Der Ständerklemmenstoßkurzschluss stellt beispielsweise einen schweren Fehlerfall dar. Es sind ein-, oder mehrphasige Klemmenkurzschlüsse möglich. Auch diese Fälle sollen die Per ¬ manentmagnete (insbesondere alle Permanentmagnete) einer per ¬ manentmagneterregten Synchronmaschine ohne Entmagnetisierung bei der maximal zugelassenen Magnettemperatur überstehen, bzw. diese möglichst klein gehalten werden. Eine permanenterregte Synchronmaschine ist deshalb vorteilhaft kurzschluss ¬ fest ausgelegt. Bei der elektromagnetischen Auslegung wird der magnetische

Kreis beispielsweise auch für den Stoßkurzschluss als mögli ¬ cher Fehlerfall ausgelegt. Hierfür werden insbesondere Magne ¬ ten mit höherer magnetischer Koerzitivfeidstärke (z.B. N45SH statt N45M) verwendet, als wenn die Auslegung nur für den fehlerfreien Betrieb ausgelegt werden würde oder mehr Magnet ¬ material. Diesem Magnetmaterial wird üblicherweise eine höhe ¬ re Menge an Dysprosium vom Hersteller beigefügt. Dysprosium ist allerdings ein teures Material, das den Magnetpreis und damit den Maschinenpreis deutlich in die Höhe treibt.

Um die Robustheit der permanenterregten Synchronmaschine zu erhöhen sind im rotierenden Läufer dieser permanenterregten elektrischen Maschine elektrisch leitfähige Spulen zusätzlich zu Permanentmagneten untergebracht. Es gibt insbesondere so viele einzelnen Läuferspulen wie magnetische Pole. Das Prin ¬ zip kann bei Innen und bei Außenläufern angewendet werden. Damit kann einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete, insbesondere im Fehlerfall, entgegengewirkt werden. Damit kann es auch ermöglicht werden preisgünstigere Permanentmagnete mit weniger Dysprosium bzw. weniger eines anderen Seltenerd- metalls einzusetzen.

Eine permanenterregte Synchronmaschine weist beispielsweise einen Stator und einen Läufer auf, wobei der Läufer Permanentmagnete zur Ausbildung von Polen aufweist. Der Läufer ist derart ausgestaltbar, dass dieser eine Vielzahl von Spulen aufweist. Zumindest eine der Spulen ist einem der Pole zuge ¬ ordnet, wobei der Läufer ein Vollpolläufer ist, wobei zumindest zwei Spulen beabstandet sind. Der Vollpolläufer unterscheidet sich vom Schenkelpolläufer dadurch, dass der Voll- polläufer keine Schenkel aufweist. In einer Ausgestaltung ist jedem Pol eine Spule zugeordnet. In einer Ausgestaltung ist jede Spule von allen weiteren Spulen des Vollpolläufers beabstandet. In einer Ausgestaltung ist die Beabstandung derart ausgeführt, dass die Spulen, insbesondere alle Spulen voneinander elektrisch isoliert sind.

In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschine ist jedem Pol des Läufers, also des Vollpolläufers, je eine Spule zugeordnet.

In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschine ist jede Spule von benachbarten Spulen, also insbesondere von den angrenzenden Spulen in Umfangsrichtung, elektrisch isoliert. Die Spulen weisen zumindest keinen elektrischen Kon- takt auf, der zu einer erneuten Spulenbildung über mehrere als nur einen Pol führt.

In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschine liegen die Spulenachsen in der d-Achse. Die d-Achse ist die Achse der d-Komponente des Feldes der in Betrieb befindlichen Synchronmaschine. Neben der d-Achse gibt es auch eine q- Achse, welche sich entsprechend aus der q-Komponente bei der Synchronmaschine ergibt. In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschine umschließen die Spulen nur d-Komponente des magnetischen Flusses. Nur ist hier insbesondere im Sinne von im Wesentli ¬ chen zu verstehen. Die d-Komponente und die q-Komponente er- geben sich aus der üblichen Beschreibung einer Synchronmaschine .

In einer Ausgestaltung einer permanenterregten Synchronmaschine weist diese Permanentmagnete auf, welche einen gerin ¬ gen Dysprosium Anteil (Dy) aufweisen. Der Dysprosium Anteil ist gering, wenn er kleiner 2% ist. Derartige Permanentmagne te können auch als dysprosiumarm bezeichnet werden. Permanentmagnete können auch einen Dy-Anteil von 0% haben. Im Gegensatz zu einem Käfig mit Spulen ist der Läufer mit elektrisch voneinander unabhängigen Spulen mit einer Spule pro Pol, bezüglich der q-Komponenten weitestgehend unabhängig. Dies lässt sich beispielsweise in einem rotorfesten flussorientierten dq-System erklären. Darin lassen sich die Ströme in d- und q-Achse im Falle eines Stoßkurzschlusses in folgende Komponenten aufteilen

1 txlnf

i d (t)= -V2 x U l x e x cos(t x 2 nf ,)

1 ~tx2nf el

Ut) = -72 x ί/ — xe T x sin(t x 2 nf ,)

Wobei nur die Komponente in d-Richtung zur Entmagnetisierung beitragen kann, da die Spulenachse genau in der d-Achse liegt .

Bei einer Verbindung zwischen den Polen, wie es bei einem Käfig der Fall ist, erzeugt man eine Spule in welche eine

Flussänderung durch den q-Strom auch eine Spannung in dieser induziert und damit verlustbehaftete Ströme in den Polverbin- düngen fließen. Diese schützen aber nicht vor einer Entmagne- tisierung der Magnete und erhöhen die Verluste. Durch vonei ¬ nander unabhängige einzelne Spulen wird dies vermieden. Ein weiterer Nachteil der Verbindungen zwischen den Polen findet sich im stationären Betrieb. Manche Oberwellen können in den Spulen Spannungen induzieren, da durch die zusätzlichen Verbindungen Spulen mit unterschiedlichen Weiten entstehen. Ohne einen Käfig bilden sich also keine Ströme aus, da diese bei einzelnen Spulen pro Pol, welche elektrisch vonei ¬ nander isoliert sind, nicht induziert werden können.

Eine permanenterregte Synchronmaschine mit Spulen im Läufer wird beispielsweise dort eingesetzt, wo eine hohe Verfügbar ¬ keit und/oder eine hohe Leistung vorzusehen sind. Dies insbe ¬ sondere in Verbindung mit einer hohen Fehlertoleranz. Wichtig ist dies insbesondere bei Verwendungen, wo die Zugänglichkeit zur permanenterregten Synchronmaschine erschwert ist. Bei ¬ spiele hierfür sind Wasserfahrzeuge oder Windkraftanlagen, welche sich insbesondere auf See befinden (offshore) . Ein Wasserfahrzeug ist beispielsweise ein Schiff oder ein U-Boot. Ein Schiff ist beispielsweise ein Containerschiff, ein Flugzeugträger, eine Fregatte, ein Zerstörer, ein Eisbrecher, Patrouillenboot, ein Frachter oder eine Fähre. Bei einer Windkraftanlage befindet sich die permanenterregte Synchron ¬ maschine insbesondere auf einem Turm. Auf dem Turm ist die Gondel montiert. In der Gondel befindet sich die permanenter ¬ regte Synchronmaschine. Dabei kann es sich beispielsweise auch um einen Direktantrieb ohne Getriebe handeln, wobei sich dann die permanenterregte Synchronmaschine im Bereich der Na ¬ be, welche ein Teil der Gondel ist, befindet.

Bei einer Verwendung einer permanenterregten Synchronmaschine in einer Gondel einer Windkraftanlage oder in einem Wasser- fahrzeug, wird also eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Stator und einem Läufer verwendet, wobei der Läufer Permanentmagnete und Spulen aufweist, wobei die Spulen den magnetischen Fluss der Permanentmagnete umfassen. Die Spulen können oberhalb der Permanentmagnete, neben den Permanentmag ¬ neten und/oder unterhalb der Permanentmagnete angeordnet sein. Die Positionierung orientiert sich dabei an einer radialen Richtung von der Drehachse des Läufers weg. Die jeweili- ge Spule umfasst dabei insbesondere den Hauptfluss eines

Pols, der durch einen Permanentmagneten oder einer Vielzahl von Permanentmagneten ausgebildet ist. Der Läufer der permanenterregten Synchronmaschine weist eine Vielzahl von Spulen auf, wobei jeweils eine Spule den magnetischen Hauptfluss ei- nes Pols des Läufers umfasst. Der Hauptfluss ist zumindest

50% des magnetischen Gesamtflusses des durch Permanentmagnete gebildeten Pols.

Die Spulen im Läufer der permanenterregten Synchronmaschine erhöhen deren Robustheit was diese insbesondere also auch für den Einsatz in einem Wasserfahrzeug, wie einem Unterseeboot, einem Marineschiff oder z.B. einem Containerschiff ertüchtigt . Die Weite der Spulen ist beispielsweise so groß, dass der oder die Magnete eines Pols komplett bzw. nahezu umschlossen sind. Die Spule eines magnetischen Pols erstreckt sich insbe ¬ sondere in axialer Richtung über die komplette Maschinenlänge und umschließt damit auch axial alle Magnete eines magneti- sehen Pols, wobei die Spule an beiden Maschinenseiten kurzgeschlossen ist. Die Spule kann je nach Anwendung beispielswei ¬ se aus Kupfer oder Aluminiumleitern gefertigt sein. Der Leiter kann wiederum, je nach Anwendung, massiv oder aus Einzeldrähten (Litzen) hergestellt sein. Die Litzen können auch nach Bedarf zur Vermeidung von Wirbelstromeffekten z.B. Lackisoliert werden, um die Wirkung der Spulen zu optimieren. Die Spule wird z.B. mit nur einer Windung ausgeführt. Mehr Windungen, also eine Vielzahl von Windungen, können zur Anpassung von Spannung und Strom verwendet werden. Die Läuferspule kann bei Läufern, mit auf der Oberfläche angebrachten Magne ¬ ten, unterhalb der Magneten platziert werden. Es ist auch möglich die Spulen im Luftspalt unterzubringen. Hierfür kann der Platz zwischen den Magnetpolen verwendet werden. Bei Läu- fern mit vergrabenen Magneten kann die Spule auch oberhalb der Magnete platziert werden. Unabhängig davon wie der Läufer der permanentmagneterregten Synchronmaschine ohne Läuferspule gestaltet ist kann die Spule oberhalb, unterhalb oder um die Magnete herum platziert werden. Bei der Position der jeweili ¬ gen Spule des Läufers ist es vorteilhaft den umfassten magne ¬ tischen Fluss zu maximieren. Es ist also vorteilhaft, wenn die Spule maximal mit dem Hauptfluss, der durch die Magnete eines Pols erzeugt wird, verkettet ist.

Durch die zusätzlichen Spulen im permanentmagneterregten Läufer ist es beispielsweise möglich die Belastung des jeweili ¬ gen Permanentmagneten beim Stoßkurzschluss oder einem anderen Fehlerfall, die beim Magneten über die stationäre Betriebsbe- lastung (Magnetarbeitspunkt) gehen, zu reduzieren und zwar bei der gleichen Temperatur. Damit kann günstigeres Magnetma ¬ terial verwendet werden und es sind effektive Einsparungen möglich . Beim dreiphasigen Stoßkurzschluss in der Ständerwicklung setzt sich der resultierende Fluss i|r R e S aus dem Magnetfluss ψ ΡΜ und dem Spulenfluss i|i SP uie zusammen (ψ Κβ8 = ΨΡΜ + Ψερυΐ θ ) · Der Spulenfluss entlastet die Magnete und kann diese vor Entmag ¬ netisierung schützen.

Bei Windkraftanlagen ist beispielsweise eine dauerhafte Leis ¬ tungsminderung durch Entmagnetisierung der Magnete bei Kurzschlüssen an den Ständerklemmen zu vermeiden. Die Spulenanordnung im Läufer ist in der Lage die Entmagnetisierung zu verhindern bzw. zu reduzieren. Läufer können Innen- und Außenläufer sein, wobei dies nicht auf Windkraftanlagen beschränkt ist.

Durch die Veränderung des Betriebs der Maschine (der perma- nenterregten Synchronmaschine, z.B. durch einen Stoßkurzschluss, verändert sich der Hauptfluss, der durch die Magnete erzeugt wird (Arbeitspunktänderung des Magneten (Permanentmagneten) wegen höherer Ständerdurchflutung) . Diese Änderung induzierte eine Spannung in den Spulen des Läufers (Läuferspulen) nach dem Induktionsgesetz. Da diese Spulen jeweils kurzgeschlossen sind, wird ein Strom fließen, welcher der Flussänderung durch Spule und Magnet entgegenwirkt. Die Über- lagerung von Magnetfluss im Stoßkurzschluss und dem Fluss, der durch die kurzgeschlossene Spule während diesem transien- ten Vorgang entsteht, ist größer, als wenn keine kurzge ¬ schlossene Läuferspule vorhanden wäre. Der größer bleibende Gesamtfluss bildet gleichzeitig die geringere Belastung der Permanentmagneten ab, da der Betriebspunkt der Magneten weniger weit auf der Entmagnetisierungskurve in Richtung Knick der J-H-Kurve während der Belastung verschoben wird (die mag ¬ netische Feldstärke im Magneten ist weniger stark negativ) . Die Entmagnetisierungskurve betrifft insbesondere die Magne- tisierungskurve im zweiten Quadraten eines hartmagnetischen Werkstoffes .

Mit der Reduzierung der Belastung des Magneten insbesondere im Fehlerfall ist es z.B. möglich, die Menge des Dysprosium- anteils im verwendeten Magneten zu reduzieren. Mit der geringeren Güte der Magnete reduziert sich der Magnetpreis deut ¬ lich. Eventuell können je nach Anwendungstemperatur dysprosiumfreie Magnete verwendet werden. Auch kann beispielsweise weniger Magnetmaterial verwendet werden, wenn dies die elek- tromagnetische Auslegung zulässt. Es kann somit am Magnetma ¬ terial gespart werden, durch den Einsatz von elektrisch leitfähigem Material im Rotor.

Mit den kurzgeschlossenen Spulen im Läufer erhält man auch die Möglichkeit die Subtransiente Reaktanz einer permanent ¬ magneterregten Synchronmaschine zu beeinflussen. Dies ist ohne die Spulen nicht ausreichend möglich. Damit kann das Einsatzgebiet der permanentmagneterregten Synchronmaschine erweitert werden. Auch kann eine Reduzierung der Gesamtver- luste im Umrichterbetrieb (z.B. bei Blocktacktung) erreicht werden . In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschinen weist diese einen Stator und einen Läufer auf, wobei der Läufer Permanentmagnete und Spulen aufweist, wobei ein Ver ¬ hältnis von äquivalenter Luftspaltweite zur Polteilung einen Wert von 1/10 überschreitet. Der Wert ist insbesondere größer 1/5. Ist das Verhältnis größer 1/10 bzw. insbesondere größer 1/5 ergibt sich ein Schutz des/der gesamten Magneten. Bei einer Unterschreitung des Verhältnisses von 1/10, also bei Wer ¬ ten von z.B. 1/15 oder 1/20, ist es möglich, dass nur die Randgebiete des/der Magneten geschützt werden. Um das Verhältnis zu erreichen ist eine hohe Polpaarzahl zu verwenden. Die Polpaarzahl geht in die Herstellkosten ein, da mehr Ständerspulen gefertigt werden müssen. Bei einem sehr großem Verhältnis von äquivalenter Luftspaltweite zu Polteilung kann man an Fertigungsgrenzen gelangen, da die Geometrien in den Ständerspulen kleiner bzw. „feiner" werden. Auch die Magnetpole werden kleiner. Die Obergrenze wird aber mit größer werdender Maschine ebenfalls größer, da der Luftspalt größer gewählt wird. Ein sehr großes Verhältnis ist ein Verhältnis von 1/1.

In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschinen weist diese eine Leistung von mehr als 1 MW auf (insbe- sondere 1 MW bis 10 MW) . Maschinen dieser Leistung kommen beispielsweise häufig in Windkraftanlagen bzw. als Antrieb in Schiffen zum Einsatz. Typische Leistungen von derartigen Maschinen sind zwischen 1 MW und 25 MW. Das Drehmoment kann da ¬ bei beispielsweise größer 120 kNm sein.

In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschinen weisen Spulen Litzen auf. Litzen sind flexibel und können einfach verlegt werden. Litzen haben auch den Vorteil, dass diese Stromverdrängungsarm sind, insbesondere bei Frequenzen größer 50 Hz und Umrichterbetrieb.

In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschinen sind die Spulen zum Kurzschluss verlötet oder gecrimpt (Verbindung durch plastische Verformung beider Enden) . Durch das Verlöten oder Crimpen lässt sich eine rüttelfeste Verbindung herstellen. In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschinen weist diese eine elektrische Grundfrequenz größer gleich 50 Hz auf. Die Maschine ist also für diese Grundfrequenz aus ¬ gelegt bzw. wird mit dieser betrieben. Bei Frequenzen größer 50 Hz kann es zu einer Stromverdrängung kommen (Skineffekt) , was den Spulenwiderstand und die Verluste erhöht. Litzen wir ¬ ken dem entgegen. In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschine weist diese Litzen auf, wenn die Grund ¬ frequenz größer 50 Hz sein soll. Durch die Verwendung der Litzen können Frequenzen von 200 Hz oder sogar 400 Hz er- reicht werden. Die Reaktanz der Spule ist frequenzabhängig. Die Wirksamkeit der Spule hängt vom Verhältnis von der Reak ¬ tanz zum Widerstand der Spule ab (Phasenlage des Stroms) . Bei niedrigen Frequenzen dominiert der ohmsche Widerstandsanteil, da die Reaktanz mit der Frequenz abnimmt. Als Folge wird der schützende Fluss der Spule „zu früh" aufgebaut. Das Stromma ¬ ximum tritt zum falschen Zeitpunkt auf (Phasenlage des

Stroms) . Bei hohen Frequenzen dominiert die Reaktanz, voraus ¬ gesetzt der Widerstand der Spule steigt nicht mit der Fre ¬ quenz an. Deshalb ist eine Spule aus einzelnen Drähten (Lit- zen) vorteilhaft.

In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschinen sind die Spulen vergossen. Dies erhöht die Robustheit des Läufers, da im Kurzschlussfall hohe Kräfte auf die Spulen einwirken können. In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschinen sind auch die Permanentmagnete vergos ¬ sen .

In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschi- nen sind die Spulen in Kanälen in einem Läuferblechpaket des Läufers. Dies erleichtert beispielsweise die Positionierung der Spulen. In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschinen sind die Kanäle für die Spulen geschlitzt. Durch einen Streuschlitz kann die magnetische Streuung reduziert werden. Die magnetische Streuung kann auch als Nutstreuung der Spule im Eisen bezeichnet werden.

In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschine sind die Spulen auf einem Läuferblechpaket des Läufers. Dies reduziert beispielsweise die Komplexität der gestanzten Ble ¬ che des Läufers.

In einer Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschinen haben die Permanentmagnete einen geringen Dysprosiumanteil bzw. sind frei von Dysprosium. Daraus folgt eine ge ¬ ringere Koerzitivfeidstärke . Dies kann durch die Läuferspule kompensiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend exemplarisch und schematisch an Hand von Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei zeigt:

FIG 1 eine erste perspektivische Darstellung eines Läu ¬ fers einer permanenterregten Synchronmaschine;

FIG 2 eine stirnseitige Darstellung des Läufers;

FIG 3 eine zweite perspektivische Darstellung des Läu- fers;

FIG 4 einen Ausschnitt eines Schnitts durch den Läufer in einer radialen Richtung;

FIG 5 einen Schnitt durch den Läufer in einer perspektivischen Darstellung;

FIG 6 einen weiteren Schnitt durch den Läufer;

FIG 7 einen Ausschnitt eines Schnitts durch den Läufer in einer axialen Richtung;

FIG 8 eine Litze als Spule

FIG 9 einen Ausschnitt eines Schnitts durch den Läufer in einer perspektivischen Darstellung;

FIG 10 einen Kreissegmentausschnitt einer permanenterreg ¬ ten Synchronmaschine;

FIG 11 eine Spule tangential neben einem Pol; FIG 12 eine Spule in einem Kanal;

FIG 13 eine Verguss von Spule und Pol;

FIG 14 eine Windkraftanlage;

FIG 15 ein Schiff; und

FIG 16 ein Unterseeboot.

Die Darstellung nach FIG 1 zeigt eine erste perspektivische Darstellung eines Läufers 3 einer permanenterregten Synchronmaschine. Der Läufer 3 ist ein Vollpolläufer und weist Pole 4, 5 auf. Die Pole 4, 5 werden durch eine Vielzahl von Permanentmagnete 6 gebildet. Die Permanentmagnete 6 befinden sich auf einem Läuferblechpaket 17. Der magnetische Hauptfluss der Permanentmagnete 6 eines Pols 4, 5 wird durch Spulen 7 um ¬ schlossen. Die Spulen 7 befinden sich im Blechpaket 17. Die Spulen können sich auch nur teilweise im Blechpaket befinden oder sich außerhalb des Blechpaketes befinden, was allerdings beides in FIG 1 nicht dargestellt ist. Die Spulen 7 sind elektrisch voneinander getrennt. Die Darstellung nach FIG 2 zeigt eine stirnseitige Darstel ¬ lung des Läufers 3 mit einer Läuferachse 24, den Polen 4, 5 und den Spulen 7 im Läuferblechpaket 17. Die Pole 4 und 5 wechseln sich in Umfangsrichtung ab. Nach FIG 2 werden die Spulen 7 zur näheren Erläuterung differenziert in die Spulen 7 λ und 7". Die Spulen 7 λ sind dem jeweiligen Pol 4 zugeordnet bzw. umfassen dessen jeweiligen magnetischen Fluss. Die Spulen 7" sind dem jeweiligen Pol 5 zugeordnet bzw. umfassen dessen jeweiligen magnetischen Fluss. Die jeweiligen Spulen 7 λ und 7" sind elektrisch voneinander getrennt.

Die Spule eines Pols ist also von den Spulen der benachbarten Pole elektrisch isoliert. Die Spulen 7 λ und 7" sind zumindest derart elektrisch voneinander getrennt, dass eine Spule nur den magnetischen Fluss eines Pols umfasst. Die FIG 2 zeigt symbolisch auch die d-Achse 30 und die q-Achse 31 der Syn ¬ chronmaschine . Die Darstellung nach FIG 3 zeigt eine zweite perspektivische Darstellung des Läufers 3. Die Pole 4 und 5 sind jeweils durch eine Vielzahl von einzelnen Permanentmagneten 6 ausgebildet. Die Permanentmagnete 6 eines Pols 4, 5 sind Richtung der Rotationsachse aneinandergereiht. In Umfangsrichtung, al ¬ so in einer tangentialen Richtung weist ein Pol 4, 5 lediglich einen Permanentmagneten auf.

Die Darstellung nach FIG 4 zeigt einen Ausschnitt eines

Schnitts durch den Läufer 3 in einer radialen Richtung. Der Pol 4 weist eine Vielzahl von Permanentmagneten 6 auf. Die Spulen 7 schließen sich außerhalb des Läuferblechpaketes 17, wobei die jeweilige Rückführungsschleife vom Läuferblechpaket 17 beabstandet ist.

Die Darstellung nach FIG 5 zeigt einen Schnitt durch den Läufer 3 in einer perspektivischen Darstellung, wobei die Position der Spulen 7 innerhalb des Läuferblechpaketes 17 gezeigt ist .

Die Darstellung nach FIG 6 zeigt einen weiteren Schnitt durch den Läufer 3, wobei sich auch hier die Spulen 7 außerhalb des Läuferblechpaketes 17 schließen, die jeweilige Rückführungs ¬ schleife vom Läuferblechpaket 17 aber nicht beabstandet ist.

Die Darstellung nach FIG 7 zeigt einen Ausschnitt eines

Schnitts durch den Läufer 3 in einer axialen Richtung. Die Pole 4, 5 überdecken die Spulen 7 7" zumindest teilweise in einer radialen Richtung. Die Spulen 7 λ sind in dieser Figur den Polen 4 zugeordnet und die Spulen 7" den Polen 5. Ferner zeigt FIG 7 eine Spulenachse 29 der Spule 7". Die Spulenachse kann auch Flächennormale bezeichnet werden.

Die Darstellung nach FIG 8 zeigt eine Litze 8 als Spule, wel- che aus dem Läuferblechpaket 17 austritt und sich über eine

Lötverbindung 27 zu einem stirnseitigen Kurzschluss schließt. Die Darstellung nach FIG 9 zeigt einen weiteren Ausschnitt eines Schnitts durch den Läufer 3 in einer perspektivischen Darstellung um den Aufbau des Läufers 3 mit den Polen 4, 5 und den Permanentmagneten 6, die abhängig von den alternie- renden Polen eine unterschiedliche Ausrichtung bezüglich des Magnetfeldes haben und den Spulen 7, welche sich hier im Läuferblechpaket 17 befinden.

Die Darstellung nach FIG 10 zeigt einen Kreissegmentaus- schnitt 28 einer permanenterregten Synchronmaschine 1, welche einen Stator 2 mit Statornuten 25 für nicht dargestellte Statorwicklungen und einen Läufer 3 mit einem Pol 4 aufweist. Die permanenterregte Synchronmaschine weist eine Polpaarzahl p und damit 2*p Pole auf. Die permanenterregte Synchronma- schine 1 weist einen Statorinnendurchmesser Di 13 auf. Daraus ergibt sich ein Wert für die Polteilung mit (n* Di ) / (2*ρ)=τ ρ . In einer Ausgestaltung weist die permanenterregte Synchronma ¬ schine 1 ein Verhältnis der äquivalenten Luftspaltweite 5 e zur Polteilung τ ρ von größer 0,1 auf δε/τ ρ > 1/10. Die äquiva- lente Luftspaltweite 5 e setzt sich aus der mechanischen Luft ¬ spaltweite 5 me c h , der Magnethöhe h mag und beispielsweise einer Höhe einer Läuferbandage d ca n zusammen, wie dies in FIG 11 nä ¬ her dargestellt ist. Die Darstellung nach FIG 11 zeigt eine Spule 7 tangential ne ¬ ben einem Pol 4. Der Pol 4 bildet sich aus Permanentmagnete, welche auf dem Läuferblechpaket 17 angeordnet sind. Eine mög ¬ liche Stromrichtung durch die Spule 7 ist durch eine Pfeil ¬ spitze und ein Kreuz angezeigt. Die äquivalente Luftspaltwei- te 5 e 9 zum Stator 2 hin, setzt sich aus einer Summe aus der mechanischen Luftspaltweite 5 meCh 10 der Permanentmagnethöhe h mag 12 und der Bandagenhöhe d ca n H zusammen (5 e = 5 meCh + h mag + d can ) . Die Darstellung nach FIG 12 zeigt im Ausschnitt neben dem

Stator 2 auch eine Spule 7 in einem Kanal 15, welcher sich im Läuferblechpaket 17 des Läufers 3 befindet. Die Spule 7 über ¬ schneidet radial nicht den Bereich des Permanentmagneten 6. Der Kanal 15 weist einen Schlitz 16 (Streuschlitz) zur Reduzierung der magnetischen Streuung auf.

Die Darstellung nach FIG 13 zeigt im Ausschnitt eine perma- nenterregte Synchronmaschine 1 mit Stator 2 und Rotor 3, wo ¬ bei der Permanentmagnet 6 des Rotors und die Spule 7 auf dem Läuferblechpaket 17 durch einen Verguss 14 positioniert sind. In dem Verguss 14 kann sich radial oberhalb vom Permanentmag ¬ net 6 und Spule 7 eine Bandage befinden. Die Spule 7 und der Permanentmagnet 6 sind also unter der Bandage zur mechani ¬ schen Fixierung vergossen.

Die Darstellung nach FIG 14 zeigt eine Windkraftanlage 18 mit einer Gondel 19 auf einem Turm 26 und mit Flügeln 20. In der Windkraftanlage, also insbesondere in der Gondel 19 (z.B. in der Nabe) befindet sich eine permanenterregte Synchronmaschi ¬ ne der beschriebenen Art mit Spulen im Läufer.

Die Darstellung nach FIG 15 zeigt ein Schiff 21 als Beispiel für ein Wasserfahrzeug, wobei das Schiff einen Pot aufweist. In dem Pot befindet sich beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine der beschriebenen Art mit Spulen im Läufer. Weist ein Schiff keinen Pot auf, so kann die permanenterregte Synchronmaschine der beschriebenen Art mit Spulen im Läufer als Antrieb des Schiffes auch im Schiffsrumpf sein.

Die Darstellung nach FIG 16 zeigt ein Unterseebot 23 als Bei ¬ spiel für ein Wasserfahrzeug. Die permanenterregte Synchron ¬ maschine 1 der beschriebenen Art mit Spulen im Läufer dient beispielsweise als Antrieb des U-Bootes 23.