Die Erfindung bezieht sich auf eine stromrichtergespeiste Synchronmaschine mit Permanentmagnet-Erregung.

Stromrichtergespeiste Synchronmaschinen mit Permanentmagnet-Erregu sind als Synchronmaschinen mit longitudinalem Magnetkreis bekannt. Hierbei ist es auch bekannt, die Permanentmagnete dem Nutzspalt in Flachanordnung direkt zuzuordnen. Die Flachanordnung der Permanentmagnete erlaubt nur begrenzte Flußdichten im Magnet¬ spalt. Um hier zu höheren Flußdichten im Nutzspalt zu kommen, ist es bekannt, die Magnete in Sammler-Konfiguration anzuwenden (DE-OS 31 35 924 und 34 01 163). Bei Maschinen, bei denen das Sammlerprinzip mit lamelliertem Weicheisen angewendet wird, lassen sich hohe Kraftdichten erzielen. Hohe Luftspaltinduktionen erfordern hierbei verhältnismäßig breite Zähne im Vergleich zur Nutteilung. Der für die Wicklung verbleibende Raum verengt sich

dadurch. Die Realisierung hoher Strombeläge kann nur mit hohen Stromdichten vorgenommen werden. Dies bedeutet dann große Ver¬ luste und Erwärmungsprobleme. Hierdurch sind die Einsatzgrenzen solcher Maschinen insbesondere bei kleinen Betriebsgeschwindig¬ keiten, wie sie bei Direktantrieben gefordert werden, gezogen.

Es sind weiter asynchrone Linearmotoren mit einer Reaktions¬ schiene und einem Stator bekannt, die mit transversaler Magnet¬ flußführung arbeiten, bei denen innerhalb der Motorbreite Nord- und Südpol des magnetischen Feldes nebeneinanderliegen und sich in der Reaktionsschiene zwei Stromwirbel nebeneinander- ausbilden. Diese Ausführungsform ermöglicht eine von der Polteilung unab¬ hängige Größe des Jochflusses und damit der Jochhöhe (PROC. IEE Vol. 118, No. 12, Dezember 1971, Seiten 1761 bis 1767 und Vol. 120, No. 3, März 1973, Seiten 337 bis 343).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine stromrichtergespeiste Synchronmaschine mit Permanentmagneterregung so auszubilden, daß bei einfachem mechanischem Aufbau hohe Kraftdichten bei gleich¬ zeitig niedrigen Wicklungsverlusten erreichbar sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine stromrichtergeführte Synchronmaschine mit Permanentmagnet-Erregung mit einem Stator und einem beweglichen Teil mit einer Mehrzahl von Permanent¬ magneten, die in flacher Anordnung dem Nutzspalt zugeordnet sind, mit Polelementen, die aus Weicheisen bestehen und in Einheiten unterteilt sind, deren Teilung in Bewegungsrichtung mit der Teilung der Permanentmagnete identisch ist, mit einer Anker¬ wicklung, die einsträngig mit einem Leiterteil in Bewegungs¬ richtung ausgebildet ist, der von den Polelementen teilweise umschlossen ist, wobei der Magnetfluß transversal zur Bewegungs¬ richtung geführt ist.

Die Erfindung ist mit weiteren Erfindungsmerkmalen in der Zeichnung in verschiedenen Ausführungsformen veranschaulicht und unter Bezug auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip der Synchronmaschine mit transversaler Flußrichtung.

Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung des Prinzips nach Fig. 1.

Fig. 3 im Axialschnitt eine rotierende Synchronmaschine mit zwei Scheibenläufern.

Fig. 4 eine Teilansicht der Maschine nach Fig. 3 in Achs¬ richtung gesehen.

Fig. 5 in einem Axialschnitt eine rotierende Maschine mit einem scheibenförmigen Rotor in einer weiteren Aus¬ führungsform.

Fig. 6 in einem Ausschnitt eine axiale Ansicht der Maschine nach Fig. 5 von links gesehen.

Fig. 6a eine Schaltung einer Synchronmaschine nach Fig. 5 und 6 mit einem Wechselrichter.

Fig. 6b den Stromverlauf in den Wicklungssträngen.

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer Maschine, ähnlich der nach Fig. 5 im Axialschnitt.

Fig. 8 einen Ausschnitt einer axialen Ansicht der Maschine nach Fig. 7 von links gesehen.

Fig. 9 in isometrischer Darstellung eine Ausführungsform eines Linearantriebes.

Fig. 10 bis 12 teilweise im Schnitt in isometrischer Darstellung weitere Ausführungsformen von Linearantrieben.

Fig. 13 eine Stirnansicht der Polelemente bei einer Aus¬ führungsform ähnlich der nach Fig. 12.

Fig. 14 eine Stirnansicht der Polelemente der Ausführungsform nach Fig. 11.

Fig. 15 im Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines Antriebes.

Fig. 16 im Axialschnitt eine weitere Ausführungsform einer rotierenden Maschine.

Fig. 17 in einem Ausschnitt die Endverbindung der Wicklungs¬ stränge bei der Maschine nach Fig. 16.

Für die im nachstehenden zu beschreibenden Ausführungsformen gilt grundsätzlich folgendes. Der magnetische Kreis ist mit seiner Flußrichtung senkrecht zur Bewegungskoordinate angeordnet. Die Flußrichtung ist also transversal. Die stromführenden Leiter, in denen bei Bewegung die induzierte Spannung entsteht, verlaufen in der Ebene der Bewegungsrichtung. Abweichend von den bekannten Maschinenausführungen mit longitudinaler Flußrichtung kann durch die Zahl der Polelemente eine Vervielfachung der induzierten Spannung erreicht werden, ohne daß der Spulenquerschnitt und die Spulenlänge der Ankerwicklung geändert werden müßte.

Eine besonders wirksame Kraftbildung bzw. bei gegebener Geschwin¬ digkeit eine hohe induzierte Spannung ergibt sich durch die . Verwendung von energiestarken Permanentmagneten im beweglichen Teil.

Das Prinzip der Synchronmaschine mit einem Erregerteil mit Permanentmagneten und transversalem Magnetfluß ist in Fig. 1 dargestellt. Gezeigt ist ein Polelement einer Synchronmaschine, das aus Weicheisen besteht. Das Polelement 2 weist zwei Pol¬ schenkel 4, 6 auf, die eine Breite b und eine Höhe h haben. Im Jochteil 8 des Polelementes ist in einer Nut ein stromführender Leiter 10 untergebracht, der in Bewegungsrichtung stromführend ist. Das Polelement 2 ist im feststehenden Teil der Maschine angeordnet. Teil der beweglichen Anordnung der Maschine sind Per¬ manentmagnete, von denen hier ein Magnet 12 dargestellt ist. Der Permanentmagnet hat eine Höhe h , die dem Abstand der beiden parallel zueinander liegenden Flächen auf den einander zuge¬ wandten Seiten der Schenkel 4 und 6 des Polelementes 2 entspricht zuzüglich dem Nutzspalt. Der Permanentmagnet ist in ebener Anordnung angeordnet. Der Magnetfluß verläuft also zwischen den beiden Schenkeln 4 und 6 der Polelemente. Der Permanentmagnet

12 gehört entweder zum Läufer einer rotierenden elektrischen Maschine oder zu einem Translator eines Linearantriebes. Der Permanentmagnet hat eine Breite, die im wesentlichen der Breite b der Schenkel 4 und 6 entspricht und eine Höhe, die im wesent¬ lichen der Höhe h der Schenkel entspricht.

Der Permanentmagnet bewirkt innerhalb des Luftspaltraumes die magnetische Flußdichte B Mit der Bewegung des Magneten in Richtung des Pfeiles x nimmt auch der Abstand x der Magnetkante vom Außenrand des magnetischen Kreises zu. Der vom Magnetkreis aufgenommene magnetische Fluß ist proportional b - x und somit der überdeckten flußführenden Fläche. Die in dem Leiter 10 des Ankermagnetkreises vom Fluß des Magneten induzierte Spanung ist der Änderung des magnetischen Flusses proportional und wird somit zu B *h-v bestimmt. Hierin ist h die Ausdehnung des magnetischen Feldes, hier die Schenkelhöhe, und v die Bewegungsgeschwindigkeit des Magneten gegenüber dem Anker. Die induzierte Spannung behält ihren konstanten Wert bis zum Punkt x = b.

Ordnet man x = o im Bewegungsablauf des Magneten beim Austritt aus dem Ankerkreis einen negativen Wert der induzierten Spannung zu, so zeigt eine analoge Überlegung für den Eintrittsvorgang, daß dabei die induzierte Spannung dem Betrag nach gleich groß, aber mit umgekehrten Vorzeichen auftritt. Mit der beschriebenen Ermittlung der induzierten Spannung kann dem Energiesatz ent¬ sprechend auch die Kraftwirkung als bekannt angesehen werden.

In Übereinstimmung mit Fig. 1 läßt sich der Betrag der Kraft F -Λ angeben zu

Fx_ = h Boθa

θ 3. bedeutet die Summe der Ankerströme im Leiter 10 der Anker- spule 2 (Ankerdurchflutung) . F behält einen auch dem Vorzeichen nach gleichbleibenden Wert, wenn beim Eintreten einer Magnetkante in den Eisenbereich jeweils die Richtung der Ankerströme umge¬ kehrt wird (Kommutierung). Die hierdurch erfaßte Wechselstrom- Anordnung mit rechteckförmigem Stromverlauf setzt in x-Richtung (Bewegungsrichtung) gleiche Längen für Magnete und die Pol¬ schenkel der transversalen Ankerelemente sowie eine sehr schnelle Stromänderung im Vergleich zur Bewegung voraus. Nach einem Weich¬ eisenelement ist für die Anordnung nach Fig. 1 jeweils eine Lücke mit gleicher Breite b vorhanden; ähnliches gilt für die ^" Magnete im beweglichen Teil.

Es sind dabei verschiedene Ausführungsformen der Ankerwicklung möglich. Gemeinsam ist diesen, daß die Spulenachsen mit der Richtung der Flußführung übereinstimmen, also auch senkrecht auf der Bewegungsrichtung stehen. Das beschriebene Modell läßt sich somit in mehreren anwendungsgerechten Versionen realisieren und kann grundsätzlich für rotierende oder lineare Bewegungen genutzt werden. Für das bewegliche Teil gilt, daß die Magnete in gleicher Teilung angeordnet werden.

Um eine hohe induzierte Spannung bzw. eine große Kraft je Pol¬ oder Ankerelement zu erzielen, ist eine Vervielfachung der Kraft und des Induktionseffektes erwünscht. Wie die oben erwähnte Rechnung zeigt, ist die Größe der induzierten Spannung von der Breite der Eisenteile b (in Bewegungsrichtung) unabhängig. Durch Verringerung dieser Abmessung und gleichzeitiger Verringerung der Magnetbreite kann somit eine Erhöhung der Maschineneffizienz bewirkt werden. Unabhängig von der Magnetbreite und damit der Zahl von Polelementen und Magneten pro Längeneinheit ist auch der wirksame Wicklungsquerschnitt. Die Verringerung der Polbreite steht somit nicht im Zusammenhang mit einer Schwächung der Kraft¬ wirkung je Polelement.

Für die Ankerwicklung bedeutet die Verringerung der Polteilung eine verstärkte Ausnutzung. Bei gegebener Bewegungsgeschwindig¬ keit v ist die Frequenz der notwendigen Stromänderungen gegeben durch v/2b. Die Kommutierungsgeschwindigkeit für die Richtungs¬ änderung des Ankerstromes hängt von der Größe der Induktivität der Ankerwicklung ab und ist proportional der wirksamen Spannungsdifferenz. Bei der Anwendung von Permanentmagneten zur Erregung der Luftspaltflußdichte B ist die magnetische Leit¬ fähigkeit des Ankerkreises verhältnismäßig klein, so daß die Ankerinduktivität ebenfalls gering und bei gegebener Anker¬ spannung die erzielbare Kommutierungsgeschwindigkeit verhält¬ nismäßig groß ist. Hierdurch lassen sich bei gegebener Leistungs¬ größe des Strom- oder Wechselrichters vergleichsweise hohe Betriebsfrequenzen erzielen. Es ist somit möglich, durch kleine Polteilungen eine hohe Kraftdichte, verhältnismäßig hohe in¬ duzierte Spannung und damit kleine Baugrößen bei hohem Wirkungs¬ grad zu realisieren.

Ein Vervielfachungsfaktor 2 ist dadurch erzielbar, daß ent¬ sprechend Fig. 2 anstelle einer Lücke in der Magnetbesetzung des beweglichen Teils ein in der Polarität gegenüber dem Magneten 12 nach Fig. 1 jeweils geänderter Magnet 12' (Südpol S gegenüber dem Nordpol N) angeordnet wird. Die induzierte Spannung und die Kraftwirkung verdoppeln sich hierdurch. Die je Ankerelement erzielbare induzierte Spannung beträgt nun 2hBv; während sich die

Kraftwirkung zu F = 2hB θ ergibt. x o a °

Voraussetzung für die hier angeführten Werte ist, daß im Anker¬ kreis keine nennenswerten Sättigungserscheinungen auftreten. Die obere Grenze für die Größe der Ankerdurchflutung Θ folgt aus den Überlegungen zur Begrenzung des Einflusses dieser Ströme auf das magnetische Feld innerhalb der Permanentmagnete. Je nach Magnetkennlinien (Zusammenhang zwischen B und H) lassen sich für

die angestrebten reversiblen Entmagnetisierungen die vom Strom ^θ erzeugten zulässigen Feldkomponenten ermitteln. Neue Magnet- materialien hoher Energiedichte ermöglichen ähnlich wie magnetisch harte Ferrite eine Entmagnetisierung bis etwa zur Flußdichte des Magneten B - o. Dies wird in jenen Magnetteilen erreicht, bei denen das von θ erzeugte Gegenfeld gleich der Leerlaufinduktion o

Offenbar ist in Anbetracht des großen magnetisch wirksamen Spaltes (Nutzspaltes) dies im allgemeinen ein sehr hoher Grenz¬ wert; er nimmt mit zunehmender Höhe der Permanentmagnete zu.

Bezieht man die erzielbare Kraft auf die Grundfläche der Magnete, also auf 2 h b (je Polelement), so ergibt sich die Kraftdichte zu

^F Ax = ^" ET ^θ a ^B o-

Im Vergleich zu den Wandlern mit longitudinalem Magnetfluß zeigt

1 ssiicchh nniun ein Faktor -r- Θ anstelle des sonst bekannten Strom- b a belags

Da der Wicklungsstrom θ sehr groß gewählt werden kann, und b in Anbetracht der Leiteranordnung in Bewegungsrichtung kleiner als bei hochausgenutzten Maschinen mit longitudinalem Fluß sein darf, lassen sich grundsätzlich hohe Kraftdichten erzielen. Die Heraus¬ nahme der stromführenden Ankerspule aus der unmittelbaren Durch¬ trittsfläche des magnetischen Flusses im Luftspalt läßt darüber hinaus höhere mittlere Flußdichten für den Magnetkreis zu und verstärkt so zusätzlich die ausführbare Schubkraftdichte. Nimmt man als Beispiel eine von Permanentmagneten erzeugte Flußdichte von B _{Q =} 1 _o T im Luftspalt (bei einer Remanenzinduktion von z.B. 1,3 T) und einer Magnethöhe von 3 cm, so folgt daraus der obere Grenzwert für die Ankerdurchflutung zu etwa 30 kA. Wird eine Polteilung von 6 cm ausgeführt, so entspricht dem ein -äquivalen¬ ter Strombelag von 5000 A/cm und eine Kraftdichte von 500 kN/m ² .

Dies ist ein Mehrfaches der mit Maschinen mit longitudinaler Flußrichtung erreichbaren Werte. Durch die weitgehend freizügige Gestaltung des Spulenquerschnittes und der Nut (außerhalb des Permanentmagneten) kann unabhängig von der Flußdichte im Luft¬ spaltbereich die Stromdichte so gewählt werden, daß die Anker¬ spule mit einer noch konventionellen Kühlung betrieben werden kann. Wie sich zeigt, lassen sich bei entsprechender Wahl der

Entwurfsparameter h,b,Bo der Ankerdurchflutung θ a sowie der

Magnethöhe außerordentlich verlustarme Maschinen mit einfachem geometrischen Aufbau realisieren. Strombeläge der Größenordnung von 5000 A/cm lassen sich bei Maschinen mit longitudinaler Flu߬ richtung nur zusammen mit Maßnahmen für eine außerordentlich --. intensive Kühlung (direkte Wasserkühlung) konzipieren. Bei Gleichstrommaschinen werden für Strombeläge dieser Größe bereits Supraleitungen (mit Kühlung durch flüssiges Helium) herangezogen. Mit der hier beschriebenen Maschine mit transversaler Flußführung wird noch bei der Anwendung indirekter Kühlmethoden ein Kraft¬ dichtebereich erschlossen, der bislang nur besonderen techno¬ logischen Anstrengungen und damit letzten Endes einem Maschinen¬ bereich größter Leistungsklassen vorbehalten war. Die neue Lösung ist dagegen auf kleine und große Leistungen anwendbar und er¬ fordert weder aus der Sicht der Kühltechnik noch bezüglich der Herstellungstechnologie ungewöhnliche Maßnahmen. Insbesondere durch die einfache Wicklungsführung läßt sich eine gute Anpassung an die Anwendungsbedingungen erreichen.

Die hier vorliegenden Funktionsbedingungen sowie die strom¬ führenden Spulen mit Leitern in Bewegungsrichtung lassen zylin- derförmige und scheibenförmige Anordnungen der Permanentmagnete auf den Läufern rotierender Maschinen zu. Bei den jetzt zu beschreibenden Ausführungsformen nach den Fig. 3 bis 8 sind die Läufer in Scheibenform ausgeführt.

Die Maschine nach Fig. 3 und 4 weist zwei Scheibenläufer 14 und 16 auf, die auf einer gemeinsamen Welle 12"angeordnet sind und die auf ihrem Umfang Permanentmagnete 15, 17 in der oben be¬ schriebenen Anordnung tragen, hier mit achsparalleler Flußrichtung. Den Läufern 14 und 16 sind die Polelemente 18 und 20 mit jeweils einer Ankerspule 22, 24 zugeordnet. Die Polelemente 18 und 20 sind an einem festehenden Konstruktionsteil 26 befestigt, der auch das Lager 28 für die Welle 19 enthält. Die Polelemente 18, 20 können radial von außen in das Konstruktionsteil 26 eingefügt und dort befestigt werden.

Die Scheibenform des Rotors ermöglicht einen einfachen Aufbau, wobe eine hohe Zahl von Magneten 15, 17 in Umfangsrichtung angeordnet werden kann. Die einzelnen Elemente von Rotor und Ankerkreis sind identisch ausgeführt. Die Umfangs- und Lagerkräfte werden über das Konstruktionselement 26 auf das Fundament abgestützt. Die Grundform dieser Maschine eignet sich auch als Vielscheibenanordnun

Das einzelne Polelement erfüllt wie beschrieben die Funktion einer Wechselstrommaschine mit über die stromführende Periode nahezu konstanter induzierter Spannung. Dabei ist zu beachten, daß die in Fig. 1 mit x = o bezeichnete Magnetlage der induzier¬ ten Spannung 0 entspricht. In dieser Stellung umfaßt die Anker¬ wicklung den Maximalwert des magnetischen Flusses. Gleichbe¬ deutend mit verschwindender induzierter Spannung ist der an dieser Stelle eintretende Rückgang der Schubkraft auf den Wert 0. Soweit Kommutierungs- und Feldverlauf nicht ideal rechteckförmige Verläufe aufweisen, ist im Bereich x = 0 daher mit einem Kraft¬ einbruch endlicher Ausdehnung zu rechnen.

Um in der Gesamtkraft, die auf eine Läuferscheibe wirkt, diesen Kraftrückgang weitgehend auszugleichen, kann der Leiterstrang von einem Wechsel- oder Stromrichter in mehrere elektrisch vonein-

ander unabhängige Teilstränge unterteilt werden, die mit phasen¬ verschobenen Strömen gespeist werden. Die Spulen 22 und 24 sind demgemäß in Gruppen zusammengefaßt, die jeweils Ströme gleicher Phasenlage führen. Entsprechend dieser Phasenlage sind die zuge¬ hörigen Ankerelemente in Bezug zum Polrad (in Umfangsrichtung) versetzt angeordnet. Damit entstehen mehrphasige Anordnungen, bei denen das Polrad selbst Magnete in äquidistanter Teilung auf¬ weist. Eine Überlappung von Spulen verschiedener Stränge wird vermieden.

Eine besonders einfache und verlustarme Ausführung der Anker¬ wicklung entsteht dadurch, daß die gleichphasig betriebenen Polelemente durch Spulen gespeist werden, die in Umfangsrichtung mehrere Polelemente in einem Spulenumlauf umschließen. Je nach Größe der Maschine erscheint es dann zweckmäßig, drei, vier oder mehrere Ankereinheiten mit jeweils einer gemeinsamen Spule aus¬ zuführen. Fig. 5 zeigt hierzu das Beispiel eines in vier Anker¬ einheiten unterteilten Stators 30 mit Ankereinheiten 32 mit jeweils acht Polelementen 3 , die eine gemeinsame Spule 36 um¬ fassen. Die Spulen 36 der vier Ankereinheiten 32 werden mit Strömen unterschiedlicher Phasenlage betrieben und sind gegenüber den Läuferelementen räumlich versetzt angeordnet.

Ein Betrieb der Maschine ist ohne einseitigen magnetischen Zug auf die Welle auch dann noch möglich, wenn einzelne Segmente durch ihren Wechselrichter abgeschaltet oder durch eine Störung nicht betriebsbereit sind. Es erscheint ebenso möglich, z.B. bei Wicklungsschaden, ein Teilsegment (oder mehrere) radial zu entfernen, ohne daß der Läufer ausgebaut oder die gesamte Maschine demontiert werden muß. Die restlichen Segmente sind auch ohne Änderung ihrer Stromspeisung weiterhin betriebsfähig. Die Vorteile eines in dieser Form modular aufgebauten Energiewandlers liegen in seiner Einfachheit und den damit verbundenen An¬ passungsformen an besondere Betriebsfälle.

Eine Schaltung mit einem Wechselrichter für die Ausführungsform nach Fig. 5 und 6 ist in Fig. 6a dargestellt. Die Schaltungs¬ anordnung entspricht weitgehend derjenigen einer mehrsträngigen Synchronmaschine mit Wechselrichterspeisung. Die einzelnen Wicklungsstränge, die hier mit W1 bis W4 bezeichnet sind, über¬ decken jeweils annähernd 90° des Umfangs der Maschine. Die ört¬ liche Verschiebung gegenüber den Magnetpolen M des Rotors beträgt zum Beispiel 1/4 der Polteilung. Dem entspricht auch der in Fig. 6b dargestellte Stromverlauf der einzelnen Stränge. Hier ist i ₁ (t)gegenüber i _? (t) um ^< T74 phasenverschoben, usw.

Der trapezförmige Stromverlauf entspricht in der Form dem zeit¬ lichen Verlauf der induzierten Spannung und führt somit zu einer hohen Kraftdichte bei geringen Verlusten. Der linear dargestellte Vorgang der Stromwendung ist eine Folge des Umschaltens im jeweiligen Stromsteller 11 bis 14. In bekannter Weise sind diese Schaltelemente aus Halbleitern so aufgebaut, daß sie zwei Strom¬ richtungen im angeschlossenen Schaltkreis zulassen. Als Energie¬ quelle für die Stromkreise der Wicklungsstränge ist die Gleich¬ spannung U. vorgesehen. Diese Spannung wird über eine Speise¬ leitung an die Eingangsklemmen der Stromsteller I.. bis I _ü gelegt.

Die störungsfreie Funktion der Maschine setzt bekanntlich eine Pollageerfassung P voraus, die jedem einzelnen Wicklungsstrang die relative Lage der Magneten M zu den Polelementen des Ankers vorgibt. Die Kenntnis der Pollage wird im Steuergerät C zur Bestimmung der Zündimpulse F (Ein- und Ausschaltimpulse) für die Halbleiterelemente der Stromsteller herangezogen.

Wird die Speisespannung U _d als konstant angesehen, verhält sich die Maschine weitgehend ähnlich wie eine an konstanter Anker¬ spannung mit fest vorgegebenem Erregerstrom betriebene Gleich¬ strommaschine. Die Leerlaufdrehzahl ist hierdurch eine feste Größe. Der Maximalwert der Ströme i bis i. ergibt sich wie das Drehmoment abhängig von der Drehzahl.

Um das Betriebsverhalten besser an die Betriebsbedingungen an¬ zupassen, wird normalerweise die Stellbarkeit der Ankerströme gefordert. Dies kann allgemein durch Veränderungen der wirksamen Spannung, z.B. also durch eine Stellmöglichkeit für U, erreicht werden. Vielfach wird darauf zurückgegriffen, daß die ohnehin vorhandenen Stromsteller 11 bis 14, die für die Kommutierung des Wechselstromes benötigt werden, auch zur Stromgrößenbeeinflussung Verwendung finden.

Es wird in diesem Falle durch mehrfaches Ein- und Ausschalten die Spannung mit pausenförmigen Intervallen an die Wicklung gelegt. Der über die Halbperiode des Stromes wirksame Spannungsmittelwert kann damit verringert und der Strom in seiner Größe zwischen einem Maximalwert und 0 eingestellt werden.

In Fig. 6a ist weiter angedeutet, daß die Signal erarbeitung in Steuergerät C auch unter Einbezug der Größe der Phasenströme i. bis i^ erfolgen kann. In einem geschlossenen Regelkreis, wie er etwa zur Erzielung einer konstanten Drehzahl Verwendung findet, werden diese Stromsignale benötigt. Es wird dann ein überlagerter Drehzahlregelkreis mit einer Drehzahlmessung und einem Regler verwendet, der den für den Stellvorgang notwendigen Strom ermittelt

Bei einer weiteren in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungs¬ form entstehen verringerte Wicklungsverluste dadurch, daß alle am Umfang angeordneten Polelemente 38 mit einer einzigen durch¬ gehenden Spule 40 induktiv gekoppelt sind. In diesem Fall kann auch der bei den Ausführungen nach den Fig. 3 bis 6 erforderliche Rückschluß der Spule entfallen, so daß die Masse des nichtaktiven Leiterteils auf ein Minimum beschränkt wird. In ihrer mechanischen Anordnung ist diese Maschinenform besonders vorteilhaft; sie läßt sich auf Generatoren und Motoren in gleicher Weise übertragen. Eine mehrsträngige Anordnung kann in diesem Falle z.B. für 2- oder Mehrscheibenanordnungen verwirklicht werden.

Soll die Zahl der Pole zum Beispiel aufgrund einer Vorgabe von Frequenz und Drehzahl gering gehalten werden, so geht mit der Polzahl die Kraft je Flächeneinheit zurück. Es erscheint dann erwünscht, die Wirksamkeit der Energieumwandlung durch andere Mittel weiter zu steigern. Ein Faktor 2 kann dadurch erzielt werden, daß in den bei den beschriebenen Ausführungen vorge¬ sehenen Zwischenräumen der Polelemente jeweils zusätzliche Magnetkreise angeordnet werden. Die in diesen zusätzlichen Pol¬ elementen erzeugten induzierten Spannungen sind im Vergleich zu denen der vorher bereits vorhandenen Elemente (bezogen auf den gleichen Wicklungssinn) entgegengerichtet. Sie verlangen also zur Erzielung eines positiven Beitrags eine besondere Wicklung bzw. eine Wicklung mit einem geänderten Anschluß an die Energiever¬ sorgung.

In den Fig. 5 bis 8 sind für vergleichbare ^' Bauelemente die für die Ausführung nach Fig. 3 und 4 verwendeten Bezugszahlen ein¬ getragen.

Das oben bei rotierenden Maschinen bestehende Prinzip läßt sich vorteilhaft auch bei linearen Antrieben realisieren. Hierbei stehen Anwendungen für die Transport- und Bahntechnik im Vorder¬ grund.

Eine Ausführung eines Linearmotors ist in Fig. 9 dargestellt, der in seinem Aufbau dem Prinzip nach Fig. 1 entspricht. Um eine auch der magnetischen Tragtechnik gemäße Form für die aktiven Elemente zu erreichen, ist hier ein Schnitt zwischen den Eisenoberflächen durch den Motor gelegt, der so gewählt ist, daß das magnetische Feld im Luftspalt sowohl Trag- als auch Traktionskräfte ent¬ wickelt.

Fig. 9 zeigt einen feststehenden Stator 42 und ein dazu beweg¬ liches Translatorelement 44. Zu erkennen sind die geradlinig ausgeführte Statorwicklung 43 und die feststehenden Polschenkel 46 mit einem Teil 12 des Joches 50, das die Wicklung 43 umgreift und das zur Unterdrückung der Wirbelströme lamelliert ist. Das Erregerteil besteht aus in Längsrichtung alternierend angeord¬ neten Permanentmagneten 52 und die auf dem Polschenkel 54 auf¬ liegen, der mit dem anderen Teil des Joches 50 verbunden ist. Die aus Weicheisen bestehenden Polschenkel können mit zusätzlichen Erregerspulen 56 erregt werden, wenn eine Kraftregelung, vor¬ genommen werden soll. Hierbei wird davon ausgegangen, daß die Permanentmagnete 52 den Nominalwert des Flusses zur Erzeugung der Tragkraft und die Erregerspulen 56 den zur Stabilisierung der Tragkraft notwendigen dynamischen Feldanteil im Zusammenwirken mit einer Spaltregelung erzeugen. Es ist bekannt, daß dieses Überlagerungsprinzip zu einem dynamisch hochwertigen Tragver¬ fahren gestaltet werden kann. Die regelbaren Tragkräfte werden somit von einem Linearmotor erzeugt, dessen Magnetfeld sowohl Trag- als auch Vortriebsfunktion simultan erfüllt. Hierdurch sind hohe Fahrgeschwindigkeiten bei geringeren Gesamtverlusten erziel¬ bar. Es wird ein einfaches Stromführungssystem bei guter Energie¬ nutzung und günstigen Betriebsbedindungen möglich.

Zusammenfassend lassen sich die hauptsächlichen Vorteile der beschriebenen Maschinenvarianten so beschreiben:

1. Es wird die Möglichkeit geschaffen, bei sehr kleinen

Maschinenabmessungen und geringen Massen für Wicklung und Magnetwerkstoffe die elektro echanische Energieumwandlung zu vollziehen.

2. Die transversale Flußführung ergibt bei kleinen Polteilungen die Möglichkeit, höhere Wirkungsgrade gegenüber Maschinen mit konventioneller Flußführung zu erzielen.

3- Durch Vergrößerung der Höhe der Permanentmagnete läßt sich die Größe der anwendbaren Ankerdurchflutung und damit die Kraft je Pol steigern, so daß sehr hohe Kraftdichten erreicht werden können.

4. Trotz hoher Kraftdichte läßt die geometrische Anordnung der Wicklung moderate Stromdichten und somit konventionelle Kühlung zu.

5. Das transversale Flußführungsprinzip ermöglicht Maschinen in Scheiben-, Zylinder- und Linearbauformen.

6. Durch die Verwendung von Permanentmagneten ergibt sich eine Wicklung mit geringer Induktivität, so daß schnell kommu- tierende Stromkreise entstehen, die mit einer hohen Frequenz betrieben werden können.

7. Die Maschine läßt sich in ihrer Bauform den mechanischen Erfordernissen gut anpassen und läßt z.B. bei rotierenden Maschinen einen Teilbetrieb auch nach Demontage einzelner Ankereinheiten zu, da Wicklungen verwendet werden können, die sich nicht überlappen.

8. Durch die hohen Kraftdichten lassen sich vorteilhaft Direkt¬ antriebe entwerfen, die beispielsweise mit Drehzahlen von 120 mm . -1 oder weniger arbeiten.

Bei den im nachstehenden zu beschreibenden Ausführungsformen nach den Fig. 10 bis 17 sind abweichend von den vorstehend beschrie¬ benen Ausführungsformen nebeneinander zwei Reihen von Permanent¬ magneten vorgesehen, die dem Nutzspalt in Flachanordnung zuge¬ ordnet sind. Miteinander fluchtende Permanentmagnete der beiden Reihen sind mit entgegengesetzter Polarität angeordnet. Die Permanentmagnete sind wie bei den vorstehend beschriebenen Aus¬ führungsformen mit dem beweglichen Teil verbunden. Diese Ver¬ bindungen sind bei den prinzipiellen Darstellungen nach den Fig. 10 bis 15 nicht dargestellt.

Fig. 10 zeigt eine doppelseitige Statoranordnung, bei der auf beiden Seiten jeweils Polelemente 60, 62 angeordnet sind, die mit den Stirnseiten ihrer Polschenkel 64 jeweils über einer der beiden Reihen 66, 68 von Permanentmagneten liegen. Die Teilung und damit die Polbreite in Bewegungsrichtung entspricht der Breite der Permanentmagnete in Bewegungsrichtung, die durch einen Pfeil wiedergegeben ist.

Die Polelemente 60 bzw. 62 sind jeweils in Abständen angeordnet, die der doppelten Teilung entsprechen. Die Polelemente 60 bzw. 62 auf den gegenüberliegenden Seiten der Permanentmagnete sind dabei jeweils um eine Teilung versetzt. Auf der den Polelementen gegenüberliegenden Seite der Permanentmagnetreihen sind jeweils magnetische Rückschlußelemente 70, 72 angeordnet. Von den Pol¬ elementen 60 auf der einen Seite und den Polelementen 62 auf der anderen Seite wird jeweils ein Strang 74, 76 einer Wicklung umschlossen. Diese Stränge erstrecken sich in Bewegungsrichtung und führen Ströme entgegengesetzter Richtungen. Sie können als Strangelemente einer Spule, die in vorbestimmten Abständen mit¬ einander verbunden sind, ausgeführt werden. Da die Ankerströme in den Leitersträngen 74, 76 damit in Gegenphase (1δ0°-Phasenver- schiebung) sind, entsteht so das erforderliche alternierende Ankerfeld. Die Leiterstränge 74 und 76 sind zwischen den Pol¬ elementen jeweils über die Rückschlußelemente 70, 72 hinweggeführt

Die Anordnung nach Fig. 10 ermöglicht hohe Nuträume, die aller¬ dings zu relativ großen Abmessungen der Polelemente führen. Zu beachten ist hier weiter die Größe der zwischen den Polelementen auftretenden magnetischen Streuflüsse.

Die Ausführungsform nach Fig. 11 unterscheidet sich von der nach Fig. 10 im wesentlichen durch eine verringerte Höhe der Pol¬ elemente 78 bzw. 80. Diese Verringerung der Polelemente wird möglich durch die Aufteilung der Ankerwicklung in zwei Leiter 82, 84, die jeweils gleichgerichtete Ankerströme führen. Die beiden Teilleiter 82 und 84 sind über die magnetischen Rückschlu߬ elemente 86 im Bereich von deren Schrägflächen geführt. Um dies zu ermöglichen, sind die beiden Teilleiter 82 und 84 jeweils mäanderband- oder wellenförmig angeordnet. Dies führt gegenüber dem gerade geführten Leiter nach Fig. 10 zwar zu einer geringen Verlängerung des Leiters. Als Vorteil ist jedoch herauszustellen, daß die zwischen den Polen auftretenden magnetischen Streuflüsse geringer sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 beschränkt sich der Streufluß überwiegend auf die unter den Leitern liegen¬ den Polbereiche, während oben und zur Mitte hin zwischen den Leitern kaum Streufelder auftreten. Die gleichgerichtete Durch¬ flutung der beiden Teilleiter 82 und 84 bewirkt allerdings inner- halb der Polelemente 78 bzw. 80 in deren Nutbereich ein quer zur Bewegungsrichtung verlaufendes Streufeld. Diese "Nutstreuung" ist im Vergleich zu derjenigen einer konventionellen Anordnung jedoch vergleichsweise klein, da die Nut sehr breit und das Polelement selbst in Bewegungsrichtung kurz ausgeführt ist. Zu erwähnen ist weiter der geringere Materialbedarf für die Polelemente.

Die beiden Reihen 88 und 90 der Permanentmagnete sind hier in gleicher Weise angeordnet wie bei der Ausführung nach Fig. 10.

Es ist möglich, die Ausführungsformen nach Fig. 10 und 11 auch mit einseitiger Ankeranordnung auszubilden. Es wird dann unter den beiden Magnetreihen ein ebenes Weicheisenteil als Rück¬ schlußelement für den magnetischen Fluß verwendet. Die strom¬ führenden Spulen und Ankerelemente sind auf der gegenüber¬ liegenden Seite angeordnet. Die bei den Ausführungen nach Fig. 10 und 11 als magnetische Rückschlüsse wirkenden Teile 70, 72 bzw. 86 übernehmen in diesem Fall die Funktion einer Feldabschirmung für den entsprechenden Polbereich. Die von den aktiven Elementen erregten Streuflußkomponenten treten hierdurch nicht in den Bereich der Permanentmagnete ein, sondern werden von den Schirmen aufgenommen und zum Nachbarpol zurückgeführt. Diese Schirmwirkung ist besonders vorteilhaft, wenn kleine Polteilungen verwendet werden und die Magnethöhe relativ groß ist und in die Größen¬ ordnung der Polteilung kommt. Da bei einseitiger Anordnung das den Magneten durchsetzende Ankerfeld nicht vorhanden ist, lassen sich die magnetischen Schirme mit etwas kleinerem Querschnitt dimensionieren als die als Rückschlußelemente wirkenden Elemente nach Fig. 10 und 11.

Es ist im allgemeinen zweckmäßig, zur Begrenzung des in den magnetischen Schirmen erzeugten Flusses den Abstand der Schirme zu den Magneten größer zu wählen als den Nutzspalt zwischen den aktiven Polelementen und der Magnetoberfläche. Die Anordnung eines zusätzlichen magnetisch wirksamen Spalts im Bereich der Schirmmitte kann den in Querrichtung verlaufenden Fluß der Per¬ manentmagnete schwächen, allerdings mit ^' negativer Rückwirkung auf die Streuflußumlenkung durch den Schirm.

Mit der doppelseitigen Anordnung der Polelemente und Spulen wird die Größe der Kraftwirkung verdoppelt.

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Zur Unterdrückung von Wirbelströmen und Eisenverlusten sind alle dem Ankerkreis zugehörigen Elemente geblecht oder in Pulver¬ technologie ausgeführt.

In Fig. 12 ist eine hinsichtlich des Feldverlaufs weitgehend symmetrische und in Bewegungsrichtung alternierend wirkende Anordnung mit zwei nebeneinanderliegenden Ankerleitern 92, 94 dargestellt, die gegensinnig vom Ankerstrom durchflössen werden. Die Polelemente 96 sind hier jeweils quer zur Bewegungsrichtung versetzt angeordnet, und zwar derartig, daß von jedem Polelement alternierend nur einer der beiden Ankerleiter 92 bzw. 94 um¬ schlossen wird. Die Anordnung bedingt, daß jeweils einer der Polschenkel 98 seitlich vom Polelement vorsteht, wie aus Fig. 12 ersichtlich, über diesen Polschenkel 98 ist dann jeweils der zweite Ankerleiter hinweggeführt. Diese Anordnung kann einen größeren Abstand a der beiden Reihen 100, 102 der Permanent¬ magnete bedingen. Die Ströme der beiden Ankerleiter 92 und 94 sind antiparallel. Sie können also Teile einer Spule sein. Die Form der Polelemente 96 ist gleich. Die Polelemente werden jedoch alternierend um 180° gewendet montiert. Auch die Ausführungsform nach Fig. 12 eignet sich gut für eine doppelseitige Anordnung zur Verdoppelung der Kraftwirkung. Fig. 13 zeigt eine Stirnansicht benachbarter Polelemente mit geraden Ankerleitern, im wesent¬ lichen entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 12. Streufeld¬ komponenten treten insbesondere in den sich unterhalb der Anker¬ leiter gegenüberstehenden Teile der Schenkel der Polelemente auf, während im Raum oberhalb und zwischen den Ankerleitern das Streu¬ feld verschwindet. Innerhalb der Polelemente tritt eine Nut¬ streuung bei verkürzter Nutlänge auf.

Während bei der Ausführungsform nach den Fig. 12 und 13 eine gerade Führung der Ankerleiter 92 und 94 vorgesehen ist, zeigt Fig. 14 eine Ausführungsform, bei der die Ankerleiter wie bei der

Ausführungsform nach Fig. 11 wellen- oder mäanderbandförmig geführt sind. Wie in Fig.14 dargestellt, sind die Ankerleiter jeweils in dem Bereich, in dem sie von den Polelementen um¬ schlossen werden, in kleinerem Abstand und in geringerer Höhe über dem Nutzspalt angeordnet als in den Bereichen, in denen sie außen an einem Polelement vorbeigeführt sind. In Fig. 14 sind die Leiterquerschnitte im Bereich des teilweise verdeckt liegenden Polelementes gestrichelt dargestellt, ebenso wie deren verdeckt liegende Außenkonturen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 14 werden geringere Abmessungen der Polelemente erzielt, wie durch den gestrichelt dargestellten Vergleichsquerschnitt der Anordnung nach Fig. 13 wiedergegeben. Weiter läßt sich bei dieser Aus¬ führungsform der Abstand a der beiden Magnetreihen 100, 102 verringern.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 15 sind nebeneinander zwei ähnliche Ankerteile mit Polelementen 104 vorgesehen, die hier, wie durch die gestrichelte Teilungslinie angedeutet, aus zwei Polteilen zusammengesetzt, aber auch einteilig ausgeführt sein können. Von den beiden Polelementen 104 wird jeweils ein Anker¬ leiter 106, 108 umschlossen, in denen Ströme in entgegengesetzter Richtung fließen. Die beiden Ankerleiter können damit Teile einer ebenen Spule sein, die in Querrichtung an ihren beiden Enden geschlossen ist. Diese Anordnung ergibt damit verhältnismäßig kleine effektive Wicklungslängen und geringe Verluste. Die beiden nebeneinander angeordneten Ankerteile arbeiten mit jeweils zwei Reihen 110, 112 und 114, 116 zusammen, von denen die äußeren Magnetreihen und die beiden inneren Magnetreihen jeweils gleiche Polarität haben, wie durch die Pfeile dargestellt. Unterhalb der beiden Reihen sind jeweils magnetische Rückschlußelemente 118, 120 vorgesehen. Wie aus den eingezeichneten Feldlinien ersicht¬ lich, ist die Platzausnutzung für die Magnetkreise und auch für die Stromkreise sehr günstig. Auch die Ausführungsform nach Fig. 15 läßt sich, wie die Ausführungsform nach Fig. 10 und 11, zweiseitig ausbilden.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind als Linear¬ antriebe dargestellt und beschrieben. Sie lassen sich aber auch ohne weiteres als rotierende Maschinen ausbilden. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 16 und 17 dargestellt. In Fig. 16 ist im Schnitt ein Teil einer rotierenden Maschine dargestellt. Diese weist einen Rotor 122 auf, der mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Welle verbunden ist, die in einem festen Gehäuse 124 gelagert ist, von dem auch nur ein Teil wiedergegeben ist. Der Rotor 122 trägt an seinem äußeren Umfang beidseitig jeweils einen zylindrischen Käfig 126 mit Ausnehmungen 128 und 130, die axial im Abstand voneinander liegen und zur Aufnahme von Per¬ manentmagneten zweier benachbarter Magnetreihen dienen. Die Permanentmagnete können in den Käfig eingeklebt werden. Ins¬ besondere bei Direktantrieben mit geringer Drehzahl, beispiels-

_ι weise im Bereich von 100 min sind bei einer solchen Bauweise

Schwierigkeiten durch auftretende Fliehkräfte nicht zu erwarten. Ein zweiter zylindrischer Käfig entsprechend dem Käfig 126 ist auf der linken Seite des Rotors 122 befestigt.

In dem Gestell 124 ist ein Gehäuse 132 eingesetzt; in dem der Ankerteil der Maschine untergebracht ist. Dieser Ankerteil ist hier ähnlich der Ausführungsform nach Fig. 10 ausgebildet mit Polelementeri 134, von denen die Ankerleiter 136 umschlossen werden. Auf der dem Polelement 134 jeweils gegenüberliegenden Seite der Permanentmagnete sind jeweils die magnetischen Rück¬ schlußelemente 138 angeordnet. Die Polelemente können auch geteilt ausgeführt sein, wenn dies für die Montage zweckmäßig oder notwendig ist. Der Ankerstrom fließt in den Ankerleitern 136 und 137 jeweils antiparallel. Die beiden Ankerleiter können damit Teile einer Spule sein. Zur Herstellung der Verbindung sind die Ankerleiter, wie in Fig. 17 dargestellt, an ihren Enden seitlich herausgeführt, wobei der Wicklungskopf 140, wie in Fig. 17 darge-

stellt, seitlich aus dem Ankergehäuse herausgeführt werden kann. In diesem Bereich können dann auch die Anschlüsse für den Wechselrichter vorgesehen werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann der Ankerfeldeinfluß durch Wahl der Höhe der Permanentmagnete gesteuert werden. Durch eine Begrenzung des Ankerfeldeinflusses durch Vergrößerung der Höhe der Permanentmagnete kann gleichzeitig die Kommutierungszeit und deren Einfluß auf die erzielbare mittlere Schubkraft limitiert werden.

Eine Beeinflussung des Streufeldes zwischen benachbarten Pol¬ elementen kann dadurch erreicht werden, daß das magnetische Rückschlußelement mit einem Jochteil versehen wird, das zwischen den beiden Leitersträngen nach oben gerichtet ist und sich bis zur Oberkante der Polelemente erstrecken kann. Auf diese Weise lassen sich Flußkomponenten direkt in das benachbarte Polelement einleiten. Hierdurch wird zwar eine gewisse Longitudinalkomponente eingeführt. Diese ist jedoch hinsichtlich des Streufeldes günstig und hinsichtlich der sonstigen Wirkung tolerierbar.

Aufgrund der geringen Masse des Läufers, sei er als Rotor oder Translator ausgebildet, der überwiegend nur aus den Permanent¬ magneten besteht, sind mit den beschriebenen Maschinen hohe Läuferbeschleunigungen erreichbar.

Abschließend sei noch einmal auf folgende Vorteile gegenüber konventionellen Anordnungen hingewiesen:

Es lassen sich größere Spulenquerschnitte bei günstiger Nutform ausführen.

Es sind verhältnismäßig kleine Polteilungen ausführbar.

Die Leiterlänge reduziert sich auf die doppelte Maschinenlänge bzw. den doppelten Maschinenumfang, ist also verhältnismäßig klein.

Der magnetisch notwendige Querschnitt kann freizügiger bemessen werden und hängt wesentlich weniger vom Leiterquerschnitt ab, so daß eine weitgehende Entkopplung zwischen magnetischen und elektrischen Ξntwurfsparametern erzielt wird und größere Flu߬ dichten im Polbereich zulässig sind.