Rotor

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Synchronmaschine, mit mehreren um den Rotorumfang verteilt angeordneten Permanentmagneten.

Eine Synchronmaschine mit einem Rotor, an dem mehrere um den Umfang verteilt angeordnete Permanentmagneten vorgesehen sind, wird üblicherweise auch als per manenterregte Synchronmaschine bezeichnet. Sie umfasst neben dem Rotor, mitun ter auch als Läufer bezeichnet, einen Stator, mitunter auch Ständer genannt, über den ein magnetisches Drehfeld erzeugt werden kann, das über einen Luftspalt mit dem Dauermagneten des Rotors koppelt. Zur Erzeugung des umlaufenden magnetischen Drehfelds ist am Stator üblicherweise eine dreisträngige und mit einem dreiphasigen Wechselstrom betriebene Wicklung vorgesehen. Durch die magnetische Wechselwir kung zwischen dem Drehfeld und einem von dem Dauermagneten des Rotors erzeug ten Erregerfeld ergibt sich das resultierende Drehmoment der Maschine.

Die Steuerung der Synchronmaschine erfolgt zumeist über einen Frequenzumrichter und eine Pulsweitenmodulation, worüber eine variable Drehzahl in einem relativ brei ten Drehzahlband geregelt werden kann. Wenn die Drehzahl des Rotors der Drehzahl des statorseitigen Drehfelds entspricht, ist ein stationärer Betrieb gegeben, das heißt, dass die Rotordrehzahl synchron zur Statorfelddrehzahl ist. Die Drehzahl definiert sich über die Frequenz der am Ständer anliegenden Spannung beziehungsweise des ständerseitigen Wechselstroms. Infolge der Wechselwirkung des statorseitigen Dreh felds mit dem rotorseitigen Drehfeld kommt es zu einer Spannungsinduktion in der Statorwicklung, wobei die induzierte Spannung mit zunehmender Drehzahl steigt. Die Spannungsinduktion resultiert aus einer Überlagerung der Statorflussverkettung mit der Rotorflussverkettung. Die maximal stellbare Spannung, die über die Steuer- res pektive Leistungselektronik eingeregelt wird, ist begrenzt. Ab einer gewissen Span nung kann der gewünschte erforderliche Strom nicht mehr gestellt werden, da die Spannungsgrenze erreicht ist. Bei hohen Drehzahlen befindet sich daher die Maschi- ne in einem sogenannten Feldschwächebereich. Um die Drehzahl dennoch weiter er höhen zu können, ist es erforderlich, das Magnetfeld des Rotors zu schwächen, so dass die statorseitige Spannung für die Einspeisung des erforderlichen Stroms aus reicht. Gleichzeitig soll der Rotor dennoch eine möglichst große Rotor- oder Perma nentmagnetflussverkettung erzeugen, damit hohe Grunddrehzahlmomente bei glei chem Maschinenvolumen erzeugt werden können. Dies führt allerdings zu ver gleichsweise hohen Eisenverlusten im Teillastbereich und damit zu einem schlechten Wirkungsgrad.

Um daher bei hohen Drehzahlen die gewünschte Feldschwächung zu erreichen, ist es bekannt, regelungstechnisch am Stator ein entsprechendes Gegenfeld zu erzeugen, also einen negativen Längsstrom einzuprägen, der das Gegenfeld erzeugt, das dem Rotormagnetfeld entgegenwirkt. Im Feldschwächebereich und in Betriebspunkten des unteren Teillastbereichs jedoch ist die über den negativen Längsstrom erreichbare Feldschwächung nicht effizient genug.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen Rotor anzugeben, der die Er zielung einer großen Feldschwächung bei geringem Drehmoment und hoher Drehzahl ermöglicht.

Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Rotor für eine Synchronmaschi ne vorgesehen, mit mehreren um den Rotorumfang verteilt angeordneten Perma nentmagneten, der sich dadurch auszeichnet, dass die Permanentmagnete axial ver schiebbar in einem axial positionsfesten Magnethalter angeordnet und mittels eines hydraulisch oder pneumatisch betätigbarem Stellmittels relativ zum Magnethalter be wegbar sind, derart, dass die Permanentmagneten mit einem Abschnitt reversibel aus dem Magnethalter heraus und hinein bewegbar sind.

Die Erfindung schlägt einen Rotor vor, mit der Möglichkeit, die magnetische Masse des Rotors, die zur Felderzeugung beiträgt, zu variieren und quasi durch eine „Ent nahme“ der magnetischen Masse aus dem Rotor das Feld gezielt zu schwächen. Er findungsgemäß ist hierzu vorgesehen, die Permanentmagnete, die in Umfangsrich tung äquidistant verteilt im Rotor aufgenommen sind, nicht fest im Magnethalter zu fi- xieren, also beispielsweise einzukleben, sondern sie axial verschiebbar im Rotor an zuordnen, d. h., dass sie axial relativ zu dem axial positionsfesten Magnethalter be wegt werden können. Die Permanentmagnete sind demzufolge zwischen einer Grundstellung, in der sie sich im Magnethalter befinden und in welcher sie im norma len Betrieb, wenn also keine Feldschwächung erforderlich ist, angeordnet sind, und einer maximal aus dem Magnethalter heraus bewegten Position verstellbar. Über die se axiale Verstellbewegung der Permanentmagnete ergibt sich demzufolge auch zwangsläufig eine Veränderung der Relativposition der Permanentmagnete und damit der magnetisch wirksamen Rotormasse relativ zum Stator, der axial positionsfest ist. Über diese axiale Verstellung kann, wenn eine Beschleunigung gewünscht wird und damit auch eine Erhöhung der Drehzahl und des Drehmoments benötigt wird, die magnetische Masse des Rotors erhöht werden, indem die Permanentmagnete in den Magnethalter hineinbewegt werden und damit mit maximaler radialer Überlappung zum Stator positioniert sind. Dies führt dazu, dass dann eine geringere Feldschwä chung und damit auch eine höhere Feldkopplung gegeben ist, sodass auch auf sehr hohe Drehzahlen beschleunigt werden kann, während gleichzeitig bei benötigtem ge ringerem Drehmoment und hoher Drehzahl die magnetische Masse, also die Perma nentmagneten, wieder axial aus dem Magnethalter bewegt werden können und dem zufolge eine große Feldschwächung bei gleichzeitiger Verringerung der gesamten Magnetisierung der Synchronmaschine gegeben ist.

Für die axiale Verstellung der Permanentmagnete ist ein hydraulisch oder pneuma tisch betätigbares Stellmittel vorgesehen, mit dem die Permanentmagnete gekoppelt sind. Das Stellmittel ist also hydraulisch oder pneumatisch gesteuert. Es würde ihm also, über eine Steuerungseinstellung gesteuert, gezielt ein Hydraulikfluid unter Druck zugeführt, oder Druckluft, um den Stellvorgang zu erwirken. Die Steuerungseinstel lung, die zum Beispiel den Betrieb der Elektromaschine steuert, reagiert auf einen Be schleunigungswunsch, der über ein entsprechendes Steuersignal gegeben wird, und steuert eine geeignete Pumpe oder dergleichen an, um das Hydraulikfluid oder die Druckluft mit dem benötigten Druck zuzuführen, sodass das Stellmittel die erforderli che Bewegung der Permanentmagnete erwirkt. Bevorzugt wird als Stellmittel ein axial positionsfester, konzentrischer Nehmerzylinder mit einem axial bewegbaren Kolben, der über ein Ausrücklager direkt oder indirekt mit den Permanentmagneten gekoppelt ist, verwendet. Ein solcher Nehmerzylinder, oft auch CSC (Concentric Slave Cylinder) genannt, ist ein im Kupplungsbau verwendetes Stellelement. Mit einem solchen Neh merzylinder kann die Stellaufgabe sehr exakt erfolgen, insbesondere in Verbindung mit der über die Steuerungseinrichtung gesteuerten Fluid- oder Gaszufuhr.

Der Nehmerzylinder selbst ist axial positionsfest, er ist zum Beispiel am Maschinen gehäuse befestigt. Über eine Leitung ist der Nehmerzylinder mit einer über die Steue rungseinrichtung gesteuerten Fördereinrichtung verbunden, über die das Fluid oder Gas mit dem benötigten Druck und der benötigten Menge, in deren Abhängigkeit ge steuert wird, wie weit die Permanentmagneten bewegt werden, zugeführt wird. Das Fluid oder Gas wird in einen Zylinderraum gepresst, sodass der Kolben des Neh merzylinders entsprechend axial verschoben wird. Mit dem Kolben wird auch das Aus rücklager axial verschoben, Gas mit dem Permanentmagneten direkt oder indirekt, worauf nachführend noch eingegangen wird, gekoppelt ist. Über das Ausrücklager, das bekanntlich als Wälzlager ausgeführt ist, wird die rotierende Seite mit der nicht ro tierenden Seite verbunden. Mit der Kolbenverschiebung einher geht die Bewegung der Permanentmagnete und damit deren Verstellung relativ zum axial positionsfesten Magnethalter und damit aber auch zum axial positionsfesten Stator. Die Anordnung ist beispielsweise derart, dass die Permanentmagneten bei anliegendem Fluid- oder Gasdruck aus dem Magnethalter bewegt werden, um die Feldschwächung aufzubau en, und wieder in den Magnethalter zurückbewegt werden, wenn die Feldschwächung wieder abgebaut werden soll, was durch Reduzierung des Fluid- oder Gasdrucks im Nehmerzylinder erfolgt. Auf diese Weise kann über das erfindungsgemäß vorgesehe ne Stellmittel eine einfache, betriebspunktbezogene Axialverschiebung der Perma nentmagnete zur Erwirkung der Feldschwächung erreicht werden, in gleicher weise aber auch wieder abgebaut werden.

Ein zentrales Merkmal hierbei ist, dass die Permanentmagneten wie beschrieben axial verschiebbar im Magnethalter aufgenommen sind. Hierzu sind die Permanentmagne ten zweckmäßigerweise in parallel zur Drehachse des Rotors verlaufenden, axial beidseits offenen Nuten aufgenommen. Am einen offenen Nutende erfolgt die Kopp lung zum Stellmittel, auf die konkret nachfolgend noch eingegangen wird. Am anderen offenen Nutende werden die Permanentmagneten aus dem Magnethalter herausge- schoben. Die Montage der Permanentmagneten ist denkbar einfach, sie sind lediglich in die Nuten axial einzuschieben.

Dabei sind die Permanentmagnete zweckmäßigerweise in den Nuten radial festgelegt, sodass keine Radialbewegung der Permanentmagnete auch bei hohen Fliehkräften gegeben ist. Die jeweilige Nut selbst kann radial geschlossen sein, oder radial offen, jedoch beidseits hinterschnitten sein etc. Wichtig ist, dass die Permanentmagneten einerseits axial verschiebbar, jedoch radial positionsfest aufgenommen sind.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete gemeinsam mit einem über das Stellmittel axial bewegbaren Schiebeelement gekop pelt sind. Es werden demzufolge alle Permanentmagnete synchron axial bewegt. Hier für sind sie zweckmäßigerweise alle mit einem gemeinsamen Schiebeelement gekop pelt respektive verbunden, das wiederum mit dem Stellmittel, also bevorzugt dem Ausrücklager des Nehmerzylinders, gekoppelt ist. Wird demzufolge der Nehmerzylin der angesteuert und der Kolben axial verschoben, so wird mit ihm auch das Ausrück lager und über dieses auch das Schiebeelement axial verschoben, was wiederum in Folge der Kopplung der Permanentmagnete mit dem Schiebeelement auch zu einer axialen Magnetverschiebung führt. Im Falle eines Abbaus des Steuerdrucks erfolgt die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung.

Zur Kopplung des Schiebeelements mit den Permanentmagneten ist das Schiebeele ment zweckmäßigerweise als Schiebering ausgeführt, der mit jeweils einem Perma nentmagneten gekoppelte Finger aufweist. Der Schiebering weist also quasi kranz förmig von ihm axial abstehende Finger auf, die jeweils mit einem Permanentmagne ten gekoppelt sind. Beispielsweise greifen die Finger in die axial offene Nut ein Stück weit ein und sind in der Nut mit dem Permanentmagneten verbunden. Hierüber kann eine sichere Stellbewegung und gleichzeitig Führung erreicht werden.

Dabei kann vorgesehen sein, dass das Schiebeelement, insbesondere dessen Finger, mit den Permanentmagneten über Formschlussverbindungen, insbesondere Rastver bindungen, gekoppelt ist. Dass heißt, dass die Finger und die Magnetenden entspre chende Koppelgeometrien, zum Beispiel Rastabschnitte oder ineinander greifende Nutabschnitte oder dergleichen aufweisen, die im Rahmen der Montage in Wirkver bindung gebracht werden, sei es vor dem Einschieben der Permanentmagnete in den Nuten, sei es, wenn diese sich bereits darin befinden und der Schiebering positioniert wird oder dergleichen.

Wie bereits beschrieben, ist das Stellmittel bevorzugt an axial positionsfester, kon zentrischer Nehmerzylinder, der über eine Steuerungseinrichtung mit einem Fluid oder Gas zum Durchführen der Stellbewegung entsprechend angesteuert wird. Bei Aufbau des Steuerdrucks erfolgt die Kolbenbewegung und mit ihr die Axialbewegung des Ausrücklagers und damit auch beispielsweise des Schieberrings und der gekoppelten Permanentmagnete, diese werden hierbei beispielsweise aus dem Magnethalter her ausgeschoben. Um die Magnete wieder zurückzuholen, wenn der Steuerdruck been det wird, sieht eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die axiale Bewegung der Permanentmagnete gegen eine, vorzugsweise über ein Fe derelement, insbesondere eine Schraubenfeder, erzeugte Rückstellkraft erfolgt. Dass heißt, dass die beispielsweise herausschiebende Stellbewegung gegen die Federkraft eines Federelements erfolgt, es wird also eine Rückstellkraft bei dieser Ausschiebe- bewegung aufgebaut, die dann, wenn die Permanentmagnete wieder zurückbewegt werden sollen, der Rückwärtsbewegung dient respektive diese unterstützt. Bevorzugt wird hierfür eine Schraubenfeder verwendet, also ebenfalls ein zylindrisches Bauteil, das auf einfache Weise entsprechend integriert werden kann.

Um dies zu ermöglichen, ist beispielsweise das Schiebeelement gegen das an einem axial positionsfesten Lagerbund einer Rotorwelle abgestützte Federelement beweg bar. Das Federelement, also beispielsweise die Schraubenfeder, ist gemäß dieser Er findungsausgestaltung zwischen das Schiebeelement respektive den Schieberring, der einen entsprechenden Lagerbund oder dergleichen aufweist, und einen positions festen, an einer Rotorwelle vorgesehenen Lagerbund gesetzt respektive dazwischen verspannt. Bei einer Verschiebebewegung des Schiebeelements zum Herausschie ben der Permanentmagnete wird die Schraubenfeder komprimiert und die Rückstell kraft aufgebaut, bei einem Abbau des Steuerdrucks im Nehmerzylinder, wenn also axial kein hoher Stelldruck anliegt, schiebt die sich dann entspannende Schraubenfe- der dieser Stellmimik umfassend Schiebeelement, Ausrücklager und Kolben wieder zurück, dabei die Permanentmagnete wieder rückstellend.

Neben dem Rotor selbst betrifft die Erfindung ferner eine Synchronmaschine, umfas send einen Rotor der vorstehend beschriebenen Art. Es handelt sich demzufolge um eine permanent erregte Synchronmaschine.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnah me auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor mit in der Grundstellung befindlichen Permanentmagneten, und

Figur 2 die Anordnung auf Figur 1 mit axial ausgeschobenen Permanentmagneten.

Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1, mit einem Maschinengehäuse 2, in dem ein Stator 3 mit einem Blechpaket und Statorwicklungen 4 sowie ein erfindungsgemäßer Rotor 5 aufgenommen ist. Der Rotor 5 ist über entsprechende Wälzlager 6 drehbar im Maschinengehäuse 2 in an sich be kannter Weise gelagert. Der Rotor 5 weist eine Rotorwelle 7 auf, an der ein Magnet halter 8 axial positionsfest angeordnet ist. Flierzu ist an der Rotorwelle 7 ein Radial bund 9 vorgesehen, der den einen axialen Anschlag für den Magnethalter 8 bietet. An der anderen Seite ist ein Anschlagring 10, der über einen Sicherungsring 11 axial ge sichert ist, zur axialen Abstützung vorgesehen.

In dem Magnethalter 8 sind, äquidistant um seinen Umfang verteilt, mehrere Nuten 12 vorgesehen, die beidseits axial offen sind. In jeder Nut 12 ist ein länglicher, stabförmi ger Permanentmagnet 13 angeordnet, der in der Nut 12 axial verschiebbar aufge nommen ist, also relativ zum Magnethalter 8 axial bewegt werden kann, jedoch radial fixiert ist, sodass er sich nicht fliehkraftbedingt radial bewegen kann. Zur Axialverstellung der Permanentmagnete 13 ist ein hydraulisch, alternativ auch pneumatisch gesteuertes bzw. betätigbares Stellmittel 14 vorgesehen. Dieses Stell mittel 14 umfasst einen konzentrischen Nehmerzylinder 15 bzw. ist als solcher ausge führt. Der Nehmerzylinder 15 weist einen Zylinder 16 und einen darin axial verschieb baren Kolben 17 auf. Er kann im Zylinder 16 axial bewegt werden, indem mittels einer über eine nicht näher gezeigte Steuerungseinrichtung gesteuerte Fördereinrichtung 18 über eine Leitung 19 ein Hydraulikfluid oder ein Gas unter Druck und in geeigneter Menge gesteuert zugeführt wird. Das Fluid oder Gas wird in den Zylinderraum 20 ein gedrückt, sodass der Kolben 17 axial verschoben werden kann.

Der Kolben 17 ist mit einem Ausrücklager 21 gekoppelt, das zwei Lagerringe 22, 23 aufweist, zwischen denen Wälzkörper in Form von Kugeln 24 wälzen. Der Kolben 17 ist mit dem Lagerring 22 verbunden. Der Lagerring 23 hingegen ist mit einem Schie beelement 25 in Form eines Schieberings 26 verbunden respektive dieses Schiebe element 25 ist axial am Lagerring 23 abgestützt. Über dieses Schiebeelement 23 res pektive den Schiebering 26 erfolgt die Kopplung des Stellmittels 14 mit allen Perma nentmagneten 13. Der Schiebering 26 weist hierzu eine entsprechende Anzahl an Nu ten 12 vorgesehene Anzahl an sich axial erstreckenden Fingern 27, die endseitig je weils eine Formschlussgeometrie 28 in Form eines Hakens oder Ähnliches aufweisen. In vergleichbarer Weise weisen auch die Permanentmagnete 13 endseitig eine ent sprechende, form kompatible Formschlussgeometrie 29 auf, ebenfalls hakenförmig, wobei, siehe Figur 1 , beide hakenförmigen Formschlussgeometrien 28, 29 ineinander verhaken oder miteinander verrasten etc. In jedem Fall ist eine Formschlussverbin dung gegeben, die sicherstellt, dass bei einer Bewegung des Schieberings 26 zwangsläufig auch die Permanentmagnete 13 allesamt synchron bewegt werden.

Figur 1 zeigt die Position, in der alle Permanentmagnete 13 axial gesehen maximal in den Magnethalter 8 eingezogen sind. Dass heißt, dass die magnetisch wirksame Masse des Rotors 5 maximal ist, da die Permanentmagnete 13 in maximaler Überlap pung zum Stator 3 angeordnet sind und demzufolge der größtmögliche magnetisch wirksame Masseanteil zur Felderzeugung dient. Soll nun für eine Drehzahlerhöhung eine Feldschwächung erwirkt werden, so wird über die Fördereinrichtung 18 ein Fluid oder Gas in den Zylinderraum 20 gedrückt, was dazu führt, dass der Kolben 17 axial verschoben wird. Mit ihm wird auch das Aus rücklager 21 axial verschoben wie auch der Stellring 26 und mit ihm natürlich alle ge koppelten Permanentmagnete 13. Die Permanentmagnete 13 werden in Folge dieser Schiebebewegung axial aus den jeweiligen Nuten 12 und damit auch aus dem Mag nethalter 8 herausgeschoben, wie Figur 2 zeigt, wo ersichtlich dass rechte Ende der Permanentmagnete 13 axial ein kurzes Stück aus dem Magnethalter 8 herausge schoben ist. Ersichtlich nimmt demzufolge die magnetisch wirksame Masse im Rotor 3 ab.

Die Verstellbewegung erfolgt gegen die Rückstellkraft eines Federelements 30, hier in Form einer Schraubenfeder 31. Diese ist axial einerseits am Lagerbund 9 der Rotor welle 7 abgestützt, also an einem positionsfesten Auflager. Das andere Ende der Schraubenfeder 31 ist an einem Lagerbund 32 des Schieberings 26 abgestützt, der axial beweglich ist. Wird also ausgehend von der in Figur 1 gezeigten Grundstellung bei Ansteuerung des Nehmerzylinders 15 der Schiebering 26 nach rechts geschoben in die in Figur 2 gezeigte Position, so wird zwangsläufig die Schraubenfeder 31 kom primiert, sie baut eine Rückstellkraft auf. Solange der hohe Stelldruck im Nehmerzy linder 15 anliegt, bleibt es bei der eingenommenen Position, in der die Permanent magnete 13, je nach Höhe des Steuerdrucks, mehr oder weniger weit für die ge wünschte Feldschwächung aus dem Magnethalter 8 geschoben sind. Soll die Feld schwächung wieder aufgehoben werden, so wird der Steuerdruck im Nehmerzylinder 15 reduziert, was dazu führt, dass die komprimierte Schraubenfeder 31 den Schiebe ring 26 wieder zurückschiebt, also ausgehend von Figur 2 wieder nach links drückt, dabei auch das Ausrücklager 21 und den Kolben 17 wieder zurückschiebend. Mit der Rückwärtsbewegung des Stellrings 26 einher geht zwangsläufig aber auch das Zu rückziehen der mit dem Stellring 26 fest verbundenen Permanentmagnete 13, diese werden wieder in den Magnethalter 8 hineingezogen, bis sie ihre in Figur 1 gezeigte Grundstellung einnehmen.

Die Feldschwächung wird erwirkt, wenn eine Drehzahlerhöhung gewünscht wird und ein höheres Drehmoment anliegen soll. Dass heißt, wenn ein entsprechender Be- schleunigungswunsch anliegt, wird der Nehmerzylinder 15 entsprechend angesteuert und der Stelldruck aufgebaut, was in einer Verschiebung der Permanentmagnete 13 resultiert. Die Verschiebelänge wird entsprechend der benötigten Feldschwächung eingestellt, indem der entsprechende hydraulische oder pneumatische Stelldruck über die nicht näher gezeigte Steuerungseinrichtung angepasst wird. Das heißt, dass die Permanentmagnete 13 nur so weit herausgeschoben werden, wie die magnetische Masse für die gewünschte Feldschwächung reduziert werden soll.

Mit Erreichen wiederum einer konstanten Drehzahl nimmt das benötigte Drehmoment wieder ab. Die Drehzahl wird erfasst und seitens der Steuerungseinrichtung der Fluid oder Gasdruck im Nehmerzylinder 15 wieder abgebaut. Das Federelement 30 stellt den Kolben 17 samt Ausrücklager 21 und Stellring 26 wieder zurück und die Perma nentmagnete 13 werden wieder eingezogen.

Bezuqszeichenliste

Synchronmaschine

Maschinengehäuse

Stator

Statorwicklung

Rotor

Wälzlager

Rotorwelle

Magnethalter

Lagerbund

Anschlagring

Sicherungsring

Nut

Permanentmagnet

Stellmittel

Nehmerzylinder

Zylinder

Kolben

Fördereinrichtung

Leitung

Zylinderraum

Ausrücklager

Lagerring

Lagerring

Kugel

Schiebeelement

Schiebering

Finger

Formschlussverbindung

Formschlussverbindung

Federelement

Schraubenfeder

Lagerbund