Synchronmaschinen, insbesondere mit Permanentmagneterregung sind beispielsweise als sogenannte Servoantriebe in Produkti- onsmaschinen, vorzugsweise Werkzeugmaschinen eingesetzt. Zur Steigerung der Produktivität müssen dabei neben den Bearbei- tungszeiten auch sogenannte Nebenzeiten der Werkzeugmaschinen möglichst kurz gehalten werden. In den Nebenzeiten werden An- triebe beschleunigt und im Eilgang verfahren. In dieser Phase kommt es auf das kurzzeitige Beschleunigungsvermögen der An- triebe an. Das Beschleunigungsvermögen hängt von den zu be- schleunigenden Massen, als auch von der Drehmomentabgabe des jeweiligen Antriebs ab. Die Drehmomente sind insbesondere bei Direktantrieben von großer Bedeutung, da eine Drehmomentwand- lung über ein Getriebe entfällt.

Der Erfindung liegt dem zufolge die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine insbesondere eine Synchronmaschine zu schaffen, die besonders in der Beschleunigungsphase ein ver- gleichsweise hohes Drehmoment liefert. Die elektrische Ma- schine soll dabei kompakt und für möglichst viele Anwendung u. a. im Bereich der Industrie einsetzbar sein.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Syn- chronmaschine mit einem Stator, mit einem Wicklungssystem, das eine Bruchlochwicklung mit q : g 0, 5 aufweist, mit einem Rotor, der Permanentmagneten und einen Induktionskäfig zur asynchronen Nutzung subharmonischer Luftspaltfelder aufweist und die Polzahl des Rotors der Synchronmaschine größer als

die Grundpolzahl des durch das Wicklungssystem des Stators erzeugten Luftspaltfeldes ist.

Das von dem Wicklungssystem des Stators erzeugte Luftspalt- feld beinhaltet im Sinne der Spektralanalyse neben der ge- wünschten Arbeitspolzahl, die auch als Grundpolzahl des Sta- tors bezeichnet wird, eine unendliche Anzahl von weiteren harmonischen Wicklungsfeldern, die in gewissen Fällen noch um subharmonische Wicklungsfelder ergänzt werden. Bei den be- kannten Motorkonzepten wird bisher lediglich das Luftspalt- grundfeld genutzt.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion der dreiphasigen Syn- chronmaschine werden nunmehr auch die in Richtung des syn- chron genutzten Luftspaltnutzfeldes umlaufenden subharmoni- schen Wicklungsfelder, die auch als mitlaufende Subharmoni- sche bezeichnet werden, in Verbindung mit dem Induktionskäfig zur asynchronen Drehmomentenbildung genutzt. Vorteilhaft sind Wicklungssysteme, die sowohl für das synchron genutzte Luft- spaltnutzfeld als auch für das asynchrone subharmonische Luftspaltfeld hohe Wicklungsfaktoren aufweisen. Die Größe des Wicklungsfaktors wird dabei von der Anzahl der Spulenseiten und der Art ihrer Verteilung am Umfang bestimmt. Damit ist er von der normalen Zonenbreite bzw. der Zahl der Spulenseiten je Wicklungszone, vom Maß der Sehnung und der Größe der Zo- nenänderung abhängig. Der Wicklungsfaktor kann somit in drei Teilfaktoren zerlegt werden ; den Zonenfaktor, den Sehnungs- faktor und den Unterschiedsfaktor.

Der Stator besteht allgemein aus einem genuteten Blechpaket mit axialen verlaufenden Nuten in denen sich eine dreiphasige Drehstromwicklung befindet. Das Wicklungssystem ist dabei so ausgeführt, dass es zur Nutzung von mindestens zwei Drehfel- dern unterschiedlicher Polzahl aber gleicher Drehrichtung ge- eignet ist. Der Wicklungsfaktor sollte dabei mindestens 0,5 sein. Dieser grundsätzliche Aufbau der dreiphasigen Synchron- maschine ist für klassische Drehstromwicklungen ebenso geeig-

net. Vorzugsweise lassen sich aber besonders bei Zahnspulen- wicklungen des Stators die subharmonischen Effizient zur Drehmomentnutzung heranziehen. Unter Zahnspulen werden dabei konzentrierte Spulen verstanden, die jeweils einen mechani- schen Pol oder Zahn umfassen und somit Hin-und Rückleiter der Spule in unmittelbar benachbarten Nuten angeordnet sind.

Die Spulen können dabei vorzugsweise vorgefertigt zur Verfü- gung gestellt werden.

Die Permanentmagnete sind entweder auf der Rotoroberfläche oder im Blechpaket des Rotors eingebettet. Die Induktionslei- terschleifen befinden sich in Nuten des Rotors oder in Um- fangsrichtung betrachtet zwischen den Permanentmagneten.

In einer weiteren Ausführungsform sind Induktionskäfig und Permanentmagneterregung in hintereinander axial angeordneten Teilen des Rotors untergebracht.

Der Unterschied zu bekannten Synchronmaschinen mit Indukti- onsschleifen z. B. Synchronmotoren mit Dämpferkäfig besteht u. a. darin, dass diese bekannten Maschinen im stationären synchronen Bereich gewollt kaum Ströme in der Induktions- schleife aufweisen, weil dort die Grundpolzahl des Stators genutzt wird und die Statoren für geringe Oberwellen ausge- legt sind. Damit gibt es im Bezug auf die genutzte Polzahl keine subharmonische Polzahl des Stators, die einen Strom in Induktionsschleifen des Rotors induzieren können. Die syn- chrone und asynchrone Nutzpolzahl ist bei den bekannten Syn- chronmaschinen gleich der Grundpolzahl des Stators.

Aufgrund seines vorteilhaften Drehmomentverhaltens, ist eine erfindungsgemäße Synchronmaschine auch für Traktionsantriebe von elektrischen Triebfahrzeugen geeignet, da dort vor allem während der Beschleunigungsphase ein maximales Drehmoment be- nötigt wird. Eine erfindungsgemäße Synchronmaschine ist vor- teilhafterweise als Direktantrieb bei Triebfahrzeugen ein-

setzbar, indem die Welle z. B. einen Abschnitt der Achse eines Radsatzes des Triebfahrzeuges umgibt.

Erfindungsgemäß stellt damit eine derartige kompakte, leis- tungsfähige Synchronmaschine einen optimalen Antrieb für An- wendungszwecke dar, die bei kleinem Bauvolumen ein maximales Beschleunigungsvermögen benötigen, wie z. B. Traktionsantriebe Werkzeugmaschinen oder andere Produktionsmaschinen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung sowie weitere Ausführungsbeispiele sind den schematisch dargestellten Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen : FIG 1,2, 3 mehrere Ausführungsbeispiele eines Rotors mit Per- manentmagneterregung und Dämpferkäfig, FIG 4 Rotor mit Flusskonzentrationsanordnung der Permanent- magnete, FIG 5 Querschnitt einer erfindungsgemäßen elektrischen Ma- schine, FIG 6 einen Rotor dieser elektrischen Maschine, FIG 7 einen weiteren Rotor dieser elektrischen Maschine FIG 8 Darstellung der Lochzahlenmatrix möglicher Wicklungsva- rianten in Abhängigkeit der Nutzahl N1 des Stators und Grundpolzahl PGS- FIG 1 zeigt in prinzipieller Darstellung einen Stator 1 und einen Rotor 2 einer nicht näher dargestellten elektrischen Synchronmaschine. Der Rotor 2 ist dabei auf einer nicht näher dargestellten amagnetischen Welle in bekannter Art und Weise positioniert. Die Permanentmagnete 3 sind am Luftspalt 5 der Synchronmaschine angeordnet. Die Permanentmagnete 3 werden dabei durch an sich übliche Befestigungsmittel am Rotor 2 be- festigt. Der Induktionskäfig 4 ist radial unterhalb der Per- manentmagnete 3 im Blechpaket des Rotors 2 angeordnet und

weist als Stabzahl die doppelte Nutzpolzahl 2PNS des Stators 1 auf. Die Permanentmagnete 3 bestehen vorzugsweise aus Sel- tenerdmagneten. Der Induktionskäfig 4 kann ähnlich wie bei Käfigläufermotoren aus Aluminium-oder Kupferdruckguss herge- stellt oder aus verlöteten oder verschweißten Stäben gefer- tigt sein. Ebenso kann der Induktionskäfig 4 aus Litzenlei- tern aufgebaut sein.

Litzenleiter bestehen aus jeweils einzelnen Filamenten, die gegebenenfalls unterschiedliche Durchmesser und/oder Quer- schnittsformen aufweisen. Durch die Wahl der Querschnitte der einzelnen Filamente des Litzenleiters lässt sich die Steifig- keit bzw. Flexibilität in vorbestimmbarer Weise beeinflussen.

Ebenso können sie Filamente künstlich aufgebrachte Isolati- onsschichten aufweisen.

Dadurch lässt sich gegebenenfalls das Bauvolumen einer Syn- chronmaschine weiter verringern.

Der Stator 1 erzeugt Luftspaltfelder mit unendlich vielen Polzahlen. Die niedrigste Polzahl wird als Grundpolzahl 2PGS des Stators 1 bezeichnet. Die synchron genutzte Polzahl wird als Nutzpolzahl des Stators 1 mit 2pNs bezeichnet. Alle Pol- zahlen, die von 2pNs abweichen, können in den Induktionslei- tern des Rotors 2 Spannungen induzieren. Durch die erfin- dungsgemäßen Ausgestaltungen der Synchronmaschine wird dafür gesorgt, dass im wesentlichen durch eine Polzahl Ströme in den Induktionsleiterschleifen, d. h. dem Induktionskäfigs 4 induziert wird. Diese soll die asynchron genutzte Polzahl 2pNA sein. Diese ist kleiner als die synchron genutzte Pol- zahl und kann gleich der Grundpolzahl 2pos des Stators 1 sein.

2PGS < 2PNA < 2PNS-

FIG 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rotors 2, bei der die Stabzahl des Induktionskäfigs 4 der Nutzpolzahl 2PNS entspricht.

FIG 3 zeigt einen Induktionskäfig 4 des Rotors 2, bei dem die Stabzahl des Induktionskäfigs 4 der halben Nutzpolzahl 2PNS entspricht.

Alternativ zur Anordnung der Permanentmagnete 3 am Luftspalt können Permanentmagnete 3 auch nach dem Flusskonzentrations- prinzip im Blechpaket des Rotors 2 integriert angeordnet sein. Dabei sind die Permanentmagnete 3 im wesentlichen radi- al innerhalb des Induktionskäfigs 4 angeordnet.

Mitlaufende Subharmonische treten nur bei Bruchlochwicklungen des Stators 1 auf, bei denen der Nenner N der Lochzahl q mit q = z/N, größer als 6 ist, d. h. es muss gelten N>6 ; damit sind nur die gemäß FIG 8 auf- geführten Wicklungsvarianten zielführend.

Durch das hohe zusätzliche Beschleunigungsmoment in Folge der Abdämpfung der mitlaufenden Subharmonischen ist daher der Einsatz bei Beschleunigungsantrieben besonders vorteilhaft.

Insbesondere bei Produktionsmaschinen lassen sich derartige Synchronmaschinen vorteilhaft einsetzen.

Ein wesentliches Auslegungskriterium ist die Drehrichtung der Drehfelder. Die Drehrichtung von 2pNA muss der der synchronen Nutzpolzahl 2PNS entsprechen. Damit muss folgendes Kriterium erfüllt sein : 2pNS 2pNA + i x 3, wobei i = 1, 2 usw. ist.

Es ergibt sich damit die Menge der Statorpolzahlen 2PST ZU

2PST = 2PGS...., 2PNS.... ; dabei ist 2PST gleich oder größer als 2PGS und 2PNS ist größer als 2PGS, der Rotorpolzahl durch Permanentmagnete zu 2PRS = 2pins, der Rotorpolzahlen durch Induktionsleiterschleifen zu 2PRA =..., 2pNA...

Das Verhältnis Spulenweite isp zur Weite der Polteilung ip liegt dabei insbesondere bei 2,66 < isp/Tp während es bei bekannten elektrischen Maschinen unter 1,33 liegt. Die Polteilung wpbezeichnet dabei den Abstand zweier ungleichnamiger Pole.

FIG 5 zeigt einen permanenterregten Synchronmotor 10 der in einem Gehäuse 11 den Stator 1 aufweist. Der Stator 1 weist gleichmäßig verteilte Nuten 13 auf. Zwischen Gehäuse 11 und Stator 1 kann sich ein nicht näher dargestellter Kühlmantel 12 befinden, der durch flüssigkeits-oder gasförmige Medien eine Kühlwirkung erzeugt. In den Nuten 13 des Stators 1 be- finden sich die Wicklungssysteme U, V, W. Der Rotor 2 weist an seinem Außenumfang Permanentmagnete 3 auf. Diese sind durch flexible Bandagen 14 oder Hülsen am Rotor 2 fixiert.

Die Permanentmagnete 3 sind eben oder schalenförmig ausge- führt. Radial unterhalb der Permanentmagnet 3 ist der Induk- tionskäfig 4 positioniert. Eine Abtriebswelle 15 ist durch geeignete Welle-Nabe-Verbindungen 16, wie Passfedern, Polygo- ne etc. mit dem Rotor 2 drehfest verbunden.

FIG 6 zeigt in einem Querschnitt den Rotor 2, ausgeführt wie in FIG 5, jedoch mit der zusätzlichen Polbezeichnung N oder S der Permanentmagnete 3. FIG 7 zeigt den Rotor 2 in Seitenansicht, wobei dabei zusätz- lich die Verschaltung der Induktionskäfige 4 zu sehen ist.