DE3446190A1

DE3446190A1 - Elektromaschine

Info

Publication number: DE3446190A1
Application number: DE19843446190
Authority: DE
Inventors: Heinrich 8673 Rehau Kunel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-12-18
Filing date: 1984-12-18
Publication date: 1986-06-26

Description

Beschreibung
Elektromaschine Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektromaschine mit zwei in magnetischer Wechselwirkung stehenden Funktionselementen, nämlich einem feststehenden Stator und einem relativ dazu beweglichen Rotor, welcher mit einer Drehmoment abgebenden oder aufnehmenden Welle verbunden ist, wobei die Funktionselemente ein sich über ihren gesamten Umfang erstreckendes magnetisches Feld aufweisen und wobei eines dieser magnetischen Felder ein Drehfeld ist.
Elektrische Maschinen als Generatoren zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und als Motoren zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie stellen grundlegende Elemente der heutigen Technik dar.
Besondere Bedeutung haben dabei die elektrischen Maschinen erlangt, bei denen einer entsprechend aufgebauten elektrischen Wicklung phasenverschobene Wechselströme zugeführt werden, so daß ein relativ zur Maschine rotierendes magnetisches Feld erzeugt wird. Für die Erzeugung des Drehfeldes wird üblicherweise dreiphasiger, um 1200 phasenverschobener, Wechselstrom verwendet. Es ist jedoch auch möglich, durch entsprechende Hilfsmittel aus einem einphasigen Wechselstrom ein Drehfeld aufzubauen.
Drehfeldmaschinen werden üblicherweise aus zwei Funktionselementen aufgebaut, wobei das erste Funktionselement die elektrische Wicklung zur Erzeugung des Drehfeldes trägt.
Das zweite Funktionselement weist entweder ein konstantes Magnetfeld auf, welches durch Permanentmagnete oder durch eine von Gleichstrom durchflossene elektrische Wicklung erzeugt wird (Synchronmaschine) oder das Magnetfeld ist variabel und wird durch das Drehfeld selbst induziert (Asynchronmaschine).
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufbau und die Funktionsweise dieser elektrischen Drehfeldmaschine so zu verbessern, daß beim Betrieb derartiger Maschinen ein besserer Wirkungsgrad erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das magnetische Feld eines der Funktionselemente durch einen oder mehrere Permanentmagneten erzeugt wird, daß dieses Funktionselement eine sich über den Umfang erstreckende zusätzliche elektrische Wicklung aufweist und daß dem permanentmagnetisch erzeugten Magnetfeld ein durch einen Stromfluß innerhalb der elektrischen Wicklung erzeugtes elektromagnetisches Feld derart überlagert wird, daß sich ein eine Energieumwandlung ermöglichendes magnetisches Drehfeld ergibt.
Die erfindungsgemäße Elektromaschine kann sowohl im Generatorbetrieb zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie als auch im Motorbetrieb zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie eingesetzt werden, wobei die Energieumwandlung mit einem im Vergleich zu den bekannten Maschinen verbesserten Wirkungsgrad erfolgt.
Eine weitere Wirkungsgradverbesserung kann bei bestimmten Ausführungsformen erreicht werden, indem die in den jeweiligen stromlosen Teilen der zusätzlichen elektrischen Wicklung induzierten Ströme zur Erzeugung des Drehfeldes herangezogen werden.
Trotz der Wirkungsgradverbesserung ist es gelungen, den, für Elektromaschinen typischen einfachen rotationssymmetrischen Aufbau im wesentlichen beizubehalten.
Bevor auf zu bevorzugende Ausführungsformen eingegangen wird, soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß die vorliegende Erfindung grundsätzlich bei allen Bauformen bekannter Drehfeld-Maschinen, d. h. also im wesentlichen bei den bekannten Synchron- und Asynchronmaschinen eingesetzt werden kann. Dies bedeutet, daß das Magnetfeld des zweiten Funktionselementes, wie bei den bekannten Maschinen üblich, durch Permanentmagnete, durch eine von Gleichstrom durchflossene Wicklung und durch magnetische Induktion erzeugt werden kann. Die Anpassung der Drehzahl an die jeweiligen Einsatzbedingungen kann, je nach Ausführungsform, wie bei den bekannten Maschinen durch eine feste Voreinstellung mittels der Polzahl, durch eine stufenweise Steuerung mittels umschaltbarer Polzahlen oder stufenlos durch Veränderung der Frequenz des Drehfeldes erfolgen.
Gemäß einer zu bevorzugenden Ausführungsform wird als erstes Funktionselement, d. h., als das das magnetische Drehfeld tragendes Funktionselement der feststehende Stator der Maschine verwendet. Das Permanentmagnetfeld eines solchen Stators kann dann beispielsweise durch einen Rohrmagneten gebildet werden, der mit einem magnetisierbaren Teil in Verbindung steht,das die elektrische Wicklung aufnimmt.
Das Magnetfeld des Rotors kann, wie bereits dargelegt, durch Permanentmagneten, durch eine von Gleichstrom durchflossene Wicklung oder durch eine vom magnetischen Drehfeld des ersten Funktionselementes verursachte magnetischen Induktion erzeugt werden.
Bei einer zu bevorzugenden Ausführungsform wird der Rotor durch Permanentmagnete gebildet. Dabei können kreissegmentförmige Dauermagnete über den Umfang des Rotors verteilt werden. Der Rotor besteht dann bei einer solchen Bauweise aus einem, den magnetischen Fluß nicht leitenden Material, wie z. B. Aluminium.
Durch die Auswahl der Anzahl der über den Umfang verteilten Permanentmagnete kann die Drehzahl, wie vorstehend beschrieben, an die jeweilige Einsatzbedingungen angepaßt werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit der Zeichnung. Darin zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Elektromaschine; Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung entsprechend der Fig. 1 zur Erläuterung der Funktionsweise; Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektromaschine.
Bevor die Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, daß die konstruktive Ausgestaltung von Elektromaschinen, wie z. B. die Lagerung des Rotors usw. im Stand der Technik bekannt sind. Es wird deshalb im folgenden nur auf die Unterschiede der erfindungsgemäßen Elektromaschine im Vergleich zu bekannten Elektromaschinen eingegangen.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektromaschine. Die Elektromaschine weist ein Gehäuse 1 auf, das den Permanentmagneten 2 umschließt. Der Permanentmagnet 2 ist hier als einstückig ausgebildeter rohrförmiger Magnet dargestellt, es ist aber auch möglich, den Magnet aus einzelnen Teilen zusammenzusetzen. Als Material für den Magneten können übliche magnetische Werkstoffe, wie auch leistungsfähigere Spezialwerkstoffe, z. B.
Kobalt-Samarium Verwendung finden. Der Permanentmagnet 2 umschließt den Wicklungsträger 3. Dieser Wicklungsträger 3 muß bei der Überlagerung des permanentmagnetischen und des elektromagnetischen Feldes ummagnetisiert werden und deshalb aus einem entsprechendem Material bestehen. Dafür kommt z. B. Weicheisen oder der bei Drehfeldmaschinen übliche Aufbau aus lamellierten Blechen in Frage. Der Wicklungsträger 3 weist Nuten 4 auf, in denen die elektrische Wicklung 5 angeordnet ist. Die elektrische Wicklung 5 verläuft parallel zur Längsachse 6 der Maschine und ist hier nur symbolisch dargestellt. Permanentmagnet 2, der Wicklungsträger 4 und die Wicklung 5 bilden gemeinsam den Stator 7 der Maschine. In diesem Stator 7 ist, getrennt durch den Luftspalt 8 der Rotor 9 angeordnet. Der Rotor 9 besteht aus einem Grundkörper 10, der aus einem Material hergestellt ist, welches den magnetischen Fluß nicht leitet, wie z. B. aus Aluminium. In dem Grundkörper 10 sind die Permanentmagnete 11 eingelassen, so daß Grundkörper 10 und die Permanentmagnete 11 einen zylindrischen Körper ergeben. Der Rotor 9 ist in bekannter Weise mit der Drehmoment aufnehmenden bzw. abgebenden Welle der Maschine verbunden. Die Anzahl der in dem Grundkörper 10 eingelassenen Permanentmagnete 11 bestimmt die Drehzahl des Rotors im Verhältnis zu der Frequenz des magnetischen Drehfeldes.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Elektromaschine wird anhand der Fig. 2 erläutert, wobei die gleichen Bezugszeichen verwendet werden wie bei der Fig. 1. Der rohrförmige Magnet 2 ist in diesem Beispiel so magnetisiert, daß an seiner Innenfläche 12 der magnetische Nordpol liegt. Diese Magnetisierungsrichtung ist durch die Pfeile 13 gekenn- zeichnet. Wenn in den elektrischen Wicklungen 5 kein Strom fließt, so überträgt sich diese Magnetisierung auf die magnetisierbaren Bestandteile des Wicklungsträgers, d. h.
auf die Schultern 14. Die Schultern 14 weisen deshalb an ihrem unteren Ende 15 ebenfalls einen magnetischen Nordpol auf, was durch den Pfeil 16 symbolisiert wird. Wird der elektrischen Wicklung nun teilweise, wie es in der Fig.
durch die punkt- und kreuzförmigen Symbole 17 und 18 gekennzeichnet ist, ist ein elektrischer Strom zugeführt, so wird in den Schultern 14 des Wicklungsträgers 3 ein Magnetfeld induziert, das dem von dem Permanentmagneten 2 erzeugten Magnetfeld entgegenwirkt. Bei entsprechender Wahl der Stärke des Erregerstroms werden die Schultern 14 in dem von dem Erregerstrom durchflossenen Bereich der elektrischen Wicklung 5 ummagnetisiert, und weisen nun einen zum Luftspalt 8 hin gerichteten Südpol auf. Die Permanentmagneten 11 sind im Grundkörper 10 so angeordnet, daß in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Permanentmagneten jeweils unterschiedliche Magnetpole aufweisen. Wird nun der Erregerstrom in dem Stator der Elektromaschine so gesteuert, daß die elektrischen Wicklungen, die in unterschiedliche Bereiche entsprechend der Polzahl der Maschine aufgeteilt sind, nacheinander vom Strom durchflossen werden, so entsteht durch die Überlagerung des stromerregten elektromagnetischen Feldes und des permanentmagnetischen Feldes ein Drehfeld, daß zu einer Rotation des Rotors führt.
Die Steuerung der Stromzufuhr zu den einzelnen Wicklungsbereichen bereitet dem auf diesem Gebiet bewanderten Regelungstechniker keine Schwierigkeiten. Bei laufender Maschine kann zur Steuerung der Stromzuführung in die unterschiedlichen Bereiche die Drehzahl des Rotors als Steuerparameter verwendet werden, wobei ein drehzahlabhängiges Signal durch die bekannten berührenden oder berührungsfreien Geber erzeugt werden kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektromaschine zeigt die Fig. 3. Auch hier werden die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit drei Permanentmagneten, wobei die Magneten hier bezüglich des Luftspaltes 8 die gleiche magnetische Polung aufweisen. Der weitere Aufbau und die Funktion der Maschine entspricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, so daß hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.
Die möglichen Ausführungen der erfindungsgemäßen Elektromaschine beschränken sich, wie bereits dargelegt, nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr alle bei Drehfeldmaschinen üblichen Bau- und Einsatzformen anwendbar. Die genaueren konstruktiven Einzelheiten sind dem auf diesem Gebiet Fachkundigen vertraut und bedürfen deshalb keiner weiteren Erörterung.

Claims

Patentansprüche Elektromaschine mit zwei in magnetischer Wechselwirkung stehenden Funktionselementen, nämlich einem feststehenden Stator und einem relativ dazu beweglichen Rotor, welcher mit einer Drehmoment abgebenden oder aufnehmenden Welle' verbunden ist, wobei die Funktionselemente ein sich über ihren gesamten inneren bzw. äußeren Umfang erstreckendes magnetisches Feld aufweisen und wobei eines dieser magnetischen Felder ein Drehfeld ist, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld des ersten Funktionselementes durch einen oder mehrere Permanentmagneten (2) erzeugt wird, daß dieses erste Funktionselement weiterhin eine sich über den Umfang erstreckende zusätzliche elektrische Wicklung (5) aufweist und daß dem durch den Permanentmagneten (2) erzeugten Magnetfeld ein durch einen Stromfluß innerhalb der elektrischen Wicklung (5) erzeugtes elektromagnetisches Feld derart überlagert ist, daß sich ein eine Energieumwandlung ermöglichendes magnetisches Drehfeld ergibt.
2.

Elektromaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld des zweiten Funktionselementes (9) durch einen oder mehrere Permanentmagnete (11) erzeugt ist.
3.

Elektromaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld des zweiten Funktionselementes durch eine von Gleichstrom durchflossene elektrische Wicklung erzeugt ist.
4.

Elektromaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld des zweiten Funktionselementes durch eine Überlagerung eines durch Permanentmagnete und eines durch einen Gleichstrom in einer elektrischen Wicklung erregten elektromagnetischen Magnetfeldes erzeugt ist.
5.

Elektromaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, das Drehfeld tragende Funktionselement als feststehender Stator und das zweite Funktionselement als beweglicher Rotor ausgebildet ist.
6.

Elektromaschine gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Drehfeld tragende erste Funktionselement als Rotor und das zweite Funktionselement als Stator ausgebildet ist.
7.

Elektromaschine gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine als Generator geschaltet ist.
8.

Elektromaschine gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine als Motor geschaltet ist.
9.

Elektromaschine gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des permanentmagnetischen Feldes Kobalt-Samarium-Magnete eingesetzt sind.
10.

Elektromaschine gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das permanentmagnetische Feld des ersten Funktionselementes (7) durch einen Rohrmagneten (2) mit im wesentlich zylindrischer Gestalt erzeugt ist.
11.

Elektromaschine gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das permanentmagnetische Feld des ersten Funktionselementes (7) durch einzelne Permanentmagnete erzeugt ist, welche in zylindrischer Anordnung mit parallel liegenden Polen zusammengesetzt sind.
12.

Elektromaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das permanentmagnetische Feld des zweiten Funktionselementes durch kreissegmentförmige Permanentmagnete erzeugt ist, welche in entsprechende Vertiefungen des Grundkörpers des Rotors derart eingelassen sind, daß sich eine zylindrische Gestalt des Rotors ergibt.
13.

Elektromaschine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete mit dem gleichen Magnetpol dem Luftspalt (8) zugewandt sind.
14.

Elektromaschine gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete dem Luftspalt mit wechselnden Magnetpolen zugewandt sind.
15.

Elektromaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld, welches dem permanentmagnetischen Feld des ersten Funktionselementes (7) überlagert ist, durch mindestens zwei Wechsel ströme erzeugt ist, deren Phasen zueinander verschoben sind.
16.

Elektromaschine gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Drehfeld, welches dem Permanentmagnetfeld des ersten Funktionselementes (7) überlagert ist, durch dreiphasigen um 1200 phasenverschobenen Drehstrom erzeugt ist.
17.

Elektromaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld, welches dem permanentmagnetischen Feld des ersten Funktionselementes (7) überlagert ist, dadurch erzeugt ist, daß den in bestimmten Bereichen aufeinanderfolgenden elektrischen Wicklungen zeitversetzt Erregerströme zugeführt werden.
18.

Elektromaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das permanentmagnetische Feld des zweiten Funktionselementes bei der Relativbewegung der Funktionselemente gegeneinander in den stromlosen Bereichen der Wicklung (5) induzierten Ströme, bei der Erzeugung des elektromagnetischen Feldes mitverwendet sind.
19.

Elektromaschine gemäß mindestens einem der Ansprüche 3, 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von unterschiedlichen Verhältnissen zwischen der Drehfrequenz des im ersten Funktionselementes (7) überlagerten elektromagnetischen Feldes und der Drehfrequenz des zweiten Funktionselementes (9) mehrere, von Gleichstrom bzw.

Wechselstrom durchflossene umschaltbare Wicklungsbereiche in den beiden Funktionselementen angeordnet sind.
20.

Elektromaschine gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Drehzahl des zweiten Funktionselementes die Drehfrequenz des im ersten Funktionselement (7) überlagerten elektromagnetischen Feldes stufenlos veränderbar ist.