DE19511434A1 - Anordnung zur Verbesserung der Betriebseigenschaften von elektrischen, insbesondere hochpoligen Maschinen mit Fremd-, vorzugsweise Permantenterregung - Google Patents

Description

Es ist üblich, elektrische Maschinen mit fremd- oder permanenterregtem Läufer (oder Stator, in diesem Fall sind die Begriffe Läufer und Stator sinngemäß auszutauschen) so auszuführen, daß der Läufer in Bewegungsrichtung eine Reihe einzeln voneinander getrennter Pole, pro magnetischer Periode einen magnetischen Nord- und Südpol, aufweist. Die Anzahl der Statorpole ist dabei innerhalb dieser magnetischen Periode ganz, d. h. unter jedem Läuferpolpaar befindet sich eine vollständige, jeweils identische Statoranordnung, die dann für sich als kleine, abgeschlossene Einheit angesehen werden kann.

Die Probleme an diesen Maschinen sind, daß durch die notwendigen, zumindest durch Streufluß ohnehin in magnetischer Hinsicht entstehenden Lücken zwischen den Läuferpolen, z. B. Magneten, während der Bewegung gegenüber dem Stator eine nichtlineare Variation der durch das Läuferfeld verursachten, an den Polen ansetzenden Kräfte entsteht, da letztere von der Summe der zwischen den Polen herrschenden Feldbeträge abhängig sind. Über die Bewegung des Läufers werden diese radialen Variationen dann auch in tangentiale Anteile und damit parasitäres Eigenrastverhalten in Form von z. B. Selbsthaltemoment (auch Rastmoment oder Cogging genannt) umgesetzt, welches besonders auffällig im langsamen Leerlauf wird. Durch die stets gleichen Verhältnisse innerhalb der einzelnen magnetischen Perioden addieren sich die beschriebenen Effekte über die Gesamtlänge des Stators. Unruhiger Lauf, u. U. die Notwendigkeit von Mindestdrehzahlen, Geräuschentwicklung, Vibrationen etc. sind die Folge.

Durch die Restriktion der Formgebung von Stator- und Läuferpolen auf enge Vorgaben ist die Reduzierung des Eigenrastverhaltens nur möglich mit Hilfe von Pol- oder Blechpaketschränkungen, Vergrößerungen des Luftspalts oder speziellen Polkopfformen, die hingegen auch die übrigen Betriebsparameter negativ beeinflussen.

Da die Betriebsparameter sich untereinander gegenseitig beeinflussen, ist ein ungünstiger Kompromiß bei der Auslegung der Maschine die Folge.

Eine mögliche Lösung wird in P 19507490.4 beschrieben, diese ist jedoch aufgrund spezieller Ausformungen z. B. der Permanentmagnete nur für große Stückzahlen geeignet.

Diese Probleme werden durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Konstruktion gelöst.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht in der Reduzierung des Eigenrastverhaltens der Maschine, wobei bei der Konstruktion derselben vollständig auf Standard-Materialien zurückgegriffen werden kann.

Die besondere Anordnung bewirkt eine starke Reduktion des Eigenrastverhaltens durch "Verwischen" der oben beschriebenen Selbsthalteeffekte über die Baulänge des Stators.

Patentanspruch 2 beschreibt die vorteilhafte Möglichkeit, die erzeugten physikalischen Phasenversätze der einzelnen Statorpole durch eine geeignete elektrische Verschaltung der darauf befindlichen Wicklungen zu berücksichtigen, so daß die Betriebsdaten der Maschine kaum beeinträchtigt werden. Die genannten Versätze führen desweiteren automatisch zu einer Verbesserung der Sinusform der Phasenspannungen der Maschine.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind aus den Zeichnungen ersichtlich und werden im folgenden beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 Polanordnung einer Dreiphasen-Linearmaschine zum Vergleich,

Fig. 2 Beispielhafte Ausführung der Maschine nach Patentanspruch 1 und 2,

Tab. 3 zu Fig. 2 gehörige Phasenbelegungen.

Fig. 1 zeigt zum Vergleich eine dreiphasige Maschine aus P 19507489.0, die einen hohen Wirkungsgrad aufgrund einer kompakten Einzelpolbewicklung aufweist, ansonsten aber konventionell ausgeführt ist. Zur Verdeutlichung wurde die Maschine als Linearmaschine bzw. "abgerollte" Rotationsmaschine dargestellt. Für die dargestellte Statorlänge wurden neun Läuferpolpaare in Form von 18 Polen /Permanentmagneten eingesetzt, denen insgesamt 27 Statorpole gegenüberstehen. In dieser Ausführung bilden jeweils drei Statorpole ein vollständiges Dreiphasensystem, so daß die Anzahl dieser Dreiphasensysteme zur Anzahl der Läuferpolpaare identisch ist.

Aus Fig. 2 als eine beispielhafte Ausführung der Erfindung läßt sich entnehmen, daß die Anzahl der Läuferpole nicht wie beschrieben zur Anzahl der Statorpole "paßt". Als grobe Konstruktionsregel für eine gute Umsetzung des Patentanspruchs kann z. B. gelten, daß Läufer- und Statorpole einen möglichst großen, gemeinsamen Teiler aufweisen sollten. Dies kann im einfachsten Fall dadurch erreicht werden, daß die Zahl der Läuferpolpaare gegenüber der normalerweise nötigen Zahl um z. B. eins erhöht oder erniedrigt wird; ersteres wurde im vorliegenden Beispiel dargestellt. Den 27 Statorpolen stehen statt neun Läuferpolpaaren jetzt deren zehn gegenüber. Dies bedeutet, daß einem Läuferpolpaar nunmehr die nicht ganze Zahl von 2.7 Statorpolen zugewiesen wird.

Anders betrachtet, ist jeder Statorpol gegenüber dem vorherigen physikalisch um einen geringes Maß phasenversetzt. Nach einer gewissen (möglichst großen) Länge wird ein ganzer Läuferpolversatz erreicht. Innerhalb eines so gebildeten Bereichs werden die Selbsthalteeffekte durch Mittelwertbildung der einzelnen, verschobenen Kraftverläufe der Pole nahezu vollständig beseitigt. Im vorliegenden Fall Fig. 2 ist ein Läuferpolversatz nach der halben Baulänge des Stators erreicht.

Die Verschiebung führt jedoch auch im Flußverlauf und somit über dessen Ableitung auch im Spannungsverlauf in der darauf befindlichen Wicklung zu einem Versatz. Ab einer bestimmten Grenze muß dieser Versatz daher durch eine veränderte Verschaltung mit Hilfe von Patentanspruch 2 berücksichtigt werden.

Im einfachsten Falle würde bei einer Dreiphasenmaschine zur nächsten Phase übergegangen werden, d. h. ein 120° Sprung eingeführt werden; aufgrund der hohen Verluste durch die großen maximalen Abweichungen von elektrisch ±60° ist diese Verfahrensweise jedoch nicht empfehlenswert.

Eine einfache, besser geeignete Variante ist demgegenüber in Fig. 2 ersichtlich, da ein Sprung um z. B. 60° durch Verpolen der 240°-Phase erreicht werden kann (240°-180°=60°). Dadurch reduziert sich der Bereich der möglichen Phasenfehler auf ±30°, und es stehen sechs Phasen zur Verfügung.

In einer Sternschaltung sind die einzelnen Wicklungen einseitig am Sternpunkt verbunden, der allgemein auch den (virtuellen) Nullpunkt bildet. Die an die Wicklung angelegten Spannungen sind daher identisch zu den drei Phasenspannungen mit den Phasenlagen 0°, 120° und 240°. Mit der oben erwähnten Verpolungsmethode sind so sechs Phasen darstellbar mit 0°, 60°, 120°, 180°, 240° und 300°. Die einzelnen Phasenbelegungen mit den in Fig. 2 sichtbaren Abweichungen sind auch in der Tabelle 1 zusammengefaßt.

Weitere Reduzierungen dieses Fehlwinkels sind möglich, indem die Maschine mit einer kombinierten Bewicklung versehen wird. Im vorliegenden Beispiel eines Dreiphasensystems können beispielsweise die bekannten Stern- und Dreieckschaltungen gemeinsam verwandt werden.

In der Dreieckschaltung ist die Wicklungsspannung die verkettete Strangspannung, d. h. die Differenzspannung zweier Phasen. Dadurch entsteht neben einer betragsmäßig größeren Wicklungsspannung aber auch ein Phasenversatz von 30° zum Sternsystem. Zusammen mit der obigen Sternschaltung können daher insgesamt zwölf Phasen erzeugt werden, d. h. der maximale Winkelfehler bei Verwendung dieses Systems reduziert sich auf 30° bzw. ±15° elektrisch.

Die geeignete Verschaltung wird gefunden, indem zum Versatz eines Statorpols die jeweils passendste Phase, d. h. mit der geringsten Phasenabweichung ausgewählt wird; bei der endgültigen Bewicklung ist lediglich darauf zu achten, daß selbst nur geringfügig elektrisch in der Phase versetzte Wicklungen nicht parallel, sondern in Reihe geschaltet werden, da sonst erhebliche Ausgleichsströme fließen würden. Sind innerhalb der jeweiligen Phasen mehrere dieser elektrisch versetzten Wicklungen beteiligt, so führt dies zudem zu einer wünschenswerten Betonung der Sinus-Grundwelle der Summen-Phasenspannungen. Die durch die einzelnen Phasenverschiebungen beschriebene Korrelation schwächt die Oberwellenanteile der Summenspannung ab, gegenüber nicht auf die beschriebene Weise versetzten Polanordnungen.

Die benannten Effekte treten bei hochpoligen Maschinen besonders vorteilhaft in Erscheinung, da hier feinere Polversätze das Eigenrastverhalten stärker reduzieren und mehr Pole an den Phasenspannungen beteiligt sind. Hierzu zählen z. B. langsamlaufende Maschinen, Maschinen mit großem Rotordurchmesser, wie Fahrmotoren, Servos u. a.

Tabelle 1

6 Phasen, 27 Statorpole, 10 Rotorpolpaare bzw. 20 Rotorpole

Darstellung stationärer Zustand, Statorpol 1 = 0° = Referenzphase R

Alle Winkel in Grad

Claims (2)

1. Elektrische Maschine mit Fremd-, vorzugsweise Permanenterregung, dadurch gekennzeichnet, daß einem Läuferpolpaar, d. h. einer ganzen magnetischen Periode, jeweils eine nicht ganze Zahl von Statorpolen zugewiesen ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Statorpolen befindlichen Wicklungen zur Berücksichtigung der auf diese Weise entstehenden Polversätze elektrisch geeignet verschaltet sind.