DieErfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einenElektromotor, mit einem Stator sowie einem Rotor mit einer Rotorwelle,wobei der Stator und der Rotor zur Feldschwächung der elektrischen Maschineaxial gegeneinander verschiebbar sind.TheThe invention relates to an electrical machine, in particular aElectric motor, with a stator and a rotor with a rotor shaft,wherein the stator and the rotor for weakening the field of the electric machineaxially displaced against each other.
ElektrischeMaschinen, insbesondere permanenterregte oder permanentmagneterregteSynchronmotoren, werden in den letzten Jahren immer häufiger für vielfältige Antriebsaufgaben,wie z.B. zum Antrieb von hochtourigen Werkzeugmaschinen, verwendet.Der Wegfall von Erregerwicklungen reduziert die Stromwärmeverlusteder elektrischen Maschine. Zudem entfallen die verschleißbehafteten Stromzuführungselementeder elektrischen Maschine. Dadurch zeichnen sich solche elektrischenMaschinen durch eine sehr gute Ausnutzung und guten Wirkungsgradaus.electricalMachines, in particular permanently excited or permanently magnetically excitedSynchronous motors have become increasingly popular in recent years for a variety of drive tasks,such as. used to drive high-speed machine tools.The elimination of excitation windings reduces the current heat lossesthe electric machine. In addition, the wear-prone power supply elements eliminatedthe electric machine. This distinguishes such electricalMachines by a very good utilization and good efficiencyout.
Beiderartigen elektrischen Maschinen ist die Erregung konstant. Jedochist bei besonders hohen Drehzahlen jenseits des Nennpunkts der elektrischenMaschine eine Feldschwächungdes Polrad- oder Ankerfelds erforderlich. Dies führt nachteilig zu einer erheblichenErwärmung,insbesondere bei einem Synchronmotor mit geringer Last. Ein Feldschwächbetriebist zwar wegen der konstanten magnetischen Permanenterregung imeigentlichen Sinne nicht möglich.Dennoch kann das Ankerfeld durch eine eingeprägte Stromkomponente in derLängsachseteilweise kompensiert und dadurch der Drehmoment-Drehzahlbereicherweitert werden. Die zusätzlicheEinprägungdes Kompensationsstroms in die Wicklung kann bis zu 80% des Nennstromsdes Synchronmotors betragen. Dieser Strom steht, von der starkenErwärmungdes Synchronmotors abgesehen, nicht mehr zur Drehmomentbildung zurVerfügung.Wünschenswertwäre somitein magnetischer Kreis, der sich bei höherer Drehzahl abschwächt.atSuch electrical machines, the excitement is constant. howeveris at particularly high speeds beyond the nominal point of the electricalMachine a field weakeningthe pole wheel or anchor field is required. This leads disadvantageously to a considerableWarming,especially with a synchronous motor with low load. A field weakening operationis because of the constant magnetic permanent excitation in theactual sense not possible.Nevertheless, the anchor field can be characterized by an impressed current component in thelongitudinal axispartially compensated and thereby the torque-speed rangebe extended. The additionalimpressingof the compensation current in the winding can be up to 80% of the rated currentamount of synchronous motor. This stream stands, from the strongwarmingApart from the synchronous motor, not for torque generationAvailable.Desirablewould be like thata magnetic circuit that attenuates at higher speeds.
Alternativist auch die Verwendung von Asynchronmotoren möglich. Diese weisen den Vorteilauf, dass diese bereits bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmomentzur Verfügungstellen können.Darüberhinaus weisen diese Motoren bei geringer Last ein besseres thermischesVerhalten auf. Nachteilig ist allerdings die starke Abnahme desDrehmoments bei höherenDrehzahlen jenseits des Leistungspunkts der elektrischen Maschine.Demnach nimmt das Drehmoment der Asynchronmaschine mit zunehmenderDrehzahl jenseits des Leistungspunkts entlang ihrer Leistungshyperbelab. Die aufgenommene elektrische Leistung des Asynchronmotors bleibtnahezu konstant.alternativethe use of asynchronous motors is also possible. These have the advantageon that they already at low speeds high torqueto disposalcan make.About thatIn addition, these engines have a better thermal load at low loadBehavior on. The disadvantage, however, is the sharp decrease in theTorque at higherSpeeds beyond the power point of the electric machine.Accordingly, the torque of the asynchronous machine decreases with increasingSpeed beyond the power point along its power hyperbolafrom. The absorbed electrical power of the asynchronous motor remainsalmost constant.
ZurLösungder oben genannten Probleme wurde unter anderem vorgeschlagen, denLuftspalt zur Feldschwächungdes Ankerfelds mit steigender Drehzahl zu erhöhen. Hierzu sind der Statorund der Rotor eines permanenterregten Synchronmotors konisch ausgeführt. WerdenStator und Rotor axial gegeneinander verschoben, so verändert sichder Luftspalt. Die Axialverschiebung von Stator zu Rotor kann z.B.mittels eines Stellantriebs erfolgen. Nachteilig an der vorgeschlagenenLösungist der aufwändigeAufbau des Stators und Rotors. Denn beide sind üblicherweise geblecht ausgeführt, umWirbelstromverluste im Stator und Rotor zu vermeiden. Daher ist eineVielzahl von Lamellen mit jeweils einem anderen Durchmesser für den Statorsowie auch fürden Rotor erforderlich.tosolutionThe above problems have been suggested, inter alia, theAir gap for field weakeningof the anchor field with increasing speed to increase. These are the statorand the rotor of a permanent magnet synchronous motor made conical. BecomeStator and rotor axially offset from each other, so changesthe air gap. The axial displacement from stator to rotor can e.g.done by means of an actuator. A disadvantage of the proposedsolutionis the elaborate oneStructure of the stator and rotor. Because both are usually executed in order toTo avoid eddy current losses in the stator and rotor. Therefore, one isVariety of slats, each with a different diameter for the statoras well as forthe rotor is required.
Esist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine anzugeben,welche eine einstellbare Feldschwächung erlaubt und zudem eineneinfacheren Aufbau aufweist.ItIt is an object of the invention to provide an electrical machine,which allows an adjustable field weakening and also ahas a simpler structure.
DieseAufgabe wird durch eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformensind in den abhängigenAnsprüchen2 bis 14 angegeben.TheseTask is solved by an electric machine according to claim 1. Advantageous embodimentsare in the dependentclaims2 to 14 indicated.
Erfindungsgemäß ist dieAxialverschiebung unter Einhaltung eines konstanten Luftspalts zwischenStator und Rotor einstellbar. Dies wird dadurch erreicht, dass derAktivteil des Stators und der Aktivteil des Rotors der elektrischenMaschi ne einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt in axialer Richtungaufweisen. Insbesondere sind der Innenradius des Aktivteils desStators und der Außenradiusdes Aktivteils des Rotors gleich. Der Innenradius ist geringfügig kleinerals der Außenradius.Dieser geringfügigeradiale Unterschied entspricht dem Luftspalt zwischen Stator undRotor.According to the inventionAxial displacement while maintaining a constant air gap betweenStator and rotor adjustable. This is achieved by the fact that theActive part of the stator and the active part of the rotor of the electricMaschi ne a substantially same cross-section in the axial directionexhibit. In particular, the inner radius of the active part of theStators and the outer radiusthe active part of the rotor is the same. The inner radius is slightly smalleras the outer radius.This slightRadial difference corresponds to the air gap between stator andRotor.
Damitist der besondere Vorteil verbunden, dass Lamellen mit jeweils einemgleichen Blechschnitt bzw. Querschnitt zur Bildung eines Blechpaketsdes Stators und des Rotors verwendet werden können. Der Aufwand für eine derartigeerfindungsgemäße elektrischeMaschine reduziert sich im Vergleich zu einer elektrischen Maschinemit konischem Stator und konischem Rotor erheblich.In order tohas the particular advantage that slats with one eachsame sheet metal section or cross-section to form a laminated coreof the stator and the rotor can be used. The effort for suchelectrical according to the inventionMachine is reduced compared to an electric machinewith conical stator and conical rotor considerably.
Einweiterer besonderer Vorteil ist es, dass durch die axiale Verschiebungvon Stator und Rotor gegeneinander eine stufenlose Feldschwächung des Ankerfeldsvorgenommen werden kann.OneAnother particular advantage is that by the axial displacementof stator and rotor against each other a stepless field weakening of the anchor fieldcan be made.
Dadurchlässt sichvorteilhaft bei Maximaldrehzahl und geringer Last das Temperaturverhalten einerderartigen elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Synchronmotor,erheblich verbessern.Therebylet yourselfadvantageous at maximum speed and low load, the temperature behavior of asuch electrical machine, in particular in a synchronous motor,significantly improve.
Einweiterer Vorteil ist, dass im Vergleich zu permanenterregten elektrischenMaschinen mit einprägbaremKompensationsstrom zur Feldschwächungnun dieser Strom in der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zurDrehmomentbildung zur Verfügungsteht.Another advantage is that in comparison to permanent-magnet electric machines with an imposable compensation current to Feldschwä Chung now this current in the electric machine according to the invention for torque generation is available.
ImBesonderen sind eine axiale Stator-Aktivteilbreite und eine axialeRotor-Aktivteilbreite zumindest in etwa gleich. Liegen sich Statorund Rotor in axialer Richtung genau gegenüber, so liegt eine vollständige Überdeckungvor. Davon ausgehend kann durch Einstellung eines axialen Versatzesvon Stator zu Rotor eine Feldschwächung des Ankerfelds erreichtwerden, indem die axiale Überdeckungverändertwird. Auf die se Weise wirkt das Ankerfeld effektiv nur noch in demgemeinsam überdecktenBereich.in theSpecial features are an axial stator active part width and an axial oneRotor active part width at least approximately the same. Lie Statorand rotor in the axial direction exactly opposite, so is a complete coveragein front. Based on this, by setting an axial offsetfrom stator to rotor reaches a field weakening of the anchor fieldbe by the axial overlapchangedbecomes. In this way, the anchor field effectively acts only in thecovered togetherArea.
Ineiner Ausführungsformist durch die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor eine Stator/Rotorüberdeckungin einem Bereich von 50% bis 100 einstellbar. Auch wenn Werte für eine Stator/Rotorüberdeckungvon 0% bis 100% prinzipiell möglich sind,ist der Bereich von 50% bis 100 in Hinblick auf die axiale Zunahmedes Bauvolumens einer derartigen elektrischen Maschine und in Hinblickauf die letztendlich fürden Betriebseinsatz benötigteFeldschwächungvorteilhaft.Inan embodimentis due to the axial displacement between stator and rotor, a stator / rotor coverageadjustable in a range of 50% to 100. Even if values for a stator / rotor coveragefrom 0% to 100% are possible in principle,is the range of 50% to 100% in terms of axial increasethe volume of such an electric machine and in termsin the end forneeded the operational usefield weakeningadvantageous.
Ineiner bevorzugten Ausführungsformweist die elektrische Maschine ein Maschinengehäuse auf, in welchem der Rotormit der Rotorwelle drehbar gelagert und axial fixiert ist. Der Statorist im Maschinengehäuseaxial verschiebbar gelagert und radial fixiert. Im Maschinengehäuse kanneine axiale Verfahreinheit vorgesehen sein. Diese Verfahreinheitkann z.B. die Form eines Hohlzylinders aufweisen, an dessen Innenseiteder Aktivteil des Stators, das heißt das Blechpaket mit der Statorwicklung,fest angebracht ist. Der Stator besteht somit aus der axialen Verfahreinheitmit dem im Inneren der Verfahreinheit angebrachten Aktivteil desStators.Ina preferred embodimentThe electrical machine has a machine housing in which the rotoris rotatably mounted with the rotor shaft and axially fixed. The statoris in the machine housingmounted axially displaceable and fixed radially. In the machine housing canbe provided an axial positioning unit. This positioning unitcan e.g. have the shape of a hollow cylinder, on the insidethe active part of the stator, that is the laminated core with the stator winding,firmly attached. The stator thus consists of the axial displacement unitwith the active part of theStator.
Ineiner Ausführungsformerfolgt die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor auf hydraulischemWege. Dies kann mittels einer hydraulischen Stelleinrichtung, wiez.B. mittels eines Zylinderkolbens, erfolgen. Die hydraulische Stelleinrichtung kanneine Hydraulikpumpe aufweisen. Auch kann diese Stelleinrichtungin die elektrische Maschine integriert oder dort angeflanscht sein.Inan embodimentthe axial displacement between stator and rotor takes place on hydraulicWays. This can be done by means of a hydraulic actuator, such ase.g. by means of a cylinder piston. The hydraulic adjusting device canhave a hydraulic pump. Also, this adjusting devicebe integrated in the electric machine or flanged there.
Weistder Stator die Form eines Hohlzylinders, wie zuvor beschrieben auf,so könnendie beiden ringförmigenEnden des Hohlzylinders in einer entsprechend geometrisch daraufabgestimmten Öffnungim Maschinengehäuseaxial und mittels Dichtmittel, wie z.B. O-Ringen, druckdicht geführt sein. Diese Öffnungenkönnenals Hydraulikanschlüssean die Außenseiteder elektrischen Maschine geführt sein.hasthe stator takes the form of a hollow cylinder as described above,so canthe two annular onesEnds of the hollow cylinder in a corresponding geometric on itcoordinated openingin the machine housingaxially and by means of sealing means, e.g. O-rings, be pressure-tight. These openingscanas hydraulic connectionsto the outsidebe guided the electric machine.
DieStellgröße für die Axialverschiebung kannvon der Steuerelektronik der elektrischen Maschine z.B. auf Basisder Motordrehzahl, des Drehmomentensollwerts, des elektrischen Stromsoder der elektrischen Spannung der elektrischen Maschine gebildetwerden.TheManipulated variable for the axial displacement canfrom the control electronics of the electric machine e.g. basedthe engine speed, the torque setpoint, the electric currentor the electrical voltage of the electrical machinebecome.
DieAxialverschiebung zwischen Stator und Rotor kann alternativ auchauf pneumatischem Wege erfolgen. Entsprechende pneumatische Stellglieder, Ventile,Druckregler etc. sind hinreichend bekannt. Der besondere Vorteildabei ist, dass die üblicherweisein einer Fabrik oder Werkstatt verfügbare Druckluftanlage zur Axialverschiebungherangezogen werden kann.TheAxial displacement between stator and rotor can alternatively alsodone pneumatically. Corresponding pneumatic actuators, valves,Pressure regulators, etc. are well known. The special advantageit is that usuallyPneumatic system for axial displacement available in a factory or workshopcan be used.
Ineiner weiteren alternativen Ausführungsformerfolgt die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor auf elektromotorischemWege. Dies könnenelektromechanische Stellantriebe, Servomotoren oder dergleichensein. Der Vorteil dabei ist, dass diese elektrisch von einer Steuer-und Leistungselektronik der elektrischen Maschine angesteuert werden können.Ina further alternative embodimentthe axial displacement between stator and rotor takes place on electromotiveWays. This canelectromechanical actuators, servomotors or the likebe. The advantage here is that they are electrically controlled by a controland power electronics of the electric machine can be controlled.
Esist bekannt, dass der Rotor bei Stromerregung des Statorfelds imSinne eines Tauchmagneten axial in den Stator „hineingezogen" wird. Die dabei entstehendenKräftekönnenzur Einstellung der Axialverschiebung verwendet werden. Gemäß einer weiterenAusführungsformkann die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor daher unterAusnutzung der elektromagnetischen Axialkräfte der magnetischen Aktivteiledes Stators und des Rotors erfolgen.Itis known that the rotor when current excitation of the stator in theThe sense of a submersible magnet is "pulled in" axially into the statorpersonnelcanused to adjust the axial displacement. According to anotherembodimentTherefore, the axial displacement between the stator and rotor can be belowExploitation of the electromagnetic axial forces of the magnetic active partsthe stator and the rotor take place.
Ineiner weiteren Ausführungsformerfolgt die Axialverschiebung zwischen Stator und Rotor drehzahlabhängig undselbsttätigunter Ausnutzung der Fliehkräftebei Rotation des Rotors der elektrischen Maschine. Dazu können eineoder mehrere auf der Rotorwelle radial bewegliche angebrachte Fliehkraftmassenangebracht sein, die sich im Sinne einer Fliehkraftkupplung mitzunehmender Drehzahl gegen eine radialwirkende Rückstellfeder von der Drehachseder Rotorwelle wegbewegen können.Laufen diese Fliehkraftmassen in radialer Richtung gegen eine schiefeEbene von radialen Führungselementenauf der Rotorwelle an, so wird die radiale Bewegung der Fliehkraftmassein eine axiale Bewegung des Aktivteils des Rotors umgesetzt. DieFührungselemente können z.B.an einem axialen Ende des Aktivteils des Rotors oder im Innerendes Aktivteils des Rotors angebracht sein, wobei der Aktivteil aufder Rotorwelle selbst axial verschiebbar, aber radial fixierbarangebracht ist. In diesem Fall wird bei hoher Drehzahl die Radialbewegungder Fliehkraftmassen in eine Axialbewegung des Aktivteils des Rotorsrelativ zur Rotorwelle umgesetzt.Ina further embodimentthe axial displacement between stator and rotor is dependent on the speed andautomatictaking advantage of the centrifugal forcesduring rotation of the rotor of the electric machine. This can be aor a plurality of centrifugal masses radially movable on the rotor shaftbe attached, which in terms of a centrifugal clutch withincreasing speed against a radially acting return spring from the axis of rotationthe rotor shaft can move away.Run these centrifugal masses in the radial direction against a crookedPlane of radial guide elementson the rotor shaft, so is the radial movement of the centrifugal massconverted into an axial movement of the active part of the rotor. TheGuiding elements may e.g.at an axial end of the active part of the rotor or insidebe attached to the active part of the rotor, wherein the active part onthe rotor shaft itself axially displaceable, but radially fixableis appropriate. In this case, at high speed, the radial movementthe centrifugal masses in an axial movement of the active part of the rotorimplemented relative to the rotor shaft.
Dieelektrische Maschine weist vorzugsweise eine elektrische Nennleistungvon zumindest 5 kW und/oder ein Mindestdrehmoment von 4 Nm auf.The electrical machine has vorzugswei se an electrical rating of at least 5 kW and / or a minimum torque of 4 Nm.
Vorzugsweiseist die elektrische Maschine ein Synchronmotor, insbesondere einpermanenterregter Synchronmotor. Ein derartiger Synchronmotor weist üblicherweisePermanentmagnete auf der Außenseitedes Rotors zur Erzeugung des magnetischen Feldes auf. Die elektrischeMaschine kann alternativ auch ein Asynchronmotor sein.Preferablythe electric machine is a synchronous motor, in particular apermanent-magnet synchronous motor. Such a synchronous motor usually hasPermanent magnets on the outsideof the rotor for generating the magnetic field. The electricAlternatively, the machine can be an asynchronous motor.
Darüber hinausist die elektrische Maschine vorzugsweise für eine mindestens dreiphasigeStromerregung zur Drehfelderzeugung ausgeführt. Hierzu kann die elektrischeMaschine an einen mindestens dreiphasigen Umrichter oder Wechselrichterzur Stromspeisung angeschlossen sein.Furthermorethe electric machine is preferably for at least three-phaseCurrent excitation for rotating field generation executed. For this purpose, the electricalMachine to an at least three-phase inverter or inverterbe connected to the power supply.
Weiterevorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus derenbeispielhafter Erläuterunganhand der Figuren. Es zeigenFurtheradvantageous properties of the invention will become apparent from theexemplary explanationbased on the figures. Show it
DerRotor
DerAktivteil des Stators
Eineaxiale Stator-Aktivteilbreite BS und eine axiale Rotor-Aktivteilbreite BRsind im Beispiel der vorliegenden
ZurVeranschaulichung des Feldschwächprinzipsist im oberen Teil der
DerVersatz V ist vorzugsweise derart einstellbar, dass eine Überdeckungvon Aktivteil des Stators
DerStator
DerHohlzylinder
Gemäß
Imunteren Teil der
Weiterhinkann die Verfahreinheit
ImBeispiel der
Imrechten Teil des Aktivteils
Beihoher Drehzahl drückendie Fliehkraftmassen
Prinzipiellist es auch möglich,die gesamte selbsttätigeund drehzahlabhängigeMechanik zur axialen Verschiebung V des Aktivteils
Auchist es möglich,zur Realisierung eines größeren axialenVerstellweges V mehrere selbsttätigeund drehzahlabhängigeMechaniken axial hintereinander zu schalten.AlsoIs it possible,to realize a larger axialAdjustment V several automaticand speed-dependentTo switch mechanics axially one behind the other.
Zusammenfassendbetrifft die Erfindung eine elektrische Maschine
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |