WO1998059407A1 - Magnetgelagerter elektrischer antrieb - Google Patents

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WO1998059407A1
WO1998059407A1 PCT/CH1998/000268 CH9800268W WO9859407A1 WO 1998059407 A1 WO1998059407 A1 WO 1998059407A1 CH 9800268 W CH9800268 W CH 9800268W WO 9859407 A1 WO9859407 A1 WO 9859407A1
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machine
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Wolfgang Amrhein
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Sulzer Electronics AG
Keba Industrial Automation Germany GmbH
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Sulzer Electronics AG
Lust Antriebstechnik GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0493—Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2380/00—Electrical apparatus
    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

Definitions

  • the invention relates to a magnetically mounted electric drive according to the preamble of the independent claim
  • Magnetic bearing technology opens up fields of application for machine and device construction with extremely high demands on the speed range, the service life, the purity and the tightness of the drive system - in other words, essentially areas of application that are difficult or impossible to implement using conventional bearing technologies.
  • Different designs, such as high-speed milling - And grinding spindles, turbo compressors, vacuum pumps, or pumps for high-purity chemical or medical products are already equipped with magnetic bearings
  • a conventional magnetic-bearing electrical machine (FIG. 1) requires, in addition to a machine unit 1, two radial magnetic bearings 2 or 3, an axial magnetic bearing 4, two mechanical receiving bearings 5 or 6, and a total of thirteen power dividers 7, 8 for controlling the motor and magnetic bearing trains. 9 and 10
  • FIG. 2 shows:
  • a two-pole support winding 12 (inside): first strand 16, second strand 17, third strand 18.
  • the axial magnetic bearing and the second radial magnetic bearing can be omitted in the integrated machine magnetic bearing version.
  • the prerequisite for this is a disk-shaped design of the rotor with a small length dimension compared to the rotor diameter (FIG. 3). Passive stabilization of the rotor position in the axial direction and the tilting directions can thus be achieved via the magnetic pull 41 between the stator 39 and the rotor 40.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a conventional magnetic-bearing electrical machine
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a conventional magnetic-bearing electrical machine in which the machine and radial magnetic bearing are integrated in a magnetic stator unit
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a stator of the magnetic drive electric drive according to the invention
  • 5 shows an embodiment of the electric drive according to the invention with a winding technology variant for an external rotor
  • 6 shows an embodiment of an electric drive with several distributed coils
  • FIG. 8 shows an embodiment of the magnetic bearing drive according to the invention with longed concentrated windings and with pronounced poles and auxiliary poles
  • FIG. 10 shows an embodiment of the drive according to the invention with an asymmetrical sheet metal cut in the region of the winding poles
  • FIG. 11 shows an exemplary embodiment of a drive according to the invention with an auxiliary magnet to ensure starting during motor operation with an alternating field
  • FIG. 13 shows an exemplary embodiment of a drive according to the invention with short-circuit rings attached on one side to the stator poles
  • Fig. 14 shows an embodiment of a drive according to the invention with a special shape of the magnetic segments to achieve a sinusoidal field distribution in the air gap and
  • Fig. 15 shows an embodiment of a stator of the magnetic drive according to the invention with the possibility of a
  • Fig. 4 shows an embodiment of a machine magnetic bearing unit (the stator is enclosed, for example, for better cooling in an aluminum ring or an aluminum cylinder) with concentrated diameter windings and pronounced poles.
  • Concentrated windings are to be understood here as windings whose coils are not distributed over a pole pitch and are simultaneously (magnetically effective) offset from one another.
  • coils 34 and 35 are considered to be concentrated.
  • Pronounced poles are understood to mean ferromagnetic poles or air coil poles, which are enclosed by a concentrated winding.
  • the windings can also be longed, ie they can be designed with a winding width smaller or larger than one pole pitch. An exemplary embodiment of this is shown in FIG. 8. If the tendon is strong, it may be advantageous to close the pole gap, which is created by shortening the pole width, with a ferromagnetic auxiliary pole 86.
  • the functions of torque and load capacity formation are implemented in the arrangements from FIGS. 4 and 8 by two winding systems: one single-strand, four-pole machine winding and a two-strand, two-pole magnetic bearing winding.
  • the machine train is formed from the coils 30, 31, 32 and 33, the first magnetic bearing train from the coils 34 and 35 and the second magnetic bearing train from the coils 36 and 37.
  • the concentrated coils of the machine train form pronounced poles with the ferromagnetic material (here: salient poles). Depending on requirements, they can be connected in series or in parallel and, when supplied with an alternating current, form a four-pole rotating field, which is sufficient to generate a torque on a four-pole permanent magnet rotor, for example.
  • the first and second magnetic bearing strands are arranged at an angle of ninety degrees to one another. Appropriate energization of the magnetic bearing strands creates a two-pole rotating field for setting the radial load capacity in amplitude and phase.
  • the coils of a machine or magnetic bearing train from FIG. 4 are connected in series or in parallel.
  • the magnetic bearing coils 34 and 35 or the coils 36 and 37 can be combined to form a single coil if required and form concentrated winding
  • the outrunner 5 shows a variant in terms of winding technology for an external rotor drive with likewise a single-strand, four-pole machine winding 67, 68, 69, 70 and a two-strand, two-pole magnetic bearing winding with the first strand 71, 72 and the second strand 73, 74 arranged perpendicularly thereto.
  • the two strands of the magnetic bearing winding can also be rotated through 45 ° and placed in slots in the machine winding, so that a structure similar to that in FIG. 4 results.
  • the coils 71, 72 and 73, 74 can be combined to form one coil each.
  • the machine train could also be dispensed with two opposing coils, for example 68.70.
  • the outrunner 5 is preferably designed as a four-pole ring or bell
  • the machine winding or the magnetic bearing winding can also be constructed from a plurality of (shown two) coils 75, 76 (FIG. 6).
  • the individual string currents are determined taking into account the target size specification and the actual values, for example the rotor position and speed, rotor rotation angle or torque after evaluating the sensor signals for the rotor position and rotor rotation angle by means of an analog circuit or a fast computer unit.
  • the signals determined are amplified by power electronics and the three Strings are fed via clocked switches or analog power amplifiers.
  • a possible bridge circuit is indicated in FIG. 7
  • the machine train is designated with 24, the two magnetic bearing trains with 25 and 26.
  • a voltage injection can also take into account the characteristics of the controlled system
  • the type of rotor of the machine can be chosen freely, in particular if the machine is operated via a rotating field instead of an alternating field If the windings are insufficiently stretched or distributed and the excitation field distributions are non-sinusoidal, the harmonic content of the air gap fields when current is applied to one strand of the radial bearing winding according to FIG. 4, FIG. 5 or FIG. 8 with a constant current amplitude when the rotor rotates, angle-dependent radial force fluctuations 42. as shown for example in Fig. 9. This effect should be taken into account when energizing the windings in order to achieve good operating behavior.
  • An approximately sinusoidal excitation field distribution can be achieved when using permanent magnet rotors 85, for example by shaping 82 with an angle-dependent air gap between the rotor and the stator 84 according to FIG. 14.
  • a diametrical magnetization of the permanent magnets also has a favorable effect with regard to a sinusoidal field distribution.
  • the ferromagnetic inference of the rotor is designated by 83. For cost reasons, however, it can be advantageous to use concentrated windings and radially or diametrically magnetized magnets without special shaping.
  • an auxiliary torque may have to be provided at the time of start-up to overcome the dead zone. This can be done, for example, by an asymmetrical sheet metal cut 38 in the area of the winding poles (FIG. 10).
  • FIG. 11 Another proposed solution (FIG. 11) provides one or more auxiliary magnets 43 which are attached axially or radially to the rotor and which, for example, bring the four-pole permanent magnet rotor 50 into a favorable starting position 44 with the angle ⁇ due to its tensile force when starting. In position 45 of the magnetic pole limit, the starting torque would be zero with an arbitrarily high current.
  • the winding poles are indicated with 46, 47, 48 and 49.
  • the auxiliary magnets can also be provided with an iron yoke.
  • a change in the magnetic pole position could also be brought about by rolling (FIG. 12) of the rotor 66 controlled by the magnetic bearing part on the air gap end face of the stator poles 65.
  • rolling FIG. 12
  • the rotor 66 controlled by the magnetic bearing part on the air gap end face of the stator poles 65.
  • there is a growing angular displacement between the magnetic and stator poles during the rolling so that the rotor can be turned out of the dead zone, in which torque development is not possible.
  • With 67 the center point movement of the rotor is shown during the rolling. It may be necessary to provide means on the circumference of the rotor and / or stator to prevent sliding between the rotor and stator during the rolling motion (e.g. use of materials with high coefficients of friction, roughening of the surfaces, teeth, etc.).
  • FIG. 13 Another proposed solution is shown in FIG. 13.
  • the stator poles are provided on one side with a short-circuit ring 52, so that the short-circuit currents result in a strongly elliptical rotating field in the air gap instead of the alternating field.
  • FIGS. 4, 5, 8 and 10 can also be seen as examples with regard to the number of pole pairs for the formation of torque and load capacity and with regard to the number of strands of the two windings.
  • a three-phase machine can also be integrated into the magnetically mounted drive instead of the AC field machine. A possible exemplary embodiment of this is shown in FIG. 15.
  • the stator contains two four-pole machine strings consisting of the coils 87, 89, 91, 93 and 88, 90, 92, 94, which are connected in series or in parallel.
  • the machine trains are electrically offset from each other by 90 °, so that an armature rotating field for torque generation can be built up with a four-pole rotor without a torque gap. In contrast to the previous examples, this arrangement therefore does not require any start-up aid.
  • the diameter coils 95 and 97 form the two strands of the radial magnetic bearing which are geometrically offset by 90 °.
  • a rotating field formation is also possible here.
  • two further coils 96 and 98 can be introduced and, for example, the coil 96 with the coil 95 and the coil 98 with the coil 97 can be connected to one strand each.
  • Another design variant also with the number of pole pairs two and one in the stator windings, could also be implemented with a two-pole rotor.
  • the single or multi-strand machine winding would be two-pole and the multi-strand magnetic bearing winding four-pole.
  • Another essential aspect of the invention which is completely independent of the previously explained aspects, is ultimately based on the knowledge that it is possible to equip the magnetic-bearing machine of the electric drive according to the invention in the stator or rotor with separate windings for the formation of moments and the load-bearing capacity, and thereby Train machine winding in a single line.

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Abstract

Ein magnetgelagerter elektrischer Antrieb umfasst eine magnetgelagerte elektrische Maschine mit im Stator oder Rotor eingebrachten Maschinen- und Magnetlagerwicklungen für die Momenten- und Tragkraftbildung und eine analoge oder digitale Elektronik zur Steuerung, Regelung, Überwachung und Speisung der magnetgelagerten Maschine. Die magnetgelagerte Maschine ist im Stator oder Rotor mit getrennten ein- oder mehrsträngigen Wicklungen für die Momentenbildung (30, 31, 32, 33) und für die Tragkraftbildung (34, 35, 36, 37) ausgestattet, wobei mindestens eine der Wicklungen als konzentrierte Wicklung mit ausgeprägten Wicklungspolen ausgebildet ist.

Description

Magnetqelagerter elektrischer Antrieb
Die Erfindung betrifft einen magnetgelagerten elektrischen Antrieb ge äss Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs
Die Magnetlagertechnik erschliesst Applikationsfelder des Maschinen- und Geratebaus mit ausserst hohen Anforderungen an den Drehzahlbereich, die Lebensdauer, die Reinheit und die Dichtheit des Antriebssystems - also im wesentlichen Anwendungsgebiete, die unter Verwendung konventioneller Lagertechniken nicht oder nur schwer realisierbar sind Verschiedene Ausfuhrungen, wie beispielsweise Hochgeschwindigkeitsfras- und Schleifspindeln, Turbokompressoren, Vakuumpumpen, oder Pumpen für hochreine chemische oder medizinische Erzeugnisse werden bereits mit Magnetlagerπ ausgerüstet
Eine konventionelle magnetgelagerte elektrische Maschine (Fig 1 ) benotigt neben einer Maschineneinheit 1 zwei Radιal-Magnetlager 2 bzw 3, ein Axial - Magnetlager 4, zwei mechanische Auffanglager 5 bzw 6 sowie für die Ansteuerung der Motor- und Magnetlagerstrange insgesamt dreizehn Leistungssteiler 7,8,9 und 10
In der Literatur gibt es Vorschlage (Fig 2), Maschine und Radialmagnetlager in einer magnetischen Statoreinheit zu integrieren In einem Stator sind zwei getrennte Wicklungssysteme 11 und 12 für die Drehmoment- und Tragkraftwicklung mehrlagig in Nuten eingebracht. Beide Wicklungssysteme sind dreisträngig und unterscheiden sich in der Polpaarzahl um eins. Die Spulen sind über mehrere Nuten verteilt. Das Beispiel aus Fig. 2 zeigt:
- eine vierpolige Maschinenwicklung 11 (aussen): erster Strang 13, zweiter Strang 14, dritter Strang 15
- eine zweipolige Tragwicklung 12 (innen): erster Strang 16, zweiter Strang 17, dritter Strang 18.
Die Pfeile (ohne Bezugszeichen) vom Rotor in Richtung zum Stator hin bzw. vom Stator in Richtung zum Rotor hin stehen für die Richtung der Magnetisierung der vier magnetischen Rotorsegmente (z.B. radiale oder diametrale Magnetisierung).
In Applikationen, die keine achsenstarre Rotorführung erfordern, wie beispielsweise in Ventilatoren, Lüftern, Pumpen oder Mischern kann in der integrierten Maschinen-Magnetlagerausführung das Axial-Magnetlager sowie das zweite Radial-Magnetlager entfallen. Voraussetzung hierfür ist eine scheibenförmige Ausführung des Rotors mit einer gegenüber dem Rotordurchmesser kleinen Längenabmessung (Fig. 3). Über den magnetischen Zug 41 zwischen Stator 39 und Rotor 40 lässt sich somit eine passive Stabilisierung der Rotorlage in axialer Richtung und den Kipprichtungen erzielen.
In vielen Fällen stehen jedoch dem technischen Einsatz der Magnetlagerung der aufwendige Systemaufbau und damit die hohen Herstellkosten im Wege. Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe besteht daher in der Vereinfachung des mechanischen Aufbaus der Maschinen- und Magnetlagereinheit unter Berücksichtigung der hierfür geeigneten elektronischen Ansteuerung. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe geht aus den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hervor. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche definiert. Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemässen Lösung des Problems ist der wesentlich vereinfachte Stator- bzw. Rotor- und Wicklungsaufbau der magnetgelagerten Maschine gegenüber bisher bekannten Lösungen, sowie die Einsparung von Leistungsstellern. So werden beispielsweise für einen magnetgelagerten Einphasen-Motor lediglich drei Stränge und sechs Spulen benötigt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig.1 ein Ausführungsbeispiel einer konventionellen magnetgelagerten elektrischen Maschine,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer konventionellen magnetgelagerten elektrischen Maschine, bei der Maschine und Radialmagnetlager in einer magnetischen Statoreinheit integriert sind,
Fig. 3 eine Möglichkeit der passiven Stabilisierung des Rotors in axialer Richtung sowie in den Kipprichtungen,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Stators des erfindungsgemässen magnetgelagerten elektrischen Antriebs,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen elektrischen Antriebs mit einer wicklungstechnischen Variante für einen Aussenläufer, Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebs mit mehreren verteilten Spulen,
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer möglichen Brückenschaltung zur Ansteuerung des elektrischen Antriebs,
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen magnetgelagerten Antriebs mit gesehnten konzentrierten Wicklungen sowie mit ausgeprägten Polen und Hilfspolen,
Fig. 9 eine Darstellung der winkelabhängigen Kraftschwankungen bei nichtsinusförmigen Statorstrombelagsverteilungen und nichtsinusförmiger Erregerfeldverteilung im Luftspalt,
Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Antriebs mit unsymmetrischem Blechschnitt im Bereich der Wicklungspole,
Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Antriebs mit einem Hilfsmagneten zur Sicherstellung des Anlaufs bei einem Motorbetrieb mit Wechselfeld,
Fig. 12 eine Möglichkeit des gesteuerten Abwälzens des Rotors an den Statorpolen,
Fig.13 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Antriebs mit einseitig auf den Statorpolen angebrachten Kurzschlussringen,
Fig.14 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Antriebs mit einer speziellen Formgebung der Magnetsegmente zur Erzielung einer sinusförmigen Erregerfeldverteilung im Luftspalt und
Fig. 15 ein Ausführungsbeispiel eines Stators des erfindungsgemässen magnetgelagerten Antriebs mit der Möglichkeit einer
Drehfelderzeugung sowohl bei Maschine als auch beim Radiallager.
Die Maschinen können abhängig von der Applikation als Motor oder als Generator betrieben werden. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer Maschinen-Magnetlager-Einheit (der Stator ist z.B. zur besseren Kühlung in einem Aluminiumring bzw. einem Aluminiumzylinder eingefasst) mit konzentrierten Durchmesserwicklungen und ausgeprägten Polen. Unter konzentrierten Wicklungen sollen hierbei Wicklungen verstanden werden, deren Spulen über eine Polteilung nicht verteilt und gleichzeitig zueinander (magnetisch wirksam) versetzt sind. So werden beispielsweise die Spulen 34 bzw. 35 als konzentriert betrachtet. Unter ausgeprägten Polen werden ferromagnetische Pole oder Luftspulenpole verstanden, die von einer konzentrierten Wicklung umschlossen werden. Hierunter fallen beispielsweise Schenkelpole 99, die von der konzentrierten Wicklung umschlossen werden, oder einfach oder mehrfach geteilte Pole wie 99 und 100, die von der konzentrierten Spule 36 magnetisch eingeschlossen werden. Die Wicklungen können auch gesehnt, d.h. mit einer Wicklungsweite kleiner oder grösser einer Polteilung ausgeführt sein. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 8 dargestellt. Bei starker Sehnung ist es unter Umständen günstig, die durch Verkürzen der Polweite entstehende Pollücke mit einem ferromagnetischen Hilfspol 86 zu schliessen. Die Funktionen der Drehmoment- und Tragkraftbildung sind in den Anordnungen aus Fig. 4 und Fig. 8 durch zwei Wicklungssysteme realisiert: Eine einsträngige, vierpolige Maschinenwicklung sowie eine zweisträngige, zweipolige Magnetlagerwicklung.
Der Maschinenstrang wird aus den Spulen 30, 31 , 32 und 33, der erste Magnetlagerstrang aus den Spulen 34 sowie 35 und der zweite Magnetlagerstrang aus den Spulen 36 sowie 37 gebildet. Die konzentrierten Spulen des Maschinenstrangs bilden mit dem ferromagnetischen Werkstoff ausgeprägte Pole (hier: Schenkelpole). Sie können je nach Bedarf seriell oder parallel miteinander verschaltet werden und bilden bei Speisung mit einem Wechselstrom ein vierpoliges Drehfeld aus, das genügt, um beispielsweise an einem vierpoligen Permanentmagnetrotor ein Drehmoment zu erzeugen. Der erste und der zweite Magnetlagerstrang sind im Winkel von neunzig Grad zueinander angeordnet. Über eine entsprechende Bestromung der Magnetlagerstränge wird ein zweipoliges Drehfeld zur Einstellung der radialen Tragkraft in Amplitude und Phase aufgebaut. Die Spulen eines Maschinen- oder Magnetlagerstranges aus der Fig. 4 sind seriell oder parallel verschaltet. Die Magnetlagerspulen 34 und 35 bzw. die Spulen 36 und 37 können bei Bedarf jeweils zu einer Einzelspule zusammengefasst werden und bilden konzentrierte Wicklungen.
In Fig. 5 ist eine wicklungstechnische Variante für einen Aussenläuferantrieb mit ebenfalls einer einsträngigen, vierpoligen Maschinenwicklung 67,68,69,70 und einer zweisträngigen, zweipoligen Magnetlagerwicklung mit dem ersten Strang 71 ,72 und dem senkrecht hierzu angeordneten zweiten Strang 73,74 dargestellt. Die beiden Stränge der Magnetlagerwicklung können auch um 45° gedreht und in Nuten der Maschinenwicklung gelegt werden, sodass sich ein Aufbau ähnlich wie in Fig. 4 ergibt. Weiterhin lassen sich die Spulen 71 ,72 und 73,74 zu jeweils einer Spule zusammenfassen. Den Maschinenstrang betreffend könnte auch auf zwei einander gegenüberliegende Spulen, z.B. 68,70 verzichtet werden. Der Aussenläufer der Anordnung aus Fig 5 wird vorzugsweise als vierpoliger Ring oder Glocke ausgeführt
Alternativ zu den Anordnungen aus Fig 4 und 5 kann die Maschinenwicklung oder die Magnetlagerwicklung auch aus mehreren (dargestellt zwei) verteilten Spulen 75,76 aufgebaut werden (Fig 6) In Fig 6 erkennt man entsprechend einen ersten Stranganschluss 77 und einen zweiten Stranganschluss 78 bzw die Weiterleitung zu dem nächsten benachbarten Wicklungspol mit umgekehrtem Wicklungssinn
Die Bestimmung der einzelnen Strangstrome erfolgt unter Beachtung der Sollgrossenvorgabe und der Ist-Werte beispielsweise der Rotorlage und Drehzahl, Rotordrehwinkel oder Drehmoment nach Auswertung der Sensorsignale für Rotorlage und Rotordrehwinkel mittels einer Analogschaltung oder einer schnellen Rechnereinheit Die ermittelten Signale werden von einer Leistungselektronik verstärkt und den drei Strängen über getaktete Schalter oder analoge Leistungsverstarker zugeführt Eine mögliche Bruckenschaltung ist in Fig 7 angegeben Mit 24 ist der Maschinenstrang, mit 25 und 26 die beiden Magnetlagerstrange bezeichnet Anstelle einer Stromeinpragung kann auch unter Berücksichtigung der Charakteristik der Regelstrecke eine Spannungseinpragung erfolgen
Die Rotorart der Maschine kann frei gewählt werden, insbesondere dann, wenn der Maschinenbetrieb über ein Drehfeld anstelle eines Wechselfeldes erfolgt Verwendbar sind beispielsweise Permanentmagnetrotoren, Kurzschlusskafigrotoren, Rotoren mit einer elektrisch hochleitfahigen Metallummantelung anstelle des Kurzschlusskafigs oder Reluktanzrotoren mit winkelabhangigen Luftspaltanderungen Bei nicht ausreichender Sehnung bzw. Verteilung der Wicklungen und bei nichtsinuförmigen Erregerfeldverteilungen entstehen durch den Oberwellengehalt der Luftspaltfelder bei Bestromung eines Strangs der Radiallagerwicklung gemäss Fig. 4, Fig. 5 oder Fig. 8 mit einer konstanten Stromamplitude bei Drehung des Rotors winkelabhängige radiale Kraftschwankungen 42, wie sie beispielsweise in Fig. 9 dargestellt sind. Diesem Effekt sollte, um ein gutes Betriebsverhalten zu erzielen, bei der Bestromung der Wicklungen Rechnung getragen werden.
Eine annähernd sinusförmige Erregerfeldverteilung lässt sich bei Verwendung von Permanentmagnetrotoren 85 beispielsweise durch eine Formgebung 82 mit einem winkelabhängigen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator 84 gemäss Fig. 14 erzielen. Günstig wirkt sich hinsichtlich einer sinusförmigen Feldverteilung auch eine diametrale Magnetisierung der Permanentmagnete aus. Mit 83 ist der ferromagnetische Rückschluss des Rotors bezeichnet. Aus Kostengründen kann es jedoch von Vorteil sein, konzentrierte Wicklungen und radial oder diametral magnetisierte Magnete ohne besondere Formgebung einzusetzen.
Da in der magnetgelagerten Maschine aus Fig. 4 bzw. Fig. 5 für den Maschinenbetrieb nur ein Wechselfeld zur Verfügung steht, ist zum Zeitpunkt des Anlaufes gegebenenfalls ein Hilfsmoment zur Überwindung der Totzone bereitzustellen. Dies kann beispielsweise durch einen unsymmetrischen Blechschnitt 38 im Bereich der Wicklungspole erfolgen (Fig. 10). Eine weiterer Lösungsvorschlag (Fig. 11 ) sieht einen oder mehrere axial oder radial zum Rotor angebrachte Hilfsmagnete 43 vor, die beispielsweise den vierpoligen Permanentmagnetrotor 50 aufgrund ihrer Zugkraft beim Starten in eine günstige Ausgangsposition 44 mit dem Winkel φ bringen. In der Stellung 45 der Magnetpolgrenze wäre das Startmoment bei beliebig hohem Strom null. Mit 46,47,48 und 49 sind die Wicklungspole angedeutet. Um die Zugkraft zu unterstützen, können die Hilfsmagnete zusätzlich mit einem Eisenrückschluss versehen werden.
Eine Veränderung der Magnetpollage könnte auch durch ein vom Magnetlagerteil gesteuertes Abwälzen (Fig. 12) des Rotors 66 an der Luftspaltstirnseite der Statorpole 65 bewirkt werden. Infolge der unterschiedlichen Durchmesser ergibt sich beim Abwälzen eine wachsende Winkelverschiebung zwischen Magnet- und Statorpolen, sodass der Rotor aus der Totzone, in der eine Drehmomententwicklung nicht möglich ist, herausgedreht werden kann. Mit 67 ist die Mittelpunktsbewegung des Rotors während des Abwälzens dargestellt. Es kann erforderlich sein, am Umfang des Rotors und/oder Stators Mittel zur Verhinderung eines Gleitens zwischen Rotor und Stator während der Abwälzbewegung vorzusehen (z. B. Verwendung von Werkstoffen mit hohen Reibwerten, Aufrauhen der Oberflächen, Verzahnung, etc.).
Eine weiterer Lösungsvorschlag ist in Fig 13 dargestellt. Die Statorpole sind einseitig mit einem Kurzschlussring 52 versehen, sodass sich aufgrund der Kurzschlussströme anstelle des Wechselfeldes ein stark elliptisches Drehfeld im Luftspalt ergibt.
Die Figuren 4, 5, 8 und 10 sind auch bezüglich der Polpaarzahl für die Drehmoment- und Tragkraftbildung sowie bezüglich der Strangzahl der beiden Wicklungen als beispielhaft zu sehen. Es lassen sich auch veränderte Polpaarzahlen realisieren, wobei zwischen der Polpaarzahl pM für den Maschinenbetrieb und der Polpaarzahl pML für den Magnetlagerbetrieb die Beziehung pM = pML ± 1 erfüllt sein muss. Durch Erweiterung der Strangzahl sowie der Anzahl Brückenzweige in der Leistungselektronik lässt sich auch erfindungsgemäss anstelle der Wechselfeldmaschine eine Drehfeldmaschine in den magnetgelagerten Antrieb integrieren. Ein mögliches Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 15 dargestellt. Der Stator enthält zwei vierpolige Maschinenstränge bestehend aus den seriell oder parallel verschalteten Spulen 87,89,91 ,93 und 88,90,92,94. Die Maschinenstränge sind zueinander elektrisch um 90° versetzt, sodass ein Ankerdrehfeld zur Drehmomentbildung mit einem vierpoligen Rotor ohne Momentenlücke aufgebaut werden kann. Diese Anordnung benötigt daher im Unterschied zu vorangegangenen Beispielen keine Anlaufhilfe.
Die Durchmesserspulen 95 und 97 bilden die beiden geometrisch um 90° versetzten Stränge des Radialmagnetlagers. Auch hier ist eine Drehfeldbildung möglich. Zur besseren Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Wickelraums können zwei weitere Spulen 96 und 98 eingebracht und beispielsweise die Spule 96 mit der Spule 95 und die Spule 98 mit der Spule 97 zu je einem Strang verschaltet werden.
Eine andere Konstruktionsvariante ebenfalls mit den Polpaarzahlen zwei und eins in den Statorwicklungen könnte auch mit einem zweipoligen Rotor realisiert werden. Hierzu wäre die ein- oder mehrsträngige Maschinenwicklung zweipolig und die mehrsträngige Magnetlagerwicklung vierpolig zu wählen.
Ein weiterer wesentlicher, von den zuvor erläuterten Aspekten vollständig unabhängiger Aspekt der Erfindung beruht schliesslich auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, die magnetgelagerte Maschine des erfindungsgemässen elektrischen Antriebs im Stator oder Rotor mit getrennten Wicklungen für die Momenten- und die Tragkraftbildung auszustatten und dabei die Maschinenwicklung einsträngig auszubilden.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetgelagerter elektrischer Antrieb, umfassend eine magnetgelagerte elektrische Maschine mit im Stator oder Rotor eingebrachten Maschinen- und Magnetlagerwicklungen für die Momenten- und Tragkraftbildung und eine analoge oder digitale Elektronik zur Steuerung, Regelung, Überwachung und Speisung der magnetgelagerten Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetgelagerte Maschine im Stator oder Rotor mit getrennten ein- oder mehrsträngigen Wicklungen für die Momentenbildung (30,31 ,32,33) und für die Tragkraftbildung (34,35,36,37) ausgestattet ist, wobei mindestens eine der Wicklungen als konzentrierte Wicklung mit ausgeprägten Wicklungspolen ausgebildet ist.
2. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetlagerwicklung zur Tragkraftbildung (34,35,36,37) mit der Polpaarzahl PML zur Ausbildung eines Drehfeldes mehrsträngig ausgebildet ist.
3. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenwicklung zur Momentenbildung (30,31 ,32,33) mit der Polpaarzahl PML±1 zur Ausbildung eines Drehfeldes mehrsträngig oder zur Ausbildung eines Wechselfeldes einsträngig ausgebildet ist.
4. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrierte Wicklung als Durchmesserwicklung (30,31 ,32,33) ausgebildet ist.
5. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrierte Wicklung gesehnt und damit mit einer Spulenweite kleiner oder grösser als eine Polteilung versehen ist.
6. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetlagerwicklung zweisträngig (34,35;36,37) und die Motorwicklung einsträngig (30,31 ,32,33) ausgebildet ist, und dass die Polpaarzahlen der Magnetlagerwicklung (34,35;36,37) und der Motorwicklung (30,31 ,32,33) ohne Wertung der Reihenfolge eins und zwei betragen.
7. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor oder Stator des elektrischen Antriebes mit Permanentmagneten, mit einem Kurzschlusskäfig, einer elektrisch hochleitfähigen Metallummanterlung oder einem Reluktanzschnitt bestückt ist.
8. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer einsträngigen Maschinenwicklung eine Anlaufhilfe für den sicheren Anlauf vorgesehen ist, insbesondere in der Gestalt eines unsymmetrischen Statorblechschnittes (38), eines oder mehrerer Hilfsmagnete (43) oder eines oder mehrerer Kurzschlussringe (13), oder dass eine günstige Anlaufposition des Rotors über eine entsprechende Ansteuerung der Magnetlagerwicklungen durch Abrollen (67) des Rotors auf der dem Rotor zugewandten Statorfläche eingestellt wird.
9. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisch wirksame Teil des Rotors (40) und vorzugsweise auch des Stators (39) Scheiben-, ring- oder glockenförmig mit gegenüber den radialen Abmessungen kleinen axialen Abmessungen ausgeführt ist, sodass aufgrund der Kraftwirkung (41) der magnetischen Luftspaltfelder eine für den Betrieb ausreichende stabile passive magnetische Lagerung des Rotors in axialer Richtung und den beiden Kipprichtungen erfolgt.
10. Elektrischer Antrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Wicklungen, also sowohl die Maschinenais auch die Magnetlagerwicklungen, als konzentπerte Wicklungen ausgebildet sind.
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