DE3927454A1

DE3927454A1 - Electromagnetically efficient machine with transverse flux path - has high density airgap flux, low magnetic leakage, fast commutation properties and superconducting potential

Info

Publication number: DE3927454A1
Application number: DE3927454A
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof Dr Ing Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-08-19
Filing date: 1989-08-19
Publication date: 1991-02-21
Also published as: DE3927454C2

Abstract

A rotating electrical machine with stator (J) and rotor (R) elements has polereces in which a magnetic field at right angles to the direction of movement between rotor and stator is developed. The associated excitation is provided by separate windings, the first of which (a) is A.C. energized and the second (f) carries a constant D.C. of magnitude equal to the A.C. peak amplitude. A series of permanent magnets is disposed within the rotor for the suppression of interpolar leakage fields and the design prompts the use of superconductors under cryostatic control. USE/ADVANTAGE - Combined A.C. and D.C. fields reduce inducting of system and shorten commutation time, enabling higher peripheral speeds with increased power output. Improved efficiency as result of reduced copper, iron and leakage losses. Output for unit volume is increased. Principes equally appliance to linear induction motor.

Description

The goal

Bei Synchronmaschinen ist bekannt, daß die Erzeugung des magnetischen Leerlauffelds entweder durch Permanentmagnete oder durch in Spulen fließende elektrische Ströme ("elektrisch") erfolgen kann. Für einige Anwendungen haben sich Permanentmagnete zur verlustlosen und gleichzeitig raumsparenden Erregung des magnetischen Feldes einen festen Platz sichern können. Insbesondere bei Anwendung von Hoch energie-Permanentmagneten konnten recht vorteilhaft entwor fene Maschinen neu entwickelt werden. Für bestimmte Ausfüh rungen des magnetischen Kreises ist es gelungen, in begrenztem Umfang, auch die Stellbarkeit des magnetischen Feldes durch eine geeignete Überlagerung von elektrisch und permanentmagnetisch erzeugten Feldkomponenten zu verwirk lichen.In synchronous machines it is known that the generation of the magnetic idle field either by permanent magnets or by electric currents flowing in coils ("electrical") can be done. Have for some uses themselves permanent magnets for lossless and at the same time space-saving excitation of the magnetic field a fixed Can save space. Especially when using high Energy permanent magnets could be designed quite advantageously fene machines are newly developed. For certain types The magnetic circuit has succeeded in limited scope, including the adjustability of the magnetic Through a suitable overlay of electrical and to implement permanently magnetically generated field components lichen.

Es sind jedoch Anwendungsbereiche bekannt, die aus anderen Gründen (Temperatureinfluß oder Preisgründe) den Einsatz von Permanentmagneten ausschließen oder bei denen eine sehr weitgehende Feld-Stellbarkeit gefordert wird. Auch der Fall, daß aus Sicherheitsgründen eine vollständige Entre gung durchführbar sein soll, läßt sich bei Anwendung von Maschinen mit Permanentmagnet-Erregung nur schwer verwirk lichen.Areas of application are known, however, that come from others Reasons (temperature influence or price reasons) the use exclude from permanent magnets or where a very extensive field adjustability is required. Also the In the event that a complete entre should be feasible, can be applied using Machines with permanent magnet excitation are difficult to implement lichen.

Die genannten Einsatzbeispiele elektrischer Maschinen stehen jedoch in Verbindung mit der Forderung nach hoher Kraftdichte je Volumeneinheit und möglichst niedrigen Ver lusten. Wie in verschiedenen Veröffentlichungen gezeigt wurde, lassen sich besonders bei Anwendung transversal angeordneter Magnetkreise die beiden Zielsetzungen simultan erfüllen. Hierbei sind die Ausführung der Wicklung beson ders in der Form von Ringspulen konzentrisch zur Welle und die um die Spule herum transversal geführten magnetischen Kreise die kennzeichnenden Merkmale. Durch die etwa in DE 37 05 089 C2 beschriebene doppelseitige Ankeranordnung lassen sich Kraftdichten von mehr als 100 kN/m² bezogen auf die flußführende Läuferoberfläche erzielen. However, the examples of use of electrical machines mentioned are related to the demand for high force density per unit volume and the lowest possible losses. As has been shown in various publications, the two objectives can be achieved simultaneously, particularly when using transversely arranged magnetic circuits. Here, the design of the winding FITS in the form of toroidal coils concentric to the shaft and the magnetic circles transversely guided around the coil are the characteristic features. The double-sided anchor arrangement described in DE 37 05 089 C2, for example, enables force densities of more than 100 kN / m ^{2 to be achieved in} relation to the flux-carrying rotor surface.

Die hier zu beschreibende Maschinenkonfiguration hat zum Ziel, die erwähnten Hauptmerkmale des Transversalflußprin zips, die kreisförmig, konzentrische Ankerspule bzw. eine ihr nahe kommende Form und die quer zur Spule angeordneten magnetischen Kreise zur Grundlage einer elektrisch erregten Maschine zu machen. Hiermit läßt sich zeigen, daß mit einem Minimum an Wicklungsvolumen und einer höchstmöglichen Nutzung des elektrischen Stromes zur Krafterzeugung eine besonders günstige Energiewandlung verwirklicht werden kann. Elektrische Maschinen dieser Art lassen sich im Ver gleich zu herkömmlich erregten Synchronmaschinen mit merk lich höheren Leistungsdichten, d.h. mit kleinerem Volumen und auch mit niedrigeren Verlusten konzipieren. Ihr Einsatz führt in größerem Umfange zu vorteilhaften Lösungen zu Gunsten des elektrischen Antriebs und ermöglicht gut stell bare elektrische Generatoren mit günstigen Betriebsdaten.The machine configuration to be described here has the Aim, the main features of the transverse flow prin mentioned zips, the circular, concentric armature coil or one their close shape and that arranged transversely to the coil magnetic circuits to the basis of an electrically excited Machine to make. This shows that with a Minimum winding volume and the highest possible Use of electric current to generate a power particularly favorable energy conversion can be realized can. Electrical machines of this type can be equal to conventionally excited synchronous machines with higher power densities, i.e. with smaller volume and also design with lower losses. Your commitment leads to advantageous solutions on a larger scale In favor of the electric drive and allows good stell bare electrical generators with favorable operating data.

Die Konzeption einer elektrisch erregten Transversalfluß maschine (TF-Maschine) wird durch die Merkmale der Schutz ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung dargelegt. Die Erfindung wird weiter anhand von mehreren Zeichnungen erläutert:The conception of an electrically excited transverse flow machine (TF machine) is characterized by the features of protection claims and the following description. The invention is further illustrated by several drawings explains:

Fig. 1 Schemadarstellung einer elektrisch erregten TF- Maschine. Fig. 1 Schematic representation of an electrically excited TF machine.

Fig. 2a Elektrisch erregte TF-Maschine mit einem Wicklungs teil im Stator und einem Wicklungsteil im Rotor. Fig. 2a Electrically excited TF machine with a winding part in the stator and a winding part in the rotor.

Fig. 2b Elektrisch erregte TF-Maschine mit zwei Teilwick lungen im Stator. Fig. 2b Electrically excited TF machine with two partial windings in the stator.

Fig. 3 Elektrisch erregte TF-Maschine mit zwei Teilwick lungen und doppelseitig wirkendem Magnetkreis. Fig. 3 Electrically excited TF machine with two partial windings and double-acting magnetic circuit.

Fig. 4 Elektrisch erregte TF-Maschine mit zwei Teilwick lungen und vier Statoreinheiten, wovon zwei Paare um 90° versetzt sind. Fig. 4 Electrically excited TF machine with two winding parts and four stator units, of which two pairs are offset by 90 °.

Fig. 5a Wicklungsanordnung für zweisträngige Maschine. Fig. 5a winding arrangement for two-strand machine.

Fig. 5b Wicklungsanordnung für dreistängige Maschine. Fig. 5b winding arrangement for three-strand machine.

Fig. 6 Anordnung von Permanentmagneten zur Feldschirmung des Zwischenraums der Polelemente. Fig. 6 arrangement of permanent magnets for field shielding the space between the pole elements.

Description to solve the problem

Die Erzeugung des magnetischen Feldes durch in Spulen fließende elektrische Ströme ist bei Synchromaschinen bekannt. Auch die Anwendung von ringförmigen konzentrischen Spulen zur Erzeugung des (vom Anker erregten) magnetischen Feldes ist bekannt und führt zu vorteilhaften Konfiguratio nen für elektrische Maschinen. Wird nur eine ringförmige Spule a verwendet, Fig. 1, so ergibt sich die Grundform einer Reluktanzmaschine, bei der den Weicheisen-Ankerele menten Se des Stators S und Re des Rotors in Längsrichtung etwa gleich große Lücken gegenüberstehen. Die Kraftbildung ist damit etwa auf die Hälfte des aktiven Umfangs einge schränkt. Es ist weiter bekannt, daß hierbei nur anziehende Kräfte (in die Richtung der gezeichneten Stellung) nicht aber abstoßende Kräfte bei Austritt der Rotorlamellen erzeugt werden können. Es kann gezeigt werden, daß die Grenzen der Kraftdichte dieser Maschine durch die Feldan teile im Zwischenraum der Polelemente und durch die mit steigender Luftspaltinduktion eintretende Sättigung des Eisenkreises gegeben sind. Da große Felddichten bei begrenzten Strömen angestrebt werden, empfehlen sich kleine Luftspalte. Dies dient auch dem Ziel kleine Teilungen der Polelemente (Polteilungen) auszuführen. Dies bedingt hohe Betriebsfrequenzen der Ankerströme. In Verbindung mit der durch geringen Luftspalt mitbewirkten hohen Induktivität entstehen jedoch verhältnismäßig große Kommutierungszeiten, die den Einsatz der Maschine für höhere Umfangsgeschwindig keiten und größere Leistungen beträchtlich behindern. Reluktanzmaschinen, die der bekannten Ausführungsform ent sprechen oder verwandt sind, eignen sich deshalb nur wenig zum Einsatz als Energiewandler großer Leistung. Die Ausfüh rung des magnetischen Kreises in transversaler Form und die Anwendung ringförmiger oder weitgehend ringförmiger Wick lungen ergeben hierbei im Vergleich zu normaler Konfigura tion begrenzte Vorteile, sind aber durch zusätzliche konfi guratorische Schritte weiter zu verbessern. The generation of the magnetic field by electrical currents flowing in coils is known in synchromachines. The use of annular concentric coils to generate the magnetic field (excited by the armature) is known and leads to advantageous configurations for electrical machines. If only an annular coil a is used, FIG. 1, the basic form of a reluctance machine results, in which the soft iron anchor elements Se of the stator S and Re of the rotor in the longitudinal direction are approximately equal gaps. The force is limited to about half of the active range. It is further known that only attractive forces (in the direction of the position shown) but not repulsive forces can be generated when the rotor blades exit. It can be shown that the limits of the force density of this machine are given by the Feldan parts in the space between the pole elements and by the saturation of the iron circuit that occurs with increasing air gap induction. Since large field densities are aimed at with limited currents, small air gaps are recommended. This also serves the goal of making small divisions of the pole elements (pole divisions). This requires high operating frequencies of the armature currents. In connection with the high inductance caused by a small air gap, however, relatively long commutation times arise, which considerably hinder the use of the machine for higher peripheral speeds and larger outputs. Reluctance machines, which speak ent or are related to the known embodiment, are therefore not very suitable for use as energy converters of great power. The execution of the magnetic circuit in transverse form and the use of ring-shaped or largely ring-shaped windings result in limited advantages compared to normal configuration, but can be further improved by additional configuration steps.

Hierzu wird zunächst, wie Fig. 2a darstellt, eine Auftei lung der Wicklung in die Spulen f und a und der sie speisenden Ströme vorgesehen. Dies dient dem Ziel eine weitgehende Reduktion der Induktivität der Ankerwicklung und dadurch eine drastische Verringerung der Kommutierungs zeit zu ermöglichen. Letzteres ist gleichbedeutend mit einer Leistungssteigerung durch die Ausführung höherer Umfangsgeschwindigkeiten und die Ermöglichung einer größe ren relativen Zeitphase für die Erzeugung der magnetischen Kräfte.For this purpose, as shown in FIG. 2a, a division of the winding into the coils f and a and the currents feeding them is first provided. This serves the goal of enabling a large reduction in the inductance of the armature winding and thereby a drastic reduction in the commutation time. The latter is synonymous with an increase in performance by executing higher peripheral speeds and enabling a larger relative time phase for the generation of the magnetic forces.

Besonders zweckmäßig ist eine Aufteilung der Wicklung der Art, daß die Hälfte der maximal notwendigen Stromsumme (Durchflutung) durch eine Spule f erbracht wird, die mit einem zeitlich konstanten Gleichstrom I_f beschickt wird. Die zweite Spule a führt den Wechselstrom i_a, der eine der Rotorgeschwindigkeit entsprechende Frequenz aufweist. Seine Form ist zweckmäßig möglichst rechteckig. Die jedoch in endlicher Zeit erfolgende Kommutierung bewirkt in Ab weichung von der Rechteckform einen trapezförmigen Verlauf, sofern ein großer Spannungsüberschuß gegeben ist.It is particularly expedient to divide the winding in such a way that half of the maximum amount of current required (flooding) is provided by a coil f which is fed with a constant-time direct current I _f . The second coil a carries the alternating current i _a , which has a frequency corresponding to the rotor speed. Its shape is suitably as rectangular as possible. However, the commutation, which takes place in a finite time, causes a trapezoidal shape in deviation from the rectangular shape, provided that there is a large excess voltage.

Wird der Strom so aufgeteilt, daß die Gleichstromdurchflu tung gleich dem Maximalwert der Wechselstromdurchflutung ist, so bedeutet dies, daß die Wechselstromwicklung im Ver gleich zu einer Maschine mit nur einer Wicklung mit gerin gerer Windungszahl ausgestattet werden kann. Wird bei diesem Vergleich der Maximalwert des Stromes der Wechsel stromwicklung konstant gehalten, verringert sich die Windungszahl auf die Hälfte. Die Induktivität geht bei sonst gleichen Verhältnissen hierdurch auf ein Viertel zurück. Bei gleicher für die Kommutierung des Wechsel stroms zur Verfügung stehenden Spannung (und gleicher indu zierter Spannung) kann damit der mittlere Stromgradient (die Kommutierungssteilheit) auf den vierfachen Wert ver größert werden. Dies bedeutet, daß die Kommutierungszeit sich im selben Maß verkleinern läßt.The current is divided so that the direct current flow tion equal to the maximum value of the alternating current flow is, it means that the AC winding in the ver straight to a machine with only one winding with lower number of turns can be equipped. Is at this comparison the maximum value of the current of change current winding kept constant, the Half turns. The inductance comes along otherwise equal proportions to a quarter back. The same for the commutation of the change current available voltage (and the same indu voltage) can be the mean current gradient (the commutation slope) to four times the value be enlarged. This means that the commutation time can be reduced to the same extent.

Damit steht auch bei größeren Umfangsgeschwindigkeiten eine für die Krafterzeugung erhöhte mittlere Felddichte zur Ver fügung. Die Maschine läßt sich somit für hohe Umfangsge schwindigkeiten einsetzen und gibt dabei eine erhöhte Leistung ab. Dies gilt im Vergleich zu Maschinen mit nicht unterteilter Wicklung.This means that even at higher peripheral speeds increased medium field density for ver addition. The machine can thus be used for high circumferences use speed and gives an increased Performance from. This does not apply in comparison to machines with divided winding.

Um den Einfluß der Erregerwicklung während der Kommutierung auszuschalten, sind Maßnahmen erwünscht, die dieser Wick lung eine große Induktivität vermitteln. Zu den bekannten Lösungen hierzu gehört, außer der Vorschaltung einer Zusatzinduktivität, die Reihenschaltung mehrerer Erreger wicklungen. Hierbei ist es zweckmäßig, solche Wicklungen in Serie zu schalten, die zu Wechselstromwicklungen mit unter schiedlicher zeitlicher Phasenlage (versetzte Kommutie rungszeitpunkte) gehören.To the influence of the field winding during commutation to switch off, measures are desirable that this wick convey a large inductance. To the well-known Solutions include one, except the upstream one Additional inductance, the series connection of several exciters windings. It is useful to wind such windings in Switch series that lead to AC windings with under different phases in time (offset commutation times).

Für Erregerwicklungen die über Spannungssteller gespeist werden, ist eine Aussteuerung der Steller in der Form zweckmäßig, daß der Erregerstrom konstant gehalten wird. Hierzu kann eine Stromregelung eingesetzt werden, die auf dem Vergleich zwischen Ist- und Sollwert des Stromes beruht.For excitation windings which are fed via voltage regulators is a modulation of the actuator in the form expedient that the excitation current is kept constant. A current control can be used for this, which is based on the comparison between the actual and target value of the current is based.

Die Anordnung der beiden Wicklungsteile f und a kann ent sprechend Bild 2a so erfolgen, daß die Wicklung f im Rotor R fest mit den Weicheisenelementen Re verbunden ist. Die Stromzufuhr hat dabei z.B. über Schleifringe zu erfolgen. Für die Ausführung der elektrischen Maschine ist die Unter bringung der Wicklung f im feststehenden Teil S, dem Stator, normalerweise günstiger. Diese Ausführungsform ist in Bild 2b skizziert. Der Rotor R enthält dabei nur die passiven Weicheisen-Bauelemente Re. Er läßt sich besonders günstig auch für hohe Umfangsgeschwindigkeiten auslegen; auf die Anwendung von Schleifringen kann hierbei verzichtet werden.The arrangement of the two winding parts f and A may accordingly be carried Figure 2 a so that the winding f in the rotor R fixed with the soft iron elements Re is connected. The power supply has to be done via slip rings, for example. For the execution of the electrical machine, the placement of the winding f in the fixed part S, the stator, is usually cheaper. This embodiment is outlined in Figure 2 b. The rotor R contains only the passive soft iron components Re. It can be designed particularly cheaply even for high peripheral speeds; the use of slip rings can be dispensed with here.

Mit den beschriebenen Voraussetzungen für die Ausführung einer induktivitätsarmen Wechselstromwicklung kann eine weitere Verbesserung im Sinne der Kraftsteigerung durch eine Modifikation der Magnetkreis-Geometrie erreicht werden. Es ergibt sich gegenüber Fig. 1 eine Verdoppelung der Kraftwirkung, wenn im Zwischenraum der Weicheisenele mente zusätzliche Magnetkreise mit geringem Abstand zuein ander angeordnet werden. Das für die Energiewandlung wirk same flußführende Volumen wird hiermit um 100% erweitert, ohne daß der das Feld erzeugende Strom in den Wicklungen f und a vergrößert werden müßte. Fig. 3 zeigt die nun gewählte Anordnung bei der im Wechsel links und rechts der Rückschluß des Feldes über die Rotorlamellen Re′ und Re′′ erfolgt. Letztere stehen wie bisher jeweils im Abstand von 2τ. Gegenüber Fig. 1 wird die Kraftwirkung und damit die Leistung der Maschine verdoppelt, ohne daß größere Verluste entstehen oder ein erweiterter Querschnitt der Wicklung erforderlich wäre. Die Rotorelemente Re′ und Re′′ lassen sich in einen gemeinsamen Rotorkörper integrieren.With the described conditions for the implementation of a low-inductance alternating current winding, a further improvement in terms of increasing the force can be achieved by modifying the magnetic circuit geometry. It results compared to Fig. 1, a doubling of the force effect when elements in the gap between the soft iron elements additional magnetic circuits are arranged at a short distance to each other. The effective flow-carrying volume for the energy conversion is hereby expanded by 100% without the current generating the field in the windings f and a having to be increased. Fig. 3 shows the arrangement now selected in the alternating left and right the inference of the field on the rotor blades Re 'and Re''takes place. As before, the latter are spaced 2τ apart. Compared to Fig. 1, the force and thus the performance of the machine is doubled without major losses or an enlarged cross section of the winding would be required. The rotor elements Re 'and Re''can be integrated into a common rotor body.

Die in Fig. 4 im Schnittbild dargestellte Maschine besteht aus vier im wesentlichen gleichartigen Anordnungen, die entsprechend Fig. 3 aufgebaut sind. Die dem Rotor zugeord neten Weicheisenelemente sind als axial durchgehend gezeichnet. Die Statorteile bilden ein mehrsträngiges Dreh stromsystem. Es sind je zwei Teilmaschinen A und B bzw. A′ und B′, die räumlich nebeneinander liegen, so angeordnet, daß ihre Statoren geometrisch um 180° versetzt sind und mit entgegengesetzt gerichteten Wechselströmen beaufschlagt werden. Die beiden Rotorseiten bilden ein um 90° versetztes zweisträngiges Drehstromsystem. Die Wechselströme der Statoren sind entsprechend phasenverschoben.The machine shown in the sectional view in FIG. 4 consists of four essentially similar arrangements, which are constructed in accordance with FIG. 3. The soft iron elements assigned to the rotor are drawn as axially continuous. The stator parts form a multi-strand three-phase system. There are two sub-machines A and B or A 'and B', which are spatially next to each other, arranged so that their stators are geometrically offset by 180 ° and are acted upon by oppositely directed alternating currents. The two rotor sides form a two-phase three-phase system offset by 90 °. The alternating currents of the stators are out of phase accordingly.

Der Rotor der symmetrisch aufgebauten Maschine benötigt nur eine geringe Eisenmasse; er ist aus der Sicht des magne tischen Kreises massearm ausgeführt. Es werden damit hohe Stellbeschleunigungen (große Kraftdichte, kleine Masse) realisierbar.The rotor of the symmetrical machine only needs a low mass of iron; he is from the magne's point of view table circle executed low mass. It will be high Accelerations (high force density, small mass) realizable.

Die durch die Fig. 4 beschiebene Maschine ermöglicht im Vergleich zu den bisher bekannten Anordnungen aufgrund des verbesserten magnetischen Kreises und der stark reduzierten Ankerinduktivität sehr viel höhere Leistungsdichte, ohne daß damit eine höhere Belastung der stromführenden Quer schnitte verbunden ist. The machine described by Fig. 4 enables compared to the previously known arrangements due to the improved magnetic circuit and the greatly reduced armature inductance very much higher power density without a higher load on the current-carrying cross sections is connected.

Es handelt sich bei den beschriebenen Maschinen um viel polige Anordnungen. Die bei der Beschreibung der Ziel setzung als zweckmäßig erwähnte Wicklungsform, die Ring wicklung in konzentrischer Lage zur Welle, ist dabei als optimale Ausführungsform (minimales Kupfervolumen, minimale Wicklungsverluste) zu betrachten. Um die Ausführung der Maschine mit der Mindestphasenzahl zwei auch für nur zwei nebeneinander liegende Teilmaschinen zu ermöglichen, soll auch eine modifizierte Ringwicklung als vorteilhaft in die Merkmale des Lösungsvorschlags eingebracht werden. In Abwandlung der Wicklungsform von Fig. 4 erscheint eine Variante mit einer Wicklungskonfiguration nach Fig. 5a oder 5b vorteilhaft. Die Maschinenversion 5a geht z.B. aus der Variante Fig. 4 dadurch hervor, daß jedem Statorpaar von Fig. 4 jeweils nur der halbe Statorumfang zugeordnet wird. Um dies zu realisieren erfolgt an den Grenzstellen der jeweiligen Wicklungsstränge, die gegeneinander 90° Phasenverschiebung aufweisen, eine Querverbindung der ringförmigen Wicklungen. Ihre Anordnung bedeutet in der Regel einen Verzicht auf die Ausführung aller sonst möglichen Polelemente und bedeutet gleichzeitig eine begrenzte Störstelle des Maschinenaufbaus. Die dadurch bedingte Reduktion der Wirkungsfläche ist umso geringer, je höher die Polzahl der Maschine ist. Bild 5a zeigt schematisch eine zwei-, Bild 5b eine dreisträngige Wicklung. Die wesentlichen Merkmale der einfachen Ringwick lung (ohne Querverbindung) bleiben dabei ersichtlich be stehen.The machines described are multi-pole arrangements. The winding form mentioned in the description of the objective as expedient, the ring winding in a concentric position to the shaft, is to be regarded as the optimal embodiment (minimum copper volume, minimal winding losses). In order to enable the execution of the machine with the minimum number of phases two, even for only two sub-machines lying next to one another, a modified ring winding should also be incorporated as advantageous in the features of the proposed solution. In a modification of the winding form of Fig. 4, a variant will appear with a winding configuration of Fig. 5a or 5b advantageous. The machine version 5 a can be seen, for example, from the variant in FIG. 4 in that each stator pair in FIG. 4 is assigned only half the stator circumference. In order to achieve this, the ring-shaped windings are cross-connected at the limit points of the respective winding strands which have a 90 ° phase shift relative to one another. Their arrangement generally means that all otherwise possible pole elements are dispensed with and at the same time means a limited point of failure in the machine structure. The resulting reduction in the effective area is smaller, the higher the number of poles of the machine. Figure 5a shows schematically a two-strand, Figure 5b a three-strand winding. The essential features of the simple ring winding development (without cross-connection) remain visible.

Eine weitere Effizienzsteigerung der Energiewandlung kann dadurch erreicht werden, daß innerhalb des kraftbildenden Feldbereichs eine Optimierung des Feldverlaufs angestrebt wird. Wie feldanalytische Untersuchungen zeigen, entsteht ein Maximalwert der durch die magnetischen Wirkungen erzeugten Vortriebskraft, wenn der in Vortriebsrichtung bestehende Gradient der magnetischen Energie ein Maximum wird. Die größte mittlere Änderung der magnetischen Energie beim Durchwandern eines Rotorelements unter dem Stator-Pol element wird dann erreicht, wenn das magnetische Feld im Zwischenraum zwischen den Weicheisenelementen gänzlich ver mieden wird. In diesem Fall tritt das magnetische Feld nur in dem zwischen Rotor- und Statorelement bestehenden Über deckungsbereich (dem Bereich konstanten Luftspalts) hin durch. Durch eine Unterdrückung des magnetischen Feldes im Zwischenbereich der Weicheisenelemente läßt sich auch diese Optimierung verwirklichen. Die realisierbaren Eingriffsmög lichkeiten mit Hilfe verlustarm wirkender Feldblenden die Zwischenräume abzuschirmen sind sehr begrenzt.A further increase in efficiency of energy conversion can can be achieved in that within the force-building Field area aimed to optimize the field course becomes. As field analysis studies show, arises a maximum value by the magnetic effects generated propulsive force when in the direction of propulsion existing gradient of magnetic energy a maximum becomes. The largest mean change in magnetic energy when walking through a rotor element under the stator pole element is reached when the magnetic field in the Ver space between the soft iron elements completely is avoided. In this case, the magnetic field only occurs in the over existing between rotor and stator element coverage area (the area of constant air gap) by. By suppressing the magnetic field in the The intermediate area of the soft iron elements can also be this Realize optimization. The realizable intervention options with the help of low-loss field diaphragms Shielding gaps is very limited.

Im vorliegenden Fall wird der Zwischenraum in nur jeweils einer Feldrichtung durchsetzt. Dies gibt für die Abschir mung die Möglichkeit Permanentmagnete als Blenden einzu setzen. Sie lassen sich z.B. wie Bild 6 zeigt, an den Flanken der Polelemente luftspaltnah in dünner Schicht anbringen. Es kann so recht weitgehend die gewünschte Feld unterdrückung im Zwischenraum erzielt werden. Die dafür notwendige Masse der Permanentmagnete liegt dabei weit unter derjenigen, die für die Erzeugung des Leerlauffeldes bei Synchronmaschinen benötigt wird.In the present case, the space is traversed in only one field direction at a time. This gives the possibility of using permanent magnets as shields for shielding. For example, as shown in Figure 6, they can be attached to the flanks of the pole elements in a thin layer close to the air gap. The desired field suppression in the intermediate space can thus be achieved to a large extent. The mass of the permanent magnets required for this is far below that required for generating the idle field in synchronous machines.

Wie sich durch Untersuchungen der Feldverhältnisse zeigen läßt, besteht bei der Anwendung von Feldblenden der Vor teil, daß wie erwähnt, die erzielbaren Kräfte nennenswert, etwa um einen Faktor 2 oder mehr gesteigert werden können. Da die Feldunterdrückung im Zwischenraum zu einer starken Verminderung des gesamten Magnetflusses führt, ist damit auch eine entsprechende Verringerung der Ankerinduktivität verbunden. Dies wirkt in gleicher Weise vorteilhaft wie die weiter oben beschriebene Einführung der Unterteilung der Wicklungen. Auch hierbei lassen sich weitere Verringerungen der Kommutierungszeit und entsprechende Leistungssteigerun gen erreichen.As shown by studies of the field conditions leaves, the front exists when using field diaphragms partly that, as mentioned, the achievable forces worth mentioning, can be increased by a factor of 2 or more. Because the field suppression in the gap becomes a strong one This leads to a reduction in the total magnetic flux a corresponding reduction in the armature inductance connected. This is advantageous in the same way as that Introduction of the subdivision of the Windings. Here, too, further reductions can be made the commutation time and corresponding increase in performance reach.

Die Verringerung des magnetischen Flusses bei Anwendung von Feldblenden führt zu einer Entlastung der Weicheisenele mente im Sinne einer verringerten Felddichte. Dieser Umstand läßt sich nutzen um mit Hilfe vergrößerter Wick lungsströme höhere Felddichten im Luftspalt zu realisieren, ohne daß die Magnetkreiselemente größere Abmessungen erhal ten. Wie die Untersuchungen zeigen, beträgt die Erhöhung der Nutzfelddichte bis zum Wiedererreichen der Sättigungs grenze etwa 100%. Unter Berücksichtigung des quadratischen Zusammenhangs zwischen Vortriebskraft und Felddichte wird hiermit ein zusätzlicher Kraftzuwachs etwa um den Faktor 4 erreicht.The reduction in magnetic flux when using Field diaphragms relieve the soft iron soul elements in the sense of a reduced field density. This Circumstances can be used to increase the wick to realize higher field densities in the air gap, without the magnetic circuit elements receiving larger dimensions As the studies show, the increase is the effective field density until saturation is reached again limit about 100%. Taking into account the square Relationship between propulsive force and field density hereby an additional increase in strength by a factor of around 4 reached.

Es sei weiter darauf hingewiesen, daß sich supraleitendes Material grundsätzlich gut zum Einsatz als Feldblende bei geringen Verlusten (im Wechselfeld) eignet. Dies setzt Vor kehrungen über die Wahl des Materials und den Aufbau der Leiter, ebenso wie für die Art der Kühlung voraus.It should also be noted that superconducting Material basically good for use as a field diaphragm low losses (in alternating fields). This presupposes Instructions on the choice of material and the structure of the Conductor, as well as for the type of cooling ahead.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Anwendung von Permanentmagneten zur Unterdrückung der Zwischenraumfelder in Rotor und Stator etwa gleich große Wirkungen hervorruft. Bei Beschränkung der Feldkonditionierung auf nur ein Maschinenteil ist nur etwa die Hälfte der bei vollständiger Unterdrückung erzielbaren Effekte zu erwarten.It should be noted that the application of Permanent magnets to suppress the gap fields effects of approximately the same magnitude in the rotor and stator. If the field conditioning is limited to only one Machine part is only about half that at full Suppression achievable effects to be expected.

Die Heranziehung der beschriebenen Verfahren kann zweck mäßig auch in Kombination erfolgen. Es werden hierdurch beträchtliche Steigerungen der maximalen Kraftdichte bei minimalen Verlusten der Ankerwicklung und unter sonst günstigen betrieblichen Voraussetzungen wie z.B. einer kleinen Ankerinduktivität erreicht. Letzteres ist die Vor aussetzung auch für die Anwendung zufriedenstellender Aus legungsbedingungen für die mit der Maschine gekoppelte Leistungselektronik.The methods described can be used moderately also in combination. It will do this considerable increases in the maximum force density minimal losses of the armature winding and among other things favorable operational conditions such as one small armature inductance reached. The latter is the previous one Exposure also satisfactory for the application laying conditions for the coupled with the machine Power electronics.

Die geometrisch einfache Ringwicklung der Maschine eignet sich auch zur Ausführung für höhere Spannungen mit einer entsprechend ausgeführten Wicklungsisolation.The geometrically simple ring winding of the machine is suitable also designed for higher voltages with a correspondingly implemented winding insulation.

Weiter ist durch die Wicklungsform, auch bei Ausführung der Querverbindungen, die Möglichkeit gegeben, zur Wärmeabfuhr besondere Kühlungsmaßnahmen vorzusehen. Eine direkte Leiterkühlung oder eine Badkühlung, wie sie nach Einbrin gung der Wicklung in einen Kühlmittelbehälter (Kryostat) gegeben ist, erscheint gut durchführbar. Diese Kühltechnik wird insbesondere such bei Anwendung der Supraleiter heran gezogen. Der Einsatz sehr verlustarmer elektrischer Leiter ergibt Vorteile für den Wirkungsgrad der Maschine, aber auch für deren Auslegung und den Einsatz bei großen Maschi neneinheiten. Eine große Stromdurchflutung der Wicklungen ergibt die Möglichkeit, mit größeren Luftspalten und größe ren Polteilungen sowie den damit verbundenen kleineren Frequenzen Maschinen mit großen Abmessungen zu realisieren. Durch die Anwendung von sogenannten Hochtemperatur-Supra leitern, deren Kühlmittel z.B. flüssiger Stickstoff bei einer Temperatur von 77 K ist, ergeben sich deutlich vor teilhaftere Bedingungen auch bereits für den Bau von Maschinen mittelgroßer Leistung.Next is the shape of the winding, even when the Cross connections, given the possibility of heat dissipation to provide special cooling measures. A direct one Ladder cooling or bath cooling, as they are after Einbrin winding into a coolant tank (cryostat) is given, appears to be feasible. This cooling technology is particularly approaching when using superconductors drawn. The use of very low loss electrical conductors gives benefits to machine efficiency, however also for their design and use with large machines units. A large current flow through the windings gives the possibility of having larger air gaps and size other pole pitches and the associated smaller ones Frequencies to realize machines with large dimensions. By using so-called high-temperature supra conductors whose coolant e.g. liquid nitrogen a temperature of 77 K are clearly evident more partial conditions already for the construction of Medium-sized machines.

Weiter ist zu erwähnen, daß die hier vornehmlich in Bezug zu rotierenden Maschinen beschriebenen Lösungen, sinngemäß auf lineare Energiewandler, wie z.B. Linearmotoren übertra gen werden können.It should also be mentioned that these are primarily related Solutions described for rotating machines, analogously to linear energy converters, e.g. Linear motors can be gen.

Claims

1. Electrical machine consisting of a moving part and a fixed part, the magnetic flux being guided in soft iron pole elements and these are arranged perpendicular to the direction of movement, the winding with its magnetizing parts running in the longitudinal direction, characterized in that the Winding is divided into two coil parts, with a direct current being conducted in one partial winding and an alternating current being conducted in the other winding.

2. Electrical machine according to claim 1 characterized in that the alternating current in its amplitude Size of the DC current flow corresponds.

3. Electrical machine according to the above claims characterized in that the DC winding with additional measures is equipped with an increased inductance.

4. Electrical machine according to claims 1 and 2 characterized in that the direct current by using a current regulator Feeding the winding is kept constant.

5. Electrical machine according to the above claims characterized in that the direct and alternating current winding together in the fixed standing part and the rotor passively out leads is.

6. Electrical machine according to the above claims characterized in that in the stator of each pole division one from the common wick is assigned magnetized pole element, the is rotated 180 ° relative to the neighboring element.

7. Electrical machine according to the above claims characterized in that due to staggered arrangement of the stator Multi-strand (three-phase) systems made of rotor elements det that act on a common rotor.

8. Electrical machine according to claim 7 characterized in that adjacent stator arrangements in pairs Are offset by 180 ° and with corresponding phase shift pushed currents are fed.

9. Electrical machine according to claim 8 characterized in that several stator pairs out of phase by 180 ° on the circumference the windings are arranged to form common coils Get cross connections.

10. Electrical machine according to the above claims characterized in that Permanent magnets for field suppression in intermediate areas range of rotor pole elements can be used.

11. Electrical machine according to the above claims characterized in that Permanent magnets for field suppression in intermediate clear the stator pole elements are used.

12. Electrical machine according to the above claims characterized in that Permanent magnets in the rotor and stator for suppression the space fields are used.

13. Electrical machine according to the above claims characterized in that the winding is made of superconducting material and with a corresponding cooling device is operated.

14. Electrical machine according to the above claims characterized in that the field diaphragms are made of superconducting material and be operated with appropriate cooling.

15. Electrical machine according to the above claims characterized in that both the winding and the field diaphragms made of supra conductive material are executed and with an ent speaking cooling device.