DE102005024203A1

DE102005024203A1 - Elektrische Antriebsmaschine

Info

Publication number: DE102005024203A1
Application number: DE200510024203
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof. Huth; Jan Dr. Weigel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2006-11-30
Also published as: WO2006125764A1; EP1884011A1

Abstract

Bekannt ist eine elektrische Antriebsmaschine aus einem Stator und einem Läufer, die zusammen ein Antriebssystem bilden, dem für bestimmte Anwendung ein Energieübertragungssystem zugeordnet ist. Vorgeschlagen wird, die elektrischen Wicklungen des Antriebssystems und des Energieübertragungssystems in einem gemeinsamen Aktivteil (50, 60) einzubringen, wobei die Antriebsfunktion und die Energieübertragungsfunktion voneinander unabhängig sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Antriebsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine solche Antriebsmaschine ist insbesondere nach dem Prinzip einer Synchronmaschine (SM) oder Asynchronmaschine (ASM) oder Reluktanzmaschine aufgebaut und kann als Linear- bzw. Drehantrieb dienen.
Elektrische Antriebsmaschinen bestehen aus einem Stator und einem bewegten Läufer. Dabei ist u.U. elektrische Energie auf dem Läufer erforderlich, beispielsweise

– zur Steuerung der Antriebsleistung durch separate Speisung des Läufers, wie z. B. Erregerleistung bei elektrisch erregter Synchronmaschine, doppelt gespeiste Asynchronmaschine.
– als Hilfsenergie zum Be- und Entladen bei Transportaufgaben, Spannen von Werkstücken oder Werkzeugen, für eine Sensorik, z.B. Temperatur, Lage, etc., für Datenübertragungssysteme.

Zur Energieübertragung bei Antriebsmaschinen ist ein geeignetes Energieübertragungssystem erforderlich. Da die Antriebsmaschine je nach Anwendung als Synchronmaschine (SM) oder Asynchronmaschine (ASM) oder Reluktanzmaschine einschließlich spezifischer Untertypen ausgelegt sind, ist für deren Auslegung eine Reihe von Parametern zu berücksichtigen (s. bspw. Lehrbuch K. Vogt et al. „Elektrische Maschinen", VEB Verlag Berlin 1974, insbesondere Hauptabschnitt C: 'Entwurf rotierender elektrischer Maschinen').

Ein derartiges Energieübertragungssystem muss in die Arbeitsmaschine integriert oder separat angebaut werden. Beim Stand der Technik wird die erforderliche Leistung beispielsweise mittels Schleifkontakten, Schleppkabel (bei begrenztem Verfahrweg/-winkel) übertragen. Es ist auch bekannt, ein se parates Energieübertragungssystem mit räumlich getrenntem Aktivteil vorzusehen, z. B. die Erregermaschine in einer Synchronmaschine (SM), oder lineare induktive Energieübertragungssysteme. Dieses Prinzip wird beispielsweise in der DE 42 36 340 A1 beschrieben.

Inhärente Probleme dieser bekannten Problemlösungen sind:

– zusätzlich erforderlicher Bauraum/Masse für das Energieübertragungssystem: Bei Schleppkabeln ist die bewegte Schleppkabelmasse sogar variabel.
– Verschleiß, Reibung, Verschmutzung.

Von obigem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine zu schaffen, bei der neben dem Antrieb gleichermaßen eine geeignete Energieübertragung vorhanden ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei der Erfindung sind die oben genannten Nachteile vermieden, da die notwendige Energie induktiv auf den Läufer übertragen wird, die Motor- und Energieübertragungsfunktionen aber von einer kombinierten Elektromaschine mit gemeinsamem Aktivteil und kombiniertem Stromrichter erbracht werden. Wesentlich ist dabei die Realisierung des gemeinsamen Aktivteils durch geeignete Wahl der Wicklungsparameter von Motor- und Energieübertragungswicklungssystem. Dadurch ist ein entkoppelter Betrieb von induktiver Energieübertragung und Motorbetrieb möglich.

Bei der Erfindung sind zwar nicht die Teilsysteme jeweils optimal, sondern vielmehr das Gesamtsystem hinsichtlich Bauraum/Masse und Wirkungsgraden paretooptimal ausgelegt. Die Motor- und Energieübertragungswicklungen sind dabei als getrennte Wicklungen in ein gemeinsames Aktivteil eingebracht.

Bei der Erfindung lässt sich vorteilhafterweise läuferseitig mit einem Stromrichterstellglied eine Gleichspannung auskoppeln. Im einfachsten Fall kann dafür eine Diodenbrücke verwendet werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
1 ein Blockschaltbild einer elektrischen Antriebsmaschine mit separater induktiver Energieübertragung des Standes der Technik
2 die räumliche Trennung von Motor- und Energieübertragungssystem,
3 Motor- und Energieübertragungssystem mit gemeinsamem Aktivteil und kombiniertem Umrichter,
4 Ausführungen mit getrennten Wicklungen im gemeinsamen Aktivteil, wobei 4A den Fall einer Asynchron- oder Synchronmaschine mit Erregerwicklung und 4B den Fall einer PM Synchronmaschine wiedergibt,
5 Stator und Läufer mit kombinierter Motor(„M")- und Energieübertragungs(„E")-Funktion bei Oberflächen(PM)-Magneten,
6 Stator und Läufer mit ihren korrespondierenden Luftspaltfeldern der Energieübertragung,
7 eine Asynchronmaschine mit einem Energieübertragungssystem im Läufer und Ständer,
8 eine IPM-Synchronmaschine mit schalenförmigen oder geraden Magneten im Läufer und einer Läufer-Energieübertragungswicklung,
9 eine IPM-Synchronmaschine mit radial angeordneten Magneten im Läufer und einer Läufer-Energieübertragungswicklung,
10 eine Vollpol-Synchronmaschine mit integriertem elektrischem Energieübertragungssystem,
11 eine Schenkelpol-Synchronmaschine mit integriertem elektrischen Energieübertragungssystem,
12 eine PM-Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten und integriertem Energieübertragungssystem,
13 eine synchrone Reluktanzmaschine mit integriertem Energieübertragungssystem,
14 ein einphasiges Ersatzschaltbild der Energieübertragungsstrecke für stationären Betrieb,
15 die läuferseitige Spannungsauskopplung mit einer m_E = 3-phasigen Diodenbrücke und
16 die läuferseitige Spannungsauskopplung mit einem m_E= 3-phasigen selbstgeführten Gleich-/Wechselrichter.
Die 1 und 2 zeigen den Stand der Technik, wie er einleitend im Wesentlichen bereits erwähnt wurde. Weitere Erläuterungen erfolgen weiter unten.
Aus den 2 bis 6 ergibt sich das Prinzip der Erfindung. Die weiteren Figuren zeigen jeweils unterschiedliche Ausführungssysteme, wobei die 7 bis 12 unterschiedliche Maschinen und speziell die 14 und 15 die Spannungsauskopplung zeigen.
Die 1 und 2 umfassen den Stand der Technik. In 1 ist ein an einem Drehstromnetz 1 angeschalteter Antriebsmotor 5 dargestellt, dem ein System 10 zur Energieübertragung zugeordnet ist. In bekannter Weise wird der Motor 5 von einem Stromrichterstellglied 2/3 aus einem Gleichrichter 2 und einem Wechselrichter 3 angesteuert, wobei der Gleichrichter von einem Servoregler 4 angesteuert wird. Der Motor 5 und das Energieübertragungssystem 10 sind über eine Drehwelle 6 und u.U. mit einem Lageerfassungssystem 7 gekoppelt. Die Sensorik kann zusätzlich noch um die Funktion „Drehzahlistwert-Erfassung" erweitert werden. Weiterhin ist eine elektrische Last 9 vorhanden. Nicht dargestellt ist die mechanische Last an der Abtriebswelle.
Es wird somit eine Antriebsmaschine realisiert. In der 2 wird in den Teilfiguren 2A und 2B einmal ein Motorsystem M definiert, das aus einem Stator 50 mit darin angeordneter Ständerwicklung 51 und aus einem Läufer 60 mit darauf angeordneten einzelnen Permanentmagneten 61-63 besteht. Im zugehörigen Energieübertragungssystem E gemäß der 2b ist im Stator 55 eine Spulenanordnung 56 mit der Polpaarzahl P_E und im Läufer 65 eine Spulenanordnung mit der gleichen Polpaarzahl P_E vorhanden. Damit wird in bekannter Weise über den Luftspalt δ₂ hinweg induktiv elektrische Energie übertragen und steht auf dem Läufer zur Verfügung.
Wesentlich ist in 2, dass im Motorsystem und im davon räumlich getrennten Energieübertragungssystem E im Allgemeinen unterschiedliche, optimale Luftspalte δ₁ und δ₂ vorliegen.
Die 3 zeigt eine erfindungsgemäß verbesserte Anordnung: Hier ist ein Stromrichter 20 vorhanden, der im Einzelnen aus einem Gleichrichter 21 und zwei an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Wechselrichtern 22 und 23 besteht. Der erste Wechselrichter 22 ist für den Motor („M") zuständig und der zweite Wechselrichter für die Energieübertragung („E"). Beide Wechselrichter 22 und 23 wirken auf eine Antriebsmaschine M/E ein, die auch mit 25 bezeichnet ist. Die Antriebsmaschine 25 hat eine Abtriebswelle 26, die mit der Drehzahl n rotiert. Der Motor 25 ist wiederum über einen Servoregler 24 mit dem Wechselrichter 22 verbunden. Der Motor ist mit einem Lageerfassungssystem im Rückkoppelzweig an den Servoregler 24 angeschlossen. Weiterhin ist 29 als elektrische Lastnachbildung R_L vorhanden.
Wesentlich ist in 3, dass Motor und Energieübertragungssystem ein gemeinsames Aktivteil aufweisen. Dies wird anhand 4 verdeutlicht.
In 4 ist die konstruktive Realisierung in zwei Alternativen dargestellt. Dabei ist beide Male der Stator als Aktivteil mit einer 3-phasigen Motor(M)-Wicklung 1 der Polpaarzahl p_M und einer 3-phasigen Energieübertragungs-Wicklung 1 der Polpaarzahl p_E aufgebaut. In 4A befindet sich im Läufer 60 eine Motor(M)-Wicklung 2 und eine Energieübertragungs(E)-Wicklung 2. In der Teilfigur gemäß 4B wird die Motor-Läufererregung durch Permanentmagnete bereitgestellt, während eine Wicklung der Polpaarzahl p_E der Energieübertragung dient. Dies wird nachfolgend erläutert:
Im Läufer 60 ist eine Energieübertragungswicklung erforderlich, u.U. auch eine weitere, sekundäre Motorwicklung. Das Energieübertragungssystem ist wiederum mit „E", das Motorsystem mit „M" bezeichnet. Bei „E" handelt es sich grundsätzlich um eine Asynchronmaschine mit gewickeltem Läufer, die als Übertrager je nach Energieübertragungsfrequenz geeigneterweise bei einem Schlupf ≥1 eingesetzt wird. „M" ist vorzugsweise als Synchronmaschine (SM) ausgeführt, kann aber auch prinzipiell als Asynchronmaschine (ASM) mit gewickeltem Läufer ausgeführt sein.
Die Wicklungsparameter der getrennten „E"- und „M"- Wicklungen sind so zu wählen, dass eine weitgehende Entkopplung der Motor- und Energieübertragungsfunktion sichergestellt wird. Die beste Entkopplung bzgl. des Antriebsmoments/der Antriebskraft ist dann möglich, wenn das Wicklungssystem der Energieübertragung mit einem Wechselfeld bei Schlupf s = 1 gespeist wird. Dabei pulsiert aber die elektrische Leistung. Bei Drehstromspeisung ist die Übertragung elektrischer Leistung konstant, allerdings wird dabei ein wenn auch geringes Antriebsmoment bereitgestellt. Die Energieübertragung ist aber stets unabhängig von der Speisung des Motorsystems. Dies ist ein wesentlicher Bestandteil für die Funktionsweise der neuen Antriebsmaschine, was im nachfolgend verdeutlicht wird.
1. „M"-Funktion:
Die Ständerwicklung (M Wicklung 1) ist im allgemeinen Fall (PM-SM) als sog. Bruchlochwicklung der Lochzahl q_M = z/n mit der Grundpolpaarzahl p_M ausgeführt und erzeugt die Drehfeldpolpaarzahlen:
Positive Polpaarzahlen ν_M sind bei symmetrischer Speisung positiv umlaufende Wellen, negative entsprechend negativ umlaufende Wellen.
Ein durch Gleichstrom oder Permanentmagnete (PM) hervorgerufenes Läuferluftspaltfeld beinhaltet in der Regel alle ungeradzahligen Vielfachen der Grundpolpaarzahl p_M. μM = pM ·(1 + 2·g2)·; g2 = 0, 1, 2, ... (2)
Dabei sind die einzelnen Amplituden zum Beispiel durch geeignete Formung der Polschuhe bei einer Schenkelpolmaschine, durch geeignete Verteilung der Erregerwicklung in Nuten bei einer Vollpolmaschine oder durch geeignete Polbedeckung oder variable Magnetdicke, bei einer PM-Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten, beeinflussbar.
2. „E"-Funktion:
Beim Energieübertragungssystem handelt sich grundsätzlich um eine Asynchronmaschine mit gewickeltem Läufer, wobei Ständer- und Läuferwicklung üblicherweise als Ganzlochwicklungen ausgeführt werden. Das von der Ständerwicklung (E Wicklung 1) erzeugte Luftspaltfeld beinhaltet die Drehfeldpolpaarzahlen.
Es gilt für die Mitsystemspeisung: νE = pE + 2·mE·pE·g'1· ; g'1 = 0, ± 1, ± 2, ... (3.1) und für Gegensystemspeisung: νE = –pE + 2·mE·pE·g'1· ; g'1 = 0, ± 1,± 2, ... (3.2)
Der Läufer (E Wicklung 2) reagiert auf ein Ständerluftspaltfeld der Polpaarzahl ν_E mit Läuferluftspaltfeldern der Polpaarzahlen: μE = νE + 2·mE·pE·g'2· ; g'2 = 0, ± 1, ± 2, ... (4)
5 zeigt speziell für ein Beispiel mit Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten die Zuordnung der Wicklungen: Hier sind im Stator eine Motorwicklung und eine Energieübertragungswicklung einander zugeordnet angeordnet. Im Läufer sind Oberflächen-Permanentmagnete für die Erregung angeordnet, wobei weiterhin eine Energieübertragungswicklung vorhanden ist.
Konkret gilt, dass die Polpaarzahlen einer dreisträngigen (m_M = 3) Synchronmaschine SM mit PM Oberflächenmagneten und einer ebenfalls dreisträngigen (m_E = 3) Energieübertragungswicklung die folgenden Ungleichungen erfüllen müssen:
6 zeigt, dass Stator 50 und Läufer 60 mit ihren korrespondierenden Luftspaltfeldern in definierter Weise einander zugeordnet sind. Die Entkopplung wird nachfolgend im Einzel nen beschrieben:
3. Entkopplung:
Für eine Entkopplung von „M"- und „E"-Funktion, unabhängig von Mit- oder Gegensystemspeisung der „E"-Funktion, muss eine Entkopplung bezüglich der „M"- und „E"- Primärwicklungen |ν_M|≠|ν_E| und bezüglich des Läuferluftspaltfeldes |μ_M|≠|ν_E| gewährleistet sein.
Darüber hinaus gilt für beide Wicklungssysteme dieselbe Nutzahl. N1 = 2·mM·pM·gM = 2·mE·PE·gE (5)
Eine mögliche Ausführung des M-Systems und E-Systems mit ihren Parametern Strangzahl m, Nutzahl N1, Polpaarzahl p und Lochzahl q ist in nachfolgender Tabelle wiedergegeben:
Die Anordnung der einzelnen Strangwicklungen in Ständer und Läufer ergibt sich aus nachfolgendem Strang-Zonenplan. Es ist eine Polteilung der E-Wicklung gezeigt:
Für den Entwurf einer rotierenden elektrischen Maschine gilt grundsätzlich: Für große Luftspalte δ zwischen Primär- und Sekundärteil ist die Polteilung des Energieübertragungssystems hinsichtlich einer starken magnetischen Kopplung und demzufolge einem hohen Wirkungsgrad möglichst groß zu wählen. Bei der Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten ist die Polpaarzahl der Energieübertragung aufgrund des großen effektiven Luftspalts aus Magnethöhe und eigentlichem Luftspalt bei gegebener Motorpolpaarzahl kleiner als die Motorpolpaarzahl zu wählen.
Bei Antriebsmaschinen (sowohl ASM als auch SM) mit vergrabenen Magneten (IPMSM), Schenkelpol- und Vollpol-SM mit kleinem Spalt zwischen Primär- und Sekundärteil lässt sich die Polpaarzahl der Energieübertragung u.U. auch kleiner als die Motorpolpaarzahl wählen.
Die 7 bis 13 zeigen den möglichen Aufbau unterschiedlicher Antriebsmaschinen. Dabei ist jeweils der Stator und der Läufer dargestellt, die über einen Luftspalt δ getrennt sind. Durch unterschiedliche Schraffuren werden die einzelnen Strangwicklungen des Motorsystems einerseits und des Energieübertragungssystems andererseits verdeutlicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird dabei für das Motorsystem nur jeweils eine Phase mit Schraffuren für A_M ⁺ und A_M ^– dargestellt, während sich für die andern beiden Phasen der 3poligen Maschine jeweils Platzhalter ergeben.
Im Einzelnen zeigt 7 eine Asynchronmaschine mit einem Energieübertragungs-Wicklungssystem im Läufer und im Ständer, welche jeweils im Nutgrund angeordnet sind.
In der 7 bedeuten 110 der Stator und 150 der Läufer einer Asynchronmaschine (ASM) 100. Im Stator 110 und im Läufer 150 sind – jeweils durch die elektrischen Parameter der Antriebsmaschine vorgegeben – einzelne Nuten 111, 111', ... und 151, 151', ... eingebracht. In die Nuten 111, 111', ... bzw. 151, 151', ... sind die Wicklungen 115 des Motorsystems einerseits und die Wicklungen 155 des Energieübertragungssystems andererseits eingebracht. Für ein dreiphasiges System sind jeweils drei Strangwicklungen vorhanden, die in der Legende mit A_M, B_M und CM gekennzeichnet sind sowie weiterhin Wicklungen des Energieübertragungssystems mit der Bezeichnung A_E, B_E, C_E. Während die Wicklungen 115 des Motorsystems oberflächennah angeordnet sind, befinden sich die Wicklungen 155 des Energieübertragungssystems sowohl im Läufer 150 als auch im Ständer 110 jeweils im Nutgrund.
Im Prinzip entsprechende Anordnungen ergeben sich aus den 8 bis 13 speziell für die Synchronmaschinen, wobei verschiedene Typen derartiger Synchronmaschinen dargestellt sind. In 8, 9 und 12 sind im Läufer für die Erregung der Motorfunktion keine Wicklungen, sondern Permanentmagnete (PM) eingebaut.
8 zeigt eine so genannte IPM-Synchronmaschine 200 mit schalenförmigen oder geraden Permanentmagneten 255, bei der im Aktivteil die Energieübertragungswicklungen im Nutgrund und im Läufer an der Oberfläche angeordnet sind. Zwischen den Permanentmagneten sind Bereiche aus amagnetischem Material angeordnet. Der Stator 210 ist entsprechend dem in 7 ausgebildet.
9 zeigt eine IPM-Synchronmaschine 300 mit radial angeordneten Permanentmagneten 355 im Abstand τ_pM im Läufer 350 und Energieübertragungswicklungen 155.
In 10 ist eine Vollpol-Synchronmaschine 400 mit Stator 410 und Läufer 450 dargestellt. Bezüglich des Stators 410 wird auf die 8 und 9 verwiesen. An der Oberfläche des Läufers 450 sind in Nuten neben den Wicklungen des Motorsystems und des Energieübertragungssystems weiterhin Wicklungen zur Erzeugung von Magnetfeldern für die magnetischen Pole angeordnet. Die dafür notwendigen Wicklungen sind mit ihren Feldrichtungen durch die Schraffuren A_F ⁺ und A_F ^– angedeutet.
11 zeigt eine Schenkelpol-Synchronmaschine 500 mit Stator 510 und Rotor 550 sowie Energieübertragungswicklungen, die in den Nuten der Pole angeordnet sind.
Um die Schenkel 555 des Rotors 550 befindet sich jeweils eine Erregerwicklung 556, während der Stator 510 entsprechend den vorangehenden Figuren ausgebildet ist.
Insgesamt wird aus den 7 bis 11 deutlich, dass die Polteilung der Motorwicklungen größer ist als die der Energieübertragungswicklungen. Das ist möglich aufgrund des kleinen Luftspalts zwischen Läufer und Ständer. Dennoch kann die magnetische Kopplung der Energieübertragung auf Kosten der Kopplung der Motorfunktion erhöht werden, indem die Polteilung der Energieübertragung weiter erhöht wird.
In 12 ist eine Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten 600 mit Stator 610 und Läufer 650 und Energieübertragungswicklungen gezeigt, die im Stator 610 an der Oberfläche angeordnet sind. Im Läufer 650 liegen die Wicklungen in den Nuten unter den Permanentmagneten.
Durch m_E-phasige Speisung der Energieübertragungsstatorwicklung mit einem separaten Wechselrichter WR zur Energieübertragung kann Energie via Drehfeld übertragen werden. Das Energieübertragungssystem arbeitet als Asynchronmaschine mit einem Schlupf s, der von der Motordrehzahl und der Speisefrequenz f₁ abhängt.
In 13 ist eine Reluktanzmaschine mit Stator 710 und Läufer 750 sowie zusätzlichen Energieübertragungswicklungen dargestellt. Die Reluktanzmaschine besitzt große Ähnlichkeit mit der Schenkelpolmaschine. Das Antriebsmoment der Maschine wird hier aber aus der Reluktanz der Maschine aufgrund ausgeprägter Pole geholt.
14 gibt ein Ersatzschaltbild der Energieübertragungsstrecke entsprechend einer Asynchronmaschine wieder. Es ist der stationäre Betrieb vorausgesetzt und ein Grundwellenmodell wiedergegeben. Dabei ist nur eine Phase dargestellt.
Die Ersatzschaltung setzt sich zusammen aus dem Stator- und Läuferwiderstand R₁ und R'₂, der primären Streureaktanzen X_1σ, der sekundären Streureaktanz X'_2σ und der Hauptreaktanz X_1h. Die sekundärseitigen Bauelementkenngrößen sind dabei mit dem Übersetzungsverhältnis der Windungszahlen auf die Ständerseite umgerechnet. s bezeichnet den Schlupf zwischen dem Energieübertragungsfeld und dem Läufer.
Aus dem Ersatzschaltbild ist Folgendes ablesbar: Je größer der Schlupf (→Gegensystemspeisung), desto größer ist die sekundärseitig abgreifbare Spannung (Leerlauf: U'2 = s·X_1h·I_μ).
Der Leistungsfluss im Energieübertragungssystem ist nachfolgend dargestellt:
Dabei kennzeichnen P_1el die der Energieübertragungsstatorwicklung elektrisch zugeführte Leistung, P_CU1 die ohmschen Statorverluste, P_δ die – Luftspaltleistung, s den Schlupf, P_2el die im Läufer elektrisch abgeführte Leistung, I₁ den Statorstrom. Der Statorwicklung wird die Leistung P_1el zugeführt: Im Stator fällt die ohmsche Verlustleistung P_CU1 an, sodass die Luftspaltleistung P_δ über den Luftspalt übertragen wird. Diese spaltet sich wiederum auf in einen Anteil mechanischer Leistung P_mech und den Anteil s·P_δ. Diese Leistung abzüglich der ohmschen Verlustleistung P_CU2 in den Läuferwiderständen wird als elektrische Versorgungsleistung P_el2 abgeführt.
Es lässt sich zeigen, dass der Wirkungsgrad der Energieübertragung unabhängig von den Parametern der Energieübertragung (X_σ1, X'_σ2, X_1h, R₁, R'₂, R_L) mit wachsendem Schlupf s ansteigt. Daher läuft die Energieübertragungsmaschine geeigneterweise mit Gegensystemspeisung im Gegenstrombremsbetrieb s > 1. Dabei entsteht auch ein entsprechendes Bremsdrehmoment. Bei Mitsystemspeisung ist die im Läufer induzierte Spannung geringer und es entsteht ein antreibendes Drehmoment.
Durch Anschluss einer einsträngigen Energieübertragungs-ASM an eine Wechselspannung entsteht in der Maschine ein Wechselfeld (Lehrbuch G. Müller „Elektrische Maschinen", VEB Verlag Technik Berlin; 1967; insbesondere Hauptabschnitt B: 'Der stationäre Betrieb der rotierenden elektrischen Maschinen'). Dieses Wechselfeld lässt sich in ein Mit- und ein Gegensystem zerlegen. Mitkomponente und Gegenkomponente der Grundwellenfelder sind für s = 1 gleich groß, so dass zwar keine mechanische Leistung übertragen wird, sich aber dennoch am Läufer ebenfalls einphasig eine Wechselspannung abgreifen lässt. Bei Bewegung sind Mit- und Gegenkomponenten der Grundwellenfelder nicht gleich, es kommt drehrichtungsunabhängig zu einem geringen Antriebsmoment.
Der Vorteil liegt in der nur einphasigen Einspeisung des Energieübertragungssystems, dafür mit pulsierender übertragener Leistung.
Die 15 und 16 zeigen die Auskopplung der übertragenen Energie, wobei hier die jeweils zugehörige läuferseitige Beschaltung dargestellt ist.
In 15 und in 16 wird jeweils von der Prinzipdarstellung gemäß 4 ausgegangen. Gezeigt ist hier, dass die läuferseitigen Energieübertragungswicklungen an Gleich richter angeschaltet sind.
Speziell in 15 ist dafür eine 3-phasige Diodenvollbrücke 140 mit sechs Dioden 141, 141' und einer Kapazität 145 dargestellt, so dass eine Gleichspannung abgegeben werden kann. Im Allgemeinen ist die Vollbrücke mehr (m_E)-phasig.
Letztere Schaltung gestattet nur Gleichrichterbetrieb bzw. unidirektionalen Leistungsfluss vom Stator zum Läufer. Überschüssige Energie muss u.U. mit Hilfe eines Choppers in einem elektrischen Widerstand in Wärme umgesetzt werden.
In 16 ist die läuferseitige Anschaltung eines im Allgemeinen m_E-phasigen selbstgeführten Stromrichters dargestellt. Beispielhaft ist eine dreiphasige (m_E = 3) Vollbrücke wiedergegeben, die aus Dioden 151, 151' sowie abschaltbaren Leistungshalbleitern 152 und einer Kapazität 155 besteht. Es ergibt sich eine regelbare, hochsetzbare Gleichspannung. Diese Schaltung gestattet Gleich- und Wechselrichterbetrieb, bzw. einen bidirektionalen Leistungsfluss.
Werden speziell einphasige Energieübertragungssysteme verwendet, kann eine einphasige Vollbrücke in H-Schaltung oder eine Halbbrückenschaltung zum Einsatz kommen.
Bei den angegebenen Beispielen dient der Gleichspannungszwischenkreis als Energiespeicher, aus dem mehrere mit dem Läufer bewegte Komponenten, u.U. über DC/DC- oder DC/AC-Wandler, gespeist werden können. Alternativ können Drehstromverbraucher auch direkt an die Läuferwicklung angeschlossen werden. Die Frequenz f₂ ist dann aber abhängig vom Schlupf s. Bei geeigneter schlupfabhängiger Steuerung der Frequenz f₁ = f₂/s lässt sich auch eine weitgehend konstante Läuferfrequenz f₂ erzielen.
Die anhand der 7 bis 13 beschriebenen Ausführungsbeispiele waren insbesondere rotierende Asynchron- oder Synchronmaschinen. Das gleiche Prinzip gilt auch für Linearmoto ren, wie es insbesondere anhand der Lineardarstellungen in 2 und 4 angedeutet ist oder auch für Reluktanzmaschinen.
Die Vorteile der vorstehend beschriebenen Beispiele werden nachfolgend zusammengefasst:

– Es liegt eine reduzierte Masse bzw. ein reduzierter Bauraum bei weitgehend unabhängiger Funktionalität von Energieübertragung und Motorfunktion vor.
– Es erfolgt eine kontaktlose Übertragung von elektrischer Energie auf ein bewegtes System als integraler Bestandteil der Antriebs- bzw. Motorfunktion.
– Es ist ein kombinierter Umrichter für Motor- und Energieübertragungsfunktion vorhanden, ein gemeinsamer Spannungszwischenkreis ist möglich.

Eine erste vorteilhafte Anwendung der vorstehend anhand verschiedener Beispiele beschriebenen Antriebsmaschine ist bei Permanentmagnet-Antrieben, vorzugsweise als rotierende PM-Torque-Direktantriebe, gegeben. Eine zweite vorteilhafte Anwendung ist bei Permanentmagnet-Linear-Direktantrieben möglich.

Claims

Elektrische Antriebsmaschine aus einem Stator und einem Läufer, die ein Antriebssystem bilden, dem ein Energieübertragungssystem zur elektrischen Energieversorgung auf dem bewegten Teil zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen des Antriebssystems und des Energieübertragungssystems in einem gemeinsamen Aktivteil (50, 60) untergebracht sind, wobei die Antriebsfunktion und die Energieübertragungsfunktion weitgehend von einander unabhängig sind.
Antriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung elektrischer Energie induktiv ausgeführt ist.
Antriebsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der entkoppelte Betrieb der Teilfunktionen durch eine geeignete Wahl der Wicklungsparameter der Wicklungen von Motorsystem („M") einerseits und Energieübertragungssystem („E") andererseits erreicht ist.
Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motor- und Energieübertragungsfunktion vom Aktivteil (50, 60) und einem damit kombinierten Stromrichter (20) erbracht wird.
Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtsystem („M" + "E") hinsichtlich Bauraum/Masse bei gleichzeitig hohen Wirkungsgraden der Teilfunktionen optimiert ist.
Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Motorfunktion nach dem Wirkprinzip der Synchronmaschine(SM).
Antriebsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregung der Synchronmaschine durch Permanentmagnete (255) erzielt wird, wobei im Läufer (250) nur Wicklungen (155) des Energieübertragungssystems (E) untergebracht sind. (8)
Antriebsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (250, 350) mit vergrabenen Permanentmagneten ausgeführt ist (8, 9).
Antriebsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (650) Oberflächen-Permanentmagneten (656) enthält.(12).
Antriebsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregung durch wenigstens eine Motor-Läuferwicklung (115) aufgebracht wird, wobei sich auf dem Läufer (150, 250, 350, 450, 550, 650, 750,) zusätzlich wenigstens eine Energieübertragungswicklung (155) befindet.(7 – 13)
Antriebsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer als Schenkelpol-Läufer ausgeführt (550) ist (11).
Antriebsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer als Vollpol-Läufer (450) ausgeführt ist (10).
Antriebsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Motorfunktion nach dem Wirkprinzip der Asynchronmaschine (ASM), wobei sich im Läufer (150) neben den Energieübertragungswicklung (155) Motorwicklungen (115) vorhanden sind.(7)
Antriebsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Motorfunktion nach dem Wirkprinzip einer Reluktanzmaschine, wobei im Läufer (750) nur Energieübertragungswicklungen (155) vorhanden sind. (13)
Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (140, 150) zum läufersei tigen Auskoppeln der Spannung vorhanden sind.
Antriebsmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (140, 150) einen m-phasigen Stromrichter (m = 1 – 3) beinhalten
Antriebsmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass für einen unidirektionalen Leistungsfluss elektrischer Energie der Stromrichter als m-phasige Dioden-vollbrücke (140) ausgeführt ist (m = 3) oder für m = 1 auch als Dioden-Halbbrücke.
Antriebsmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass für einen bidirektionalen Leistungsfluss elektrischer Energie der Stromrichter selbstgeführt ist.
Antriebsmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass für einen bidirektionalen Leistungsfluss elektrischer Energie der Stromrichter als m-phasige Vollbrücke (150) mit abschaltbaren Leistungshalbleitern (151, 151', 151'') ausgeführt ist (m = 3→) oder für m = 1 auch als Halbbrücke.