DE19847591A1

DE19847591A1 - Permanentmagneterregte elektrische Maschine mit Hoch-Temperatur-Supra-Leitern zur Magnetfeldverstärkung bzw. Feldschwächung

Info

Publication number: DE19847591A1
Application number: DE19847591A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Gutt; Arkadi Gruener
Original assignee: GUTT HANS JOACHIM
Current assignee: GUTT HANS JOACHIM
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2000-05-11

Abstract

Bei bekannten permanenterregten (PM) elektrischen Maschinen wird der Hauptfluß durch den Streufluß vermindert, was zu einer Senkung ihrer Materialausnutzung bei Verschlechterung ihrer Betriebsdaten (z. B. niedriger Leistungsfaktor) führt. Die neue Konstruktion der PM-Maschine mit Hochtemperatursupraleitern soll es ermöglichen, durch die Aufmagnetisierung des Läufers den Streufluß im PM-Läufer zu verringern bzw. seine Richtung zu ändern, dabei die Materialausnutzung und die Betriebsdaten der Maschine zu verbessern. DOLLAR A Durch die in Pollücken und in Nuten des PM-Läufers eingebetteten HTS-Stäben wird der Streufluß in HTS-Stäben durch die Aufmagnetisierung des Läufers von einem äußeren Feld (z. B. von der Ständerwicklung erzeugt wird) unter Nutzung des "pinning"-Effekts (zero field cooling) bei der Abkühlung eingefroren: a) er wird vollständig kompensiert, d. h. der Streufluß wird gleich Null oder b) überkompensiert (trapped flux cooling) und damit wird der Nutzfluß der Maschine über den normalen Remanenzfluß (entsprechend der Remanenzinduktion B¶r¶) hinaus gesteigert. Umgekehrt läßt sich auch ein "Feldschwächbetrieb" erzielen. DOLLAR A Die Ausführung der PM-Maschinen mit HTS-Materialien und Aufmagnetisierung des Läufers ermöglicht die Erhöhung ihrer Materialausnutzung bei gleichzeitiger Verbesserung ihrer Betriebsdaten (z. B. höherer Leistungsfaktor, größerer Wirkungsgrad und höhere Leistungsdichte) bzw. ihrer Betriebseigenschaften ("Magnetfeldverstärkung" oder "Feldschwächbetrieb").

Description

Die Erfindung dient in erster Linie der Erhöhung des magnetischen Nutz-(Haupt-)flusses per manenterregter elektrischer Maschinen vorzugsweise auf dem Dreh- bzw. Wanderfeldprinzip basierend, sowie der damit verbundenen Erhöhung ihrer Materialausnutzung (d. h. Senkung des Leistungsgewichtes) bei gleichzeitiger Verbesserung ihrer Betriebsdaten (z. B. höherer Leistungsfaktor). Der erfinderische Gedanke geht davon aus, den Streufluß von Permanent magneten nicht nur durch "Flußsperren" aus HTS-Materialien zu vermindern (und dadurch die streuungsbedingte Verminderung des Hauptflusses entsprechend B_δ1 zu verringern), son dern die bei Flußsperren unvermeidbaren Reststreuflüsse unter gleichzeitiger Nutzung des "pinning"-Effektes ("trapped field") vollständig zu kompensieren (d. h. den Streufluß zu Null zu machen), ja sogar "überzukompensieren" und damit den Nutzflußwert über den maximalen Hauptflußwert (entsprechend der Remanenzinduktion B_r nach Fig. 1) darüber hinaus (auf B_δ2 in Fig. 1) zu steigern. Umgekehrt läßt sich natürlich die "trapped field"-Richtung in den HTS-Materialien auch umkehren (ΔH in Fig. 1) und dadurch die im "Feldschwächbetrieb" der sonst praktisch konstant erregten Permanentmagnetmaschine erwünschte Feldschwächungseffekt erzielen.

Fig. 2a gibt einen schematischen Überblick über eine permanenterregte Maschine, bspw. mit einem (hier nicht detailliert gezeichneten) Ständerblechpaket 12 und Drehstromwicklung 10.

Fig. 2b zeigt am Beispiel des mit Schalenmagneten und ebenfalls schalenförmigen HTS-Teilen versehenen Läufers, daß der "trapped field"-Anteil zur Feldverstärkung seine Richtung (im Vergleich zum üblichen Permanentmagnetläufer-Streufluß) innerhalb des Läufers umge kehrt hat.

Fig. 3 zeigt beispielhaft verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Läufers:

Fig. 3a zeigt den 2-poligen Läufer mit ferromagnetischer Welle 3, dem geblechten Eisenkern 5 und den oben bereits erwähnten schalenförmigen Permanentmagneten 1 und HTS-Materialien ("Supraleiter") 2.

Fig. 3b gibt eine 4-polige Ausführung mit 4 quaderförmigen Permanentmagneten, amagneti scher Welle und in HTS-Hülse ("Nabe") 4 und HTS-Zwischenteile 2 zwischen den Polen auf geteilte "trapped field"-Anordnungen wider.

In Fig. 3c ist der Permanentmagnet 1 sternförmig ausgebildet und aus Fliehkraftgründen mit einem Blechpaketring 8 umgeben, der einen Dämpfer- bzw. Anlaufkäfig 7 enthält. Hier sind die "trapped field"-Anordnungen in einen Zwickel zwischen den Permanentmagnetpolen und einem Nutteil unterhalb des Dämpferkäfigstabes aufgeteilt.

Fig. 3d zeigt beispielhaft einen Läufer mit "vergrabenen" Permanentmagneten, Dämpfer wicklung und HTS-trapped field Teilen, die mit schwalbenschwanzförmigen Befestigungsan sätzen versehen sind.

Bezeichnungen

1

Permanentmagnet

2

Supraleiter (HTS-Material)

3

Welle

3

a amagnetische Welle

4

supraleitende Zapfe (Nabe)

5

geblechter Eisenkern

6

supraleitende Stäbe

7

Dämpferwicklung

8

Läuferblechpaket

9

Lagerschild

10

Ständerwicklung

11

Gehäuse

12

Ständerblechpaket

Literaturverzeichnis

[1] Gutt, H.-J.; Immendörfer, I; Reutlinger, K.:
Mehrfachnutzung von Hochtemperatur-Supraleitern in elektrischen Maschinen. DE 196 36 548 A1, Okt. 16., 1997;
[2] Essam S. Handi:
Design of small electrical machines. John Wiley & Sons, New York, USA, S. 177-179, 1996;
[3] Weh, H.:
New Maglev Concepts with Magnetically Active Rails. Electrical Engineering Research Report, No. 5, June 1998, Page 3-7;
[4] Komarek P.:
Hochstromanwendung der Supraleitung, B. G. Teubner Stuttgart 1995;
[5] Charles, P. Pooie; Jr. Horacio A. Farach; Richard, J. Creswick:
Superconductivity ACADEMIC PRESS; INC. 1995.

Claims

1. Elektrische Maschinen, vorzugsweise auf dem Dreh- und Wanderfeldprinzip basierend, mit Permanenterregung dadurch gekennzeichnet, daß in deren Pollücken Hoch-Tempera tur-Supraleiter-(HTS-)Materialien angeordnet sind, in denen zur Magnetfeldverstärkung ein zu dem Permanentmagnetfeld in gleicher Richtung verlaufendes Magnetfeld ("trapped field") eingefroren wird. Zur Magnetfeldschwächung für den Feldschwächbetrieb wird in den HTS-Materialien ein dem Permanentmagnetfeld entgegengerichtetes Magnetfeld ("trapped field") eingefroren.

2. Permanenterregte Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feldver stärkende bzw. feldschwächende, im HTS-Material einzufrierende Feld durch gesonderte Auf- bzw. Abmagnetisierungseinrichtungen außerhalb der Maschinen (d. h. im ausgebau ten Zustand des Permanentmagnetteiles mit seinen HTS-Materialien) erzeugt werden.

3. Permanenterregte Maschinen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das feldverstärkende bzw. feldschwächende, im HTS-Material einzufrierende Feld ("trapped field") im zusammengebauten (d. h. betriebsfertigen) Zustand der Maschinen durch deren Haupt- und/oder Zusatzwicklungen aufgebracht bzw. erzeugt wird.

4. Permanenterregte Maschinen nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß das feld verstärkende Feld ("trapped field") gleichzeitig mit der Aufmagnetisierung des Perma nentmagneten in den ihn benachbarten bzw. ihn umgebenden HTS-Materialien "eingefro ren" wird.

5. Permanenterregte Maschinen nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß vor zugsweise bei 4- und höherpoligen Ausführungen die dann aus amagnetischem Material bestehenden Wellen 3a (Fig. 3b und d) mit einer Hülse ("Nabe") aus HTS-Materialien um geben werden.

6. Permanenterregte Maschinen nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die aus HTS-Materialien bestehenden "trapped field"-Anordnungen je Pol auch aus mehreren, auch durch Blechpaketteile getrennten Teilen bestehen können (Fig. 3c).