Die Magnetlagertechnik erschließt Applikationsfelder des Maschinen-und Gerätebaus mit äußerst 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 Hochgeschwindigkeitsfräs-und Schleifspindeln, Turbokompressoren, Vakuumpumpen, oder Pumpen für hochreine chemische oder medizinische Erzeugnisse werden bereits mit Magnetlagern ausgerüstet.

Eine konventionelle magnetgelagerte elektrische Maschine (Fig. 1) benötigt neben einer Maschineneinheit 1 zwei Radial-Magnetlager 2 und 3, ein Axial- Magnetlager 4, zwei mechanische Auffanglager 5 und 6, sowie für die Ansteuerung der Motor-und Magnetlagerstränge insgesamt dreizehn Leistungssteller 7,8,9,10.

In der Literatur gibt es Vorschläge (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 in 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 (siehe Fig. 11). 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 dem unabhängigen Patentanspruch hervor. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind durch die 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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen enäutert. 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 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen magnet- gelagerten elektrischen Antriebs, Fig. 4 das Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 mit einer Einzeldarstellung der ersten Stromkomponente, die der Erzeugung eines Drehmoments dient (vierpoliges Feld),

Fig. 5 das Ausführungsbeispiel des Antriebs aus Fig. 3 mit einer Einzeldarstellung der zweiten Stromkomponente, die eine der beiden Stromkomponenten zur Erzeugung einer radial wirkenden Tragkraft bildet (zweipoliges Feld), Fig. 6 das Ausführungsbeispiel des Antriebs aus Fig. 3 mit einer Einzeldarstellung der dritten Stromkomponente, die die andere der beiden Stromkomponenten zur Erzeugung einer radial wirkenden Tragkraft bildet (zweipoliges Feld), Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer Brückenschaltung zur Ansteuerung der Wicklungen des Antriebs gemäss Fig. 3, Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel des Antriebs mit gesehnten konzentrierten Wicklungen sowie mit ausgeprägten Polen und Hilfspolen, Fig. 9 eine wicklungstechnische Variante eines Antriebs, welche drei Stränge aufweist, Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Antriebs mit unsymmetrischem Blechschnitt im Bereich der Wicklungspole, Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel eines Antriebs mit scheibenförmigem Rotor und passiver Stabilisierung in axialer Richtung und in den Kipprichtungen, Fig. 12 eine Darstellung der winkelabhängigen Kraftschwankungen bei nichtsinusförmigen Statorstrombelagsverteilungen und nichtsinus- förmiger Erregerfeldverteilung im Luftspalt,

Fig. 13 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Antriebs mit einem Hilfsmagneten zur Sicherstellung des Anlaufs bei einem Motorbetrieb mit Wechselfeld, Fig. 14 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Antriebs mit einseitig auf den Statorpolen angebrachten Kurzschlussringen, Fig. 15 zu Polwicklungen zusammengeschaltete Spulen, Fig. 16 eine Möglichkeit des gesteuerten Abwälzens des Rotors an den Statorpolen und Fig. 17 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Antriebs mit einer speziellen Formgebung der Rotormagnete zur Erzielung einer sinusförmigen Erregerfeldverteilung im Luftspalt.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer integrierten Maschinen-Magnetlager- Einheit. Hierbei werden nicht, wie bei der konventionellen Ausführung gemäss Fig. 2, zwei getrennte Wicklungssysteme mit unterschiedlichen Polpaarzahlen in den Stator eingebracht, sondern die Funktionen der Drehmoment-und Tragkraftbildung in einem Wicklungssystem integriert.

Dieses Wicklungssystem setzt sich aus einzelnen am Umfang verteilten Polwicklungen 24,25,26,27 zusammen. Dadurch, dass diese Polwicklungen, wie nachfolgend noch beschrieben, durch eigene Stromversorgungen gespeist werden, lassen sich, wie für die Drehmoment-und Tragkraftbildung erforderlich, im Luftspalt magnetische Felder mit unterschiedlichen Polpaarzahlen realisieren. Es sei hier auch erwähnt, dass eine solche Maschine abhängig von der Applikation sowohl als Motor als auch als

Generator betrieben werden kann. Als Ausführungsbeispiel für die Funktionsbeschreibung wird eine Anordnung nach Fig. 3 gewählt, deren Stator aus einem Blechschnitt 19 mit vier ausgeprägten Polen 20, 21,22,23 und vier konzentrierten Polwicklungen 24,25,26,27 und deren Rotor aus einem vierpoligen Permanentmagnetrotor gebildet wird. Die Wicklungsspulen eines Strangs sind im Gegensatz zur Ausführung in Fig. 2 nicht über mehrere Nuten verteilt. Eine Sehnung zur Reduktion des Oberschwingungsgehaltes von Spannung und Strom ist in dem Blechschnitt 19 nicht vorgesehen, könnte aber durch Verkürzen der Polweiten 28 (siehe Fig. 8) erfolgen. Bei starker Sehnung ist es unter Umständen für den Maschinenrundlauf günstig, die durch Verkürzen der Polweite entstehende große Nutiücke 29 mit einem ferromagnetischen Hilfspol 86 (siehe Fig. 8), der ohne Wicklung bleiben kann, weitgehend zu schließen. Der Blechschnitt 19 ist beispielsweise zur besseren Kühlung in einem ihn umgebenden Aluminiumring bzw. in einem ihn umgebenden Aluminiumzylinder eingefasst.

Eine sinusförmige Flußverkettung kann auch über eine Verteilung von mehreren Spulen (dargestellt sind zwei) erreicht werden. Im Unterschied zu den bisher bekannten Ausführungen von magnetgelagerten Antrieben sind die Spulen 57,58 und 59,60 jedoch, wie z. B. in Fig. 15 dargestellt, zu Polwicklungen 55 bzw. 56 mit eigenem Elektronikanschluss 53a 53b (diese bilden zusammen den Anschluss 53) bzw. 54a, 54b (diese bilden zusammen den Elektronikanschluss 54) zusammengeschaltet. Die verteilten Wickiungsspulen können in Nuten eingelegt oder auch als eisenlose Luftspaltwicklung ähnlich den Glockenankermotoren realisiert werden. Fig. 15 zeigt exemplarisch zwie der insgesamt vier Polwicklungen nach Fig. 3 in verteilter anstelle einer konzentrierten Ausführung.

Im Gegensatz zur Ausführung in Fig. 2 gibt es keine getrennte Momenten- und Tragwicklung. Jede der vier Polwicklungen 24,25,26,27 ist sowohl für die

Momentenbildung ais auch für die Tragkraftbildung zuständig. Die Realisierung beider Funktionen kann über eine entsprechende Stromspeisung mit drei in den Polwicklungen überlagerten Stromkomponenten erfolgen : -erste Stromkomponente (Maschinenbetrieb) für die Erzeugung eines vierpoligen Wechselfeldes, -zweite und dritte Stromkomponenten (Magnetlagerbetrieb) für die Erzeugung eines zweipoligen Drehfeldes.

Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 zeigen diese Komponenten in Einzeldarstellung für einen beliebig gewähiten Betriebszustand der magnetgelagerten Maschine.

Die Strombeläge der acht Polwicklungsquerschnitte sind innerhalb einer Figur betragsmäßig gleich. Ebenso sind die Stromrichtungen in den Einzelpolwicklungen innerhalb einer Figur zueinander festgelegt. Bei Änderung des Vorzeichens der Stromkomponente ändert sich somit die Stromrichtung in allen Polwicklungsquerschnitten einer Figur. Die Amplitude und das Vorzeichen jeder Stromkomponente ist frei und unabhängig von den anderen Stromkomponenten einstellbar. Eine Variation der ersten Stromkomponente führt daher, wie Fig. 4 verdeutlicht, zur Einstellung der Amplitude und Richtung eines vierpoligen Wechselfeldes. Dieses steht in Wechselwirkung mit dem vierpoligen Rotor und erzeugt ein Drehmoment.

In Figur 5 ist die Richtung der zweiten Stromkomponente dargestellt. Man erkennt, daß die Polwicklungsquerschnitte 24a und 27b sowie 25b und 26a sich innerhaib einer Nut gegenseitig aufheben. Die verbleibenden Polwicklungsquerschnitte 24b und 25a sowie 26b und 27a wirken somit wie ein Strang einer zweipoligen Wicklung.

Figur 6 zeigt die Richtung der dritten Stromkomponente 3. Die Verteilung des Strombelages erfolgt in der gleichen Art wie in Fig. 5, jedoch um neunzig

Grad gedreht. Mit der zweiten und dritten Stromkomponente lässt sich somit ein zweipoliges Drehfeld aufbauen und die radiale Tragkraft in Betrag und Richtung durch Wahl der Amplitude und Phasenlage der beiden Stromkomponenten einstellen.

Die Bestimmung der einzelnen Stromkomponenten erfolgt unter Beachtung der Soligrößenvorgabe und der Ist-Werte für beispielsweise Rotorlage und Drehzahl, Rotordrehwinkel oder Drehmoment nach Auswertung der Sensorsignale für Rotorlage und Rotordrehwinkel mittels einer Analogschaltung oder einer schnellen Rechnereinheit. Die Signale der Stromkomponenten werden polwicklungsbezogen überlagert, mittels einer Leistungselektronik verstärkt und den vier Polwicklungen 24,25,26,27 über getaktete Schalter oder analoge Leistungsverstärker zugeführt. Eine mögliche Brückenschaltung ist in Fig. 7 angegeben. Anstelle einer Stromeinprägung kann auch unter Berücksichtigung der Charakteristik der Regelstrecke eine Spannungseinprägung erfolgen.

Fig. 9 zeigt eine wicklungstechnische Variante mit drei Strängen, bei der jeder Stromkomponente ein eigener Strang (Maschinenstrang : 30a, 30b, 31 a, 31 b, 32a, 32b, 33a, 33b ; erster Magnetlagerstrang: 34a, 34b, 35a, 35b ; zweiter Magnetlagerstrang : 36a, 36b, 37a, 37b) zugeordnet ist, wobei die Spulen eines Stranges seriell oder parallel verschaltet sein können. Die Überlagerung findet also nicht wie in Fig. 3 auf der Stromebene, sondern auf der Strombelags-bzw. Feldebene statt. Die Lage der einzelnen Strangspulen geht aus den Betrachtungen zu den Figuren 4 bis 6 hervor. Die Ströme der Stränge I-IV (Strang I : Polwicklung 24, Strang II : Polwicklung 25, Strang III : Polwicklung 26, Strang IV : Polwicklung 27) sowie der Stränge (Strang 1' : Wicklungen 30-33, Strang II': Wicklungen 34-35, Strang III' : Wicklungen 36- 37) lassen sich ineinander überführen.

Es gelten für die gewähiten Stromrichtungszeichen folgende Transformationsbeziehungen : iI'-iII'+iIII';iII=iI'-iII'-iIII';iIII=iI'+iII'-iIII';iIV=iI '+iII'+iIII'iI= Die Wicklungsanordnung von Fig. 9 ist in der Herstellung aufwendiger als die Wicklungsanordnung aus Fig. 3, erfordert jedoch nur die elektrische Ansteuerung von drei anstelle von vier Strängen. Welche Anordnung aus wirtschaftlicher Sicht günstiger ist, ist von Fall zu Fall abzuwägen Von technischem Interesse ist unter Umständen in der Anordnung aus Fig. 3 die Möglichkeit, die Gewichtung zwischen der ersten sowie der zweiten und der dritten Stromkomponenten frei zuordnen zu können. So kann beispielsweise bei einer im Leerlauf befindlichen Maschine der gesamte zur Verfügung stehende Wicklungsquerschnitt nahezu zur Gänze zur Tragkraftbildung bzw. bei einer tragkraftmässig unbelasteten Maschine nahezu der gesamte Wicklungsquerschnitt zur Drehmomentbildung herangezogen werden. In einer Wicklungsanordnung nach Fig. 9 ist eine solche freie Zuordnung nicht möglich, da beispielsweise bei Leerlauf der Maschine nur der Wicklungsquerschnitt der Tragkraftwicklung zur Verfügung steht.

Die Rotorart der Maschine kann im Prinzip frei gewählt werden, insbesondere dann, wenn der Maschinenbetrieb über ein Drehfeld anstelle eines Wechselfeldes erfolgt. Verwendbar sind beispielsweise Permanentmagnetrotoren, Kurzschlußkäfigrotoren, Rotoren mit einer elektrisch hochleitfähigen Metallummantelung anstelle des Kurzschlußkäfigs oder Reluktanzrotoren mit winkelabhängigen Luftspaltänderungen.

Bei nicht ausreichender Sehnung bzw. Verteilung der Wicklungen und bei nicht sinusförmigen Erregerfeldverteilungen entstehen durch den Oberwellengehalt der Luftspaltfelder bei Bestromung der Wicklung nach

Fig. 5 oder Fig. 6 bzw. der Stränge II'oder III'nach Fig. 9 mit einer konstanten Stromamplitude bei Drehung des Rotors winkelabhängige radiale Kraftschwankungen 42, wie sie beispielsweise in Fig. 12 dargestellt sind. Diesem Effekt sollte, um ein gutes Betriebsverhalten zu erzielen, bei der Bestromung der Wicklungen Rechnung getragen werden.

Eine annähernd sinusformige Erregerfeldverteilung lässt sich bei Verwendung von Permanentmagnetrotoren 85 beispielsweise durch eine Formgebung der Permanentmagnete 82 mit einem winkelabhängigen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator 84 nach Fig. 17 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 Permanentmagnete ohne besondere Formgebung einzusetzen.

Da in der magnetgelagerten Maschine aus Fig. 3 bzw. Fig. 9 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 Biechschnitt 38 im Bereich der Wicklungspole erfolgen (Fig. 10). Ein weiterer Lösungsvorschlag (Fig. 13) 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 (p bringen. In der Stellung 45 der Magnetpolgrenze wäre das Startmoment bei beliebig hohem Strom null.

Mit den Positionen 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 kann auch durch ein vom Magnetlager- teil gesteuertes Abwälzen des Rotors 66 an der Luftspaltstirnseite der Statorpole 65 bewirkt werden (Fig. 16). 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 Abwaizens dargestellt. Es kann erforderlich sein, am Umfang des Rotors und/oder Stators ein 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 14 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.

In den Figuren 3,4,5,6,9,10, 13, 14, 16 und 17 wurden jeweils magnetgelagerte Maschinen mit innenläufer dargestellt. Es besteht auch die Möglichkeit, die magnetgelagerte Maschine in Außenläuferausführung zu betreiben. Hierzu ist der Rotor als Ring oder Glocke auszuführen, die Statorpole zeigen nach außen.

Die Figuren 3,4,5,6,9,10,13,14,16 und 17 sind auch bezüglich der Polpaarzahl für die Drehmoment-und Tragkraftbildung sowie bezüglich der Strangzahl als beispielhaft zu sehen. Es lassen sich veränderte Polpaarzahlen realisieren, wobei zwischen der Polpaarzahl pM für den Maschinenbetrieb und der Polpaarzahl PML für den Magnetlagerbetrieb die Beziehung PM = PML + 1 erfü ! ! t 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.