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Gleichpolgenerator
Mittelfrequenzmaschinen werden üblicherweise für Frequenzen von 300 bis 10 000 Hz als Gleichpolmaschinen mit einem zwecks Erzielung eines inhomogenenFeldverlaufes im Ständer - Läufer - Luftspalt verzahnten Läufer gebaut. Wird beispielsweise zur Erzeugung einer Frequenz von 1000 Hz mit einer Tourenzahl von 3000 Umdr/min gearbeitet, so benötigt der Läufer 20 Zähne, bei einer Frequenz von 10000 Hz werden bei der doppelten Tourenzahl aber schon 100. Zähne benötigt. Die Ständerwicklung hat dementsprechend 40 bzw. 200 Wickelpole, was einen grossen Durchmesser erfordert und auch in der Herstellung teuer kommt. Hiebei ist aber auch die Schnittgeschwindigkeit der Kraftlinien durch die Zentrifugalkraft begrenzt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Gleichpolgenerator, bei dem die Schnittgeschwindigkeit der Kraftlinien ohne Vergrösserung der Zentrifugalkraft erhöht ist, so dass im Extremfall auch bei hohen Frequenzen mit zweiständerpolen das Auslangen gefunden werden kann, was eine Ersparung an Raum, Maschinengewicht und Herstellungskosten bedeutet.
Wie bei einem Generator mit gezahntem Läufer wird auch beim erfindungsgemässen Gleichpolgenerator ein inhomogener Feldverlauf durch einen Ständer-Läufer-Luft- spalt unterschiedlicher Breite erzielt, erfindungsgemäss jedoch durch einen runden Läufer mit einer gegenüber der Ständerachse versetzten Achse, der über ein Umlauf-Exzentergetriebe zur Erzeugung einer Abwälzbewegung des Läufers relativ zum Ständer derart angetrieben ist, dass die Läuferachse gegenüber der Ständerachse eine ins Schnelle übersetzte kreisende Bewegung ausführt. Durch die Verwendung eines
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aus, bei der die Stelle des geringsten Abstandes zwischen Ständer und Läufer (Luftspaltminimum) eine wesentlich höhere Umlaufgeschwindigkeit aufweist als der Läufer selbst.
Da das magnetische Feld selbst auch die Umlaufgeschwindigkeit der engsten Luftspaltstelle hat, erhöht sich auch im selben Mass die Schnittgeschwindigkeit der Kraftlinien und damit die erzielbare Spannung, ohne dass der Läufer einer erhöhten Zentrifugalbeschleunigung ausgesetzt werden muss.
Im Falle einer zweipoligen Ausführung kann der Umlauf des Luftspaltminimums durch ein Kreisen der Läuferachse um die Ständerachse oder umgekehrt oder aber auch durch Kreisen beider Achsen umeinander (um den gemeinsamen Schwerpunkt des Ständer - Läufersystems) erzielt werden.
Hiedurch entsteht, wie in Fig. 1 gezeigt ist, zwischen dem Läufer 1 und dem Ständer 2 ein Mindestluftspalt do (durch eine punktierte Linie angedeutet) und ein zusätzlicher sinusförmiger Luftspalt von der Breite d (1 + sina). Die gleichstromdurchflossene ringförmige Erreger-Wicklung des Ständers (runde Scheibenspule) erzeugt ein
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ben, das entweder aus einer oder mehreren Wälzscheiben besteht, die in oder auf zugeordneten Wälzbahnen umlaufen, oder als Zahnradgetriebe ausgebildet sein kann, das aus je einem Exzenter und einem Hohlrad besteht, in dem das Exzenter umläuft, wobei die Differenz der Zähnezahlen des Hohlrades und des Exzenters gering ist.
Es erweist sich für die Spannungskurvenform als günstig, dass die Nullstelle der zusätzlichen Luftspaltbreite d (1 + sina) im Bereich der höchsten Sättigung liegt. Weiters kann die Spannungskurvenform durch günstige Wahl des Verhältnisses do : d verbessert werden.
Das Getriebe, mit dem der Läufer 1 angetrieben wird, ist in Fig. 1 durch die Teilkreise 3, 4 eines exzentrischen Umlaufgetriebes angedeutet. Der Teilkreis eines mit dem Ständer 2 verbundenen Planeten-
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getriebes ist mit 3 und der Teilkreis eines mit dem Läufer verbundenen Exzenterrades ist mit 4 bezeichnet. Hiebei ergibt sich bei derselben Fliehkraft, z.
B. bei umlaufender Läufer- und stillstehender Ständerachse die Umlaufgeschwindigkeit der Läuferachse beispielsweise bei einem Bohrungsradius von 400 mm und einer mittleren Luftspaltbreite d = 1 mm zu einem 400stel jener Umlaufgeschwindigkeit des Läuferumfanges, mit der dieser bei derselben Frequenz mit fester'Läuferachse umlaufen müsste, also bezogen auf die Läuferumfangsgeschwindigkeit um die Läuferachse. Da die Zentrifugalkraft Z = mrw2 beträgt,
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geschwindigkeit der Kraftlinien im Luftspalt kann also 20mal so hoch und darüber gewählt werden. Das bedeutet bei gleicher Ausnutzung des aktiven Materials die 20fache Spannung und die 20fache Leistung vorausgesetzt, dass die Zentrifugalkraft nicht die Frequenz begrenzt.
Noch günstiger werden die Verhältnisse, wenn beide Achsen umeinander kreisen, was sich z. B. durch federnde Lagerung des Ständers erzielen lässt.
Sieht man beispielsweise eine Tourenzahl von 6 000 Umdr/min als Grenzdrehzahl für eine grössere Mittelfrequenzmaschine mit gezahntem Läufer an, so würde dieGrenzdrehzahl der kreisenden Achse einer erfindungsgemässen Maschine gleicher Bohrung 120000 Umdr/min betragen. Die Bohrung dieser Maschine
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bei zweipoliger Ausführung des Ständers erzielt werden. Die Antriebsdrehzahl kann bei exzentrischem Umlaufgetriebe je nach Durchmesser und Leistung 1/15 -1/50 der Umlaufzahl des Drehfeldes (Schwingdrehzahl) betragen, im Falle des Beispieles ergibt sich 252000 : 42 = 6 000 Umdr/min als Antriebsdrehzahl.
Da mehr als eine Nut je Pol und Phase zur Verfügung gestellt werden kann, besteht auch die Möglichkeit, Oberwellen zu unterdrücken oder durch Anschluss an Spannungsnullstellen der Wicklung für die Grundwelle zu verwerten, so dass auch Vielfache der genannten Frequenz von 10 000 Hz erzeugt werden können.
Wie die Wälzscheibe auf der Wälzbahn bei einem Wälzmechanismus abrollt, so rollen bei Verwendung eines Zahnradgetriebes die Teilkreise des Hohlrades und des Planetenrades aufeinander ab und erzeugen einen Hub von der Grösse 2d. Die grösstmögliche Übersetzung des Planetengetriebes ist durch den Modul beschränkt, während ein Wälzmechanismus geometrisch so hoch übersetzt werden kann, als sein Reibungsschlupf die geometrische Drehzahl bei einer Übersetzung ins Langsame nicht erreicht, was zu einem Stillstand führen würde. Die übertragbare Leistung des Wälzmechanismus ist aber durch den Reibungskoeffizienten ausserordentlich eingeschränkt, denn der Koeffizient der rollenden Reibung liegt meistens kaum über l, während die Übersetzung das 15 - 50fache betragen soll.
Für Mittelfrequenzgeneratoren kommt daher praktisch nur ein Exzenter-Planetengetriebe in Betracht.
Es kann vorteilhaft sein, die Ständerachse mit Hilfe von drei oder mehr Exzentern oder Kurbeln umlaufen zu lassen und die Läuferachse in gewohnter Weise fest zu lagern, wenn die Wicklungen und Zuleitungen sowie das Fundament die Drehschwingungen vertragen. Auf etwa 1/3 sinkt die Drehschwingung des Ständers bei der optimalen, nach aussen erschütterungsarmen Ausführung des erfindungsgemässen Gleichpolgenerators mit umeinander umlaufenden Achsen herab. Hiebei können meist Gummischeiben die Ständerbeweglichkeit ermöglichen.
Die Spannungskurve einer Phase samt zugehöriger Gegenphase kann exakt sinusförmig gemacht werden durch eine entsprechende Abhängigkeit der Luftspaltbreite do vom Umfangswinkel ct. Bei drei Phasen können im Feldverlauf nur die dritte Oberwelle und Vielfache derselben völlig vermieden werden. Es ist aber vorteilhaft, dass der erfindungsgemässe Generator weit mehr Nuten je Pol und Phase hat als eine Maschine mit gezahntem Läufer. Prinzipiell kann man durch Anzapfung der Nullstellen der Grundwellenspannung und bzw. oder den Nullstellen einer bzw. mehrerer Oberwellenspannungen einen Frequenzanteil dem Generator entnehmen, der an diesen Nullstellen nicht unterdrückt wird.
Im besonderen kann daher die fünfte, siebente oder elfte Oberwelle an Nullstellen der Grundwelle entnommen werden, so dass auf diese Weise Frequenzen von 50 000 Hz, 70 000 Hz usw. maschinell erzeugt werden können. Hiebei ist es vorteilhaft, zur Entnahme des gewünschten Frequenzanteiles jeweils eigene Übertrager zu verwenden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 2-6 dargestellt.
Die Fig. 2 und 3 zeigen in Stirnansicht bzw. im Längsschnitt einen Mittelfrequenzgenerator, dessen Läufer 1 durch ein Reibradgetriebe exzentrisch in der Bohrung des Ständers 2 umläuft. Das Reibradgetriebe (Wälzmechanismus) besteht im einzelnen aus zwei mit dem Läufer 1 verbundenen Wälzscheiben 5, 6 die auf zwei zugeordneten Wälzbahnen 7, 8, die konzentrisch zur Ständerbohrung angeordnet sind, umlaufen. Hiebei ist der Wälzscheibendurchmesser grösser gewählt als der Durchmesser der Ständerbohrung, um bei gleichbleibender magnetischer Zugkraft ein höheres Reibungsmoment zu erzielen. Im einzelnen besteht der Läufer aus einem Rohr 9, das über ein Mutterstück 10 und ein Doppelgelenk 11 mit der Antriebswelle 12 verbunden ist. Auf dem Rohr 9 befinden sich gewickelte Bleche 13 und. kreisförmige ebene Bleche 14 von zum Teil verschiedenem Durchmesser.
Diese Bleche bilden zusammen mit den Ständerblechen 15 den magnetischen Kreis. Die ebenen Bleche 14 werden durch Druckstücke gepresst, die von den Wälzscheiben 5, 6 umschlossen sein können oder, wie in Fig. 3 dargestellt, mit diesen aus einem Stück bestehen können. DieWälzbahnen 7, 8 sind mit dem Gehäusedeckel aus einem Stück gefertigt. Die Ständerwicklungen sind der Übersichtlichkeit wegen in den Fig. 2 und 3 nicht eingezeichnet. Die Pig. 4 und 5 zeigen
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genommen werden kann. Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, sind zwei magnetische Teile vorgesehen, u. zw., um keinerlei Unsymmetriekräfte zu erhalten. Es können jedoch auch für einen magnetischen Kreis zwei ZahngetriebeAnwendung finden.
Die Anwendung nur eineszahngetriebes hätte hier einDrehmoment zwischen der magnetischen Zugkraft und der Umfangskraft des Getriebes zur Folge, das durch zwei kräftige Kugellager 23 aufgenommen werden müsste. Im vorliegenden Fall kann diesesKugellager aus Symmetriegründen verhältnismässig klein gewählt werden. Es handelt sich hier um kein normales Spurlager, sondern um ein solches, das auch die Drehbewegung der Läuferachse zulässt. Ein solches Kugellager hat daher eine ebene Lauffläche von einer Breite, die dem halben Hub des Läufers entspricht. Die Kugeln laufen in üblicher Weise in einem Käfig und werden durch entsprechende Ausbildung des Ober- und Unterteiles in ihrer Abweichung von der Mittellage begrenzt.
Ausser dem Exzenter-Zahnrad 19, das auf dem Rohr 17 aufgepresst ist, und dem Hohlrad 22 enthält das exzentrische Umlaufgetriebe zwei mit dem Hohlrad 22 durch Verschraubung verbundene äussere Führungsteile (Stützbahnen) 24 und 25 und zwei mit dem Exzenter-Zahnrad 19 verbundene innere Führungsteile 26 und 27 (Stützscheiben). Die Durchmesser dieser Führungsteile stimmen mit den Teilkreisdurchmessern der beiden Zahnräder überein, nehmen den magnetischen Zug und die Zentrifugalkraft auf und sichern zusammen mit den beiden Spurlagern 23 die achsparallele Lage des Läufers.
An den für die Dichtung bestimmten ringförmigen Teil der äusseren Fübrungsteile 24 und 25 schleifen Filzringe 28, die einerseits an den inneren Führungsteilen 26 und 27 und anderseits am Läufer selbst befestigt sind. Mit 29 ist ein auf dem Hohlrad 22 aufgesetzter ringförmiger Ölkanal bezeichnet, dessen Innenraum durch Bohrungen im Hohlrad 22 mit dem von den Zahnrädern begrenzten Getriebeinnenraum verbunden ist. Der Ölkanal 29 wird durch eine Öl-oder Ölnebelleitung 30 gespeist und ist seitlich durch Stopfbüchsen 31 abgedichtet, von denen in Fig. 6 nur eine dargestellt ist.
Mit 32 ist in Fig. 4 das Gehäuse der Antriebsmaschine bezeichnet. Relativ zu diesem ist der Ständer elastisch gelagert, u. zw. mittels Tragbolzen, von denen in der Zeichnung nur einer dargestellt und mit 33 bezeichnet ist. Der Ständer 2 ist mit zwei Tragstützen 34, 35 versehen, die gegenüber den Tragbolzen 33 abgefedert sind. Hiezu dienen zwei zylindrische Gummischeibe 36 und 37. Gegeneinander sind die Tragstützen 34 und 35 mittels eines Distanzrohres 38 abgestützt. Die Bohrungen in den Tragstützen 34 und 35, durch die die Tragbolzen 33 hindurchgesteckt sind, sind etwas grösser als die Tragbolzenquerschnitte, so dass eine geringfügige Relativbewegung (Schwingbewegung) des Ständers ermöglicht ist. Der Hohlraum zwischen dem Tragbolzen 33 und dem Distanzrohr 38 verändert beim Schwingen des Ständers nicht sein Volumen.
Dieser Umstand lässt sich zur öldichten Schmiermittelzuführung zum Getriebe auswerten. Das Schmieröl wird von aussen durch eine Bohrung im Tragbolzen 33 in den Zwischenraum zwischen dem Tragbolzen 33 und dem Distanzrohr 38 zugeführt. Von dort aus führt das Rohr 30 zum Ölkanal 29. Die Schwingbewegung des Ständers kann entweder, wie gezeigt, durch Gummieinlagen oder aber
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auch durch zwei Exzenterscheiben mit Kugellagern je Tragbolzen oder durch gleichzeitige Anwendung beider Mittel erzielt werden. Die Verwendung von Gummi allein zur elastischen Lagerung des Ständers ist bei Mittelfrequenz auf kleine Leistungen beschränkt, weil die Abfuhr der im Gummi erzeugten Wärme Schwierigkeiten macht.
Daher empfiehlt sich für höhere Leistungen und damit auch für grössere Schwingungsamplituden des Ständers die Verwendung von kugelgelagerten Exzentern.
Der Teil 39 dient zur Verbindung des rechten Spurlagerteiles mit dem Läuferrohr 18 über ein äusseres Druckstück 40. Eine angeschraubte Haube 41 dient zur Befestigung des Flanschenanschlusses einer Kühlluftzuführung 42. DieKühlluft wird bei Fremdbelüftung durch Luftumlenkringe veranlasst, auch den Stän-
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und in der Haube 41, bzw. in einer Tragbrücke 44 nach aussen geleitet.
Die Mehrphasenwicklung ist aus der Fig. 6 ersichtlich und dort mit 45 bezeichnet. Die Erregerwicklung 46 besteht aus ebenen runden Scheibenspulen.
Die Fig. 4 und 5 zeigen auch einige Einzelheiten der Befestigung des Doppelgelenkes 47, das rechts einen dreikantigenNabenteil 48 enthält, auf dem derMutterteil 49 mit drei nierenförmigenLufteinström- öffnungen 50 sitzt, der mit dem Läuferrohrteil 18 fest verbunden ist. Ferner wird ein nachträgliches Verschieben des Mutterteiles 49 durch einen Gewindefortsatz des Nabenteiles mit gesicherter Kronenmutter verhindert. Um das notwendige Spiel zu ermöglichen und die Montage und Demontage zu erleichtern, ist die Flanschwelle 12 des Antriebsmotors mit dem Gegenflansch 51 des Doppelgelenkes nicht verschraubt, sondern nur verstiftet.
Das beschriebene Beispiel zeigt, dass sich die erfindungsgemässe Mittelfrequenzmaschine besonders zum Anflanschen an das Lagerschild oder auch an das Stehlager des zugehörigen Antriebsmotors eignet.
Hiedurch wird die erwähnte Ersparnis an Raum und Gewicht besonders augenfällig.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gleichpolgenerator mit einem durch einen Ständer-Läufer-Luftspalt von unterschiedlicher Breite erzielten inhomogenen Feldverlauf, gekennzeichnet durch einen runden Läufer mit einer gegenüber der Ständerachse versetzten Achse, der über ein exzentrischesGetriebe derart angetrieben ist, dass die Läuferachse gegenüber der Ständerachse eine kreisende Bewegung ausführt.