Elektrische Maschine mit Klauenpolläufer Elektrische Wechselstrom-Ein- oder -Mehrphasen maschinen der Klauenpolbauart, welche mit einem auf einer Welle umlaufenden Klauenpolsystem in Wech- selpolausführung und mit feststehenden Erregertei len und feststehendem, induziertem Teil ausgebildet sind, sind bekannt. Dabei kann beispielsweise der Läufer aus zwei konzentrisch zur Drehachse und mit Abstand zueinander angeordneten Ringen bestehen, welche gegeneinander gerichtete Klauen aufweisen, die ineinander greifen.
Durch den so beschriebenen Aufbau des Läufers ist dieses System nur für axial kurze Maschinen mit Vorteil anwendbar, wenn man die Klauen nicht magnetisch übersättigen will. Daraus ergibt sich, dass bei Maschinen grösserer Leistung der Bohrungsdurchmesser im Verhältnis zu anderen Maschinen gleicher Leistung unverhältnismässig gross werden müsste. Solange es sich dabei um relativ lang sam drehende Maschinen handelt, ist diese Vergrösse- rung nicht unbedingt von Nachteil, nämlich dann, wenn dabei auch die Polpaarzahl vergrössert werden kann.
Wird jedoch eine hohe Drehzahl verlangt, so sind die dann auftretenden Fliehkräfte nur noch in unwirtschaftlicher Weise oder gar nicht zu beherr schen.
Bei all diesen Maschinen ist es möglich, die Er regerwicklung konzentrisch innerhalb des Läufers an zuordnen, so dass sie also fest steht und der Läufer mit seinen ausgeprägten Klauenpolen von einer Wick lung freigehalten werden kann.
Als Mass für die elektromagnetische Ausnutzung der Flächeneinheit des Ankermantels (Ständer) wird der sogenannte mittlere Drehschub a benutzt. Es sei hier zur physikalischen Erläuterung der nachstehend beschriebenen Erfindung eingeführt zu
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wobei Md = Drehmoment, N = Leistung, d = Läuferdurchmesser, 1i = idelle Ankerlänge, n = Läu ferdrehzahl ist.
Formt man in bekannter Weise diese Gleichung um, wobei zur Vereinfachung der Um rechnung Phasengleichheit von Strom und Spannung, also cos cp -> 1, vorausgesetzt wird, so wird bei m- Phasen und mit N = m - U - I: N=m-4-gE:g-W-n-p-4).J Hierin sind @E = Nutfaktor, g = Wicklungsfak tor, p = Polpaarzahl und e = Induktionsfluss.
Setzt man für den Induktionsfluss das Produkt aus Höchst wert der Induktion B und Ankerpolfläche, und für den Strom I den Mittelwert des effektiven Strombela ges A der ganzen Ankerwicklung über eine Poltei lung, so erhält man
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und
EMI0001.0036
und bei Voraussetzung einer sinusförmigen Induk tionsverteilung für
EMI0001.0038
Mit diesen Umformungen geht die Beziehung über in
EMI0002.0001
und für den mittleren Drehschub
EMI0002.0002
Der mittlere Drehschub, d.h. die Maschinenaus nutzung, hängt also abgesehen vom Wicklungsfaktor, nur vom Produkt aus effektivem Strombelag A und Höchstwert der Induktion B ab, also von Faktoren,
die bei einer optimalen Maschinenausnutzung allge mein bekannte Maximalwerte nicht überschreiten sollen.
Aus Vorgenanntem folgt, dass eine Steigerung der Maschinenausnutzung bei Berücksichtigung der noch zulässigen Maximalwerte für Strombelag und Induktion nur möglich ist durch eine Vergrös- serung des Induktionsflusses, d.h. durch entsprechen de Wahl von Polraddurchmesser d und ideeller An kerlänge 1i. Bei den z.Zt.
üblichen Maschinenausfüh rungen sind aber Polraddurchmesser und ideelle An kerlänge bekanntlich nicht unabhängig voneinander, sondern müssen zur optimalen Ausnutzung des Lei- termaterials in einem bestimmten Verhältnis zuein ander stehen, nämlich ideelle Ankerlänge 1i zu Pol teilung
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Wünschenswert ist aber jedoch, dass dieses Ver hältnis möglichst noch grösser als 1 wird,
jedoch ist das bei den bisher bekannt gewordenen Maschinen noch nicht in wirtschaftlicher Weise durchführbar gewesen. Zu kleine Werte 1;/i, führen zu zu grossen Längen der Stirnverbindungen der Ankerwicklung, d.h., dass eine zu schlechte Ausnutzung der Anker leiter erfolgt. Zu grosse Werte von 11/-" ergeben sehr schmale Polkernquerschnitte, woraus eine schlechte Ausnutzung der Erregerwicklungen resultiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Ma schine anzugeben, welche ein möglichst grosses Ver hältnis der ideellen Ankerlänge zur Polteilung ergibt, um auf diese Weise besonders wirtschaftlich arbeiten zu können und eine hohe Maschinenausnutzung zu erreichen.
Dazu wird bei einer elektrischen Maschine, welche mit auf einer Welle umlaufende Klauenpol- systemen in Wechselpolbauart und mit feststehenden Erregerteilen und feststehendem induziertem Teil aus gebildet ist, vorgeschlagen, dass n Klauenpolsysteme in axialer Richtung hintereinander auf der Welle an geordnet und von dieser magnetisch mindestens zum grösseren Teil isoliert sind,
wobei die Welle zwischen ihren Lagerstellen dem magnetischen Rückschluss des von den Erregerteilen in sie eintretenden Nutzflusses dient, wobei fernerhin die Erregerteile axial beidseitig der Klauenpolsysteme angeordnet sind,
wobei aus- serdem der induzierte Teil durch n voneinander und vom Gehäuse magnetisch isolierte Blechpakete und von der in letzteren angeordneten einzigen gemein samen Arbeitswicklung gebildet wird.
Dabei können die Erregerteile ganz oder teilweise radial vom Klauenpolsystem umschlossen sein. Ist n eine ungerade Zahl, so wird man die Erregerwicklun gen zweckmässig gleichsinnig vom Strom durchflies- sen lassen, während bei n = gerade Zahl, jedoch n/2 = ungerade Zahl, die Erregerwicklungen mit Vorteil gegensinnig vom Strom durchflossen werden müssen.
Im letzteren Falle wird man die beiden mitt leren Klauenpolsysteme im Bereich ihrer gemeinsa men Stossstelle zweckmässig magnetisch mit der Welle verbinden. In bevorzugter Weise wird man diese mittlere Stossstelle dann verbreitern und/oder gegeneinander magnetisch isolieren.
Durch die Anordnung nach der Erfindung wird erreicht, dass, bezogen auf die Ankerwicklung und gerechnet für ein Klauenpolsystem, in wirtschaft licher Weise das Verhältnis ideelle Ankerlänge zur Polteilung gleich 1,4 gemacht werden kann.
Da aber auch bei der bevorzugten Ausbildung der Erfindung mehrere Klauenpolsysteme aneinandergereiht werden, wird sich das genannte Verhältnis um n noch ver- grössern. Eine weitere Vergrösserung und Verbesse rung ergibt sich ausserdem dadurch, dass für die An- einanderreihung dieser Klauenpolsysteme grundsätz- lich nur soviel Erregerleistung notwendig ist,
wie sie für ein Klauenpolsystem aufgebracht werden muss. Lediglich die relativ geringen Verluste durch die ver- grösserten geometrischen Wege und die n-malige An kerrückwirkung sind aufzubringen. Auch für diese notwendige Mehrdurchflutung ist, wie Rechnungen ergeben haben, der Mehraufwand an Erregerleistung durchaus wirtschaftlich und vertretbar.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung be schrieben, welche als Ausführungsbeispiel einen Teil schnitt durch eine nach der Erfindung ausgebildete elektrische Maschine darstellt.
Die Welle 1 ist über Rollenlager 2 in den Lager schilden 4 des Gehäuses 3 gelagert. Auf ihr ist ein Klauenpolsystem 5 angeordnet, und zwar mit n = fünf hintereinandergeschalteten Einzelsystemen. Die ses Klauenpolsystem 5 ist über das magnetisch iso lierende ringartige Bauteil 6 auf der Welle 1 gelagert. Das ringartige Bauteil 6 ist dabei mit Ausfräsungen 7 versehen, um an Gewicht zu sparen und Platz für etwa notwendige Belüftung zu erhalten.
Das Klauenpolsystem 5 wird von n = 5 vonein ander und vom Gehäuse magnetisch isolierten Blech paketen 8 umgeben, in welchen die einzige und allen Blechpaketen 8 gemeinsame Arbeitswicklung 9 an geordnet ist. Letztere kann ein- oder mehrphasig aus gebildet sein. Die Erregerteile 10 sind axial beidseitig der Klauenpolsysteme 5 angeordnet und fest mit den Lagerschilden 4 verbunden. Dabei befindet sich in den Erregerteilen 10 je eine Erregerwicklung 11, wel che im bezeichneten Beispiel gleichsinnig vom Strom durchflossen sind.
Diese Erregerwicklungen 1l sind als Ringspulen ausgebildet und umgeben konzentrisch die in ihnen umlaufende Welle 1. Die Erregerteile 10 werden ausserdem von einem Teile des Klauen polsystems 5, nämlich dessen Teilen 12, fast vollstän dig umschlossen. Hierdurch wird erreicht, dass für den Weg des magnetischen Flusses entsprechend der eingezeichneten Linie 13 nur sehr geringe Verluste anzusetzen sind.
Dabei verläuft der Weg des magneti schen Flusses entsprechend der genannten Linie 13 so, dass er beispielsweise von der linken Erregerwick lung 11 im linken Erregerteil 10 ausgehend über den Luftspalt 14 in den linken Teil 12 des Klauenpol- systems 5 übertritt, von dort über einen weiteren Luftspalt 15 in das erste Blechpaket 8 und hier die Verkettung mit der Arbeitswicklung 9 bildet.
Der Fluss tritt dann zurück über den Luftspalt 15 in die andere Polarität des linken Teilpolsystems des Klauenpolsystems 5 und von dort in das zweite Teil- polsystem des Klauenpolsystems 5 über. Von hier aus erfolgt dann die Verkettung mit der Arbeitswick lung 9 in gleicher Weise wie beim ersten System be schrieben und wird so weit fortgesetzt und wieder holt, bis die n = 5 Blechpakete und Teilpolsysteme durchsetzt sind.
Vom rechten Teilpolsystem tritt dann der Fluss über den rechten Luftspalt 14 zum rechten Erregerteil 10 über und schliesst sich von dort aus über einen weiteren Luftspalt, die Welle 1 und noch einen weiteren Luftspalt im linken Erregerteil 10. Der magnetische Kreis ist so geschlossen.
Die magnetischen Ringe 16 sind dabei als magne tische Ausgleichsringe zwischen den an ihnen links und rechts angeordneten jeweiligen Teilpolsystemen anzusehen, um evtl. magnetische Unsymmetrien bei der wiederholten Durchflutung der Blechpakete 8 auszugleichen.
Die vorliegende Zeichnung stellt eine Anordnung dar für n = ungerade Teilpolsysteme. Ist n jedoch eine gerade Zahl, wobei n/2 eine ungerade Zahl sein muss, dann wird man die beiden in der Mitte anein ander stossenden Teilpolsysteme magnetisch mit der Welle verbinden, um so, von links und rechts ausge hend, je ein Einzelsystem mit einem für sich bestehen den magnetischen Kreis zu erhalten. Die Flussrich- tung des magnetischen Flusses muss dann jeweils ent gegengesetzt gerichtet sein, d.h. die Ringspulen der Erregerwicklungen in den Erregerteilen müssen zu einander gegensinnig vom Strom durchflossen wer den.
Um genügend Platz für die magnetische Durch flutung im Bereich der gemeinsamen Stossstelle zu erhalten, wird man den hier angeordneten Ring, ent sprechend dem Ring 16 der vorliegenden Zeichnung, breiter ausbilden als die übrigen Ringe.
Es können auch eine oder mehrere Windungen um jede Klaue herum angeordnet sein. Dieses ent spricht im wesentlichen etwa einem Kurzschlusskä fig. Die durch diesen erstrebten bekannten Verbesse rungen treffen teilweise auch auf die genannte Anord nung nach der Erfindung zu. Es wird nämlich da durch die Ankerrückwirkung verringert und damit auch die sonst notwendige Erhöhung der Erreger leistung. Besonders wird das dann der Fall sein, wenn man die Windungen in sich und/oder untereinander kurzschliesst.
Es ist dabei zunächst ohne Bedeutung, ob diese Kurzschlusswindungen am Aussenumfang der Klauen angeordnet sind oder auch teilweise in denselben. Eine weitere Verbesserung kann dadurch erzielt wer den, dass man diese Windungen zunächst mit minde stens einer Umdrehung auch um die Welle herum führt. Damit wirkt die Anordnung ähnlich der, wie sie von den Kompensationswicklungen her bekannt ist. Es wird nänflich eine in sich kurzgeschlossene Zu satzerregung erzielt, die den in der Welle vorhan denen Fluss verstärkt. Die Leistung für die Zusatzer regung wird dabei von der Ankerrückwirkung auf gebracht.