Elektrische Maschine in Scheibenbauweise Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit Ständer und Läufer. Es ist bisher für elektromagnetische Schlupfkupplungen bekannt, Primärteil und Sekundärteil in scheibenförmiger Bauweise auszuführen. Würde man jedoch in entsprechend abgewandelter Betriebsweise auch einen elektrischen Motor oder Generator so bauen und auf seinen Ausnutzungsgrad untersuchen, so würde man zwar gegenüber der bisherigen zylindrischen Bauweise eine Verbesserung der Eisenausnutzung feststellen, je doch schienen zunächst einmal diejenigen Probleme unüberwindlich, die durch die zwischen Ständer und Läufer wirksam werdenden magnetischen Kräfte verur sacht werden; dies gilt insbesondere für Maschinen grösserer Leistung.
Kompensationsvorrichtungen für die se Kräfte sind äusserst aufwendig. Wenn man jedoch diese Probleme überwunden hatte, so war dies bisher nur unter Inkaufnahme zusätzlicher Nachteile möglich. Auch schienen bisher einige Wicklungsprobleme sehr erschwe rend.
Es wurde demgegenüber als Verbesserung bereits vorgeschlagen, Ständer und Läufer in an sich bekannter Scheibenbauweise auszuführen und entweder Ständer oder Läufer in zwei konstruktiv getrennte Teilscheiben aufzuteilen, zwischen denen dann der nicht aufgeteilte Läufer oder Ständer liegt. Hierdurch wird die Ausnut zung des aktiven Eisens beachtlich gesteigert, während Gewicht und Platzbedarf bedeutend verringert werden.
In weiterer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Mass- nahmen führt jedoch eine weitergehende Erkenntnis dazu, dass eine nochmalige Steigerung des Ausnut zungsgrades und eine nochmalige Verringerung des Lei stungsgewichtes und des Platzbedarfes möglich werden.
Diese Erkenntnis wird erfindungsgemäss dadurch ver wirklicht, dass Ständer und Läufer in mindestens zwei konstruktiv getrennte Teilscheiben aufgeteilt sind, dass Ständer-Teilscheiben und Läufer-Teilscheiben in axialer Richtung abwechselnd aneinandergereiht sind und dass die Zahl der Läufer-Teilscheiben sich von der Zahl der Ständer-Teilscheiben um eine unterscheidet, wobei der magnetische Fluss sämtliche mittleren Teilscheiben in jeder axialen Richtung mindestens einmal durchsetzt und ein magnetischer Rückschluss nur von den Endteilschei- ben gebildet wird.
Geht man von dem mit der beschriebenen dreiteiligen Maschine erzielbaren Ausnutzungsgrad aus, so braucht man nur noch zwei Teilscheiben hinzuzufügen, die keine magnetischen Joche enthalten, um eine doppelte Leistung zu erzielen. Dabei braucht die Ausführungsform der Erfindung nicht auf eine elektrische Maschine mit fünf Teilscheiben beschränkt zu sein, denn es sind ebenso sieben- und mehrteilige Ausführungsarten denkbar. Es ist ferner für die Ausführung der Erfindung ohne Bedeu tung, ob die elektrische Maschine als Motor oder als Generator betrieben werden soll und welche Teilschei- ben-Gruppe als Stator oder als Rotor arbeitet.
Nachfolgend soll beschrieben werden, wie eine solche elektrische Maschine für verschiedene Betriebs- und Konstruktionsweisen vorteilhaft ausgeführt sein kann, wobei die einzelnen Ausführungsarten zunächst nach dem Aufbau der Erregung unterschieden werden sol len.
Für die Ausführung der Erregung ist es einerseits denkbar, dass die elektrische Maschine gemäss der Erfindung eine monopolare Erregung erhält, die eine koaxial zur Maschinenwelle auf mindestens einer Teil scheibe angeordnete Ringspule aufweist. Die elektrische Maschine hat dabei Luftspalte von in axialer Richtung unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit. Die Ring spule erhält dann vorteilhaft einen Durchmesser, der die Teilscheibe in eine äussere kreisförmige und eine innere scheibenförmige Fläche derart aufteilt, dass diese Flä chen gleich gross sind.
Nun ist eine weitere Differenzierung der Ausfüh rungsmöglichkeiten dadurch denkbar, dass eine Erreger spule und zumindest ein Teil der Wechselstromwicklung auf derselben Teilscheibe angeordnet sind. Für die weitere Ausführung der elektrischen Maschine gibt es dann drei vorteilhafte Möglichkeiten, von denen die eine darin besteht, dass dann die Wechselstromwicklung als Wellen- oder Schleifenwicklung ausgeführt ist und dass bei der an diesen Maschinenteil angrenzenden Teilschei be die Zähne und Nuten in Höhe des Durchmessers der Erregerwicklung so gegeneinander versetzt sind, dass eine Nut an einen Zahn anschliesst und umgekehrt.
Die zweite Ausführungsmöglichkeit ist gegeben, wenn die Wechsel stromwicklung als Wellen- oder Schleifenwicklung ausge führt ist und in Höhe des Durchmessers der Erregerwick lung auf die benachbarte Nut springt, wobei dann Zähne und Nuten in dem an diese Teilscheibe angrenzenden Maschinenteil auf der ganzen radialen Länge durchlau fen.
Und ferner ist eine dritte Ausführungsmöglichkeit derart denkbar, dass die Teilscheibe einerseits in Höhe des Durchmessers der Erregerwicklung und andererseits, der Nutteilung der Maschine entsprechend, durch radiale Trennfugen in Spulenkerne gleich grossen Querschnittes aufgeteilt ist und dass um diese Spulenkerne Windungen der Wechselstromwicklung gelegt sind. Für die an eine solche Teilscheibe angrenzenden Teilscheiben gilt dann wahlweise das zu einer der beiden vorigen Ausführungs möglichkeiten Gesagte, je nachdem, wie die Spulen der Wechselspannungswicklung geschaltet werden.
Während die eben genannten Massnahmen für Teil scheiben gelten, die sowohl eine Erreger-Ringspule als auch Teile der Wechselstromwicklung aufweisen, werden nachfolgend zwei Möglichkeiten für die Ausführung von nicht mit einem Teil der Wechselstromwicklung versehe- nen Teilscheiben genannt, bei denen es dann vorteilhaft ist, wenn in Höhe des Durchmessers der Erregerwicklung eine amagnetische Trennschicht eingesetzt ist. Diese Trennschicht verhindert einen Kurzschluss des magneti schen Flusses und zwingt ihn, seinen Weg in im wesentli chen axialer Richtung bis zu einer Endteilscheibe zu nehmen.
So ausgebildete Teilscheiben eignen sich als Nachbar-Teilscheiben von mit einer Erregerspule verse- henen Teilscheiben; es ist aber auch denkbar, dass als weitere Möglichkeit auch die eine Erregerwicklung tra gende Teilscheibe selbst eine solche arnagnetische Trenn schicht hat und dass die Erregerwicklung zwischen dem einen Teil des aktiven Eisens und der amagnetischen Trennschicht, vorzugsweise Nuten, untergebracht ist. Es ist dabei nicht von besonderer Bedeutung, ob die so ausgeführten Teilscheiben aus geblechtem oder massivem Material bestehen.
Zur Ausführung der Endteilscheiben kann vorgesehen sein, dass diese am Luftspalt eine aktive Eisenschicht aufweisen, die mit axial verlaufenden Trennfugen ge blecht ist, und dass sich hieran ein magnetischer Rück- schluss aus massivem Material anschliesst, der dem magnetischen Fluss angepasst ist. Durch eine solche Anpassung kann eine bedeutende Materialersparnis er zielt werden.
Bei einer elektrischen Maschine nach der Erfindung ist auch die Kühlung relativ einfach vorzunehmen. So ist z.B. günstig, wenn an den mittleren Teilscheiben in der Nähe der Nabe Lüftungskanäle vorgesehen sind, durch die die Luft von einer angrenzenden Endteilscheibe her auf die andere Seite der betreffenden mittleren Teilschei be geführt wird. Wenn man die Lüftungskanäle dabei leicht in Richtung eines grösseren Durchmessers schräg stellt, wird das Kühlmedium durch die Zentrifugalkraft beschleunigt, und es wird so eine einwandfreie Kühlwir kung erzielt.
Die Strömung des Kühlmediums teilt sich also dabei derart auf, dass ein Teil in dem zwischen einer Endteilscheibe und einer angrenzenden Teilscheibe lie genden Luftspalt und ein anderer Teil durch die genann- ten Kanäle dieser angrenzenden Teilscheibe und den Luftspalt zwischen dieser Teilscheibe und einer weiteren Teilscheibe bis zum äusseren Umfang der Maschine gelangt, wo dann, gegebenenfalls unter Anwendung von Leitblechen, das Kühlmedium wieder zusammengefasst und einer Ausgangsöffnung zugeleitet wird.
Die Endteil- scheiben können ausserdem gemäss einem weiteren Vor schlag der Erfindung durch das massive Material und möglichst in der Nähe des geblechten Materials verlau fende radiale Bohrungen aufweisen, durch die das Kühlmedium geführt ist. Die aus massivem Material bestehende Stirnfläche der Endteilscheibe kann zu einer weiteren Unterstützung der Kühlwirkung radial verlau fende Rippen aufweisen.
Eine weitere Ausführungsmög lichkeit für eine solche Endteilscheibe besteht aber auch darin, dass ihre äussere Stirnseite eine spiralförmige Vertiefung erhält, dass diese Vertiefung mit einer Abdek- kung versehen ist und dass der so gebildete spiralförmige Kanal von einem Kühlmedium durchströmt wird. Es ergibt sich hierbei eine besonders grosse Oberfläche für den Wärmeaustausch. Die hier zur Durchführung der Kühlung beschriebenen Massnahmen sind unabhängig von der Funktion der Endteilscheibe, die beispielsweise auch unter Abwandlung der übrigen Teilscheiben einem Umformersatz zugeordnet sein kann.
Während sich die bisher genannten Massnahmen im wesentlichen auf eine monopolare Erregung der Maschi ne und auf sich aus dieser Erregungsart ergebenden weiteren Abwandlungen bezogen, sollen nachfolgend solche Massnahmen genannt werden, nach denen die erfindungsgemässe Maschine ausgebildet werden kann, wenn die Erregung heteropolar ist. Eine heteropolare Erregung erhält man vorteilhaft dadurch, dass die Erre gerpole scheibensektorförmig ausgebildet und mit Erre gerspulen versehen sind.
Ist eine Teilscheibe der elektri schen Maschine, z.B. die mittlere von insgesamt fünf Teilscheiben, so kann sich eine solche Aufteilung der Teilscheibe in Erregerpole über die ganze Länge der Teilscheibe erstrecken, wobei zwischen den scheibensek- torförmigen Erregerpolen nur amagnetische Zwischenla gen vorgesehen werden.
Es ist aber auch denkbar. die genannte Aufteilung nur etwa für die halbe Länge einer solchen Teilscheibe an einer Seite vorzunehmen und den anderen Teil der Teilscheibe entweder mit einem magne tischen Rückschluss auszustatten, so dass eine Endteil- scheibe entsteht, oder aber diesen anderen Teil für eine ganz andere, funktionell bedingte Ausführungsform aus zubilden, beispielsweise dann, wenn eine solche Teilschei be zu einem Maschinenteil mit anderer Erregung oder zu einem Umformersatz gehört. wie er später noch ausführ lich beschrieben wird.
Eine Erregung der genannten Art wird man bei Betrieb der elektrischen Maschine als Generator jedoch immer einer feststehenden Teilscheibe zuordnen, da sonst die Kurvenform der erzeugten Span nung Bestandteile erhält, die nicht oder nur schwer zu beseitigen sind.
Zweckmässigerweise soll das aktive Eisen für eine heteropolare Erregung geblecht oder aus Ferritkernen aufgebaut sein. Bei der heteropolaren Erregung liegen nämlich die einzelnen Ebenen, in denen der magnetische Fluss seinen Weg nimmt, etwa 90 zu den Ebenen versetzt, in denen sich der Fluss bei monopolarer Erre gung ausbreitet.
Bei der beschriebenen Erregungsart sind also mehrere Ausführungsmöglichkeiten für die Teilscheiben denkbar. Eine von ihnen ist z.B. gegeben, wenn eine feststehende Teilscheibe sowohl eine Wechselstromwicklung als auch die Erregerspulen trägt, während eine benachbarte umlaufende Teilscheibe an ihrer demselben Luftspalt zugewandten Seite radial verlaufende Zonen unter schiedlicher magnetischer Leitfähigkeit in axialer Rich tung hat.
Einzelheiten hierzu werden später im Aus führungsbeispiel beschrieben werden, jedoch ist jetzt bereits zu sagen, dass bei einer solchen Bauweise die elektrische Maschine nach dem Modulationsprinzip ar beitet und nur auf den feststehenden Teilscheiben Wick lungsnuten benötigt, während die umlaufenden Teilschei ben aus massivem Material bestehen und keine Wicklun gen tragen. Die Zonen unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit auf diesen umlaufenden Teilscheiben kön nen entweder durch die Anbringung von Nuten und Zähnen geschaffen werden, es ist aber ebenso denkbar, diese Zonen durch besondere Bearbeitungsverfahren des Materials, wie z.B. durch örtlich begrenztes Ausglühen, zu schaffen.
Die elektrische Maschine mit heteropolarer Erregung kann aber auch als Schwingfeldmaschine arbeiten, und zwar dann, wenn gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung eine die Wechselstromwicklung tragende fest stehende Teilscheibe zusätzliche radial verlaufende Zo nen unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit in axia ler Richtung aufweist, die zwischen den Wicklungsnuten liegen. Durch diese Massnahme wird der magnetische Fluss jeweils gezwungen, seinen Weg - in Umfangsrich tung gesehen - in möglichst grosser Nähe der Wicklun gen selbst zu nehmen, was den Schwingvorgang des Flusses bewirkt.
Die Erfindung ist jedoch nicht nur für eine elektrische Maschine an sich, sondern auch für eine Kombination elektrischer Maschinen, wie sie z.B. bei einem Umfor- mersatz gegeben ist, anwendbar. Deshalb soll nachfol gend auf solche Massnahmen eingegangen werden, die in weiterer Ausgestaltung der Erfindung für die Anwen dung bei einem Umformersatz vorteilhaft sind. Dabei soll der Umformersatz mindestens fünf koaxial zueinander angeordnete Teilscheiben aufweisen, die durch minde stens vier Luftspalte getrennt sind.
Dann soll mindestens ein Teil der Teilscheiben sowohl einer Motor- als auch einer Generatorfunktion zugeordnet sein, während ande rerseits Motor- und/oder Generatorfunktion mindestens zwei verschiedenen Luftspalten zugeordnet sind. Hierbei ist es beliebig, ob Motor- oder Generatorfunktion einer Endteilscheibe oder einer der mittleren Teilscheiben zugeordnet werden. Es empfiehlt sich jedoch, dass bei Umformerbetrieb die Endteilscheiben feststehend sind.
So wird für einen Umformersatz vorteilhaft eine Endteilscheibe verwendet, die am Luftspalt eine aktive Eisenschicht aus in axialer Richtung geblechtem Material aufweist, an die sich ein magnetischer Rückschluss aus massivem Material anschliesst, wobei diese Endteilschei- be dann einer Generatorfunktion zugeordnet ist.
Hat die elektrische Maschine also zwei derartige Endteilscheiben, so ergibt sich für die übrigen Teilscheiben die Möglich keit zweier Ausführungsarten, von denen die eine da durch gekennzeichnet ist, dass dann jede der beiden den Endteilscheiben benachbarten Teilscheiben durch eine ringförmige amagnetische Trennschicht in Höhe des Durchmessers der Erregerwicklung in einen scheibenför migen und einen ringförmigen Teil aufgeteilt ist und dass ferner an der der Endteilscheibe abgewandten und einer Motorfunktion zugeordneten Seite Klauenpole vorgese hen sind,
die den von der unipolaren Erregerwicklung erzeugten Fluss heteropolar über den Luftspalt zu einer ebenfalls der Motorfunktion zugeordneten Mittelteil- Scheibe leiten, die aus in axialer Richtung geblechtem Material besteht und die Wechselstromwicklung des Motors trägt.
Die andere Ausführungsform ergibt sich, wenn jede- der beiden den Endteilscheiben benachbarten Teilschei ben an der der Mittelteilscheibe zugewandten Seite in axialer Richtung geblecht und an ihrer anderen Seite aus massivem Material ausgeführt ist, das den magnetischen Rückschluss für den aus der Endteilscheibe kommenden Generatorfluss darstellt.
Diejenige Seite dieser Teilschei be, die aus massivem Material und als magnetischer Rückschluss für eine generatorisch arbeitende Endteil- scheibe dient, ist dann wieder mit Zonen unterschiedli cher magnetischer Leitfähigkeit in axialer Richtung ver sehen. Für diejenigen Teilscheiben, die der Motorfunk tion zugeordnet sind, ist ein besonderer magnetischer Rückschluss dabei überhaupt nicht erforderlich.
Die einer Endteilscheibe benachbarte Teilscheibe ar beitet also in diesem Falle mit ihrem der Endteilscheibe abgewandten Teil motorisch, und es kann in diesen letztgenannten Teil mindestens ein vorzugsweise spei- chenradförmig ausgebildeter Kurzschlusskäfig eingesetzt werden. Es können also z.B. zwei Kurzschlusskäfige vorgesehen sein, von denen einer für den Anlauf und der andere für den Betrieb ausgelegt sind.
Ein weiterer Vorschlag betrifft die Gestaltung einer Mittelteilscheibe. Danach trägt diese eine Wechselstrom wicklung derart, dass auf beiden Seiten der Mittelteil scheibe Windungsteile in radial verlaufenden Nuten liegen und dass von den beiden Spulenseiten einer Windung je eine auf einer Seite der Mittelteilscheibe liegt, während beide Spulenseiten den Abstand von etwa einer Polteilung haben. Es erstrecken sich dann die Wickelköpfe am Umfang der Mittelteilscheibe schräg von einer Stirnfläche der Mittelteilscheibe zur anderen; hier durch kann sehr viel Leitungskupfer gespart werden.
Ausserdem ergibt sich eine äusserst raumgünstige Verle gung der Wickelköpfe.
Während bei den zuvor beschriebenen Umformersät- zen zumindest Teile dieser Umformersätze nach dem Prinzip einer Synchronmaschine arbeiten, sollen nachfol gend weitere Massnahmen genannt werden, die dann vorteilhaft sind, wenn die elektrische Maschine nach der Erfindung nur als Motor oder als Generator arbeitet.
Eine solche Synchronmaschine ist dann so aufgebaut, dass die beiden Endteilscheiben und die Mittelteilscheibe feststehen, in axialer Richtung geblecht sind und Wech- selstromwicklungen tragen, und dass die zwischen diesen Teilscheiben liegenden umlaufenden Teilscheiben aus massivem Material bestehen, an ihren beiden Stirnflächen jeweils mindestens zwei, einen Fluss von entgegengesetz ter Richtung erzeugende Erregerspulen aufweisen und dass an diese Spulen zum Luftspalt hin Polschuhe anschliessen.
Während also die feststehenden Teilschei ben bereits für andere Ausführungen der Erfindung verwendet wurden, wird eine solche umlaufende Teil scheibe hier erstmalig beschrieben; sie ist sehr einfach herzustellen und bietet elektrische Vorteile unter ande rem auch dadurch, dass man Polschuhe mit planparalle len Stirnflächen vorsehen und ihre Flächenform so festlegen kann, dass die in den Wechselstromwicklungen induzierten Spannungen genau sinusförmig sind. Die Stirnflächen der Polschuhe erhalten dann etwa die Form eines Nierenschnittes.
Eine Abwandlungsmöglichkeit für die Polschuhform besteht jedoch auch in der Art, dass die Polschuhe scheibensektorförmig ausgebildet sind und eine unterschiedliche Stärke haben derart, dass infolge einer entsprechend unterschiedlichen axialen Luftspalt länge die in der Wechselstromwicklung induzierten Span nungen sinusförmig sind.
Während weitere Einzelheiten dieser Teilscheibenaus- führung aus dem später folgenden Ausführungsbeispiel hervorgehen, sollen noch eine zweite und eine dritte Ausführungsmöglichkeit für die umlaufenden Teilschei ben einer Synchronmaschine genannt werden. Die zweite Ausführungsmöglichkeit ist derart, dass die Teilscheiben dann auf ihrer einen Stirnfläche konzentrisch zur Ma schinenachse angeordnete Polkerne mit Erregerspulen und Polschuhen und an ihrer anderen Stirnfläche radial verlaufende Vertiefungen aufweisen, deren Mitte jeweils etwa in derselben axialen Richtung wie eine Pollücke liegt, wobei die Durchflutungsrichtung benachbarter Pole abwechselt.
Durch die genannten Vertiefungen erreicht man eine ausgeprägte Polwirkung, und sehr günstige Festigkeitsverhältnisse ergeben sich für diese Teilschei ben, wenn die jeweils mit Polkernen versehene Stirnflä che einer umlaufenden Teilscheibe im Sinne einer Quer schnittsverminderung zum Umfang hin schräg gestellt ist und dass die auf den Polkernen sitzenden Polschuhe zum Umfang hin ihren Querschnitt derart vergrössern, dass die Querschnittsverminderung der Teilscheibe ausgegli chen wird. Diese Ausführungsart wird man wählen, wenn besonders hohe Drehzahlen oder Teilscheibendurchmes- ser grosse Umfangsgeschwindigkeiten ergeben.
Während diese beiden ersten Ausführungsarten einer Teilscheibe für Synchronmaschinen Einzelspulen zur Erzeugung des Erregerflusses haben, weist die dritte Ausführungsart eine ringförmige Erregerspule auf, die zwischen einem scheibenförmigen und einem ringförmigen Teil einer umlaufenden Teilscheibe liegt. Die Stirnflächen beider Scheibenteile haben dann Klauenpole derart, dass auf jeder Seite der Teilscheibe ein Klauenpol des scheiben förmigen Teils mit einem Klauenpol des ringförmigen Teils abwechselt.
Durch unterschiedliche Wahl der Zahl der Klauenpole auf jeder Stirnfläche der Teilscheibe kann man dann diese Ausführungsart als Läufer eines Einankerumformers ausbilden.
Es ist bekannt, dass die Anwendung kornorientierter Bleche die magnetischen Eigenschaften des aktiven Eisens verbessern kann. Deshalb wird weiterhin vorge schlagen, dass die in axialer Richtung geblechten Teil scheiben oder Teile von Teilscheiben, durch die der magnetische Fluss ohne Richtungsänderung hindurch tritt, aus einem eine magnetische Vorzugsrichtung auf weisenden Material bestehen und dass diese Vorzugsrich tung mit der Richtung des magnetischen Flusses zusam menfällt. Sollte der magnetische Fluss innerhalb eines geblechten Maschinenteils seine axiale Richtung jedoch umkehren, so müsste er seinen Weg gegen eine Vorzugs richtung nehmen, was sehr ungünstig wäre. Die Anwen dung des genannten Materials lohnt sich dann nicht.
Dagegen stören Richtungsänderungen des magnetischen Flusses in radialer Richtung die Verwendung dieses Materials nicht.
Es wurde bereits gesagt, dass die Blechung der lamellierten Maschinenteile durch das Aufspulen eines entsprechend breiten Blechbandes bis zum Erreichen eines gewünschten Durchmessers erfolgen kann. Es ist aber auch denkbar, magnetisch voneinander getrennte Bahnen aus aktivem Eisen dadurch zu erhalten, dass die Scheibenteile an ihren den Luftspalten zugewandten Stirnflächen axial verlaufende Trennschichten in Form von mittels Funkenerosion gebildeten Schlitzen aufwei sen. Derartige Schlitze eignen sich besonders gut hierzu, da sie eine sehr geringe Breite und trotzdem eine ausreichende Tiefe aufweisen können. Die Schlitze kön nen dann z.B. mit einem Giessharz ausgefüllt werden.
Die Erfindung ist bisher nur für die Anwendung bei elektrischen Maschinen und Umformern beschrieben worden, wobei eine Aufteilung in feststehende und umlaufende Maschinenteile erfolgte. Dies geschah, um durch weitere Abwandlungsmöglichkeiten den Überblick über die einzelnen vorgeschlagenen Ausführungsarten nicht unnötig zu erschweren. Für die grundsätzliche Gestaltung einer elektrischen Maschine ist es jedoch gleichgültig, wenn man von Gehäuse- und Lagerungspro blemen absieht, welche Teile umlaufen und welche feststehen. So ist es natürlich auch denkbar, dass beide Teile umlaufen, wie es ja auch bei elektrischen Maschi nen bereits in zylindrischer Bauweise der Fall ist.
Glei chermassen laufen beide Maschinenteile auch bei elektro magnetischen Schlupfkupplungen um, die im Prinzip genauso arbeiten wie eine elektrische Maschine. Eben falls ist es denkbar, die der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken für die Ausführung von Wirbelstrombremsen zu verwenden. Es soll sich deshalb der Umfang des Schutzbegehrens auch auf derartige Spezialformen einer elektrischen Maschine erstrecken.
Auch werden aus demselben Grunde im nachfolgen den Ausführungsbeispiel nur fünfteilige Maschinen nach der Erfindung gezeigt, obwohl es im Rahmen der Erfindung natürlich möglich ist, siebenteilige, neunteilige und mehrteilige Maschinen entsprechend auszuführen.
In Fig. 1 ist eine als Generator arbeitende elektrische Maschine dargestellt, deren Endteilscheiben 30 und 31 und deren Mittelteilscheibe 32 feststehend angeordnet sind, während die Teilscheiben 33 und 34 umlaufen. Zur Erzeugung der monopolaren Erregung dienen drei Erre gerspulen 35, 36 und 37, von denen die beiden erstge nannten in den Endteilscheiben 30 und 31 und die dritte in der Mittelteilscheibe 32 untergebracht sind.
Die beiden Endteilscheiben 30 und 31 sind gleichartig aufgebaut, und zwar haben sie jeweils einen scheibenförmigen Teil 38 und einen ringförmigen Teil 39 aus in axialer Richtung geblechtem Material; zwischen diesen Teilen liegt jeweils eine der Erregerspulen 35 bzw. 36. Zu den Aussenseiten der elektrischen Maschine hin schliesst dann jeweils ein magnetischer Rückschluss aus massivem Material an. Die Mittelteilscheibe 32 besteht ihrerseits ebenfalls aus einem scheibenförmigen Teil 41 und einem ringförmigen Teil 42 aus geblechtem Material; die Erre gerspule 37 liegt zwischen diesen Teilen. Die feststehen den Teilscheiben sind durch ein hier nur angedeutetes Maschinengehäuse 43 verbunden.
Die rotierenden Teil scheiben 33 und 34 bestehen aus massivem Material, tragen keine Wicklungen, haben in Höhe des Durchmes sers der Erregerwicklungen 35, 36 bzw. 37 eine amagneti- sche Trennschicht 44 und sind auf der Welle 45 befe stigt.
Wechselstromwicklungen sind auf den feststehenden Teilscheiben 30, 31 und 32 vorgesehen, und zwar ist eine der Ausführungsmöglichkeiten in Fig. 2 dargestellt. Zwi schen dem scheibenförmigen Teil 38 und dem ringförmi gen Teil 39 einer der beiden Endteilscheiben 30 bzw. 31 liegt der Raum 46 für die hier nicht gezeichnete Erreger spule 35 bzw. 36. Die Spulenseiten einer als Schleifen- oder Wellenwicklung geführten Wechselstromwicklung 47 verlaufen durchgehend in der gezeigten Art und Weise in radialer Richtung.
Für diese Ausführungsmöglichkeit sind dann die rotierenden Teilscheiben 33 bzw. 34 so ausgestaltet, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Zwischen dem scheibenförmigen Teil 41 und dem ringförmigen Teil 42 befindet sich wieder die amagnetische Trennschicht 44. Zähne 49 und Nuten 50 sind auf jeder Seite einer solchen Teilscheibe 33 bzw. 34 so gegeneinander versetzt, dass in radialer Richtung gesehen - an eine Nut 50 eine Zahn 49 anschliesst und umgekehrt. Die Symbole 51 deuten die Richtung an, in der der magnetische Fluss die Zähne 49 und die Nuten 50 durchsetzt und die er dann jeweils auch im Luftspalt hat, was durch die Pfeile 52 ebenfalls in den Fig. 1, 6 und 8 angedeutet ist.
Es ist jedoch auch eine andere Ausführungsmöglich keit für die Wechselstromwicklung47 denkbar derart, dass sie auf einer der Endteilscheiben 30 bzw. 31 entsprechend der Darstellung nach Fig.4 verlegt ist. In Höhe des Durchmessers der im Raum 46 liegenden Erregerspule sind die Spulenseiten um eine Wicklungsnutteilung ver setzt geführt. Es ergibt sich dann eine Ausführung der rotierenden Teilscheiben 33 bzw. 34 gemäss der Darstel lung nach Fig. 5, wobei also die Zähne 49 und die Nuten 50 in radialer Richtung durchgehend verlaufen.
Zur Beeinflussung der Feldkurvenform ist es gegebenenfalls denkbar, von diesem radialen Verlauf abzuweichen und einen schrägen und/oder gekrümmten Verlauf zu wäh len.
Die feststehende Mittelteilscheibe 32 trägt ebenfalls Wechselstromwicklungen 47, für deren Ausführungsmög lichkeiten dasselbe gilt, wie es für die Endteilscheiben 30 und 31 beschrieben wurde. Hiervon hängt dann die Ausführungsart derjenigen Seite einer rotierenden Teil scheibe 33 oder 34 ab, die der entsprechenden Wechsel stromwicklung 47 an demselben Luftspalt gegenüberliegt. Die hier beschriebene elektrische Maschine lässt sich in vier Luftspaltsysteme zerlegen, wobei zu jedem Luft spaltsystem eine der Wechselstromwicklungen 47 gehört.
Jede der Wechselstromwicklungen 47 kann für eine andere Spannung ausgelegt sein, so dass der gesamte Generator vier verschiedene Spannungen abgeben kann. Innerhalb jedes Luftspaltsystems kann entsprechend der gewählten Wechselstromwicklung 47 die Zahl der Zähne 49 und der Nuten 50 auch auf jeder Seite einer Teilschei be 33 oder 34 unterschiedlich und so gewählt sein, dass in den Wechselstromwicklungen 47 Spannungen unter schiedlicher Frequenz erzeugt werden.
Eine Abwandlung der in Fig. 1 dargestellten elektri schen Maschine ist in Fig.6 gezeigt. Dabei hat der rotierende Teil dieselbe Ausführung wie in Fig. 1, jedoch ist der Ständerteil anders. Ein erster Unterschied zu dem Ständer der Ausführung nach Fig. 1 besteht darin, dass jetzt nur eine, allerdings entsprechend verstärkte Erreger spule 58 in der Mittelteilscheibe 32 zwischen dem scheibenförmigen Teil 41 und dem ringförmigen Teil 42 untergebracht ist.
Ein zweiter Unterschied zu dem Stän der der Ausführung nach Fig. 1 bezieht sich sowohl auf die Mittelteilscheibe 32 als auch auf die Endteilscheiben 53, was aus Fig. 7 hervorgeht. Dort ist eine Endteilschei- be 53 dargestellt, die einerseits in Höhe des Durchmes sers der Erregerspule 58 durch einen Wickelraum 54 und andererseits der gewählten Nutteilung entsprechend durch radial verlaufende Trennfugen in Spulenkeme 55 und 56 gleich grossen Querschnitts aufgeteilt ist.
Um diese Spulenkerne 55 und 56 wird eine Wechselstrom wicklung 48 gelegt, deren Wicklungsart unter anderem auch entsprechend den Darstellungen in den Fig. 2 und 4 ausgelegt werden kann. Dasselbe gilt für die auf der Mittelteilscheibe 32 vorgesehene Wechselstromwicklung 48. Die Spulenkerne 55 und 56 können entweder geblecht sein oder aus Ferrit-Material bestehen. An die Spulenker- ne 55 und 56 schliesst sich wieder ein magnetischer Rückschluss 40 aus massivem Material an.
Diese Aus führungsart für eine Endteilscheibe eignet sich jedoch auch für eine elektrische Maschine nach Fig. 1.
In Fig. 8 wird eine weitere Abwandlung der elektri schen Maschine nach Fig. 1 gezeigt. Zwischen den beiden Teilen 38 und 39 ist jetzt eine amagnetische Trennschicht 59 vorgesehen, um zu verhindern, dass sich der magneti sche Fluss direkt zwischen den geblechten Teilen 38 und 39 der Endteilscheibe 30 bzw. 31 kurzschliesst, ohne seinen Weg über den magnetischen Rückschluss 40 zu nehmen. Ein weiterer Unterschied ist für die rotierenden Teilscheiben 33 und 34 gegeben, die jetzt aus geblechtem Material ausgeführt sind.
Die Blechung kann, wie auch in den zuvor genannten Fällen, in vorteilhafter Weise jeweils durch das Aufspulen entsprechend breiter Blech streifen bis auf den gewünschten Durchmesser erfolgen. In Höhe des Durchmessers der Erregerspule 58 liegen ebenfalls wieder amagnetische Trennschichten 44. Zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit haben die Teil scheiben 33 und 34 jetzt Schrumpfringe 60.
Anhand der Darstellung nach Fig. 9 sollen jetzt auch vorteilhafte Massnahmen für die Kühlung der elektri schen Maschine genannt werden. Zunächst jedoch wird noch kurz auf die Unterschiede in der elektrischen Auslegung eingegangen. Die Endteilscheiben 30 und 31 entsprechen in ihrer elektrischen Auslegung den Endteil- scheiben nach Fig. B. Die Erregung ist nunmehr in die rotierenden Teilscheiben 33 und 34 verlegt. Diese Teil scheiben sind jeweils in einen scheibenförmigen Teil 61 und einen ringförmigen Teil 62 aufgeteilt.
In einer nutenförmigen Vertiefung am äusseren Umfang des scheibenförmigen Teils 61 liegt jeweils eine Erregerspule 63, deren Schleifringanschlüsse nicht eingezeichnet sind. Zwischen dem scheibenförmigen Teil 61 und dem ring förmigen Teil 62 befindet sich eine Trennschicht 64, deren hauptsächliche Aufgabe darin besteht, die Erreger spule 63 abzudecken und ihr damit die erforderliche mechanische Festigkeit zu geben. Gegebenenfalls kann die Trennschicht 64 aber auch aus amagnetischem Mate rial hergestellt sein, da damit eventuelle Streuflüsse, die gerade bei einer Versetzung von Zahn und Nut gegenein ander in Höhe dieser Trennschicht entstehen könnten, unterdrückt werden.
Zur Erreichung einer guten Kühlwirkung schliessen an den aus massivem Material bestehenden magnetischen Rückschluss spiralförmig verlaufende Rippen 65 an, so dass ein entsprechend ebenfalls spiralförmiger Kühlkanal 66 gebildet wird. Dieser wird durch eine Abdeckplatte 67 geschlossen, die ihrerseits an ihrer Aussenseite ebenfalls Rippen hat. Ein weiterer Kühlmittelweg wird gebildet durch Eintrittsöffnungen 68 in den Endteilscheiben 30 und 31, durch die Luftspalte 69 und durch Kanäle 70 und 71. Im Luftspalt 69 wird die Kühlluft durch die von den Zähnen und Nuten der rotierenden Teilscheiben 33 und 34 erzielte Ventilationswirkung und durch die Zentri fugalkraft beschleunigt.
Ausserdem sind die Teilscheiben 33 und 34 mit Bohrungen 72 versehen, durch die ein Teil der Kühlluft auf die andere Seite dieser Teilscheibe treten und dort dieselbe Kühlwirkung hervorrufen kann. Zur besseren Luftführung sind ferner Leitbleche 73 vorgese hen. Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, für die Mittelteilscheibe 32 eine zusätzliche Flüssigkeitskühlung vorzusehen. Hierzu dient eine Rohrleitung 74, die aus elektrisch gut leitendem Material besteht und zugleich die Funktionen einer Dämpferwicklung erfüllen kann. Fig. 10 zeigt eine weitere Abwandlung.
Die Mittelteil scheibe 32 ist, wie in Fig. 1 gezeigt aufgebaut und hat, ebenso wie die Endteilscheiben 30 und 31, eine Wechsel- Stromwicklung 47 entsprechend Fig. 4. Deshalb haben die rotierenden Teilscheiben 33 und 34 durchgehende Zähne und Nuten entsprechend Fig. 5. Die Erregerspulen sind wie in der Ausführung nach Fig.l angeordnet.
Die Endteilscheiben 30 und 31 weisen in ihrem massiven, den magnetischen Rückschluss darstellenden Teil 40 radiale Bohrungen 75 auf, durch die ein flüssiges oder gasförmi ges Kühlmittel geführt werden kann. Die übrigen Kühl- massnahmen sind dieselben wie bei der Ausführung nach Fig.9. Das den magnetischen Rückschluss darstellende massive Teil 40 ist dem Weg des magnetischen Flusses dadurch angepasst, dass die äusseren Stirnflächen in der eingezeichneten Art abgerundet wurden.
Dies ist zur Erzielung einer Gewichtsverringerung ohne Nachteil möglich, da der magnetische Fluss nicht bis in den Bereich der Aussenkanten vorgedrungen wäre.
Nachfolgend soll noch eine weitere Abwandlung einer elektrischen Maschine beschrieben werden, die darin neu ist, dass jetzt die Teilscheiben 154, 155 und 156 umlau fen, während die Teilscheiben<B>157</B> und 158 feststehend angeordnet und genau so ausgebildet sind wie z.B. die feststehende Mittelteilscheibe 32 in Fig. 10. Ebenso ent spricht die Mittelteilscheibe 156 (Fig. 11) der Ausführung der umlaufenden Teilscheiben 33 bzw. 34 nach Fig. 10, nur dass sie jetzt keine als Kühlkanäle dienende Bohrun gen 72 aufweist.
Die umlaufenden Endteilscheiben 154 und 155 bestehen vollständig aus massivem Material und haben an ihrer einem Luftspalt zugewandten Seite jeweils Zähne und Nuten zur Erzielung einer unterschiedlichen magnetischen Leitfähigkeit in axialer Richtung. Die Welle 45 ist gegenüber dem Gehäuse 43 durch Lager 76 gelagert. Durch Querschnittsänderungen an den Stellen 77, 78 und 79 wird erreicht, dass bei der Montage der einzelnen Teilscheiben zueinander eine zumindest vor justierte Lage vorhanden ist.
Nachdem hiermit die wichtigsten Ausführungsformen für eine elektrische Maschine mit monopolarer Erregung beschrieben sind, folgen jetzt weitere Beispiele für eine elektrische Maschine mit heteropolarer Erregung. Ein erstes Beispiel hierfür ist in Fig.12 dargestellt. Die einzelnen Teilscheiben sind jetzt mit den Ziffern 80 bis 84 bezeichnet. Die Erregung erfolgt durch die Erreger spulen 85, 86 und 87, die um scheibensektorförmige Erregerpole 88 gelegt sind (Fig. 13). Die Bahnen des magnetischen Flusses sind durch die Symbole 89, 90, 91 und 92 und durch zwischen diesen Symbolen liegende Pfeile dargestellt.
Das Symbol 91 (Fig. 13) liegt in der Darstellung nach Fig. 12 hinter dem Symbol 89 und ist deshalb nicht erkennbar. Ebenso ist das Symbol 92 nicht zu sehen, weil es in Fig. 12 hinter dem Symbol 90 liegt. Die Bahnen der magnetischen Flüsse schliessen also etwa Flächen ein, die annähernd Teile koaxialer Zylindermän tel darstellen.
Die elektrische Maschine nach Fig. 12 hat auf ihren feststehenden Teilscheiben 80, 81 und 82 Wechselstrom wicklungen 93, von denen eine Ausführungsmöglichkeit in Fig. 13 angedeutet ist. Im Prinzip gilt jedoch für die Auslegung der Wechselstromwicklungen 93 dasselbe, was bereits zu den vorigen Figuren gesagt wurde. Die rotie renden Teilscheiben 83 und 84 sind aus geblechtem Material ausgeführt, haben an jeder Stirnfläche Nuten 94 undZähne 95 (Fig.14) und an ihrem Umfang Schrumpf ringe 96 (Fig. 12).
Die Welle 97 weist an den Stellen 98 und 99 Querschnittsveränderungen auf, mit deren Hilfe die Teilscheiben bei der Montage zueinander justiert werden.
Fig. 14 zeigt einen Blick auf den Luftspalt zwischen der Endteilscheibe 80 und der Teilscheibe 83. Der durch strichpunktierte Linien und Pfeile dargestellte magneti sche Fluss muss im Luftspalt Zonen unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit überwinden, die durch die Nuten 94 und die Zähne 95 entstehen. Die hierdurch bewirkte Änderung des Gleichflusses induziert in der in den Wicklungsnuten 96 untergebrachten Wechselstrom wicklung 93 Spannungen; diese Arbeitsweise wird Modu- lationsprinzip genannt. Demgegenüber ist in Fig. 15 eine elektrische Maschine dargestellt, die nach dem Schwing feldprinzip arbeitet.
Auf der linken Seite ist ein Teil einer Mittelteilscheibe 82 mit einer zu Fig. 14 unterschiedlichen Erregerwicklung 97 dargestellt. Während eine Erreger wicklung in der Art der Erregerwicklung 87 nach Fig. 14 bei Anwendung für eine Mittelteilscheibe 82 nur einmal vorhanden zu sein braucht, um den erforderlichen Fluss zu erzeugen, ist die Erregerwicklung 97 (Fig.15) in einzelnen Wicklungsnuten 98 untergebracht und an jeder Seite einer Mittelteilscheibe 82 vorhanden. Diese Ausfüh rung kommt vor allem für höhere Frequenzen in Frage. Die Wechselstromwicklung 93 liegt zwischen der Erreger wicklung 97 in Wicklungsnuten 99.
Zwischen den Wick lungsnuten 98 und 99 sind besondere Nuten 100 vorgese hen, die an dieser Stelle die magnetische Leitfähigkeit des Luftspaltes herabsetzen und den magnetischen Fluss zwingen, seine Bahn in möglichst grosser Nähe der Wechselstromwicklung 93 zu nehmen. Eine an die Mittel teilscheibe 82 anschliessende Teilscheibe 84 hat ebenfalls Nuten 94 und Zähne 95, diesmal mit abgerundetem Querschnitt.
Wie bereits gesagt, ist die Erfindung auch bei Umfor- mersätzen anwendbar, d.h. man kann eine als Motor und eine als Generator arbeitende elektrische Maschine nach der Erfindung kombinieren. Auch hierfür gibt es zahlrei che Möglichkeiten, von denen nachfolgend die wichtig sten beschrieben werden sollen.
Fig. 16 zeigt einen Synchron-Umformer, dessen Mit telteilscheibe 32 zusammen mit je einem Teil der ihr zugewandten Teilscheiben 101 und 102 die Funktion eines Synchronmotors erfüllt. Die jeweils anderen Teile der Teilscheiben 101 und 102 arbeiten mit der Endteil- scheibe 30 bzw. 31 als Synchrongenerator. Für die Aus führung der Endteilscheiben 30 und 31 gilt sinngemäss dasselbe, was für diese Elemente bereits in der Beschrei bung zu Fig. 1 gesagt wurde. Unterschiedlich ist jedoch die Ausführung der Mittelteilscheibe 113 und der Teil scheiben<B>101</B> und 102, die aus den Figuren 17, 18 und 19 hervorgeht.
Die Teilscheibe 101 ist in Fig. 17 und in Fig. 18 von je einer Seite gesehen perspektivisch darge stellt. Die Teilscheibe<B>101</B> ist in zwei magnetisch nicht miteinander gekuppelte Teile 103 und 104 geteilt. Auf der der Endteilscheibe 30 zugewandten Stirnfläche sind Zähne 105 und Nuten<B>106</B> vorgesehen, die teils zu dem Teil 103 und teils zu dem Teil 104 gehören und so gegeneinander versetzt sind, dass in radialer Richtung an einen Zahn 105 eine Nut 106 anschliesst und umgekehrt.
Entsprechendes wurde zu Fig. 3 bereits gesagt, und die Arbeitsweise dieser Seite der Teilscheibe 101 und der Endteilscheibe 30 stimmen mit der Arbeitsweise der Endteilscheibe 30 und der Teilscheibe 33 in Fig.l überein. Auch hier ist wieder eine amagnetische Trenn schicht 107 vorgesehen (Figuren 16 und 18). Die Bahn des von einer Erregerspule erzeugten Flusses ist auch hier durch die Symbole 51 angedeutet. Die andere Stirnseite der Teilscheibe 101 hat ausgeprägte Pole (Fig. 18), deren Ausführung den bekannten Klauenpolen ähnlich ist.
Der Weg des magnetischen Flusses ist durch die Symbole<B>108</B> 109, 110 und 111 bezeichnet. In Fig. 16 ist der Schnitt der 'Teilscheibe <B>101</B> so dargestellt, wie es der Schnittlinie 112 in Fig. 18 entspricht. Die in Fig. 16 dargestellte Mittelteil scheibe 113 ist auch in einem Umformersatz nach Fig. 19 :als Mittelteilscheibe verwendet, auf der die Wechsel- .stromwicklungen 114 in einer besonders vorteilhaften Art untergebracht sind.
Diese Wicklungen sind so gelegt, dass ihre Wickelköpfe am äusseren Umfang der Mittelteil- .scheibe 113 schräg von einer Stirnfläche zur anderen führen. Da die Schrägung gleich bleibt, ist eine gute Platzausnutzung möglich. An den Stirnflächen selbst liegen die Wechselstromwicklungen 114 in radial verlau fenden Wicklungsnuten<B>115.</B> Das Wickelschema ist aus den für die Wicklungsbezeichnung einer dreiphasigen elektrischen Maschine bekannten Bezeichnungsbuchsta ben U, V, W und X, Y, Z zu ersehen, das in Fig. 20 gezeigt ist.
In dieser Darstellung sind schraffiert die Polflächen von vier scheibensektorförmigen Klauenpo- len hineinprojiziert, wie sie der Darstellung nach Fig. 18 entsprechen, so dass die Funktionsweise dieses Maschi nenteils verständlich wird. Die Mittelteilscheibe 113 unterscheidet sich von der Mittelteilscheibe 32 (Fig. 1) im wesentlichen durch die hier beschriebene Wicklungsart und dadurch, dass eine Erregerwicklung fehlt.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit für einen Asyn- chron-Synchron-Umformer ist in Fig. 21 dargestellt. Von dem Umformersatz nach Fig. 16 unterscheidet sich der Umformersatz nach Fig.21 nur durch die Teilscheiben 116 und 117.
Die Mittelteilscheibe <B>113</B> ist zusammen mit den ihr benachbarten Teilen der Teilscheiben 116 und 117 einer Motorfunktion zugeordnet, während die den Endteilscheiben 30 und 31 benachbarten Teile der Teil scheiben 116 und 117 zusammen mit diesen Endteilschei- ben Generatorfunktionen erfüllen. Der Aufbau der Mit telteilscheibe 113 und der Endteilscheiben 30 und 31 wurde bereits beschrieben.
Jede der Teilscheiben<B>116</B> bzw. 17 ist an ihrer der Mittelteilscheibe 113 zuge wandten Seite aus geblechtem Material ausgeführt und mit einem Kurzschlusskäfig 118 bzw.<B>119</B> versehen, von denen jeder einen inneren und einen äusseren Ring mit dazwischen liegenden Stäben hat und sozusagen spei- chenradförmig ausgebildet ist. Für diesen Maschinenteil ergibt sich die Arbeitsweise eines Asynchronmotors mit Kurzschlussläufer. Der Rückschluss für den zur Motor funktion gehörenden magnetischen Fluss wird durch das geblechte Material selbst gebildet.
Im massiven Teil der Teilscheiben 116 bzw. 117 findet nämlich die Umkehr des GPneratorflusses statt, der von den Erregerspulen 35 und 36 in den Endteilscheiben 30 und 31 durch den zwischen diesen und den Teilscheiben 116 bzw. 117 liegenden Luftspalt getrieben wird, der der Generator funktion zugeordnet ist. Der massive Teil der Teilschei ben 116 bzw. 117 hat an der Luftspaltseite Zähne und Nuten, über deren Auslegung im Zusammenhang mit der Wechselstromwicklung 47 auf den Endteilscheiben 30 bzw. 31 dasselbe gilt, wie es zu den Figuren 1 bis 5 gesagt wurde.
Fig.22 zeigt einen Synchron-Synchron-Umformer- satz, bei dem die Endteilscheiben 120 und 121 voll geblecht sind wie etwa auch die Endteilscheiben 80 und 81, jedoch ist jetzt auf den Endteilscheiben 120 und 121 nur eine Wechselstromwicklung untergebracht, jedoch nicht auch eine Erregerwicklung. Die Teilscheiben 101 und 102 entsprechen der Ausführung in Fig. 16, jedoch sind sie jetzt so gedreht, dass die Klauenpole der Teile <B>103</B> und 104 (Fig. 17)
zu den Endteilscheiben 120 bzw. 121 hin liegen. Dies ist deshalb geschehen, weil jetzt die beiden Endteilscheiben 120 und 121 zusammen mit den ihnen zugewandten Seiten der Teilscheiben<B>101</B> und 102 Motorfunktionen erfüllen. Die Mittelteilscheibe 32 ent spricht dem Aufbau dieses Elementes nach Fig. 1 und erfüllt Generatorfunktionen zusammen mit den ihr zuge wandten Seiten der Teilscheiben 101 und 102.
Soll eine elektrische Maschine nach der Erfindung speziell nur als Synchronmaschine arbeiten, so ist eine besondere Ausführungsform für die umlaufenden Teil scheiben vorteilhaft. Eine solche ist in Fig. 23 dargestellt. Es finden hier wiederum die Endteilscheiben 120 und 121 und die Mittelteilscheibe 113 als feststehende Maschinen teile Anwendung. Jedoch sind umlaufende Teilscheiben 122 und 123 vorgesehen, deren Aufbau auch aus Fig.24 hervorgeht. Eine Scheibe 124 aus massivem Material ist an ihren Stirnflächen so ausgebildet, dass Erregerspulen 125 und<B>126</B> in entsprechenden Vertiefungen Platz fin den.
Diese Vertiefungen dienen gleichzeitig dazu, Polker ne 127 und 128 zu bilden, die dann nicht erst besonders angefertigt und montiert werden müssen. Zur Abdeckung der Erregerspulen 125 und 126 dienen dann Polschuhe <B>129</B> und<B>130,</B> von denen jeder eine solche Form hat, dass die bei generatorischem Betrieb in den Wechselstrom wicklungen der Endteilscheiben 120 und 121 und der Mittelteilscheibe 113 induzierten Spannungen genau Si- nusform haben.
Es ist auch denkbar, jeden der Polschuhe 129 und 130 mit hier nicht eingezeichneten, radial verlaufenden Bohrungen zu versehen und in diese Dämp- ferstäbe einzusetzen, und zwar immer dann, wenn ein um die Polschuhe 129 und 130 gelegter Dämpferring nicht ausreicht. Es ist aber auch möglich, Dämpferringe <B>131</B> um beide Polschuhe 129 und 130 gemeinsam zu legen, um weiterhin Unsymmetrien in der Erregung und in den Wechselstromwicklungen der Ständerteile entgegenzuwir ken.
Ferner sind zur Unterstützung der Ventilationswir kung Lüfterflügel 133 (nur Fig.24) vorgesehen. Die Bohrungen 134 dienen dazu, Kühlluft auch in den Bereich der Mittelteilscheibe <B>113</B> und der ihr benachbar ten Stirnflächen der Teilscheiben 122 und 123 zu führen. Die Erregerspulen 125 und 126 werden über Schleifringe oder transformatorisch gespeiste umlaufende Gleichrich ter versorgt, was hier jedoch nicht dargestellt wurde.
Die hier beschriebene Mittelteilscheibe 113 ist in ihrer physi kalischen Funktion durchaus mit der Funktion desjeni gen Teiles der Teilscheibe 107 (Fig. 16) vergleichbar, der der Mittelteilscheibe 32 benachbart ist.
Es ist jedoch auch denkbar, die umlaufende Teilschei be einer Synchronmaschine oder eines eine Synchronma- schinen-Funktion enthaltenden Umformers auch anders auszuführen, und zwar bezieht sich eine solche Abwand lung im wesentlichen auf die Ausführung der Einzelpole. In Fig. 25 sitzt auf der Maschinenwelle 45 eine Teilscheibe 135. Diese ist mit Polkernen 136 versehen, um die jeweils eine Erregerspule 137 gelegt ist. Die Erzeugung des Erregerflusses durch solche Schenkelpolspulen bewirkt eine im Vergleich zur Erregerflusserzeugung durch eine Ringspule wesentlich günstigere Zeitkonstante.
Auch sind konstruktive Vereinfachungen gegeben, da einzelne kleinere Spulen sich leichter herstellen lassen und auch ihre Wärmeausdehnung leichter zu beherrschen ist als die einer Ringspule. Auf den Polkernen 136 sind Polschuhe 138 befestigt. Durch die Schrägung der linken Stirnfläche der Teilscheibe 135 erhält diese einen Querschnitt von in radialer Richtung etwa gleichbleibender Fliehkraftbe- anspruchung, und bei einer Befestigung der Polschuhe 138 mittels einer Schraubverbindung kann mit Hilfe einer anderweitigen Zentrierung, was hier jedoch nicht im einzelnen dargestellt ist, eine Scherbeanspruchung der Schrauben vermieden werden.
Die Polschuhe 138 haben einen Querschnitt, der sich zum Maschinenumfang hin vergrössert, um auch an dieser Seite einen radial verlau fenden Luftspalt v. ungefähr gleicher Länge zu erhalten. Es besteht trotzdem die Möglichkeit, durch Formgebung der Polschuhe 138 die Luftspaltlänge jeweils so festzule gen, dass eine möglichst sinusförmige Spannungskurve erzielt wird. Eine perspektivische Darstellung der Mittel teilscheibe<B>135</B> bringt Fig. 26. Hieraus ist unter anderem auch ersichtlich, dass in derselben axialen Richtung wie die Pollücken<B>139</B> auf der anderen Stirnseite der Mittel teilscheibe 135 radiale Vertiefungen 140 vorgesehen sind, die den Zweck haben, eine eindeutig ausgeprägte Polwir kung zu erzielen.
Die einzelnen Spulen 137 sind so geschaltet dass die Polarität der einzelnen Pole abwech selt, was durch die Symbole 141 und 142 gekennzeichnet ist.
Nachfolgend wird die Anwendung der Erfindung für einen Einanker-Umformer beschrieben, dessen umlaufen de Teilscheibe 143 in Fig.27 im Schnitt dargestellt ist. Diese ist in einen scheibenförmigen Teil 144 und einen ringförmigen Teil 145 aufgeteilt, wobei zwischen diesen Teilen eine ringförmige Erregerspule 146 liegt, die zu gleich eine amagnetische Trennung dieser Teile vor nimmt. Der zwischen den einzelnen Klauenpolen 147 und 148 liegende Zwischenraum 149 kann mit amagnetischem Material, insbesondere mit einem Giessharz, ausgefüllt sein. Fig. 28 zeigt eine Seitenansicht der Teilscheibe 143.
Jede der beiden Stirnflächen der Teilscheibe 143, von denen die eine dann einer Motorfunktion und die andere einer Generatorfunktion zugeordnet ist, hat nun eine unterschiedliche Anzahl von Klauenpolen 147 und 148, was aus einer weiteren Darstellung nach Fig. 29 hervor geht. Die Pfeile 150 und 151 zeigen den Verlauf des magnetischen Flusses. Man kann also zwei umlaufende Teilscheiben 143 zusammen mit feststehenden Teilschei ben eines Umformers z.B. nach Fig. 23 verwenden, deren Wechselstromwicklungen 114 und 153 dann entsprechen de Polteilungen haben müssen.
Electrical machine in disk construction The invention relates to an electrical machine with a stator and rotor. It is previously known for electromagnetic slip clutches to design the primary part and secondary part in a disc-shaped design. However, if one were to build an electric motor or generator in a correspondingly modified mode of operation and examine its degree of utilization, one would indeed find an improvement in the utilization of iron compared to the previous cylindrical construction, but initially those problems seemed insurmountable due to the between the stands and runners effective magnetic forces are caused; this applies in particular to machines with greater performance.
Compensation devices for these forces are extremely complex. However, once these problems have been overcome, this has so far only been possible at the expense of additional disadvantages. Some winding problems have also seemed very difficult so far.
In contrast, it has already been proposed as an improvement to design the stator and rotor in a disc design known per se and to divide either the stator or the rotor into two structurally separate partial disks, between which the non-divided rotor or stator then lies. As a result, the utilization of the active iron is considerably increased, while weight and space requirements are significantly reduced.
In a further refinement of the proposed measures, however, a more extensive finding leads to the fact that a further increase in the degree of utilization and a further reduction in the weight of the power and the space required are possible.
According to the invention, this knowledge is realized in that the stator and rotor are divided into at least two structurally separate partial disks, that the stator partial disks and the rotor partial disks are lined up alternately in the axial direction, and that the number of the rotor partial disks depends on the number of the stator partial disks. Partial disks differs by one, with the magnetic flux passing through all central partial disks at least once in each axial direction and a magnetic return path being formed only by the end part disks.
If one assumes the degree of utilization that can be achieved with the three-part machine described, then one only needs to add two part disks that do not contain magnetic yokes in order to achieve double the output. The embodiment of the invention does not need to be limited to an electrical machine with five part disks, since seven-part and multi-part embodiments are also conceivable. Furthermore, it is irrelevant for the implementation of the invention whether the electrical machine is to be operated as a motor or as a generator and which partial disk group works as a stator or as a rotor.
The following is intended to describe how such an electrical machine can be designed advantageously for different modes of operation and construction, the individual types of execution first being distinguished according to the structure of the excitation.
For the execution of the excitation it is on the one hand conceivable that the electrical machine according to the invention receives a monopolar excitation which has an annular coil arranged coaxially to the machine shaft on at least one partial disk. The electrical machine has air gaps with different magnetic conductivities in the axial direction. The ring coil is then advantageously given a diameter which divides the partial disk into an outer circular and an inner disk-shaped surface in such a way that these surfaces are of the same size.
A further differentiation of the possible embodiments is conceivable in that an excitation coil and at least a part of the alternating current winding are arranged on the same partial disk. There are then three advantageous options for further design of the electrical machine, one of which is that the alternating current winding is then designed as a wave or loop winding and that the teeth and grooves of the diameter of the part disk adjacent to this machine part of the excitation winding are offset from one another in such a way that a groove connects to a tooth and vice versa.
The second embodiment is given when the alternating current winding is out as a wave or loop winding and jumps to the adjacent groove at the level of the diameter of the exciter winding, with teeth and grooves in the machine part adjacent to this part disk running along the entire radial length fen.
Furthermore, a third embodiment is conceivable in such a way that the graduated disk is divided into coil cores of equal cross-section, on the one hand, at the height of the exciter winding diameter and, on the other hand, according to the slot pitch of the machine, and that turns of the alternating current winding are placed around these coil cores. For the graduated disks adjoining such a graduated disk, what has been said about one of the two previous possible embodiments applies, depending on how the coils of the AC voltage winding are switched.
While the measures just mentioned apply to partial disks that have both an excitation toroidal coil and parts of the alternating current winding, two options are given below for the design of partial disks that are not provided with part of the alternating current winding, where it is then advantageous if an amagnetic separating layer is used at the height of the diameter of the field winding. This separating layer prevents a short circuit of the magnetic flux and forces it to take its way in the wesentli Chen axial direction to an end part plate.
Partial disks designed in this way are suitable as adjacent partial disks of partial disks provided with an excitation coil; But it is also conceivable that as a further possibility the partial disk carrying an excitation winding itself has such an arnagnetic separating layer and that the excitation winding is accommodated between one part of the active iron and the amagnetic separating layer, preferably slots. It is not of particular importance here whether the part disks designed in this way are made of laminated or solid material.
To design the end part disks, it can be provided that they have an active iron layer at the air gap, which is sheet metal with axially extending parting lines, and that this is followed by a magnetic yoke made of solid material that is adapted to the magnetic flux. Such an adjustment can achieve a significant saving in material.
In the case of an electrical machine according to the invention, the cooling can also be carried out relatively easily. E.g. favorable if ventilation ducts are provided on the middle part disks near the hub through which the air is guided from an adjacent end part disk to the other side of the relevant middle part disk. If the ventilation ducts are slightly inclined in the direction of a larger diameter, the cooling medium is accelerated by the centrifugal force, and a perfect cooling effect is achieved.
The flow of the cooling medium is thus divided in such a way that one part is in the air gap between an end part plate and an adjacent part disc and another part through the named channels of this adjoining part disc and the air gap between this part disc and a further part disc up to reaches the outer periphery of the machine, where then, if necessary using baffles, the cooling medium is recombined and fed to an outlet opening.
According to a further proposal of the invention, the end part disks can also have radial bores running through the solid material and as close as possible to the laminated material, through which the cooling medium is guided. The end face of the end part disk, which is made of solid material, can have radially extending ribs to further support the cooling effect.
Another possible embodiment for such an end part disk is that its outer end face is given a spiral recess, that this recess is provided with a cover and that the spiral channel formed in this way is flowed through by a cooling medium. This results in a particularly large surface for the heat exchange. The measures described here for carrying out the cooling are independent of the function of the end part disk, which, for example, can also be assigned to a transformer replacement by modifying the other part disks.
While the measures mentioned so far essentially related to a monopolar excitation of the machine and to further modifications resulting from this type of excitation, those measures shall be mentioned below according to which the machine according to the invention can be designed if the excitation is heteropolar. A heteropolar excitation is advantageously obtained in that the excitation poles are designed in the shape of a disk sector and are provided with excitation coils.
Is a dividing disk of the electrical machine, e.g. the middle of a total of five partial disks, such a division of the partial disk into exciter poles can extend over the entire length of the partial disk, with only non-magnetic intermediate layers being provided between the disk sector-shaped exciter poles.
But it is also conceivable. to make the mentioned division only for about half the length of such a graduated disk on one side and to equip the other part of the graduated disk either with a magnetic return path, so that an end dividing disk is created, or this other part for a completely different, functionally determined Form embodiment from, for example, if such a partial disk belongs to a machine part with a different excitation or to a transformer replacement. as it will be described later in detail.
Excitation of the type mentioned will always be assigned to a fixed disk when the electrical machine is operated as a generator, since otherwise the curve shape of the voltage generated contains components that are difficult or impossible to remove.
The active iron should expediently be laminated for heteropolar excitation or made up of ferrite cores. In the case of heteropolar excitation, the individual levels in which the magnetic flux takes its path are approximately 90 apart from the levels in which the flux spreads in the case of monopolar excitation.
In the case of the type of excitation described, several possible designs for the graduated disks are conceivable. One of them is e.g. given when a fixed part disc carries both an alternating current winding and the excitation coils, while an adjacent circumferential part disc has radially extending zones under different magnetic conductivity in the axial direction on its side facing the same air gap.
Details on this will be described later in the exemplary embodiment, but it can already be said that with such a design, the electrical machine works according to the modulation principle and only requires winding grooves on the fixed partial disks, while the rotating partial disks are made of solid material and do not wear wraps. The zones of different magnetic conductivity on these revolving graduated disks can either be created by making grooves and teeth, but it is also conceivable to use special processing methods for the material, e.g. by locally limited annealing.
The electric machine with heteropolar excitation can also work as an oscillating field machine, namely when, according to a further proposal of the invention, a fixed partial disk carrying the alternating current winding has additional radially extending zones of different magnetic conductivity in the axial direction that lie between the winding slots . As a result of this measure, the magnetic flux is forced to take its path - as seen in the circumferential direction - as close as possible to the windings themselves, which causes the flux to oscillate.
However, the invention is not only applicable to an electrical machine per se, but also to a combination of electrical machines, as e.g. is given in the case of a converter replacement. Therefore, those measures will be discussed in the following that are advantageous in a further embodiment of the invention for the application in a transformer replacement. The converter set should have at least five coaxially arranged part disks which are separated by at least four air gaps.
Then at least some of the dividing disks should be assigned to both a motor and a generator function, while on the other hand the motor and / or generator function should be assigned to at least two different air gaps. It does not matter whether the motor or generator function is assigned to an end part plate or one of the middle part plates. It is recommended, however, that the end part disks are stationary when the converter is in operation.
For example, an end part plate is advantageously used for a transformer replacement which has an active iron layer made of laminated material in the axial direction at the air gap, to which a magnetic yoke made of solid material connects, this end part plate then being assigned to a generator function.
If the electrical machine has two such end part disks, the other part disks have the possibility of two designs, one of which is characterized in that each of the two part disks adjacent to the end part disks is then provided with an annular, non-magnetic separating layer equal to the diameter of the The field winding is divided into a disk-shaped and an annular part and that claw poles are also provided on the side facing away from the end disk and assigned to a motor function,
which direct the flux generated by the unipolar excitation winding heteropolarly through the air gap to a middle section disk which is also assigned to the motor function and which consists of material laminated in the axial direction and which carries the alternating current winding of the motor.
The other embodiment results when each of the two partial disks adjacent to the end partial disks is laminated in the axial direction on the side facing the central partial disk and made of solid material on the other side, which represents the magnetic return path for the generator flux coming from the end partial disk.
The side of this partial disk which is made of solid material and serves as a magnetic return for an end partial disk operating as a generator is then again provided with zones of different magnetic conductivity in the axial direction. For those dividing disks that are assigned to the motor function, a special magnetic return is not required at all.
The partial disk adjacent to an end partial disk operates in this case with its part facing away from the end partial disk, and at least one short-circuit cage, preferably configured in the form of a spoked wheel, can be used in this last-mentioned part. So e.g. two short-circuit cages can be provided, one of which is designed for start-up and the other for operation.
Another suggestion concerns the design of a middle part disk. This then carries an alternating current winding in such a way that parts of the windings are located in radially extending grooves on both sides of the central part and that one of the two coil sides of a winding is located on one side of the central part, while both coil sides have a distance of about one pole pitch. The winding heads then extend obliquely on the circumference of the central part disk from one end face of the central part disk to the other; this can save a lot of copper wire.
In addition, there is an extremely space-saving laying of the winding heads.
While at least parts of these converter sets operate according to the principle of a synchronous machine in the converter sets described above, further measures will be mentioned below which are advantageous when the electrical machine according to the invention only works as a motor or generator.
Such a synchronous machine is then constructed in such a way that the two end part disks and the middle part disk are fixed, are laminated in the axial direction and carry alternating current windings, and that the rotating part disks lying between these part disks are made of solid material, at least two on their two end faces. having excitation coils generating a flow from opposite direction and that pole shoes are connected to these coils towards the air gap.
So while the fixed Teilschei ben have already been used for other embodiments of the invention, such a rotating part disc is described here for the first time; it is very easy to manufacture and offers electrical advantages, among other things, in that pole shoes with plane-parallel end faces can be provided and their surface shape can be determined so that the voltages induced in the alternating current windings are exactly sinusoidal. The end faces of the pole shoes are then roughly shaped like a kidney cut.
A modification of the pole shoe shape is that the pole shoes are disk sector-shaped and have different thicknesses such that the voltages induced in the alternating current winding are sinusoidal due to a correspondingly different axial air gap length.
While further details of this indexing disk design emerge from the exemplary embodiment below, a second and a third design option for the rotating indexing disks of a synchronous machine should be mentioned. The second embodiment is such that the partial disks then have pole cores with excitation coils and pole shoes arranged concentrically to the machine axis on their one end face and radially extending depressions on their other end face, the center of which lies in approximately the same axial direction as a pole gap, the direction of flow of neighboring poles alternates.
By means of the recesses mentioned, a pronounced pole effect is achieved, and very favorable strength ratios result for these Teilschei ben if the end face provided with pole cores of a circumferential partial disc is inclined in the sense of a cross-sectional reduction towards the circumference and that the seated on the pole cores Pole shoes enlarge their cross-section towards the circumference in such a way that the reduction in cross-section of the partial disk is compensated. This type of design will be selected if particularly high speeds or part-disk diameters result in high peripheral speeds.
While these two first embodiments of a graduated disk for synchronous machines have individual coils for generating the excitation flux, the third embodiment has an annular exciter coil which is located between a disk-shaped and an annular part of a rotating graduated disk. The end faces of the two disc parts then have claw poles such that on each side of the partial disc, a claw pole of the disc-shaped part alternates with a claw pole of the annular part.
By choosing the number of claw poles differently on each end face of the partial disk, this type of embodiment can then be designed as a rotor of a single-armature converter.
It is known that the use of grain-oriented sheets can improve the magnetic properties of the active iron. Therefore, it is proposed that the laminated in the axial direction part disks or parts of part disks, through which the magnetic flux passes without changing direction, consist of a preferred magnetic direction pointing material and that this preferred direction is together with the direction of the magnetic flux falls. However, if the magnetic flux reverses its axial direction within a laminated machine part, it would have to move against a preferred direction, which would be very unfavorable. The application of the material mentioned is then not worthwhile.
In contrast, changes in the direction of the magnetic flux in the radial direction do not interfere with the use of this material.
It has already been said that the laminated machine parts can be laminated by winding on a correspondingly wide sheet metal strip until a desired diameter is reached. However, it is also conceivable to obtain magnetically separated tracks of active iron in that the disc parts have axially extending separating layers in the form of slots formed by means of spark erosion on their end faces facing the air gaps. Such slots are particularly suitable for this because they can have a very small width and nevertheless a sufficient depth. The slots can then e.g. be filled with a casting resin.
The invention has so far only been described for use in electrical machines and converters, with a division into fixed and rotating machine parts. This was done in order not to unnecessarily complicate the overview of the individual proposed types of construction by further modification options. For the basic design of an electrical machine, however, it does not matter if one disregards problems with the housing and Lagerungspro which parts are rotating and which are fixed. It is of course also conceivable that both parts rotate, as is the case with electrical machines with a cylindrical design.
Both machine parts rotate equally with electro-magnetic slip clutches, which in principle work in the same way as an electric machine. It is also conceivable to use the ideas on which the invention is based for the implementation of eddy current brakes. The scope of the protection request should therefore also extend to such special forms of an electrical machine.
For the same reason, only five-part machines according to the invention are shown in the following, although it is of course possible within the scope of the invention to make seven-part, nine-part and multi-part machines accordingly.
In Fig. 1, an electrical machine working as a generator is shown, the end part disks 30 and 31 and the middle part disk 32 are fixed, while the part disks 33 and 34 rotate. To generate the monopolar excitation three excitation coils 35, 36 and 37 are used, of which the two erstge called in the end part disks 30 and 31 and the third in the middle part disk 32 are housed.
The two end part disks 30 and 31 are constructed in the same way, namely they each have a disk-shaped part 38 and an annular part 39 made of material laminated in the axial direction; between these parts lies one of the excitation coils 35 or 36. A magnetic yoke made of solid material then adjoins the outer sides of the electrical machine. The middle part disk 32 in turn also consists of a disk-shaped part 41 and an annular part 42 made of laminated material; the excitation coil 37 is located between these parts. The fixed part disks are connected by a machine housing 43, only indicated here.
The rotating part disks 33 and 34 are made of solid material, do not have any windings, have an amagnetic separating layer 44 at the level of the diameter of the excitation windings 35, 36 and 37 and are attached to the shaft 45.
Alternating current windings are provided on the stationary part disks 30, 31 and 32, and one of the possible embodiments is shown in FIG. Between tween the disk-shaped part 38 and the annular part 39 of one of the two end part disks 30 and 31 is the space 46 for the exciter coil 35 and 36, not shown here. The coil sides of an alternating current winding 47 run as a loop or wave winding run continuously in the manner shown in the radial direction.
For this possible embodiment, the rotating part disks 33 and 34 are designed as shown in FIG. 3. The non-magnetic separating layer 44 is again located between the disk-shaped part 41 and the ring-shaped part 42. Teeth 49 and grooves 50 are offset from one another on each side of such a graduated disk 33 or 34 so that, viewed in the radial direction, a tooth is attached to a groove 50 49 and vice versa. The symbols 51 indicate the direction in which the magnetic flux passes through the teeth 49 and the grooves 50 and which it then also has in the air gap, which is also indicated by the arrows 52 in FIGS. 1, 6 and 8.
However, another possible embodiment for the alternating current winding 47 is also conceivable such that it is laid on one of the end part disks 30 or 31 as shown in FIG. At the height of the diameter of the excitation coil lying in space 46, the coil sides are guided by a winding slot pitch. This then results in an embodiment of the rotating part disks 33 and 34 according to the presen- tation according to FIG. 5, with the teeth 49 and the grooves 50 running continuously in the radial direction.
In order to influence the field curve shape, it is possibly conceivable to deviate from this radial course and to choose an inclined and / or curved course.
The fixed central part disk 32 also carries alternating current windings 47, the same applies to the possibilities of execution as described for the end part disks 30 and 31. This then depends on the embodiment of that side of a rotating part disk 33 or 34, which is opposite the corresponding alternating current winding 47 at the same air gap. The electrical machine described here can be broken down into four air gap systems, one of the alternating current windings 47 belonging to each air gap system.
Each of the alternating current windings 47 can be designed for a different voltage, so that the entire generator can output four different voltages. Within each air gap system, depending on the selected alternating current winding 47, the number of teeth 49 and grooves 50 can also be different on each side of a partial disk 33 or 34 and be selected so that voltages of different frequencies are generated in the alternating current windings 47.
A modification of the electrical machine shown in Fig. 1 is shown in Fig.6. The rotating part has the same design as in FIG. 1, but the stator part is different. A first difference to the stand of the embodiment according to FIG. 1 is that now only one, but correspondingly reinforced, exciter coil 58 is housed in the middle part disk 32 between the disk-shaped part 41 and the annular part 42.
A second difference from the stand of the embodiment according to FIG. 1 relates to both the middle part disk 32 and the end part disks 53, as can be seen from FIG. There an end part disk 53 is shown, which is divided into coil cores 55 and 56 of equal cross-section corresponding to the selected slot spacing by means of a winding space 54 at the height of the diameter of the excitation coil 58 and according to the selected slot spacing by radially extending separating joints.
An alternating current winding 48 is placed around these coil cores 55 and 56, the type of winding of which can also be designed according to the illustrations in FIGS. 2 and 4, among other things. The same applies to the alternating current winding 48 provided on the central part disk 32. The coil cores 55 and 56 can either be laminated or consist of ferrite material. The coil cores 55 and 56 are again connected to a magnetic yoke 40 made of solid material.
However, this type of implementation for an end piece is also suitable for an electrical machine according to FIG. 1.
In Fig. 8, a further modification of the electrical machine's rule of FIG. 1 is shown. An amagnetic separating layer 59 is now provided between the two parts 38 and 39 in order to prevent the magnetic flux from short-circuiting directly between the laminated parts 38 and 39 of the end part disk 30 and 31 without its path via the magnetic yoke 40 to take. Another difference is given for the rotating part disks 33 and 34, which are now made of laminated material.
The lamination can, as also in the aforementioned cases, be carried out in an advantageous manner in each case by winding up correspondingly wide sheet metal up to the desired diameter. At the height of the diameter of the excitation coil 58, there are again non-magnetic separating layers 44. In order to achieve sufficient strength, the partial disks 33 and 34 now have shrink rings 60.
Based on the illustration according to FIG. 9, advantageous measures for cooling the electrical machine's rule will now also be mentioned. First, however, the differences in the electrical design will be briefly discussed. The electrical design of the end dividing disks 30 and 31 corresponds to the end dividing disks according to FIG. B. The excitation is now transferred to the rotating dividing disks 33 and 34. These part disks are each divided into a disk-shaped part 61 and an annular part 62.
In a groove-shaped recess on the outer circumference of the disk-shaped part 61 there is an excitation coil 63, the slip ring connections of which are not shown. Between the disk-shaped part 61 and the ring-shaped part 62 there is a separating layer 64, the main task of which is to cover the exciter coil 63 and thus to give it the required mechanical strength. If necessary, the separating layer 64 can also be made of non-magnetic Mate rial, since this suppresses any leakage fluxes that could arise when the tooth and groove are offset against each other at the level of this separating layer.
In order to achieve a good cooling effect, the magnetic yoke, which is made of solid material, is adjoined by ribs 65 running in the shape of a spiral, so that a cooling channel 66 that is correspondingly likewise spiral-shaped is formed. This is closed by a cover plate 67, which in turn also has ribs on its outside. Another coolant path is formed by inlet openings 68 in the end part disks 30 and 31, through the air gaps 69 and through channels 70 and 71. In the air gap 69, the cooling air is caused by the ventilation effect achieved by the teeth and grooves of the rotating part disks 33 and 34 and by the Centrifugal force accelerated.
In addition, the dividing disks 33 and 34 are provided with bores 72 through which part of the cooling air can pass to the other side of this dividing disk and can produce the same cooling effect there. For better air flow guide plates 73 are also hen vorgese. If necessary, it can be advantageous to provide additional liquid cooling for the central part disk 32. A pipe 74 is used for this purpose, which consists of a material with good electrical conductivity and at the same time can fulfill the functions of a damper winding. Fig. 10 shows a further modification.
The middle part disk 32 is constructed as shown in Fig. 1 and, like the end part disks 30 and 31, has an alternating current winding 47 as shown in FIG. 4. Therefore, the rotating part disks 33 and 34 have continuous teeth and grooves as shown in FIG The excitation coils are arranged as in the embodiment according to FIG.
The end part disks 30 and 31 have, in their massive part 40 representing the magnetic yoke, radial bores 75 through which a liquid or gaseous coolant can be passed. The other cooling measures are the same as in the version according to Fig. 9. The solid part 40 representing the magnetic yoke is adapted to the path of the magnetic flux in that the outer end faces are rounded off in the manner shown.
This is possible without any disadvantage in order to achieve a reduction in weight, since the magnetic flux would not have penetrated into the area of the outer edges.
A further modification of an electrical machine is to be described below, which is new in that the dividing disks 154, 155 and 156 now revolve, while the dividing disks 157 and 158 are arranged in a stationary manner and are designed exactly as e.g. the stationary middle part disk 32 in FIG. 10. The middle part disk 156 (FIG. 11) also corresponds to the design of the revolving part disks 33 or 34 according to FIG. 10, only that it now has no bores 72 serving as cooling channels.
The circumferential end part disks 154 and 155 are made entirely of solid material and on their side facing an air gap each have teeth and grooves to achieve different magnetic conductivity in the axial direction. The shaft 45 is supported by bearings 76 with respect to the housing 43. By changing the cross-section at points 77, 78 and 79 it is achieved that when the individual part disks are assembled, an at least pre-adjusted position is present.
Now that the most important embodiments for an electrical machine with monopolar excitation have been described, further examples for an electrical machine with heteropolar excitation now follow. A first example of this is shown in FIG. The individual graduated disks are now designated with the numbers 80 to 84. The excitation is carried out by the exciter coils 85, 86 and 87, which are placed around disc sector-shaped exciter poles 88 (Fig. 13). The paths of the magnetic flux are represented by symbols 89, 90, 91 and 92 and by arrows lying between these symbols.
The symbol 91 (FIG. 13) lies behind the symbol 89 in the representation according to FIG. 12 and is therefore not recognizable. Likewise, the symbol 92 cannot be seen because it lies behind the symbol 90 in FIG. The paths of the magnetic fluxes thus include areas that represent approximately parts of coaxial cylinder jackets.
The electrical machine according to FIG. 12 has alternating current windings 93 on its fixed part disks 80, 81 and 82, one embodiment of which is indicated in FIG. In principle, however, the same applies to the design of the alternating current windings 93 as was already said about the previous figures. The rotating dividing disks 83 and 84 are made of laminated material, have grooves 94 and teeth 95 on each end face (FIG. 14) and shrink rings 96 on their circumference (FIG. 12).
The shaft 97 has cross-sectional changes at points 98 and 99, with the aid of which the graduated disks are adjusted to one another during assembly.
14 shows a view of the air gap between the end indexing disk 80 and the indexing disk 83. The magnetic flux represented by dash-dotted lines and arrows must overcome zones of different magnetic conductivity in the air gap, which are created by the grooves 94 and the teeth 95. The change in the direct flux caused by this induces voltages in the alternating current winding 93 accommodated in the winding slots 96; this way of working is called the modulation principle. In contrast, an electrical machine is shown in Fig. 15, which operates on the oscillating field principle.
On the left-hand side, part of a central part disk 82 with an exciter winding 97 different from FIG. 14 is shown. While an excitation winding in the manner of the excitation winding 87 according to FIG. 14 only needs to be present once when used for a central part disc 82 in order to generate the required flow, the excitation winding 97 (FIG. 15) is accommodated in individual winding slots 98 and connected to each side of a middle part disk 82 is present. This version is particularly suitable for higher frequencies. The alternating current winding 93 lies between the excitation winding 97 in winding slots 99.
Special grooves 100 are provided between the winding grooves 98 and 99, which reduce the magnetic conductivity of the air gap at this point and force the magnetic flux to take its path as close as possible to the AC winding 93. A dividing disk 84 adjoining the middle disk 82 also has grooves 94 and teeth 95, this time with a rounded cross section.
As already said, the invention is also applicable to converter sets, i. one can combine an electrical machine working as a motor and a generator according to the invention. There are also numerous options for this, the most important of which are described below.
Fig. 16 shows a synchronous converter whose telteilscheibe 32 with each part of the facing part discs 101 and 102 fulfills the function of a synchronous motor. The other parts of the dividing disks 101 and 102 work with the end dividing disk 30 and 31 as a synchronous generator. For the execution of the end part disks 30 and 31, the same applies mutatis mutandis to what was already said for these elements in the description of FIG. What is different, however, is the design of the middle part disc 113 and the part discs 101 and 102, which can be seen from FIGS. 17, 18 and 19.
The graduated disk 101 is shown in perspective in Fig. 17 and in Fig. 18 from one side each. The dividing disk <B> 101 </B> is divided into two parts 103 and 104 that are not magnetically coupled to one another. On the end face facing the end part disk 30, teeth 105 and grooves 106 are provided, which belong partly to part 103 and partly to part 104 and are offset from one another in such a way that in the radial direction a tooth 105 has a Groove 106 connects and vice versa.
The same has already been said about FIG. 3, and the operation of this side of the indexing disk 101 and the end indexing disk 30 correspond to the operation of the end indexing disk 30 and the indexing disk 33 in FIG. Again, an amagnetic separating layer 107 is provided here (FIGS. 16 and 18). The path of the flux generated by an excitation coil is also indicated here by the symbols 51. The other end face of the graduated disk 101 has pronounced poles (FIG. 18), the design of which is similar to the known claw poles.
The path of the magnetic flux is indicated by the symbols <B> 108 </B> 109, 110 and 111. In FIG. 16, the section of the 'partial disk <B> 101 </B> is shown as it corresponds to the section line 112 in FIG. The middle part disk 113 shown in FIG. 16 is also used in a converter set according to FIG. 19 as a middle part disk on which the alternating current windings 114 are accommodated in a particularly advantageous manner.
These windings are placed in such a way that their winding heads lead obliquely from one end face to the other on the outer circumference of the middle part disk 113. Since the slope remains the same, a good use of space is possible. On the end faces themselves, the alternating current windings 114 lie in radially extending winding grooves 115. The winding diagram can be seen from the letters U, V, W and X, Y, Z known for the winding designation of a three-phase electrical machine shown in FIG.
In this illustration, the pole faces of four disk-sector-shaped claw poles are projected into them, as they correspond to the illustration according to FIG. 18, so that the functioning of this machine part can be understood. The middle part disk 113 differs from the middle part disk 32 (FIG. 1) essentially in the type of winding described here and in that there is no excitation winding.
Another possible embodiment for an asynchronous-synchronous converter is shown in FIG. The converter set according to FIG. 21 differs from the converter set according to FIG. 16 only in terms of the dividing disks 116 and 117.
The middle dividing disk 113 is assigned to a motor function together with the parts of the dividing disks 116 and 117 adjacent to it, while the parts of the dividing disks 116 and 117 adjacent to the end dividing disks 30 and 31 perform generator functions together with these end dividing disks. The structure of the telteilscheibe 113 and the end dividers 30 and 31 has already been described.
Each of the partial disks 116 or 17 is made of laminated material on its side facing the central partial disk 113 and is provided with a short-circuit cage 118 or 119, each of which has an inner and has an outer ring with bars in between and is designed, so to speak, in the shape of a spoke wheel. This machine part works like an asynchronous motor with squirrel cage rotor. The inference for the magnetic flux associated with the motor function is formed by the sheet material itself.
In the solid part of the dividing disks 116 and 117, the reversal of the generator flux takes place, which is driven by the excitation coils 35 and 36 in the end dividing disks 30 and 31 through the air gap between these and the dividing disks 116 and 117, which is the generator function assigned. The massive part of the partial disks 116 or 117 has teeth and grooves on the air gap side, the design of which in connection with the alternating current winding 47 on the end partial disks 30 and 31 applies as was said for FIGS. 1 to 5.
22 shows a synchronous-synchronous converter set in which the end part disks 120 and 121 are fully laminated like the end part disks 80 and 81, but now only one alternating current winding is accommodated on the end part disks 120 and 121, but not one as well Excitation winding. The dividing disks 101 and 102 correspond to the embodiment in FIG. 16, but they are now turned so that the claw poles of parts 103 and 104 (FIG. 17)
to the end part disks 120 and 121 respectively. This has happened because the two end dividing disks 120 and 121, together with the sides of the dividing disks 101 and 102 facing them, now perform motor functions. The middle part disk 32 corresponds to the structure of this element according to FIG. 1 and fulfills generator functions together with the sides of the part disks 101 and 102 facing it.
If an electrical machine according to the invention is to work specifically only as a synchronous machine, a special embodiment for the rotating part disks is advantageous. Such is shown in FIG. There are again the end part discs 120 and 121 and the middle part disc 113 as fixed machine parts application. However, circumferential graduated disks 122 and 123 are provided, the structure of which can also be seen from FIG. A disk 124 made of solid material is designed on its end faces in such a way that there is space for excitation coils 125 and 126 in corresponding recesses.
These depressions also serve to form Polker ne 127 and 128, which then do not have to be specially made and assembled. Pole shoes 129 and 130 then serve to cover exciter coils 125 and 126, each of which has a shape such that the windings of end dividing disks 120 and 121 in the alternating current during generator operation and the voltages induced in the middle part disk 113 have an exactly sine shape.
It is also conceivable to provide each of the pole shoes 129 and 130 with radially extending bores (not shown here) and to insert them into these damper rods, namely whenever a damper ring placed around the pole shoes 129 and 130 is insufficient. But it is also possible to place damper rings 131 around both pole shoes 129 and 130 together in order to counteract asymmetries in the excitation and in the alternating current windings of the stator parts.
Furthermore, fan blades 133 (only Fig. 24) are provided to support the Ventilationswir effect. The bores 134 also serve to guide cooling air into the area of the central part disk 113 and the adjacent end faces of the part disks 122 and 123. The excitation coils 125 and 126 are supplied via slip rings or transformer-fed rotating rectifier ter, which has not been shown here.
The middle part disk 113 described here is in its physical function quite comparable with the function of the part of the part disk 107 (FIG. 16) which is adjacent to the middle part disk 32.
However, it is also conceivable to design the rotating partial disk of a synchronous machine or of a converter containing a synchronous machine function in a different way, and such a modification essentially relates to the design of the individual poles. In FIG. 25, a partial disk 135 is seated on the machine shaft 45. This is provided with pole cores 136, around which an excitation coil 137 is placed in each case. The generation of the excitation flux by such salient pole coils results in a time constant that is significantly more favorable compared to the excitation flux generation by a toroidal coil.
There are also structural simplifications, since individual smaller coils can be produced more easily and their thermal expansion is easier to control than that of a ring coil. Pole shoes 138 are attached to the pole cores 136. The inclination of the left end face of the partial disk 135 gives it a cross section of approximately constant centrifugal force loading in the radial direction, and when the pole shoes 138 are fastened by means of a screw connection, a different centering, which is not shown here in detail, can be used Shear stress on the screws can be avoided.
The pole shoes 138 have a cross section that increases towards the machine circumference in order to also have a radially extending air gap v on this side. to get approximately the same length. There is nevertheless the possibility of defining the air gap length by shaping the pole shoes 138 in such a way that a voltage curve that is as sinusoidal as possible is achieved. FIG. 26 shows a perspective illustration of the central dividing disk 135. Among other things, this also shows that in the same axial direction as the pole gaps 139 on the other end face of the central dividing disk 135 radial depressions 140 are provided, which have the purpose of achieving a clearly pronounced Polwir effect.
The individual coils 137 are connected in such a way that the polarity of the individual poles alternates, which is indicated by the symbols 141 and 142.
The application of the invention for a single-armature converter is described, the revolving de part plate 143 is shown in Fig.27 in section. This is divided into a disk-shaped part 144 and an annular part 145, with an annular excitation coil 146 between these parts, which at the same time makes an amagnetic separation of these parts. The intermediate space 149 located between the individual claw poles 147 and 148 can be filled with non-magnetic material, in particular with a casting resin. 28 shows a side view of the index disk 143.
Each of the two end faces of the graduated disk 143, one of which is then assigned to a motor function and the other to a generator function, now has a different number of claw poles 147 and 148, which can be seen from a further illustration according to FIG. The arrows 150 and 151 show the course of the magnetic flux. So you can have two rotating dividing disks 143 together with fixed dividing disks of a converter, e.g. Use according to Fig. 23, the AC windings 114 and 153 must then have corresponding de pole pitches.