DD262310A5 - Elektrische maschine - Google Patents

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine offenbart, die als Motor und/oder Generator betrieben werden kann. Diese Maschine soll die optimalen Betriebsmerkmale der verschiedenen bisherigen Maschinentypen in sich vereinigen und dadurch in universeller Weise als Motor und/oder Generator fuer Anwendungen der unterschiedlichsten Art einsetzbar sein. Die neue Maschine arbeitet mit voller Flussumkehr und veraenderlichem magnetischem Widerstand. Ihr Staender weist eine Vielzahl von Polen und elektrischen Wicklungen auf, die einen Teil des Staenders umgeben. Der Laeufer besitzt ein Hauptschlussbauteil und ein Nebenschlussbauteil, die abwechselnde Abschnitte hoher und niedriger magnetischer Permeabilitaet haben. Die Nebenschluss- und Hauptschlussbauteile sind magnetisch isoliert, und die Abschnitte hoher und niedriger magnetischer Permeabilitaet des einen Bauteils sind komplementaer zu den Abschnitten des anderen Bauteils. Im Staender werden Aenderungen in der Groesse und Richtung des Flusses induziert, ohne dass die Flussrichtung im Laeufer umgekehrt wird. Die Maschine ist fuer Anwendungen mit hohen Drehzahlen geeignet, kann mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden und gibt ueber ihren ganzen Drehzahlbereich bei Verwendung als Motor ein gleichbleibendes Drehmoment ab. Fig. 6

Description

10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtung mit dem Läufer in Berührung steht und sich mit diesem dreht.

Hierzu 6 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Maschinen, die als Motor und/oder Generator betrieben werden können.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bisher werden elektrische Maschinen, im folgenden auch kurz als Maschinen bezeichnet, die als Motor und/oder Generator betrieben werden können, je nach ihren Betriebsmerkmalen und ihrer Größe für spezielle Anwendungsfälle eingesetzt. Beispielsweise können die Energie erzeugenden Maschinen Wechselstrom-, Asynchron-, Synchon- oder Reihenschlußgeneratoren oder Gleichstrom-, Reihenschluß-, Permanentmagnet-, Nebenschluß-oder Doppelschlußgeneratoren oder Allstrommaschinen sein. Hinsichtlich der Veränderlichkeit der Geschwindigkeit läßt sich eine Unterteilung nach konstanter Geschwindigkeit, veränderlicher Geschwindigkeit, regelbarer Geschwindigkeit, regelbarer unterschiedlicher Geschwindigkeit oder Mehrfachgeschwindigkeit treffen. Der mechanische Schutz und die Kühlung kann entweder offen oder völlig umschlossen sein, oder es kann Ventilation, Wasserkühlung, Luftkühlung, Gebläsekühlung usw. vorgesehen sein.

Die meisten bekannten Generatoren zeichnen sich durch eine relative Bewegung zwischen einer Drahtspule und einem Magnetfeld aus, wobei der Draht die Magnetfeldlinien durchschneidet, um in der Spule Elektrizität zu erzeugen. Hierzu sind elektrische Wicklungen auf einem Läufer ebenso nötig wie der Gebrauch von Schleifringen oder Bürsten, um der Umdrehung der Wicklungen Rechnung zu tragen oder den Fluß der Elektrizität zu kommutieren, und es muß eine umlaufende elektrische Verbindung aufrechterhalten werden. Es gehört zu den bei einer solchen Konstruktion auftretenden Schwierigkeiten, daß die Schleifringe oder Bürsten ständige Wartung erfordern und daß die ständige Lichtbogen- und Funkenbildung beim Vorbeibewegen der Läuferkontakte an der ortsfesten Bürste ernsthafte Betriebsgefahren darstellt. Durch Schleifringe und Bürsten wird außerdem der Betriebswirkungsgrad aufgrund elektrischen Energieverlustes durch den elektrischen Widerstand des Bürstenkontaktes und aufgrund mechanischen Reibungsverlustes durch den Widerstand der am Läufer schleifenden Bürsten herabgesetzt. Auch wird durch das Vorhandensein von Wicklungen auf dem Läufer dessen Gewicht oder Masse bedeutend erhöht, was langsamere Drehgeschwindigkeiten und mehr Energie von der Antriebsmaschine erforderlich macht. Darüber hinausführt die ständige Drehung, Erwärmung sowie auf die Spulen und deren Isolierung einwirkende magnetische Kräfte zu Ermüdung, Rißbildung, Qualitätseinbuße und schließlich im Verlauf der Zeit zum Ausfall.

Zwar sind einige bekannte Maschinen oder Schleifringe oder Bürsten wirksam; aber sie unterliegen anderen naturgemäßen Einschränkungen. In Induktormaschinen wird z. B. die Magnetpfadinduktion mittels eines drahtlosen, gezahnten Läufers geändert. Das Feld wird durch Elektromagneten auf dem Ständer aufrechterhalten, und auch die Ankerspulen sind auf den Ständer gewickelt. Induktormaschinen haben aber in der Praxis keine große Aufnahme gefunden, da sie voluminöser und weniger wirksam sind als die herkömmlichen Maschinen mit Bürste und Schleifring.

Neuere Versuche, diese Schwierigkeiten zu lösen, sehen das Anbringen von Permanentmagneten anstelle von Elektromagneten auf dem Läufer vor. Damit erübrigt sich die Notwendigkeit für umlaufende elektrische Verbindungen, es wird die sonst zum Erregen des Feldes nötige elektrische Energie eingespart, weniger interne Wärme erzeugt und die Leistungsdichte erhöht. Allerdings ist die Anwendung derartiger Maschinen mit Permanentmagnet eingeschränkt, da ihnen brauchbare Mittel zum Steuern des Betriebs bei Änderungen der Belastung fehlen.

Zu den weiteren Gesichtspunkten, die die Leistung bekannter Maschinen beeinträchtigen, gehört: die volle Umkehr des Magnetfeldes durch die ganze Maschine, was zu Hystereseverlust, Wirbelstromverlust und Wärmeerzeugung führt; Läufer aus unterschiedlichen Werkstoffen, was zu einer ungleichförmigen Expansion, mechanischer Beanspruchung und Wirbelstromverlust führt; die Ungleichmäßigkeit des Drehmoments in bezug auf die Geschwindigkeit, was zu höheren Oberwellen führt, die die Qualität der Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad verringern; magnetische Pfade, die mit weniger als voller Sättigung wirken, was eine geringe Energiedichte und eine Zunahme an Volumen und Gewicht zur Folge hat.

ZiA der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer elektrischen Maschine, welche die optimalen Betriebsmerkmale der verschiedenen bisherigen Maschinentypen in sich vereinigt und dadurch in universeller Weise als Motor und/oder Generatorfür Anwendungen der unterschiedlichsten Art einsetzbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zu schaffen, die durch Änderung der Größe und Richtung des magnetischen Flusses durch eine Wicklung auf dem Ständer der Maschine arbeitet, ohne daß die Richtung des magnetischen Flusses im Läufer geändert wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit der im Erfindungsanspruch 1 gekennzeichneten elektrischen Maschine gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der neuen Maschine aus den nachfolgenden Unteransprüchen hervorgehen.

Die Maschine gemäß der Erfindung beruht auf den gleichen Gesetzen des Elektromagnetismus, die auch in herkömmlichen Maschinen beachtet werden, unterscheidet sich jedoch von diesen in ihrer Gestaltung und Betriebsweise. Die erfindungsgemäße

Maschine arbeitet mit voller Flußumkehr und veränderlichem magnetischem Widerstand. Sie weist einen ringförmigen Ständer mit einer Vielzahl fester Pole auf, deren Flächen eine ringförmige Ständerfläche bilden. Ein Teil des Ständers ist von mindestens einer elektrischen Wicklung umgeben. Ein magnetisch durchlässiger Läufer liegt in einem magnetischem Kreis mit gewissen der Polflächen des Ständers. Der Läufer weist ein Hauptschlußbauteil mit abwechselnden Bereichen hoher und niedriger magnetischer Durchlässigkeit zum Ändern der magnetischen Permeabilität zwischen einem ersten Paar einander nicht benachbarter Ständerpole auf. Ein Nebenschlußbauteii des Läufers ist gegenüber dem Hauptschlußbauteil magnetisch isoliert und hat gleichfalls abwechselnde Abschnitte hoher und niedriger magnetischer Durchlässigkeit. Die Abschnitte der hohen und niedrigen magnetischen Durchlässigkeit des Nebenschlußbauteils sind komplementär zu den Abschnitten hoher und niedriger magnetischer Durchlässigkeit des Hauptschlußbauteils des Läufers und ändern die magnetische Permeabilität zwischen einem zweiten Paar einander nicht benachbarter Ständerpole, um mit dem ersten Paar der Ständerpole des Hauptschlußbauteils einen magnetischen Kreis zu bilden. Da in dem magnetischen Kreis mit dem Hauptschluß- und Nebenschlußbauteil des Läufers eine magnetische Einrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Flusses angeordnet ist, werden durch die Rotation des Läufers Änderungen der Größe und Richtung des Flusses im Ständer induziert, ohne daß die Flußrichtung im Läufer umgekehrt wird. Es wird also eine selektive totale Flußumkehr dadurch erreicht, daß ein aus mehreren Teilen bestehender Rotor vorgesehen ist, der komplementäre und magnetisch isolierte Segmente bzw. Bauelemente aufweist.

Aufgrund der vorgenannten Merkmale sind in der erfindungsgemäßen Maschine viele der optimalen Betriebsmerkmale verschiedener Arten bisheriger elektrischer Maschinen gemeinsam verwirklicht. So sind synchrone und asynchrone Merkmale in einer Maschine mit massivem Läufer bzw. Rotor vereinigt, die hochenergetische Permanentmagnete mit hohem Wirkungsgrad verwendet. Die neue Maschine ist für den Einsatz in verschiedenen Umgebungen geeignet, kann mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden und gibt über ihren ganzen Drehzahlbereich, der aufgrund der massivem Läuferkonstruktion sehr hohe Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten einschließt, ein gleichbleibendes Drehmoment ab. Die erfindungsgemäße Maschine vereinigt in sich die positiven Merkmale vieler verschiedener Arten von Maschinen einschließlich derjenigen, die eingangs erwähnt sind. Viele der Schwierigkeiten, die bei früheren Maschinenkonstruktionen auftreten, sind bei der erfindungsgemäßen Maschine beseitigt oder jedenfalls gemildert.

Der Wirkungsgrad und die Betriebsmerkmale der Maschine sind infolge verschiedener Faktoren verbessert. Die Erfindung macht sich Permanentmagnete und einen aus mehreren Bauelementen zusammengesetzten Läufer zunutze. Durch die Drehbewegung des Läufers werden Änderungen in der Größe und Richtung des Flusses im Ständer (d. h. Flußumkehr) induziert, ohne daß die Flußrichtung im Läufer umgekehrt wird. Die Flußumkehr ist auf denjenigen Teil des Ständers beschränkt, der von den Ständerwicklungen umgeben ist. Eine unveränderliche Flußgröße im Läufer wird meistens bevorzugt, sie kann aber auch je nach Notwendigkeit oder Wunsch veränderlich sein. Der Läufer lenkt den Fluß durch die magnetisch isolierten und getrennten Läuferbauteile und kehrt den Fluß selbst dann um, wenn er mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Dadurch wird eine unerwünschte Aufhebung des Flusses und der Aufbau von Wärme vermieden und eine sehr hohe Energiedichte erreicht. Im wesentlichen alle magnetisch durchlässigen Pfade sind zu allen Zeiten vollkommen gesättigt, was die Menge an Eisen, das Volumen und Gewicht reduziert und das Verhältnis von Pferdestärke:Gewicht erhöht. Da das Magnetfeld von Permanentmagneten geliefert wird, erübrigt sich die Notwendigkeit für den Primärfeldstrom und Bürsten oder Schleifringe. Auch wird durch das Einengen des Flusses die Leistungsdichte erhöht und die Wärmeerzeugung verringert. Die im wesentlichen gleichbleibende Feldstärke führt gemeinsam mit der Anordnung entsprechend gestalteter und in Abständen voneinander liegender permeabler Teile des Läufers zu einem gleichmäßigeren Drehmoment bzw. einer gleichmäßigeren Spannungsabgabe, die praktisch frei ist von einer Verzerrung durch höhere Oberwellen. Wenn die Magneteinrichtung ortsfest und am Endverschluß befestigt ist, sind höhere Geschwindigkeiten und größere Läufer möglich, die Robustheit und Zuverlässigkeit wird verbessert, es können herkömmliche Konstruktions- und Herstellungstechniken angewandt werden und der Zusammenbau und Ausbau wird erleichtert. Bei einer Anordnung der magnetischen Einrichtung am Endverschluß ist diese außerdem gegenüber dem Rest des magnetischen Kreises durch einen Luftspalt thermisch isoliert, wodurch die Qualitätseinbuße der Permanentmagnete bei steigenden Temperaturen auf ein Minimum eingeschränkt ist.

Generatoren, die zur Erregung und zum Betrieb Permanentmagnete brauchen, können beim Abzug von Strom unter einem Spannungsabfall leiden. Diese Schwierigkeit entsteht dadurch, daß es nicht möglich ist, das magnetische Feld zum Ausgleich für den Spannungsabfall zu steuern. Die Erfindung bietet dafür eine einmalige Konstruktion und Permanentmagnete, die mit Spannungsregulierwicklungen zusammenwirken, welche erregt werden, um den magnetischen Fluß nach Bedarf zu steigern oder abzuschwächen. Die Spannungssteuerwicklungen werden außerdem wahlweise erregt, um zur Unterdrückung von Spannungsstößen oder-spitzen beizutragen.

Wenn die Maschine gemäß der Erfindung als Motor eingesetzt wird, kann sie als Motor mit gleichbleibender Geschwindigkeit betrieben werden, wenn Dämpfungswicklungen hinzugefügt werden, um das Anlaufdrehmoment zu verbessern und unerwünschte Schwankungen bei Laständerungen auszuschließen. Die Maschine kann auch als Motor mit veränderlicher Geschwindigkeit betrieben werden, indem sie mit einem Inverter gekoppelt wird, der den Läufer bei niedriger Geschwindigkeit in Synchronisation blockiert und nach Wunsch auf hohe Geschwindigkeiten bringt.

Die Maschine kann als Einphasen- oder Mehrphasensystem betrieben werden, was sie für anspruchsvollere Anwendungsfälle vielseitiger macht, einschließlich als Ko-Generator.

Ausführungsbeispiel

Imfolgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht des Äußeren einer Maschine gemäß der Erfindung;

Fig. 2: eine perspektivische Ansicht der Maschine mit rechtwinkligen Schnitten längs der Linien 2-2 in Fig. 1;

Fig.3: eine auseinandergezogene Darstellungder Maschine gemäß Fig. 3;

Fig.4: eine perspektivische Ansicht des Läufers gemäß der Erfindung, die die HauptschJuß- und Nebenschiußbauteile zeigt;

Fig. 5: einen Querschnitt durch den Ständer und Läufer rechtwinklig zur Mittelachse der Maschine;

Fig. 6: eine Schnittansicht des Ständers, Gehäuses und der Magneteinrichtung, wobei Teile des Läufers aus Gründen der Klarheit weggebrochen sind;

Fig. 7: eine perspektivische Schnittansicht des Ständers, Gehäuses und der Magneteinrichtung sowie des Hauptschlußbauteils des Läufers eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, in der das Nebenschlußbauteii des Läufers voll dargestellt ist;

Fig.8: einen Querschnitt längs der Linie 8-8 in Fig.7 rechtwinklig zur Längsachse der Maschine; Fig. 9: eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung längs der Längsachse der Maschine, in der die Welle voll dargestellt ist;

Fig. 10: eine Schnittansicht der Maschine gemäß Fig. 9 um 90° gedreht längs der Längsachse der Maschine; Fig.11: einen Querschnitt längs der Linie 11 —11 in Fig.9; Fig. 12: einen Querschnitt längs der Linie 12-12 in Fig.9; Fig.13: einen Querschnitt längs der Linie 13—13 in Fig.9; Fig.14: einen Querschnitt längs der Linie 14—14 in Fig.9; Fig.15: einenQuerschnittlängsderLinieiö-ISin Fig.9; Fig. 16: eine teilweise auseinandergezogene, perspektivische Ansicht des Läufers und eines Ständers der Maschine gemäß Fig.9-15.

Die in Fig. 1 gezeigte elektrische Maschine gemäß der Erfindung mit voller Flußumkehr und veränderlichem magnetischem Widerstand weist ein zylindrisches äußeres Gehäuse 1 auf, welches aus einem beliebigen nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt sein kann. Nach Bedarf oder Wunsch können am Gehäuse ringförmige Verlängerungen 2 ausgebildet sein. Das Gehäuse und die Verlängerungen bestimmen gemeinsam eine Längsachse oder Mittelachse 3 für die Maschine. In Querrichtung zur Längsachse sind Endverschlüsse 4 vorgesehen, die am Gehäuse oder den Verlängerungen 2 mittels Bolzen 6 oder dgl. befestigt sind. Im Endverschluß können auch Belüftungsschlitze 5 ausgebildet sein, durch die Luft zum Kühlen durch die Maschine strömen kann. Die Maschine kann auf einer Standplatte 7 ortsfest angebracht sein. Längs der Mittelachse 3 sind mittels der Endverschlüsse 4 Lager 8 angebracht und abgestützt.

Wie aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, ist ein Ständer 10 ringförmig und besteht aus magnetisch durchlässigem Werkstoff. Er bestimmt eine Vielzahl fester Pole 11, die miteinander in einem magnetischen Kreis liegen und sich radial nach innen zur Längs-oder Mittelachse 3 erstrecken. Jeder Pol bestimmt eine Polfläche 12, und die Polflächen gemeinsam bestimmen eine gezahnte ringförmige Ständerfläche um die Mittelachse herum. Die Anzahl Pole kann nach Bedarf oder Wunsch unterschiedlich sein. Zwischen einander benachbarten Polen sind Schlitze zur Aufnahme elektrischer Wicklungen 13 gebildet, die einen oder mehrere Pole umgeben. Die Anzahl der Ständerpole, die Anzahl der Ständerwicklungen, die Anzahl der von jeder Wicklung umgebenen Pole, die Anzahl Windungen pro Wicklung, die Art der gegenseitigen Verbindung zwischen den Wicklungen, falls vorhanden, sowie die Phase des Erregerstroms im Fall eines Motors können nach Bedarf oder Wunsch unterschiedlich sein, um den gewünschten elektrischen Merkmalen Rechnung zu tragen bzw. dieselben zu erzeugen.

Ein Läufer 16 weist ein Nebenschlußbauteil 17, ein Hauptschlußbauteil 18 sowie Stützglieder 19 für das Nebenschlußbauteil auf. Das Nebenschlußbauteil 17 hat eine drehbar gelagerte Welle 21, die sich um die Mittelachse 3 dreht. Zu dem Nebenschlußbauteil gehört eine vorherbestimmte Anzahl sich radial erstreckender Nebenschlußsegmente 22 mit Segmentflächen 23, die mit der Mittelachse 3 koaxiale Abschnitte eines Zylinders bilden. Der Oberflächenbereich der Segmentfläche 23 entspricht vorzugsweise im wesentlichen dem Oberflächenbereich jeder entsprechenden Polfläche 12, wobei zwischen beiden ein Luftspalt 25 begrenzt ist. Das Nebenschlußbauteil des Läufers einschließlich der Nebenschlußsegmente 22 besteht aus einem stark durchlässigen magnetischen Werkstoff, wobei jedes der Segmente einen Bereich hoher magnetischer Durchlässigkeit und der Raum zwischen den Nebenschlußsegmenten Bereiche niedriger magnetischer Durchlässigkeit bestimmt. Die Welle 21 des Nebenschlußbauteils kann zur Krafabgabe oder Eingabe benutzt werden und ist von den Lagern 8 gestützt.

Das Hauptschlußbauteil 18 des Läufers weist einen Zylinder mit offenen Enden bzw. ein Rohr aus stark durchlässigem magnetischem Werkstoff auf und ist koaxial mit der Mittelachse angebracht. In dem Zylinder sind an vorherbestimmten Stellen Fenster oder Öffnungen 26 ausgebildet, deren Gestaltung der Gestaltung der Segmentfläche 23 des Nebenschlußbauteils so entspricht, daß diese Teile beim Zusammensetzen des Hauptschluß- und Nebenschlußbauteils des Läufers in Umfangsrichtung komplementär sind. Stark durchlässiges Material bestimmt Bereiche hoher magnetischer Permeabilität, und die Öffnungen bestimmen Bereiche niedriger magnetischer Permeabilität. Der Abstand zwischen dem Hauptschluß- und Nebenschlußbauteil des Läufers ist erheblich größer als der Luftspalt zwischen dem einen oder anderen der Läuferbauteile und den Ständerpolflächen, um Flußleckverluste zwischen den beiden Läuferbauteilen auf das Minimum einzuschränken und den größtmöglichen Flußübergang über den Luftspalt zwischen Läuferund Ständer zu erzielen. Die gekrümmte Außenfläche des Hauptschlußbauteils des Läufers ist koaxial mit den Polflächen 12, und zwischen den mittleren Teilen des Hauptschlußbauteils und den Polflächen 12 des Ständers ist ein Luftspalt 24 gebildet. Das Hauptschlußbauteil erstreckt sich in Längsrichtung bis in die Nähe der beiden Endverschlüsse und ist einer Magneteinrichtung überlagert. Um dem Fluß Rechnung zu tragen, ist das Hauptschlußbauteil in der Nähe der Pole radikal dicker, jedoch an den entgegengesetzten Enden dünner, da sich der Fluß teilt und in der einen oder anderen Richtung weiterfließt, wodurch die Flußdichte reduziert wird.

Die Stützen 19 des Nebenschlußbauteils bestehen aus einem Werkstoff, der magnetisch nicht durchlässig ist und das Nebenschlußbauteil des Läufers vom Hauptschlußbauteil des Läufers magnetisch isoliert. Die Stützen legen außerdem die gegenseitige Stellung des Hauptschluß- und Nebenschlußbauteils so fest, daß die Nebenschlußsegmente 22 in den Öffnungen 26 des Hauptschlußbauteils zu liegen kommen, wodurch ein massiver Läufer entsteht, siehe Fig. 4,5 und 6. Wie Fig. 5 zeigt, bietet das Hauptschlußbauteil 18 des Läufers einen magnetisch durchlässigen Pfad zwischen einem ersten Paar einander nicht benachbarter Ständerpole 11A und 11 C. Das Nebenschlußbauteil 17 des Läufers bietet einen magnetisch durchlässigen Pfad zwischen einem zweiten Paar einander nicht benachbarter Ständerpole 11 B und 11 D.

Der gezeigte Läufer hat keine elektrischen Wicklungen und Lamellen. Er kann aus gegossenem ferromagnetischem Werkstoff bestehen, und die Nebenschlußsegmente 22 können auf beliebige Weise an der Welle befestigt sein, auch dadurch, daß sie als eine einzige Einheit gegossen sind. Vorzugsweise fällt die Außenseite jeder Segmentfläche 23 im wesentlichen mit dem Zylinder zusammen, den die Außenfläche 27 des Hauptschlußbauteils des Läufers bildet. _

Permanentmagnete und Elektromagnete bilden eine Magneteinrichtung 31. Wie Fig. 2,3 und 6 zeigen, sind die Permanentmagnete 32 als geschlossener Ring gestaltet, der radial magnetisiert ist. Hierzu sind hochenergetische Magnete geeignet, beispielsweise Neodym-Eisen-Bor-Magnete. Ein aus magnetisch durchlässigem Werkstoff hergestellter Kollektorring 33 ist mit der inneren Magnetfläche magnetisch verbunden und bietet eine glatte Oberfläche für ein gleichförmiges

Magnetfeld. Mit der äußeren Magnetfläche ist eine magnetisch durchlässige, ringförmige Spule 34 magnetisch verbunden, die auch eine glatte Oberfläche zur Bildung eines gleichförmigen Magnetfeldes bietet. Sie hat ferner L-förmige Umfangsleisten, auf denen Spannungsregulierwicklungen 35 angeordnet werden können, die, wenn sie erregt werden, das Magnetfeld der Permanentmagnete 32 verstärken oder schwächen. Die genannten Bauelemente der magnetischen Einrichtung werden mit Hilfe eines ringförmigen Stützgliedes 36 gehalten und koaxial mit der Mittelachse der Maschine an den Endverschlüssen befestigt. Zwischen der Innenfläche des Kollektorrings 33 und der Außenfläche der Welle 21 des Nebenschlußbauteils ist ein Luftspalt 42 gebildet und zwischen der Außenfläche der Spule 34 und der Innenfläche 28 des Hauptschlußbauteils des Läufers ein Luftspalt 41.

In den Fig.2und5sindin einem Teil der elektrischen Maschine Flußschleifen 40 eingezeichnet. Ausgehend vom Nordpol N der Magneteinrichtung 31 bewegt sich der Fluß radial nach außen durch die Spule 34 und den Luftspalt 41, um in die Innenfläche 28 des Hauptschlußbauteils des Läufers einzutreten. Der Fluß setzt sich axial längs der Länge des Hauptschlußbauteils des Läufers zur Mitte hin bis zum Luftspalt 24 zwischen der Außenfläche 27 des Hauptschlußbauteils des Läufers und der Innenfläche des Pols 11 des Ständers 10 fort. Beim Eindringen in den Ständer 10 teilt sich der Fluß auf und bewegt sich in Umfangsrichtung (siehe Pol 11A in Fig. 5) zu einem benachbarten Pol, der im magnetischen Kreis mit dem Nebenschlußbauteil 17 des Läufers liegt (siehe Pol 11 D in Fig. 5). Der Fluß fließt radial nach innen durch den Pol 11 des Ständers, über den Luftspalt 25 hinweg in das Nebenschlußsegment 22 des Läufers weiter. Axial fließt der Fluß außen zur Magneteinrichtung 31 und dann radial nach außen von der Welle 21 des Nebenschlußbauteils über den Luftspalt 42 in den Kollektorring 33, um zum Südpol des Permanentmagneten 32 zurückzukehren. Wie Fig. 5 zeigt, hat der Fluß im Läufer unabhängig von dessen Drehstellung nur eine Richtung. Die Strömung des Flusses im Ständer ändert ihre Richtung, wenn durch die Drehbewegung des Läufers die abwechselnden Flächen des Nebenschluß- und Hauptschlußbauteils des Läufers mit den Ständerpolen in einen magnetischen Kreis gebracht werden. Der Fluß strömt, auch wenn das in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, zu allen Zeiten in im wesentlichen allen Teilen des Ständers und Läufers.

Die Magneteinrichtung und der magnetische Kreis können, wie aus den Zeichnungen und der Beschreibung hervorgeht, je nach Bedarf oder Wunsch unterschiedlich sein. So kann die Magneteinrichtung schichtartig zwischen der Welle 21 des Nebenschlußbauteils und der Innenfläche 28 des Hauptschlußbauteils des Läufers am Läufer befestigt sein, wodurch die Luftspalte 41 und 42 wegfallen und dennoch ein massiver Läufer für Hochgeschwindigkeitsbetrieb entsteht. Ähnliche Abwandlungen können an der in Fig. 7 gezeigten Maschine vorgenommen werden, um die Magneteinrichtung, die entweder mit Elektromagneten oder Permanentmagneten versehen ist, zwischen einer Welle 121 des Nebenschlußbauteilsund einer Innenfläche 128 des Hauptschlußbauteils des Läufers anzuordnen. Damit entfallen Luftspalte 143 und 144. Es sei jedoch erwähnt, daß ein Luftspalt zwischen dem Läufer und der Magneteinrichtung den Vorteil hat, daß er eine Wärmebarriere bildet, die die Permanentmagnete gegenüber der im Läufer erzeugten Wärme isoliert. Die Spannungsregulier-oder Steuerwicklungen können dann vom Läufer entfernt und an anderer Stelle angeordnet werden, um einen völlig von Wicklungen freien Läufer zu erhalten; sie können je nach den gewünschten Betriebsmerkmalen auch ganz wegfallen. Ferner kann eine mehrfache magnetische Einrichtung gemäß Fig. 1 bis 6 oder eine einzige magnetische Einrichtung benutzt werden, wie in Fig. 7 gezeigt. Fig.7 zeigt ein anderes Auführungsbeispiel der Erfindung mit einer einzigen elektromagnetischen Magneteinrichtung. Die Maschine weist ein zylindrisches Gehäuse 101 mit einer zylindrischen Verlängerung 102 auf, die eine Mittelachse 103 bestimmen. Die Maschine ist durch Endverschlüsse 104 begrenzt, welcher Lager 108 für die Läuferw.elle abstützen. Ein ringförmiger Ständer 110 entspricht dem im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 6 beschriebenen.

Der Läufer 116 weist ein Nebenschlußbauteil 117 und ein Hauptschlußbauteil 18 auf, die magnetisch voneinander isoliert sind. Diebeiden Bauteile werden von Stützgliedern 119 für das Nebenschlußbauteil in ihrer Lage gehalten, wobei sie in bezug aufeinander außer Phase festgelegt sind. Die Welle 121 des Nebenschlußbauteils erstreckt sich koaxial mit der Mittel- bzw. Längsachse der Maschine und weist sich radial erstreckende Nebenschlußsegmente 122 mit einer Segmentfläche 123 auf, die ein Segment eines Zylinders koaxial zur Längsachse 103 bildet. Zwischen der Segmentfläche 123 und den Polflächen ist ein Luftspalt begrenzt.

Das Hauptschlußbauteil 118 des Läufers weist einen mit der Längsachse 103 koaxialen Zylinder auf. Die Außenfläche 127 des Zylinders fällt mit der zylindrischen Oberfläche zusammen, die von der Segmentfläche 123 des Nebenschlußbauteils des Läufers bestimmt ist. Im Hauptschlußbauteil des Läufers sind Öffnungen ausgebildet, durch die sich die Nebenschlußsegmente 122 erstrecken. Wie schon erwähnt, entsprechen diese Öffnungen in ihrer Größe und Gestalt den Segmentflächen 123. Der Läufer hat im wesentlichen die gleiche Gestaltung wie in Fig.4 gezeigt, wobei derjenige Teil fehlt, der über der linken Magneteinrichtung einen Luftspalt begrenzt.

Zu der Magneteinrichtung gehört eine elektrische Wicklung 132 in einer Spule 134, die beide koaxial mit der Längsachse 103 angeordnet sind. Ein insgesamt zylindrisches Stützglied 136 ist mit einer Stützscheibe 137 magnetisch verbunden, und diese beiden bestimmen die Lage der magnetischen Spule und halten sie mit den Bauteilen des Läufers in einem magnetischen Kreis.

Im Betrieb wird, wie auch aus Fig. 8 hervorgeht, der Elektromagnet erregt, um einen Fluß zu erzeugen, der axial aus der elektrischen Wicklung 132 in die Stützscheibe 137, radial nach innen zur Welle 121 des Nebenschlußbauteils über den Luftspalt 144, axial zu den Nebenschlußsegmenten 122, radial nach außen durch die Nebenschlußsegmente 122, über den Luftspalt 125 in den Ständer 110, in Umfangsrichtung um die Außenseite des Ständers in einen benachbarten Pol, radial nach innen durch den Pol, über den Luftspalt 124 und in die Außenfläche 127 des Hauptschlußbauteils des Läufers, axial längs des Hauptschlußbauteils 118 des Läufers und radial nach außen über den Luftspalt 143 in das ringförmige Stützglied 136 und dann axial zurück zum Südpol des Elektromagneten 132 fließt. Wie schon im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erwähnt, hat der Fluß im Läufer nur eine Richtung und ändert seine Richtung allein im Ständer.

Nachfolgend werden vorläufige Spezifikationen für einen Wechselstrommotor in einem Gehäuse mit einem Durchmesser von 19,7cm (7,75ZoII) und einer Länge von 28,2cm (11,11 Zoll) und mit einer geeigneten Steuereinrichtung angegeben: KW (bei 1800 U/Min.) 2,2

U/Min. 0-10000

Spannung (V) _ 208 _ - ......

Phasen " 3

b. Vollast (A) 7,5

Abfall-Drehmoment (% der Vollast) 190

Drehmoment b. Vollast (Nm) 11,9

Vollast eff. % 91

Dienstfaktor 1

Arbeitszyklus kontinuierlich

maximale Umgebungstemperatur 40⁰C

maximalerTemperaturanstieg 100⁰C

Gewicht (N) 316

In den Fig. 9 bis 16 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, welches sich ein Paar Ständer zunutze macht, die von einem zweiteiligen Läufer mit auskragenden Armen umgeben sind. Zu der Maschine gehört ein zylindrisches äußeres Gehäuse 201, welches aus einem zweckmäßigen nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt sein kann. Das Gehäuse bestimmt eine Mittel- oder Längsachse 203 der Maschine. In Querrichtung zur Längsachse sind Endverschlüsse 204 angeordnet und mittels Bolzen 206 oder dgl. am Gehäuse anliegend gehalten. In den Endverschlüssen können Ventilationsschlitze ausgebildet sein, um Luft zum Kühlen durch die Maschine fließen zu lassen. Die Ständer 210 (Fig. 11 und 16) sind ringförmig und weisen einen magnetisch durchlässigen Werkstoff auf, der eine Vielzahl fester Pole 21 Tbestimmt, die sich von der Längsachse 203 radial nach außen erstrecken. Jeder Pol bestimmt eine Polfläche 212, und alle Polflächen gemeinsam bestimmen eine gezahnte, ringförmige Ständeroberfläche um die Mittelachse. Jeder Pol liegt mit jedem anderen Pol in einem magnetischen Kreis, und die Anzahl der Pole kann nach Wunsch oder Bedarf unterschiedlich sein. Zwischen einander benachbarten Polen sind Schlitze begrenzt, in denen elektrische Wicklungen 213 aufgenommen sind, die einen oder mehrere Pole einkreisen. Die Anzahl Wicklungen, die Zahl der von jeder Wicklung umgebenen Pole usw. kann nach Wunsch oder Notwendigkeit unterschiedlich sein. Der Läufer weist ein Nebenschlußbauteil 217, ein Hauptschlußbauteil 218 und eine Welle 221 auf. Das Hauptschlußbauteil 218 weist insgesamt zwei Rücken an Rücken angeordnete, U-förmige Glieder aus magnetisch durchlässigem Werkstoff auf. Jedes U-förmige Glied hat eine in Querrichtung an der Welle 221 befestigte Scheibe 219, die sich mit der Weile dreht. Vom Rand der Scheibe 219 erstrecken sich koaxial zwei Arme 220 wie Kragarme oder Klauen. Die Arme sind im Verhältnis zueinander um 180° außer Phase festgelegte, bestehen aus magnetisch durchlässigem Werkstoff und sind mit der magnetisch durchlässigen Scheibe magnetisch verbunden. Die Arme sind auf einem vorherbestimmten Radius von der Mittelachse angeordnet, so daß zwischen der Innenseite des Arms und der Außenseite der Polfläche 212 ein kleiner Luftspalt 223 gebildet ist. Die beiden U-förmigen Glieder, die die Hauptschlußbauteile des Läufers darstellen, sind voneinander magnetisch isoliert und durch die magnetisch nichtdurchlässige Welle und Stützglieder des Läufers getrennt.

Die Nebenschlußbauteile 217 des Läufers sind insgesamt sattelförmig und gegenüber der Welle 221 radial versetzt. Wie in erster Linie aus Fig.9 und 16 zu entnehmen ist, hat das Nebenschlußbauteil auslegerartige Arme 224, die sich axial über die Polflächen 212 des Ständers erstrecken, mit denen sie einen Luftspalt 226 bilden. Die einander naheliegenden Teile der Arme des Nebenschlußbauteils sind durch eine magnetisch durchlässige Brücke 225 des Nebenschlußbauteils verbunden, die einen Teil des magnetischen Kreises bildet, der die beiden Ständer verbindet. Die Brücke erstreckt sich axial in vorherbestimmtem Abstand von der Welle und ist mit dieser über ein magnetisch nichtdurchlässiges Stützglied 228 des Läufers verbunden. Das Nebenschlußbauteil ist gegenüber dem Hauptschlußbauteil magnetisch isoliert und erstreckt sich durch Öffnungen 227, die in der Scheibe ausgebildet sind. Der Abstand zwischen dem Nebenschluß-und dem Hauptschlußbauteil des Läufers ist im Vergleich mit den Luftspalten der Maschine groß, um die Flußleckverluste minimal zu halten.

Die Magneteinrichtung 231 weist einen geschlossenen Ring aus Permanentmagneten 232 auf, die koaxial zur Mittelachse 203 magnetisiert sind. An beiden Seiten der Permanentmagnete sind zwei magnetisch durchlässige Kollektorringe 233 angeordnet, die mit den Permanentmagneten magnetisch verbunden sind. Die Magnete bilden einen durchgehenden Ring ebenso wie der Kollektor, damit sich eine im wesentlichen durchgehende nichtunterbrochene Oberfläche und gleichmäßige Verteilung des magnetischen Flusses einstellt. Zwischen den Permanentmagneten und den Kollektorringen sind radial schichtartig zwei magnetisch nichtdurchlässige Spulen 234 angeordnet, die mit Spannungsregulierwicklungen versehen sind, welche, wenn sie erregt werden, das Magnetfeld der Permanentmagnete 232 verstärken oder abschwächen. Die Kollektorringe, Permanentmagnete, und die Spule können am Gehäuse auf beliebige Weise befestigt sein, beispielsweise wie in Fig. 9 gezeigt. Die Kollektorringe und Spule bündeln gemeinsam den magnetischen Fluß der Permanentmagnete und Spannungsregulierwicklungen in einem Paar Polflächen 236, die gemeinsam mit der Scheibe 219 des Hauptschlußbauteils des Läufers Luftspalte 238 und 239 bilden.

Anhand der Figuren dieses Ausführungsbeispiels soll ein Weg des Flusses 240 beispielhaft erläutert werden. Ausgehend von der Magneteinrichtung 231, die zwischen den Scheiben 219 des Hauptschlußbauteils des Läufers angeordnet ist, fließt der Fluß axial aus der Magneteinrichtung 231 heraus, über den Luftspalt 239, in die Scheibe 219 des Läufers und den Arm 220 des Hauptschlußbauteils des Läufers. Der Fluß setzt sich radial aus dem Arm 220 über den Luftspalt 223 und in die Polfläche 212 und den Ständer 21 Ofort. Wie insbesondere Fig. 11 zeigt, teilt sich der Fluß im Ständer auf und setzt sich radial nach außen fort zu den benachbarten Polflächen 212, über die L :ftspalte 226 und in den Arm 224 des Nebenschlußbauteils. Der Fluß fließt axial weiter durch den Arm 224des Nebenschlußbauteils, die Brücke 225 des Nebenschlußbauteils und in den gegenüberliegenden Arm 224 des Nebenschlußbauteils. Von dort bewegt sich der Fluß radial nach innen vom Arm 224 des Nebenschlußbauteils über den Luftspalt 226, um erneut in die Polfläche 212 und den Ständer 210 einzutreten. Im zweiten Ständer teilt sich der Fluß erneut auf und bewegt sich radial nach außen durch die Polfläche 212, über den Luftspalt 223 und in den Arm 220 des Hauptschlußbauteils des Läufers. Der Fluß strömt axial weiter durch den Arm des Hauptschlußbauteils des Läufers zur Scheibe 219, über den Luftspalt 238 zurück zur Magneteinrichtung 231. Die Strömung des Flusses im Läufer verläuft unabhängig von dessen Drehstellung in nur einer Richtung. Die Strömungsrichtung des Flusses im Ständer hingegen wechselt, wenn die abwechselnden Flächen des Nebenschluß- und Hauptschlußbauteils des Läufers mit aufeinanderfolgenden Ständerpolen in einen magnetischen Kreis gelangen. Wenn die Maschine als Motor betrieben wird, läßt eine entsprechende Steuereinrichtung die elektrischen Wicklungen pulsieren, um die Größe und Richtung des Flusses zu steuern. Wenn die Maschine als Generator betrieben wird, erzeugt die Strömung des Flusses durch die elektrischen Spulen Elektrizität. Im wesentlichen alle Teile des Ständers und Läufers sind zu allen Zeiten vom Fluß durchströmt, auch wenn das in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, um den höchstmöglichen Wirkungsgrad der Maschine zu erzielen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Ständer dargestellt, die in einem magnetischen Kreis liegen. Es wäre aber auch eine Abwandlung zu einer.nur einen Ständer aufweisenden Maschine möglich.

Claims (9)

1. Elektrische Maschine ohne Bürste mit einem ringförmigen, magnetisch durchlässigen bzw. permeablen Ständer, der eine Vielzahl fester Pole mit Polflächen hat, die eine ringförmige Ständeroberfläche bestimmen, und einer Mittelachse, mindestens einer elektrischen Wicklung, die mindestens einen Teil des Ständers umgibt und einem magnetisch durchlässigen Läufer, der eine zur Umdrehung um die Mittelachse angebrachte Welle hat und mit gewissen Polflächen des Ständers in einem magnetischen Kreis liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (16; 116) ein Hauptschlußbauteil (18; 118; 218), welches abwechselnde Abschnitte von hoher und niedriger magnetischer Permeabilität bestimmt, sowie ein Nebenschlußbauteil (17; 117; 217) aufweist, welches vom Hauptschlußbauteil magnetisch isoliert ist und abwechselnde Abschnitte hoher und niedriger magnetischer Permeabilität bestimmt, die in Umfangsrichtung zu den Abschnitten hoher und niedriger magnetischer Permeabilität des zylindrischen Hauptschlußbauteils komplementär sind, daß eine Magneteinrichtung (31; 231) zur Erzeugung eines magnetischen Flusses vorgesehen ist, der in der Maschine radial ausgerichtet ist, und daß die Magneteinrichtung (31; 231) in einem magnetischen Kreis mit dem Hauptschlußbauteil (18; 118; 218) und dem Nebenschlußbauteil (17; 117; 217) des Läufers liegt, zwischen denen sie so angeordnet ist, daß eine Umdrehung des Läufers (16; 116) Änderungen in der Größe und Richtung des Flusses im Ständer (10; 101; 201) induziert, ohne die Flußrichtung im Läufer umzukehren.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtung (31) ringförmig gestaltet ist und radial fluchtende Pole hat, von denen ein Pol mit dem Hauptschlußbauteil (18) des Läufers und der zweite Pol mit dem Nebenschlußbauteil (17) des Läufers in einem magnetischen Kreis liegt.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte hoher magnetischer Permeabilität des Hauptschlußbauteils (18; 118; 218) und des Nebenschlußbauteils (17; 117; 217) des Läufers (16; 116) Läuferpole bilden, und daß jede Polfläche (12; 212) insgesamt die gleiche Größe hat.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtung (31) Einrichtungen aufweist, die ein insgesamt lineares, radiales Flußwegsegment erzeugen, welches sich durch die Magneteinrichtung und benachbarte Luftspalte zu den entsprechenden Oberflächen des Hauptschluß- und Nebenschlußbauteils des Läufers erstreckt.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (16; 116) von elektrischen Wicklungen frei ist.

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptschlußbauteil des Läufers einen Zylinder aus stark durchlässigem bzw. permeablem Werkstoff aufweist, der koaxial mit der Mittelachse (3; 103; 203) angebracht ist, und indem Öffnungen (26) an vorherbestimmten Stellen so ausgebildet sind, daß der stark durchlässige Werkstoff Abschnitte von hoher Permeabilität aufweist, und daß die Abschnitte von niedriger Permeabilität von den Öffnungen gebildet sind.

7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebenschlußbauteil (17) des Läufers eine Welle (21) aus stark durchlässigem Werkstoff aufweist, die koaxial mit der Mittelachse (3) verläuft und eine vorherbestimmte Anzahl sich radial erstreckender, in einem Stück mit ihr ausgebildeter Nebenschlußsegmente (22) aus stark durchlässigem Werkstoff aufweist, wobei die Wellensegmente aus stark durchlässigem Werkstoff die Abschnitte hoher magnetischer Permeabilität aufweisen und die Abschnitte niedriger magnetischer Permeabilität zwischen den Nebenschlußsegmenten liegen.

8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptschlußbauteil (118) des Läufers einen Zylinder aus stark durchlässigem Werkstoff aufweist, der mit der Mittelachse (103) koaxial angeordnet ist und durch den sich an vorherbestimmten Stellen Öffnungen erstrecken, und daß das Nebenschlußbauteil des Läufers eine Welle aus stark durchlässigem Werkstoff aufweist, die mit der Mittelachse koaxial ist und eine vorherbestimmte Anzahl von Nebenschlußsegmenten (122) aus stark durchlässigem Werkstoff aufweist, welche radial durch die Öffnungen im Hauptschlußbauteil des Läufers ragen.

9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußsegmente (22) eine Außenfläche (23) haben, die in Segment eines Zylinders bestimmen, welches im wesentlichen mit der Außenfläche des Zylinders des Hauptschlußbauteils (18) des Läufers zusammenfällt.