DE1008394B

DE1008394B - Elektrische Synchronmaschine mit Wechselpolen

Info

Publication number: DE1008394B
Application number: DEL20449A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gerhard Hagedorn
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1954-11-22
Filing date: 1954-11-22
Publication date: 1957-05-16

Description

Elektrische Synchronmaschine mit Wechselpolen Gegenstand des Hauptpatents 852 263 ist eine elektrische Synchronmaschine mit Wechselpolen, insbesondere für große Polzahlen und mit nur über einen Teil des Polradumfanges reichenden induzierten Teilen. Bei dieser Synchronmaschine haben die ungleichnamigen Pole des Polrades keine wesentlich wirksame ferromagnetische Verbindung miteinander. Sie sind so angeordnet, daß der Magnetfluß eines feststehenden Elektro- oder permanenten Magnetes über einen Luftspalt in gleichnamige Pole übertritt. Von diesen geht er über den mit den Magneten fest verbundenen induzierten Teil in die Gegenpole und aus diesen über einen weiteren Luftspalt wieder in den Magnet.
Elektrische Synchronmaschinen dieser Art eignen sich insbesondere für Kleinmotoren und Generatoren sowie für Schallplattensynchronmotoren, Fahrraddynamos, Reklamemotoren u. dgl.
Als vorteilhafte Weiterbildung ist in dem Zusatzpatent 948 715 eine elektrische Synchronmaschine vorgeschlagen, bei der sieh der induzierte Teil über den ganzen Läuferumfang erstreckt und die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Übertritt des Magnetflusses in die Läuferpole auf deren über die Eisenpaketlänge hinausragenden Mantelflächen vermittels einer Anzahl beidseitig des Statorblechpaketes angeordneter, im Gehäusemantel zentrierter Pole erfolgt und daß in dem entsprechend der Polzahl genuteten Läuferkörper aus unmagnetischem Stahl die Stahlpole eingesetzt und durch Schweißdrähte befestigt sind.
Bei derartigen elektrischen Synchronmaschinen, die z. B. als Motoren größerer Leistung ausgelegt sind, lassen sich mit bekannten Mitteln ohne wesentliche Verteuerung keine besonders guten Anlaufeigenschaften erreichen, d. h. es ist kein kleiner Anlaufstrom bei großem Drehmoment zu erzielen. Des weiteren sind Wechselpolsynchronmotoren mit ausgeprägten Polen und darauf befindlichen Polschuhen bekannt, die naturgemäß Schleifringe und Bürsten haben und damit Reibungsverluste aufweisen sowie Wartung erfordern. Auch sind derartige Motoren in explosionsgefährdeten Räumen nicht ohne Schutzmaßnahmen zugelassen. Wollte man aber permanente Magnete auf dem Polen anbringen, so würden diese beim Hochlaufen oder Außertrittfallen bis zu einem gewissen Grad entmagnetisiert werden.
Es sind auch Synchronmotoren bekannt, die als Gleichpolmaschinen gebaut sind, also in einer zur Achse senkrechten Ebene nur Nord- und Südpole haben und bei denen auch die Erregerwicklung im Stator liegt. Bei derartigen Motoren wird, aber der magnetische Wechselfluß von einem Gleichfluß überlagert, so daß die magnetische Kapazität des aktiven Eisens nicht in vollem Maße ausgenutzt werden kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Synchronmotor zu erstellen, der ohne Erregerspulen oder ohne Permanentmagnete auf dem Läufer großes synchrones Kippmoment, guten Leistungsfaktor und hohen Wirkungsgrad mit guten Anlaufeigenschaften verbindet und der außerdem auch in zweipoliger Ausführung in eindeutiger Stellung läuft.
Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Synchronmaschine mit Wechselpolen und mit über, den ganzen Läuferumfang sich erstreckendem induziertem Teil nach dem Zusatzpatent 948 715. Die beschriebenen Nachteile bekannter und bereits vorgeschlagener Ausführungen werden dadurch vermieden, daß das Polrad außer den magnetisch voneinander isolierten Nord-und Südpolen, die vom feststehenden Teil der Maschine her elektromagnetisch oder permanent erregt werden, noch einen weiteren aus Blechen, vorzugsweise Dynamoblechen, aufgebauten Läuferkörper aufweist.
Dieser zusätzliche, aus Blechen geschichtete Läufer ist, wie schon erwähnt, nur über magnetisch isolierende Mittel, wie z. B. Luft oder Aluminium, mit den direkt von dem Ständer magnetisch induzierten Polen bzw. Polringen des Läufers verbunden. Des weiteren sind in dem geschichteten Läuferteil axial gerichtete, die Pole aufspaltende Ausschnitte vorgesehen. In diese Ausschnitte ragen Polfinger hinein; die von Polringen ausgehen und mit diesen eine Einheu bilden. Die Polringe sind jeweils einer magnetischen Polgruppe des feststehenden Teiles, d. h. jeweils dem Nord- oder Südpol, zugeordnet. Die Polfinger ragen in axialer Richtung nach Art bekannter Klauenpolanordnungen jeweils in die Lücke zwischen zwei Polfinger des ungleichnamig induzierten Polringes hinein, so daß sich die Polarität der Polfinger abwechselt. Jeder Polfinger wiederum füllt einen axial gerichteten, fast bis zur Achse reichenden Ausschnitt in dem geschichteten Läuferteil aus, der jeweils zwei gleichnamige Polhälften eines aufgespaltenen Pols trennt, so daß jeweils ein von dem Ständer über den Polring induzierter Ringpolfinger zwei gleichnamige Polabschnitte des geschichteten Läufers magnetisiert.
Der von der Ständerwicklung erzeugte Wechselfluß benutzt vorzugsweise den Eisenweg des geschichteten Läuferteiles. Der Längsfluß geht ungehindert durch, während der Querfluß durch die magnetische Isolation der Welle und die Luftspalte stark geschwächt wird, so daß sich der Grad des synchronen Kippmomentes erhöht. Zur Vergrößerung des Anlaufdrehmomentes können nach einem weiteren Merkmal der Erfindung auch ein oder mehrere Käfigwicklungen auf dem Läufer angebracht sein. Es ist aber auch möglich, den Läuferkörper ganz oder teilweise mit einem unmagnetischen Metall, z. B. Aluminium, auszugießen. Dadurch wird nicht nur eine Befestigung der einzelnen Läuferteile auf der Achse, sondern auch eine magnetische Isolation zur Achse und der Teile untereinander erzielt. Insbesondere ersetzt das Ausgießen des Läufers mit Metall das Anbringen einer besonderen Käfig Wicklung.
Die feststehenden Permanent- oder Elektromagnete im Ständer, die vorzugsweise konzentrisch zu den Polringen am Gehäusemantel befestigt sind, können nach einem weiteren Merkmal der Erfindung auch unmittelbar an den seitlichen Endkappen befestigt sein oder mit diesen eine Einheit bilden. Diese Endkappen bilden den Abschluß des z. B. rohrförmigen, seitlich offenen Gehäusekörpers und weisen ein an ihnen magnetisch isoliert befestigtes Lager für die Läuferwelle auf (s. Fig. 2).
Die feststehenden Magnete im Stator werden vorzugsweise als unmagnetische Stahlkörper in de Maschine eingebaut und erst nach erfolgtem Zusammenbau der ganzen Maschine vermittels vorher eingelegter Ringspulen aufmagnetisiert. Dies hat den Vorteil, daß der Grad der Aufmagnetisierung und damit die Leistungsdaten der Maschine nachträglich veränderbar sind, so daß Ungenauigkeiten in der Zentrierung sowie in den Luftspalten später ausgeglichen werden können. Wenn keine Permanentmagnete vorgesehen sein sollen, können erforderlichenfalls die Ringspulen auch zur elektromagnetischen Erregung der Maschine verwendet werden. Auch ist es möglich, die Ringspulen ganz fortzulassen und die Permanentmagnete durch Spulen von außen zu magnetisieren. Der Stator ist im übrigen in bekannter Weise ausgeführt, weist jedoch zwischen dem Statorblechpaket und dem Gehäusemantel magnetisch isolierende Zwischenlagen auf, die gleichzeitig zur Zentrierung des Statorblechpaketes zur Läuferachse dienen.
Die zeichnerisch dargestellten Beispiele einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine erschöpfen nicht alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen und dienen nur der Erläuterung. Fig. 1 zeigt einen Einblick in eine erfindungsgemäße elektrische Synchronmaschine mit Wechselpolen. Alle nicht zum Verständnis notwendigen Einzelheiten wurden fortgelassen. Fig.2 zeigt eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Motors, bei dem z. B. elektromagnetisch erregte Pole des Ständers mit deren äußeren Lagerschalen eine Einheit bilden.
Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Läufer, jedoch beispielsweise in einer vierpoligen Ausführung.
Mit 1 ist die Gehäuseschale bezeichnet, die vorzugsweise eine rohrförmige Gestalt hat. An dieser sind vermittels der Schrauben 2 jeweils auf der Nord- und Südseite feststehende permanent oder elektrisch erregte Magnete 3 mit ihren Polschuhen 4 angebracht, die konzentrisch zur Läuferachse in beliebiger Zahl angeordnet sind. Etwa in der Mitte des Rohres 1 ist zur Läuferachse zentriert vermittels Aluminiumeinlagen 5 magnetisch isoliert das Statorblechpaket 6 angeordnet. In diesem befinden sich in bekannter Weise wechselpolbildende Nuten 8, die die Wicklungen 7 aufnehmen. Auf der Läuferachse 9 ist vermittels magnetisch isolierender Materialien 10 auf jeder Seite ein Polring 11 befestigt, von dem Polfinger 12 ausgehen, die sich nach außen konisch verjüngen. Diese Polfinger füllen ganz oder teilweise den nutförmigen Ausschnitt 17 zwischen gleichnamigen Polabschnitten 14 des aus geschichteten Blechen aufgebauten zusätzlichen Läuferkörpers 13. In Fig. 1 besteht ein offener Luftspalt zwischen den Fingern und dem geschichteten Läuferkörper. In der Fig. 3 dagegen ist mit 20 eine magnetisch isolierende Vergußmasse angedeutet, die diese Luftspalte ausfüllt. Der geschichtete zusätzliche Läuferteil wird beidseitig von Messingplatten 16 abgedeckt, die die Funktion von Kurzschlußringen haben und miteinander durch vorzugsweise Kupferniete, die als Dämpferstäbe 15 wirken, zusammengehalten werden. Zur Fixierung aller Läuferteile, Einhaltung der genauen Spaltabstände, zur magnetischen Isolation der einzelnen Teile untereinander und als Ersatz für eine oder mehrere besonders aufgebrachte Käfigwicklungen kann der ganze Läuferkörper mit einem magnetisch isolierenden Metall 20, vorzugsweise Aluminium oder Zink, ausgegossen werden (s. Fig. 3).
Erfindungsgemäß werden die Permanentmagnete 3 erst nach erfolgtem Zusammenbau vermittels der Ringspulen 18 einmalig aufmagnetisiert. Diese Maßnahme ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil bekanntlich Permanentmagnete bei axialer Herausnahme des Läufereisens teilweise .entmagnetisiert werden und es außerdem zweckmäßig ist, den Grad der Aufmagnetisierung später den Solldaten der Maschine angleichen zu können. Des weiteren können die Ringspulen als Erregerwicklung dienen, falls die Maschine z. B. auch ohne Permanentmagnete arbeiten soll.
In der Fig. 2 sind mit 19 die Lagerschalen bezeichnet, in denen mit 5 die magnetisch isolierte Lagerung der Läuferachse angedeutet ist und die mit den Magnetpolen 4' eine Einheit bilden. Alle weiteren Einzelheiten siehe Beschreibung zu Fig. 1.
Die Fig.3 stellt einen Schnitt durch den Läufer einer erfindungsgemäßen Maschine in vierpoliger Ausführung dar, der in einer Ebene senkrecht zur Achse durch den Läufer gelegt ist. Aus dieser Darstellung geht noch einmal deutlich die Anordnung der Polfinger 12 in den Ausschnitten des geschichteten Läuferkörpers hervor. Durch Pfeile ist der Verlauf des magnetischen Flusses zwischen den ungleichnamigen Polen angedeutet, die durch axial verlaufende , Nuten 21 getrennt sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Elektrische Synchronmaschine mit Wechselpolen und mit über dein ganzen Läuferumfang sich erstreckendem induziertem Teil nach dem Zusatzpatent 948 715, dadurch gekennzeichnet, d.aß das Polrad außer den magnetisch voneinander isolierten Nord- und Südpolen, die vom feststehenden Teil der Maschine her elektromagnetisch oder permanent erregt werden, noch einen weiteren aus Blechen, vorzugsweise Dynamoblechen, aufgebauten Läuferkörper aufweist.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Blechen aufgebaute zusätzliche Läuferkörper mit den vom feststehenden Teil magnetisierten Läuferpolen die gleiche Polzahl aufweist.
3. Synchronmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole des geschichteten Läuferteiles als Spaltpole ausgebildet sind.
4. Synchronmaschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte zwischen diesen gleichnamigen Polabschnitten fast bis an die Achse heranreichen.
5. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom feststehenden Teil räumlich unmittelbar magnetisierten Läuferpole vom zusätzlichen geschichteten Läuferkörper magnetisch isoliert sind und diesen magnetisch erregen.
6. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die von dem feststehenden Teil räumlich unmittelbar magnetisch erregten Läuferpole fingerartig von Polringen ausgehend in axialer Richtung von außen nach innen erstrecken. 7: Synchronmaschine nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet; daß dem Nord- bzw.
Südpol bzw. -polen des feststehenden Teiles jeweils ein Polring mit seinen Polfingern zugeordnet ist. B.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auslegung mit mehr als zwei Polen die Polfinger klauenpolartig angeordnet sind.
9. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekepnzeichnet, daß der geschichtete Läuferteil mit einer oder mehreren Käfigwicklungen versehen ist.
10. Synchronmaschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Nuten zwischen zwei aufgespaltenen Polabschnitten je ein Polfinger unter Einhaltung eines geringen Luftspaltes und/oder einer anderen magnetischen Isolation hineinragt bzw. diesen weitgehendst ausfüllt.
11. Synchronmaschine nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polringe und der zusätzliche geschichtete Läuferteil zur Läuferachse hin magnetisch isoliert sind und/oder magnetisch isolierendes Material den Polringen und dem geschichteten Läuferteil als Befestigungsmittel auf der Achse dient.
12. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geschichtete Läuferteil Dämpferstäbe nach Art bekannter Dämpferwicklungen in den Polansätzen aufweist, die elektrisch leitend mit Endplatten aus ebenfalls elektrisch gut leitendem Material verbunden sind und die als Niete ausgebildet, die Bleche zu einem Paket verbinden.
13. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspalte und Lücken des Läufers ganz oder teilweise mit Aluminium, Zink oder einem anderen, magnetisch nichtleitenden Material ausgegossen werden. '
14. Synchronmaschine nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfinger eine zu ihren Enden hin sich verjüngende Form aufweisen.
15. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in bereits vorgeschlagener Weise Permanentmagnete konzentrisch zur Achsmitte zeigend an einem Gehäusemantel aus magnetisch gut leitendem Material befestigt sind, der unter anderem den magnetischen Rückschluß der beiden ungleichnamigen Magnetpolgruppen bildet.
16. Synchronmaschine nach Anspruch 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete in noch unmagnetischem Zustand in die Maschine eingebaut werden und erst nach erfolgtem Zusammenbau der ganzen Maschine die Aufmagnetisierung einmalig vermittels eingebauter Ringspulen erfolgt.
17. Synchronmaschine nach Anspruch 1, 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufmagnetisierung der Dauermagnete mittels der Ringspulen nachträglich variierbar ist.
18. Synchronmaschine nach Anspruch 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufmagnetisierung der feststehenden Nord- bzw. Südpole von außen nach erfolgtem Zusammenbau stattfindet.
19. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Permanent- oder Elektromagnete mit den die Achslager tragenden Gehäuseschalen eine Einheit bilden bzw. aus einem Stück bestehen.
20. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achs:lager bzw. die Achse selbst magnetisch zu den Gehäuseteilen isoliert ist.
21. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Statorblechpaket gegenüber dem magnetisch leitenden Gehäuse vermittels magnetisch isolierender Materialien, vorzugsweise Aluminium, magnetisch isoliert und zur Läuferachse zentriert ist.