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Die
Erfindung betrifft eine Homopolarmaschine mit einem Ständersystem.
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Bei
Homopolarmaschinen wird die elektromotorische Kraft durch Schwankungen
eines magnetischen Gleichflusses bei Rotation eines besonders geformten
unbewickelten Läufers erzeugt. Der magnetische Fluss schwankt
dabei bei bekannten Homopolarmaschinen zwischen einem Größt-
und Kleinstwert gleicher Polarität. Da der Läufer
bei Homopolarmaschinen keine Wicklungen und Schleifkontakte aufweist,
kann die Maschine mit sehr hohen Drehzahlen z. B. als Bordnetzgenerator
betrieben werden. Der einfache und robuste Aufbau von Homopolarmaschinen
erlaubt des Weiteren einen Einsatz als Antriebsmotor für
Schienen- und Landfahrzeuge. Durch den wicklungsfreien Läufer
besteht beispielsweise eine hinreichende Unempfindlichkeit gegenüber
mechanischen Störungen, die bei Schienenfahrzeugen von
den Gleisen herrühren.
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Bei
einem Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Maschinen,
insbesondere Synchronmaschinen, ist jedoch festzuhalten, dass Homopolarmaschinen
hinsichtlich ihres übertragbaren, erzeugten Drehmoments
je Gewichtseinheit nur eine etwa halb so große Ausnutzung
aufweisen. Zudem werden für die Führung des magnetischen
Flusses ein zweites Ständerpaket, ein Außenjoch
und ein die Gleichpolpaare der Homopolarmaschine verbindender Wellenabschnitt
benötigt. Dies führt dazu, dass eine Homopolarmaschine
bei gleicher Leistung im Vergleich zu einer Synchronmaschine deutlich
schwerer ist.
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Aus
JP 063 51 212 A als
nächst Komemender Stand der Technik ist eine Homopolarmaschine bekannt,
die einen Läuferaufbau mit zwei axial beabstandeten, gegeneinander
verdrehten Gleichpolpaaren und einen üblichen Ständeraufbau
zeigt mit zwei Ständerblechpaketen, die eine Arbeitswicklung
aufweisen, mit einem die Ständerbleckpakete verbindenden
Joch sowie mit einer Erregerwicklung. Zur Gewichtseinsparung und
Größenreduzierung ist dort die Möglichkeit
angegeben, nur ein einziges Ständerbleckpaket zu verwenden,
so dass sich zwei magnetische Kreise ausbilden, die jeweils über
ein Lagerschild geschlossen werden.
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Aus
DE 22 30 378 A ist
ein Homopolargenerator in Gleichpolbauart bekannt, der ebenfalls
nur ein einziges Ständerbleckpaket aufweist. Vorgesehen
ist ein Rotor mit zwei Polplatten, deren Polschuhe in Umfangsrichtung
der Polplatten versetzt sind, und die von beiden axialen Seiten
an das einzige dort vorgesehene Ständerblechpaket heranreichen.
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Schließlich
ist aus
DE 15 631 80
A ebenfalls ein Homopolargenerator der Gleichpolbauart
bekannt, der ebenfalls einen Rotor aufweist, an dessen einem axialen
Ende Polschuhe vorgesehen sind, und der am anderen axialen Ende
zylindrisch ausgebildet ist. Zur Flussführung ist auch
hier nur ein einziges Ständerblechpaket vorgesehen. Der
magnetische Fluss ist dabei über die Polschuhe, das einzige
Ständerblechpaket, das Joch und das zylindrische Rotorteil
geführt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit, eine diesbezüglich verbesserte
Homopolarmaschine anzugeben.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe ist eine Homopolarmaschine vorgesehen,
mit einem Läufersystem, das zwei axial beabstandete und
um im Wesentlichen 90° gegeneinander verdrehte Gleichpolpaare aufweist,
und einem Ständersystem, das genau ein Ständerblechpaket
und wenigstens ein Ständerstück aufweist, das
zur Konzentration eines zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft
dienenden magnetischen Flusses auf das Ständerblechpaket
ausgebildet ist, wobei der magnetische Fluss durch wenigstens eine
Erregerwicklung getrieben wird, eine Welle axial durchfließt,
in einem Gleichpolpaar radial nach außen tritt, durch wenigstens
ein Ständerstück auf das Ständerblechpaket
konzentriert wird, wenigstens eine Arbeitswicklung durchfließt,
in Umfangsrichtung der Homopolarmaschine zu einem mit einem weiteren
Gleichpolpaar in Verbindung stehenden Abschnitt des Ständersystems
fließt, wenigstens eine Arbeitswicklung durchfließt
und sich über die Welle schließt.
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Während
bei einer herkömmlichen vierpoligen Homopolarmaschine zwei
Ständerblechpakete vorgesehen sind, die mit den axial beabstandeten und
um 90° zueinander verdrehten Gleichpolpaaren, die auf einer
weichmagnetischen Welle ange ordnet sind, kommunizieren, ist also
bei der erfindungsgemäßen Homopolarmaschine nur
ein Ständerblechpaket vorgesehen. Die erfindungsgemäße
Homopolarmaschine ist zur Spannungserzeugung derart ausgebildet,
dass der magnetische Fluss durch wenigstens eine Erregerwicklung
getrieben wird, eine Welle (zur Lagerung der Gleichpolpaare) axial
durchfließt, in einem Gleichpolpaar radial nach außen
tritt, durch wenigstens ein Ständerstück auf das
Ständerblechpaket konzentriert wird, wenigstens eine Arbeitswicklung
durchfließt, in Umfangsrichtung der Homopolarmaschine zu
einem mit einem weiteren Gleichpolpaar in Verbindung stehenden Abschnitt
des Ständersystems fließt, wenigstens eine Arbeitswicklung durchfließt
und sich über die Welle schließt. Das oder die
Ständerstücke dienen also dazu, den Fluss auf das
Ständerblechpaket zu konzentrieren. Insgesamt ergibt sich
so mit einer entsprechenden magnetischen Leitfähigkeit
des Ständerblechpakets eine gewünschte dreidimensionale
Konzentration des magnetischen Flusses.
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Bei
den bekannten Homopolarmaschinen wird der magnetische Fluss durch
die Erregerwicklungen getrieben, die zwischen den Ständerpaketen außerhalb
der Arbeitswicklungen angeordnet sind, und durchfließt
die Welle axial, um dann in einem Gleichpolpaar radial nach außen
in ein Ständerpaket einzutreten. Über die Länge
der beiden Ständerblechpakete sind Arbeitswicklungen geführt,
die der magnetische Fluss durchfließt. Im Außenjoch,
das die beiden Ständerblechpakete magnetisch verbindet,
fließt der magnetische Fluss nach dem Durchfließen
der Arbeitswicklungen axial und in Umfangsrichtung zum zweiten Ständerblechpaket
und durchfließt wiederum die Arbeitswicklungen, um dann
in das andere Gleichpolpaar einzutreten und sich über die Welle
zu schließen. So kann bei rotierender Welle durch Flussschwankungen
eine Spannung erzeugt werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Homopolarmaschine ist demgegenüber
ein Ständersystem mit nur einem Ständerblechpaket
vorgesehen, auf das mit Hilfe eines oder mehrerer Ständerstücke
der magnetische Fluss konzentriert wird. Hierzu weist das Ständerstück
bzw. weisen die Ständerstücke in Verbindung eine
entsprechende räumliche magnetische Leitfähigkeit
auf, die die Flusskonzentration ermöglicht.
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Die
erfindungsgemäße Homopolarmaschine weist also
beispielsweise wiederum die axial beabstandeten und um 90° gegeneinander
verdrehten Gleichpolpaare auf einer weichmagnetischen Welle auf,
in Ergänzung dazu aber magnetisch leitende Ständerstücke,
die eine derartige Leitfähigkeit aufweisen, dass der magnetische
Fluss konzentriert wird. Hierzu ist ein Ständerblechpaket,
bei dem es sich um das einzige Ständerblechpaket der erfindungsgemäßen
Homopolarmaschine handelt, vorteilhafterweise mit den Ständerstücken
verbunden. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße
Homopolarmaschine wie herkömmliche Homopolarmaschinen Arbeitswicklungen
auf. Zwischen den Gleichpolpaaren befinden sich zweckmäßigerweise
Erregerwicklungen.
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Der
magnetische Fluss wird nun durch die Erregerwicklungen getrieben,
durchfließt die Welle axial, tritt in einem Gleichpolpaar
radial nach außen und wird durch das oder die Ständerstücke
auf nur noch ein Ständerpaket konzentriert. Im Anschluss durchfließt
der magnetische Fluss die Arbeitswicklungen, um dann in Umfangsrichtung
zu dem mit dem anderen Gleichpolpaar kommunizierenden Ständerabschnitt
zu fließen. Die Arbeitswicklungen werden erneut durchflossen,
woraufhin der magnetische Fluss über das Ständerstück
in das andere Gleichpolpaar eintritt. Der Fluss schließt
sich über die weichmagnetische Welle.
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Dies
bietet insgesamt den Vorteil, dass nur noch ein Ständerpaket
benötigt wird. Die Arbeitswicklungen werden bei rotierender
Welle mit einem Wechselfluss beaufschlagt, so dass Spannung erzeugt
wird. Es wird also erfindungsgemäß die Homopolarmaschine
mit einem Wechselpolständer ausgebildet, so dass die bisher üblichen
Flussschwankungen durch einen echten Wechselfluss ersetzt werden.
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Durch
die Verwendung nur noch eines einzigen Ständerpakets ist
ein kompakter Ständeraufbau möglich. Es werden
also mit der erfindungsgemäßen Homopolarmaschine
die Vorteile eines homopolaren Läufers, also eines Läufers,
der keine rotierenden Wicklungen aufweist, wodurch das Drehzahlvermögen
optimiert wird, mit den Vorteilen eines kompakten Wechselpolständers
verbunden.
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Die
Homopolarmaschine kann mehrere Ständerstücke aufweisen.
Diese Ständerstücke können zur Realisierung
eines kompakten Aufbaus entsprechend aufeinander ausgerichtet angeordnet sein.
Die Verwendung mehrerer Ständerstücke erlaubt
eine geeignete Auswahl des Ständermaterials bzw. bei geblechter
Ausführung einer geeigneten Blechung, um die erforderliche
Flusskonzentration auf das eine Ständerblechpaket zu erreichen.
Die Ständerstücke dienen also dazu, gegebenenfalls nacheinander,
den Fluss auf das radial außen gelegene einzelne Ständerblechpaket
zu konzentrieren. Somit stellen die Ständerstücke
die Verbindung zwischen einem Gleichpolpaar, von dem aus der Fluss radial
nach außen tritt, und dem jochnah angeordneten Ständerblechpaket
her. Die Ständerstücke bilden also bezüglich
der Leitung des magnetischen Flusses die Verbindung zwischen dem
Gleichpolpaar und dem Ständerblechpaket mit den Arbeitswicklungen.
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Zweckmäßigerweise
sind das oder die Ständerstücke zur Konzentration
des magnetischen Flusses derart ausgebildet und/oder angeordnet,
dass sich, gegebenenfalls in Kombination mit dem Ständerblechpaket,
eine dreidimensionale magnetische Leitfähigkeit ergibt.
Es besteht also z. B. die Möglichkeit, gegebenenfalls nur
ein Ständerstück zu wählen, das dafür
aber aus einem Material besteht, das von vornherein dreidimensional
magnetisch leitfähig ist. Selbstverständlich können
dreidimensional magnetisch leitfähige Materialien auch
bei Verwendung mehrerer Ständerstücke zum Einsatz
kommen.
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Darüber
hinaus besteht die Möglichkeit, ergänzend oder
alternativ mehrere Ständerstücke so zu verwenden,
dass diese eine aufeinander aufbauende Anordnung derart aufweisen,
dass im Resultat, gegebenenfalls unter Einbeziehung des Ständerblechpakets
eine dreidimensionale magnetische Leitfähigkeit entsteht.
Dies kann durch unterschiedliche Flussführungen in den
einzelnen Ständerstücken, beispielsweise verursacht
durch unterschiedliche Blechungen, realisiert werden.
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Insbesondere
können das oder die Ständerstücke wenigstens
zum Teil aus einem dreidimensional magnetisch leitfähigen
Pulververbundwerkstoff bestehen. Pulververbundwerkstoffe sind weichmagnetische
Werkstoffe, die eine dreidimensionale magnetische Leitfähigkeit
aufweisen. Insgesamt ist jedoch zu berücksichtigen, dass
die magnetischen Eigenschaften von bekannten Pulververbundwerkstoffen
schlechter als die von Dynamoblechen sind. Deswegen ist es überlegenswert,
die Ständerstücke bzw. das Ständerstück
nicht vollständig aus Pulververbundwerkstoff herzustellen,
sondern Kombinationen zu verwenden, bei denen einige Ständerstücke
aus Pulververbundwerkstoffen bestehen, andere hingegen nicht, bzw.
bei denen die Ständerstücke Stücke aus
unterschiedlichen Materialien sind. Pulververbundwerkstoffe sind
weichmagnetische Werkstoffe, bei denen Pulver auf Basis von Eisen-
und Eisenpulverlegierungen mittels eines Binders zu Formteilen oder
Kernen verpresst wird. Durch einen gleichmäßigen
Aufbau mit allseitig isolierten Pulverteilen werden isotrope elektrische
und weichmagnetische Eigenschaften erreicht. Die Pulververbundwerkstoffe weisen
somit dreidimensionale magnetische Eigenschaften auf. Es gibt verschiedene
derartige Pulververbundwerkstoffe, die im Handel erhältlich
sind. Aus den Werkstoffen lässt sich durch Verpressen ein
geeignetes magnetisch dreidimensional leitfähiges Ständerstück
erstellen. Gegebenenfalls können mehrere derartige Ständerstücke
gefertigt werden.
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Des
Weiteren können das oder die Ständerstücke
wenigstens zum Teil geblecht ausgebildet sein. Derartige Dynamobleche
bieten im Vergleich zu bekannten Pulververbundwerkstoffen bessere
magnetische Eigenschaften. Dem steht jedoch der Nachteil entgegen,
dass keine von vornherein gegebene dreidimensionale magnetische
Leitfähigkeit besteht. Dementsprechend ist bei einer zumindest
teilweisen geblechten Ausführung eine Kombinationslösung derart
vorzusehen, dass mehrere geblechte Ständerstücke
mit unterschiedlichen Blechungen verwendet werden bzw. mit Stücken
aus Pulververbundwerkstoffen kombiniert werden, um die erfindungsgemäße dreidimensionale
Leitfähigkeit zur Flusskonzentration auf das Ständerblechpaket
zu erreichen.
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Dementsprechend
können bei einem oder mehreren wenigstens zum Teil geblecht
ausgebildeten Ständerstücken, gegebenenfalls in
Kombination mit dem Ständerblechpaket, Blechungen in unterschiedlichen
Richtungen derart vorgesehen sein, dass sich eine dreidimensionale
magnetische Leitfähigkeit ergibt. Es kann also eine Längsblechung
im Hinblick auf die Maschinenachse verwendet werden, um den Fluss
axial zusammenzuführen. Über eine sich anschließende
Querblechung im radial weiter außen befindlichen Ständerblechpaket
wird der Fluss in Umfangsrichtung der Maschine konzentriert. Dadurch
werden insgesamt alle drei Dimensionen des Raumes zugänglich,
so dass der Fluss in der gewünschten Art und Weise konzentriert
werden kann. Vorteil bei der Verwendung geblechter Ständerstücke im
Zusammenhang mit dem ebenfalls geblechten Ständerpaket
ist die ausschließliche Verwendung magnetisch hochwertiger
Werkstoffe. Gegebenenfalls kann jedoch die Fertigung durch die erforderliche
Abstimmung der einzelnen Ständerstücke aufeinander
z. B. bezüglich ihrer Anordnung vergleichsweise aufwändig
sein.
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Die
erfindungsgemäße Homopolarmaschine kann ein Läufersystem
mit axial beabstandeten und um im Wesentlichen 90° gegeneinander
verdrehten Gleichpolpaaren aufweisen. Diese Gleichpolpaare können
auf einer weichmagnetischen Welle angeordnet sein. Der magnetische
Fluss kann somit die Welle axial durchfließen und in einem
Gleichpolpaar radial nach außen treten. Nach dem Durchfließen
der Arbeitswicklungen tritt der Fluss dann wiederum über das
oder die Ständerstücke in das andere Gleichpolpaar
ein, um sich über die weichmagnetische Welle zu schließen.
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Des
Weiteren kann wenigstens ein Ständerstück mit
dem Ständerblechpaket verbunden sein. Der Fluss wird damit
von diesem Ständerstück in das Ständerblechpaket
eingeleitet. Wenn nur ein Ständerstück vorgesehen
ist, ist dieses zweckmäßigerweise zur Weiterleitung
des Flusses mit dem Ständerblechpaket verbunden. Bei einem
mehrstufigen Aufbau können Ständerstücke
vorgesehen sein, die nur mit anderen Ständerstücken,
aber nicht mit dem Ständerblechpaket verbunden sind. In
diesem Fall wird die Weiterleitung des Flusses über mehrere
Stufen erreicht.
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Die
erfindungsgemäße Homopolarmaschine kann mit wenigstens
einer Arbeitswicklung ausgebildet sein, die zur Spannungserzeugung
mit einem Wechselfluss beaufschlagbar ist. Im Unterschied zu einer
herkömmlichen Homopolarmaschine wird somit bei der erfindungsgemäßen
Homopolarmaschine durch den Wechselpolständer ein Wechselfluss
auf die Arbeitswicklung gegeben.
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Die
Arbeitswicklung bzw. die Arbeitswicklungen können über
die Länge des Ständerblechpakets geführt
sein. Der auf das Ständerpaket konzentrierte Fluss durchfließt
somit die Arbeitswicklungen, um zum mit dem anderen Gleichpolpaar
kommunizierenden Ständerabschnitt weiterzufließen
und erneut die Arbeitswicklungen zu durchfließen.
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Die
Homopolarmaschine gemäß der Erfindung kann mit
wenigstens einer Erregerwicklung ausgebildet sein, die zwischen
den Gleichpolpaaren angeordnet ist. Diese Erregerwicklung kann fest
mit dem Ständersystem verbunden sein. In diesem Fall liegen
also zwischen den Gleichpolpaaren Erregerwicklungen vor, die fest
mit dem Ständer verbunden sind. Bei herkömmlichen
Homopolarmaschinen sind demgegenüber die Erregerwicklungen
zwischen den zwei Ständerpaketen außerhalb der
Arbeitswicklungen angeordnet.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau mit zwischen den Gleichpolpaaren
fest mit dem Ständer verbundenen Erregerwicklungen ermöglicht
bei einem einzigen Ständerblechpaket einen kompakten Aufbau.
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Das
Ständersystem kann zur Konzentration des magnetischen Flusses
einen mehrstufigen Aufbau bilden. Insbesondere kann der Aufbau zweistufig oder
dreistufig sein. Gegebenenfalls sind aber auch mehrstufige wie z.
B. vierstufige Aufbauten denkbar, beispielsweise, um eine Flusskonzentration
in einer Raumrichtung in einer weiteren Stufe fortzuführen. Das
Ständersystem, das einen mehrstufigen Aufbau bildet, kann
ein vollgeblechtes System bzw. ein System sein, bei dem in der einen
Stufe beispielsweise ein Pulververbundwerkstoff zum Einsatz kommt, während
in einer anderen Stufe ein Dynamoblech verwendet wird. Es können
also Kombinationen der Realisierungsmöglichkeiten zur Erreichung
einer dreidimensionalen Leitfähigkeit verwendet werden.
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Insbesondere
kann das Ständersystem eine erste Stufe mit wenigstens
einem Ständerstück aus einem Pulververbundwerkstoff,
eine zweite Stufe mit wenigstens einem geblechten Ständerstück
und eine dritte Stufe mit dem Ständerblechpaket aufweisen.
In diesem Fall kommt also im Ständersystem ein dreidimensional
magnetisch leitfähiges Ständerstück, nämlich
das Ständerstück aus einem Pulververbundwerkstoff
zum Einsatz. Darüber hinaus liegt eine zweite Stufe vor,
in der geblechte Ständerstücke zum Einsatz kommen,
die im Vergleich zu magnetisch leitfähigen Pulververbundwerkstoffen
bessere magnetische Eigenschaften, aber nicht die dreidimensionale Leitfähigkeit
aufweisen. Die dritte Stufe wird mit dem Ständerblechpaket
realisiert, das seinerseits beispielsweise eine Querblechung aufweist,
um den Fluss in Umfangsrichtung zu konzentrieren.
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Eine
entsprechende Flusskonzentration bei einem solchen dreistufigen
Aufbau kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die erste Stufe
zur Aufnahme des magnetischen Flusses von Gleichpolen eines Läufersystems
der Homopolarmaschine und zur Weiterleitung des magnetischen Flusses
in axialer, radialer und in Umfangsrichtung der Homopolarmaschine
zur zweiten Stufe und die zweite Stufe zur Weiterleitung des magnetischen
Flusses in axialer und radialer Richtung mittels wenigstens eines
in Längsrichtung der Homopolarmaschine geblechten Ständerstücks
in die dritte Stufe ausgebildet ist. Der Fluss wird somit axial
verstetigt in das Ständerpaket eingeleitet. Eine derartige
Ausbildung mit einer ersten Stufe aus einem Pulververbundmaterial
in Kombination mit einer wie geschildert ausgebildeten zweiten und
dritten Stufe ermöglicht sehr kurze Wegstrecken im Pulververbundwerkstoff.
Dies ist aufgrund der im Vergleich zu Dynamoblechen schlechteren magnetischen
Eigenschaften des Pulververbundwerkstoffs von Vorteil.
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Des
Weiteren kann ein zweistufiger Aufbau vorliegen, bei dem das Ständersystem
eine erste Stufe mit wenigstens einem geblechten Ständerstück und
eine zweite Stufe mit dem Ständerpaket aufweist, wobei
das Ständerpaket geeignet geblecht ausgebildet ist. In
diesem Fall wird also der Fluss in zwei Schritten konzentriert.
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Dies
geschieht zunächst durch ein geeignet geblechtes Ständerstück
bzw. mehrere derartige Ständerstücke und dann
im Ständerblechpaket. Das Ständerblechpaket ist
hierzu geeignet geblecht, um die Flusskonzentration, die durch das
oder die geblechten Ständerstücke erreicht wurde,
abzuschließen. Beispielsweise kann der Fluss über
die Ständerstücke axial zusammengeführt
werden, um dann im radial weiter außen angeordneten Ständerpaket
in Umfangsrichtung konzentriert zu werden.
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Die
erste Stufe kann somit zur axialen Zusammenführung des
magnetischen Flusses mittels wenigstens eines in Längsrichtung
der Homopolarmaschine geblechten Ständerstücks
und die zweite Stufe zur Konzentration des magnetischen Flusses
in Umfangsrichtung mittels des Ständerpakets, das in Querrichtung
der Homopolarmaschine geblecht ist, ausgebildet sein. Einer voraussichtlich
aufwändigen Fertigung einer derartigen Ausbildung der Homopolarmaschine
steht die vorteilhafte ausschließliche Verwendung magnetisch
hochwertiger Werkstoffe gegenüber.
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Des
Weiteren ist eine dreistufige Ausbildung derart denkbar, dass das
Ständersystem eine erste Stufe und zweite Stufe mit wenigstens
einem geblechten Ständerstück und eine dritte
Stufe mit dem Ständerblechpaket aufweist. In diesem Fall
können also geblechte Ständerstücke in
einer ersten und einer zweiten Stufe angeordnet sein, die unterschiedliche
Blechungen und somit unterschiedliche magnetische Leitfähigkeiten
aufweisen. In diesem Fall durchfließt der Fluss zunächst
die erste Stufe, dann die zweite Stufe und schließlich
das Ständerblechpaket, so dass insgesamt über
drei Stufen die gewünschte Flusskonzentration erreicht
wird.
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Beispielsweise
kann die erste Stufe zur Aufnahme des magnetischen Flusses von Gleichpolen eines
Läufersystems der Homopolarmaschine und zur Konzentration
des magnetischen Flusses in Umfangsrichtung der Homopolarmaschine
mittels wenigstens eines in Querrichtung der Homopolarmaschine geblechten
Ständerstücks auf die Breite wenigstens eines
Ständerstücks der zweiten Stufe und die zweite
Stufe zur Verteilung des magnetischen Flusses in axialer Richtung
der Homopolarmaschine mittels wenigstens eines axial geblechten
Ständerstücks vor der Einleitung des magnetischen
Flusses in die dritte Stufe ausgebildet sein. Bei dieser Ausbildung
handelt es sich wiederum um einen vollgeblechten Aufbau. Ein mit
den Gleichpolen des Läufers korrespondierendes Ständerstück
bzw. mehrere Ständerstücke der ersten Stufe sind
quergeblecht und konzentrieren den Fluss in Umfangsrichtung derart,
dass dieser auf die Breite des anschließenden axial in
Längsrichtung der Maschine geblechten Ständerstücks
konzentriert ist. Damit wird eine gleichmäßige
axiale Verteilung des Flusses erreicht, ehe dieser in das Ständerpaket
eingeleitet wird. Auch hier kommen bei einer eventuell relativ aufwändigen Fertigung
vorteilhafterweise nur magnetisch hochwertige Werkstoffe zum Einsatz.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben
sich anhand der folgenden Ausführungsbeispiele sowie aus
den Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1A einen
Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Homopolarmaschine mit einem einzigen Ständerblechpaket,
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1B einen
Querschnitt zur 1A mit einer Ansicht auf das
erste Gleichpolpaar,
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1C einen
Querschnitt zur 1A in der Maschinenmitte,
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2A und 2B einen
Längs- und Querschnitt durch eine erfindungsgemäße
Homopolarmaschine mit einem dreistufigen Aufbau und einer Pulververbundstufe,
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3A und 3B einen
Längs- und Querschnitt durch eine Homopolarmaschine mit
einem zweistufigen Aufbau und
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4A und 4B einen
Längs- und Querschnitt durch eine Homopolarmaschine mit
einem dreistufigen vollgeblechten Aufbau.
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In
der 1A ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Homopolarmaschine 1 mit einem einzigen Ständerblechpaket 2 gezeigt.
Die Homopolarmaschine 1 weist des Weiteren ein erstes Gleichpolpaar 3 sowie
ein zweites Gleichpolpaar 4 auf, die axial beabstandet
und um 90° gegeneinander verdreht sind. Die Gleichpolpaare
sind, um eine Rotation zu ermöglichen, auf einer weichmagnetischen
Welle 5 angeordnet.
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Zur
Spannungserzeugung wird der magnetische Fluss zunächst
durch die Erregerwicklung 6 getrieben, woraufhin er die
weichmagnetische Welle 5 axial durchfließt. Danach
tritt er in einem Gleichpolpaar 3, 4 radial nach
außen und wird durch das Ständerstück 7 auf
das eine Ständerpaket 2 konzentriert. Der magnetische
Fluss durchfließt daraufhin die Arbeitswicklung 8 und
fließt in Umfangsrichtung zu den mit dem anderen Gleichpolpaar 3, 4 kommunizierenden
Ständerabschnitt. Daraufhin wird wieder die Arbeitswicklung 8 durchflossen,
und der Fluss tritt über das Ständerstück 7 in
das andere Gleichpolpaar 3, 4 ein und schließt
sich über die weichmagnetische Welle 5.
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Auf
diese Weise werden die Arbeitswicklungen 8 einer erfindungsgemäßen
Homopolarmaschine bei rotierender weichmagnetischer Welle 5 mit
einem Wechselfluss beaufschlagt, wodurch Spannung erzeugt wird.
Das zweite Ständerblechpaket, das bei herkömmlichen
Homopolarmaschinen unentbehrlich ist, entfällt, mit dem
Vorteil, dass die erfindungsgemäße Homopolarmaschine 1 einen
kompakten Ständeraufbau wie bei einer Wechselpolmaschine
aufweist. Weitere in der 1A gezeigte
Bauteile der Homopolarmaschine 1 wie z. B. die Schrauben 9 sind
für das Funktionsprinzip der Homopolarmaschine 1 nicht entscheidend,
so dass eine weitere Beschreibung dieser den mechanischen Zusammenhalt
gewährleistenden Bauteile entfallen kann.
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Die 1B zeigt
einen Querschnitt zur 1A mit einer Ansicht auf das
erste Gleichpolpaar 3. Zu erkennen ist des Weiteren die
Erregerwicklung 6, die zwischen den Gleichpolpaaren 3, 4 fest
mit dem Ständer verbunden ist. Radial weiter nach außen
sind die Wickelköpfe der Arbeitswicklung 8 zu
erkennen. Die Wickelköpfe der Arbeitswicklung 8 verdecken
das Ständerstück 7 zumindest teilweise.
Radial weiter außen ist das Ständerblechpaket 2 angeordnet.
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In
der 1C ist ein weiterer Querschnitt zur 1A in
der Maschinenmitte der Homopolarmaschine 1 gezeigt. Zu
erkennen ist wiederum die Erregerwicklung 6 sowie radial
weiter außen die Arbeitswicklung 8. Zum einzigen
Ständerblechpaket 2 führt das Ständerstück 7,
um dadurch den magnetischen Fluss auf das Ständerblechpaket 2 zu
konzentrieren. Im Innenbereich ist die weichmagnetische Welle 5 zu erkennen.
Der mechanische Zusammenbau der Homopolarmaschine 1 erfolgt
unter anderem mit Hilfe der Schrauben 9.
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Die 2A und 2B zeigen
einen Längs- bzw. Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße
Homopolarmaschine 10. Diese Homopolarmaschine 10 weist
wiederum eine Erregerwicklung 11 sowie eine Arbeitswicklung 12 auf.
Der Läufer ist auf einer weichmagnetischen Welle 13 gelagert.
Die beiden Polpaare sind mit den Bezugszeichen 14 und 15 bezeichnet.
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Die
Homopolarmaschine 10 weist einen dreistufigen Aufbau des
Ständersystems auf. Dieser zeichnet sich aus durch ein
Ständerstück 16 aus einem Pulververbundwerkstoff,
das den magnetischen Fluss von den Gleichpolen 14, 15 des
Läufers übernimmt und ihn axial, radial und in
Umfangsrichtung an ein weiteres Ständerstück 17 führt.
Dieses weitere Ständerstück 17 ist axial
geblecht, also in Längsrichtung der Homopolarmaschine 10,
wodurch es den Fluss axial und radial führen kann. Dadurch
wird der Fluss axial weiter verstetigt und so in das radial außen
liegende Ständerblechpaket 18 eingeleitet. Das Ständerblechpaket 18 ist
seinerseits quergeblecht, um den Fluss in Umfangsrichtung zu führen.
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Durch
den dreistufigen Aufbau der Homopolarmaschine ist es möglich,
die Wegstrecken für den magnetischen Fluss im Pulververbundwerkstoff
kurz zu halten.
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Dies
ist deshalb vorteilhaft, weil die magnetischen Eigenschaften von
Pulververbundwerkstoffen schlechter als die von Dynamoblechen sind.
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In
den 3A und 3B sind
ein Längs- und Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße
Homopolarmaschine 19 mit einem zweistufigen Aufbau, der
keine Pulververbundstufe umfasst, gezeigt. Dargestellt sind die
Erregerwicklung 20 sowie die Arbeitswicklung 21 und
verschiedenen Schrauben 22, die die Konstruktion zusammenhalten.
Die Polpaare sind mit den Bezugszeichen 23 bzw. 24 bezeichnet.
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Der
Ständeraufbau der Homopolarmaschine 19 ist vollgeblecht.
Der Fluss wird in zwei Schritten konzentriert. Das mit den Gleichpolen
bzw. den Gleichpolpaaren 23, 24 kommunizierende
Ständerstück 25 ist längs der
Maschinenachse der Homopolarmaschine 19 geblecht und führt
den Fluss axial zusammen. Im zweiten Schritt wird der Fluss im quergeblechten
Ständerblechpaket 26 als zweite Stufe in Umfangsrichtung
konzentriert. Dadurch ist es möglich, bei einer räumlichen
Flusskonzentration unter Verwendung nur noch eines Ständerblechpakets 26 dennoch
ausschließlich magnetisch hochwertige Werkstoffe, also
Dynamobleche, zu verwenden.
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In
den 4A und 4B ist
schließlich eine weitere erfindungsgemäße
Homopolarmaschine 27 dargestellt, die einen vollgeblechten
dreistufigen Aufbau aufweist. Gezeigt sind wiederum ein Längs- und
ein Querschnitt. Auf einer weichmagnetischen Welle 28 ist
der Läufer der Homopolarmaschine 27 angeordnet.
Des Weiteren sind die Erregerwicklung 29 sowie die Arbeitswicklung 30 gezeigt.
Die Gleichpolpaare tragen die Bezugszeichen 31 bzw. 32. Über ein
erstes Ständerstück 33, das quergeblecht
ist, wird der Fluss von den Gleichpolen des Läufers in
Umfangsrichtung auf die Breite des anschließenden axial
geblechten Ständerstücks 34 konzentriert.
Dieses ermöglicht die gleichmäßige axiale
Verteilung des Flusses, ehe er in das quergeblechte Ständerblechpaket 35 eingeleitet
wird, in dem er in Umfangsrichtung weiter konzentriert wird.
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Auch
bei dieser Homopolarmaschine 27 kommen ausschließlich
magnetisch hochwertige Werkstoffe zum Einsatz. Wesentlich für
die erfindungsgemäßen Homopolarmaschinen wie die
Homopolarmaschine 27 ist also die Verwendung eines einzigen
Ständerblechpakets wie des Ständerblechpakets 35,
die dadurch ermöglicht wird, dass die Ständerstücke
insgesamt, beispielsweise die Ständerstücke 33 und 34,
und gegebenenfalls in Verbindung mit dem Ständerblechpaket 35,
dreidimensional leitfähig sind. Die dreidimensionale Leitfähigkeit kann
durch Pulververbundmaterialien erreicht werden. Des Weiteren ist
eine dreidimensionale Leitfähigkeit dadurch zu erreichen,
dass Ständerstücke bzw. Ständerblechpakete
verwendet werden, die unterschiedliche Blechungen aufweisen, so
dass der magnetische Fluss insgesamt durch eine entsprechende Anordnung
unterschiedlich geblechter Stücke dreidimensional weitergeleitet
bzw. konzentriert wird. Dadurch können die Vorteile einer
Homopolarmaschine, insbesondere bezüglich des unbewickelten
Läufers, mit denen einer Wechselpolmaschine mit ihrem kompakten
Ständeraufbau verbunden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 06351212
A [0004]
- - DE 2230378 A [0005]
- - DE 1563180 A [0006]