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Dauermagneterregte Synchronmaschine mit ausgeprägten Polen Um beim
Entwurf von elektrischen Maschinen eine wirtschaftlich befriedigende Ausnutzung
der aktiven Baustoffe und kleine Maschinenabmessungen zu erzielen, müssen im Luftspalt
Induktionen von 7000 bis 10000 Gauß, abgesehen von ganz kleinen Modellen, im Normalbetrieb
erreicht werden. Bei durch Dauermagnete erregten Synchronmaschinen ist dieses selbst
unter Verwendung von sehr teurem Dauermagnetmaterial mit magnetischer Vorzugsrichtung
nur teilweise möglich. Es ist daher viel wirtschaftlicher, für die Polkerne weniger
hochwertiges Magnetmaterial zu verwenden und diesen eine parallel zur Maschinenachse
größere Ausdehnung als dem induzierten Teil zu geben und durch Weicheisenpolschuhe
den magnetischen Fluß in Luftspalthöhe zu konzentrieren. Damit können im Luftspalt
die gewünschten Induktionswerte erreicht werden.
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Die Anordnung von Weicheisenpolschuhen hat aber den Nachteil, daß
sich der Querfluß, der im wesentlichen von Polschuhkante zu Polschuhkante verläuft,
ungestört ausbilden kann. Dadurch werden die bekannten Erscheinungen der Verzerrung
der Flußform, der Schwächung des Flusses infolge Sättigung unter einer Polschuhkante
und erhöhter Eisenverluste ver ursacht, so daß unter Umständen der Luftspalt vergrößert
werden muß, womit die Modellausnutzung erneut zurückgeht.
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Abhilfe schaffen hier auch nicht solche Maßnahmen, wie sie bei Gleichstrommaschinen
mit Dauermagneterregung bekanntgeworden sind. Danach bestehen die Polschuhe aus
Weicheisen mit quer zur Querflußrichtung geführten Luftschlitzen oder Nuten. Wenn
auf diese Weise auch eine gewisse Schwächung des Querflusses erzielt wird, so bleibt
doch der Nachteil bestehen, claß in den Schlitzzonen erhebliche Einsenkungen der
Induktion auftreten. Dadurch treten beträchtliche Oberflächen- und Zahnpulsationsverluste
im Anker auf.
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Eine Verringerung der Schlitzbreite unter ein gewisses Maß ist aber
nicht möglich, weil damit der gewünschte Effekt, den Querfluß zu schwächen, entfallen
würde. Es treten ferner in den Polschuhen selbst Oberflächenverluste auf, die durch
die Ankernutung verursacht werden. Diese können nur durch teure Zusatzmaßnahmen,
wie Eindrehen von Rillen oder Einlegen von besonderen Blechpaketen, in gewissem
Umfange gesenkt werden. Infolge dieser Verluste ist die Höhe der zulässigen Luftspaltinduktion
beschränkt. Falls sie höher gewählt wird, muß der Luftspalt größer gehalten werden,
womit aber der Bedarf an Dauerlnagnetmaterial höher und die Maschine teurer wird.
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Es ist zwar bei elektrisch erregten Maschinen bekannt, die Nachteile
der Ausbildung eines starken Querflusses dadurch zu vermeiden, daß der gesamte im
Induktor liegende Teil des magnetischen Kreises aus parallel zur Hauptflußrichtung
und senkrecht zur Richtung des Querflusses liegenden Schichten aufgebaut wird. Dabei
folgt auf eine Schicht guter magnetischer Leitfähigkeit, z. B. Dynamoblech, eine
solche schlechter magnetischer Leitfähigkeit, z. B. Blech aus Nichteisenmetall.
Doch liegt für die Übertragung dieser Maßnahmen auf Maschinen mit an den Luftspalt
heranreichendem Dauermagnetmaterial des Induktors kein vorteilbringender Grund vor.
Infolge des geringen magnetischen Leitwertes, den die neueren Dauermagnetwerkstoffe
aufweisen - z. B. beträgt bei Al Ni-Legierungen der magnetische Leitwert nur 1/100
bis 1/100o desjenigen von Weicheisen bei durchschnittlichen Induktionswerten -,
liegen für den Durchtritt des Querflusses durch das Dauermagnetmaterial keine günstigeren
Bedingungen vor als in der Schichtung.
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Demgegenüber zeigt die Erfindung einen Weg, wie man trotz Verwendung
von Weicheisenpolschuhen eine starke Abschwächung des Querflusses, trotz Verwendung
von Dauermagnetmaterial als Polkernmaterial eine hohe Luftspaltinduktion und trotz
Anordnung eines Dämpferkäfigs einen einsenkungsfreien Induktionsverlauf über dem
Polbogen auf verhältnismäßig einfache Weise erzielt. Die Lösung besteht darin, daß
auf die Polkerne aus Dauermagnetmaterial Polschuhe mit gegen den Luftspalt sich
verjüngendem Querschnitt gesetzt sind, welche aus abwechselnd magnetisch gut und
schlecht leitenden, senkrecht zur Richtung des Querflusses liegenden Metallschichten
bestehen, von denen die schlecht leitenden Metallschichten stirnseitig über die
Polschuhränder ungefähr bis auf volle Polbreite herausgeführt und von Pol zu Pol
durch Kurzschlußbügel verbunden und somit zu einem Kurzschlußkäfig zusammengefaßt
sind.
Die sich daraus ergebenden Vorteile gegenüber den bekannten
Ausführungen sind folgende: Durch die Unterdrückung des Querflusses entfallen weitgehend
die Feldverzerrung im Luftspalt und die dadurch bedingten zusätzlichen Eisenverluste.
Ebenso entfallen Induktionseinsenkungen längs des Polbogens und damit Eisenverluste,
die durch diese hervorgerufen werden. Desgleichen fallen infolge der sehr feinen
Schichtung Verluste im Polschuh fort.
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Mit der Unterdrückung des Querflusses wird gleichzeitig der Anteil
des Reaktionsmoments am Gesamtmoment stark gesteigert, d. h. die Kippleistung erhöht.
Die Senkung der Verluste und das Fehlen der Feldverzerrung geben die Möglichkeit,
auch die durch die Erwärmung gegebene Dauerleistung zu erhöhen. Das gelingt dadurch,
daß die Induktion im Luftspalt größer als üblich gemacht werden kann, ohne dabei
den Luftspalt vergrößern zu müssen. Das aktive Material im Ständer wird also voll
ausgenutzt, wobei der Durchflutungsaufwand im Polrad und damit die Menge des benötigten
Dauermagnetmaterials niedriger als ohne diese Maßnahmen liegt.
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Bei der nach der Erfindung vorgesehenen stirnseitigen Verbindung der
nichtmagnetischen Schichten werden von diesen neben ihrem Zweck, den Querfloß zu
schwächen, gleichzeitig auch die Aufgaben eines Anlauf- und Dämpferkäfigs übernommen.
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Die Zeichnung veranschaulicht in Fig. 1 und 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel.
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Bei dem dargestellten Innenpoltyp trägt der induzierte Teil 1 der
Maschine die Wicklung 2. Auf die mit dem Polrad 3 verbundenen Polkerne 4 aus Dauermagnetmaterial
sind die Polschuhe 5 mit gegen den Luftspalt hin sich verjüngendem Querschnitt aufgesetzt.
Sie bestehen, wie die in Fig.2 dargestellte Seitenansicht besonders deutlich zeigt,
aus abwechselnd magnetisch gut und schlecht leitenden Metallschichten, die senkrecht
zur Richtung des Querflusses liegen. Von diesen sind die magnetisch schlecht leitenden
Metallschichten stirnseitig über die Polschuhränder ungefähr bis auf die volle Polschuhbreite
herausgeführt und von Pol zu Pol durch die Kurzschlußbügel7 verbunden und somit
zu einem Kurzschlußkäfig zusammengefaßt.
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Der magnetische Querfloß, der in der Zeichnung durch die mit Pfeilen
versehenen Linien 6 dargestellt ist und der von der Querkomponente der Ständerdurchflutung
erregt wird, muß nach Überwindung des Luftspaltes praktisch durch sämtliche der
dunkel gezeichneten, nicht magnetisierbaren Schichten hindurchtreten. Dabei wird
er erheblich geschwächt, und zwar gleichmäßig über den gesamten Polbogen. Auch der
Weg durch das Dauermagnetmaterial ist nicht günstiger infolge der schlechten magnetischen
Leitfähigkeit desselben. Die Induktion im Luftspalt kann trotz der nach oben begrenzten
Induktion des Magnetmaterials infolge der Verjüngung des Querschnittes und durch
die Verwendung von Weicheisenblechen als leitende magnetisierbare Schichten auf
einen für die betrieblichen Eigenschaften optimalen Wert erhöht werden. Durch die
starke Unterdrückung des Querflusses und die hohe Induktion im Luftspalt kann somit
die Maschine ein hohes Reaktionsmoment aufbringen.
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Weiterhin werden durch die feine Schichtung der Polschuhe Einsenkungen
der Induktion, wie sie üblicherweise an Stellen geringer magnetischer Leitfähigkeit
auftreten, vermieden und damit auch die daraus resultierenden Oberflächen- und Zahnpolsationsverluste
im Läufereisen. Eine Nutung üblicher Art, etwa in Gestalt von Luftschlitzen zur
Unterdrückung des Querflusses, oder das Anbringen von Wicklungs- und Dämpferstabnuten,
die die genannten Einsenkungen der Induktion verursachen, entfällt hier, da, wie
bereits erwähnt, die magnetisch nichtleitenden Schichten als Dämpferstäbe mitbenutzt
sind. Auch die durch die Ankernutung verursachten Wirbel-Stromverluste im Polschuh
fallen fort, weil der von einer Wirbelstrombahn in einem einzelnen Dynamoblech umschlossene
Fluß zu klein ist, um bei seiner Änderung merkliche Wirbelströme verursachen zu
können.
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Durch die Heranziehung der nicht magnetisierbaren Bleche zur Bildung
eines Dämpfer- und Anlaufkäfigs entfallen aber nicht nur die Nachteile der Ankernutung.
Vielmehr kann man unter Ausnutzung der Querschnittsverjüngung der Polschuhe gegen
den Luftspalt hin die Breite des Dämpferkäfigs kleiner als üblich halten.