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Elektrodynamische Maschine mit scheibenförmigem, axialem Luftspalt
Die Erfindung betrifft eine elektrodynamische Maschine mit scheibenförmigem, axialem
Luftspalt, an einem Stirnende des Läuferkörpers angeordneten Polflächen und im Läufer
in Längsrichtung des Läufers angeordneten Permanentmagneten zur Erzeugung eines
umlaufenden Magnetfeldes. Der Erfindung gemäß besteht der Läuferkörper aus einem
vor dem Einsetzen der Magnete geformten, vorzugsweise geschmiedeten Material, wie
Aluminium oder Aluminiumlegierung hoher elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer
Festigkeit. Es umgibt die aus hochwertigem, magnetischem Material hergestellten
Magnete im wesentlichen in ihrer ganzen Länge vollständig, so daß elektrische Leitwege
genügenden Querschnitts und eine sichere Abstützung der Magnete ohne zusätzliche
Hilfsmittel gewährleistet sind. Vorzugsweise kann der Läuferkörper aus einer Legierung
aus Aluminium, Magnesium und Kupfer bestehen. Die Polschuhflächen, von denen der
Kraftlinienfluß ausgeht, liegen vorteilhaft i:in wesentlichen in einer Ebene. Der
Läuferkörper kann mit einem Flansch versehen. werden, der die Po:lschuhanordnung
am Umfang umgibt und gegen die Wirkung der Zentrifugalkraft abstützt. Mit Vorteil
können die dem Luftspalt zugewandten Stirnseiten der den Magneten zugeordneten Polschuhe
sich in entsprechend geformten Aussparungen einer am Läuferkörper befestigten Platte
befinden, welche mindestens zwischen den Polschuhen aus nicht magnetisierbarem Material
besteht. Der Läuferkörper kann von einem zur Verstärkung dienenden Mantel umgeben
sein. Dieser Mantel kann beispielsweise aus gewundenem, mechanisch festem Draht
bestehen. Zur Begünstigung des Magnetflusses können die Polschuhe außen zylindrische
Ansätze besitzen, die sich auf die Außenfläche des Läuferkörpers erstrekken.
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Bekannt sind sogenannte Magnetos, d. h. kleine elektromagnetische
Maschinen, die beispielsweise zur Fahrradbeleuchtungdienen. Bei ihnen besitzt der
Läufer parallel zur Drehachse angeordnete. Dauermagnete, die von einem oder zwei
Jochen ,gehalten werden. Die Joche umgeben die Magnete nicht in deren ganzer Länge,
so daß sie auch nicht als Kurzschlußsteuerungswege dienen können. Die Ausführung
ist primitiv und nur für kleine elektrodynamische Maschinen mit verhältnismäßig
geringer Umfangsgeschwindigkeit geeignet. Für :große Maschinen und hohe Umfangsgeschwindigkeiten
reicht die Festigkeit des Läuferkörpers nicht aus. Das Erfinderische gegenüber diesen
Ausführungen liegt in der Erkenntnis, daß man ; Generatoren mit scheibenförmigem
Luftspalt und zur Läuferachse etwa parallelen Permanentmagneten auch in großen Ausführungen
mit verhältnismäßig hohen Umfangsgeschwindigkeiten ausführen kann, wenn man den
Läuferkörper aus einem Material hoher mechanischer Festigkeit und in einer solchen
Form herstellt, daß die Magnete in ihrer ganzen Länge in ihm eingebettet sind. Diese
Ausführung ist auch besonders vorteilhaft, da hierbei .der Läuferkörper gleichzeitig
als Kurzschl.ußsteuerungsweg, d._ h. also als magnetischer Nebenschluß dienen kann,
wenn man für ihn entsprechendes Material wählt. Wenn der zur Aufnahme der Magnete
dienende, z. B. geschmiedete Läuferkörper erfindungsgemäß vor dem Einsetzen der
Magnete fertig geformt, also auch mit zur Aufnahme der Magnete dienenden. Hohlräumen
versehen wird, bietet sich noch der besondere Vorteil, daß man bei der Auswahl des
zur Herstellung der Magnete dienenden, hochwertigen, magnetischen Materials freier
ist, da die Magnete beim Einfügen in den Läuferkörper dann Wärmewirkungen nicht
mehr ausgesetzt sind. Die Lagerung der in Längsrichtung es Läufers angeordneten
Magnete ist besonders sicher, da die Zentrifugalkraft quer zu ihrer Längsrichtung
wirkt.
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Die bei Starkstrommaschinen aus dem Kurzschlußstrom, der Überlast
und der variablen Last entstehenden Probleme werden durch die Ausbildung des Läufers
gemäß Erfindung in besonders guter Weise gelöst, und zwar durch den Anschluß der
Permanentmagnete an eine sie im wesentlichen in ihrer ganzen Länge umgebende elektrisch
gut leitende Masse. Auch in geschmiedetem Material lassen sich die zur Aufnahme
der Magnetstäbe dienenden zylindrischen oder prismatischen Ausnehmungen ohne weiteres
und mit genügender Genauigkeit herstellen. Jeder Verlust an Magnetismus ist beim
Einsetzen der Magnetstäbe in solche Ausnehmungen mit Sicherheit ausgeschlossen.
Die
sichere Abstützung der Magnete ergibt den Vorteil, daß mau zu ihrer Herstellung
nicht auf Materialien angewiesen ist, die besonders .gute mechanische Festigkeitseigenschaften
aufweisen, aber in magnetischer Beziehung schlecht-sind, im Gegensatz z. B. zu dem
bei Starkstromgeneratoren mit besonderen Vorteilen für die Magnete anwendbaren,
hochwertigen magnetischen Material, wie z. B. im Handel unter dem Namen Alnico V
bekannten Material. Bei letzterwähntem Material ist eine gute Abstützung wegen der
geringeren mechanischen Festigkeit besonders wesentlich. In den Zeichnungen sind
beispielsweise vorteilhafte Ausführungsfomen des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 und 2 einen perrriänentmagnetischen Motor üblicher
Art mit radialem -Luftspalt zum Vergleich; Fig. 3 bis 15 zeigen Ausführungsformen
der Erfindung. -Aus verschiedenen bekannten Gründen benutzen bekannte Bauarten von
Motoren oder Generatoren einen Rotor und Stator, in welchen der Magnetfluß von der
zylindrischen Fläche .des Rotors zur gegenüberliegenden zylindrischen Fläche des
Stators durch einen sehr kleinen Luftspalt hindurchfließt. Diese Bauart macht es
möglich, die Armatur- und die Feldkonstruktion aus gestanzten Blechen herzustellen,
wobei die Zahl der Bleche und die sich ergebende Dicke des Blechstapels von dem
Konstrukteur gewählt werden kann, um die Kapazität des Generators zu ändern. Diese
Konstruktion aus gestanzten Blechen ist sehr billig. Die Anker- und Feldwicklung
wird in üblicher Weise in Schlitze des Blechstapels eingelegt. Für elektromagnetische
Generatoren vereinigt diese Konstruktion die Vorteile des billigen Aufbaus und Zusammenbaus,
mechanische Festigkeit und Anpaßbarkeit an wechselnde Kapazität.
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Dieselbe Bauart ist bisher für Generatoren mit permanentem Magnetfeld
benutzt worden. -Dabei wurde ein rotierendes Feld benutzt, bei welchem die Magnetströme
durch einen zylindrischen Luftspalt flossen. Bei einer solchen Bauart, 'besonders
wenn .die Zahl der Pole niedrig ist, z. B. 2; 4- oder 6, ist es schwierig, geeignete
Magnetlängen und Schutzkonstruktionen auszubilden, ohne ein wirksames Verhältnis
zwischen Polabmessung und axialer Länge zu stören. Da die Magnetschutzkonstruktionen
und die Polschuhe dazu neigen, aus der umgebenden Konstruktion in radialer Richtung
nach -außen zu gleiten, ist es notwendig, Befestigungsvorrichtungen genügender Festigkeit
zu benutzen, um sie gegen die Zentrifugalkräfte an Ort und Stelle zu halten.
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Fig. 1 und 2 zeigen- eine Konstruktion dieser Art für einen vierpoligen
-Generator mit permanentem Magnetfeld; Gehäuse und Lager sind nicht dargestellt.
1 ist der Stator oder -der Anker (Wicklung nicht dargestellt). - Mit 2 sind die
-Feldpolflächen bezeichnet. 6 ist ein vierkantiger Weichstahlmaguetflußleiter für
die Magnete 4. Die Teile 5 sind nichtmagnetisierbare Abstandsstücke zwischen den
Polflächen 2, und 3 bezeichnet gegossenes Aluminium, das die verbleibenden Lücken
ausfüllt und einen Stromleitungsweg bildet, um bei der Abschirmung der Magnete u.
dgl. beim Tragen der Konstruktion mitzuwirken.
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Gemäß der Erfindung wird eine besondere Bauart benutzt, die für einen
ebenflächigen oder axialen Luftspalt geeignet ist. Diese Bauart ist nur bei Anwendung
eines permanentmagnetischen rotierenden Feldes vorteilhaft.
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-In Fi.g. 3 bis 6 ist eine -Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Bei dieser liegen die Polflächen 8 des Rotors auf einer ebenen Fläche, welche der
ebenen Arbeitsfläche des Stators fi gegenüberliegt. Die für den Stator und die Wicklung22
desselben anwendbaren Konstruktionen erfordern keine nähere Erläuterung. Der ebene
Luftspalt gestattet eine Bauart des nachfolgend zu beschreibenden Rotors, die in
vielfacher Weise für die speziellen Bedürfnisse der permanenten Magnetfeldausbildung
geeignet ist.
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Bei Permanentmagnetgeneratorausbildungen ist es bekannt, daß die Magnete
9 von einem Weg hoher elektrischer Leitfähigkeit umschlossen sein müssen, der insbesondere
dazu bestimmt ist, den magnetischer. Zustand der Magnete gegen Überladung und Kurzschlußwirkungen
zu schützen. Gemäß der Erfindung dient dieser Aufgabe der geschmiedete Duraluminiumblock
10, der mit Aussparungen zur Aufnahme der zylindrischen Magnete 9 versehen ist.
Der Leitweg ist mit 11 bezeichnet. Diese Bauart erfüllt nicht nur diese wesentliche
Aufgabe, sondern .dient auch als mechanisches Aufbaustück für den Rotor. Der Querschnitt
außerhalb der Magnete dient zugleich als elektrischer Leiter mit großem Querschnitt
und geringem Widerstand und als Ring mit großem Querschnitt und hoher mechanischer
Festigkeit zur Aufnähme der remanenten Ladung des Magneten und seiner eigenen-Mässe.
Die Querschnittsteile unmittelbar zwischen den Magneten dienen auch als elektrischer
Leiter und weiterer mechanischer Träger. Bekanntlich weisen das im Handel mit Alnico
V bezeichnete Magnetmaterial und andere hochwertige magnetische Materialien sehr
geringe mechanische Festigkeit auf und können beträchtliche mechanische Belastungen
nur als Druck aufnehmen. Bei der- der Erfindung entsprechenden Bauart- ist der Magnet
voll abgestützt und trägt auch sein eigenes Gewicht vollständig durch Druck. Die
Abstützung wird verbessert, wenn die Magnete genau zylindrisch -gestaltet sind und
in di;-Aussparungen des Hauptkörpers eingepreßt oder eingeschrumpft werden.
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Die Polschuhe können so geformt sein, wie es in Fig. 5 .dargestellt
ist. Hier bilden sie eine zusammengesetzte Platte mit Polflächen 8, Dampferwicklung
15 und geeigneten nicht magnetisierbaren Metallabstandsstücken 16, welche die mechanische
und elektrische Wirkung der Teile 15 ersetzen oder an ihnen teilhaben können. Die-
ganze Bauart sorgt für die Wirkung der Polschuhe- in bezug-auf den Stator und bildet
außerdem einen Magnetflußweg für die Magnete; wenn der --Generator auseinandergenommen-und
der-Rotor vom Stator abgenommen ist. Dies-Konstruktion kann zu einem selbsttragenden
Ganzen verschweißt oder verlötet werden, die durch die Welle zentriert und in bezug-
auf die Magnete durch Verbindungsschrauben öder -stäbe 12, Fig. 3, zusammengehalten
wird. Diese =Stäbe dienen lediglich dem Zusamm-enhalten, werden aber -durch die
bei hoher Geschwindigkeit erzeugten Zentrifugalkräfte nicht belastet; gegebenenfalls
kann die Polflächenkonstruktion auch ohne Verschweißung oder nur teilweise selbsttragend
ausgeführt- werden und ausschließlich oder zusätzlich durch einen Flansch 13 des
Aluminiumkörpers gehalten werden.
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Als Rückleiter dient eine gegen die Enden der Magnete anliegende Platte
14 aus weichem magnetisierbarem Stahl. Diese Platte braucht auf ihrer äußeren Fläche
nicht eben zu sein, sie braucht auch nicht kreisförmig begrenzt zu sein, sie muß
aber geeignete Form und Dicke besitzen, um den Magnetfluß mit einem Minimum an Gesamtgewicht
zu leiten. Die Platte ist in der Lage, ihre eigene Zentrifugalbelastung zu
tragen.
Gegen die Magnete wird sie durch die Verbindungsstäbe oder -schrauben gehalten,
ähnlich wie die Polschuhe. Die Stäbe bestehen vorteilhaft aus nicht magnetisierbarem
Stahl hoher Festigkeit, wie z. B. rostfreiem oder hochmagnesiumhaltigem Stahl.
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Die Abmessungen der Luftspaltfläche pro Pol sind durch bekannte Bedingungen
bestimmt. Da diese Form in keiner Weise von .der Länge der Magnete abhängt, wird
es möglich, die Magnetlänge für optimale Konstruktionserfordernisse zu wählen.
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Der Hauptaluminiumkörper kann aus zwei oder mehr scheibenförmigen
Platten gebildet werden, die Ende an Ende angeordnet sind, falls das Material in
großer Stärke nicht erhältlich ist oder falls die Herstellung in dieser Art geeigneter
erscheint. Die Benutzung mehrerer Stücke schwächt die mechanische Festigkeit in
keiner Weise und mindert auch die Leitfähigkeit in dem wesentlichen Kreisstromwege
nicht.
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Auch Schmiededuraluminium ist für diesen Körper benutzt worden, ebenso
ist Material mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit benutzbar.
Hierzu gehören andere Aluminium- und Magnesiumlegierungen, Beryllium-Kupfer und
sonstige Kupferlegierungen. Gegebenenfalls kann ein Teil der mechanischen Festigkeit
des Hauptkörpers in eine um die zylindrische Fläche gelegte Drahtbindung 17, Fig.
7 und 8, gelegt werden oder in einen sonstigen äußeren Mantel oder eine Röhre18,
Fig. 9 und 10, vorteil.haftaus nicht magnetisierbarem Stahl hoher Festigkeit. In
diesem Fall kann das innere Material im Querschnitt schwächer oder gegebenenfalls
aus elektrisch hochleitfähigem Material geringen Gewichtes und geringer Festigkeit
gewählt werden, wie z. B. aus reinem Aluminium, Aluminiumlegierungen mit hohem Aluminiumanteil,
Magnesiumlegierungen u. dgl.
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Die Fähigkeit der Palschuhkonstruktion zur Bildung eines geeigneten
Nebenweges für den Magnetfluß, für den Fall, daß der Rotor ausgebaut ist, ist offenbar
gegeben durch die Tatsache, daß die verfügbare radiiale Tiefe erheblich größer ist
als die Dicke des Magnetes, daß die .axiale Länge der Magnete und infolgedessen
ihre magnetomotoriSche Kraft von der Wahl ,des Konstrukteurs abhängig ist, ungestört
von anderen Baufaktoren, und daß die Verlängerung der Polschuhe auf der zylindrischen
Fläche des Hauptkörpers möglich ist, wie in Fig. 11 gezeigt. Derartige Nebenwege
haben eine andere wesentliche Bedeutung. Wie bekannt, ist es bei laufendem Motor
und auftretendem Kurzschlußstrom notwendig, daß der den normalen Arbeitsmagnetfluß
erheblich übersteigende Magnetfluß von den Polschuhen abgeleitet wird. Ein Teil
dieses Flusses entsteht im Stator und wird durch den Luftspalt hindurch in die Polschuhe
geführt. Im allgemeinen bietet der Stator unter diesen Umständen keinen Weg für
den Feldstrom. Auch der Magnetkörper muß so wenig wie möglich beeinflußt werden
und seine normale Magnetflußabgabe fortsetzen. Infolgedessen müssen die Polschuhe
als Flußweg für große Magnetflußbeträge dienen, ohne daß diese in den Stator oder
die Magnete eintreten. Um dies zu tun, sind sehr große Magnetkräfte konzentriert,
da der verfügbare Weg beschränkt ist.
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Die elektrische Leitfähigkeit, die in den Wegen 11, (Fig. 6) des Hauptkörpers
ausgebildet ist, dient in der Hauptsache dieser sehr großen magnetomotorischen Kraft.
Offenbar wird. diese Kraft gemindert, wenn der Abflußweg leitfähiger ist. Dies erlaubt
eine Minderung .des Leitungsquerschnittes, wodurch an Größe und Gewicht gespart
oder eine größere Magnetisierung des Magnetes erhalten wird. Aus Fig. 11 ist ersichtlich,
daß zum Abströmen dieses Magnetflusses 20 in der Luft 180° in der Papierebene und
.die gesamte zylindrische Oberfläche außerhalb der Polschuhe zur Verfügung stehen.
Zur Verfügung stehen weiter die Nebenwege durch die nicht magnetisierbaren Einsätze
zwischen nebeneinanderliegenden Polschuhen und der Strom hinein: in den Wellenquerschnitt.
Die obenerwähnten Ansätze 19 der Polschuhe, die sich zurück über die Zylinderfläche
des Hauptkörpers erstrecken, wie in Fig. 11 gezeigt, dienen ferner zur Vergrößerung
der zum Streuen dieses Flusses zur Verfügung stehenden Fläche und des dazu zur Verfügung
stehenden Raumes. Die besondere Ausbildung der Konstruktion gemäß Erfindung ergibt
einen geräumigeren und daher besser leitenden Weg als bei den alten Bauarten mit
zylindrischem Luftspalt. Die Wichtigkeit dieses Ableitungsweges kann in der Theorie
des Schutzes der Magnete, mit welcher moderne Permanentmagnetmotoren arbeiten, nicht
überbetont werden.
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Der Magnetquerschnitt der bekannten Bauarten ist rund. Dies ist vorteilhaft,
da es ein Abdrehen. des Hauptkörpers und leichtes Schleifen der Magnete gestattet.
Wenn aber maximaler Magnetquerschnitt mit minimalem Durchmesser erwünscht ist, ist
offenbar eine Form vorteilhaft, die besser Gebrauch von dem zur Verfügung stehendem
Raum macht, wie z. B. der in Fig. 12 gezeigte Querschnitt. Jeder Magnet 9 kann,
wenn .dies vorteilhaft erscheint, aus Stäben von dreieckigem, quadratischem oder
sonstigem Querschnitt aufgebaut werden, die im Gehäuse dicht eingebettet sind.
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In den Figuren ist ein vierpoliger Generator gezeigt, die Bauart ist
aber für jede Zahl von Polen geeignet. Fig. 13 und 14 zeigen einen Rotor für einen
achtzehnpoligen Generator mit Magneteng von rechteckigem Querschnitt. Aussparungen
21 im Körper 10 dienen zur Minderung des Gewichtes der Einheit. Im übrigen ist die
Wirkung wie oben beschrieben.
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Fig. 15 zeigt einen zweipoligen Rotor gemäß Erfindung. Hier sind die
Magnete aus einer Anzahl von Sektoren aufgebaut, da eine zu große Masse von Magnetmaterial
nicht geeignet durch und durch wärmebehandelt werden kann, um seine volle Wirksamkeit
zu erlangen.