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Permanenterregte elektrische Maschine mit einem Dauermagnetblöcke
enthaltenden Läufer Es sind bereits mehrfach elektrische Maschinen vorgeschlagen
worden, bei denen Permanentmagnete im Läufer verwendet werden. So sind beim sogenannten
Permasynmotor radial magnetisierte AlNiCo-Magnete von einem Blechkranz mit Anlaufkäfig
umgeben, wobei jeweils zwei der Magnetblöcke pro Polpaar in Serie liegen. Diese
Anordnung setzt die Verwendung von AlNiCo-Magneten hoher Remanenz voraus, um wirtschaftliche
Luftspaltinduktionen zu erreichen.
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Wegen ihrer Preiswürdigkeit und sehr hohen Koerzitivfeldstärke sind
Dauermagnete auf der Basis von Metalloxyden, wie z. B. Bariumferrit, für den Elektromaschinenbau
besonders interessant. Nachteilig ist jedoch ihre kleine Remanenz in der Größenordnung
von 3000 bis 4000 Gauß. Um Luftspaltinduktionen zu erreichen, wie sie bei elektrisch
erregten Maschinen üblich sind, werden deshalb relativ große Permanentmagnetquerschnitte
benötigt, deren räumliche Unterbringung im Läufer elektrischer Maschinen jedoch
bisher noch nicht befriedigend gelöst wurde. Es wurden zwar Maschinen mit wechselpolig
axial magnetisierten Magnetringen, die stirnseitig am Läuferpaket angeordnet sind,
sowie solche, bei denen die Permanentmagnete in Schlitzen, die die einzelnen Pole
voneinander trennen, eingeklemmt sind, vorgeschlagen, doch ergab sich bei allen
diesen Anordnungen, daß der erreichbare Permanentmagnetfluß relativ zum vom Ständer
aufgebrachten elektrisch erregten Wechselfluß zu klein ist. Um den entmagnetisierenden
Beanspruchungen gewachsen zu sein, mußten gleichzeitig relativ große Magnetlängen
vorgesehen werden.
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Vorliegende Erfindung schlägt nunmehr eine Anordnung vor, bei der
unter Verwendung von keramischen Dauermagneten sowohl große Permanentmagnetflüsse
erreicht werden, als auch gleichzeitig die entmagnetisierenden Beanspruchungen begrenzt
werden und damit die Notwendigkeit zur Verwendung extrem langer Permanentmagnete
entfällt. Sie erreicht dies dadurch, daß die Dauermagnete zwischen Blechsegmenten,
aus denen das Läuferpaket besteht, eingebaut sind derart, daß die Flußdurchtrittsflächen
der Dauermagnetblöcke, von denen jeweils wenigstens zwei parallel geschaltet sind,
parallel zu Tangenten der Motorwelle verlaufen, während zwischen den Blechsegmenten
des Läuferpaketes Spalte bildende Trennfugen von definierter Breite zur Ausbildung
eines Streuflusses vorgesehen sind, die jeweils von einer Seitenkante jedes Magnetblockes
ausgehend sich insbesondere zur Welle hin erstrecken. Der erhebliche wirtschaftliche
Vorteil hierbei besteht darin, daß durch den großen Permanentmagnetfluß eine sehr
gute Modellausnutzung erreicht wird, im Fall eines Synchronmotors der Motor auch
bei großem Schwungmoment gut synchronisiert und schließlich durch Begrenzung der
Permanentmagnetlänge und damit der Werkstoffmenge insgesamt ein preiswürdiges Erzeugnis
ermöglicht wird.
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Es ist zwar ein Läufer bekannt, der parallel geschaltete Dauermagnetblöcke
mit Zwischenspalten enthält, jedoch sind hierbei die Magnete innerhalb eines geschlossenen
Blechpaketringes angeordnet. Eine Schwächung des Querflusses wird bei dieser Ausführung
kaum oder nur geringfügig erzielt, während beim Gegenstand der Erfindung die magnetischen
Widerstände im Querpfad durch die Anordnung der bis nahe an den Rand des Läuferpaketes
reichenden Magnete und der Spalte sehr groß sind.
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Weitere Erfindungsgedanken enthalten die im folgenden an Hand der
Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiele. Dabei zeigt F i g. 1. den Läufer einer
vierpoligen Synchronmaschine im Querschnitt, F i g. 2 einen Längsschnitt durch diesen
Läufer mit Ständer, F i g. 3 und 4 Läuferschnitte einer zweipoligen und sechspoligen
Ausführung, F i g. 5 bis 7 Einzelheiten der Streupfadgestaltung, F i g. 8 bis 10
Blechschnitte der Läufer nach den F i g. 1, 3 und 4 und F i g. 11 eine Läufervariante
in perspektivischer Ansicht.
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In F i g. 1 ist W die Läuferwelle aus unmagnetischem Werkstoff. Das
Läuferpaket besteht aus Blechsegmenten 1, 2, 3 und 4, welche Dauermagnetblöcke
5, 6, 7 und 8 allseitig umgeben. Die Segmente besitzen Ausnehmungen
9 für die Aufnahme der
Käfigstäbe 10 sowie Ausnehmungen 11
für das axiale Vernieten oder Verschrauben der Segmente zum Läuferpaket. Die Abmessungen
der Segmente und der Permanentmagnete sind so gewählt, daß nach dem Zusammenbau
des Läufers zwischen den Segmenten Trennfugen 12 verbleiben, die sich von
der einen Seitenkante der Magnete zur Welle hin erstrecken. Ferner verbleiben zwischen
der anderen Seitenkante der Magnete und dem entsprechenden Blechsegment kleine Trennfugen
13. Diese Trennfugen sind mit unmagnetischem Material, wie beispielsweise Buntmetall,
ausgefüllt, um die Abmessungen der Trennfugen zu gewährleisten. Diese Abmessungen
sind wichtig, da die Trennfugen 12 die Bildung eines Streuflusses ermöglichen. In
den Fugen 13 soll die unmagnetische Auskleidung zusätzlich verhindern, daß bei der
spanabhebenden Läuferoberflächenbearbeitung der Stahl nicht in das keramische Dauermagnetmaterial
hineinläuft. Es ist aus F i g. 1 ersichtlich, daß jeweils zwei Blockmagnete parallel
geschaltet sind, so daß sich trotz der Verwendung von keramischen Dauermagneten
mit relativ kleiner Remanenz große Permanentmagnetflüsse (1),v ergeben, die zu einer
wirtschaftlichen Luftspaltinduktion führen. Neben den Nutzflüssen (hN können über
die Trennfugen 12 Streuflüsse fließen. Durch diese Streuflüsse tritt zwar ein Verlust
am Permanentmagnetfluß bei Nennbetrieb auf, jedoch kann dies ohne weiteres in Kauf
genommen werden, weil andererseits der Streufluß von großer Wichtigkeit für die
Begrenzung der auf die Permanentmagnete einwirkenden Entmagnetisierungsbeanspruchungen
ist. Wenn z. B. beim Synchronisieren eines permanenterregten Synchronmotors der
Ständerfluß und der Permanentmagnetfluß in Opposition geraten, müssen sich beide
Flußkomponenten über den Streupfad zwängen. Ist der magnetische Leitwert des Streupfades
zu klein, so kann der vom Ständer aufgebrachte Gegenfluß eventuell die Flußrichtung
im Permanentmagnet umkehren und damit die vollständige Entmagnetisierung herbeiführen.
Folglich spielt der Streupfad eine wesentliche Rolle und soll einerseits so bemessen
sein, daß im Nennbetrieb der Streufluß möglichst klein ist, andererseits aber bei
Auftreten einer Gegenmagnetisierung in der Lage sein, sowohl den vom Ständer herrührenden
Fluß wie auch den Permanentmagnetfluß so abzuleiten, daß der Dauermagnet nicht entmagnetisiert
wird. Die der Erfindung zugrunde liegende Bauweise ermöglicht es nun, die Streuwege
so zu gestalten, daß sich optimale Betriebsverhältnisse ergeben. In F i g. 5, 6
und 7 sind verschiedene Varianten über die Streupfadgestaltung angegeben. In F i
g. 6 z. B. der Leitwert des Streupfades gegenüber dem in F i g. 5 durch Abschrägung
des Spaltes 14 halbiert, d. h., es kann nur ein kleiner Streufluß fließen. In F
i g. 7 ist im magnetischen Pfad des Haupt- und Streuflusses ein magnetischer Engpaß
16 durch Erweiterung des Spaltes 15 eingefügt. Hierdurch wird z. B. der Nutzfluß
im Leerlauf durch die Eisensättigung im magnetischen Pfad begrenzt auf einen Wert,
wie er bei der Normalausführung gemäß F i g. 5 erst bei Nennbetrieb auftreten könnte.
Durch entsprechende Abstimmung des Ouerschnittes des magnetischen Engpasses zum
Streuwegleitwert ist es möglich, permanentmagneterregte Synchrongeneratoren zu bauen,
die ihre Spannung zwischen Leerlauf und Nennlast nur relativ geringfügig ändern.
In F i g. 2 ist der Läufer gemäß F i g. 1 mit 17
bezeichnet und der ihn umgebende
Ständer mit 18. 10 sind, wie schon oben erwähnt, die aus Aluminium gespritzten Käfigstäbe,
die in dem Kurzschlußring 19 auslaufen. Wahlweise ist auch die Verwendung eines
Kupferkäfigs möglich. Diese Kurzschlußringe sind so bemessen, daß die Dauermagnete
axial gegen ein Herausfallen aus den Blechsegmenten gesichert sind und gleichzeitig
der gesamte Läufer zusätzlich zur Axialnietung der Bleche mechanisch zusammengehalten
wird. 20 ist ein Kurzschlußzwischenring nach Art von Staffelläufern, und die Nutschlitze
21 der beiden Pakethälften sind gegeneinander um eine halbe Nutteilung versetzt.
Im Innern des Kurzschlußzwischenringes 20 befindet sich, wie aus F i g. 11 ersichtlich
ist, eine Scheibe 22 aus unmagnetischem Material, mit welcher die Blechsegmente
des Läufers durch Niete 23 verbunden sind und die zum Zusammenhalten der beiden
Läuferhälften dienen soll. Um elektrisch und magnetisch gleichartige Verhältnisse
bei Rechts- und Linkslauf der Maschine zu halten, ist in F i g. 11 die eine Pakethälfte
relativ zur anderen um 180- (bei vierpoliger Anordnung) gedreht.
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In F i g. 3 ist entsprechend der Darstellung eines vierpoligen Läufers
gemäß F i g. 1 ein zweipoliger und in F i g. 4 ein sechspoliger Läufer gezeigt.
Die diesen drei Ausführungen entsprechenden Blechsegmente zeigen die F i g. 8 bis
10, nämlich F i g. 8 ein Segment für vierpolige, F i g. 9 ein Segment für zweipolige
und F i g. 10 ein Segment für sechspolige Ausführung. Die Segmente sind so gestaltet,
daß sie entweder um die Läuferwelle herum- oder gegenseitig etwa schwalbenschwanzförmig
ineinandergreifen, so daß sie einmal die Dauermagnetblöcke fest einklemmen und zum
anderen diese als auch sich selbst gegen ein Auseinanderfallen durch Fliehkraftwirkung
sichern.