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Elektrische Axialluftspaltmaschine Die Erfindung bezieht sich auf
eine elektrische Axialluftspaltmaschine, deren dünner, ringförmiger, verformbarer
Scheibenläufer eine Ankerwicklung aus dünnen, innig auf seinen beiden Flächen haftenden
Flachleitern trägt, wobei diese Wicklung sich in einem schmalen magnetischen Luftspalt
dreht, der wenigstens auf einer Seite von einem Kranz aus permanenten Magnetpolen
begrenzt ist, und bei welcher die Verbindung der Läuferscheibe mit dem Abtrieb durch
einen außerhalb des Luftspalts angeordneten, am Außenumfang der Läuferscheibe angreifenden
Träger erfolgt, mit Mitteln zur Stabilisierung der dünnen Läuferscheibe im Betrieb.
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Axialluftspaltmaschinen dieser bekannten Art ergeben den Vorteil,
daß der Luftspalt sehr schmal gehalten werden kann, weil die Dicke des Läufers praktisch
nur durch die Dicke der Flachleiter bestimmtist. Man erhält dadurch einen guten
Wirkungsgrad der Maschine. Andererseits ergibt sich aber das Problern, daß sich
der Scheibenläufer unter der Wirkung von Wärinespannungen, elektromagnetischen Kräften
oder Zentrifugalkräften im Betrieb verformen kann, so daß er an den im geringen
Abstand davon angeordneten Ständerteilen anschlägt oder schleift, wodurch einerseits
der Betrieb der Maschine beeinträchtigt wird und andererseits die Gefahr einer Beschädigung
oder Zerstörung des Scheibenläufers entsteht.
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Bei einer bekannten Maschine der eingangs angegebenen Art sind daher
am inneren Rand des ringförmigen Scheibenläufers auf beiden Seiten Führungsglieder
angebracht, die auf der Läuferscheibe schleifen und dadurch den inneren Rand in
einer bestimmten Ebene halten. Zur Verminderung der Reibung können diese Führungsglieder
mit Kugeln oder mit einer Graphitschmierung versehen sein. Diese Lösung ergibt jedoch
den Nachteil, daß zusätzliche reibende Glieder an der Läuferscheibe angreifen. Außerdem
können damit Verformungen und Verwerfungen der Läuferscheibe in dem zwischen den
Magnetpolen liegenden mittleren Abschnitt nicht mit Sicherheit verhindert werden.
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Bei elektrischen Axialluftspaltmaschinen, bei denen die Verbindung
mit dem Abtrieb nicht durch einen außerhalb des Luftspalts angeordneten, am Außenumfang
der Läuferscheibe angreifenden Träger erfolgt, sondern die Läuferscheibe am inneren
Rand unmittelbar mit der Welle verbunden ist, ist es auch bekannt, die Läuferscheibe
während des Betriebs durch die auftretenden Zentrifugalkräfte zu stabilisieren,
während für die Stabilisierung im Ruhezustand ein fester, elektrisch isolierender
Baustoff mit geringern Reibungskoeffizienten zu beiden Seiten der Läuferscheibe
in den Luftspalt eingebracht ist. Diese Lösung ist jedoch nur dann befriedigend,
wenn die Maschine möglichst lange mit gleichföriniger, sehr hoher Drehzahl läuft,
denn bei jedem Stillsetzen der Maschine tritt eine Verformung des Läufers und ein
Schleifen auf dem reibungsarmen Baustoff ein, was bei sehr häufiger Wiederholung
eine unvermeidliche Abnutzung mit sich bringt. Bei niedrigen Drehzahlen ist außerdem
die Zentrifugalkraft für eine ausreichende Stabilisierung der Läuferscheibe unzureichend.
Nun werden aber Axialluftspaltmaschinen dieser Art gerade wegen des geringen Drehrnoments
der rotierenden Teile vorzugsweise für Schrittsteuerantriebe, Servoantriebe und
ähnliche Zwecke verwendet, bei denen die Maschine oft angelassen und stillgesetzt
wird und mit niedrigen Drehzahlen läuft. Im übrigen entfällt bei dieser bekannten
Lösung weitgehend wieder der wesentliche Vorteil, der durch die Verwendung sehr
dünner Läuferscheiben erzielt werden soll, denn der Luftspalt der Maschine wird
um die Dicke des reibungsannen Baustoffs vergrößert.
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Ferner ist es bei Maschinen, deren Läuferscheiben am inneren Rand
mit der Welle verbunden sind, auch bekannt, den äußeren Rand der Läuferscheibe durch
einen massiven Ring oder durch eingeprägte ringförmige Wellungen zu versteifen.
Diese Lösung setzt aber voraus, daß die Läuferscheibe bereits so stark ist, daß
sie nicht nur sich selbst, sondern auch die am äußeren Umfang angebrachten Versteifungsmittel
trägt. Bei Läuferscheiben, die so dünn sind, daß sie sich nicht selbst tragen und
daher besonders stark zu
Verformungen und Verwerfungen neigen, können
offensichtlich solche Verformungen und Verwerfun-Joren durch am äußeren Umfang angebrachte
Versteifungsringe oder Versteifungswellungen nicht verhindert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer Maschine
der eingangs angegebenen Art, die so ausgebildet ist, daß auch bei Verwendung sehr
dünner und verformbarer ringförmiger Läuferscheiben Verwerfungen und Verformungen
der Läuferscheibe im Betrieb selbst dann mit Sicherheit verhindert werden, wenn
die Maschine mit niedrigen Drehzahlen oder mit häufigen Unterbrechungen betrieben
wird.
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Nach der Erfindung wird dies bei der eingangs vorausgesetzten Anor
* dnung dadurch erreicht, daß der am Umfang der Läuferscheibe angreifende
Träger auf die Läuferscheibe sowohl im Betrieb, als auch im Ruhezustand der Maschine
eine starke, im wesentlichen gleichförmig über den Umfang verteilte, radial nach
außen gerichtete Spannung ausübt.
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Bei der nach der Erfindung ausgeführten Maschine kann die Läuf6rscheibe
ohne Gefahr eines Verwerfens oder einer'Verformung der Wicklung außerordentlich
dünn gehalten werden, so daß auch der Luftspalt entsprechpnd eng sein kann. Die
Dicke des Luftspalts ist praktisch nur durch die Dicke der Flachleiter bedingi,
da keine zusätzlichen Stoffe in den Luftspalt eingebracht - werden müssen.
Die Läuferscheibe wird durch die darauf ausgeübte Spannung bei allen Drehzahlen
und sogar im Stillstand stets in ihrer eigenen Ebene gestrafft gehalten, so daß
Verwerfungen und Verformungen infolge der im normalen Betrieb auftretenden Wärinespannungen,
elektromagnetischen Kräfte oder dynamischen Kräfte mit Sicherheit verhindert werden.
Das Drehmoment und der Wirkungsgrad-'der Maschine werden durch die zur Stabilisierung
angewendeten Mittel in keiner Weise verringert, und auch das Trägheitsmoment des
Läufers bleibt von diesen Stabilisierungsmitteln unbeeinflußt, da ja dQr zur Ausübung
der Spannung dienende Träger ohnedies zum Zweck der übertragung des Drehmornents
auf den Abtrieb vorhanden sein muß.
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Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Träger ein
elastisches ringförmiges Teil ist, das unter Vorspannung am Außenumfang der Läuferscheibe
angeklebt ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind am Außenumfang
der Läuferscheibe Öffnungen angebracht, in welche Finger eines ringförmigen Teils
eingreifen, die zur Erzeugung der Spannung unter einer nach außen wirkenden Spannkraft
stehen.
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Diese Finger können entweder an einem elastischen, ringförmigen Teil
gebildet und unter Vorspannung des Teils in die Öffnungen eingesetzt sein oder von
einem konischen Ring getragen werden, wobei dann ein Klemmring vorgesehen ist, der
die Finger in radialer Richtung auseinanderdrückt.
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Bei einer nach der Erfindung ausgeführten Maschine ist der Rotoranker,
der durch eine doppelseitig auf einen dünnen isolierenden Ring aufgedruckte Wicklung
gebildet ist, in einem Träger befestigt, der ihm von seinem äußeren Umfang aus eine
starke radiale Spannung erteilt, die insofern »isotropisch« ist, als sie sich im
wesentlichen gleichförmig entlang jedem Radius des Wicklungsträgerrings erstreckt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch die Hälfte einer Axialluftspaltmaschine mit
einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ankerbefestigung, F i
g. 2 die Stimansicht eines Teils einer Ankerscheibe, die bei der Maschine
von F i g. 1 verwendet werden kann, F i g. 3 eine Stirnansicht eines
Teils einer anderen Ausführungsforin einer Ankerscheibe zur Verwendung bei der Maschine
von F i g. 4, F i g. 4 einen Schnitt durch die obere Hälfte einer
Axialluftspaltmaschine mit einer anderen Ausführungsform der Ankerbefestigung und
F i g. 5 einen Schnitt durch die Hälfte einer Axialluftspaltmaschine mit
einer weiteren Ausführungsform der Ankerbefestigung.
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F i g. 1 zeigt einen als Läuferscheibe ausgebildeten Anker
1, dessen Wicklung aus Leitern besteht, die auf einen dünnen isolierenden
Träger aufgedruckt sind. Beispielsweise kann der elektrotechnische Wicklungsverlauf
der Darstellung von F i g. 2 und 3 entsprechen, die eine achtpolige
Wellenwicklung mit 41 Leitern pro Seite zeigen. Jeder Leiter besteht aus
einem
im wesentlichen sadial verlaufenden Mittelabschnitt 14, der an beiden Enden in geneigte
Ab-
schnitte 15 und 17 übergeht (die gegebenenfalls auch gekrümmt
sein können). Diese geneigten Abschnitte enden in Kontaktstücken 16 bzw.
18, welche zur Her7 stellung von Verbindungen zwischen der einen#,und der
anderen Seite dienen, beispielsweise in! - t Hilfe von metallisierten Löchern
19 und.20. Die Neigungen der Abschnitte 15 und 17 sind auf
den beiden Seiten einander entgegengesetzt, wie in F i g. 2 -und
3
gestrichelt angedeutet ist, so daß durch die Ausbildung der. Verbindungen
19 und 20 der Wicklungsverlauf geschlossen wird. Hinsichtlich der Form der
Leiter, der Art der Verbindungen und der Wahl der Polzahl und der Leiterzahl können
alle möglichen Ausführungsforinen gewählt werden (einschließlich des Ersatzes der
Wellenwicklung durch eine Schleifenwicklung), ohne daß dies einen Einfluß auf die
Realisierung der Erfindung hat, da die Beschaffenheit und die Ausführung der Wicklung
für die Erfindung ohne Bedeutung ist; maßgeblich ist lediglich die Tatsache, daß
die Wicklung so dÜnn ist, daß sie für sich allein keine ausreichende mechanische
Steifigkeit besitzt.
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Bei der dargestellten Maschine ist die Ankerscheibe nicht unmittelbar
mit einem an der Welle der Maschine angebrachten Trägerelement befestigt, also etwa
an einer Nabe 6 (F i g. 1 und 4), sondern es ist zwischen die Ankerscheibe
und diese Nabe 6 der Welle 7 (F i g. 1) bzw. der Welle
25 (F i g. 4) ein elastischer Träger eingefügt, der eine Umfangsspannung
erzeugt, die im wesentlichen gleichförmig um den Umfang der Ankerscheibe
1 verteilt ist, so daß diese kräftig gespannt wird, wodurch jede Möglichkeit
eines Flatterns des Ankerrings bei seiner Drehung verhindert wird. Dieser elastische
Träger besteht aus Klauen oder Fingern, die in den entsprechend geformten Rand einer
Scheibe 4 (F i g. 1) bzw. 23 (F i g. 4) eingeschnitten sind. Diese
Scheibe ist mit ihrem Innenrand an der Nabe 6 der Welle befestigt. Die Scheibe
braucht nicht dick zu sein, da sie durch Rippen 5 ausreichend steif gemacht
werden kann. Die Trägheit des rotierenden Teils wird dadurch nicht merklich vergrößert.
Die Befestigung der Ankerscheibe
1 an den Klauen 4 kann
dadurch erfolgen, daß der Außenrand der ringförmigen Ankerscheibe an diesen Klauen
angeklebt wird, wobei diese während des Klebens geringfügig gewölbt gehalten werden,
damit die endgültige mechanische Spannung ve.-rößert wird. Für die Finaer der Scheibe
23 sind in einem blank gelassenen Teil 21 des isolierenden Trägers
13 der Ankerscheibe öffnungen 22 vorgesehen, welche außerhalb des Kranzes
der Kontaktstücke 18 liegen (F i g. 3). Ein solcher blank gelassener
Ring kann im übrigen auch für das Ankleben bei der Anordnung von F i g. 1
vorgesehen werden.
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Eine derartige Befestigung des Ankers würde eine unzulässige Vergrößerung
des magnetischen Luftspalts mit sich bringen, wenn nicht gleichzeitig vorgesehen
wäre, den magiietisierbaren Ring 3 zwischen dem Anker 1 und der Trägerscheibe
einzufügen. Dieser Einbau erfolgt natürlich, bevor die Scheibe und der Ankerring
am Umfang miteinander verbunden werden. Der Ring 3 dient zum Schließen des
durch die Wicklung gehenden Erregerflusses; er kann beim Zusammenbau der Maschine
an dem Teil 10
(F i g. 1) bzw. an dem Teil 31 (F i
g. 4) befestigt werden, das als Träger für die Magnete 2 und die Bürsten
11 dient. Der Ring 3 könnte auch frei drehbar auf der Welle gelagert
werden. Die Magnete 2 mit ausgeprägten Polen können durch einen Ring aus einem Magnetmaterial
mit großer Koerzitivkraft, beispielsweise Ferrit, ersetzt werden, in welchen permanente
Magnetpole durch eine geeignete Magnetisierunasbehandlung eingeprägt werden.
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Der" mechanische Zusammenbau der Maschine kann durch die in F i
g. 1 oder durch die in F i g. 4 dargestellten Maßnahmen vervollständigt
werden. Bei der Anordnung von F i g. 1 ist das mit dem Teil 10
durch
Querstücke 12 verbundene Teil 8 mit einer Buchse versehen, in welcher Wälzlager
9 angeordnet sind, die die Welle 7 tragen; dadurch wird die axiale
Ausdehnung der Maschine verkürzt. Bei der Maschine von F i g. 4 sind das
Teil 10 und das mit ihm am Umfang wiederum durch Querstücke 12 verbundene
Teil 28 jeweils mit einem Lager 26 bzw. 27 versehen, welche
die durch die Maschine hindurchgehende Welle 25 tragen. Ein Klemmring 24
drückt die Scheibe 23 gegen die Nabe, 6.
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In F i g. 5 ist eine Maschine dargestellt, bei welcher
der Anker 1 von einem Käfig getragen wird, beispielsweise von einer Trommel
31, die mittels Lagern 34 und 35 drehbar auf einer feststehenden Achse
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gelagert ist. Diese Lager sitzen auf Buchsen 36 bzw. 37,
welche auf die mit Keilmiten versehene Achse aufgeschoben sind, und die Trommel
31 ist mit den Lagern über Scheiben 32 und 33 verbunden (die
gegebenenfalls mit Speichen ausgebildet sein können). Auch bei einer solchen Maschine
ist es möglich, den Wicklungsträgerring an seinem Außenumfang gespannt zu halten.
Die Ankerscheibe ist an ihrem Außenumfang mit öffnungen gemäß der Darstellung von
F i g. 3 versehen, in welche Finger eingreifen, die an einem starren Ring
40 angebracht sind. Diese Finger liegen an einem feststehenden Ring 41 an, der beispielsweise
an einer Innenschulter der Trommel 31 angeklebt ist. Der Ring 40 weist eine
konische Fläche auf, die koaxial zur Maschinenachse liegt, und ein konischer Spannring
42 kann in das Innere der Trommel 31 derart eingeschraubt werden, daß an
der Stelle 43 zwischen den Teilen 40 und 42 eine Keilverbindung entsteht. Durch
Anheben der Finger des Rings 40 wird auf den Ankerring eine radiale Spannung ausgeübt.
Die Finger des Rings 40 dringen in den Ring 41 mit einer Kraft ein, die ausreicht,
um in Verbindung mit der durch den konischen Ring 42 bewirl"ten Verbindung den Ankerring
fest mit der Trommel zu verbinden. Die Ankerscheibe könnte auch an dem konischen
Ring 40 festgeklebt werden, so daß nur das Teil 42 die Verbindung zwischen der Trommel
und dem Anker herstellt und zugleich die radiale Spannung des Ankers erzeugt.
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Der Magnetkreis des Erregers enthält Kränze 2 und 3, von denen
wenigstens einer aus magnetischen Erregerpolen besteht. Diese Kränze werden von
den ringförmigen Flanschen der Buchsen 36 und 37 getragen. Die Bürsten
11 schleifen auf dem inneren Rand der Wicklung; deren Anpreßkraft wird in
axialer Richtung durch Widerlager 39 in der dargestellten Weise ausgeglichen.