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Als Motor oder Wechselstromgenerator betreibbare elektrische Maschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine als Motor oder Wechselstromgenerator betreibbare
elektrische Maschine mit auf dem Ständer in Umfangsrichtung abwechselnd angeordneten
festen Erreger- und Ankerpolen gleicher Anzahl und mit einem Läufer, welcher Kraftlinienleitstücke
trägt, deren jedes den zwischen einem Erregerpol und einem Ankerpol liegenden Polbogen
überbrückt.
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Eine bekannte derartige Maschine, die als Zündstromerzeuger für Verbrennungskraftmaschinen
ausgebildet ist, hat auf einem inneren Kreis liegende Ankerpole und auf einem äußeren
Kreis liegende Erregerpole, wobei die Kraftlinienleitstücke im kreisringförmigen
Zwischenraum zwischen den Anker-und Erregerpolen angeordnet sind und etwa eine einem
einzigen Polbogen entsprechende Ausdehnung haben; auf diese Weise überdeckt ein
Kraftlinienleitstück gleichzeitig höchstens je die Hälfte des Polbogens eines Erreger-
und eines benachbarten Ankerpols.
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Ferner ist eine als Dynamo oder Synchronmotor betreibbare elektrische
Maschine bekannt, bei welcher die Erregerpole axial seitlich nach Art von Flanschen
neben dem Anker angeordnet sind und die Kraftlinienleitstücke, in Achsrichtung versetzt,
nur jeweils einen Ankerpol gleichzeitig mit einem Polschuh der als Hohlmagnet ausgebildeten
Erregerpolstruktur überstreichen. Andererseits ist auch ein elektrischer Generator
bekannt, der eine kreissymmetrische Anordnung von außerhalb eines sternförmig ausgebildeten
Kraftlinienleitstücks liegenden Anker-und Erregerpolen aufweist. Durch die Zacken
des Kraftlinienleitstücks werden bei dieser Maschine jeweils gleichzeitig je ein
Schenkel jedes U-förmig ausgebildeten Ankerkerns mit dem diesem diametral gegenüberliegenden
Schenkel eines anderen Ankers verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine des eingangs
beschriebenen Typs derart zu verbessern, daß sie bei einfachem Aufbau der Ständer-
und Läuferstruktur, insbesondere unter Vermeidung der konstruktiven Schwierigkeiten,
die sich bei der Anordnung von in einem Ringspalt zwischen Anker- und Erregerpolen
rotierbaren Kraftlinienleitstücken ergeben, eine optimale Führung des magnetischen
Flusses zwischen entsprechenden Polpaaren bei möglichst geringer Flußpfadlänge und
praktisch momentaner Flußumkehr aufweist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch
gelöst, daß eine gerade Anzahl von Erreger- und Ankerpolpaaren vorgesehen ist, daß
alle Erreger- und Ankerpole unter Bildung einer vollkommen kreissymmetrischen Ständer-Struktur
in Umfangsrichtung direkt nebeneinander auf einem gemeinsamen Kreisbogen liegen
und jedes der Kraftlinienleitstücke in Umfangsrichtung angenähert den von einem
Erregerpol und einem Ankerpol umspannten Bogen überdeckt.
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Auf diese Weise wird eine kürzestmögliche magnetische Überbrückung
zwischen benachbarten Erreger-und Ankerpolen erreicht, wobei einerseits in den Momenten
des maximalen Flußübergangs die vollen Polflächen ausgenutzt werden und andererseits
eine praktisch momentane Flußumkehr unter Erzeugung einer entsprechenden, nahezu
rechteckförmigen induzierten Spannung in den Ankerpolen erzielt wird. Außerdem wird
die gesamte zur Verfügung stehende Umfangsfläche von Ständer und Läufer magnetisch
ausgenutzt.
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Die Kraftlinienleitstücke sind vorzugsweise zur Vermeidung von Streuflüssen
in einem nichtmagnetisierbaren Läufermaterial eingebettet, eine Maßnahme. die an
sich von Klauenpolläufern her bekannt ist, bei denen man ebenfalls mit einer Einbettung
von magnetischen Läuferteilen in ein nichtmagnetisierbares Material arbeitet.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Teilquerschnitt längs der
Linie 1-I von F i g. 2 und F i g. 2 einen Teillängsschnitt längs der Linie Il-II
von F i g. 1 der ersten Ausführungsform mit einem Innenläufer sowie F i g. 3 einen
Teilquerschnitt längs der Linie III-111 von F i g. 4 und F i g. 4 einen Teillängsschnitt
längs der Linie IV-IV von F i g. 3 der zweiten Ausführungsform mit einem Außenläufer.
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Nach den F i g. 1 und 2 besitzt die erste Ausführungsform einen Ständer
S mit acht Polen, von denen die fünf Pole 1 bis 5 sichtbar sind. Die
Pole 2 und 4 sind die Ankerpole, während die Pole 1, 3 und 5 die Erregerpole
sind, welche im betrachteten Ausführungsbeispiel elektromagnetisch erregt werden.
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Der Läufer R hat auf seinem Umfang verteilt eine der Ständerpolpaarzahl
entsprechende Anzahl von magnetisierbaren Ankerteilen, im betrachteten Ausführungsbeispiel
also vier, von denen die Ankerteile 6, 7 und 8 zu sehen sind. Diese Ankerteile haben
im Ouerschnitt die Form von Kreissegmenten, die den Umfang des Läufers bedecken.
Vorzugsweise sind diese Ankerteile aus übereinanderliegenden Weicheisenblechen zusammengesetzt.
Um Streuflüsse außerhalb der Ankerteile weitgehend zu vermeiden, sind diese Ankerteile
in eine elektromagnetische Abschirmung 12 eingebettet, die vorzugsweise aus
einem Aluminiumkörper besteht. Die Größe der Ankerteilsegmente ist derart gewählt,
daß in der in F i g. 1 dargestellten Stellung des Rotors der aus einem Erregerpol
austretende Fluß zu gleichen Teilen auf die Polflächen der beiden benachbarten Ankerpole
gelenkt wird, und zwar derart, daß gerade die beiden dem betreffenden Erregerpol
zugewandten Hälften beider benachbarter Ankerpole den beiden Enden des betreffenden
Ankerteils auf dem Rotor gegenüberstehen, während die beiden anderen Hälften dieser
beiden Ankerpole im Bereich der benachbarten Ankerteile liegen. Der Abstand zwischen
zwei benachbarten Ankerteilen auf dem Umfang des Läufers wird so klein wie möglich
gewählt, um eine optimale Flußführung zu erzielen.
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Im Motorbetrieb der Maschine werden die Ankerpole auf nicht dargestellte
Weise periodisch erregt, und zwar vorzugsweise über eine Halbleiterschaltung, die
kontaktlos über ein mit dem Läufer fest verbundenes Organ in bekannter Weise induktiv,
elektrodynamisch, photoelektrisch oder auf andere Weise gesteuert wird. Die ständig
erregten Erregerpole 1, 3 und 5 haben abwechselnde Polarität. Auf diese Weise
wird bei Drehung des Läufers der aus einem Erregerpol austretende Fluß durch das
diesen Erregerpol passierende Ankerteil jeweils auf die beiden benachbarten Ankerpole
gelenkt, so daß jeder Ankerpol nacheinander zunächst vom Fluß des einen benachbarten
Erregerpols durchsetzt wird und anschließend vom entgegengesetzt gerichteten Fluß
des anderen benachbarten Erregerpols. Auf diese Weise ist die in den Ankerpolen
induzierte Spannung nahezu rechteckförmig, da infolge der Ausbildung und Anordnung
der Ankerteile auf dem Läufer die Flußumkehr in den Ankerpolen nahezu schlagartig
erfolgt.
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Nach F i g. 2 besitzt die Maschine zwei nebeneinander angeordnete
Ständer sowie ebenfalls zwei auf einer gemeinsamen Welle angeordnete Läufer; die
beiden Ständerstrukturen sind winkelmäßig gegeneinander derart versetzt, daß die
in den Bereichen der Spannungsumkehr in jedem Ständer auftretenden toten Zonen vermieden
werden und in jeder Ruhestellung des Doppelläufers ein Selbstanlauf der als Motor
arbeitenden Maschine gewährleistet ist. Im Längsschnitt nach F i g. 2 sind die beiden
Ankerteile 6 der beiden Läufer und ferner der Erregerpol l des einen Ständers sowie
ein Pol des entsprechend versetzten anderen Ständers zu sehen. An Stelle der beiden
Ständer können natürlich auch die beiden Läufer entsprechend gegeneinander derart
versetzt sein, daß tote Zonen für den Doppelläufer vermieden werden. Außerhalb der
dargestellten Ständeranordnung ist die Maschine mit einem bereits erwähnten, nicht
dargestellten elektronischen Kommutator zur periodischen Erregung der Ankerpole
ausgerüstet. Wie in F i g. 2 ferner zu sehen, können die Lager 10 und
11 für die Motorwelle nach innen in den Läuferraum verlegt werden, wodurch
sich besonders kleine axiale Abmessungen der Maschine erzielen lassen. Mittels einer
Turbine 9, die zwischen den beiden Läufern angeordnet ist, wird in Pfeilrichtung
ein Kühlluftstrom durch die Maschine geleitet, der durch die stirnseitige Öffnung
13 eintritt und durch die Öffnung 14 auf der anderen Stirnseite austritt. Der Läufer
kann außerordentlich leicht ausgebildet werden, so daß infolge des sehr geringen
Trägheitsmomentes der bewegten Teile sehr hohe Drehzahlen erzielbar sind.
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Beim Motortrieb der Maschine nach der Erfindung läßt sich die Drehzahl
auf einfache Weise durch stetige Regelung der Erregerspannung für die Erregerpole
stufenlos einstellen. Der mögliche Drehzahlbereich kann außerdem noch dadurch erhöht
werden, daß man die Ankerwicklungen wahlweise in Reihe, parallel oder gemischt in
Reihe und parallel schaltet. Wenn die Möglichkeit einer stetigen Drehzahländerung
keine Rolle spielt, können an Stelle der im Ausführungsbeispiel dargestellten elektromagnetisch
erregten Erregerpole auch Dauermagneten verwendet werden. Die Anordnung dieser Erregerpole
auf dem Ständer ermöglicht die Erzielung einer optimalen Geometrie des magnetischen
Kreises, so daß mit Hilfe geeigneter guter dauermagnetischer Legierungen, die Induktionswerte
bis zu 12 00fl G liefern, wesentlich höhere magnetische Felder erzielt werden können,
als es bei einer Anordnung der Erregerpole auf dem Läufer möglich wäre. Darüber
hinaus läßt sich die Bogenlänge der Erregerpole z. B. auf die Hälfte der entsprechenden
Bogenlänge der Ankerpole verringern, so daß der Wirkungsgrad noch erhöht wird. Als
Motor mit einem durch elektronische Kommutierung synchronisierten Feld und mit Selbstanlauf
ist also die Maschine nach der Erfindung ein vielseitig verwendbarer elektromagnetischer
Wandler mit hohem Wirkungsgrad.
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Beim Generatorbetrieb der Maschine nach der Erfindung läßt sich die
Ausgangsspannung ohne Verwendung von Bürsten bequem dadurch regeln, daß man die
Erregerspannung der elektromagnetisch erregten Erregerpole variiert. Die Anordung
der Erregerpole auf dem Ständer erlaubt außerdem die Erzielung sehr hoher Amperewindungszahlen.
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Durch Verwendung der Maschine nach der Erfindung als Generator mit
zwei oder mehreren gegeneinander versetzten einphasigen Ständern und einer entsprechenden
Zahl von Läufern auf einer gemeinsamen Welle, wie im Fall des Motorbetriebs zur
Erzielung
eines Selbstanlaufs beschrieben, läßt sich auf einfache
und wirkungsvolle Weise eine Mehrphasenspannung erzeugen, wobei die Anzahl der Phasen
der Anzahl der Ständer und die Phasenwinkel den geometrischen Winkeln entsprechen,
um die die Ständer gegeneinander versetzt sind. Während man bei üblichen Mehrphasengeneratoren
die einzelnen Phasenwicklungen auf einem Ständer in verhältnismäßig komplizierter
Weise unterbringen muß, kann ein Mehrphasengenerator nach der Erfindung aus einfachen
und gleichartigen Einphasenständern aufgebaut werden.
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Ein Zweiphasengenerator ist z. B. besonders gut als Ladegenerator
für eine Fahrzeugbatterie geeignet, wobei die Zweiphasigkeit der Spannung die Wechselstromkomponente
nach der Gleichrichtung verringert. Auf den Polen der Maschine können an sich bekannte
Kurzschlußringe angeordnet werden, die zur Unterdrückung der durch die Ankerrückwirkung
erzeugten Wechselflußkomponente dienen.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung, die besonders bei großen
Maschinen aus Gründen einer guten Raumausnutzung vorteilhaft ist, zeigen die F i
g. 3 und 4. Hier sind Ständer- und Läuferaufbau vertauscht: Die Ständeranordnung
S ist im Zentrum der Maschine angeordnet und wird von einem Außenläufer R umgeben.
Diese Umkehrung der Anordnung von Ständer und Läufer erlaubt es, den Raum in Achsennähe
besser ausnutzen zu können. Nach F i g. 4 ist der Rotor R in Form einer Trommel
ausgebildet, welche über den Steg 16 auf der Welle 17 befestigt ist. Wie im Fall
des ersten Ausführungsbeispiels hat die Maschine wiederum zwei Ständer und zwei
auf einer gemeinsamen Welle angeordnete Läufer, wobei die Ständer bzw. die Läufer
derart in geeigneter Weise gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß tote Zonen
für den Läufer vermieden und damit ein Selbstanlauf der Maschine bei Motorbetrieb
bzw. die Erzeugung einer Zweiphasenspannung bei Generatorbetrieb erzielt werden.
In F i g. 3 ist die gegen den Ständer 18 versetzte Lage des anderen Ständers 19
gestrichelt dargestellt.
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Die im Innenraum der Läufertrommel angeordnete Ständeranordnung weist
zwei Ständer 18 und 19 auf, die mittels der die Motorwelle 17 umgebenden Trägerteil
22 und 23 an den beider. Motorflanschen 20 und 21 befestigt sind. Die magnetisierbaren
Ankerteile 24 bzw. 25 auf den beiden Läufern haben in diesem Fall eine halbmondförmige
Gestalt und sind in den Läuferkörper eingebettet, der vorzugsweise aus Aluminium
besteht. Der Läufer ist von einem zylindrischen Außengehäuse 26 umgeben, das an
den Flanschen 20 und 21 befestigt ist. Durch Öffnungen im zentralen Steg 16 des
Läufers kann ein Kühlluftstrom geleitet werden, der von nicht dargestellten, an
der Läufertrommel angeordneten Lüfterschaufeln erzeugt wird.
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Die Ausführungsform mit Außenläufer erlaubt eine wesentliche Dimensionsverringerung
der für den Ständer erforderlichen Stanzblechteile und Blechpakete.