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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine in Scheibenbauweise,
deren zwischen Ständer- und Läuferscheibe liegender Luftspalt in axialer Richtung
verläuft und Feldlinienwege unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit aufweist
und deren Wechselstromwicklung in radialen Wicklungsnuten im Ständer liegt, unter
Anwendung einer ringförmigen Erregerwicklung und unter Anwendung von etwa radial
verlaufenden Zähnen und Nuten zur Erzielung von Flußänderungen im Luftspalt. Im
Hauptpatent wurde für eine solche Maschine zwecks leistungs- und wirkungsgradmäßig
günstiger Gestaltung vorgeschlagen, daß die Erregerwicklung innerhalb des Luftspaltbereichs
an der Ständer- oder Läuferscheibe angebracht ist und diese Scheibe am Luftspalt
in einen inneren und einen zu ihm konzentrischen äußeren Scheibenring mit vom Magnetfluß
jeweils in entgegengesetzter Richtung axial durchsetzten Stirnflächen aufteilt.
Weiter wurde diese Maschine derart ausgestaltet, daß sich die Wechselstromwicklung
über den gesamten Luftspaltbereich erstreckt.
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Die radiale Erstreckung der Wechselstromwicklung über den gesamten
Luftspaltbereich kann dadurch erreicht werden, daß bei durchgehendem radialem Verlauf
der Nuten und Zähne die Wechselstromwicklung in Höhe des Durchmessers der Erregerwicklung
von der Wicklungsnut der Stirnfläche des inneren Scheibenteils auf die in Umfangsrichtung
gesehen benachbarte Wicklungsnut der Stirnfläche des äußeren Scheibenringes springt.
Dieses Springen der Wechselstromwicklung berücksichtigt, daß die Flußänderungen
in der inneren und äußeren Zone des Luftspaltes gegensinnig sind. Eine dem Springen
der Wechselstromwicklung von einer Wicklungsnut des inneren Scheibenteils auf die
nächstfolgende Wicklungsnut des äußeren Scheibenteils wirkungsmäßig gleichwertige
Maßnahme besteht auch darin, daß bei durchgehendem radialem Verlauf der Wechselstromwicklung
Nuten und Zähne in Höhe des Durchmessers der Erregerwicklung in Umfangsrichtung
so gegeneinander versetzt sind, daß an dieser Stelle in radialer Richtung an eine
Nut ein Zahn anschließt, oder umgekehrt.
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Bei der Maschine nach dem Hauptpatent muß entweder hingenommen werden,
daß zwischen Ständer und Läufer eine elektromagnetische Kraft wirkt, was konstruktive
Nachteile mit sich bringt, oder es wird auf der dem Ständer abgewandten Seite des
Läufers ein feststehender magnetischer Rückschluß vorgesehen. Bei dieser zweiten
Lösung ergibt sich jedoch ein ungenutzter Luftspalt und damit eine Verminderung
des Wirkungsgrades, und die Erregerwicklung muß im Läufer angeordnet sein, was wegen
der dann schwierigeren Erregerstromzuführung in einigen Anwendungsfällen unerwünscht
ist. ; Die Erfindung will diese Nachteile vermeiden und die Maschine nach dem Hauptpatent
für ein breiteres Anwendungsgebiet geeignet machen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird
für eine solche Maschine mit den eingangs erwähnten Ausgestaltungen erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß insgesamt drei Ständer- und Läuferscheiben vorhanden sind, wobei
die außenliegenden Scheiben mechanisch gleichartig aufgebaut sind, und daß der Magnetfluß
die mittlere Scheibe ohne Rückschluß durchsetzt.
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Als Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die beiden außenliegenden Scheiben
Ständerscheiben sind und daß auf ihnen je eine Wechselstromwicklung derart untergebracht
ist, daß die Wicklungen von an sich bekanntem Wicklungsschema jeweils in radial
verlaufenden Wicklungsnuten an der dem Luftspalt zugekehrten Stirnseite dieser Ständerscheiben
eingelegt sind.
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Die außenliegenden Ständerscheiben der Maschine sind bei derartiger
Anordnung zweier Wechselstromwicklungen nach außen durch Jochbereiche abgeschlossen,
in denen der aus dem inneren Scheibenteil kommende Magnetfluß unter Richtungsumkehr
in den äußeren Scheibenring umgelenkt wird. In diesen Jochbereichen sind die Änderungen
des magnetischen Feldes gering, insbesondere bei größeren Frequenzen. Daher wird
weiter für eine besonders als Mittelfrequenzumformer oder -generator geeignete Bauart
der Maschine vorgeschlagen, daß die Ständerscheiben auf einem Teil ihrer axialen
Länge in der Nähe des Luftspaltes in axialer Richtung geblecht sind, während sich
hieran auf ihren den Luftspalten abgewandten Stirnseiten jeweils ein massiver Rückschlußteil
anschließt. Die Blechung der Scheiben erfolgt vorteilhaft durch das Aufspulen eines
Blechbandes aus geeignetem Material bis zum Erreichen des gewünschten Durchmessers.
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Um einseitige magnetische Zugkräfte auf die mittlere Scheibe der Maschine
zu verhindern, die bei ungleichen Luftspalten auftreten könnten, kann in der mittleren
Scheibe zwischen deren innerem Scheibenteil und deren äußerem Scheibenring eine
amagnetische Trennschicht, beispielsweise in Form eines Ringes aus amagnetischem
Material, vorgesehen sein.
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Da die mittlere Scheibe mit den benachbarten Teilscheiben jeweils
sowohl als Motor als auch als Generator zusammenarbeiten kann, da sowohl die mittlere
Scheibe wie auch die äußeren Teilscheiben feststehen oder rotieren können und da
die Wechselstromwicklungen verschiedene Phasenzahlen haben können, ergeben sich
viele Betriebsarten. Dabei können die Teilscheiben mit verschiedenen Frequenzen
betrieben werden, wenn auf jeder Seite der mitteleren Scheibe eine unterschiedliche
Nut- und Zahnteilung vorgesehen ist. So kann die Maschine in ihrer Ausgestaltung
mit außenliegenden Ständerscheiben als Einanker-Frequenzumformer arbeiten, indem
eine Ständerscheibe mit der mittleren Läuferscheibe zusammen als Motor und die andere
Ständerscheibe mit der Läuferscheibe zusammen als Generator arbeitet. Prinzipiell
ist es jedoch für das Funktionieren der erfindungsgemäßen Maschine auch hier gleichgültig,
welcher Teil feststeht und welcher rotiert.
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Die Erregerwicklung der erfindungsgemäßen Maschine kann im Prinzip
auf jeder Scheibe oder auf mehreren von ihnen angeordnet sein. So ist als eine Ausführungsmöglichkeit
vorgesehen, daß die mittlere Läuferscheibe die ringförmige Erregerwicklung in einer
in den Umfang ihres inneren Scheibenteils eingelassene Nut trägt. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit
besteht demgegenüber darin, daß allein die beiden äußeren Scheiben ringförmige,
in ihrem Durchmesser gleiche Erregerwicklungen tragen. In diesem zweiten Fall werden
die beiden Erregerwicklungen zur Vermeidung magnetischer Unsymmetrien vorteilhaft
in Reihe geschaltet.
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Als weitere Ausgestaltung der als Einanker-Frequenzumformer mit mittlerer
Läuferscheibe arbeitenden Maschine sieht die Erfindung vor, daß die Läuferscheibe
gegenüber der feststehenden Welle gelagert
ist und daß die Welle
in axialer Richtung zur Einstellung der Luftspalte verschiebbar ist. Damit wird
in einfacher Weise eine Einstellung des Verhältnisses der Längen der beiden Luftspalte
zueinander und damit eine Symmetrierung der von den beiden äußeren Ständer-Teilcheiben
auf die mittlere Läuferscheibe einwirkenden magnetischen Kräfte möglich.
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Nachfolgend sollen drei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben werden. Die F i g. 1 bis 3 zeigen eine Maschine mit zwei gleichartigen
außenliegenden Ständerscheiben 10, 11, in denen jeweils eine ringförmige
Erregerwicklung 12,
13 innerhalb des Luftspaltbereichs angebracht ist und
zwischen denen die mittlere Läuferscheibe 14 liegt. Am Beispiel der Läuferscheibe
14 (F i g. 3) ist zu sehen, daß alle Scheiben 10, 11, 14 an den Luftspalten
in einen inneren Scheibenteil 15 und einen äußeren Scheibenring 16 mit jeweils
vom Magnetfluß entgegengesetzt durchsetzten Stirnflächen aufgeteilt sind. Die Ständerscheiben
10, 11 sind mit Wechselstromwicklungen 17, 18 versehen, die in bekanntem
Wicklungsschema radial durchlaufend (F i g. 2) in nicht gezeigten Wicklungsnuten
untergebracht sind. Im Bereich der Wechselstromwicklung 17,18 sind die Ständerscheiben
10, 11 auf einem Teil 19, 20 ihrer axialen Länge geblecht, während
sich hieran nach außen jeweils ein massiver Rückschlußteil 21, 22 anschließt,
dessen Eisenquerschnitt zur Einsparung von unnötigem Baugewicht der betriebsmäßigen
Dichte des strichpunktiert eingezeichneten Flusses (F i g. 1) überall angepaßt ist.
Auf beiden Seiten der Läuferscheibe 14 sind zur Erzielung von Feldlinienwegen unterschiedlicher
magnetischer Leitfähigkeit radiale Zähne 23, 24 und Nuten 25, 26 vorgesehen
(F i g. 3), ; wobei die Nuten 25 und Zähne 23 des äußeren Scheibenringes 16 in Höhe
des Durchmessers der Erregerwicklungen 12, 13 gegenüber den Nuten 26 und Zähnen
24 des inneren Scheibenteils 15 in Umfangsrichtung so versetzt sind, daß hier in
radialer < Richtung an eine Nut 26 ein Zahn 23 anstößt, oder umgekehrt. Innerer
Scheibenteil 15 und äußerer Scheibenring 16 der Läuferscheibe 14 sind durch einen
amagnetischen Ring 27 getrennt, so daß der magnetische Gleichfluß beide Wechselstromwicklungen
17, 18 durchsetzt. Die Läuferscheibe 14 der vorzugsweise als Generator benutzten
Maschine kann über die Welle 28 angetrieben werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den F i g. 4
bis 6 gezeigt. Diese Maschine unter- 5 scheidet sich von der in den vorhergehenden
Figuren gezeigten dadurch, daß hier die Läuferscheibe 29 mit radial durchlaufenden
Zähnen 30 und Nuten 31
(F i g. 6) versehen ist, während die Wechselstromwicklungen
32, 33 in den Ständerscheiben 10, 11 jeweils von einer Wicklungsnut des inneren
Scheibenteils 34 auf die benachbarte Wicklungsnut des äußeren Scheibenrings
35 springen (F i g. 5). Eine solche Wicklungsnut ist hier nicht näher eingezeichnet.
Sie wird in der Praxis vorteilhaft so ausgeführt, daß in dem geblechten Teil
19, 20 der Ständerscheiben 10,
11 radiale Bohrungen vorgesehen werden,
die durch die für die Erregerwicklungen 12, 13 vorgesehene Nut unterbrochen werden.
Die Wechselstromwicklungen 32, 33 liegen dabei jeweils über den Erregerwicklungen
12, 13, was auch aus F i g. 4 hervorgeht. - Ein weiterer Unterschied der in den
F i g. 4 bis 6 dargestellten Maschine gegenüber der in den F i g. 1 bis 3 gezeigten
liegt im Fehlen einer amagnetischen Trennung innerhalb der mittleren Scheibe 29.
Die nicht beschriebenen Teile der F i g. 4 entsprechen nach den Bezugszeichen denen
der F i g. 1.
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Das dritte Ausführungsbeispiel in F i g. 7 entspricht dem der F i
g. 1 bis 3 hinsichtlich der Ausführung der Wechselstromwicklungen 17, 18 und der
Läuferscheibe 14 weitgehend. Hier ist jedoch nur eine einzige ringförmige
Erregerwicklung 36 vorgesehen, die von der Läuferscheibe 14 in einer in den
Umfang ihres inneren Scheibenteils 15 eingelassenen Nut getragen ist. Weiter sind
hier die beiden äußeren Teilscheiben durch amagnetische Abstandsstücke 37 verbunden,
welche sich beim Vorbeistreichen der aus dem Inneren der Maschine kommenden Kühlluft
erwärmen, sich dabei ausdehnen und damit einer Verkleinerung der Luftspalte der
Maschine bei der Wärmeausdehnung der mittleren Scheibe 14 entgegenwirken.
Sonst entspricht auch diese Bauart in ihren nicht beschriebenen Teilen nach ihren
Bezugszeichen F i g. 1.