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Elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine roti @rende elektrische
Gleichstrommaschine, die als Generator oder als Motor bei einer niedrigen Spannung
in der Grössenordnung von einigen Volt mit einem starken Strom bis zu mehreren hundert
Ampere arbeiten kann.
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Diese Maschine kennzeichnet sich im wesentlichen durch einen Stator
mit wenigstens einem heteropolaren Erreger mit permanenten Magnetpolen, welche einen
magnetischen Luftspalt definieren, in dem sich die Richtung des Feldes in verschiedenen
Zonen regelmässig umkehrt, einen in diesem Luftspalt angeordneten Rotor, der eine
Anzahl abgeflachter leitender Stäbe enthält, die wenigstens auf einem Teil ihrer
Oberfläche blank sind und in
wenigstens einer Schicht so
angeordnet sind, dass ihre Längsdimension sich im wesentlichen entlang der grössten
Abmessung des Luftspalts erstreckt, und Bürsten, welche auf den Linien der permanenten
Magnetpole des hetero pölaren Erregers so angebracht sind, dass sie jeweils den
Kurschluss von wenigstens zwei leitenden,@ täben an ihrem einen, sonst nicht kurzgeschlossenen
Ende bewirken, und die an zwei Gleichstromklemmen angeschlossen sind.
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Bei einer Ausführungsform sind die leitenden Stäbe an ihrem einen
Ende bleibend kurzgeschlossen, und eine einzige Bürste pro Magnetpollinie schleift
auf den anderen Enden dieser S täbe, wenn diese unter dieser Magnetpollinie vorbeigehen.
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Bei einer anderen Ausführungsform sind die leitenden Stäbe in dem
Sinne frei, dass sie an keinem Ende kurzgeschlossen sind, und für jede Magnetpollinie
ist ein Bürstenpaar vorgesehen, dessen Bürsten auf den entgegengesetzten Enden der
Gtäbe bei ihrem 'Durchgang durch diese Magnetpcllinie schleifen.
Die
Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung für der Fall von elektrischen Axialluftspaltmaschinen
beispielshalber erläutert, wobei zu bemerken ist, dass sie ebensogut bei Radialluftspaltmaschinen
anwendbar ist, wie später noch erläutert wird.
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In der Zeichnung zeigen: Fig:1 eine Vorderansicht einen Rotors für
ein ersten @usführungebeispiel einer erfindungsge@ässen Maschine mit Angabe der
Stellen , an denen sich die Magnetpole des Erregers befinden, und der mit
den Klemmen der Maschine verbundenen Bürsten, Fig.2 eine Schnittansicht einer nach
er Erfindung ausgeführten Maschine mit dem Rotor von Fig.1, Fig.3 die Vorderansicht
der Hälfte einer etwas abgeänderten Ausfüihrungsform des Rotors von Fig.1, Fig.4
die Schnittansicht der H@lfte einer Maschine mit dem Rotor von Fig.3, Fig.5 die
A@sicht eines Rotors ähnlich Fig.1 für ein Zweiten Ausfüihrungsbeispiel der erfindungsgemässen
Maschine,
Fig.6 die Schnittansicht den zweiten A usführungsbeispiels
de r Maschine, Pig.7 ein in die Ebene abgewickelten Schema des Rotoraufbaue und
der Brütenanordnung für das Aueführungebeiapiel von Fig.1 und 2, Fig.8 eine schematische
Darstellung ä@@lich Fig,7 für das Ausführungsbeispiel von Fig.5 und 6, Fig.9 eine
Schnittansicht durch eine Maschine, bei welcher der Rotor mit mehreren Schichten
von le@@@nden Stä@en zur Erhöhung der Leistung ausgestattet ist und
Fig.10
die Vorderansicht eines Teils den Rotors der Maschine von Fig.9.
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Eine nach der Erfindung ausgeführte rotierende elektrische Maschine
enthält gemä@s Fig.1 und 2 einen Stator mit wenigstens einem ganz von Magnetpolen
6 mit regelmässig abwechselnder Polung. Die Polzahl ist verhältn iemässig gro as;
die dargestellte Maschine ist achtpolig, und es kann eine noch grössere
Zahl von Polen vorgesehen
sein. Dagegen ist der elektrische
Ausdehnungswinkel jedes dieser Pole verhältnismässig stark herabgesetzt, beispiels
-weise bis auf 60 elektrische Grade, so dass sich in dieser Hinsicht ein wirtschaftlicher
Aufbau der Maschine ergibt, Diese Pole 6 bestehen bei dem dargestellten Beispiel
aus getrennten Permanentmagneten, welche von einer Jochplatte 13 getragen werden,
in der mittels Lagern 14 eine Welle 9 gelagert ist. Die Pole könnten auch durch
magnetisches Einprägen in eisen Ring aus einem magnetischen Material mit grosser
Koerzitivkraft und hoher Remanenz gebildet werden.
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Eine Flussrückführungsplatte 15 bildet zusammen mit dem Erregerpolkran@
einen schmalen magnetischen Luftspalt, Diese Flussrüekfihrungsplatte könnte gegebenenfalls
durch einen zweiten Kranz von permanenten Magnetpolen ersetzt werden, welche um
einen Polschritt gegen die Pole des ersten Kranzes versetzt sind. Die Platte 15
ist feststehend; sie wird beispielsweise durch Querstücke 16 von der Jochplatte
13 getragen.
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Am Ende der Welle 9 ist eine Rotorscheibe 1 mittels einer
Nabe, 10., eines" ginge 11 und .einer Mutter 12 befestigt.
Diese
Scheibe ist beispielsweise mit radialen Schlitzen 2
ausgebildet, welche eine
Anzahl von radialen Stäben 3
definieren, die an ihrem
Unfangsende durch einen leitenden Ring 4 kurzgeschlossen sind. Der Rand dieses Ringe
4 . kann ausserdem umgebogen sein, wie bei 5 in Fig.2 angedeutet ist, damit die
Rotorseheibe versteift wird.
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Auf der Achse jedes Magnetpols 6 ist eine Bürste 7 angeordnet, die
beispielsweise von der Flussrückführungsplatte 15 getragen wird. Diese Bürste liegt
an einer Stelle in, der @@he der inneren Enden der leitenden Stäbe der Scheibe 1.
Die auf den Achsen der magnetisehen Südpole S angebrachten Bürsten sind gemeinsam
mit einer elektrischen Klemme verbunden, und die auf den Achsen der magnetischen
Nordpole E
angebrachten Bärsten sind gemeinsam mit einer weiteren
elektrischen
Klemme verbunden. Diese Klemmen 8 dienen zur Zuführung eines Gleichstroms, wenn
die Maschine als, Motor arbeiten soll, oder zur Abnahmedes Gleichstroms , wenn die
Welle 9 angetrieben wird, so dass die Ma@chine als Generator arbeitet. Jede Bürste
schliesst wenigstens ein Paar der Stäbe 3 kurz.
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Anstatt die Stäbe 3 am äusseren Umfang der Scheibe durch einen Ring
kurzzuschliessen, ist es gemäss einer Abänderung von F ig.3 und
4 auch möglich, die Stäbe durch einen leitenden
Ring 14 am inneren
Umfang der Scheibe kurzzuschliessen,.
wobei die Bürsten 17 dann
in der @ähe des äusseren Umfangs angeordnet werden. In diesem Fall kann ein von
der eigentlichen Leiterscheibe unabhängiger Verateifungsring vorgesehen werden,
welcher selbstisolierend ist oder am äusseren Rand der Scheibe 1 unter Einfügung
eines isolierenden Files angebracht wird.
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Genäse der in Fig.5 und 6 dargestellten anderen Ausführungsform können
die Stäbe 3 "frei" sein, d.h. durch die bis zu den beiden Randern der ringförmigen
Scheibe verlängerten Schlitze 2 vollständig voneinander getrennt sein. Der mechanische,Zusammenhalt
der leitenden Stäbe wird einerseits durch das Einklemmen an der Nabe 10 in der Mitte
gewährleistet, und andrerseits durch das Ankleben oder sontige Befestigen des äusseren
Umfangs an den Versteifungsring 5. Gemäss Fig.9 ist es auch möglich, die flachen
Stäbe auf eine dünne isolierende Trägerscheibe aufzukleben, Bei diesem Ausführungsbeisp
iel sind dann für jede Magnetpolachse zwei Bürsten 7 und 17 vorgesehen, die nahe
den einen bzw. dem anderen Ende der Stäbe liegen. wie insbesondere aus Fig.5 erke@@bar
ist, sind alle Bürsten in einem Serienkreis zusammengeschaltet,
der
zu den Klemmen 8 zur Zuführung bsw. Abnahme des Gleichstrome
führt.
Die schematischen Darstellungen von Fig.7 und 8 zeigen genauer
die Möglichkeiten für die Verbindungen der Bürsten. Diese schematischen Darstellungen
beziehen sich auf die Ausführungsformen von fig.1, 2 bzw. Fig.5, 6 und zeigen ,
die linearen Abwicklungen der Rotorscheiben. Sie können jedoch auch als lineare
Abwicklungen von zylindrischen Rotoren angesehen werden, denn die Erfindung eignet
sich ebensogut zur Anwendung bei Radialluftspaltmaschinen, wobei die Stäbe 3 dann
in der Richtung des Luftspalte parallel zur Drehachse
der Maschine
verlaufen und die Bürsten auf dem einen oder auf den beiden Uangsfändern des Rotorzylinders
schleifen. Der Zylinder kann von zwei isolierenden Erdringen getragen werden, welche
auf Scheiben oder Speichen befestigt sind, die ihn mit der Maschinenwelle rerbi
nden, während die Erregerpole einen zylindrischen Kranz rings um diesen Rotor bilden
und ein Jochzylinder im Innern des Rotors entweder fest mit der Welle verbunden
oder frei drehbar auf dieser gelagert vorgesehen ist. Dieser magnetische Zylinder
dient zeur Rückführung den Flusses der Erregerpole.
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Bei einer Ausführungsform mit Azialluftspalt könnte im übrigen die
ringförmige Flussrückführungsscheibe 15 auch ton dem Rotor getragen werden
und dann zur Versteifung
der Rotorscheibe dienen; in diesem
Fall würden die Bürsten entweder an der gleichen Seite wie die Magnete
angeordnet
oder auf der entgegengesetzten Seite des Luftspalte von einer Schildplatte
der Maschine getragen.
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Die leitenden Stäbe 3 können durch mechanisches oder chemisches Ausschneiden
einer ursprüngliehmassiven leitenden Scheibe aus Kupfer oder einem anderen Material
gebildet werden. Sie können insbesondere durch chemischen
Ätzen einer leitenden
S
cheibe oder einen leitenden
Zylindern erhalten werden, die bzw. @er zuvor
auf einen isolierenden Träger aufgeklebt worden ist, wie dies bei bestimmten Verfahren
zur Herstellung gedruckter Schaltungen allgemein bekannt ist. Dieser isolierende
Träger, der sehr dünn sein kann und lediglich dazu dient, die so geformt en Stäbe
in der
richtigen gegenseitigen Lage zu halten, kann gegebenen-
| falls beim Zusammenbau bdbehalten werden, da solche |
| "gedruckten" Leiter gogenlberetröme besser beständig |
sind als freie Leiter,
wie an sich bekannt ist. -
Ein solches Verfahren kann besonders vorteilhaft dann
sngewendet
werden, wenn es zur Erhöhung der Maschinenleistung oder zur Vergrösserung
der Spannung unter
Beibehaltung der gleichen Gesamtkupferdicke
gemäss Fig.9 und 14 vorgesehen wird, den Rotor durch Aufeinanderlegen von mehreren
Schichten leitender Stäbe zu bilden, wie bei diesem Ausführungsbeispiel durch die
Schichten 1 und 21 angedeutet ist, welche voneinander durch eine dinne isolierende
Zwischenschicht 28 isoliert sind, während die Schicht der leitenden Stäbe 1 auf
einer dünnen isolierenden Schicht 18 gebildet ist. Die Kurzschlussringe 4 und 24
der Stäbe 3 bzw. 23 können miteinander in Deckung sein; in diesem Fall sind die
Leiter der Schicht 21 in radialer Richtung kürzer als die Leiter der Sehicht 1,
wodurch es möglich wird, zwei Gruppen von Bürsten 7 und 27 anzuwenden. Es ist zu
erwähnen, dass die Bürsten der beiden Gruppen über nicht dargestellte Klemmen von
der einen zur anderen Gruppe in Serie miteinander geschaltet sind. Die Welle 9 kann
gegebenenfalls zur Befestgung des Rotors mit einer Isolierbuchse 19 versehen sein.
Es können auch mehr als zwei Schichten in gleicher weise zur Bildung des Rotore
zusammengebaut werden. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, d ass jede Schicht
einen bleibenden Kurzschlussring an dem gleichen Umfang
wie die
übrigen Schichten hat, und natUrlieh können
diese Ringlauch gemäss
dem Ausfährungabeispiel von
Fig.5 und 6 fortgelassen werden.
Die
Wirkungsweise dieser Maschinen wird verständlich, wenn berücksichtigt wird, dass
jede Schicht der (radialen oder im wesentliohen radialen) Rotorleiter als aktive
Leiter in jedem Zeitpunkt nur diejenigen Leiter enthält, welche unter den Pol@ohsen
hindurchgehen und somit durch die Bürsten parallelgeschaltet bzw. kursgeschlossen
werden (oder genauer in örtlich geschlossene Stromkreise eingefügt werden), wobei
zwischen den Enden dieser Leiter nur ein praktisch vernachl ssigherer Ausgleiehetrom
flieset, weil die elektromotorischen Kräfte in jedem dieser
Leiterbündel
ein-inder fast geich sind. Matüirlich sind die Ströme in den aktiven Leitern unter
einem magnetischen Nordpol entgegengesetzt geriehtet wie unter einen magnetischen
S@dpol, so dass durch die Addition dieser Ströme die Polung an den elektrischen
Klemmen der Maschine bestimmt wird. Je grösser die Induktion in dem Luftspalt unter
den Polachsen ist, umso grösser ist der Wir@@@ @grad, so dass es also vorteilhaft
ist, die olflüsse an diesen Stellen zu konzentrieren. Ma@@ann vorzugsweise auf den
Magneten sogar Polschuhe aus einem magnetisch weichen Material anbringen, welche
die Flusslinie auf die unmittelbare N@he der Polschsen konzentrieren.