DE1488053B2

DE1488053B2 - Rotierende elektrische gleichstrommaschine fuer niedrige spannungen und grosse stromstaerken

Info

Publication number: DE1488053B2
Application number: DE19641488053
Authority: DE
Inventors: Jacques Antony Seine Henry Baudot (Frankreich)
Original assignee: Photocircuits Corp , Glen Cove, N Y (V St A)
Priority date: 1963-09-04
Filing date: 1964-08-28
Publication date: 1971-12-16
Also published as: SE313874B; US3372293A; DE1488053A1; GB1059793A; FR1375231A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine rotierende elektrische Gleichstrommaschine für niedrige Spannung und große Stromstärken, mit einem Erreger mit wenigstens zwei Erregerpolen abwechselnder Polarität und mit einer offenen Ankerwicklung, bei welcher die einen Enden der jeweils mit einem Erregerpol verketteten Windungen der Ankerwicklung durch Kommutatorbürsten mit den Stromzuführungs- bzw. Stromabnahmeklemmen verbunden sind und die den Kommutatorbürsten abgewandten anderen Enden miteinander kurzgeschlossen sind.

Bei den bekannten Maschinen dieser Art trägt der Anker Spulenwicklungen mit mehreren Windungen, deren Enden einzeln mit den Lamellen eines besonderen Kommutators verbunden sind, auf welchen wiederum die Kommutatorbürsten schleifen. Es ist dabei bekannt, die Spulen durch Abschnitte einer Ringwicklung auf einem toroidförmigen Kern, durch Kreuzspulen oder durch Flachspulen zu bilden. In allen Fällen erfordern die bekannten Maschinen eine umständliche und teure Fertigung, die insbesondere im Fall der Ringwicklungen kaum rationalisiert und automatisiert werden kann. Vor allem aber können diese bekannten Maschinen mit offenen Ankerwicklungen nur mit einer kleinen Polzahl (im allgemeinen zwei Polen) und einer verhältnismäßig kleinen Zahl von offenen Spulen in der Wicklung ausgebildet werden, da sonst ihr Aufbau zu kompliziert wird. Dies führt im Fall eines Motors zu einem sehr ungleichmäßigen Drehmoment, wobei es bei einer ungünstigen Ankerstellung sogar vorkommen kann, daß der Motor nicht von selbst anläuft. Im Falle eines Generators ist aus dem gleichen Grund die gelieferte Gleichspannung sehr stark pulsierend. Daher fanden solche Maschinen bisher nur für Sonderfälle, insbesondere für Kleinantriebe, Verwendung.

Die Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer Gleichstrommaschine der zuvor angegebenen Art, die auch für verhältnismäßig große Leistungen ausgebildet werden kann, einen sehr einfachen und betriebssicheren Aufbau hat, als Motor ein gleichmäßiges Drehmoment und als Generator eine gut geglättete Spannung liefert und vor allem mit geringem Aufwand in Massenfertigung hergestellt werden kann.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Ankerwicklung (in an sich bekannter Weise) aus leitenden Lamellen besteht, deren Zahl groß gegen die Zahl der Erregerpole ist und die eng nebeneinanderliegend in einer einzigen Schicht so angeordnet sind, daß sie sich quer zur Bewegungsrichtung des Ankers durch den Luftspalt erstrecken, daß die Lamellen wenigstens an ihrem einen Ende elektrisch voneinander getrennt sind, daß in der die Drehachse des Ankers enthaltenden Mittelebene jedes Erregerpols eine Kommutatorbürste so angeordnet ist, daß sie in der Nähe der elektrisch voneinander getrennten Enden der Lamellen unmittelbar auf diesen schleift, und daß jede Kommutatorbürste so breit ist, daß sie stets wenigstens zwei Lamellen kurzschließt.

Die Erfindung ermöglicht eine vereinfachte und verbilligte Herstellung der Maschine, denn zur Bildung der Wicklung braucht lediglich eine einzige Schicht aus lamellenförmigen Leitern hergestellt zu werden, was beispielsweise nach der Technik der gedruckten Schaltungen in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen kann. Irgendwelche Verbindungen zwischen zwei oder mehr Leiterschichten sind nicht erforderlich. Ebenso entfallen der besondere Kommutator und die Verbindungen zwischen den Wicklungsleitern und den Kommutatorlamellen. Die Maschinen können sehr vorteilhaft mit vielen Erregerpolen ausgebildet werden, was bei den bekannten Maschinen mit offener Ankerwicklung zu Komplikationen führt. Vor allem aber ist die Zahl der Spulen und der Kollektorlamellen noch beträchtlich größer, denn sie

ίο ist gleich der Zahl der leitenden Lamellen der Ankerwicklung. Dadurch ergibt sich ein sehr gleichmäßiger Lauf des Motors bzw. eine sehr gut geglättete Generatorspannung. Außerdem ist jeder Leiter der Wicklung nur für eine sehr kurze Zeit eingeschaltet, in welcher er sich in der günstigsten Stellung unter dem Pol befindet. Man kann daher das Magnetfeld auf diesen Teil des Luftspalts konzentrieren und dort eine entsprechend große Induktion erzielen, während die Verringerung der Induktion in den übrigen Teilen des Luftspalts ohne Einfluß auf die Wirkung der Maschine ist. Schließlich ist es ohne weiteres möglich, die Wicklungen nach Wunsch entweder parallel oder in Serie zu schalten und dadurch die Maschine an die Forderungen der verschiedenartigsten An-Wendungsgebiete anzupassen.

Die erfindungsgemäße Gleichstrommaschine eignet sich für alle Anwendungsfälle, bei denen große Gleichströme bei verhältnismäßig kleinen Spannungen benötigt werden, insbesondere in der Elektrochemie.

Bisher wurden für entsprechende Anwendungsfälle im wesentlichen nur Unipolarmaschinen verwendet, während die an sich seit langem bekannten Gleichstrommaschinen mit offenen Ankerwicklungen nur noch für Kleinantriebe Verwendung fanden.

Gegenüber den Unipolarmaschinen ergibt jedoch der Erfindungsgegenstand einen beträchtlichen technischen Fortschritt; denn solche Maschinen können nur dann einwandfrei arbeiten, wenn der ganze Anker der gleichen magnetischen Induktion ausgesetzt ist; andernfalls treten Wirbelströme auf, die den Wirkungsgrad wesentlich verschlechtern. Bei der erfindungsgemäßen Maschine besteht diese Bedingung nicht; vielmehr beruht ihr Prinzip gerade auf einen: heteropolaren Aufbau mit einer großen Anzahl vor abwechselnden Magnetpolen. Dadurch ist es mög lieh, mit sehr viel größeren magnetischen Induktioner und einem wesentlich geringeren Eisengewicht zi arbeiten.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand de:

Zeichnung für den Fall von elektrischen Axialluftspaltmaschinen beispielshalber erläutert, wobei zi bemerken ist, daß sie ebensogut bei Radialluftspalt maschinen anwendbar ist, wie später noch erläuter wird. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 die Vorderansicht des Rotors für ein erste: Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ma schine mit Angabe der Stellen, an denen sich dl· Magnetpole des Erreges befinden, und der mit dei Klemmen der Maschine verbundenen Bürsten, F i g. 2 eine Schnittansicht einer nach der Er findung ausseführten Maschine mit dem Rotor vo; Fig. 1,

F i g. 3 die Vorderansicht der Hälfte einer etwa abgeänderten Ausführungsform des Rotors vo Fig. 1,

F i g. 4 die Schnittansicht der Hälfte einer Ml schine mit dem Rotor von F i g. 3, F i e. 5 die Ansicht eines Rotors ähnlich F i g.

3 4

für ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungs- Scheibe durch einen Ring kurzzuschließen, ist es gegemäßen Maschine, maß einer Abänderung nach F i g. 3 und 4 auch mög-

F i g. 6 die Schnittansicht des zweiten Ausführungs- lieh, die Stäbe durch einen leitenden Ring 14 am

beispiels der Maschine, inneren Umfang der Scheibe kurzzuschließen, wobei

F i g. 7 ein in die Ebene abgewickeltes Schema des S die Bürsten 17 dann in der Nähe des äußeren Um-

Rotoraufbaus und der Bürstenanordnung für das fangs angeordnet werden. In diesem Fall kann ein von

Ausführungsbeispiel von F i g. 1 und 2, der eigentlichen Leiterscheibe unabhängiger Ver-

F i g. 8 eine schematische Darstellung ähnlich steifungsring vorgesehen werden, welcher selbst-

F i g. 7 für das Ausführungsbeispiel von F i g. 5 isolierend ist oder am äußeren Rand der Scheibe 1

und 6, ίο unter Einfügung eines isolierenden Films angebracht

F i g. 9 eine Schnittansicht durch eine Maschine, wird.

bei welcher der Rotor mit mehreren Schichten von Gemäß der in F i g. 5 und 6 dargestellten anderen

leitenden Stäben zur Erhöhung der Leistung aus- Ausführungsform können die Stäbe 3 »frei« sein,

gestattet ist, und d. h. durch die bis zu den beiden Rändern der ring-

F i g. 10 die Vorderansicht eines Teils des Rotors 15 förmigen Scheibe verlängerten Schlitze 2 vollständig

der Maschine von F i g. 9. voneinander getrennt sein. Der mechanische Zu-

Eine nach der Erfindung ausgeführte rotierende sammenhalt der leitenden Stäbe wird einerseits durch elektrische Maschine enthält gemäß F i g. 1 und 2 das Einklemmen an der Nabe 10 in der Mitte geeinen Stator mit wenigstens einem Kranz von währleistet, und andererseits durch das Ankleben Magnetpolen 6 mit regelmäßig abwechselnder 20 oder sonstige Befestigen des äußeren Umfangs an Polung. Die Polzahl ist verhältnismäßig groß; die dem Versteifungsring 5. Gemäß Fig. 5 ist es auch dargestellte Maschine ist achtpolig, und es kann eine möglich, die flachen Stäbe auf eine dünne isonoch größere Zahl von Polen vorgesehen sein. Da- lierende Trägerscheibe aufzukleben. Bei diesem Ausgegen ist der elektrische Ausdehnungswinkel jedes führungsbeispiel sind dann für jede Magnetpolachse dieser Pole verhältnismäßig stark herabgesetzt, 25 zwei Bürsten 7 und 17 vorgesehen, die nahe dem beispielsweise bis auf 60 elektrische Grade, so daß einen bzw. dem anderen Ende der Stäbe liegen. Wie sich in dieser Hinsicht ein wirtschaftlicher Aufbau insbesondere aus Fig. 5 erkennbar ist, sind alle der Maschine ergibt. Diese Pole 6 bestehen bei dem Bürsten in einem Serienkreis zusammengeschaltet, dargestellten Beispiel aus getrennten Permanent- der zu den Klemmen 8 zur Zuführung bzw. Abnahme magneten, welche von einer Jochplatte 13 getragen 3° des Gleichstroms führt.

werden, in der mittels Lagern 14 eine Welle 9 ge- Die schematische Darstellung von Fig. 7 und 8

lagert ist. Die Pole könnten auch durch magnetisches zeigen genauer die Möglichkeiten für die Verbindun-

Einprägen in einem Ring aus einem magnetischen gen der Bürsten. Diese schematischen Darstellungen

Material mit großer Koerzitivkraft und hoher Rema- beziehen sich auf die Ausführungsformen von

nenz gebildet werden. 35 Fig. 1, 2 bzw. 5, 6 und zeigen die linearen Ab-

Eine Flußrückführungsplatte 15 bildet zusammen wicklungen der Rotorscheiben. Sie können jedoch mit dem Erregerpolkranz einen schmalen magneti- auch als lineare Abwicklungen von zylindrischen sehen Luftspalt. Diese Flußrückführungsplatte könnte Rotoren angesehen werden, denn die Erfindung eiggegebenenfalls durch einen zweiten Kranz von per- net sich ebensogut zur Anwendung bei Radialmanenten Magnetpolen ersetzt werden, welche um 40 luftspaltmaschinen, wobei die Stäbe 3 dann in der einen Polschritt gegen die Pole des ersten Kranzes Richtung des Luftspalts parallel zur Drehachse der versetzt sind. Die Platte 15 ist feststehend; sie wird Maschine verlaufen und die Bürsten auf dem einen beispielsweise durch Querstücke 16 von der Joch- oder auf den beiden Umfangsrändern des Rotorplatte 13 getragen. Zylinders schleifen. Der Zylinder kann von zwei iso-

Am Ende der Welle 9 ist eine Rotorscheibe 1 45 lierenden Endringen getragen werden, welche auf mittels einer Nabe 10, eines Rings 11 und einer Scheiben oder Speichen befestigt sind, die ihn mit Mutter 12 befestigt. Diese Scheibe ist beispielsweise der Maschinenwelle verbinden, während die Erregermit radialen Schlitzen 2 ausgebildet, welche eine An- pole einen zylindrischen Kranz rings um diesen Rotor zahl von radialen Stäben 3 definieren, die an ihrem bilden und ein Jochzylinder im Innern des Rotors Umfangsende durch einen leitenden Ring 4 kurz- 50 entweder fest mit der Welle verbunden oder frei drehgeschlossen sind. Der Rand dieses Rings 4 kann bar auf dieser gelagert vorgesehen ist. Dieser magneaußerdem umgebogen sein, wie bei 5 in F i g. 2 an- tische Zylinder dient zur Rückführung des Flusses gedeutet ist, damit die Rotorscheibe versteift wird. der Erregerpole.

Auf der Achse jedes Magnetpols 6 ist eine Bürste 7 Bei einer Ausführungsform mit Axialluftspalt

angeordnet, die beispielsweise von der Fluß- 55 könnte im übrigen die ringförmige Flußrückführungs-

rückführungsplatte 15 getragen wird. Diese Bürste scheibe 15 auch von dem Rotor getragen werden und

liegt an einer Stelle in der Nähe der inneren Enden dann zur Versteifung der Rotorscheibe dienen; in

der leitenden Stäbe der Scheibe 1. Die auf den diesem Fall würden die Bürsten entweder an der

Achsen der magnetischen Südpole S und die auf den gleichen Seite wie die Magnete angeordnet oder auf

Achsen der magnetischen Nordpole N angebrachten 60 der entgegengesetzten Seite des Luftspalts von einer

Bürsten sind jeweils gemeinsam mit einer elektrischen Schildplatte der Maschine getragen sein.

Klemme verbunden. Diese Klemmen 8 dienen zur Zu- Die leitenden Stäbe 3 können durch mechanisches

führung eines Gleichstroms, wenn die Maschine als oder chemisches Ausschneiden einer ursprünglich

Motor arbeiten soll, oder zur Abnahme des Gleich- massiven leitenden Scheibe aus Kupfer oder einem

Stroms, wenn die Welle 9 angetrieben wird, so daß 65 anderen Material gebildet werden. Sie können insdie Maschine als Generator arbeitet. Jede Bürste besondere durch chemisches Ätzen einer leitenden

schließt wenigstens ein Paar der Stäbe 3 kurz. Scheibe oder eines leitenden Zylinders erhalten wer-

Anstatt die Stäbe 3 am äußeren Umfang der den, die bzw. der zuvor auf einen isolierenden Trä-

ger 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 geformten Stäbe in der richtigen gegenseitigen Lage zu halten, kann gegebenenfalls beim Zusammenbau beibehalten werden, da solche »gedruckten« Leiter gegen Überströme besser beständig sind als freie Leiter, wie an sich bekannt ist.

Ein solches Verfahren kann besonders vorteilhaft ίο dann angewendet werden, wenn es zur Erhöhung der Maschinenleistung oder zur Vergrößerung der Spannung unter Beibehaltung der gleichen Gesamtkupferdicke gemäß Fig. 9 und 10 vorgesehen wird, den Rotor durch Aufeinanderlegen von mehreren Schienten leitender Stäbe zu bilden, wie bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Schichten 1 und 21 angedeutet ist, welche voneinander durch eine dünne isolierende Zwischenschicht 22 isoliert sind, während die Schicht der leitenden Stäbe 1 auf einer dünnen isolierenden Schicht 18 gebildet ist. Die Kurzschlußringe 4 und 24 der Stäbe (z. B. 23) können miteinander in Deckung sein; in diesem Fall sind die Leiter der Schicht 21 in radialer Richtung kürzer als die Leiter der Schicht 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 2 ist zur Befestigung des Rotors mit einer Isolierbuchse 19 versehen. Es können auch mehr als zwei Schichten in gleicher Weise zur Bildung des Rotors zusammengebaut werden. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, daß jede Schicht einen bleibenden Kurzschlußring an dem gleichen Umfang wie die übrigen Schichten hat, und natürlich können diese Ringe auch gemäß dem Ausführungsbeispiel von F i g. 5 und 6 fortgelassen werden.

Die Wirkungsweise dieser Maschinen wird verständlich, wenn berücksichtigt wird, daß jede Schicht der (radialen, oder im wesentlichen radialen) Rotorleiter als aktive Leiter in jedem Zeitpunkt nur diejenigen Leiter enthält, welche unter den Polachsen hindurchgehen und somit durch die Bürsten parallel geschaltet bzw. kurzgeschlossen werden (oder genauer in örtlich geschlossene Stromkreise eingefügt werden), wobei zwischen den Enden dieser Leiter nur ein praktisch vernachlässigbarer Ausgleichstrom fließt, weil die elektromotorischen Kräfte in jedem dieser Leiterbündel einander fast gleich sind. Naturlieh sind die Ströme in den aktiven Leitern unter einem magnetischen Nordpol entgegengesetzt gerichtet wie unter einem magnetischen Südpol, 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, um so größer ist der Wirkungsgrad, so daß es also vorteilhaft ist, die Polflüsse an diesen Stellen zu konzentrieren. Man kann vorzugsweise auf den Magneten sogar Polschuhe aus einem magnetisch weichen Material anbringen, welche die Flußlinie auf die unmittelbare Nähe der Polachsen konzentrieren.

Claims

Patentansprüche:

1. Rotierende elektrische Gleichstrommaschine für niedrige Spannungen und große Stromstärken, mit einem Erreger mit wenigstens zwei Erregerpolen abwechselnder Polarität und mit einer offenen Ankerwicklung, bei welcher die einen Enden der jeweils mit einem Erregerpol verketteten Windungen der Ankerwicklung durch Kommutatorbürsten mit den Stromzuführungsbzw. Stromabnahmeklemmen verbunden sind und die den Kommutatorbürsten abgewandten anderen Enden miteinander kurzgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung aus leitenden Lamellen besteht, deren Zahl groß gegen die Zahl der Erregerpole ist und die eng nebeneinanderliegend in einer einzigen Schicht so angeordnet sind, daß sie sich quer zur Bewegungsrichtung des Ankers durch den Luftspalt erstrecken, daß die Lamellen wenigstens an ihrem einen Ende elektrisch voneinander getrennt sind, daß in der die Drehachse des Ankers enthaltenden Mittelebene jedes Erregerpols eine Kommutatorbürste so angeordnet ist, daß sie in der Nähe der elektrisch voneinander getrennten Enden der Lamellen unmittelbar auf diesen schleift, und daß jede Kommutatorbürste so breit ist, daß sie stets wenigstens zwei Lamellen kurzschließt.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Lamellen an ihrem einen Ende durch den Aufbau des Rotors selbst bleibend kurzgeschlossen sind.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Lamellen an ihren Enden im Rotoraufbau nicht kurzgeschlossen sind.

4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Magnetpole im Erreger verhältnismäßig groß ist und daß die Winkelausdehnung jeder Polfläche bis auf etwa 60 elektrische Grade herabgesetzt ist.

. 5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole so geformt sind, daß der Magnetfluß in der Nähe ihrer Polachsen in der Richtung der größten Ausdehnung des Luftspalts konzentriert ist.

6. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschluß durch einen aus einem Stück mit den Rotorlamellen gebildeten Kranz bewirkt ist.

7. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen auf einer dünnen isolierenden Schicht haften.

8. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Versteifungsring den Rotoraufbau wenigstens am einen Ende verstärkt.

9. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mehr als eine Schicht von leitenden Lamellen enthält, daß diese Schichten durch dünne isolierende Schichten voneinander getrennt sind, daß die Länge der Lamellen in der Richtung der größten Ausdehnung des Luftspalts von Schicht zu Schicht verschieden ist, daß Bürsten auf den blanken Teilen der Lamellen schleifen und daß die Bürsten zwischen den Stromklemmen in Serie geschaltet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen