DE1513864C3

DE1513864C3 - Electric machine

Info

Publication number: DE1513864C3
Application number: DE19651513864
Authority: DE
Inventors: William Rolling Hills Calif. Kober (V.StA.)
Original assignee: The Garrett Corp., Los Angeles, Calif. (V.StA.)
Priority date: 1965-09-21
Filing date: 1965-09-21
Publication date: 1976-08-19

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer rotierenden Welle, mit auf dieser Welle angeordneten teilweise in axialer Richtung permanent magnetisierten und zwischen sich einen Luftspalt begrenzenden Feldanordnungen, wobei die eine Feldanordnung Permanentmagnete enthält und die andere Feldanordnung eine einfache metallische Magnetflußrückführungsplatte ist, und mit einer um eine Feldanordnung herumgewickelten Ankerwicklung und in den Luftspalt zwischen die Feldanordnungen ragenden Ankerwicklung.The invention relates to an electrical machine with a rotating shaft, with on this shaft arranged partially permanently magnetized in the axial direction and an air gap between them limiting field arrangements, one field arrangement containing permanent magnets and the other Field assembly is a simple metallic magnetic flux return plate, and with one around one Field arrangement wound around the armature winding and in the air gap between the field arrangements protruding armature winding.

Eine solche elektrische Maschine ist bekannt (CH-PS 3 11 376).Such an electrical machine is known (CH-PS 3 11 376).

Von dieser bekannten Maschine ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verluste einer solchen Maschine herabzusetzen bzw. den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich nach der Erfindung dadurch, daß Ankerwicklung und Feldanordnung gegeneinander verdrehbar sind. Infolge der dann synchron mit den Permanentmagneten rotierenden Rückschlußscheibe treten in dieser dann keine Flußänderungen und damit Hysteresisverluste auf. Der sich aus der Verdrehbarkeit ergebende breitere Luftspalt führt nicht, wie vermutet werden könnte, zu einer geringeren ίο Induktion und damit wiederum zu einem geringeren Wirkungsgrad. Die moderne Technik gestattet die Herstellung von Permanentmagneten mit so hohen Feldstärken, daß der Magnetfluß auch größere Luftspalte durchdringt.Starting from this known machine, the invention is based on the object of eliminating the losses reduce or increase the efficiency of such a machine. The solution for this task results according to the invention in that the armature winding and the field arrangement can be rotated relative to one another are. As a result of the yoke disk then rotating synchronously with the permanent magnets then no flow changes and thus hysteresis losses occur in this. The result of the twistability The resulting wider air gap does not, as might be assumed, lead to a smaller one ίο induction and thus, in turn, a lower degree of efficiency. Modern technology allows that Manufacture of permanent magnets with such high field strengths that the magnetic flux also has larger air gaps penetrates.

Für die Anordnung der Ankerwicklung ergeben sich erfindungsgemäß mehrere Möglichkeiten:According to the invention, there are several possibilities for the arrangement of the armature winding:

In einer Ausführungsform ist die Ankerwicklung um die die Permanentmagnete enthaltende Feldanordnung herumgewickelt. In einer anderen Ausführungsform ist die Ankerwicklung um die Magnetflußrückführungsplatte gewickelt.In one embodiment, the armature winding is around the field arrangement containing the permanent magnets wrapped around. In another embodiment, the armature winding is around the magnetic flux return plate wrapped.

In einer weiteren Ausgestaltung verläuft die Ankerwicklung parallel zur Maschinenwelle.In a further embodiment, the armature winding runs parallel to the machine shaft.

Ebenso kann die Ankerwicklung auch teilweise um die Rückführungsplatte herumgewickelt sein und teilweise in den Luftspalt hineinragen.Likewise, the armature winding can also be partially and partially wrapped around the return plate protrude into the air gap.

Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ragt die Ankerwelle bis an die Maschinenwelle heran und ist zur Durchführung der Maschinenwelle radial verschoben.According to a further useful embodiment, the armature shaft extends up to the machine shaft and is shifted radially to lead through the machine shaft.

Zum Befestigen der Ankerwicklung ist in einer Ausgestaltung ein Bügel vorgesehen. In einer weiteren Ausgestaltung sind eine Schiene und eine Platte zum Festklemmen der Ankerwicklung vorgesehen.
Zum Unterbringen von mehreren Feldanordnungen und Ankerwicklungen wird nach einer letzten Ausgestaltung vorgesehen, daß Ankerwicklungen um die Feldanordnungen gewickelt und dabei winkelmäßig gegeneinander versetzt sind.In one embodiment, a bracket is provided for fastening the armature winding. In a further embodiment, a rail and a plate for clamping the armature winding are provided.
To accommodate several field arrangements and armature windings, a last embodiment provides that armature windings are wound around the field arrangements and are angularly offset from one another.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße elektrische Maschine nun weiter beschrieben. In der Zeichnung istUsing the example of the embodiment shown in the drawing, the electrical according to the invention Machine now further described. In the drawing is

F i g. 1 ein Axialsrhnitt durch eine Ausführungsform, F i g. 1 shows an axial section through an embodiment,

F i g. 2 eine Stirnansicht auf diese Ausführungsform, F i g. 2 an end view of this embodiment,

F i g. 3 eine Darstellung der Ankerwicklung und ihrer Befestigung bei der eben gezeigten Ausführungsso form,F i g. 3 shows the armature winding and its attachment in the embodiment just shown shape,

F i g. 4 eine Stirnansicht der Darstellung von F i g. 3,F i g. 4 is an end view of the illustration of FIG. 3,

F i g. 5 eine Aufsicht auf die Befestigung der Ankerwicklung bei der eben gezeigten Ausführungsform.F i g. 5 shows a plan view of the fastening of the armature winding in the embodiment just shown.

Fig. 6 eine Stirnansicht der Befestigung der Ankerwicklung bei der eben gezeigten Ausführungsform6 shows an end view of the fastening of the armature winding in the embodiment just shown

Fig. 7, 8 und 9 je eine Darstellung von verschiedenen Möglichkeiten zur Befestigung der Ankerwicklung, 7, 8 and 9 each show a representation of different ones Options for securing the armature winding,

Fig. 10 die Stirnansicht einer weiteren Ausführungsform der Ankerwicklung,10 shows the end view of a further embodiment the armature winding,

Fig. 11 die Aufsicht einer weiteren Ausführungsform mit zwei Ankerwicklungen und 11 shows a top view of a further embodiment with two armature windings and

Fig. 12 eine entsprechende Stirnansicht.12 shows a corresponding end view.

F i g. 1 zeigt die Maschinenwelle 1 der elektrischen Maschine. Auf diese sind Scheiben 2 und 2' aus magnetischem Eisen aufgesetzt. Auf der Scheibe 2 sitzt ein Permanentmagnet 3. Dieser besteht zum Beispiel aus einer Metallegierung oder einer kera-F i g. 1 shows the machine shaft 1 of the electrical machine. Disks 2 and 2 'are aimed at these placed on magnetic iron. A permanent magnet 3 sits on the disk 2 Example made of a metal alloy or a ceramic

mischen Verbindung, wie Bariumferrit. Die Scheibe 2 mit dem Permanentmagneten 3 ist in eine Abdeckkappe 6 eingeschlossen. Auf einer Stirnseite der Scheibe 2 sitzt eine Rückführungsplatte 8. Aus dieser sind Belüftungsschaufeln 10 herausgedrückt. Die Scheibe 2' ist in Buchsen 14 und 15 aus dämpfendem Material, z. B. Aluminium oder Kupfer, eingeschlossen. Die Ankerwicklung 22 ist um die Scheibe 2' gewickelt, die die Magnetflußrückführungsplatte darstellt. Dabei umschließt die Ankerwicklung 22 die Welle 1 und beläßt diese in einem freien Raum 20. Gleichzeitig wird aber der Raum in der Nähe der Mittellinie belegt, da dort der größte Fluß umschlossen wird. Die die Magnetisierungsplatte darstellende Scheibe 2' liegt in der zweiteiligen Büchse 14,15 aus dem Material mit hoher Leitfähigkeit, wie Aluminium oder Kupfer.mix compound, like barium ferrite. The disk 2 with the permanent magnet 3 is in a cover cap 6 included. A return plate 8 is seated on one end face of the disk 2 these ventilation blades 10 are pushed out. The disc 2 'is in sockets 14 and 15 made of damping Material, e.g. B. aluminum or copper included. The armature winding 22 is around the Disk 2 ', which is the magnetic flux return plate. The armature winding surrounds it 22 the shaft 1 and leaves this in a free space 20. At the same time, however, the space in the Proximity to the center line, as the largest river is enclosed there. The one representing the magnetizing plate Disk 2 'is in the two-part sleeve 14,15 made of the material with high conductivity, such as Aluminum or copper.

Eine bevorzugte Form des Wickeins der Ankerwicklung wird in Fig. 3 gezeigt. So wird aus Runddraht um eine aus einem Block 23 und einem Abstandhalter 24 bestehende Form gewickelt. Der Abstandhalter 24 liegt im Block 23 in einer Nute und schafft den für die Welle 1 erforderlichen freien Raum. Nach dem Wickeln wird der Abstandhalter 24 herausgenommen, und die Außenteile der Ankerwicklung 22 werden durch Endstücke 25 in ihrer Form gehalten. Ihre Oberseite wird dann nach unten und nach vorn gedrückt. Das weggedrückte Teil springt dann nach vorn, während das übrige Teil flach auf der Oberseite des Blockes 23 liegt, wodurch sich der freie Raum 20 zur Aufnahme der Welle 1 ergibt.A preferred form of winding the armature winding is shown in FIG. This is how round wire becomes wrapped around a form consisting of a block 23 and a spacer 24. The spacer 24 lies in a groove in block 23 and creates the free space required for shaft 1 Space. After winding, the spacer 24 is removed, and the outer parts of the armature winding 22 are held in their shape by end pieces 25. Your top will then be down and pushed forward. The pushed-away part then jumps forward, while the rest of the part lies flat on the top of the block 23, whereby the free space 20 for receiving the shaft 1 results.

Bei Verwendung von Runddraht mit einem Durchmesser d ist der im allgemeinen benötigte Raum d², während Kupfer + Isolation τι/Ad² ist. Der auf diese Weise gewickelte Draht ist jedoch noch instabil und verfestigt sich nicht zu einer guten mechanischen Einheit. Falls die Wicklung 22 durchgehend von links nach rechts gewickelt ist, z. B. mit einer Rückbewegung am Ende jeder Lage zum ursprünglichen Ausgangspunkt, fallen die Drähte der zweiten Lage in die Täler zwischen den Drähten in der ersten Lage bzw. Fig. 4 zeigt dieses Bild. Das Dreieck 27, das die Mittelpunkte von drei Drähten verbindet, ist ein gleichseitiges Dreieck. Der Abstand 5 zwischen den Lagen ist nicht der Drahtdurchmesser d, sondern V3l2d. Bei mehreren Lagen ist die in einen gegebenen Raum einwickelbare Drahtmenge um das 2/1/3" = 155fache größer als bei einer einfachen Lage. Diese Schichtung ist mechanisch fest, ,da jeder innenliegende Draht von sechs anderen Drähten berührt wird. Ein Verkitten hat eine noch bessere Wirkung. Der Draht ist so stabil, daß auf die Lagen sogar noch etwas Druck ausgeübt werden kann, wodurch die Drähte mindestens teilweise in ineinanderpassende Sechsecke verformt werden, wodurch die Raumausnutzung noch weiter in Richtung auf eine Zahl von 4/π = 1,273 gesteigert wird.When using round wire with a diameter d , the space generally required is d ² , while copper + insulation is τι / Ad ² . However, the wire wound in this way is still unstable and does not solidify into a good mechanical unit. If the winding 22 is continuously wound from left to right, e.g. B. with a return movement at the end of each layer to the original starting point, the wires of the second layer fall into the valleys between the wires in the first layer or Fig. 4 shows this picture. The triangle 27 connecting the centers of three wires is an equilateral triangle. The distance 5 between the layers is not the wire diameter d, but V3l2d. With several layers, the amount of wire that can be wrapped in a given space is 2/1/3 "= 155 times larger than with a single layer. This layering is mechanically strong, as each inner wire is touched by six other wires. A cement has one The wire is so stable that even some pressure can still be exerted on the layers, whereby the wires are at least partially deformed into nested hexagons, whereby the space utilization is increased even further towards a number of 4 / π = 1.273 will.

Für die Befestigung der Ankerwicklung 22 bieten sich zahlreiche Möglichkeiten an. Die F i g. 5 und 6 zeigen eine Möglichkeit, bei der sie zwischen PlattenThere are numerous possibilities for fastening the armature winding 22. The F i g. 5 and 6 show one way of putting them between panels

29 und Schienen 28 befestigt ist, die mit Schrauben29 and rails 28 attached with screws

30 an den Ecken der Platte 29 gehalten werden.30 are held at the corners of the plate 29.

Auf der Rückseite der Magnetflußrückführungsplatte (Scheibe 2'), wo sich die Befestigung der Ankerwicklung befindet, ist kein Rotorfeld vorhanden. Damit können die Teile 28, 29 aus Metall sein. Sie sollen aber unmagnetisch sein, da durch den Ankerstrom ein Magnetfeld erzeugt wird. Der gleiche Strom erzeugt in dem Metall, insbesondere in den Schienen 28, Wirbelströme, so daß die Teile 28, 29 bei größeren Maschinen Nichtleiter sein sollten.On the back of the magnetic flux return plate (disc 2 '), where the armature winding is attached there is no rotor field. The parts 28, 29 can thus be made of metal. You should but be non-magnetic, as a magnetic field is generated by the armature current. The same electricity is generated in the metal, especially in the rails 28, eddy currents, so that the parts 28, 29 at larger Machines should be non-conductors.

ίο Falls ein optimales Betriebsverhalten bei einem Minimum an Gewicht gewünscht ist, sollten die Seiten der Ankerwicklung 22 so geformt werden, daß sie der Kontur der Magnetflußrückführungsplatte 2' folgen, wie dies F i g. 5 zeigt.ίο If an optimal operating behavior at a If minimum weight is desired, the sides of armature winding 22 should be shaped so that they follow the contour of the magnetic flux return plate 2 ', as shown in FIG. 5 shows.

Bei F i g. 6 wird in der Breite der Ankerwicklung 22 genügend Raum gelassen, so daß Lüfterschaufeln 10' eingesetzt werden können. Die Luft wird innerhalb der Ankerwicklung 22 und damit am Ort der Wärmeentstehung umgewälzt.At F i g. 6 enough space is left in the width of the armature winding 22 so that fan blades 10 'can be used. The air is within the armature winding 22 and thus at the location of the Heat generation circulated.

Die F i g. 7 bis 9 zeigen andere Möglichkeiten zur Befestigung der Ankerwicklung. In F i g. 7 sind zwei Bügel 31 aus einem unmagnetischen Metall, vorzugsweise Aluminium, auf die Wicklung 22" aufgekittet. Ein Band 32 aus unmagnetischem Material ist um Wicklung 22" und Bügel 31 geschlungen. In F i g. 8 sind die Bügel zu einem einzigen Teil 33 zusammengefaßt. The F i g. 7 to 9 show other ways of securing the armature winding. In Fig. 7 are two Bracket 31 made of a non-magnetic metal, preferably aluminum, cemented onto the winding 22 ″. A band 32 made of non-magnetic material is wrapped around winding 22 ″ and bracket 31. In FIG the brackets are combined into a single part 33.

Die Ankerwicklung 22" und die Bügel 31 werden in eine Halterung 34 eingesetzt und in eine Bohrvorrichtung eingeschoben. Mit dieser werden Bohrungen 35 im richtigen Abstand zum Luftspaltabschnitt 22' der Ankerwicklung 22" eingebracht. Die Ankerwicklung kann dann am Gehäuse der elektrischen Maschine oder an jeder anderen beliebigen Halterung befestigt werden.The armature winding 22 ″ and the bracket 31 are inserted into a holder 34 and into a drilling device inserted. With this, bores 35 are at the correct distance from the air gap section 22 'of the armature winding 22 ″. The armature winding can then be attached to the housing of the electrical Machine or any other bracket.

Bei F ι g. 9 wird statt des durchgehenden Teiles 33 eine Befestigungsplatte 36 aus Kunststoff verwendet. Ebenso können die Bügel 31 durch Kunststoffblöcke ersetzt werden.At Fig. 9 instead of the continuous part 33 a mounting plate 36 made of plastic is used. Likewise, the bracket 31 can be made of plastic blocks be replaced.

In den F i g. 7 bis 9 ist die Ankerwicklung 22" ι etwas aufgebogen, um damit Raum für eine Unterlegscheibe und eine Mutter oder eine andere Befestigung zum Halten des Rotors auf der Welle zu schaffen.In the F i g. 7 to 9, the armature winding 22 ″ is slightly bent to make room for a washer and a nut or other attachment to hold the rotor on the shaft create.

Die F i g. 11 und 12 zeigen eine zweiphasige Ankerwicklung. Eine Ankerwicklung 222 liegt in und in rechtem Winkel zu der Ankerwicklung 22. Jede Wicklung wird in vorgehend beschriebener Weise ausgebildet und hat einen oder mehrere Befestigungsbügel 37. Die zentrische Aufbiegung der Wicklung 22 muß tief genug sein, um die Befestigungsbügel 37 der inneren Wicklungen 222 durchzulassen.The F i g. 11 and 12 show a two-phase armature winding. An armature winding 222 lies in and in at right angles to the armature winding 22. Each winding is made in the manner previously described formed and has one or more mounting brackets 37. The central bending of the winding 22 must be deep enough to allow the mounting brackets 37 of the inner windings 222 to pass through.

Für eine dreiphasige Wicklung wird ein dritter Spulensatz vorgesehen. Jeder Spulensatz liegt um 60 oder 120° versetzt zu den anderen. Die Spulen des dritten Satzes können wie die Wicklungen 22 und 222 sein und könnten außerhalb der Wicklungen 22 gemäß den Fig. 11 und 12 liegen.A third set of coils is provided for a three-phase winding. Each set of coils lies around 60 or 120 ° offset to the others. The coils of the third set can, like the windings 22 and 222 and could be outside of windings 22 according to FIGS. 11 and 12.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Bezeichnung Feldanordnung im weitesten Sinne verwendet wird und die Magnetflußrückführungsplatte 2' wie auch die anderen den Fluß führenden Mittel umschließt. It should also be noted that the term field arrangement is used in the broadest sense and the magnetic flux return plate 2 'encloses as well as the other means conducting the flux.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Electrical machine with a rotating shaft, with partially arranged on this shaft permanently magnetized in the axial direction and delimiting an air gap between them Field arrangements, one field arrangement containing permanent magnets and the other field arrangement a simple metallic one Is magnetic flux return plate, and having an armature winding wound around a field assembly and armature winding protruding into the air gap between the field arrangements, characterized in that armature winding (22, 22 ', 222) and field arrangement (2, 2', 3) can be rotated relative to one another.

2. Machine according to claim 1, characterized in that the armature winding (22) around the field arrangement containing the permanent magnets (3) is wound around.

3. Machine according to claim 1, characterized in that the armature winding (22) around the magnetic flux return plate (2 ') is wound.

4. Machine according to claim 1 to 3, characterized in that the armature winding (22) in parallel runs to the machine shaft (1).

5. Machine according to claim 1 to 4, characterized in that the armature winding (22) partially is wrapped around the return plate (2 ') and partially protrudes into the air gap.

6. Machine according to claim 5, characterized in that the armature winding (22) up to the machine shaft (1) protrudes and is displaced radially to lead through the machine shaft (1) is.

7. Machine according to claim 1 to 5, characterized by a bracket (31) for holding the Armature winding (22 ").

8. Machine according to claim 1 to 7, characterized by a rail (28) and a plate (29) for clamping the armature winding (22).

9. Machine according to claim 1 to 8, characterized in that armature windings (22, 222) are wrapped around the field arrangements and angularly offset from one another.