DE1538715C - Electric machine with a spherical air gap - Google Patents
Electric machine with a spherical air gapInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektromaschine mit permanentmagnetischem und/oder weichmagnetischem umlaufendem Polring mit permanenten oder induzierten Polen und einem weichmagnetischen, ein Drehfeld erzeugenden Polring mit umlaufenden magnetischen Polen und einem zwischen den Polringen verlaufenden Luftspalt, der auf einer gedachten Kugel verläuft, so daß ein Poking mit seiner konkaven Seite und der andere Polring mit seiner konvexen Seite dem Luftspalt zugekehrt ist.The invention relates to an electric machine with permanent magnetic and / or soft magnetic rotating pole ring with permanent or induced poles and a soft magnetic, a rotating field generating pole ring with rotating magnetic poles and one between the pole rings running air gap, which runs on an imaginary sphere, so that a poking with its concave Side and the other pole ring faces the air gap with its convex side.
Dynamoelektrische Kupplungen in einer solchen Ausführung sind bekannt (USA.-Patentschrift 1,568,304). Es sind auch Motoren mit sphärischem Luftspalt und taumelbar gelagertem Läufer bekannt geworden, (britische Patentschrift 259,133), bei denen der Läufer ringförmig ausgebildet und an nur einem Unterstützungspunkt gelagert ist. Diese Motoren sind entweder mit einem Gewicht versehen, welches unterhalb der Lagerstelle angeordnet ist und die Lagerwelle vertikal hält, oder sie sind instabil gelagert.Dynamo-electric clutches in such a design are known (USA.-Patent 1,568,304). Motors with a spherical air gap and rotatable rotors are also known become, (British patent specification 259,133), in which the rotor is annular and on only one Support point is stored. These motors are either provided with a weight, which is below the bearing point is arranged and holds the bearing shaft vertically, or they are stored unstably.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Elektromotoren der eingangs1 genannten bekannten Art die Nachteile eines zusätzlichen Gewichtes oder einer instabilen Lagerung zu vermeiden. Sie erreicht dies dadurch, daß die Zentren der magnetischen Pole des konvexen Polringes auf einer ersten Ebene liegen, daß die Zentren der umlaufenden Magnetpole des konkaven Polringes auf einer zweiten Ebene liegen und daß der konvexe Polring über einen sphärischen Lagerspalt gegen den konkaven Polring abgestützt ist, wobei die Ebene der Magnetzentren des konvexen Polringes zwischen der Ebene der Pole des konkaven Polringes und dem Kugelmittelpunkt der sphärischen Gleitfläche liegt. Bei der erfindungsgemäßen Zuordnung der Magnetpole und des Kugelzentrums zueinander liegen die Magnetpole des antreibenden Polringes einerseits und des angetriebenen Rotors andererseits auf Kugelmänteln, die vorzugsweise radial zum Kugelzentrum des sphärischen Lagers verlaufen. Dadurch erhält der Rotor eine stabile Lage seiner geometrischen Achse, aus der er durch Störmome'nte zwar vorübergehend herausgeschwenkt werden kann, in die er präzedierend jedoch wieder zurückkehrt. Die Präzessionsbewegung verursacht dabei keinerlei das Gleitlager belastende Kräfte. Eine axiale Fixierung des Rotors kann auch durch zusätzliche axiale Ma-The invention has for its object to avoid the disadvantages of increased weight or an unstable storage of electric motors of the known type mentioned at the outset. 1 It achieves this in that the centers of the magnetic poles of the convex pole ring are on a first level, that the centers of the rotating magnetic poles of the concave pole ring are on a second level and that the convex pole ring is supported against the concave pole ring via a spherical bearing gap, wherein the plane of the magnetic centers of the convex pole ring lies between the plane of the poles of the concave pole ring and the center of the sphere of the spherical sliding surface. In the inventive assignment of the magnetic poles and the ball center to one another, the magnetic poles of the driving pole ring on the one hand and the driven rotor on the other hand lie on ball shells, which preferably run radially to the ball center of the spherical bearing. This gives the rotor a stable position of its geometric axis, from which it can be temporarily swiveled out by disturbance elements, but to which it returns again precessing. The precession movement does not cause any stressing forces on the plain bearing. Axial fixation of the rotor can also be achieved by additional axial dimensions.
gnetfelder, die kein Rotationsmoment erzeugen, erzielt werden. Diese Art von Magnetfeldern erlaubt die Verwendung von z.B. gleichgepolten Permanentmagnetpaaren, bei denen ein Partner stationär, der andere rotierend montiert ist, und ist besonders bei Elektromaschinen von Vorteil, deren Rotor bei Abschaltung des Stromes axial nicht mehr gehalten würde. · · ·£-·..gnetfelder that do not generate any rotational moment can be achieved. This kind of magnetic fields allowed the use of permanent magnet pairs with the same polarity, for example, in which one partner is stationary, the other is mounted rotating, and is particularly advantageous for electrical machines whose rotor is switched off of the current would no longer be held axially. · · · £ - · ..
Das erfmdungsgemäße Prinzip wird mit Vorteil im Strömungsmaschinenbau angewandt. Eine Trennwand im sphärischen Luftspalt zwischen den beiden Polringen erlaubt die hermetische Trennung zwischen zwei Medien. Die Trennwand wird dabei aus magnetisch durchlässigem Material aufgebaut, welches keine oder nur eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit hat. Die Lagerung des Rotors, der gleichzeitig die Beschaufelung der Strömungsmaschine trägt, erfolgt über eine Lagersäule, die an der Trennwand befestigt ist oder aus einem Teil der Trennwand gebildet wird. Die Trennwand selbst kann auch als sphärische Lagerfläche ausgebildet sein; sie kann ferner mit der motorseitigen Gehäusewandung der Strömungsmaschine eine Einheit bilden.The principle according to the invention is used with advantage in flow machine construction. A partition in the spherical air gap between the two pole rings allows the hermetic separation between two Media. The partition wall is made of magnetically permeable material, which has no or only has a relatively low electrical conductivity. The bearing of the rotor, which is also the blading the turbomachine is carried by a bearing column that is attached to the partition is or is formed from a part of the partition. The partition itself can also be used as a spherical storage area be trained; it can also be connected to the motor-side housing wall of the turbomachine form a unit.
Bei Maschinen, die betriebsmäßig mit horizontaler Rotationsachse arbeiten, kann der Einfluß des Schwerfeldes der Erde auf die Lage des Rotors eliminiert werden durch einen Gewichtsausgleich, der durch eine Massenvergrößerung an der der magnetisch aktiven Halbkugel gegenüberliegenden Seite des Rotors erfolgt. Bei Strömungsmaschinen kann der zwischen dem Rotor und dem Ansaugstutzen gebildete Spalt auf einer Kugelfläche konzentrisch mit dem Mittelpunkt der sphärischen Lagerung verlaufen.In the case of machines that operate with a horizontal axis of rotation, the influence of the The earth's gravity field on the position of the rotor can be eliminated by a counterbalance, the by an increase in mass on the opposite side of the magnetically active hemisphere Rotor takes place. In the case of turbomachines, the one formed between the rotor and the intake manifold can Gap on a spherical surface run concentrically with the center of the spherical bearing.
Die magnetisch aktive Halbkugel des Rotors der Elektromaschine kann so aufgebaut sein, daß der umlaufende Polring aus weichmagnetischem Werkstoff besteht und mit einer Kappe aus elektrisch gut leitendem Material versehen ist. Der antreibende Polring der Elektromaschine kann als Blechpaket mit zur Rotationsebene entweder parallel oder senkrecht gerichteten Dynamoblechen ausgebildet sein.The magnetically active hemisphere of the rotor of the electric machine can be constructed so that the rotating Pole ring is made of soft magnetic material and with a cap made of good electrical conductivity Material is provided. The driving pole ring of the electric machine can be used as a laminated core with the plane of rotation be designed either parallel or perpendicular dynamo sheets.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Figuren näher beschrieben werden.The invention is to be described in more detail below with reference to figures.
Fig. la zeigt eine erfmdungsgemäße Elektromaschine schematisiert.Fig. La shows an electrical machine according to the invention schematically.
Fig. Ib zeigt ein Lagerdetail.Fig. Ib shows a bearing detail.
F i g. 2 zeigt eine erfmdungsgemäße Rotorabstützung. F i g. 2 shows a rotor support according to the invention.
F i g. 3 zeigt einen Motor mit Ringeisenkern.F i g. 3 shows a motor with a ring iron core.
F i g. 4 zeigt einen Motor mit Hufeisenkern. ·F i g. 4 shows a horseshoe core motor. ·
Fig. 5 zeigt einen Polring eines erfindungsgemäßen Vierpolmotors.Fig. 5 shows a pole ring of a four-pole motor according to the invention.
F i g. 6 zeigt einen Rotor mit Beschaufelung.F i g. 6 shows a rotor with blades.
Fig. 7 zeigt einen ebensolchen Pumpenläufer in massenäquilibrierter Ausführung.7 shows a pump runner of the same type in a mass-equilibrated design.
Fig. la zeigt schematisiert im Schnitt den umlaufenden Polring 1 und den ein Drehfeld erzeugenden Poking 2 eines erfindungsgemäßen Elektromotors. Der Luftspalt zwischen beiden Polringen verläuft auf einer sphärischen Fläche. In ihm ist eine Trennwand 3 aus magnetisch durchlässigem Material angeordnet, die den Raum des umlaufenden Polringes 1 von dem Raum des drehfelderzeugenden Polringes 2 hermetisch trennt. Die Ausbildung der Polringe ist so, daß die Zentren 4 und 5 der Isodynamen auf Kegelmänteln liegen, so daß die den Zentren 4 des umlaufenden Polringes 1 zugeordnete Ebene 6 sich in einem geringeren Abstand zum Kugelmittelpunkt 7 befindet als die Ebene 8, auf der die Zentren 5 des drehfelderzeugenden Polringes 2 liegen. Im Kugelmittelpunkt 7 wird der umlaufende Polring 1 durch die Lagersäule ■ 9 abgestützt.Fig. La shows schematically in section the circumferential Pole ring 1 and the rotating field generating poking 2 of an electric motor according to the invention. The air gap between the two pole rings runs on a spherical surface. There is a partition in it 3 arranged from magnetically permeable material, which the space of the rotating pole ring 1 of the Space of the rotating field generating pole ring 2 hermetically separates. The formation of the pole rings is such that the Centers 4 and 5 of the isodyne names lie on conical shells, so that the centers 4 of the circumferential Pole ring 1 associated plane 6 is located at a smaller distance from the center of the sphere 7 than the plane 8 on which the centers 5 of the rotating field generating pole ring 2 lie. In the center of the sphere 7 the rotating pole ring 1 is supported by the bearing column 9.
Fig. Ib zeigt vergrößert die Ausbildung der Unterstützungsfläche im Kugelmittelpunkt 7, die aus einer konvexen Gleitfläche 10 und einer Pfanne 11 mit einer konkaven Gleitfläche 12 besteht, deren Begrenzung 13 nicht bis in die durch den Kugelmittelpunkt 7 führende Rotationsebene 14 reicht.Fig. Ib shows enlarged the formation of the support surface in the center of the sphere 7, which consists of a convex sliding surface 10 and a socket 11 with a concave sliding surface 12, the boundary 13 of which does not extend into the center point of the sphere 7 leading plane of rotation 14 is enough.
Durch die beschriebene Zuordnung der Zentren 4 und 5 der Isodynamen wird vom drehfelderzeugenden Polring 2 nicht nur ein Drehmoment auf den umlaufenden Polring 1 übertragen, sondern gleichzeitig wird auch der Polring 1 durch die Magnetkräfte in seiner Lage gehalten und, wenn er durch einen Störeinfluß aus dieser Lage herausgebracht wurde, wieder in diese Lage zurückbewegt.Due to the described assignment of the centers 4 and 5 of the isodyne names, the rotating field generating pole ring 2 not only applies a torque to the rotating one Pole ring 1 transferred, but at the same time the pole ring 1 is also transferred by the magnetic forces in held in its position and, if it was brought out of this position by a disturbance, again moved back to this position.
F i g. 2 zeigt schematisch einen umlaufenden PoI-ring 1 und einen ein Drehfeld erzeugenden Polring 2, eine Lagersäule 9 und, im inneren Bereich des Polringes 1 angeordnet, einen Permanentmagneten, dessen äußerer Ringbereich 20 den einen Pol und der innere Kreisflächenbereich 21 den zweiten Pol bildet. Zur Fixierung des Polringes 1 in seiner Lage ist ein zweiter stationärer Permanentmagnet in einem Abstand und auf der der Lagersäule 9 gegenüberliegenden Seite angeordnet, der gleichsinnig magnetisiert ist. Die dadurch wirksamen abstoßenden Kräfte zwischen den Polbereichen 20, 20' und 21, 21' gleicher Polarität drücken den umlaufenden Polring 1 fest auf seinen Lagersitz 10.F i g. 2 schematically shows a circumferential poly ring 1 and a rotating field generating pole ring 2, a bearing column 9 and, in the inner area of the pole ring 1 arranged, a permanent magnet, the outer ring area 20 of which one pole and the inner Circular surface area 21 forms the second pole. A second one is used to fix the pole ring 1 in its position stationary permanent magnet arranged at a distance and on the side opposite the bearing column 9, which is magnetized in the same direction. The thereby effective repulsive forces between the Pole areas 20, 20 'and 21, 21' of the same polarity press the rotating pole ring 1 firmly onto its Bearing seat 10.
In Fig. 3 ist ein Motor mit einem Ringeisenkern dargestellt. Die Eisenbleche 31 bilden den drehfelderzeugenden Polring 2. Ein Schenkel 32 ist von einer Spule 33 mit einem Spulenkörper 34 umgeben, während der parallel dazu verlaufende Schenkel 35 eine halbkugelförmige Aushöhlung 36 aufweist. Ein Lagerbügel 37 aus nicht-magnetischem Material trägt eine Lagersäule 9, deren Spitze mit dem Zentrum 7 der Aushöhlung 36 zusammenfällt. Zur Erzeugung eines Drehfeldes sind Kurzschlußringe 38 und 38' vorgesehen. Der umlaufende Polring 1 besteht aus einem weichmagnetischen Kern und einer alsIn Fig. 3, a motor with a ring iron core is shown. The iron sheets 31 form the rotating field generating Pole ring 2. A leg 32 is surrounded by a coil 33 with a coil body 34, while the leg 35 running parallel to it has a hemispherical cavity 36. A bearing bracket 37 made of non-magnetic material carries a bearing column 9, the tip of which with the center 7 the cavity 36 collapses. To generate a rotating field, short-circuit rings 38 and 38 ' intended. The rotating pole ring 1 consists of a soft magnetic core and one as
4' Kurzschlußwicklung dienenden Kappe 39 aus elektrisch gut leitendem Material, wie Kupfer. Der weichmagnetische Kern wird vom magnetischen Fluß durchdrungen, in der Kappe 39 bilden sich Wirbelströme aus, die Magnetpole induzieren, wodurch der Polring 1 in Umdrehung versetzt wird. 4 'short-circuit winding serving cap 39 made of electrically good conductive material, such as copper. The soft magnetic core is penetrated by the magnetic flux, eddy currents are formed in the cap 39, which induce magnetic poles, as a result of which the pole ring 1 is set in rotation.
F i g. 4 zeigt eine gleichartige elektrische Maschine mit einem hufeisenförmigen Eisenpaket des drehfelderzeugenden Polringes 2. Die Bleche 41 sind hier parallel zur Rotationsebene ausgebildet, was zu einer sehr 5 flachen Ausführungsform führt.F i g. 4 shows an electrical machine of the same type with a horseshoe-shaped iron package of the rotating field generating unit Pole ring 2. The sheets 41 are formed here parallel to the plane of rotation, resulting in a very 5 flat embodiment leads.
Fig. 5 zeigt schematisiert einen angeschnitten dreh: felderzeugenden Polring 2 eines 4poligen Motors. Die Bleche 50 verlaufen ebenfalls parallel zur Rptationsebene. Zwei Hauptpole 51 und 51' sind mit Spulen bewickelt, von denen in der Figur nur die Spule 52 gezeigt wird, während die Nebenpole 53 keine Wicklung tragen. Sowohl von den Hauptpolen als auch von den Nebenpolen sind Spaltpole 54 und 54' abge* spalten und mit Kurzschlußringen 55 und 55' versehen. Fig. 5 shows schematically a sectioned rotary: field-generating pole ring 2 of a 4-pole motor. The metal sheets 50 also run parallel to the plane of the rptation. Two main poles 51 and 51 'are wound with coils, of which only the coil 52 is shown in the figure, while the secondary poles 53 have no winding. Split poles 54 and 54 'are split off from the main poles as well as from the secondary poles and are provided with short-circuit rings 55 and 55'.
Fig. 6 zeigt einen umlaufenden Polring 1, der mit einem Pumpenläufer 60 eine Einheit bildet. Die Abdeckscheibe 61 des Pumpenläufers 60 bildet mit6 shows a rotating pole ring 1 which forms a unit with a pump rotor 60. The cover panel 61 of the pump rotor 60 forms with
einem stationären Ansaugstutzen 62 einen sphärischen Spalt 63, so daß der Läufer 1, 60, 61 Taumelbewegungen ausführen kann, ohne daß die Abdeckscheibe 61 den Ansaugstutzen 62 berührt.a stationary suction port 62 a spherical gap 63, so that the rotor 1, 60, 61 tumbling movements can perform without the cover plate 61 touching the intake port 62.
F i g. 7 zeigt einen gleichartigen, einen Pumpenläufer bildenden umlaufenden Polring 1 mit Pumpenbe-F i g. 7 shows a similar rotating pole ring 1, which forms a pump rotor and has a pump
schaufelung 60 und einer Abdeckscheibe 61, wobei das Gewicht der Abdeckscheibe so groß gehalten ist, daß der Läufer 2, 60, 61 mit dem Kugelmittelpunkt 7 äquilibriert ist. Hierdurch wird vermieden, daß der Pumpenläufer 1, 60, 61 bei horizontaler Achse eine Verschwenkung erfährt.scooping 60 and a cover plate 61, the weight of the cover plate being kept so large that that the rotor 2, 60, 61 is equilibrated with the center 7 of the sphere. This avoids that the Pump rotor 1, 60, 61 is pivoted when the axis is horizontal.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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