DE1613098B2 - Induktionsrotor fuer elektromotore oder generatoren - Google Patents

Description

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Magnete aus sprödem Material, z. B. Ferrit bestehen, licher Magnete verlaufen parallel zur Drehachse XX' so daß sie bei einer mehr oder weniger starken des Rotors. Alle »Nord«-Polflächen liegen an der Torsionsbeanspruchung leicht zu Bruch gehen könn- Innenfläche der einen Scheibe während alle »Süd«- ten. Da die Magnete lediglich Druckkräften unter- Polflächen an der entsprechenden Innenfläche der worfen sind, können solche aus Magnetpulver ver- 5 anderen Scheibe liegen. Durch diese Parallelausrichwendet werden, die ein sehr starkes Kraftfeld auf- tung der Magnete nimmt die eine der beiden Polweisen, so daß sie der Entmagnetisierungswirkung scheiben, z. B. 2, die Polarität »Nord« an, während der inversen Felder widerstehen. Andererseits ist die die andere Polscheibe 4 die Polarität »Süd« anerforderliche Länge für ein gegebenes starkes Kraft- nimmt. Der Induktionsrotor hat also in montiertem feld bei solchen Magneten relativ gering. Dies er- io Zustand an seinem Umfang die aufeinanderfolgenden möglicht die Erzielung einer großen Poloberfläche Polaritäten: »Nord« 18, »Süd« 20', »Nord« 18', im Verhältnis zur Länge der Magnete. Abgesehen »Süd« 20. Die Pole laufen bei Drehung des Rotors davon kann, da die Länge der Magnete gering ist, die an den nicht dargestellten Spulen des Stators 16 Länge des Induktors gering gehalten werden. vorbei.

Bei den Induktoren gemäß der Erfindung, die mit 15 Vorzugsweise werden lauter völlig gleiche Magnete

Ferritmagneten ausgestattet sind, ergibt sich nicht verwendet. Sie haben im Ausführungsbeispiel die

nur der Vorteil des starken Koerzitivfeldes, sondern Form zylindrischer Stäbe von im Verhältnis zu ihrem

auch der einer begrenzten magnetischen Permeabili- Querschnitt geringer Länge (beispielsweise kann die

tat dieser Materialien, wodurch die Stärke der Kurz- Länge etwa so groß sein wie der Durchmesser). Die

schlußströme begrenzt und dadurch die Maschine 20 Länge der Stabmagnete ist gleich der Dicke des

geschützt wird. Zwischenrings 10.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Mit Rücksicht auf entmagnetisierende Wirkungen

f) Zeichnungen in Verbindung mit verschiedenen Aus- ist es vorteilhaft, Magnete aus einem Material mit

führungsbeispielen beschrieben. Es zeigt starkem Koerzitivfeld zu verwenden (z. B. über

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsge- 25 1000 Oe), z. B. Sinter-oder Preßmassenmagnete oder

mäßen Induktionsrotor von einfachem Aufbau, auch Ferrite. Dadurch wird eine Entmagnetisierung

F i g. 2 eine Schrägansicht des zerlegten Rotors durch inverse Felder vermieden. Außerdem kann die

nach Fig. 1, Länge der Stabmagnete wesentlich geringer gehalten

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch einen 18- werden als mit den gewöhnlichen Magnetmaterialien, poligen Rotor für eine elektrische Maschine höherer 30 wodurch die Abmessungen des Induktionsrotors verLeistung, z. B. einen Wechselstromgenerator, kleinert werden, selbst wenn dieser aus einer Mehr-

F i g. 4 einen Schnitt durch den Rotor nach der zahl von Polscheiben zusammengesetzt ist, wie das

Linie IV-IV der F i g. 3, Ausführungsbeispiel nach den F i g. 3 bis 6 zeigt.

F i g. 5 eine Teilansicht des Rotors nach F i g. 3 Die genannten Werkstoffe bringen gewöhnlich

von oben, und 35 mechanische Probleme mit sich, denn sie sind hart,

F i g. 6 eine Schrägansicht eines der Polansätze des zerbrechlich und praktisch kaum bearbeitbar, es sei

Rotors nach Fig. 3. denn durch Schleifen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Durch die erfindungsgemäße Rotorkonstruktion den F i g. 1 und 2 weist der Induktor eine erste sind jedoch diese Probleme ausgeschaltet, denn die kreisförmige Polscheibe 2 und eine zweite kreisför- 4° Sintermagnete können mit sehr geringen Toleranzen mige Polscheibe 4 aus magnetisierbarem Material, hergestellt werden (z. B. 2/100 mm), und sie kommen z. B. Weicheisen auf. Die beiden Polscheiben sind an die ebenen Flächen der Scheiben zu liegen, die mit miteinander und parallel zueinander mit Hilfe nicht- hoher Genauigkeit bearbeitet werden können. Es y magnetisierbarer Schraubbolzen 6 aus Bronze oder werden daher darüber hinaus äußerst geringe Luftrostfreiem Stahl, die durch die in die Polscheiben 45 spalte erzielt.

eingebrachten Löcher 8 gesteckt sind, befestigt. Ein Sind die Magnete einmal zwischen die Polscheiben Zwischenring 10 aus nichtmagnetisierbarem Material, eingebracht, so unterliegen sie keiner Zugbeanspruwie Bronze, hält einen vorbestimmten Abstand zwi- chung und auch keiner Scherbeanspruchung, der sie sehen den einander gegenüberliegenden Seiten der schlecht widerstehen könnten. Sie unterliegen ledig-Polscheiben 2 und 4 aufrecht. Der so entstehende 5° Hch Druckkräften, die sie aufnehmen können, wenn Raum bildet eine flache zylindrische Kammer, in die Toleranzen so sind, daß sie zwischen den Polder die Permanentmagnete untergebracht werden, scheiben im Rahmen ihrer zulässigen Beanspruchung wie später gezeigt wird. gepreßt werden.

Wenigstens eine der beiden Polscheiben 2 und 4, Die Ferrite haben eine relativ geringe magnetische

z. B. die Polscheibe 4, ist mit der Welle 12 der Ma- 55 Permeabilität, jedoch steht in einem Induktionsrotor

schine mit Hilfe eines Flansches 14, vorzugsweise aus nach der Erfindung eine Stützfläche für die Magnet-

nichtmagnetisierbarem Metall, der an der freien Seite pole (diese Fläche kann etwa 80 % der Oberfläche

der Polscheibe 4 befestigt ist, fest verbunden. der Polscheiben betragen) zur Verfügung, die wesent-

Jede der Polscheiben weist an ihrem Umfang eine Hch größer ist als die Fläche der Polansätze 18, 18',

bestimmte Anzahl von Polansätzen 18, 18', und 20, ^6o z. B. zehnmal so groß.

20' auf, die in regelmäßigen Winkelabständen verteilt In die freien Raumelemente zwischen den zylin-

und auf der äußeren Umfangsfläche des Rotors aus- drischen Oberflächen der kleinen Stabmagnete kön-

gerichtet sind, wenn die beiden Polscheiben mitein- nen weitere kleine Stabmagnete von geringerem

ander verbunden sind. Tn den Fig. 1 und 2 ist ein Querschnitt eingebracht werden. Der Raumgewinn

vierpoliger Tnduktionsrotor dargestellt. Eine größere 65 wäre jedoch gering. Sofern der Raum besser als mit

Anzahl von einzelnen Permanentmagneten 22 glei- Stabmagneten von rundem Querschnitt ausgenutzt

eher Länge ist nebeneinander in der flachen, zylin- werden soll, können Stabmagnete von z. B. sechs-

drischen Kammer untergebracht. Die Achsen samt- eckigem Querschnitt verwendet werden. Um bei

Verwendung von Stabmagneten mit rundem Querschnitt diese Anordnung zu versteifen, kann ein Füllstoff, z. B. Klebstoff, zwischen die Stabmagnete eingebracht werden. Für den Fall, daß die Stabmagnete in ihrer Länge bei der Herstellung im Vergleich zu dem ringförmigen Distanzstück 10 etwas zu kurz geraten, kann vor dem Einbringen der Stabmagnete in den Raum zwischen den Polscheiben 2 und 4 die Fläche der Polscheiben mit einer dünnen Schicht Klebstoff versehen werden, um die einzelnen Magnete in ihrer Lage zu den Polscheiben endgültig festzulegen.

Für den Fall, daß der Induktionsrotor für eine Maschine kleiner Leistung bestimmt ist, kann das Permanentmagnetsystem, welches in F i g. 2 mit einer großen Anzahl von Permanentmagneten 22 dargestellt ist, auch durch einige wenige Permanentmagnete, z. B. sieben Magnete von sechseckigem Querschnitt, die Seite an Seite angeordnet sind, gebildet sein. Im äußersten Fall und bei geringen mechanischen Kräften kann zwischen den beiden Flächen eines Scheibenpaares ein einziger Magnet von der Form einer Walze eingelegt sein.

In den F i g. 3 bis 6 ist ein Induktionsrotor dargestellt, der für einen Generator oder einen Motor größerer Leistung geeignet ist. Dieser Induktionsrotor weist eine Mehrzahl von kreisförmigen Polscheiben 2i, 4i, 2o, 4% 2-i, 4₃, 2₄ auf, die aneinandergereiht sind, derart, daß jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Polscheiben eine flache zylindrische Kammer entsteht, in welcher ein Magnetsystem eingelagert ist.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Induktionsrotor sieben Polscheiben auf, so daß zwischen den Polscheiben sechs Zwischenräume 24_t bis 24o entstehen, in welchen die Magnete wie bei den in den F i g. 1 und 2 dargestellten Fällen angeordnet sind, d. h. derart, daß ihre Achsen der Achse XX' des Induktionsrotors parallel sind. Die beiden einander gegenüberliegenden Flächen ein und derselben Polscheibe stehen mit lauter gleichnamigen Polen der Magnete in Verbindung, so daß die aufeinanderfolgenden Polscheiben abwechselnd »Nord«- und »Süd«-Polarität haben.

Es ist von Vorteil, wie in F i g. 3 dargestellt, eine ungerade Anzahl von Polscheiben zu verwenden, so daß der Induktionsrotor. zwei Außenscheiben aufweist, die gleiche Polarität haben, was die magnetischen Verluste herabsetzt. Die beiden äußeren Polscheiben 2_t und 24 können dabei eine geringere Stärke haben, da sie nur von einer Seite her magnetisiert werden.

Der dargestellte Induktionsrotor weist beispielsweise vier Polscheiben mit Nordpolarität (2₍, 2_ä, 2s, 2₄) und drei Polscheiben mit Südpolarität (4,, 4₂, 4₃) auf.

Der Abstand zwischen den einzelnen Polscheiben wird durch die nichtmagnetisierbaren Zwischenringe 1Oi bis 1On aufrechterhalten, die z. B. aus Bronze bestehen. Der Stapel Polscheiben wird hierbei durch Schraubbolzen 6 zusammengehalten, deren Muttern 26 auch die Außenflansche 28 und 30 aus nichtmagnetisierbarem Metall zusammenpressen. Der eine der beiden Flansche kann mit der Maschinenwelle verbunden sein, während der andere einen Lagerzapfen 32 trägt, der in einer Lagerschale 34 drehbar gelagert ist.

Zwischen den Schraubbolzen 6 können Positionierungsstifte 36 vorgesehen sein, die keine Preßkräfte übernehmen (Fig. 3, 4 und 5).

Zur Herabsetzung der magnetischen Verluste können die Zwischenringe 10_t bis 1Or, wie in Fi g. 3 dargestellt, eine Dicke erhalten, die größer ist als die Zwischenräume 24_t bis 24ß, in denen die Magnete liegen, wodurch sich der Abstand zwischen den Umfangsteilen der Polscheiben vergrößert. Hierzu ist erforderlich, diese Umfangsteile 38 der Polscheibea

ίο dünner auszuführen, wie dies im Schnitt in F i g. 3 und in Schrägansicht in F i g. 6 für die Polscheibe 2* dargestellt ist.

Die Erfindung kann mit Vorteil sowohl bei Induktionsrotoren, die nur eine geringe Polzahl aufweisen (z.B. vier, wie in dem Beispiel der Fig. 1

und 2), als auch bei solchen mit hoher Polzahl (z. B.

achtzehn Polen, wie in dem Beispiel der F i g. 3 bis 6 dargestellt) angewendet werden.

Jede Polscheibe, z. B. die »Nord«-Scheibe 2-₂, dargestellt in Fig. 6, ist mit Polansätzen versehen, die in gleichen Winkelabständen verteilt sind, z. B. in Winkeln von vierzig Grad, wie in dem gewählten Beispiel.

Die Polansätze 46, 48 bestehen aus einem Teil 40, der in radialer Richtung den Umfang 42 der Polscheibe begrenzt, und aus einem Ansatz 44, der in radialer und in axialer Richtung bezüglich der Polscheibe die zylindrische Oberfläche des Ansatzes begrenzt, welcher die eigentliche Poloberfläche bildet.

Bei der Draufsicht auf die Abwicklung nach F i g. 5 ist zu sehen, daß die Polansätze 46 der »Nord«-Polscheiben 2_1; 2g, 2₃, 24 nach den Mantellinien AA', BB' der zylindrischen äußeren Oberfläche des Induktionsrotors ausgerichtet sind, während die Polansätze 48, der »Süd«-Polscheiben 4i, 4», 4₃ nach den Mantellinien QQ', RR' ausgerichtet sind, und zwar in gleichen Abständen wie die vorerwähnten. Bei gewissen Ausführungsbeispielen sind die Pollinien relativ zu den Mantellinien geringfügig verschoben, z. B. nach einer Schraubenlinie, wie es bei bestimmten rotierenden Maschinen der Fall ist.

Die gleiche Wirkung kann auch mit polygonförmigen Polflächen erreicht werden, wie dies in F i g. 5 dargestellt ist. Die Polansätze können auch beliebige ebene Form haben, aber es ist vorteilhaft, die Oberfläche polygonförmig zu machen, z. B. achtseitig (F i g. 5), um die Abstände zwischen ungleichnamigen Polen konstant zu halten.

Sind die äußeren Polscheiben von gleicher Polaritat, so haben die Polansätze 50 dieser Polscheiben vorzugsweise eine halb so große Oberfläche wie die Polansätze 46 der Zwischenscheiben, so daß die gesamte Polfläche für beide Polaritäten die gleiche ist. Die Polansätze an den Polscheiben können durch Schmieden und anschließende Bearbeitung hergestellt werden, aber es können insbesondere bei Rotoren mit geringer Umfangsgeschwindigkeit auch nur angesetzte Polstücke vorgesehen sein.

Der in den F i g. 3 bis 6 dargestellte Induktionsrotor arbeitet mit einem Stator 16 von bekannter Bauart zusammen und bildet mit diesem eine rotierende Maschine, wie Generator oder Motor, ohne Schleifringe.

Wie bei dem zuerst beschriebenen Beispiel und aus den gleichen Gründen, wie bei diesem, werden auch hier vorzugsweise Permanentmagnete aus Ferrit mit einem Feld hoher Koerzitivkraft verwendet.
Um die Ansammlung von Magnetstaub zwischen

den Polen zu verhindern, kann in die Zwischenräume der Pole ein Isoliermaterial, z. B. Kunstharz eingebracht werden.

Die beschriebenen Anordnungen gestatten die Herstellung von Induktionsrotoren, bei denen die Maschinenwellen den Rotor nicht durchsetzen, aber es

ist auch möglich, durch Verwendung von Ringscheiben in bekannter Weise die Wellen durchgehend zu montieren, wie dies bei den herkömmlichen Rotoren üblich ist. Diese Lösung führt indessen zu einem Rotor von größerem Volumen, wenn die magnetischen Eigenschaften gleich sein sollen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

entgegen. Tatsächlich ist einerseits bei Magneten aus Patentansprüche: . metallischen Werkstoffen, insbesondere aus Stahl oder Kobalt, die gute mechanische Eigenschaften

1. Induktionsrotor für Elektromotore oder Ge- und eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen, neratoren mit wenigstens zwei in axialem Ab- 5 das Kraftfeld ziemlich schwach; andererseits weisen stand angeordneten und an ihrem Umfang mit Preßmassenmagnete oder Ferritmagnete, die ein Polansätzen versehenen Polscheiben, von denen starkes Koerzitivfeld besitzen, wodurch eine volldie eine sich mit der Rotorwelle dreht und mit ständige Aufrechterhaltung der Magnetisierung trotz der anderen Polscheibe über ein zwischen den inverser Felder gewährleistet wäre, nur eine geringe zwei Polscheiben angeordnetes Permanentmagnet- io magnetische Permeabilität und eine geringe mechasystem verbunden ist, dadurch gekenn- nische Festigkeit auf, was ihren Einsatz beim Aufzeichnet, daß ein den gegenseitigen Abstand treten größerer Zugspannungen verhindert.

der Polscheiben (2, 4 bzw. 2_t, 4_t, 2%, 4₂,2%, 4₃, 2\) Es ist bereits ein elektrischer Wechselstromerzeu-

bestimmender Zwischenring (10 bzw. lOi, IO2, ger der Klauenpolbauart bekannt (deutsches Ge-

IO3, 10g) aus nichtmagnetisierbarem Material mit 15 brauchsmuster 1 930 868), der die Merkmale des ein-

den sich gegenüberliegenden Seitenflächen der gangs beschriebenen Induktionsrotors aufweist. Soll

Polscheiben eine zylindrische Kammer bildet, die die Leistung eines derartigen elektrischen Wechsel-

durch das aus stabförmigen, zur Rotorachse Stromerzeugers erhöht werden, muß der Durchmes-

parallel angeordneten Permanentmagneten (22) ser des ringförmigen Dauermagneten bzw. des

bestehende Permanentmagnetsystem möglichst ²⁰ Klauenpolrades vergrößert werden, was unwirtschaft-

ausgefüllt ist, wobei durch die Polscheiben und lieh ist. Des weiteren ist auf dem ringförmigen

den Zwischenring Schraubbolzen (6) aus nicht- Magneten eine Bandage fest aufgesetzt, die beim

magnetisierbarem Material hindurchgeführt sind. Ausbau des Magneten gleichfalls aus dem Rotor ver-

2. Induktionsrotor nach Anspruch 1, dadurch schwindet und somit nicht als ein den Umfang eines gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (22) ²5 Hohlzylinders bildender Zwischenraum angesehen einen sechseckigen Querschnitt aufweisen. werden kann.

3. Induktionsrotor nach den Ansprüchen 1 Bei einer weiteren bekannten Ausführungsform und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Perma- (französische Patentschrift 1 198 011) sitzen die ringnentmagnete (22) aus Ferrit bestehen. förmigen Magneten auf einer auf der Rotorwelle auf-

4. Induktionsrotor nach den Ansprüchen 1 3° geschobenen Hülse aus nichtmagnetisierbarem Matebis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der rial auf. Hierbei wird somit der für die Magnete zur Rotorwelle (12) sich drehende Polscheibe (4) mit Verfügung stehende Ringraum zusätzlich durch die dieser Welle durch einen Flansch (14) aus nicht- Hülse verkleinert.

magnetisierbarem Material verbunden ist. Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzu-

35 geben, die es gestatten, Induktionsrotoren für Maschinen beliebiger Leistung zu bauen, die trotz der ungünstigen mechanischen Eigenschaften der be-

— kannten Permanentmagnete einwandfrei arbeiten,

und insbesondere Induktionsrotoren zu schaffen, bei

4° denen der zur Aufnahme des Dauermagneten zur

Verfugung stehende Raum ohne Vergrößerung des

Die Erfindung bezieht sich auf Induktionsrotoren Außendurchmessers des Klauenpolrades vergrößert für Elektromotore oder Generatoren mit wenigstens wird.

zwei in axialem Abstand angeordneten und an ihrem Gemäß der Erfindung bildet bei einem eingangs

Umfang mit Polansätzen versehenen Polscheiben, von ⁴5 genannten Induktionsrotor ein den gegenseitigen Abdenen die eine sich mit der Rotorwelle dreht und stand der Polscheiben bestimmender Zwischenring mit der anderen Polscheibe über ein zwischen den aus nichtmagnetisierbarem Material mit den sich zwei Polscheiben angeordnetes Permanentmagnet- gegenüberliegenden Seitenflächen der Polscheiben system verbunden ist. eine zylindrische Kammer, die durch das aus stab-

Elektrische Maschinen, bei denen die Erregung ⁵° förmigen, zur Rotorachse parallel angeordneten Permit Hilfe eines Rotors mit Permanentmagneten er- manentmagneten bestehende Permanentmagnetzeugt wird, sind bereits bekannt, jedoch sind solche system möglichst ausgefüllt ist, wobei durch die Induktoren bisher lediglich bei Maschinen von gerin- Polscheiben und den Zwischenring Schraubbolzen ger Leistung eingesetzt worden, etwa in der Größen- aus nichtmagnetisierbarem Material hindurchgeführt Ordnung von einigen hundert Watt (Magnetzünder, ⁵⁵ sind. Vorzugsweise besitzen dabei die Permanent-Soielzeugmotoren, Tachometer, kleine Generatoren, magnete einen sechseckigen Querschnitt und bestehen Übertrager usw.). Dies hat seinen Grund in der aus Ferrit.

Charakteristik der Permanentmagneten in magne- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die

tischer und mechanischer Hinsicht. mit der Rotorwelle sich drehende Polscheibe mit

Wird für eine elektrische Maschine ein permanent- ^6o dieser Welle durch einen Flansch aus nichtmagnetimagnetischer Induktor vorgesehen, so ist es beson- sierbarem Material verbunden,
ders vorteilhaft, den Rotor zum Induktor zu machen, Durch die Erfindung kann die Rotorwelle selbst

da hierbei das Problem der Schleifringübertragung aus magnetisierbarem Material bestehen, da der zyausgeschaltet wird. Jedoch kommt die mechanische lindrisch gestaltete Rotor mit einer den Rotor nicht Festigkeit derjenigen Magnete, die vom magnetischen ^6s durchsetzenden Rotorwelle verbunden ist. Des weite-Standpunkt aus am interessantesten erscheinen, den ren wird mit der Erfindung erreicht, daß die Magnete Anforderungen, denen Rotoren von großem Durch- an der Drehmomentübertragung nicht teilnehmen, messer und hoher Drehzahl unterworfen sind, wenig was besonders dann von Bedeutung ist, wenn die