DE1613098C - Induktionsrotor fur Elektro motoren oder Generatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Induktionsrotoren für Elektromotore oder Generatoren mit wenigstens zwei in axialem Abstand angeordneten und an ihrem Umfang mit Polansätzen versehenen Polscheiben, von denen die eine sich mit der Rotorwelle dreht und mit der anderen Polscheibe über ein zwischen den zwei Polscheiben angeordnetes Permanentmagnetsystem verbunden ist.

Elektrische Maschinen, bei denen die Erregung mit Hilfe eines Rotors mit Permanentmagneten erzeugt wird, sind bereits bekannt, jedoch sind solche Induktoren bisher lediglich bei Maschinen von geringer Leistung eingesetzt worden, etwa in der Größen-Ordnung von einigen hundert Watt (Magnetzünder, Spielzeugmotoren, Tachometer, kleine Generatoren, Übertrager usw.).. Dies hat seinen Grund in der Charakteristik der Permanentmagneten in magnetischer und mechanischer Hinsicht.

Wird für eine elektrische Maschine ein permanentmagnetischer Induktor vorgesehen, so ist es besonders vorteilhaft, den Rotor zum Induktor zu machen, da hierbei das Problem der Schleifringübertragung ausgeschaltet wird. Jedoch kommt die mechanische Festigkeit derjenigen Magnete, die vom magnetischen Standpunkt aus am interessantesten erscheinen, den Anforderungen, denen Rotoren von großem Durchmesser und hoher Drehzahl unterworfen sind, wenig entgegen. Tatsächlich ist einerseits bei Magneten aus metallischen Werkstoffen, insbesondere aus Stahl oder Kobalt, die gute mechanische Eigenschaften und eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen, das Kraftfeld ziemlich schwach; andererseits weisen Preßmassenmagnete oder Ferritmagnete, die ein starkes Koerzitivfeld besitzen, wodurch eine vollständige Aufrechterhaltung der Magnetisierung trotz inverser Felder gewährleistet wäre, nur eine geringe magnetische Permeabilität und eine geringe mechanische Festigkeit auf, was ihren Einsatz beim Auftreten größerer Zugspannungen verhindert.

Es ist bereits ein elektrischer Wechselstromerzeuger der Klauenpolbauart bekannt (deutsches Gebrauchsmuster 1 930 868), der die Merkmale des eingangs beschriebenen Induktionsrotors aufweist. Soll die Leistung eines derartigen elektrischen Wechsel-Stromerzeugers erhöht werden, muß der Durchmesser des ringförmigen Dauermagneten bzw. des Klauenpolrades vergrößert werden, was unwirtschaftlieh ist. Des weiteren ist auf dem ringförmigen Magneten eine Bandage fest aufgesetzt, die beim Ausbau des Magneten gleichfalls aus dem Rotor verschwindet und somit nicht als ein den Umfang eines Hohlzylinders bildender Zwischenraum angesehen werden kann.

Bei einer weiteren bekannten Ausführungsform (französische Patentschrift 1 198 011) sitzen die ringförmigen Magneten auf einer auf der Rotorwelle auf-

3" geschobenen Hülse aus nichtmagnetisierbarem Material auf. Hierbei wird somit der für die Magnete zur Verfügung stehende Ringraum zusätzlich durch die Hülse verkleinert.

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 bekannten Permanentmagnete einwandfrei arbeiten, und insbesondere Induktionsrotoren zu schaffen, bei denen der zur Aufnahme des Dauermagneten zur Verfügung stehende Raum ohne Vergrößerung des Außendurchmessers des Klauenpolrades vergrößert wird.

Gemäß der Erfindung bildet bei einem eingangs

⁴^ genannten Induktionsrotor ein den gegenseitigen Abstand der Polscheiben bestimmender Zwischenring aus nichtmagnetisierbarem Material mit den sich gegenüberliegenden Seitenflächen der Polscheiben eine zylindrische Kammer, die durch das aus stabförmigen, zur Rotorachse parallel angeordneten Permanentmagneten bestehende Permanentmagnetsystem möglichst ausgefüllt ist, wobei durch die Polscheiben und den Zwischenring Schraubbolzen aus nichtmagnetisierbarem Material hindurchgeführt sind. Vorzugsweise besitzen dabei die Permanentmagnete einen sechseckigen Querschnitt und bestehen aus Ferrit.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die mit der Rotorwelle sich drehende Polscheibe mit dieser Welle durch einen Flansch aus nichtmagnetisierbarem Material verbunden.

Durch die Erfindung kann die Rotorwelle selbst aus magnetisierbarem Material bestehen, da der zylindrisch gestaltete Rotor mit einer den Rotor nicht

^6s durchsetzenden Rotorwelle verbunden ist. Des weiteren wird mit der Erfindung erreicht, daß die Magnete an der Drehmomentübertragung nicht teilnehmen, was besonders dann von Bedeutung ist, wenn die

Magnete aus sprödem Material, z. B. Ferrit bestehen, so daß sie bei einer mehr oder weniger starken Torsionsbeanspruchung leicht zu Bruch gehen könnten. Da die Magnete lediglich Druckkräften unterworfen sind, können solche aus Magnetpulver verwendet werden, die ein sehr starkes Kraftfeld aufweisen, so daß sie der Entmagnetisierungswirkung der inversen Felder widerstehen. Andererseits ist die erforderliche Länge für ein gegebenes starkes Kraftfeld bei solchen Magneten relativ gering. Dies ermöglicht die Erzielung einer großen Poloberfläche im Verhältnis zur Länge der Magnete. Abgesehen davon kann, da die Länge der Magnete gering ist, die Länge des Induktors gering gehalten werden.

Bei den Induktoren gemäß der Erfindung, die mit Ferritmagneten ausgestattet sind, ergibt sich nicht nur der Vorteil des starken Koerzitivfeldes, sondern auch der einer begrenzten magnetischen Permeabilität dieser Materialien, wodurch die Stärke der Kurzschlußströme begrenzt und dadurch die Maschine geschützt wird.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Induktionsrotor von einfachem Aufbau,

F i g. 2 eine Schrägansicht des zerlegten Rotors nach Fig. 1,

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch einen 18-poligen Rotor für eine elektrische Maschine höherer Leistung, z. B. einen Wechselstromgenerator,

F i g. 4 einen Schnitt durch den Rotor nach der Linie IV-IV der Fig. 3,

F i g. 5 eine Teilansicht des Rotors nach F i g. 3 von oben, und

F i g. 6 eine Schrägansicht eines der Polansätze des Rotors nach Fig. 3.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach den F i g. 1 und 2 weist der Induktor eine erste kreisförmige Polscheibe 2 und eine zweite kreisförmige Polscheibe 4 aus magnetisierbarem Material, z. B. Weicheisen auf. Die beiden Polscheiben sind miteinander und parallel zueinander mit Hilfe nichtmagnetisierbarer Schraubbolzen 6 aus Bronze oder rostfreiem Stahl, die durch die in die Polscheiben eingebrachten Löcher 8 gesteckt sind, befestigt. Ein Zwischenring 10 aus nichtmagnetisierbarem Material, wie Bronze, hält einen vorbestimmten Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten der Polscheiben 2 und 4 aufrecht. Der so entstehende Raum bildet eine flache zylindrische Kammer, in der die Permanentmagnete untergebracht werden, wie später gezeigt wird.

Wenigstens eine der beiden Polscheiben 2 und 4, z. B. die Polscheibe 4, ist mit der Welle 12 der Maschine mit Hilfe eines Flansches 14, vorzugsweise aus nichtmagnetisierbarem Metall, der an der freien Seite der Polscheibe 4 befestigt ist, fest verbunden.

Jede der Polscheiben weist an ihrem Umfang eine bestimmte Anzahl von Polansätzen 18, 18', und 20, 20' auf, die in regelmäßigen Winkelabständen verteilt und auf der äußeren Umfangsfläche des Rotors ausgerichtet sind, wenn die beiden Polscheiben miteinander verbunden sind. In den F i g. 1 und 2 ist ein vierpoliger Induktionsrotor dargestellt. Eine größere Anzahl von einzelnen Permanentmagneten 22 gleicher Länge ist nebeneinander in der flachen, zylindrischen Kammer untergebracht. Die Achsen sämtlicher Magnete verlaufen parallel zur Drehachse XX' des Rotors. Alle »NordÄ-Polflächen liegen an der Innenfläche der einen Scheibe während alle »Süd«- Polflächen an der entsprechenden Innenfläche der anderen Scheibe liegen. Durch diese Parallelausrichtung der Magnete nimmt die eine der beiden Polscheiben, z. B. 2, die Polarität »Nord« an, während die andere Polscheibe 4 die Polarität »Süd« annimmt. Der Induktionsrotor hat also in montiertem

ίο Zustand an seinem Umfang die aufeinanderfolgenden Polaritäten: »Nord« 18, »Süd« 20', »Nord« 18', »Süd« 20. Die Pole laufen bei Drehung des Rotors an den nicht dargestellten Spulen des Stators 16 vorbei.

Vorzugsweise werden lauter völlig gleiche Magnete verwendet. Sie haben im Ausführungsbeispiel die Form zylindrischer Stäbe von im Verhältnis zu ihrem Querschnitt geringer Länge (beispielsweise kann die Länge etwa so groß sein wie der Durchmesser). Die Länge der Stabmagnete ist gleich der Dicke des Zwischenrings 10.

Mit Rücksicht auf entmagnetisierende Wirkungen ist es vorteilhaft, Magnete aus einem Material mit starkem Koerzitivfeld zu verwenden (z. B. über 1000 Oe), z. B. Sinter- oder Preßmassenmagnete oder auch Ferrite. Dadurch wird eine Entmagnetisierung durch inverse Felder vermieden. Außerdem kann die Länge der Stabmagnete wesentlich geringer gehalten werden als mit den gewöhnlichen Magnetmaterialien, wodurch die Abmessungen des Induktionsrotors verkleinert werden, selbst wenn dieser aus einer Mehrzahl von Polscheiben zusammengesetzt ist, wie das Ausführungsbeispiel nach den F i g. 3 bis 6 zeigt.
Die genannten Werkstoffe bringen gewöhnlich mechanische Probleme mit sich, denn sie sind hart, zerbrechlich und praktisch kaum bearbeitbar, es sei denn durch Schleifen.

Durch die erfindungsgemäße Rotorkonstruktion sind jedoch diese Probleme ausgeschaltet, denn die Sintermagnete können mit sehr geringen Toleranzen hergestellt werden (z. B. 2/100 mm), und sie kommen an die ebenen Flächen der Scheiben zu liegen, die mit hoher Genauigkeit bearbeitet werden können. Es werden daher darüber hinaus äußerst geringe Luftspalte erzielt.

Sind die Magnete einmal zwischen die Polscheiben eingebracht, so unterliegen sie keiner Zugbeanspruchung und auch keiner Scherbeanspruchung, der sie schlecht widerstehen könnten. Sie unterliegen lediglieh Druckkräften, die sie aufnehmen können, wenn die Toleranzen so sind, daß sie zwischen den Polscheiben im Rahmen ihrer zulässigen Beanspruchung gepreßt werden.

Die Ferrite haben eine relativ geringe magnetische Permeabilität, jedoch steht in einem Induktionsrotor nach der Erfindung eine Stützfläche für die Magnetpole (diese Fläche kann etwa 80 % der Oberfläche der Polscheiben betragen) zur Verfügung, die wesentlich größer ist als die Fläche der Polansätze 18, 18',

z. B. zehnmal so groß.

In die freien Raumelemente zwischen den zylindrischen Oberflächen der kleinen Stabmagnete können weitere kleine Stabmagnete von geringerem Querschnitt eingebracht werden. Der Raumgewinn wäre jedoch gering. Sofern der Raum besser als mit Stabmagneten von rundem Querschnitt ausgenutzt werden soll, können Stabmagnete von z. B. sechseckigem 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, 22, 4₂, 23, 4-3, 2± 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 24i bis 24e 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\ 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\, 2s, 2s, 2₄) und drei Polscheiben mit Südpolarität (4_U 4°, 4₃) auf.

Der Abstand zwischen den einzelnen Polscheiben wird durch die nichtmagnetisierbaren Zwischenringe 10t bis 1Oo 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 1O₁ bis 10_ß, wie in Fi g. 3 dargestellt, eine Dicke erhalten, die größer ist als die Zwischenräume 24_t bis 24_S, in denen die Magnete liegen, wodurch sich der Abstand zwischen den Umfangsteilen der Polscheiben vergrößert. Hierzu ist erforderlich, diese Umfangsteile 38 der Polscheiben

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.

!ede Polscheibe, z. B. die »Nord«-Scheibe 2₂, 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 Fig. 5 ist zu sehen, daß die Polansätze 46 der »Nord«-Polscheiben 2\, 2s, 23, 2₄ nach den Mantellinien AA', BB' der zylindrischen äußeren Oberfläche des Induktionsrotors ausgerichtet sind, während die Polansätze 48, der »Süd«-Polscheiben 4i, 42, 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 Polariso tat, 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)

Patentansprüche:

1. Induktionsrotor für Elektromotoren oder Generatoren mit wenigstens zwei in axialem Abstand angeordneten und an ihrem Umfang mit Polansätzen versehenen Polscheiben, von denen die eine sich mit der Rotorwelle dreht und mit der anderen Polscheibe über ein zwischen den zwei Polscheiben angeordnetes Permanentmagnetsystem verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein den gegenseitigen Abstand der Polscheiben (2, 4 bzw. 2i, 4_U 2₂, 4s, 2_;>, 4_:!, 2.|) bestimmender Zwischenring (10 bzw. 1Oi, IO2, 10;i, 10(i) aus nichtmagnetisierbarem Material mit den sich gegenüberliegenden Seitenflächen der Polscheiben eine zylindrische Kammer bildet, die durch das aus stabförmigen, zur Rotorachse parallel angeordneten Permanentmagneten (22) bestehende Permanentmagnetsystem möglichst ausgefüllt ist, wobei durch die Polscheiben und den Zwischenring Schraubbolzen (6) aus nichtmagnetisierbarem Material hindurchgeführt sind.

2. Induktionsrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (22) einen sechseckigen Querschnitt aufweisen.

3. Induktionsrotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Perm'.:- nentmagnete (22) aus Ferrit bestehen.

4. Induktionsrotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Rotorwelle (12) sich drehende Polscheibe (4) mit dieser Welle durch einen Flansch (14) aus nichtmagnetisierbarem Material verbunden ist.