DE1613422B2

DE1613422B2 - Electric machine

Info

Publication number: DE1613422B2
Application number: DE19671613422
Authority: DE
Inventors: Jean Fourqueux; Jarret Jacques Le Vesinet; Jarret (Frankreich)
Original assignee: Societe Techniques Electriques Jarret T.E.J., Paris
Priority date: 1966-09-19
Filing date: 1967-09-19
Publication date: 1972-10-12
Also published as: CH462317A; BE704049A; NL149959B; NO119186B; GB1167805A; DE1613422A1; BR6793072D0; ES345204A1; AT278165B; SE340836B; JPS5330883B1; NL6712770A; FR1502811A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit zwei koaxial mit Abstand angeordneten Statorkränzen mit Polen aus magnetischem Werkstoff, welche in dem Raum zwischen den Statorkränzen ein magnetisches Gleichfeld und ein diesem überlagertes magnetisches Wechselfeld erzeugen, und mit einem im Raum zwischen den Statorkränzen angeordneten, mit Zähnen aus ferromagnetischem Material versehenen, scheibenförmigen Rotor.The invention relates to an electrical machine with two coaxially spaced stator rings with poles made of magnetic material, which one in the space between the stator rings Generate a direct magnetic field and a superimposed alternating magnetic field, and with a arranged in the space between the stator rings, provided with teeth made of ferromagnetic material, disc-shaped rotor.

Bekanntlich kann man Maschinen mit veränderlichem magnetischem Widerstand und hohen Leistungen in der Weise realisieren, daß die mittlere Sättigung im Eisen der Rotorzähne bei starkem Feld wesentlich kleiner als die Sättigungsinduktion in den anderen Teilen des magnetischen Kreises der Maschine ist. Wenn nur die Zähne allein, ohne die anderen Teile der Maschine, gesättigt sind, kann man die starken Felder dort konzentrieren, wo sie am wirksamsten sind, und die Fluß änderungen so steuern, daß die Summe der veränderlichen Flüsse in der Maschine konstant bleibt. In solchen Maschinen, wie sie z.B. in den belgischen Patentschriften 600,687, 670,717 und 681,166 beschrieben sind, bilden die Zähne einen Teil des Rotors der Maschine, der außerdem noch mehr oder weniger wichtige Teile des magnetischen Kreises umfaßt. Dieser bewegliche Teil des magnetischen Kreises, dessen Masse im allgemeinen mehr als das Zehnfache der Masse der Zähne beträgt, hat infolgedessen ein beträchtliches Trägheitsmoment, das raschen Änderungen der Winkelgeschwindigkeit entgegenwirkt.It is well known that machines with variable magnetic resistance and high power can be used Realize in such a way that the mean saturation in the iron of the rotor teeth is essential with a strong field less than the saturation induction in the other parts of the machine's magnetic circuit is. When the teeth alone, excluding the other parts of the machine, are saturated, one can get the strong ones Concentrate fields where they are most effective and control the flow changes so that the sum of the variable flows in the machine remains constant. In machines like her for example described in Belgian patents 600,687, 670,717 and 681,166, form the Teeth are part of the rotor of the machine, which are also more or less important parts of the magnetic Circle includes. This moving part of the magnetic circuit, its mass in general is more than ten times the mass of the teeth, consequently has a considerable moment of inertia, that counteracts rapid changes in angular velocity.

Es ist auch bekannt (schweizerische Patentschrift 403,049), bei elektrischen Maschinen den Rotor als teilweise mit ferromagnetischem Material belegte Scheibe mit fingerähnlich geformten Polen auszubilden. Die Herstellung dieses Rotors ist jedoch sehr aufwendig, zumal es schwierig ist, den einzelnen Teilen des Rotors einen ausreichend festen Halt am Rotor zu geben. Außerdem ist das Trägheitsmoment derartiger Rotoren immer noch verhältnismäßig hoch.It is also known (Swiss patent 403,049) to use the rotor in electrical machines as to form a partially covered with ferromagnetic material disc with finger-like shaped poles. The manufacture of this rotor is very complex, especially since it is difficult to find the individual parts to give the rotor a sufficiently firm hold on the rotor. Also is the moment of inertia such rotors are still relatively high.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Rotor einfach hergestellt werden kann, einen guten Zusammenhalt seiner Teile, insbesondere der Zähne, und ein geringes Trägheitsmoment aufweist,
j Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rotorzähne durch die von der Motorwelle am weitesten entfernt liegenden Abschnitte eines wellenförmig verformten, konzentrisch angeordneten Ringes gebildet sind, der durch gemeinsames ίο Aufwickeln eines magnetischen und eines unmagnetischen, isolierenden Bandes gebildet ist.The object of the invention is to create an electrical machine of the type mentioned at the outset, the rotor of which is easy to manufacture, has good cohesion of its parts, in particular the teeth, and a low moment of inertia,
This object is achieved according to the invention in that the rotor teeth are formed by the sections of a wave-shaped, deformed, concentrically arranged ring that is furthest away from the motor shaft, which is formed by joint winding of a magnetic and a non-magnetic, insulating tape.

Die Vorteile eines solchen Rotors bestehen in der einfachen und billigen Herstellung der Zähne durch Aufwickeln des Bandes und dem festen Zusammenhalt der Rotorteile, der durch den gewickelten Aufbau des Zahnkranzes gewährleistet ist.The advantages of such a rotor consist in the simple and cheap production of the teeth by Winding up of the tape and the tight cohesion of the rotor parts, which is caused by the wound structure of the ring gear is guaranteed.

Ferner ist das polare Trägheitsmoment des Rotors nach der Erfindung kleiner als bei der bekannten Anordnung, da die aus unmagnetischem Material bestehenden Stützstücke der Scheiben fortfallen.Furthermore, the polar moment of inertia of the rotor according to the invention is smaller than in the known arrangement, since the support pieces of the disks made of non-magnetic material are omitted.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der wellenförmige Rotorring zwischen zwei unmagnetischen, mit der Motorwelle verkeilten Stirnscheiben befestigt ist. Damit wird in konstruktiv einfacher Weise eine sehr wirksame auch hohen Fliehkräften widerstehende Befestigungsart für den wellenförmigen Rotorring geschaffen, ohne daß zusätzliche Befestigungselemente das Trägheitsmoment des Rotors erhöhen.A preferred embodiment of the invention is that the wave-shaped rotor ring between two non-magnetic end disks wedged with the motor shaft. This becomes constructive in simply a very effective type of fastening that can also withstand high centrifugal forces the wave-shaped rotor ring created without the need for additional fasteners, the moment of inertia of the rotor.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung ausführlicher erläutert; in dieser zeigenThe invention is explained in more detail below with reference to a drawing; in this show

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen dreiphasigen Synchronmotor, bei dem die Rotorzähne von einem gewellten Kranz aus Blechen und isolierenden Zwischenlagen gebildet sind, undF i g. 1 shows a longitudinal section through a three-phase synchronous motor in which the rotor teeth of a corrugated ring of sheet metal and insulating intermediate layers are formed, and

Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie H-II in Fig. 1.FIG. 2 shows a partial section along the line H-II in FIG. 1.

Der in der Zeichnung dargestellte Motor ist nach dem eingangs erläuterten Konzept gebaut; er weist im Bereich jedes Zahnes drei Luftspalte zwischen Statorpolen auf, ist also ein dreiphasiger Synchronmotor für 50Hz, und das Trägheitsmoment seines Rotors soll in einem solchen Verhältnis zu den auf die Zähne ausgeübten Kräften stehen, daß der Rotor seine Sychrongeschwindigkeit in längstens 1/100 Sekunde erreicht, so daß er ohne äußere mechanische Hilfe anlaufen kann.The engine shown in the drawing is built according to the concept explained above; he knows In the area of each tooth there are three air gaps between stator poles, so it is a three-phase synchronous motor for 50Hz, and the moment of inertia of its rotor should be in such a ratio to that on the The forces exerted by the teeth ensure that the rotor reaches its synchronous speed in a maximum of 1/100 of a second reached so that it can start without external mechanical help.

Der Rotor 1 besteht aus einer Welle 10 aus nichtmagnetischem Material, die in zwei Lagern 11 und 12 gelagert ist und auf der zwei Metallscheiben 13 und 14 festgekeilt sind, die zwischen sich acht Zähne 35 zusammenhalten.The rotor 1 consists of a shaft 10 made of non-magnetic material, which is in two bearings 11 and 12 is mounted and on which two metal disks 13 and 14 are wedged with eight teeth between them 35 stick together.

Der Stator 2 besteht aus den Polen 20 und 21 von trapezförmigem Querschnitt, die in zwei Kränzen zu 5 je 24 Polen angeordnet sind, aus 48 Hauptspulen 22, jeweils eine auf jedem Pol, von denen jeweils drei aufeinanderfolgende Spulen von den drei Phasen des Netzes gespeist werden, aus zwei kreisringförmigen Erregerspulen 23, die über der Anordnung der Hauptspulen liegen und mit Gleichstrom gespeist werden, und aus zwei Scheiben 24 und 25 aus besonders weichem Stahl, die im wesentlichen symmetrisch angeordnet sind, die Pole tragen und den Eisenrückschluß des magnetischen Kreises auf der Rückseite der Erregerspulen sicherstellen.The stator 2 consists of the poles 20 and 21 of trapezoidal cross-section, which are in two rings 5 each 24 poles are arranged, from 48 main coils 22, one on each pole, of which three are consecutive Coils from the three phases of the network are fed from two circular excitation coils 23, which are located above the arrangement of the main coils and are fed with direct current, and of two disks 24 and 25 made of particularly soft steel, which are arranged essentially symmetrically are carrying the poles and the iron back yoke of the magnetic circuit on the back of the excitation coils.

Die Pole 20 und 21 bestehen aus kristallorientiertem Siliziumstahlblech, wobei die Orientierung in den Polen parallel zur Maschinenwelle ist. Die Bleche wer-The poles 20 and 21 are made of crystal-oriented silicon steel sheet, the orientation in the Poland is parallel to the machine shaft. The sheets are

den aus einem endlosen Band zu Spulen gewickelt und dann in zwei symmetrische U-förmige Stücke aufgeschnitten. Jeder Pol wird von zwei Schenkeln zweier benachbarter U-förmiger Pakete gebildet.wound into coils from an endless ribbon and then cut into two symmetrical U-shaped pieces. Each pole is formed by two legs of two adjacent U-shaped packages.

Die beiden Polkränze sind symmetrisch zur Mittelebene des Rotors angeordnet und bilden 24 Luftspalte, in denen sich die acht Zähne bewegen. Bei laufendem Motor erzeugen die Amperewindungen der Erregerspulen (oder evtl. das Feld eines Permanentmagneten) in den Luftspalten ein parallel zur Maschinenwelle gerichtetes Feld, das durch die Amperewindungen der Hauptspulen verstärkt oder geschwächt wird. Unter der Wirkung dieser Änderungen der magnetischen Feldstärke im Feld werden die gesättigten Rotorzähne angezogen, und über die Stirnscheiben 13, 14 des Rotors üben sie auf die Motorwelle ein Drehmoment aus.The two pole rims are arranged symmetrically to the center plane of the rotor and form 24 air gaps, in which the eight teeth move. When the engine is running, the ampere turns generate the excitation coils (or possibly the field of a permanent magnet) in the air gaps parallel to the machine shaft Directional field that is strengthened or weakened by the ampere turns of the main coils. Under the effect of these changes in the magnetic field strength in the field, the rotor teeth become saturated tightened, and they exert a torque on the motor shaft via the end disks 13, 14 of the rotor the end.

Die Zähne 35 sind aus einem Band aus ferromagnetischem Werkstoff hergestellt, das zunächst zusammen mit einem Vlies 32 aus Glasfasern um einen Zylinder aufgewickelt wird zu einem Ring, dessen Außendurchmesser etwa 5 bis 20% größer als der Außendurchmesser des fertigen Rotors ist. Der Ring wird dann wellenförmig verformt, ohne die Elastizitätsgrenze des Metalles zu überschreiten, um die Rotorzähne zu bilden. Dazu werden die zwischen zwei Zähnen liegenden Teile des Ringes mittels eines Werkzeuges zur Ringmitte hin gefaltet, damit sie nach der Montage außerhalb der Statorluftspalte liegen. Nach dieser Formgebung wird ein thermoplastischer Werkstoff in das Glasfaservlies injiziert und schließlich der gewellte oder gefaltete Ring in seiner endgültigen Form bei höheren Temperaturen gehärtet, so daß sich ein nicht deformierbares Bauelement ergibt. Dann werden' in die beiden Stirnseiten des Ringes zwei Ringnuten 33 und 34 eingestochen, in die die auf der Motorwelle 10 aufgekeilten Stirnscheiben 13 und 14 eingreifen. Der wichtigste Vorteil dieser Anordnung ist die Einfachheit der Rotorherstellung, bei der die Zähne nicht mehr getrennt hergestellt werden müssen.The teeth 35 are made of a band of ferromagnetic Material produced, which initially together with a fleece 32 made of glass fibers around a cylinder is wound up to form a ring, the outer diameter of which is about 5 to 20% larger than that Outer diameter of the finished rotor is. The ring is then deformed in a wave shape without the elastic limit of the metal to pass to form the rotor teeth. To do this, those between two Teeth lying parts of the ring by means of a tool folded towards the center of the ring so that they are after the Assembly lie outside the stator air gap. After this shaping, a thermoplastic material is made injected into the fiberglass fleece and finally the corrugated or folded ring in its final Form hardened at higher temperatures, so that a non-deformable component results. Then two ring grooves 33 and 34 are pierced into the two end faces of the ring, into which the Engage end disks 13 and 14 keyed on the motor shaft 10. The main advantage of this arrangement is the simplicity of rotor manufacture, in which the teeth are no longer manufactured separately have to.

Die Kraft, die auf die Flächeneinheit der Zahnstirnfläche ausgeübt wird, ist gleich dem Produkt aus der von einem starken Feld im Zahn induzierten mittleren Induktion im Eisen (oder der tatsächlichen Induktion) und der Differenz zwischen dem Feld in dem Luftspalt, in den der Zahn eintritt, und in dem Luftspalt, den er gerade verläßt. In einem Ausführungsbeispiel der beschriebenen Maschine betrug die mittlere Eiseninduktion l,25Tesla, die mittlere wirksame Felddifferenz erreichte 400 000 Amp./m; die auf die Flächeneinheit der Zahnstirnfläche ausgeübte Kraft war also 1,25x400000 = 500000 Newton/m². Diese Kraft wirkte auf eine Zahnmasse, deren Wert gleich dem Produkt aus der mittleren Dichte des Zahns und der auf einem mittleren_Kreis um die Welle der Maschine gemessenen Länge des Zahns ist. Die mittlere Dichte betrug 5500 kg/m³ und die Länge 0,03 m, die Zahnmasse, die der Flächeneinheit der Zahnstirnfläche entspricht, ist also 5500 χ 0,03 = 165 kg/m². Wenn die Massenträgheit des Zahnes um 50% erhöht wird, um der Masse der Stirnscheiben und der Rotorwelle Rechnung zu tragen, ergibt sich ein Wert von 165+ 83 250 kg/m². Die dem Rotorzahn erteilte Beschleunigung betrug also etwa
500000 N/m²: 250 kg/m²= 2000 m/sec².The force exerted on the unit area of the tooth face is equal to the product of the mean induction in the iron induced by a strong field in the tooth (or the actual induction) and the difference between the field in the air gap into which the tooth enters , and in the air gap it is just leaving. In one embodiment of the machine described, the mean iron induction was 1.25 Tesla, the mean effective field difference reached 400,000 amps / m; the force exerted on the unit area of the tooth face was therefore 1.25 × 400,000 = 500,000 Newton / m ² . This force acted on a tooth mass, the value of which is equal to the product of the mean density of the tooth and the length of the tooth measured on a mean circle around the shaft of the machine. The mean density was 5500 kg / m ³ and the length 0.03 m, the tooth mass, which corresponds to the unit area of the tooth face, is therefore 5500 χ 0.03 = 165 kg / m ² . If the mass inertia of the tooth is increased by 50% in order to take into account the mass of the end disks and the rotor shaft, the result is a value of 165+ 83 250 kg / m ² . The acceleration given to the rotor tooth was thus approximately
500,000 N / m ² : 250 kg / m ² = 2000 m / sec ² .

Die mittlere Umfangsgeschwindigkeit der Zähne beträgt bei 50-Hz-Betrieb etwa 3 m/sec, und der Rotor erreicht diese Geschwindigkeit in 3/2000 = 0,0015 see, so daß der Motor ohne besondere Vorrichtungen synchron anlaufen kann — vorausgesetzt natürlich, daß die Massenträgheit der angekuppelten Vorrichtung nicht zu groß ist.The mean circumferential speed of the teeth in 50 Hz operation is about 3 m / sec, and the Rotor reaches this speed in 3/2000 = 0.0015 seconds, so that the motor can be operated without special devices can start synchronously - provided, of course, that the inertia of the coupled Device is not too big.

Die Erfindung erlaubt also den Bau elektrischer Maschinen, Motoren oder Generatoren, bei denen das Verhältnis des nutzbaren Drehmoments zum Trägheitsmoment des Rotors wesentlich kleiner ist als bei herkömmlichen Maschinen. Daraus ergeben sich technische und wirtschaftliche Vorteile, denn die große Winkelbeschleunigung kommt einer großen Zahl von mechanischen Maschinen und Anwendungszwecken zugute. The invention thus allows the construction of electrical machines, motors or generators in which the ratio of the usable torque to the moment of inertia of the rotor is much smaller than with conventional machines. This results in technical and economic advantages, because the large angular acceleration benefits a large number of mechanical machines and applications.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Electrical machine with two coaxially spaced stator rings with poles made of magnetic material, which in the space between the stator rings is a magnetic Generate a direct field and a superimposed alternating magnetic field, and with one arranged in the space between the stator rings, with teeth made of ferromagnetic material provided disc-shaped rotor, characterized in that the rotor teeth (35) through the sections of a wave-shaped deformed section that are furthest away from the motor shaft (10), concentrically arranged ring are formed by winding a magnetic and a non-magnetic insulating tape (31, 32) is formed.

2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the wave-shaped rotor ring between two non-magnetic end disks (13, 14) wedged with the motor shaft (10) is attached.