DE1763045A1

DE1763045A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE1763045A1
Application number: DE19681763045
Authority: DE
Inventors: Jacques Henry-Baudot
Original assignee: Photocircuits Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1967-03-28
Filing date: 1968-03-27
Publication date: 1972-01-05
Also published as: GB1207883A; US3529191A; NL6804176A; SE372671B; CH468740A; FR1524266A; BE712037A

Description

SOCIETE D'M.E0TRONIQUB BT D¹AUTOMiTISME 51} Rue de la Baume, Paria /Frankreich

Elektrische Maschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine rotierende elektrische Maschine mit ebenem ringförmige» Luftspalt und scheibenförmigen Rotor, der eine vielpolige Flachwicklung nach Art einer Wellenwicklung trägt, wobei der Luftspalt auf wenigstens einer Seite durch einen Magnetpolkranz begrenzt ist, der einem elektromagnetiech aktivem ringförmige» Streifen dieser Itotorwicklung gegenüberliegt.

Dieser Aufbau, der insbesondere für die Ausbildung von Maschinen, deren Erregung durch die Zuführung von elektrischem Strom zu Erregerpolwicklungen vorteilhaft, wenn auch nicht unbedingt erforderlich ist, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer Seite des Luftspalts gegenüber dem aktiven ringförmigen Streifen der Rotorwicklung ein Kranz von Polen mit einer einzigen magnetischen Polung angeordnet ist, und dass diesen Polen ein Magnetkreis zugeordnet ist,

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un

um den auf diese Weise im Luftspalt erzeugten homopolaren Magnetfluss zu erzeugen und in sioh zu sohliessen, im Zusammenwirken mit einem weiteren Magnettreis, der auf der anderen Seite des Luftspalts angeordnet ist, um wenigstens den homopolaren flues zu führen und zu dem ersten Magnetkreis über ein· ringförmige Zone zurückzuführen, die gegenüber dem aktiven ringförmigen Streifen der Rotorwicklung radial versetzt ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Barin zeigen:

Fig.1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei der Schnitt entlang der gebrochenen Linie (I)-(I) von Fig.2 verläuft,

fig.2 einen Schnitt durch die Anordnung von fig.1 in der Ebene (D) ,

fig,3 eine abgeänderte Ausführung eines Teils der Maschine von fig.1 und 2,

fig.4 eine weitere Abänderung des in fig.3 gezeigten Teils der Maschine von Pig.1 und 2,

fig.5 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Maschine von Fig.1 und 2 ,

flg.6 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsforo

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der

der Maschine von Fig.1 und 2,

.Pig.7 einen Abschnitt der Rotorwicklung bei an eich bekannter Airführung als gedruckte Wicklung,

Fig.8 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung,

Fig.9 einen Querschnitt durch die Hasοhine τοη Fig.S und

Fig.10 den Erregerteil der Maschine von Fig.8 und 9 in perspektivischer Darstellung.

Die dargestellten Ausführungsbeispiels entsprechen dem Fall einer Maschine, die normalerweise achtpolig wäre, d.h. auf wenigstens einer Seite des Luftspalts vier Paare von Hagnetpolen in einem Kranz enthielte, in welchem die Pole eine regimäasig abwechselnde magnetische Polung hätten, so dass der Fluss in dem Luftspalt heteropolar war·· Sie Rotorwicklung ist also mit einem geeigneten Wiokluagsschritt in einem an " sich bekannten Wellenwioklungeschema ausgebildet. Als einfaches Beispiel zeigt Fig.7 die Ausbildung einer solchen Wicklung in der Technik der sogenannten gedruckten Schaltungen: Jede Seite eines Isolierenden scheibenförmigen Wicklungsträgers 53 trägt die erforderliche Aaeahl von Spulenseitenleitern. Jeder Spulenseitenleiter besteht beispielsweise aus einem im

allgemeinen 109882/0470

allgemeinen radial gerichteten Mittelabschnitt 50, der an seinen beiden Endenvduroh geneigte oder gekrümmte Abschnitte 51 bzw· 54 verlängert iet, die in K_ontaktstücken 52 bzw, 55 enden· Die Wicklung enthält zwei Schichten solcher Spulenseitealeiter, welohe auf den beiden Seiten des Wicklungeträgere 53 entgegengesetzt gerichtet sind, wobei sich aber die an den Enden befindlichen Kontaktstücke gegenüberliegen. Systematische Verbindungen zwisohen diesen Kontaktetücken vervollständigen das Wellenwioklungesohema dieser Wicklung. Biese Wioklungsausführung ist hier natürlich nur als Beispiel angegeben; bei der beschriebenen Maschine kann auch jede andere geeignete Wioklungsform Verwendung finden, auch wenn sie nicht gedruokt ist.

Die in ?ig.1 und 2 dargestellte Masohine enthält also eine flaohe, ringförmige Wellenwicklung auf der totorsoheibe 1, welohe mit Hilfe von Habenteilen 6 und 7 auf einer Welle 11 befestigt ist. Die Binaelheiten der Befestigung, die in üblicher Weise ausgeführt sind, sind zur Vereinfachung der Zeichnung nioht näher dargestellt« Beispielsweise kann das Nabenteil 7 auf das Nabenteil 6 aufgeschraubt sein, und das Nabenteil 6 wiederum kann duroh eine Keilnutverbindung mit der Welle 11 verbunden sein· Die Welle ist in Lagern U und gelagert, wobei sie durch geeignete bekannte Kittel in der rlohtigen axialen Lage gehalten wird·

Der magnetische Aufbau enthält auf der einen Seite des luftspalts eine kreisrunde magnetisierbar Soheibe 2, die

beispielsweise 109882/0470

r.

beispielsweise so geformt ist, dass sie einen zylindrischen magnetischen Nabenteil 3 und Yierlblteile 4 aufweist, wobei die am Luftspalt liegenden Stirnflächen dieser Polteile in Pig.2 erkennbar sind. Der Nabenteil 3 ist für die Durchführung der Welle 11 mit einem axialen Kanal versehen und ausaerdem mit einer zentralen Buchse 12 zur Aufnahme des lagers 14 ausgestattet. Der andere T-eil des magnetischen Aufbaus iat dem ersten Teil ähnliohj er enthält eine kreisrunde Scheibe 8, die so geformt ist, dass sie einen zentralen Nabenteil 9 sowie vier Polteile 10 aufweist, die dem Nabenteil 3 bzw. den Polteilen 4 entsprechen. Die Scheibe 8 ist gleichfalls mit einer zentralen Buchse 13 zur Aufnahme des Lagers 15 auegestattet.

Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass der Nabenteil 9 und die Polteile 10 die gleiche axiale Erstreckung wie der Nabenteil 3 und die Polteile 4 aufweisen jsie können kleiner sein, damit der Gesaratraumbedarf der· Maschine verringert wird, falls dies erwünscht ist. Wenn der Raumbedarf nicht als kritisch erachtet wird and die Teile in der Form hergestellt I werden, ist es natürlich günstig, die beiden Teile des Magnetkreises gleich auszubilden, damit nur eine einzige Form benötigt wird. Dies ist bei der Ausführungsform von Fig.5 dargestellt.

In der Scheibe 8 sind ausserdem Durchbohrungen angebracht, die jedoch ebensogut in der Scheibe 2 vorgesehen sein könnten, damit die Borstenträger 16 angebracht werden können, falls die Mascnine als Motor verwendet wird. Wie in Fig.2 gestrichelt

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angedeutet 1st, können In diesem Fall zwei Bürstenpaare - (+) und (-) vorhanden sein, welche bei einer vielpoligen Wicklung mit acht Wicklungssohritten die dargestellten Winkelabstände haben können.

Der Nabenteil 3 ist von einer Wicklung 5 umgeben, welche in radialer Riohtung praktisoh den gesamten verfügbaren Raum zwisohen dem Nabenteil 3 und den Polteilen 4 einnimmt. Mese Wioklung kann also eine beträchtliche Windungszahl aufweisen und dennoch leioht in der Maschine untergebracht werden, in diesem Fall dient der Nabenteil 3 als einziger Erreger in dem Magnetkreis zur Erzeugung eines Magnetflusses, welcher übr die einen verhältnismässig kleinen magnetischen Widerstand aufweisenden Polteile4 in dem dem aktiven ringförmigen Streifen der Rotorwicklung gegenüberliegenden Teil des Luftspalts als homopolarer Fluss erscheint. Der Magnetfluss schliesst sich über den auf der anderen Seite des LuftspaIts liegenden Teil des Magnetkreises zurück zum Nabenteil 3. Als Seispiel ist angenommen, dass die Erregung so erfolgt, dass der homopolare Fluss in dem nutzbaren Teil des Luftspalte die Polung N hat, und dass der zum Nabenteil 3 zurückkehrende Fluss die Polung S hat· Für das Ausführungsbeispiel von Fig.1 ist eine vollständige Schleife des Magnetfluss-wrlaufs angegeben.

Es ist an dieser Stella zu bemerken, dass die in Fig.6 gezeigte technologische Abänderung insbesondere bei Maschinen grörarer Leistung, also mit einem gewissen Volumen an magnetisierbarem Material vorteilhaft sein kann· Wie zu erkennen ist,besteht

diese 109882/0470

diese Abänderung darin, dass jeder Teil des Magnetkreises in soviele Teile zersohnitten wird, wie Polteile 4 vorhanden sind, so dass man nach dem Zusammenbau radial geteilte (geschlitzte )Polteile mit zwei im wesentlichen gleichen Hälften erhält. Man gewinnt dadurch die allgemein bekannten Vorteile der Anwendung von geschlitzten Hagnetpolen, wie sie bei den herkömmlichen Erregerteilen verwendet werden. Diese Abänderung kann offensichtlich bei jedem der anderen dargestellten und beschriebenen Ausführungsbe!spiele verwendet werden.

Der Zusammenbau der Anordnung kann mit Hilfe von Queretreben oder in der dargestellten Weise nit Hilfe eines dünnen zylindrischen Abstandsteil· 17 erfolgen, da· magnet1·ierbar oder nichtmagnetieierbar »ein kann, wobei dieses Abstandsteil zwischen den Scheiben 2 und 8 mit Hilfe von Bolzen oder Grewindestiften 18 eingeklemmt wird, welche duroh Muttern 19 und 20 gehalten werden. Fall· erwünsoht, iet ·· dann unnötig, die Maschine noch auf andere Weise bu verkleiden· Nötigenfalls können auch Lüftungsöffnungen in den Scheiben 2 und 8 und/oder im Zylinder 17 angebracht «ein.

Die Erregung der Feldwicklung kann dann einfach dadurch erfolgen, dass die einzige Wicklung 5 mit einem geeigneten Strom gespeist wird, wobei die·· etromversorgung mit fteder beliebigen Netzspannung erfolge» kann, (wobei der Strftm dann einfach durch Einfügen einer Gleiohriohterzelle in Serie zwischen

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dem Netzstecker und einer der Klemmen der Wicklung 5 gleichgerichtet werden kenn oder auch nicht gleichgerichtet wird, wenn das magnetisierbar Material geeignet gewählt ist, beispielsweise aus dem in der Elektrotechnik zu diesem Zweck allgemein bekannten speziellen Siliziumeisen)· Bei einem Motor mass natürlich der den Bürsten zugeführte Strom ein Gleichstrom oder ein gleichgerichteter Strom sein, und die Spannung an den Klemmen muss an die Eigen impedanz der Wicklung angepasst sein.

Sine an sich offensichtliche Abänderung würde darin bestehen, dass man auf dem Nabenteil 3 keine Wicklung anbringt und stattdessen eine Wicklung auf jede» Polteil 4 vorsieht, wobei diese Wicklungen additiv in Serie geschaltet werden. Die dargestellte Airführungsform ist jedoch offensichtlich einfacher herzustellen: Es braucht nur eine einzige Spule hergestellt und auf den Nabenteil 3 aufgesteckt m we;den,anstatt vier Spulen, die einzeln rings um jeden Polteil 4 gebildet werden müssten, ferner ermöglicht die dargestellte Aus·» fuhrungsform eine einfachere Herstellung von Maschinen mit einer grösseren Zahl von Polteilungen, beispielsweise 12 oder 14 Polteilungen, bei denen also 6 bzw. 7 Polschenkel in dem Polkranz mit gleicher Polung dem nutzbaren ringförmigen Streifen der Erregerwicklung gegenüberliegen, denn in diesem Fall hätte jede Wicklung eines Polteils so kleine Abmessungen, dass schon dadurch die Herstellung erschwert würde.

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Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Ausführung besteht nämlich darin, dass sie die Herstellung von vielpoligen Maschinen mit gewickelten Polen ermöglicht, während sich eine Ausbildung mit gewickelten Polen infolge des zu geringen Wirkungsgrads als unmöglich erwiese, wenn der übliche Polkranzs mit abwechselnder magnetischer Polung beibehalten würde ( da in diesem fall die Wicklungen wegen der zu starken Einschränkungen des individuellen Raums eine schlechte Wirkung ergäben). Die beschriebene Ausbildung _A beruht auf der Feststellung, dass bei einem Anker mit Wellenwicklung Magnetpolpaare fortgelassen werden können, ohne dass, abgesehen von einer gewissen Abschwächung des energetischen Wirkungsgrads der Masohine, eine nachteilige Wirkung eintritt. Ausgehend von dieser feststellung wird bei der beschriebenen Ausführungsforra vorgeschlagen, nicht ganze Polpaare fortzulassen, sondern alle Pole mit der gleichen Polung, wobei diese Pole zu einem einzigen Teil "zusammengefasst" werden, das koaxial zu dem Kranz der beibehaltenen Pole mit der entgegengesetzten Polung liegt, so dass man auf Grund des { dadurch verfügbar gemaohten Volumens eine wirklich wirksame Erregungswicklung unterbringen kann, wodurch praktisch der scheinbare Verlust ausgeglichen wird, der sich aus der Portlassung der Pole im eigentlichen Polkranz ergibt.

Wenn jedoch die Leistung der so gebildeten Maschine als unzureichend erachtet wird, kann man stets auf die A_uaführungsfortn von Pig_t5 zurückgreifen, d.h. die beiden Teile des

Magnetkreises 109882/0470

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Magnetkreiees völlig symmetrisch auebilden, auf dem Nabenteil des (in der Zeichnung) unten liegenden Teilsjeine Wicklung anbringen, die mit der Wioklung dee Nabenteile 3 identisch ist, und die beiden Wicklungen gleichzeitig so speisen, dass sich Erregerpole mit entgegengesetzter Polung in den einander gegenüberliegenden Polteilen 4 und 44 ausbilden·

Die Übertragung dieser Massnahmen auf Maschinen, deren Erreger nur Permanentmagnete enthält, kann in gewisser Hinsicht gleichfalls vorteilhaft sein. In der Teilaneicht von fig.3 ist ein Erregerteil dargestellt, dessen Scheibe nur mit den Polteilen 4 geformt ist, während ein zylindrischer Magnet 23 koaxial zu der Scheibe unter dieser angelegt ist und an Ort und Stelle durch eine Magnetisierungswicklung in an sioh bekannter Weise, beispielsweise durch Impulsformige Entladung einer Kapazität,in der Achsrichtung der Maschine magnetisiert wird. Abgesehen von der so erzielten Einsparung an Magneten brauoht nur ein einziger Magnet zur Erzielung der permanenten Magnetisierung behandelt zu werden·

Man kann dann, falls erwünscht, nur eine einfache Scheibe aus einem magnetisch weichen Material beibehalten und die Polteile 4 der zuvor beschriebenen Ausführungeformen durch Magnete 34» beispielsweise magnetisiert Klötzchen teeetzen, wobei in der Mitte der Anordnung ein zylindrischer Magnetteil beibehalten wird. Dieser zylindrische Magnet könnte jedoch offensichtlich auoh durch einen magnetisoh weichen Kern nach

Art des Nabenteile 3 tob Fig.1 und 2 ersetzt werden. Auch hier ergibt βiah auf jeden Fall wieder eine beträchtliche Einsparung gegenüber den herkömmlicheq Anordnungen·

Bei der Ausführungsform von ilg.8 und 9 umgibt die Erregungswioklung 65 einen zylindrischen Teil 64 eines aus einem magnetisch weichen Material geformten felle, dessen Polteile sich direkt ( und nicht, wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen über eine Zwischensoheibe) so erweitern, dass ale den Kranz von Hagnetpolen gleicher Polung bilden, welcher ^ mit den nutzbaren ringförmigen Streifen der Rotorwicklung zusammenwirkt. Dies ist insbesondere in Fig.10 für ein geometrisches Aueführuagebeisplel dieses Teils zu erkennen, welches den Srzeugerteil für den Magnetfluss und die Luftspaltpole aufweist· Xn diesem Fall ist das ganze Gehäuse der Maschine vollkommen magnetisierbar; die obere Scheibe 62 ist mit einem Band 63 versehen, und die untere Scheibe 68, welche Polvorsprünge 69 aufweist, 1st alt einem weiteren Rand 70 versehen, der mit dem Rand 63 so zusammenwirkt, dass ein ringförmiges Joch zur Rückführung des durch den Luftspalt gehenden Magnetflusses entsteht, das wegen der beträchtlichen Dicke der Ränder einen kleinen magnetischen Widerstand hat. Biese Massnähme lässt einerseits den zentralen Abschnitt der Maschine in gewissem Masse frei und ergibt für die Wicklung ein nocn grösseree Tolumen als in Fig«1 und 2, wodurch eine zusätzliche Möglichkeit zur Yergrösserung der magnetischen Erregung geschaffen wird ,falls dies notwendig ist.

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Ia Flg.8 igt ale Beispiel angenommen,dass die Welle βία« darauf befestigte Buchet 66 trägt, welche Ihre axiale Lag· ewisohen den Lagern H und 15 beetioat·

Die für dlt AaeftthruageforB tob flg«1 und 2 erläuterten !bänderaageα Laeeen eich direkt auf die Aueführungeformen Ton Fig.θ bie 10 übertragen, falle diee gewünscht wird.

Sin Torteil der Aueführungsfora von Fig.β und 9 besteht darin, daee der durch die Polteile 67 definierte aktive magnetische Iaft«palt praktisch die gesamte Breite der vom Rotor getragenen Wicklung bedeckt, währead bei dee zuvor beschriebenen Ausführungeformen der "nutebare Streifen" dieser Wicklung nicht vollkommen ausgenutet «erden konnte, well die Polteile 4-Ib einem ausreichend grossen Abstand von den Nabenteil 3 angebracht werden müssen, damit die Wicklung 5 alt einem ausreichenden Volumen ausgebildet werden konnte.

Patentana prüc he

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Claims

Patentansprüche

. 1.) Rotierende elektrische Maschine mit ebenem,ringförmigem Luftspalt, deren scheibenförmiger Rotor eine vielpolige ebene Wellenwicklung in einem ringförmigen Streifen der Scheibe trägt, dadurch gekennzeichnet, dass derErregerteil Einrichtungen enthält, welche in dem.Luftspalt eine Vielzahl von in gleichen Abständen liegenden Zonen mit einem den Streifen der Wicklung durchsetzenden unipolaren Magnetfluss erzeugen· ' μ

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zone des unipolaren Magnetflusses im wesentlichen eine Polteilung der Wicklung bedeckt, und dass der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zonen im wesentlichen gleich der Polteilung der Wicklung ist,

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zone des unipolaren Magnetflusses duroh zwei Polteile mit gleicher Oberfläche definiert ist, die sich auf den Seiten " des Luftspalts im wesentlichen gegenüberliegen, und dass wenigstens eine» der Polteile magnetisch aktiv ist.

4· Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder yon den Polteilen auf den beiden Seiten des Luftapaltes gebildete Kranz von einem scheibenförmigen magnetischen Joohteil getragen wird, das so geformt iet, dass es dea Magnetfluss über einen

au« i erhalb 109882/0470

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ausarhalb dee ringförmigen Streifens der Rotor*ioklung liegenden Weg aohlieest.

5· Maschine naoh Anspruoh 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sohliessen des Magnetfluss·* durch Hohlaylinder erfolgt, die koaxial au den Polkränaen liegen, und deren &u*s«adurohmeeeer kleiner als der Innendurchmesser der Polteilkränze ist.

6. Masohine naoh Anspruch 4t daduroh gekennzeichnet, dass das Sohliessen des Magnetflusses über die äusseren Ränder der scheibenförmige« Joohtelie erfolgt, die sieh sur Bildung eines magnetischen Gehäuses für die Masohine aneinanderschliessen·

7· Masohine naoh Anspruch 4, daduroh gekennzeichnet, dass die Polteile bei der Herstellung an die Joohteile angeformt sind·

" ' 8« Masohine naoh Anspruch 4» daduroh gekenne·lohnet, dass wenigstens einer der Polteilkränae aus radialen Ansätzen eines von der entsprechenden Joohscheibe getragenen Zylinders besteht.

9· Maschine naoh Anspruch 31 daduroh gekennaeichnet dass die Polteile In de· einen Polkran» «Ine ander« Höhe als in dem anderen Feltartti *·■*«.

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10.Maeoh.lne naoh Anspruch. 3, dadurch gekeaaeeioh.net, dass die Polteile in den beiden Polkränzen die gleiche Höhe haben«

11.Maschine oaoh Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Zylinder von einer mit einen elektrischen Strom gespeisten Wicklung angeben ist.

12.Maschine nach Anspruch. 5, daduroh gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Zylinder aus einem in der Achsrichtung; magnetisieren Peroanentaagnet besteht,

13.Maschine naoh Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Zylinder Ton einer mit einem elektrischen Strom gespeisten Wicklung umgeben ist.

14.Maschine nach Anspruch 8, daduroh gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Zylinder aus einem in der Achsrichtung magnetisierten Magnet besteht.

15«Maschine naoh Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass die Polteile wenigstens eines Polkranzes ausPernaneitmagneten bestehen·

16.Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polteile wenigstens eines Kranzes τοη Wicklungen umgeben sind, die additiv in Serie von einem elektrischen Strom durchflossen werden«

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»Maschine nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Polteile der Polkränze in der radialen Richtung unterteilt sind·

18. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die scheibenförmigen Jochteile Buchsen zur Aufnahme der Lager für die Maschinenwelle besitzen.

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