DE1763436A1 - Unipolargenerator fuer Wechselstrom - Google Patents

Description

Dr. -Ing:. *·.·. lie ic he 1
6 Frankfurt/Main 1
Parkstrafe 1J>

Eigenes Zeichen: 5570 - ?s/Ja

Enakichi Hayasaka, 3-°2 Nakazato-cho, Kita-ku, Tokyo/Japan

Unipolargenerator für Wechselstrom

Die Erfindung betrifft einen Unipolargenerator für Wechselstrom mit einem auf einer Welle montierten, drehbaren Magneten, der in einer Richtung parallel zur Welle polarisiert ist, und mit einem die Wicklung tragenden und Polschuhe aufweisenden Anker.

Eo sind folgende Prinzipien bekannt, um mit Hilfe einer Drehbewegung elektrische Energie aus mechanischer Energie zu erzeugen:

Bei dem einen Verfahren wird entweder der mit der Polfläche verbundene magnetische Flui oder der von dom magnetischen Flu i durchsetzte eine Wicklung tragende Anker mit Hilfe einer Dreh-

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bewegung derart verschoben, daß eine Verschiebung zwischen dem die Wicklung tragenden Anker und dem Magnetfluß entsteht, wodurch eine Spannung in der Wicklung nach der Lenz'sehen Hegel erzeugt wird.

Nach derselben Lenz'sehen Hegel kann auch eine Spannung durch einen sich ändernden FIuP. dadurch erzeugt werden, daß die Magnetisierung mechanisch vergrößert oder verkleinert wird, wodurch zwischen dem die Wicklung tragenden Anker und dem Magnetfluß die magnetische Verkettung entweder nur beim Beginn oder bei der Beendigung ausgenutzt wird.

Das erste Verfahren wird überwiegend für sich drehende Genera-i toren verwendet, während das zweite Verfahren nur für wenige Spezialfälle, z.3. als Magnetgeneratoren für Zündungen oder Hochfrequenzgeneratoren, Verwendung findet. Dar Einfachheit halber v/erden die beiden Verfahren nachfolgend als Verfahren mit den KraftfIuF, durchschneidender Verkettung und Verfahren mit beginnender bzw. endender Verkettung bezeichnet.

Die herkömmlichen Generatortypen können auch wie folgt unter- ■ schieden werden:

Danach gibt es den vielpoligen Generatortyp, der derart aufge4 baut ist, daß die magnetischen Achsen der Pole radial zur Drehachse des Ankers verlaufen. Bei einem zweipoligen Typ sind z

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der Nord- und Cüdpol um 180 gegeneinander versetzt angeordnet, so daß die Magnetachse in einer senkrecht zur Achse der

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. Antriebe'eile verlaufenden ^bene angeordnet ist. Ferner ist ein Unipolargenorator bekannt, der auf den Prinzip beruht, daß die Bewegung einer Leiterschleife in einer senkrecht zum Magnetfeld verlaufenden Richtung erfolgt, wodurch eine gleichgerichtete elektromotorische Kraft, d.h. ein Gleichstrom erzeugt wird.

Aus einer Kombination der vorausstehend beschriebenen Verfahren und Typen ergeben sich vier verschiedene Typen:

a) vielpolarer Typ mit den Kraftfluß durchschneidender Verkettung (Wechselstrom und Gleichstromerzeugung);

b) vielpolarer Typ für beginnende magnetische Verkettung (Wechselstromerzeugung);

c) vielpolarer Typ für endende magnetische Verkettung (Wechsel-Stromerzeugung) 5

d) unipolarer Typ mit den KraftfluP. durchschneidender Verkettung (Gleichstromerzeugung).

Ein herkömmlicher Generator vom Typ der den Kraftflu ^ durchschneidender Verkettung hat den Nachteil, dali der magnetische Flu.; an der Poloberfläche nach der einen .-it2 i-~r Poloberfläche hin infolge des durch die Wicklung flie. enden -tromeo verdrängt wird,und ferner das Ausmal·. dieser Y^rdr'-ai-Tun^· ~iit der Erregung der ö^ule veränderlich ist. ΰ-ιΐ---... erri'ot sich, dal" kein Ausgangs signal mit einer feststehenden .chVinrrun^sform erhältlich ist. Ferner wird bei einen viel.'olaren G:nerr-'-

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tor eine verhältnismäßig breite neutrale Zone ohne magnetischen .Lt¹Iu!⁵ z· :ischen den verschiedenen Polen und entsprechend zwischen den Polflächen dec inkers erforderlich. Dadurch -wird der effektive für die ;t;romorzeugung ■virk-same .Anteil des Drehwinkels verkleinert, ,oclurch -eine Ungleichförmigkeit der './ellcnform bedinpt ist. Im Hinblick ouf den Raumbedarf von Generatoren mit kleinen Durchmesser wird es offensichtlich, daß dieser Effekt für einen derartigen Generator sehr nachteilig ist.

Ferner haben'Generatoren nach dem Prinzip der beginnenden oder ■2nd3naen Verkettung den Nachteil, da£ sie die magnetische Verkettung nicht voll auswerten und eine große Anzahl von Polen

J.r· :ni.")ol"rc G'noratort"p sit bopinnerider und endender Verkettung, der der .Lrfinüuiig zugrunde liegt, arbeitet nach einem von ^;icn vorstehend genannten Generatortypen abiveichendon Prin

üio Achse des drehbaren Magneten ist derart angeordnet, daß eic mit der Achse des Magnetfeldes übereinstimmt. Die PoI-uchuhe des Ankers sind im Bereich des '.-Südpols oder Nordpols des Magneten angeordnet. Der die Polschuhe des Ankers durchr.etr.ende Magnetflu⁰ ändert sich auf Grund der Drehung des Magneten und erzeugt einen Gtron von der Größe einer HaIb-7C-IIc im Verlauf der beginnenden Verkettung des magnetischen

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Feldes ail; der 'Jicklung dos ."..nicer3, Dia andere Halb-felle des dromes wird während der endenden Verkettung des magnetischen Flusses mit der Wicklung des Ankers erzeugt, so dai insgesamt" an den Klemmen ein Wechsel ström auftritt, IUIn einzelner magnetischer Hotor sowie ein einzelner feststehender An^er stellen jeweils ein Element dar, welches für die -irseuguii⁰: einir Phase wirksam ist. Dieser Tiotor und entsprechend der ..uaker können in eine geeignete Vielzahl von derartigen Elementen unipolar unterteilt werden, um z."3. zwoi oder drei Phasen zu er Alicen. Durch eins geeianote Au3 \\ahl der maa-netischon Pol-Schuhe des Rotors, die dam ^nk^r yorconüberliof-in, i.sr, es rJ.'»'--Iich, -ine .'^annunp; mit einer vorprc^ebonyn ..■•ch'.'in^un.^s'.'Orra, s. 3. Diner A3chi;eckschv.^rinyun°; oder Oroiecksch¹.inreunrr "·■- erhalten. ■

j·-v uni'ooleru G norator rjeraaL- der Arfindunr beruht auf der.

.''irkunp; der beginnenden und endenden Vr.rkettunn;, rodurch Uure^elmäi.'igkeiten auf (J-rund dos .,troiaes in der -/icklung verhindert werden. Dabei findet sov;ohl die ',/irkunp der beginnenden und der endenden Verkettung Anwendung, v/clurch ein wesentlich verbesserter '/irkunrrsgrad erhielt wird. Der Bewegungsablauf der beginnenden und endenden Verkettung erfolgt mit hoher Stabilität; dagegen ist keine Konstanz gegeben, wenn die reaktive Kraft die Geschwindigkeit der Bewegung steuert.

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Dar Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese vorteilhaften Wirkungen zu erzielen und einen unipolaren Wechselstromgenerator zu schaffen, bei dem sowohl das Prinzip der beginnenden als auch der endenden Verkettung Anwendung findet und dabei die Möglichkeit bietet, eine bestimmte :>ch\^ringungsform, z.B. eine !iechteck- oder Dreieckschwingung, zu erzeugen. Der unipolare '/echselstromgenerstor soll ferner ein im weiten Umfang; lineares Verhältnis der erzeugten .ir>annung in Abhängigkeit von der Drehzahl aufweisen. Am oberen Znde der linearen Abhängigkeit der Jpannung von der Drehzahl soll das erzeugte Ausgangssignal im wesentlichen konstant bleiben, unabhängig davon, ob die Drehzahl weiter über diesen ,Ssreich hinaus ansteigt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten unipolaren Vechselstromgrencrator dadurch gelöst, dal ein teilnylindrisches Polstück an zumindest einem Polende des Hagneten befestigt ist, dai ein og.tz von Polschuhen mit im we- '. ■.^entliehen gleichem teil zylindrischem Aufbau und gleicher Länge wie das Polstück einander gegenüberliegend derart an- ^:f geordnet ist, de.·'; sich ein '"palt ausbildet, und daß die Pol-; ■ schuhe über Kerne, die Wicklungen tragen, mit einem Joch veribunden sind, das den magnetischen Kreis von einem Pol über ] las teilzylindrische Polstück, den Polschuh und den Kern schließt.

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Beispielsweise. Ausführungsformen der Brfindung sind in der mmg dargestellt; es .zeigen:

l?ig. 1 einen ichnitt durch einen einphasigen, aus .- ■ einen Clement e.ufprebfmten unipolaren ^T?ochsel-. stromgenerator gemä£ der "Srfindtuig; Fig.?: einsn-'ennlf't längs der Linie 2—2;-Fig. ⁷\ einen Cehnitt durch einen einphasigen, aus . einem Element aufgebaux-en und z^ei Pole ura-

fassenden xini^olaraii 'fechselstromgenerator . . gemäE der Erfindung;

Fig.4 einen 3clmitt längs der linie 4-4 der Fig. 3", Fig.5 einen Schnitt durch einen dreiphasigen, aus

einem Element aufgebauten unipolaren Wechselstromgenerator gemäi der Erfindung;

Fig.6 einen .schnitt·-längs dar Linie 5-6 der Fig. ~>; Fig.7 einen --chnitt durch einen einphasigen, aus

sei Elementen aufgebauten unipolaren Vechsslstromgenerator gemr.i? der Erfindung:

Fig.8 einen Schnitt längs der Linie S-3 der Fig.?; Fig.9A . eine !,"bwickliuin: einer -usführungsform des Karnes

und des Polschuhes gem^P der Erfindung; Fig«9B eine Abwicklung einei' Ausführungsform des PoI-

' . .' Stückes gemäß der Erfindung; Fig.iO eine schematisch dargestellte öchwingungsform

der Spannung, die mit dem Polschuh und den Polstück gemäß'Fig.9A und 9ß erzeugt wird;

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Fig«11L eine Abwicklung einer weiteren Ausführungsform des Polschiih.es;

Fig. ^Λ 13 eine Abwicklung einer weiteren Ausführungsfora des Polstückes;

Fig.12 eine schematisch dargestellte Gchwingungsform der Spannung, welche mit dem Polschuh und dem Pols bück ^emäß Fig. T* A und HB erzeugt wird;

Fig.^3A eine Abwicklung einer weiteren Ausführungsform eines Polschuhes;

Fig.15B eine Abwicklung einer weiteren Ausführungsform eines Polstückes;

Fig.14 eine schematische Darstellung der chwingungsform der mit dem Polschuh und dem Folstück ^C;m?J" .-'ig. 1J>("- und 153 erzeugten 'C. T.nnunp^;

jfir^^j eine :..oiiematische Dar ε t ellung der chnrakteri-

:: :;irechen Kinnlinien des Wechsels oromgenerp.tors , die die ..-.bhängigkait der erzeugten ypaiümng von der Drehzahl darstellen.

In den Fig.'¹ und .: wird eine Ausführungsform eines einphasigen, 3Ί-: uinem Element aufgebauten unipolaren Wschselstromgenerators dargestellt, der eine drehbare Antriebswelle 10 aufweist, mit der ein Permanentmagnet 11 fest verbunden ist. Der Permanentmagnet besitzt nn seinem einen Ende ein Wordpol- und an seinem nndei-en ISnde ein Südpol. Die Anordnung des Magneten iot derart,

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daß die magnetische .-Ach~e mit der Achse der VJullß 10 zusammenfällt, einstelle eines Permanentmagneten I"¹ kann auch ein Elektromagnet verwendet werden, iin teilzylindrisches Polstück 12 ist mit der einen Polkappe 13 verbunden... die ihrerseits an dem einen Pol. z.B. dem Hördpol, des Magneten 11 angebracht ist. Das Polstück 'Ys. ist von einer solchen Breite, da¹? es sich über • dem Bereich des I-Tordpols erstreckt und besitzt in der Abwicklung eine recbtrrinklig-je Konfiguration. An einem inkerjoch 14 sind zwei Kerne 15a und '¹5b feststehend und einander gegenüberliegend angeordnet. Die TIeine 15^ und 1^b sind mit entsprechenden Polschuhsn '¹Sg und "¹Gb verbünde;!, die in einsm Abstand g voneinander gngGordnet ..iu'L uoer don I imen ;■■· "Ischen dem Polschuli 15 und dem Anker;]och *^!\ sind Inker .'icklun^en 1?a und 17"o vorgesehen. 'Die Polschuhe 16a und 15b sind mit ihrer inneren Oberfläche dem Verlauf des Polstückes 12 entsprechend geformt und diesem gegenüber in einem ibstand c angeordnet. Die VJelle-10 ist in Sndkrippen 18 tond■*■'·) gelagert, die aus liic.hb magnetischem Material, z.B. Aluminium, hergestellt sind, so da?;-.' ein möglichst geringer Jiebon,schlu^;." von dar ^T./elle 10 aus ge:rährleistet ißt. Da sowohl in dor yicklung 17a als auch in ier '■Jicklung 17b ,jCvjoils ein sluktrischef: Signal erzeugt wird, besitzen die beiden Signale oinon Phaseiiunterschied von 130 , unabhängig davon, ob sie paryllel oder in ...eris geschaltet sind. ■

In der in den Fig. 1 und 'd dargestellten Position verläuft der Magaötfluß vom Nordpol des Magneton 11 über das Polstück i,i,

den Polspe.lt c unc. dan Polschuh. 1".;· jsiim "Cer.a 15a uad i-bcrria£ .-.nicer joch. 14- zu der gegenüber do μ üd^ol angeordneten Polplatte 20, rodurch der magnetische' .Irei··.; geschlossen i:;b.

7enu der Magnet ^1 und dps Γ οίε tue¹:.- '·? rait Hilfe der '/'eile 10 u'i 180 gegenüber der in Fig.'¹ und 2 dargestellten Position gedreht wird, schlieft sich der Hagnetfluf: vom Nordool über die Polplatte 12, (lon Polschuh 16Ό, den Eern "!.5b unc. aas Anker joch "4 so-rie die Pol .platte 20 zun Cüdpol des Mp.erneten 11. In cTevr.oeni^an "u^enulic'c, in dem der m^crneti-εοίΐ": -?!¹;.' in den einen TOlscfrnh eintritt, d.h. am Beeinn der η?rrri2tische Terlcett-m.^, ',ind in 'j^eabliCi', in ¹Ia'.?. der !Ί-. rne "C fl"i -.uc rl^"i pnäor·*::.· '^n de- ϊεπ Pci ε ca men s-n-tyitt, d.h. on '..nä? der ^~:a~ tirch^n T'-r'-^rtur^, tritt eine TJniscli^lrv.nrr -M.i. Auf die.'s r.-icc "irc¹. eine "troraperioäe durch die beginnende und enden"Ie mr^natirche Ver':ettun-T erzeugt.

Xn den Fi^. 3 und ^l<r ist eine A/usführunReform, eines einphasigen, aus einem Element aufgebauten und z~.;ei Pole umf- se enden : '/echsels'tromgencrn.tors dargestellt. Die mit der Lusfülirungsform eemäi: den i'ig.'¹ -ind < plc-ichen Teile sind mit gleichen B ο sugs ζ eichen versehen. Diese Teile v/erden auch nicht mehr erneut beschrieben. Die vorliegende itisführungsform umfaßt ;■ vier Polschuhe 21a, 21b, 21c und ,2Id, die an mit dem Anker- = joch 14 verbundenen Kernen 22a, 22b, 22c und 22d montiert , sind. Die Polschuhe sind mit einem Abstand g aneinander gren-

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r;3iid nobsaein^iiier .'-n^eordiiet. Die ;',3Κΐ5 ?-Z* bis 2-:d sind jiit \^ricklimgen Γ:3?, ^;;Td, .-'.⁷C uni 2Jd verseilen. Die Polstück© "Aa. und' -"'^-"b erstrecken oieh jeveilu -Teer einon umfangsbereich von 90° und sind mit Hilf ο von Polka";;!en 1^?: am Hegnsten 1" diametral einander [cecenüberliegend "befestigt. Durch diesen Aufbau erzeugt dar Generator einen aus z>rei Perioden■ beoteiienden JiJroa rsro

Anstelle der beiden Polct^ciio .4'-.?. und '^-b ipna auch nur ein ein-vi^es; teils^rlindrische? Polstück von der Art des Polstückes ^Λ-2 gemäß Fig. ^Λ ver:-endet -.-erden. Ve.f äiees VJjxsg ist es nämlich, eine zwei php si n;e orr-Jinung in ge--;eils svel benachbarten ^!riclclung;en_r z.B. den '/icklun^en ?J~ -ma '-3c oder den "Ticlriimen 2Jtb unVi 2Jd zu erzeugen. Für diesen Fall lcömion die ^rric!t-

nreii, ser5\.3iiparall-l geschaltet sein, ε3 &■?■'■ die beiden sinander gegenuberlier:e-iden ' ^?i c^l^uicen :',?. -ails ein?r Ph a ce 3i.i'?sliören.

In den Fig.3 ^^Λ ο ist eine eitere ,'"sführ-in^sform der .z.rfiEdung; gezeict, die aus einen dreiphasigen, aus einem i)lement aufgebauten turoolaren 'Jrchcelc aroTi^enerator besrehr. Der S -aerator TMfa'.t drei Polschuhe 25a, ""f.b und -?5c, "-/obei die einander benachbarten Polschuhe jexeils um den Spalt h; voneinander getrennt: sind. Jeder dieser Polschuhe ist sn einem entsprechenden Hern C5a, 26b, 23c befestigt, der seinerseits mit dem Anker^och 14 in Verbindunp; steht. Die Kerne ,2¹S^ bis 26c tragen iicklungen ,?7a._T 2?b und 27c Das Polstück 23

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erstreckt sich, über einen Kreisbogen von 120° und, ist an der Polkappe 13 des sich drehenden Magneten 11 befestigt. Die Polschuhe und die zugehörigen Wicklungen sind derart angeordnet, daß sich die drei verschiedenen Phasen als Stern oder,Dreieck zusammenschalten lassen.

Eg ist auch möglich, daü der Generator der genannten Ausführungsform in der ^T^eise abgeändert wird, daß er zwei Polstücke gemäß Fig.3 erhält und entsprechend sechs Polschuhe und Wicklungen besitzt, wodurch ein zweipoliger Generator geschaffen wird.

In den Fin;. 7 und 8 ist eine Ausführungsform eines einphasigen, aus zv/ei Elementen aufgebauten unipolaren V/echselstromgenerators dargestellt. .Ein teilzylindrisches Polstück 12 ist mit einer Polkappe 13 en dem drehbaren Magneten "¹I am Nordpol befestigt, während ein entsprechendes teilzylindrisches Polstück 29 mit einer Polkappe "3 am Südpol des Magneten 1" befestigt ist, so dal;¹ die Polstücke 12 und 29 einander diametral gegenüberliegen. Am Ankerjoch sind Ferne 15^, 15b, 32a und 32b vorgesehen. Die Kerne 15a und 15b sind mit entsprechenden Polschuhen 16a und 16b verbunden, die einander gegenüberliegend im Bereich des Polstückes 12 angeordnet sind. In gleicher .Weise sind mit den Kernen 32a und 32b Polschuhe 31a und 31b verbunden, die einander gegenüberliegendund mit dem Polstück .."9 zusammenwirken. Auf den Kernen 15a, 15b, 32a

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. und 32b sind i^kerwicklungen 17a, 17b, 33a und 33b vorge- - sehen. Durch diese Anordnung wird es möglich, sowohl den TTordpol als auch den Südpol zu verxfenden, wodurch ein günstigerer ■ Baum faktor erreicht wird. Der "beschriebene Generator kann auch entsprechend der Ausführungsform gemäi? Fig.3 abgeändert werden, wodurch ein zweiphasiger Typ entsteht.

In Fig.9A ist eine Abwicklung des Kernes 15 "und Polschuhes ""16" dargestellt. Eine entsprechende Abwicklung ist in Fig.9B für das !Polstück 12 dargestellt. Das Polstück 12 ist rechteckig ausgeführt und erzeugt daher eine Spannung mit rechteckiger Schwingungsform gemäf Fig.10.

In Fig.HA ist die Abwicklung einer anderen Aus führungsfοrja des "Kernes 15 und Polschuhes 16 dargestellt. '3ine gleichartige Abwicklung ist in Fig. T¹B für das Polstück 12 dargestellt. Das Polstück 1? ist dreieckig ausgeführt, so da£ die dadurch erzeugte ;>:)annung in Form einer Dreieckspannung gemä£ Fig. 12 "verläuft.

In Fig.13A ist die Abwicklung einer weiteren Abänderung des Polschuhes 16 und des Kernes 15 dargestellt. Sine gleichartige Abwicklung ist in IJB für das Polstück 12 dargestellt. Dieses polstück entspricht in seiner Konfiguration der HaIbperiode einer Sinuswelle, die den Abschnitt zwischen zwei

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benachbarten Tälern entspricht. In Fir;. 14 ist die U gungsform dargestellt, die mit diesem Polstück erzielt v/ird. Diese 3clrwlngungsform hat einen dem Polstück entsprechenden positiven und negativen Verlauf und kann als modifizierte sinusschwingung bezeichnet werden. Diese in zv;ei Phasen erzeugte Spannung kenn gleichgerichtet werden, v;odurch ein Gleichstrom entsteht, der frei von ^T/~lligkeit ist. Die Form des Polstückes muS nicht auf diese kct der Jinußschv/inrrung begrenzt sein, vielmehr kann auch eine Wellenform mit dem halben Amplitudenwert Verwendung finden, so dar eine bezüglich der oberen und unteren HIiIfte symmetrische ^chv/ingungsform entsteht.

Aus den vors-eli^-nien errribt sich, da' durch eine geeignete Auswahl der Konfigursüicii aes Polstückos "T- eine /oannung mit einer bes'aimar&n -ch^T in^angsform erzeug "-erden kgnn, vrie 3.3. die dargestellte Rechteck-. Dreieck- oder modifizierte Sinusschwingung.

In folgenden sollen Anwendungsbeispiele für den unipolaren

£z:3.ä.^Q der liriiniung gegeben werden.

Ein derartiger unipolarer ^T>72chselstromgen9rator kann z.B. in einem Tachometer zur Messung der ßotationsgesch'-iindigkeit Verwendung finden. Dazu vjird eine Charakteristik benötigt, bei der die >pannung direkt linear proportional der Anzahl der Umdrehungen ist.

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3h ein Pirmnnentmnsiist .3.Ί-3. ans 3=rlunferrit, das kein xerromagiietisclies Material ist, esstslien. kenn, besitst das magnetische■ Material" eine starir reduzierte spezifische Permeabilität und sin beachtenswert großes maCT-etischss lotential, if as sich aus der Tatsache .-ergibt, dai die Magnetisieriing: des Hateriain von einem-etasten Hagnetfeld abhängt. Es sei■'darauf hingewiesen, dnS eine llrideriins; der Abmessung des Polspaltes, der in dem megneticchan .ireisflu.3 vergesehen ist, innerhalb gebiss er G-rensen kaum eine Änderung der Dichte des Magnetfluies in diesem Polspalt bewirkt, wogegen die lluidichte erheblich reduziert wird, ^T'?enn der Polspalt über eine bestimmte Grenze hinaus vergrößert -*irä..

Je größer die Gesamtheit der m^^netirclien Dner^is des Permanentmagneten ist, umso besser ist die Qualität des Magneten, da die Gesamtheit der magnetischen üiergie kennzeichnend für die Ivoerz.itivkrafi" und die Remanenz des Kagnsten ist. Ss ist jedoch bis jetzt noch nicht; bekannt, -=;i3 gro^ der Anteil ist, den die magnetische 3nergie hat, die das Anwachsen des magnetischen Jiderstanaes auf Grund des PoI-spaltes kompensiert. Deshalb v?ird die hierfür wirksame Energie im folgenden als latente Hagnetisierungskraft bezeichnet. Der ..Wert· der latenten Hagna ti sierungskraft verschiedener Permanentmagneten kann dadurch bestimmt werden, da£ magnetische Kreise mit veränderbarem Polspalt aufgebaut t/erden und die Magnetflu.Sdichte im Polspalt jeweils gemessen wird.

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3;i lea vorliegenden Bsis-del rird ale .HWi pt erforderni? ein ?e:?nii-nen"'j-'-j;;;a;.t uiit gro¹ er 1--tenter ivirTietisiorun^nkraft für don Kogneten do3 unipolaren Vecliselstromsenera- \o-rs, "ie 3r in den vorstehenden Dar-ote 11 Tinmen ■beschriebe:.! ^τ \irds, erforderlich.

.,Ine 3:in"hn: c.v,j I'cItoc.ltss IC arischen devi Polstück und d-ΐ' Polocimh des -n^ers ento^riclit einer Abnahme der latenten Kc^netir^ierun^Gkraft. Ό ar au 3 ergibt sich -?ls zweite Forderen" f^'r d?.s vorliegende Beispiel. da^r dor PolsT^alt so IrIein elf mcriiicli «reraacht .ird, υαη eine möglichst gro^|re Ii=! ^n ^ tic i jryn^-ijkreft in dem Tn^.rrnetiEcliGn Zr ei κ r-u srlwlton.

::.': dar G-tn-":r--^: :■'::.· ^nc;?:;ric''oen "^rird, v"7'chicbt; rieh der Πη;: ' ■■--ΐ.-. - -1-· -,r- -". /-. - '-,'1.'",'ZX)COVj 3X¹T ^;τ·~ ^Γ"*^:ίΉ. f*-""-1^ in ^ ο i ^e ~ ine^ ."ί rlje L— -.·-■-·■:.-" :.': "'-. r-Λ ".;"-: n^orn. ?:.rnor -. n^f..-- ^!"-?hen Tr.rlv.rte auf ■^■■"ai d^:r .^rT'".'j ";.·:;"'";" c. Ji', "e ίί·?·^.* tiGchen Verlief te verbrauchen :v■;■:■■;!."·;?."!..i 1 ·=":3/lt'v; li'rrne"isierunnjekr^ft in Ha^neten, ^T-'jna die "Jr^'ipiscli-inli'·¹"':.! und die or?;eurje : ■•pnminrrjiim'.-int. i).^rTauG l'.ltet :;icli die dri'."'.■'?■ Pordor^-n^ für i'-"¹ vorliegende Beispio -o, die d rin beetcht, d-i;₍ der Magnet eine extrem !deine reversible I':v^r erbili'^Kt :\\>.f iel "ea -loll, υτη die ^r^o-iiyiinp; eines ■Sf^enfcldec zn verringern, br;··¹. ::.u vermeiden. Diο zweite und dritte der ersehnten Porderunren erp,\^::"n~.en üich, ίο daf^:-^; die oc ic en f.¹' einer Forderung zun?nmenp:efa: t wurden können. Vie btreitr, er.'"lint, -orden diese M^rlcrar.le zufriedenstellend von

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einem Magneten erfüllt, der aus Bariuriferrit, -aus KasneaiU'G ferrit Und a^l. "bestellt.

iiuB der vierteil Förderung ergibt sich für das vorliegende Beispiel, -5 ine π Generator 'auszii-./ählen. dessenZiern nur geringe "Hystereseverluste aufweist.

Mit der a.üsgezogenen Linie P in Pig.15 "ird das charakteristische Verh -Iten eines unipolaren 7echselstro-5i-Tacho^enera-■ tors.gemäß, der Erfindung beschrieben,' dsr die vier vorausgehend aufgestellten Forderungen erfüllt. Die -lurve F gibtdie Abhängigkeit der erzeugten ^panmmg von der Umdrohungss-'ihl .-/ieder. ,as der Üfrouellung r^eh.1; hervor, da:; der .Jdschnitt 3⁷-ri^chen den Punkten■ p. und b eier £irve P vollkomraeii linear, ist. Dio gestrlclic-lt 1 ^sr;^.i:^Gelite Ejirvs π not das Y rhrlten einsc herkömmlichen r^cho^-jYiereiner beispiolBv/eicen iu^führunf?: mit; ;.-:ine-"a FoIn-^It c von-0,5. mm liegt dor Punkt a "bei 300 Umdroliun^eii/ilinute und der Punkt Id bei 15^0 Umdrehungen/Minute. "^:Jiin dagegen, ein Polspalt c mit 0,15 mm verwendet ^r/ird, .liegt der Pvmkt a bei 30 UmdrehunFen/Minute lxad der Punkt b bei 4950 Umdrehungen/ Minute. Obwohl die vorausstohend genannten ifor de runden auch bei vielpoli^en G-eneratoren mit den KrafüfluP durchschneiden der magnetischer Verkettung erreichbar sind, ergeben sich doch erhebliche 'Vorteile für einen unipolaren IJechselstromgenerator gemäfe der Erfindung, wenn diese Bedingungen erfüllt werden.

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Al ε 'veiteres Beispiel v/ird ein Generator beschrieben, velchsr von einer Verbrerniungckraftiaacchlne n±t veränderlicher Geschwindigkeit angetrieben v/ird. KIr diesen Fr-Il tzz es erforderlich, da£: der Generator derart arbeitet, -da-- oine kon-, stante Spannung erzeugt wird.

Herkömmliche Generatoren dieser Art verwenden Regeleinrichtungen, um die Felderregung zu steuern. Diese Generatoren sind mit vielen Zusatzteilen versehen und besitzen auf Grund ihres komplizierten Aufbeus viele Irschteile. In allgemeinen .;ird von eine::: derartigen Gei-Gr··.-^::or eine' Dreien---'~en- ."-chcel-■5panning erzeugt, ¹JIi einen rro- ei'Sii .'ix-Vriziescrr-.c. bei der GleiciirichtuiiG* zr. erhalten, · o;>ei -eine p^r-jllele Glolchrich-"cuiir dec err-eurten :;roraes :ai~ ~echs 7/χ:·/--;ζ:- torer: o^relcht ^:1χΊ. Diese .^rt der //'"romerzeu^mf? ist mix- einer "'eJ.lirrkcib in der Größenordnung von ^-O^ -.^r-^^vml ri und auirerdeiü. treten Verluste in der Größenordnung von 40-5 auf, '."oraus sich eine schlechte "AircschsAtlichkeit ergibt.

■'-..ls nächstes seien die jchT-rierirrkeicen beschrieben, die bei einem Ladegenerator auftreten und Lcui'ifr übersehen werden. ITnter der Annahme, daß B₁ die erzeugte spannung, 3> die Batterie spannung, I der Ladestrom, R^ der innere Widerstand des Generators und R--, der innere Widerstand der Batterie ist, wird der Jtrom I einer derartigen Schaltung von folgender Formel beschrieben:

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X = —-

-ob ei IL -3, ein^ nicht ph den XIe innen- festgestellte '>?an

i;~ ist. Gewöhnlich v;ird „joüöch als illemmensr: ,•m^enomnieii land die guftragende .-uerrwn.Tslsistiing -.j.- des Gk-ns tor;:; gleich 3^1 anges.ehsn, so k¹· die j?ormel gilt:

Unter der lrmaiiffie, da" "vq die Ganerat^^.-^'^tu'iT 'Z₁ lie inneren ¥erlus"fee des Gciier^tors ^ind, Tilt:

D:i dar v/irlnKT-iSi^r^d 3.-, durch eis
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ist, ergibt sicii f^'r den eizelitiven '-.-ir.rui^sgrp.d e der *^rer

1Ι·3 ist somit nicht' su -übersehen,, da.'; ein wesentlicher -_3il der ^e^Ölmlicli als Aiisgan.^sleistmig das Generators bezeichneten lisistim^ innere Yerluste des G-3ner=tors sind, soweit ein Ladegenarator betrachtet :rird» ■

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Bei einem vielpolarigen Dreiphasengenerator besitzt die Wicklung Windungen, die über verschiedene Pole verlaufen, wodurch eine erhebliche Windungslänge entsteht. Daher ist es extrem schwierig, für ein derartiges.System eine Anordnung zu finden, bei der E. größer als E₀ ist, so daß der tatsächliche Wert von e kleiner als 10% ist.

Im folgenden werden die Forderungen für einen beispielsweise ausgeführten Generator gemäß der Erfindung angegeben. Als Magnet 11 findet ein Permanentmagnet mit vorgegebener latenter Magnetisierungskraft Verwendung und mit verringerter reversibler Permeabilität. Der Ankerkern wird aus einem Material hergestellt, für das sich die Hystereseverluste umgekehrt proportional mit der; Änderung der Drehzahl ändern. Dr G- ne rat or ist derart aufgebaut, daß die Abmessung füd? den Polspalt c.zwischen dem Polstück und dem Polschuh derart festgelegt ist, daß die gesamte latente Magnetisierungskraft, die um den dem Polspalt entsprechenden und auf Grund der Hystereseverluste verringerten Betrag gleich einer vorgegebenen latenten Magnetisierungskraft des Magneten ist, wodurch eine konstante Spannung unabhängig davon erzeugt wird, ob die Drehgeschwindigkeit einen vorgegebenen Wert übersteigt* ils ist daher möglich, eine voll automatische Steuerung der spannung zu erzielen, ohne daß eine äußere Steuerung erforderlieh ist, für die zusätzliche Hilfsmittel an den Generator .""·*■ Y angefügt v/erden müssen. Es ist ferner möglich, durch eine Er-

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niedrigung des Induktionskoeffizienten der -/lcklungen um eine Impedanzzunähme möglichst klein zuhalten, die Srzeugung einer Blindspannung- zu verringern und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Obwohl die vorstehend genannten'Forderungen auch bei- herkömmlichen vielpolaren Generatoren anwendbar sind, werden jedoch wesentlich größere Vorteile bei einem unipolaren Generator gemäß der Erfindung erzielt.

Im folgenden soll auf die latente Magnetisierungskraft eingegangen werden. Ein magnetischer Kreis kann einer dem Ohm'-sehen Gesetz entsprechenden Betrachtung unterzogen werden. .-Unter der Annahme, da-, eich die .Magnetflufdichte mit der Änderung des -LuftSpaltes, der in den Magnetkreis eingeschaltet ist, nicht ändert und dieser JPall entsprechend dem Ohm¹-schen Gesetz betrachtet -wird, kann man annehmen, daß der magnetische V/iderstand den Hagnete:i- dem Chin' sehen Widerstand E_n entspricht und der Blindwiderstand des Polspaltes dem mit £/$L bezeichneten Blindwiderstand entspricht. Betrachtet m.?.n die Impedanz in Abhängigkeit von der Inderunr; von WDL, die durch den Ausdruck beschrieben wird

R₀'- + 10 Ι/~

so ergibt sich, da 5q ein sehr großer Wert ist ,,nur eine gs-■ringe liiderung in dem wirklichen Impedanzwert, wogegen die Inderüngj bemerkenswert wird, wenn der wOrt von 'R_Q sich dem Wert vott (AyL nähert» für diesen 'Fall kann die latente Mag- netisiei'uiigskraft gleich dem magnetischen Widerstand gesetzt werden.

Da 'andererseits die Hytereseverluste proportional mit US (Drehwinkelgeschvindigkeit) anwachsen, ändert sich der Impedanzv/ert Z in der Weise, daß der "^rt plötzlich zunimmt, um die Magnetflußdichte im Polspalt zu'verringern.

Die Hystereseverluste sind proportional der Fläche der Hystereseschleife, wie sie nach den 'Jtelnnetz'schsn Gesetz gegeben ist. Dieses Gesetz drückt den Verlust elektrischer Leistung aus und sollte derart verstanden werden, da'?- im Falle der 7ivze-\:j\ ag siner magnetomotorischen Kraft durch einen Permanentmagnet dieses Gasetz nur auf die ViderStandskraft H bezoeen ist, '-reiche dem ")urchp;ang von Magnetismus entgegen-.'irkt. Wenn sich deshalb der durch die Gleichung

beschriebene Suctgnd einyactellt hat, ist die Impedanz S proportional dem Zuwachs an Aiderstandskraft H . Durch eine ce eignete ^us-'?.hl des ^T7ertes der Widarstandskrpft H ist es äirihalb möglich, eine feTcstehende stabilisierte -pannung zu erzeugen, die im. Gleichgewicht, mit der Änderung der Winkelgeschwindigkeit steht. Zum B ispiel wurden für einen in einem Auto verwendeten Generator .aliciumstahlbleche mit ungefähr 30 a H für den Kern verwendet.

Magnetische Gegenfelder werden gewöhnlich durch die in äisn iaikerv.-icklungen flieiienden JtrÖme erzeugt. Da das mag-

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netische Material jedoch eins- stark reduzierte reversible Permeabilität aufweist, ist der '-'ert des magnetischen Gegenfeldes bein vorliegenden -Beispiel sehr klein.

Sin charakteristischer /Toriauf der erzeugten 'Spannung in Abhängigkeit von der Drehzahl -jird für das zuletzt genann-' te Beispiel in Fig. 15 durch die voll ausgezogene Linie % gegeben. Wie men erkennt, ist die erzeugte .Spannung direkt proportional der Drehzahl zwischen den Punkten a und bj wenn -jedoch die dem. Punkt b zugeordnete Drehzahl erreicht ist, "bleibt die Spannung im wesentlichen konstant unabhängig von der Zunahme der Drehzahl. Auf diese Weise wird der Generator vorzüglich für die Verwendung mit Brennkraftmaschinen geeignet, deren Drehzahl in einem großen Bereich veränderlich ist. Im Vergleich zu den Ergebnissen einer Ausführungsform gemäß der Erfindung ist durch die gestrichelte Kurve σ die charakteristische Abhängigkeit der Spannung; von der Drehzahl für herkömmliche Generatoren dargestellt.

Mit einem unipolaren Wechselstromgenerator kann ein einphasiger Strom mit rechtwinkligem 3pannungsverlauf erzeugt werden> wobei durch eine Vollweg-Gleichrichtung ein einwandfreier Gleichstrom erzeugt werden kann. D3r Abstand der An-.'ker'spulen bei dem unipolaren Wechselstromgenerator kann von einem Drittel bis zu einem Fünftel des Abstandes eines Dreiphasentyps reduziert werden·. .Außerdem ist die Verwendung eines Drahtes mit groSem Durchmesser für die Ankerwicklungen.

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des unipolaren Wechselstromgenerators gegeben, wodurch eine Abnahme des elektrischen Widerstandes auf etwa ein Zehntel bis ein Zv/anzigstel des Widerstandes eines Dreiphasengenerators und somit eine bemerkenswerte Zunahme des Wirkungsgrades gegeben ist. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Generator dem Sinphasentyp entspricht, so daß nur vier Kommutatorelemente und vereinfachte Wicklungen nötig sind, wodurch sich die Kosten erheblich erniedrigen lassen.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. P ate nt an s ο r ü c h e

   Unipolargenerator für Λ/echselstrom mit einem auf einer Welle montierten drehbaren Magneten, der in einer Richtung parallel zur "¹JeIIe polarisiert ist und mit einem, die Wicklung tragenden und Polschuhe aufweisenden Anker,-dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t,. daß ein teilzylindrisches Polstück an zumindest einem Polende des Magneten befestigt ist, daß ein Üatz von Polschuhen mit im wesentlichen gleichem teilzylindrischen Aufbau und gleicher Länge wie das Polstück einender gegenüberliegend derart angeordnet sind, .da;-· sich ein '"palt ausbildet, und daß die Polschuhe übor Kerne, die ^icklungen tragen, mit einem Joch verbunden .rsind, das den magnetischen ICreis vom einen Pol über das teilz/lindrlschs Polstück, den Polschuh und den Kern schlieft.

   2. Unipolargenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, dai'< ein Jatz von Polschuhen aus z,-jei teil-. zylindrischen .'itücken besteht, die einander gegenüber Ii e-" gend angeordnet sind und dadurch einen einOhasigen, aus einem iSlement aufgebauten einpoligen: Gcneratortyp schaffen.

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   3·· Unipolargenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander diametral gegenüberliegende Polstücke in der Form eines Viertelzylinders vorhanden sind, und daß vier Polschuhe über einen Kreisbogen verteilt derart angeordnet sind, daiv Jeder Polschuh einen Viertelskreis überdeckt, wodurch ein einphasiger, aus einem Element aufgebauter zweipoliger Generatortyp entsteht.

   4. Unipolargenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i ohne t, daB das Polstück einen Drittelszylinder umfaßt und drei Polschuhe entlang einer Kreislinie angeordnet sind, wobei jeder Polschuh einen Drittelsz^rlinder überdeckt, wodurch ein dreiphasiger,aus einem Element aufgebauter einpoliger Generatortyp entsteht.

   5. Unipolargenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η - _ . ζ e i chne t, daß zwei Polstücke an dem Magnet an gegen-; überliegenden Polen angeordnet sind, und daß die Polstücke bezüglich der Welle des Kagneten symmetrisch angeordnet sind, wodurch ein aus zwei Elementen aufgebauter Generatortyp entsteht.

   6. Unipolargenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da£ die Abwicklung eines eine Rechtecksch-fingungsform erzeugenden Polstückes von rechteckiger Konfiguration ist.

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   7· Unipolargenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η a ei c h η e t, da5 die Abwicklung eines eine Dreieckschwingungsforni erzeugenden Polstuckes von, dreieckiger
   "Configuration ist.

   .8". Unipolargenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η et, da£ das der !Erzeugung einer -Sinusschwingung dienende Polstück in der Abwicklung eine Sinuskonfiguration aufweist, die sich von dem einen zu dem nächstfolgenden Wellental -erstreckt und der Erzeugung einer modifizierten Sinusschwingung dient.

   9. Unipolargenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ze i c h η et, daß die Abwicklung des Polstückes einer
   . Sinusharbwelle zwischen zwei. Fulldurchgängen entspricht
   und^: der 3rseusxmg einer Sinusschwingung dient.

   ]0. Unipolargenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -■■ :· ζ e ich net, daß der drehbare Kagnet als Permanent-■· magnet mit großer latenter Magnetisierungskraft und kleiner reversibler Permeabilität ausgebildet ist, tind da^c
   ■ der Polspalt zwischen dem Polschuh und dem Polstück extrem dünn ist, sodaS eine in weitem Bereich lineare Spannung
   in Abhängigkeit von der Drehzahl erzeugt wird.

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   ¹1. Unipolar generator nach Anspruch 10, dadurch g e lc e η η .zeichnet, daß der Permanentmagnet aus Bariumferrit ■ besteht.

   ¹2. TJnipolargenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i ohne t, daß der Permanentmagnet eine "bestimmte Istente Magnetisiorungskraft und eine kleine reversible Permeabilität aufweist, daß der Kern aus einem Material mit geeigneten Hystereseverlusten besteht und der Polspalt derart dimensioniert ist, daii der Wert der in Abhängigkeit von der Drehzahl erzeugten Spannung oberhalb einer bestimmten Drehzahl im wesentlichen konstant ist. ..'... ...

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