DE1763858C2 - Elektrische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, deren Feldmagnet mehrere im Abstand von elektrischen Graden voneinander liegende Feldpole von abwechselnd entgegengesetzter Polarität aufweist, von denen jeder zwei einander paarweise gegenüberliegende, ausgeprägte Polteile hat, zwischen deren einander zugewandten, ebenen Stirnflächen ein Luftspalt besteht, mit einer in dem Luftspalt der Polteilpaare angeordneten Ankerwicklung aus lamellenförmigen Leitern, die im Bereich des Luftspalls im wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Relativbewegung zwischen Ankerwicklung und Feldmagnet verlaufen, wobei in jedem Paar von einander gegenüberliegenden Polteilen der Magnetfluß aus dem einen Polteil austritt und nach Durchgang durch die im Luftspalt befindliche Ankerwicklung in das gegenüberliegende Polteil eintritt, und wobei zwischen den Polteilpaaren benachbarter FeldDole im wesentlichen feldfreie Zwischenräume bestehen.

Eine elektrische Maschine dieser Art ist aus der FR-PS 13 30 344 bekannt Bei dieser bekannten Maschine sind die von Permanentmagneten gebildeten s Feldpole senkrecht zur Richtung der Relativbewegung zwischen Anker und Feldmagnet, d. h. radial gerichtet, verjüngt ausgebildet Dadurch wird erreicht, daß der Magnetfluß auf den von den aktiven Wicklungsleitern des Ankers eingenommenen ringförmigen Bereich des ίο Ankers konzentriert wird. Eine ähnlich ausgebildete elektrische Maschine ist aus der FR-PS 13 38 999 bekannt Bei dieser Maschine sind kreisrunde Polschuhe vorgesehen, die pyramidenstumpfförmig ausgebildet sind und mit der verjüngten Oberfläche dem Anker zugewandt sind. Durch die pyramidenstumpfförmige Ausgestaltung der Polschuhe wird der Magnetfluß auf die verkleinerten Polschuhoberflächen konzentriert.

Aus der FR-PS 12 75 900 ist eine elektrische Maschine bekannt bei der die Polteile auf beiden Seiten des Ankers ringförmig ausgebildet sind. In dem einen ringförmigen Polteil sind permanente Feldpole gebildet. Bei dieser Anordnung treten die Kraftlinien aus den Polflächen senkrecht aus und treten nach Durchgang durch die Erregerwicklungen senkrecht in die gegenüberliegende Fläche des Polringes ein. Dabei wird das Magnetfeld auf die Polflächen der in dem einen ringförmigen Polteil gebildeten Magnetpole scharf begrenz;..

Bei diesen bekannten elektrischen Maschinen treten neben der beabsichtigten Wechselwirkung zwischen den Leitern der Ankerwicklung und den induzierenden Magnetfeldern in diesen Leitern parasitäre Wirbelströme auf, da die Breite der Leiter in Richtung der Relativbewegung zwischen Ankerwicklung und induzierenden Feldern nicht vernachlässigbar ist. Diese Wirbelströme verursachen nachteilige Energieverluste. Die Erzeugung solcher Wirbelströme ist eine dynamische Erscheinung, die aus der Relativbewegung eines Leiters mit nicht vernachlässigbarer Breite in einem Magnetfeld beruht, dessen Kraftlinien der Leiter schneidet. Die Stärke dieser Erscheinung ist umso größer, je schneller sich der Feidgradient ändert. Bei den bekannten elektrischen Maschinen geht jeder Leiter schnell aus einem Bereich mit schwacher magnetischer Induktion in einen Bereich mit großer magnetischer Induktion über. Üblicherweise wird nämlich angestrebt, das Magnetfeld zwischen den Feldpolen so stark wie möglich zu konzentrieren, um in diesen Bereichen eine möglichst hohe Induktion zu

so erzeugen. Die Streuung des Magnetfelds an den Rändern der Polflächen ist daher sehr gering. Folglich ändert sich der Feldgradient bei der Bewegung eines Leiters von einem Feldpol zu dem nächsten sehr plötzlich, wodurch hohe Wirbelströme verursacht werden.

Aus der US-PS 30 72 814 ist ferner eine elektrische Maschine bekannt, deren mit lamellenförmigen Leitern versehener Anker von einem Hilfsmotor angetrieben wird und sich in einem Luftspalt zwischen einander gegenüberliegenden, in einem Kreisring angeordneten Polteilen dreht. Diese Polteile sind jedoch nicht einander paarweise zur Bildung von Feldpolen zugeordnet. Vielmehr haben die auf den verschiedenen Seiten des Ankers liegenden Pole unterschiedliche Funktionen, und zwar tragen die auf der einen Seite liegenden Pole Kompensationswicklungen, während die Pole auf der anderen Seite Regelwicklungen tragen. Die Pole auf der einen Seite sind gegen die Pole auf der anderen Seite um

90 elektrische Grade gegeneinander versetzt, und die Polfläche jedes Pols ist so breit, daß sie zwei nebeneinander liegende Pole der entgegengesetzten Seite überbrückt. Die Funktionsweise dieser Maschine setzt dann das Vorhandensein von zwei Bürstenpaaren ■> voraus, die gleichfalls um 90 elektrische Grade gegeneinander versetzt sind. Bei dieser bekannten Maschine sind keine getrennten Feldpole von abwechselnd entgegengesetzter Polarität vorhanden, von denen jeder durch zwei einander paarweise gegenüberliegend? Polteile gebildet ist, zwischen denen im wesentlichen feldfreie Zwischenräume bestehen. Daher tritt bei dieser bekannten Maschine das Problem der Wirbelstrombildung nicht auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische H Maschine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß in den lamellenförmigen Leitern der Ankerwicklung bei der Bewegung jeweils von einem Feldpol zu dem nächsten keine oder nur geringe Wirbelströme induziert werden. 21)

Diese Aufgabe wird bei der elektrischen Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß bei jedem Feldpol die einander gegenüberliegenden Stirnflächen der beiden Polteile in der Richtung der Relativbewegung gegeneinander versetzt sind.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die einander gegenüberliegenden Polteile jedes Feldpols so zu formen und/oder anzuordnen, daß sich an den Bereich der größten Feldkonzentration, der zwischen den sich deckenden Bereichen der einander zugewand- 3D ten Stirnflächen der Polteile vorhanden ist, in Richtung der Relativbewegung zwischen Ankerwicklung und Feldmagnet noch Bereiche allmählich abnehmender Feldstärke anschließen. Dadurch wird erreicht, daß jeder Spulenseitenleiter der Ankerwicklung nicht plötzlich von einem feldfreien Bereich in das axiale Magnetfeld eintritt, sondern durch einen Bereich allmählich ansteigender magnetischer Feldstärke geht. Dies ergibt die angestrebte Verringerung der Wirbelströme in den lamellenförmigen Leitern der Ankerwicklung.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt 4"i

Fig. 1 einen Schnitt durch die Hauptteile einer umlaufenden elektrischen Maschine;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Hauplteile einer anderen Ausführungsform einer umlaufenden elektrischen Maschine; %

Fig. 3 eine Teilseitenansicht einer Wicklung der Maschine, welche unter einem Feldpol durchläuft, der beispielshalber in Kreisform dargestellt ist;

Fig. 4 und 5 der Erläuterung dienende grafische Darstellungen; F i g. 6 eine Teildraufsicht sowie

Fig. 7 und 8 Profilansichten einer ersten Feldpolanordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 9 bis 11 drei weitere Ausfühningsformen der Erfindung.

Zur bequemeren Darstellung und Erläuterung ist die Erfindung in ihrer Anwendung auf Maschinen mit ebenem, scheibenförmigem Spalt und mit Induktoren dargestellt, deren Polschuhe zylindrische Form mit kreisförmigem Querschnitt besitzen. Es wird jedoch bemerkt, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist.

Bei der Ausführungsform einer umlaufenden elektrischen Maschine, deren Hauptteile im Schnitt in Fig. ! dargestellt sind, wird der ebene, ringförmige Spalt durch zwei kreisringförmige Dauermagnetpole 2 und 3 gebildet. Jeder Kreisring weist, wie üblich, abwechselnd magnetische Nord- und Südpole auf, wobei diese Bezeichnungen bei den gegenüberliegenden Magnetpolen der beiden Kreisringe entgegengesetzt sind.

Der Polring 2 wird von einem Magnetjoch 4 und der Polring 3 von einem Magnetjoch 5 gehalten.

In dem durch die Polringe begrenzten ebenen, ringförmigen Luftspalt ist ein scheibenförmiger Läufer t angeordnet, welcher auf einer Welle 6 beispielsweise durch eine aus zwei Teilen 7 und 8 bestehende Nabe gelagert ist, wobei die Nabenteile die Scheibe in einem deren kreisförmigen Mittelausschniu umgebenden Ring einklemmen und wobei der eine und/oder der andere dieser Teile, welche zum Festklemmen aufeinander geschraubt sind, auf die Welle aufgekeilt sein kann. Bei 9 ist in gestrichelten Linien die Lage einer der stromübertragenden Bürsten für die Wicklung angedeutet, weiche dit umlaufende Scheibe 1 trägt. Diese umlaufende Scheibe besteht im wesentlichen aus einer Wicklung von lamellenförmigen Leitern in wenigstens zwei Schichten von Halbspiralen, welche an ihren gegenüberliegenden Enden miteinander verbunden sind, wobei diese Schichten gegeneinander isoliert sind, jedoch eine äußere Schicht wenigstens einen bloßgelegten kreisförmigen Abschnitt zur gleichzeitigen Bildung einer Kommutatorbahn für die Bürsten, wie die Bürste 9. aufweist. Ein Teil dieser Wicklung ist in F i g. 3 während seines Durchgangs unter einem der Induktormagnetpole dargestellt, welcher zylindrisch angenommen ist. Jeder Lamellenleitrr in Form einer Halbspirale weist einen mittleren, etwa radialen Teil 16 auf, welcher an seinen beiden Enden durch geneigte und auch gekrümmte äußere Abschnitte 17 und innere Abschnitte 18 fortgesetzt wird.

Die Leiter enden in äußeren Teilen 19 und inneren Teilen 20, welche Kontakte zur gegenseitigen Verbindung der beiden Schichten bilden. Ausbildung und Herstellung solcher Wicklungen sind genügend bekannt, so daß nicht näher darauf eingegangen werden muß.

Es wird betont, daß jeder Leiter bei der Ankunft in einer unter einem Magnetpol gelegenen Zone nut der Tangentialgeschwindigkeit an jeder dieser radialen Stellen oder etwa denjenigen, welche ihm von der Drehung des Läufers mitgeteilt werden, plötzlich von einem Bereich, in welchem das Magnetfeld pmktisch Null ist (siehe bei 21 in Fig. 4) in einen Bereich übergeht, in welchem das magnetische Induktionsfeld herrscht, beispielsweise (Fig.4) zwischen den Polschuhen 2 und 3, um sodann diesen Bereich in einem ebenfalls plötzlichen umgekehrten Übergang wieder zu verlassen. In der schematischen Darstellung der Fig.4 sind die Pole 2 und 3 in einem Schnitt längs eines Kreisbogens mit dem Radius dargestellt, bei dem ihre Breite am größten ist. Die Induktion im Luftspalt behält ihren Wert b_c an den äußeren Rändern bei jedem Zwischenwert, insbesondere dem mittleren Wert b_m, konstant bei, wie durch das gestrichelte Rechteck mit der Breite a in F i g. 5 gezeigt. Wie in F i g. 4 angegeben, ist eine sehr geringe Randstreuung an den Rändern des Luftspalts vorhanden und daher geht die Induktion plötzlich vom Wert Null zu dem genannten Wert Zauber. Daraus folgen, wie erläutert, hohe Werte für die Wirbelströme.

Wenn anstelle der bei 22 in Fig. 5 angegebenen

Veränderung die Induktionsänderung beim Durchgang ihrers Leiters unter einem Pol die bei 23 angegebene Form aufweisen würde, d. h. mehr oder weniger eine halbe Sinusperiode, welche über die Breite ,-) der von den gegenüberliegenden Polschuhen überdeckten Zone hinausgeht, so würde der Übergang zwischen einer Zone ohne Magnetfeld und einer Zone mit Magnetfeld allmählich staltfinden und infolgedessen würden wesentlich geringere Wirbelströme erzeugt werden.

Erfindungsgemäß werden Induktoranordnungen vorgesehen, welche im Luftspalt Magnetfelder erzeugen, deren Feldverlauf sich etwa dem bei 23 gezeigten annähert, und dies wird durch ein verhältnismäßig starkes Auseinanderziehen der Randlinien des Feldes zu beiden Seiten der Spaltzonen erreichl, in welchen hohe '5 Werte der magnetischen Induktion herrschen, die im übrigen zur Erzielung eines ausreichend hohen elektromagnetischen und elektrodynamischen Wirkungsgrades für die Maschine erforderlich sind.

Wenn die Maschine zwei Magnetpolringe aufweist. 2(> welche den Spalt begrenzen, in welchem sich die Wicklung bewegt, kann die Anordnung gemäß der Erfindung unmittelbar angewendet werden. Bei zahlreichen Maschinen dieser Art ist jedoch nur ein einziger Ring von Magnetpolen an einer Fläche des Luftspalts vorhanden, dessen andere Fläche durch eine einfache Magnetplatte zum Schließen des durch die Wicklung gehenden Magnetflusses begrenzt ist. In diesem Fall wird erfindungsgemäß diese Magnetplatte 15 (Fig. 2) mit vorspringenden Massen 13 versehen, welche die Magnetfeldzonen begrenzen und »verformen«, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Dabei sind die einander gegenüberliegenden Magnetpolschuhe oder magnetischen Massen gegeneinander versetzt, um das gewünschte Auseinanderziehen der Ränder des Magnetfelds wenigstens in Richtung der Relativbewegung von Wicklung und Induktor und. allgemein, in jeder Richtung /u gewährleisten, in welcher ein Teil jedes l.amellenleiters der Wicklung in eine Zone magnetischer Induktion des Spalts eintritt oder diese Zone verläßt. Offensichtlich ist die vorliegende Erfindung ebenso gut auf Maschinen anwendbar, bei welchen die Wicklung umläuft und der Induktor feststeht, wie auf Maschinen, bei welchen die Wicklung feststeht und der Induktor umläuft.

Wenn man beispielsweise einen Induktor mit vier Magnetpolen in zwei Ringen von zylindrischen Magneten betrachtet, so stellt sich die erfindungsgemäße Induktoranordnung in Draufsicht in der in F i g. 6 gezeigten Weise dar. Die Pole 2 weisen normalerweise mit ihren Mittelpunkten einen regelmäßigen gegenseitigen Abstand von einem Viertel des Umfangs auf. Die Pole 3 sind jedoch außerdem bezüglich der Mittelpunkte der Pole 2 in Winkelrichtung versetzt. Diese Versetzung kann beispielsweise von einem Drittel (F i g. 7) bis zur Hälfte (Fi g. S) der Winkelüberdeckung der Polflächen der Magnete 2 und 3 betragen. Die im übrigen rein qualitative Einzeichnung der Kraftlinien des Magnetfelds im Spalt zwischen den gegeneinander versetzten Flächen zeigt klar die Auseinanderziehung bzw. Streuung der Feldränder außerhalb der einander gegenüberliegenden Abschnitte der Flächen.

Eine andere Anordnung (Fig. II) besteht darin, daß ein Polschuh 3 in der Nähe seiner Spaltoberfläche, jedoch nicht auf der Höhe dieser Fläche von einem Ring 25 aus einem weichmagnetischen oder ferromagnetischen Material umgeben ist. Die Polschuhe 2 und 3 sind gegeneinander versetzt, jedoch in geringerem Ausmaß.

wie anhand der Fig.6 bis 8 beschrieben. Der Ring 25 verursacht ein beträchtliches Auseinanderziehen der Kraftlinien im wesentlichen wie bei den in Fig. 7 und 8 gezeigten Anordnungen. Da jedoch die gegenüberliegenden Polflächen größer sind, ist die Verringerung des elektromagnetischen Wirkungsgrades geringer als die bei einer einfachen und größeren Verschiebung der Polschuhe festgestellte, obwohl bei der oben geschilderten Größenordnung diese Verminderung des Wirkungsgrades an sich absolut nicht kritisch ist.

Bei bestimmten bekannten Ausführungsformen werden Magnetpole verwendet, welche so ausgebildet sind, daß der Magnetfluß in schmaleren Bereichen des Luftspalts in Richtung der Bewegung des Läufers konzentriert wird. Diese Ausbildung wird jedoch so gewählt, daß die gegenüberliegenden Polflächen tatsächlich eine Stufe der Polteilung der Wicklung überdecken, und wenn die Polschuhe so geformt sind, daß der Magnetfluß auf eine solche, der Polteilung entsprechende Fläche konzentriert wird, so wird diese Konzentration so bewirkt, daß bestenfalls die verwertbare Fläche des Magnetflusses begrenzt wird, beispielsweise dadurch, daß die geformten Teile der Pole im wesentlichen an den Polen in Form von Massen aus weichmagnetischem, in dem Magnetfluß führenden Material angebracht werden. Infolgedessen wird das Auseinanderziehen der Ränder des Magnetflusses als für die gesuchte technische Wirkung schädlich weitgehend vermieden, und daraus ergibt sich keinerlei merkliche Minderung der Wirbelströme in den Lamellenleitern.

Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß die Verformung der bei 30,31 bzw. 26, 27 in den F i g. 9 und 10 abgeschrägten, gegeneinander versetzt angeordneten Polschuhe an der Masse des Polschuhs derart vorgenommen, daß eine wesentliche Verbreiterung der Randlinien des Magnetflusses zu beiden Seiten des Luftspalts hervorgerufen wird.

Wie schließlich in den F i g. 9 und 10 dargestellt, wird die bereits auf der Verformung der Polschuhe beruhende Versetzung durch eine tatsächliche Versetzung der Achsen dieser Polschuhe verstärkt, und sie kann für symmetrisch geformte Pole durch eine solche Versetzung der Achsen dieser Pole hervorgerufen werden.

Es wurde bereits erwähnt, daß die Erfindung auch auf den Fall anwendbar ist, daß die Wicklung feststeht und der Induktor umläuft. Es wird bemerkt, daß in diesem Fall die Wicklung an ihrem äußeren Rand gehalten wird und daß die umlaufende Welle die beiden Teile des Induktors trägt, welcher den brauchbaren Ring der Wicklung einrahmt, da die Erfindung erforderlich machi, daß diese beiden Teile, welche in der oben beschriebenen Weise geformt und angeordnet sind, gegenüber der feststehenden Wicklung zusammen umlaufen.

Die Erfindung kann darüber hinaus auf zylindrische Maschinen angewendet werden, bei welchen die Wicklung auf einem Stator oder Rotor vom Glockenoder Bechertyp aufgebracht ist wobei der Induktor die zwei Halterungen für die koaxial angeordneten, »aktiven« Polschuhe aufweist von denen wenigstens einer entweder mit der Welle umläuft wenn die Wicklung feststeht, oder festgelegt ist wenn die Wicklung umläuft

Die Erfindung umfaßt auch Maschinen mit schwingender oder hin- und hergehender Bewegung und schrittweise gesteuerte Maschinen mit oder ohne

Änderung der Drehrichtung. Sie ist auch auf Maschinen mit linearem Luftspalt anwendbar, bei weichen sich die Wicklung wenigstens in einem Teil ihrer Länge bezüglich eines Luftspalts verschiebt, welcher durch zwei Reihen von Polschuhen gebildet wird, die denselben während dieser relativen Verschiebung einrahmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrische Maschine, deren Feldmagnet mehrere im Abstand von 180 elektrischen Graden voneinander liegende Feldpole von abwechselnd entgegengesetzter Polarität aufweist von denen jeder zwei einander paarweise gegenüberliegende ausgeprägte Polteile hat, zwischen deren einander zugewandten, ebenen Stirnflächen ein Luftspalt besteht, mit einer in dem Luftspalt der Polteilpaare angeordneten Ankerwicklung aus lamellenförmigen Leitern, die im Bereich des Luftspalts im wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Relativbewegung zwischen Ankerwicklung und Feldmagnet verlaufen, wobei in jedem Paar von einander gegenüberliegenden Polteilen der Magnetfluß aus dem einen Polteil austritt und nach Durchgang durch die im Luftspalt befindliche Ankerwicklung in das gegenüberliegende Polteil eintritt, und wobei zwischen den Polteilpaaren benachbarter Feldpole im wesentlichen feldfreie Zwischenräume bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Feldpol die einander gegenüberliegenden Stirnflächen der beiden Polteile in der Richtung der Relativbewegung gegeneinander versetzt sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegeneinander versetzten Stirnflächen der Polteile in der Richtung der Relativbewegung gleiche Abmessungen haben.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitige Versetzung auch senkrecht zur Richtung der Relativbewegung besteht.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die gegeneinander versetzten Polteile jedes Feldpols in entgegengesetzter Weise unsymmetrisch geformt sind.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, ciaß bei jedem Feldpol wenigstens eines der Polteile von einem gegen die Stirnfläche zurückgesetzten Ring aus weichmagnetischem Material umgeben ist.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Richtung der Relativbewegung liegende Abmessung der Polteile zur Stirnfläche hin zunehmend kleiner wird.