DE1826690U

DE1826690U - Elektrische maschine mit erregung durch permanentmagnete.

Info

Publication number: DE1826690U
Application number: DES31019U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-06-25
Filing date: 1959-06-25
Publication date: 1961-02-16

Description

Elektrische Maschine mit Erregung durch Permanentmagnete Es gibt seit einigen Jahren keramische Permanentmagneten, welche sich insbesondere durch eine sehr hohe Koerzitivkraft auszeichnen und ausserordentlich stabil gegen Fremdfelder sind. Ihre Remanenz liegt allerdings relativ niedrig. Diese Eigenschaften der Barium-Ferrite ermöglichen es-bei allerdings kleinen

Induktionen-sehr grosse Luftspalte mit einem magnetischen

Fluss zu durchsetzen. Die vorliegende Erfindung macht nun von diesen Eigenschaften der Permanentmagnete zur Schaffung von neuartigen elektrischen Maschinen Gebrauch. Erfindungsgemäss ist bei der mit Permanenterregung versehenen Maschine unter Verzicht auf ein Blechpaket unmittelbar im Arbeitsluftspalt zwischen den Permanentmagneten angeordnete Ankerwicklung flächenhaft ausgebildet und in der Achsrichtung der Maschine vom magnetischen Fluss durchsetzt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Ankerwicklung nicht aus isolierten gewickelten Wicklungen zu bestehen braucht.
Ferner lässt sich die flächenhafte Wicklung verhältnismässig einfach und billig herstellen. So kann gemaß der Erfindung die Ankerwicklung durch Ausstanzen bzw. Prägen aus einem dünnen, insbesondere aus Kupfer bestehenden Blech hergestellt sein. Sie kann ferner auch aus einem dünnen Metallblech ausgeätzt oder im Druckverfahren hergestell sein. Die Isolation der flächig ausgebildeten Ankerwicklungen gegeneinander kann entweder durch entsprechende Abstandhaltung oder durch Verwendung bekannter Kunststoffe und Lacke erfolgen. In Spezialfällen, wie z. B. bei einem mit fortlaufender Wellenwicklung ausgeführten homopolaren Mittelfrequenz-Generator dürften vorteilhafterweise die zwischen den Windungen verbleibenden Flächen mit weichmagnetischen, ferritischen Werkstoffen oder auch Carbonyleisenteilchen in Kunstharz-oder Giessharzverklebung anzuwenden sein. Hierfür eignen sich alle pulverisierten ferro-oder ferritmagnetischen Werkstoffe, deren Sättigungsinduktionen ähnlich den zur Erregung dienenden Barium-Ferriten in der Grössenordnung von 4000-5000 G liegen. Da sowohl die Barium-Ferrite wie auch die weichmagnetischen Massekernwerkstoffe sehr hohe spezifische Widerstände besitzen, ist bei Niederspannung durchaus ein Aufbringen und ein Einbetten der blanken Flachkupfer-Ankerwicklungen in unmittelbarem Kontakt mit den genannten Werkstoffen möglich. Die weich-und hartmagnetischen Ferrite haben wegen ihres keramischen Charakters und ihres hohen spezifischen Widerstandes den Vorteil, dass auch bei höheren Frequenzen praktisch keine Eisenverluste auftreten. Bei den nachfolgend beschriebenen elektrischen Maschinen treten demzufolge praktisch nur Kupferverluste in der Ankerwicklung auf. Der Wirkungsgrad der Maschine wird hierdurch relativ günstig. Weitere Einzelheiten sind aus den nachfolgend beschriebenen,'in den Fig. 1 bis 11 dargestellten verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten ersichtlich.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein AusführUngsbeispiel eines gemäss der Erfindung ausgebildeten zweiphasigen Permanentgenerators.
Zwei wechselpolig aufmagnetisierte Permanentmagnete 1 und 2 erzeugen einen magnetischen Fluss, der. die feststehende, in Kunststoff eingekleidete Ankerwicklung 8 durchfliesst und sich über-die beiden aus ferromagnetischem Material aufgebauten rotierenden Träger 3 und 4'der Permanentmagnete schliesst. Die mit der Welle 5 umlaufenden Permanentmagnete werden durch zwei unmagnetische Schutzrohre 6 und 7 gegen ein Zerbersten bei hoher Fliehkraftbeanspruchung geschützt. Die flächenhaft ausgebildete Ankerwicklung 8 ist am Innen-und Aussendurchmesser mit mechanischen Versteifungsringen 9 und 10 versehen und wird mit Hilfe von Schrauben 11 am A-seitigen Lagerschild 12 fixiert.
B-seitiges Lagerschild ist 13. Die Ankerwicklung 8 kann z. B. aus einem Glasfasergespinstträger bestehen, auf dem beidseitig um eine halbe Polteilung versetzt, die geprägten Wicklungsanordnungen 14 und 15 angebracht sind. Sicken 16. versteifen die Ankerwicklungsanordnung und kleiden gleichzeitig die von der' Mitte der konzentrischen Wicklungen nach aussen. zu führenden Stromleitungen ein. Die Flachkupferwicklung wird vorteilhafterweise nachträglich mit Giessharzen oder anderen geeigneten Stoffen eingegossen.
In den Fig. 4 bis 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel dargestellt, das einen Permanentmagnet-Generator mit am Lagerschild , befestigter Ankerwicklungsanordnung betrifft. Zwei wechselpolig magnetisierte Permanentmagnetringe21 und 22 sind auf einem ro-

tierenden Trägersangeordnet. Die auftretenden Fliehkräfte werden

durch das unmagnetische Schutzrohr 24 abgefangen. Beidseitig

e

von den beiden Permanentmagnetsystem sind die Ankerwicklungen 25

und 26 auf'einem den magnetischen Rückschluss herstellenden magnetisierbaren weichmagnetischen Träger 27 und 28 angebracht.
Die beiden Ankerwicklungen 25 und 26 können wie im gezeigten Beispiel als fortlaufende Wellenwicklung, welche Drahtkrezungen vermeidet, ausgeführt werden. Die Lagerschilde 29, 30 und die Welle 31 sind in gewohnter Weise ausgeführt. Der Vorteil der Ausführung gemäss den Fig. 4 bis 6 gegenüber den Fig. 1 bis 3 besteht im einfacheren Aufbau und der grösseren mechanischen Stabilität der Ankerwicklungsanordnung. Die Maschine ist sowohl als Ein-oder'Zweiphasen-Generator verwendbar.

Die auf den Fig. 7 und 8 dargestellte drehzahlsteuerbare Gleich-

Die auf den Fig.

strommaschine mit Permanentmagneterregung ähnelt der in den Fig.
1 bis 3, jedoch steht diesmal das wechselpolig ausgeführte Permanentmagnetsystem 41 und 42 still, während der flächenhaft ohne Dynamoblech ausgebildete Anker 43 und der Flachkollektor 44 mit der Welle 49 rotieren. Das Lagerschild 46 dient gleichzeitig zum Rückführen des Permanentmagnetflusses. Die gleiche Aufgabe erfüllt B-seitig eine in axiale Richtung gleitend angeordnete Eisenscheibe 50. Mit Hilfe einer Spindel 51 und eines Handrades 52 kann durch axiales Verschieben des Permanentmagnetträgers 50 in Richtung auf den Bürstenhalterträger 41 der Arbeitsluftspalt und damit die Grösse des erregenden Feldes verändert werden. Damit ist auf mechanischem Wege eine Drehzahlregelung möglich, die. im Effekt der mit Hilfe eines Feldstellers bei Gleichstrommotoren ausgeführten Feldveränderung entspricht.

Die Stromzufuhr zum Anker erfolgt über das Kohlebürstensystem

45.

Die Fig. 9 bis 11 zeigen schliesslich ein Ausführungsbeispiel,

das einen homopolaren Mittelfrequenz-Generator mit Permanentmagneterregung und im Bedarfsfalle möglicher zusätzlicher Feldspulenerregung betrifft. Die'beiden in axialer Richtung gleichpolig magnetisierten keramischen Permanentmagnete 61 und 62 tragen auf ihren Oberflächen die als fortlaufende Wellenwicklung ausgeführten Ankerwicklungen 63 und 64, deren Windungszahl gleich 'der, Plzahl ist. Die Flachkupferankerwicklung 70 wird vorteilhafterweise in weichmagnetische Pulverweikstoffe, wie Carbonyleisen oder auch Ferrite eingekleidet, wobei die Mischkörper-Permeeabi-

lität'den Eigenschaften der hartmagnetischen Werkstoffe und

'4

ihr Verlustwinkel der vorliegenden Frequenz optimal angepasst ist. Es kann von Vorteil sein, zwischen der Ankerwicklung und den eigentlichen Permanentmagneten eine. weichmagnetische Zwischenschicht anzuordnen, die einenmagnetischen Ausgleich zwischen den durch das gezahnte Polrad 65 hervorgerufenen unterschiedlichen Beanspruchungen der Wicklungszwischenräume ermöglicht. Die Zahnlücken 66 des umlaufenden Polrades 65 bewirken nicht nur die Pulsation des magnetischen Flusses, sondern transportieren' gleichzeitig wie ein Zentrifugalgebläse Kühlluft unmittelbar an den beanspruchten Ankerwicklungen vorbei. Die Kühlluft wird in Wellennähe durch Aussparungen in beiden Lagerschilden 67 und 68 angesaugt und am äußeren Umfang der Maschine seitlich durch Aussparungen in den Lagerschilden wieder ausgestossen. Hierbei prallt der Kühlluftstrom auf'eine zusätzliche kreisrunde Erregerspule 69. Die Erregerspule kann zugregelung der Spannung verwendet werden. Die Permanentmagnete übernehmen also in etwa die Grundlastmagnetisierung der relativ grossen Luftspalte, hin-

gegen die lastabhängige Magnetisierungskomponente von der Er-

geg

regerwicklung 69 aufgebracht wird. In gewissem Umfang ist auch eine Spannungskonstanthaltung unabhängig von der Drehzahl durch die Erregerwicklung möglich. Diese Ausführung gemäss den Fig. 9 bis 11 hat den Vorteil, dass sowohl der konstruktive Aufbau sehr einfach ist, wie auch die Verwendung einer Flachkupferwellehwicklung sich besonders für eine homopolare Maschine eignet. Durch die grosse Koerzitivkraft der Permanentmagnete kann sich die Feldschwächung durch Ankerrückwirkung nur sehr geringfügig auswirken. Durch die Verwendung hart-und weichmagnetischer Ferrite treten nur vernachlässigbar kleine Eisenverluste auf. Da die Arbeitsinduktion in der Grössenordnung von 3000 G liegt, kann das Polrad z. B. im Präzisionsgussverfahren in Grauguss erstellt werden. Zahnsättigungen sind selbst bei Grauguss bei den vorliegenden relativ kleinen Induktionen nicht zu erwarten. Durch die flächenhafte Anordnung der Ankerwicklung wird die Ankerstreuinduktivität wesentlich kleiner als bei den herkömmlichen Maschinen unter Verwendung von genuteten Dynamoblechpaketen. Der Werkstoff der Permanentmagnetringe wird wegen der nur in einer axialen Richtung vorgesehenen Anisotropie optimal ausgenutzt. Wie neuerdings allgemein üblich, werden die Permanentmagnete durch Metall-oder Keramikkleber direkt an den Graugusslagerschilden angeklebt.
Die vorgeschlagene Ausführung eines homopolaren Generators ermöglicht bei Leistungen zwischen 100 und 500 W Frequenzen zwischen etwa 400 bis 2000 Hz zu erzeugen. Da bei diesen Frequenzen Drosseln oder Magnetverstärkereinheiten sehr klein und wirtschaftlich werden, bieten sich vorteilhafte Möglichkeiten zur Spannungs-oder Stromregelung mit Hilfe derartiger Bauelemente an. Es ist denkbar, dass diese Maschinen sich für die Anwendung als Autolichtmaschine mit nachgeschaltetem Transduktor und Gleichrichter eignen.
11 Figuren 20 Patentansprüche

Claims

- ansprüche :

1. Elektrische Maschine mit Erregung durch Permanentmagneten, dadurch gekennzeichnet, dass die unter Verzicht auf ein

Blechpaket unmittelbar im Arbeitsluftspalt zwischen den Permanentmagneten angeordnete Ankerwicklung flächenhaft ausgebildet und in der Achsrichtung der Maschine vom magnetischen Fluss durchsetzt ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung durch Ausstanzen bzw. Prägen aus einem dünnen, insbesondere aus Kupfer bestehenden Blechhergestellt ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung aus einem dünnen Metallblech ausgeätzt ist.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung im Druckverfahren hergestellt ist.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächig ausgebildeten Ankerwicklungen durch Abstandhaltung gegeneinander isoliert sind.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Ankerwicklungen gegeneinander durch Kunststoffe, Lacke od. dgl. isoliert sind.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei den flächigen Ankerwicklungen die zwischen den Windungen verbleibenden Flächen mit weichmagnetischen, ferritischen Werkstoffen, insbesondere in pulverisierter Form, bzw. Carbonylteilchen in Kunstharz-oder Giessharz- verklebung ausgefüllt sind.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklungen auf einem dünnen, aus Isolierstoff, z. B. aus einem Glasgespinst, bestehenden Träger beidseitig und zwar um eine halbe Polteilung gegeneinander versetzt angebracht sind.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, insbesondere 2-phasiger Permanentmagnetgenerator, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Ankerwicklungen feststehend zwischen zwei auf einer gemeinsamen Welle sitzenden, vorzugsweise scheibenförmigen Trägern angeordnet sind, die auf der den Ankerwicklungen zugewandten Seite in einer den Ankerwicklungen entsprechenden Anzahl mit Permanentmagneten besetzt sind, die mit ungleichnamigen Polen einander gegenüberstehen.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Ankerwicklungen am Innen-und Aussenrand durch Ringe od. dgl. mechanisch versteift sind. CD

'
11. Elektrische Maschine nach Anspruch. l, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Ankerwicklungen durch Sicken versteift sind.
12. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Welle umlaufenden zu je einer Scheibe zusammengefassten Permanentmagnete von aus unmagnetischem Werkstoff bestehenden Schutzringen umgeben sind.
13. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei wechselpolig magnetisisierte Permanentmagnetringe auf einem rotierenden Träger, insbesondere einer Welle befestigt und zu beiden Seiten der beiden Permanentmagnetsysteme flächenhaft ausgebildete Ankerwicklungen auf einem den magnetischen Rückschluss bildenden, magnetisierbaren und weichmagnetischen Träger angebracht sind.
14. Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ankerwicklungen als fort- laufende Wellenwicklungen ausgebildet sind. \ 15. Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekenn- zeichnet, dass die beiden Ankerwicklungen an der Innen-

seite der beiden Lagerschilde befestigt sind.

16. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, insbesondere Gleichstrommaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei feststehenden, wechselpolig ausgebildeten Permanentmagnetsystemen der mit einer flächenhaften Ankerwicklung ohne Dynamoblech versehene Anker und ein an ihm angebrachter Flachkollektor mit der sie tragenden Welle rotieren, wobei die Lagerschilde zum Rückführen des Permanentmagnetflusses dienen können.

17. Elektrische Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass B-seitig zur Rückführung des Permanentmagnetflusses eine in axialer Richtung verstellbare die Permanentmagnete der einen Seite tragende Eisenscheibe vorgesehen ist, durch deren Verstellung eine Drehzahlregelung bewirkt werden kann.

8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie in der Weise als homopolarer Generator mit Permanenterregung ausgebildet ist, dass zwei in axialer Richtung gleichpolig magnetisierte, vorzugsweise keramische Permanentmagnete auf ihren einander zugewandten Seite flächenhafte, als fortlaufende Wellenwicklung ausgeführte Ankerwicklungen tragen, deren Windungszahl gleich der Polzahl ist, und dass zwischen den beiden Ankerwicklungen ein gezahntes Polrad rotiert.

19. Elektrische Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse des Generators in der Nähe der Polradnabe Lufteintrittsöffnungen und in dem ausserhalb des Polrades gelegenen Teil des Gehäuses Luftaustrittsöffnungen vorgesehen sind, durch welche die Kühlluft eingesaugt bzw. aus dem Gehäuse herausgetrieben wird.

20. Elektrische Maschine nach Anspruch 18, dadurch gelenzeichnet, dass an der Innenwand des den magnetischen Rückschluss bildenden Gehäuses eine zusätzliche Erregerspule angebracht ist, die zur Regelung bzw. Konstanthaltung der Spannung verwendbar ist.