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Elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine insbesondere zur
Erzeugung von Wechselstrom geeignete elektrische Maschine mit einem Scheibenläufer
und zwei belderseits vor diesem stirnseitig angeordneten Ständerscheiben.
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Elektrische Maschinen haben pro Leistungseinheit ein 1Terhältnismdßig
großes Volumen, sie haben im Verhältnis zu anderen Generatoren und Krafbmaschinen
verhältnismäßig wenig Bauteile und wenig Verschleißteile, sie sind dennoch verhaltnismäßig
teuer in der Herstellung.
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Ein wesentliches Ziel aller Entwicklungen ist daher die relative Verkleinerung
der Maschinen und die Senkung ihre Herstellungskosten. Bekannt ist beispielsweise
eine elektrische Maschine in Scheibenbauform, bei der der magnetische Fluß den Läufer
axial durchsetzt. Bei mit Scheiben aufgebauten elektrischen Maschinen ist außerdem
die Anwendung des Modulationsprinzips bekannt, bei dem die Anderung des magnetischen
b'lusses durch Änderung des magnetischen Widerstandes im Fluflpfad erreich wird.
Zur Verringerung der vom Maschinengestell
auf zunehmenden Axialkräfte
ist es außerdem bekannt,,, die' durch den magnetischen Fluß entstehenden Axialkräfte
durch entsprechende Führung des Flusses aufzuheben. Man erreicht hierdurch, daß
die Läuferscheibe auch ohne großen Aufwand nicht in Berührung mit dem Ständer kommt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung elektrischer
Maschinen insbesondere auch für mittlere Frequenzen weiter zu verbilligen und die
Abmessungen solcher Maschinen zu verringern.
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Ausgehend von einer elektrischen Maschine mit einem Scheibenläufer
und zwei beidersei-ts-uor diesem stirnseitig angeordneten Ständerscheiben wird diese
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ständerscheiben mindestens zwei
ein- und/oder mehrteilige magnetisch gut leitende konzentrische Ringe aufweisen,
zwischen denen in Umfangsrichtung umlaufende Arbeits- und/ oder Erregerwicklungen
liegen; und daß der Scheibenläufer in radialer und/oder Umfangsrich'tung abwech-selnde
Bereiche eines hohen und eines niedrigen magnetischen Widerstandes in Richtung seiner
Achse besitzt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Ständerscheiben
Ringbandkerne auf, wobei zwischen jeweils zwei Ringbandkernen ein dritter aus Güß
bestehender Kern angeordnet ist, wobei weiterhin je eine Arbei ts- und/oder - Erregerwicklung
zwischen: Jeweils, s zwei Kernen liegen und wobei die Erreger- und Arb.eitswicklungen
koaxial zueinander in jeder Ständerscheibe angeordnet sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Lehre wird die gestellte Aufgabe auf einfache
Weise gelöst: Die Möglichkeit der Verwendung von Ringbandkernen gestattet eine wesentliche
Verringerung
der bisher erforderlichen gestanzten Bleche. Hinzu kommt hierbei, daß sich Ringbandkerne
ohne Schwierigkeiten maschinell herstellen lassen. Die Erregerwicklungen bestehen
aus einfachen Ringspulen. Sie können daher besonders einfach und ebenso wie die
Arbeitswicklungen außerhalb des Ständers hergestellt und in Ringnuten im Ständer
eingelegt werden. Wegen fehlender Wicklungenauf der Läuferscheibe hat die erfindungsgemäße
Maschine zunächst dieselben Vorteile wie andere elektrische Maschinen mit wicklungslosem
Läufer: Es fehlen Schleifringe; die Herstellungskosten sind gering, und die Betriebssicherheit
ist groß. Hinzu kommt aber, daß die Masse der Läuferscheibe sehr klein gehalten
werden kann.
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Da der magnetische Fluß im Läufer konstant ist, treten auch nur geringe
Verluste auf.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Bereiche des Scheibenläufers
von unterschiedlichem magnetischen Widerstand durch entsprechend unterschiedliche
Dicken des Läufers gebildet. Zusätzlich zu der normalen Reibangsmitnahme wird die
Lüfterwirkung des Scheibenläufers hierdurch und durch zusätzliche Maß--nahmen stark
erhöht, so daß der bei konventionellen Maschinen notwendige gesonderte Lüfter entfallen
kann.
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Vorzugsweise sind die Ständerscheiben im Bereich ihrer freien Stirnseiten
und der Wicklungen mit Brücken eines niedrigen magnetischen Widerstandes versehen.
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Um niedrige Hysterese- und Wirbelstromverluste zu erreichen, ist es
vorteilhaft, die Brücken radial zu blechen. Die verschiedenen Kerne der Ständerscheiben
und die Brücken können miteinander verklebt sein.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jede
Ständerscheibe vier Ringbandkerne, eine koaxial verlaufende Erregerwicklung und
in zwei Nuten springend angeordnete Arbeitswicklungen auf. Die Erregerwicklung liegt
dabei in einer Nut zwischen den Arbei-tswicklungen, und der Scheibenläufer besteht
aus vier Kreisabschnitten mit einem niedrigen und fünf weitercn 'Kreisabschnitten
mit einem hohen magnetischen Widerstand.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand von zwei-Außführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt
entlang der Linie 1-1 in Fig. 2 durch eine Ausführungsform der Maschine unter Fortlassung
unwesentlicher Details; Fig. 2 eine Stirnansicht des Scheibenläufers der Maschine
gemäß Fig. 1; Fig. 3 eine Stirnansicht einer Ständer scheibe der Maschine gemäß
Fig. 1: ohne Erregerwicklung; Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform
der Maschine unter Fortlassung unwesentlicher Details; Fig-. 5 eine Stirnansicht
des Scheibenläufers der Maschine gemäß Fig. 4; Fig. 6 eine Stirnansicht einer Ständer
-scheibe der Maschine'gemäß Fig. 4.
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Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung dient
zur Erzeugung von Einphasen-Wechseistrom. Die Maschine hat zwei feststehende Ständer
scheiben 1-, 2, zwischen denen ein Scheibenläufer 3 zusammen
mit
einer Welle 4 drehbar angeordnet ist.
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In Nuten 5, 6 der einen und Nuten 7, 8 der anderen Ständerscheibe
1, 2 sind koaxial zueinander jeweils eine der Läuferscheibe 3 unmittelbar benachbarte
Erregerwicklung 9, 10 und dahinter entsprechende Arbeitswicklungen 11, 12 untergebracht.
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Jede Ständerscheibe 1 2 besitzt mehrere Kerne, vorzugsweise in folgender
Anordnung: Radial innen befindet sich ein Ringbandkern 13' an den sich die Nut 6
anschließt, die ihrerseits radial außen von einem zweiten, beispielsweise aus Guß
bestehenden Kern 14 begrenzt wird. Radial außerhalb des Kernes 14 befindet sich
die Nut 5 und daran anschliessend folgt ein zweiter Ringbandkern 15. An der freien
Stirns'eite der Ständerscheiben sind Brücken 16, 17 vorgesehen, die zur Erreichung
möglichst iniedriger Verluste radial gebleicht sind.,.
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Der Scheibenläufer 3 ist aus verschiedenen Bereichen unterschiedlichen
magnetischen Widerstandes zusammengesetzt, und zwar haben die schraffiert dargestellten
Bereiche 18 des vorzugsweise gegossenen Läufers einen niedrigen und die übrigen
Bereiche 19 einen hohen magnetischen Widerstand. Die unterschiedlichen Widerstandswerte
werden durch entsprechend unterschiedliche Scheibendicken und damit entsprechend
unterschiedliche Luftspaltabmessungen erreicht, wie,es Fig. 1 deutlich zeigt.
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Um die konzentrischen Erregerwicklungen 9, 10 bildet sich jeweils
ein konstantes magnetisches Feld 20, 21 aus. Beide Felder vereinigen. sich im mittleren
Kern 14.
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Bei der Ausgangsstellung (Fig. 1 oben) hat das Feld 20
maximale
Stärke, da in seinem Pfad zwei Bereiche 18 mit niedrigem magnetischem Widerstand
liegen. Das Feld 21 hat dagegen minimale Stärke, da in seinem Pfad ein Bereich 19
mit hohem magnetischem Widerstand liegt. In der um 90° gedrehten Stellung (Fig.
1 unten) sind die Verhältnisse umgekehrt; denn dort befindet sich im Bereich des
äußeren magnetischen Feldes ein Luftspalt, entsprechend dem Abstand der Ständerscheiben
1, 2, so daß dort der magnetische Widerstand- besonders hoch ist.
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Die von den Erregerwicklungen erzeugten Magnetflüsse sind mit den
Arbeitswicklungen gekoppelt, so daß in ihnen auf Grund der Flußänderungen durch
den sich laufend andernden Kopplungsgrad eine Spannung induziert wird.
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Unter Berücksichtigung der dargestellten Unterteilung des Läufers
in drei radiale Bereiche niedrigen @ magnetischen Widerstandes ist ein Wicklungsstrang
der Arbeitswicklung 11, 12 zwischen der äußeren und inneren Nut 5, 7; 6, 8 umspringend
angeordnet (Fig. 3).
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Hierdurch wird bei der dargestellten Ausgangsstellung des Scheibenläufers
erreicht, daß dC'E% erste Arbeitswic'klungsstrang mit maximalem und der zweite Arbeitswicklungsstrang
mit minimalem Fluß verkoppelt ist.
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Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel einer zur erzeugung
von Dreiphasen-Wechselstrom geeigneten Maschine entspricht prinzipiell der in Fig.
1 gezeigten Maschine. Einander entsprechende Teile sind daher mit denselben Bezugszeichen
gekennzeichnet. Jede Stinderscheibe 1, 2 dieses Ausführungsbeispiels besteht aus
vier Ringbandkernen 30 - 33. Jede Scheibe enthält eine Erregerwirkung 9, die koaxial
in eine Nut 35 zwischen zwei Ringbandkernen 31 32 untergebracht ist; sie
enthält
weiterhin drei zwischen zwei Nuten 34, 36 springend angeordnete Arbeitswicklungen
37, 38, 39 (Fig. 6). Um die in der mittleren Nut 35 befindliche Erregerwicklung
baut sich ein magnetisches Feld auf Der in Fig. 5 dargestelle,Scheibenläufer 45
besteht aus insgesamt neun Halbingkernen, von denen vier Ringe 40 vorzugsweise geblecht
sind. Diese vier Halbringkerne könnten allerdings auch aus anderem magnetisch.gut
leitenden Material bestehen, da der magnetische Fluß im Läufer konstant ist. Allerdings
sind die auf Grund der Sekundärwirkungen entstehenden Verliste bei geblechten Ringkernen
geringer. Die fünf restlichen Halbringkerne 41 sind aus einem magnetisch schlecht
leitenden Material wie zum Beispiel Leichtmetallguß oder Kunststoff hergestellt.
Die neun Halbringkerne werden mit Hilfe eines um ihren Umfang gelegten Halteringes
42 aneinander festgelegt.
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Wie bereits angedeutet, zeigt Fig. 6 die springende Unordnung der
Arbeitswicklungen zwischen der äußeren Nut 34 und der inneren Nut 36. Die Wicklung
des ersten Stranges beginnt in der Darstellung an der Mittelsenkrechten an der äußersten
Nut und springt nach 120 ° in die innere Nut um. Der Strang verläßt die Nut nach
weiteren 1200. Dci beiden anderen Stränge entsprechen in ihrer Anordnung dem ersten
Strang; sie sind jedoch um 12ovo bzw. 240 ° gegenüber diesem versetzte In diesem
Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine sind die beiden magnetischen Kreise
43, 44 voneinander getrennt. Je nach Stellung des Läufers schließen sich die magnetischen
Kreise. (Pf ade des maximalen FLusses);
von außen gesehen, entweder
über den ersten und drift ten Halbringkern des Laufers oder aber über den zwei ten
und vierten Halbringkern.
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Die Brücken 16, 17 an den Ständerscheiben 1, 2 können vorteilhafterweise
im Bereich der Erregerwicklung 9 aus massiven Ringen 46 bestehen. Hierdurch wird
die konstruktive Ausbildung der Brücken wesentlich vereinfacht.
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Zur Erhöhung der durch die Formgebung der Scheibenläufer ohnehin günstigen
Lüfterwirkung kann der Läufer 3 bzw. 45 eine zusätzliche Belüftungseinrichtung auf
weisen, die in besonders vorteilhafter Weise aus am Umfang des Scheibenläufers angeordneten
Lüfterflügein besteht.