DE1927795A1 - Dynamo-elektrische Maschine mit einem permanent-magnetischen Stator - Google Patents

Description

Dynamo-elektrische Maschine mit einem permanent-magnetischen

Stator

Die Erfindung bezieht sich auf dynamo-elektrische Maschinen und insbesondere auf permanent-magnetisehe dynamo-elektrische Gleichstrommaschinen.

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Es ist allgemein bekannt, daß die Ausgangsleistung einer dynamoelektrischen Maschine dem Fluß proportional ist, der durch eine Flußquelle in der Maschine erzeugt wird. In einem elektrischen Motor z.B. variiert die Geschwindigkeit umgekehrt zur Amplitude des Flusses, der durch die Feldelemente des Motors erzeugt wird und das Ausgangsdrehmoment variiert direkt zur Änderung der Amplitude des Flusses. Ein Absinken des Flusses, der durch die Feldelemente erzeugt wird, hat zur Folge, daß Motoren mit Permanentmagneten mit einer größeren Geschwindigkeit als vorgesehen, laufen und die Ankerleitungen oder die rotierenden Teile eines belasteten Motors müssen mit einem höheren Strom erregt werden, um ein vorgegebenes Ausgangsdrehmoment zu erzeugen, als im anderen Falle notwendig sein würde.

Portschritte in der Metallurgie der permanent-magnetischen ! Materialien führten zu einer zunehmenden Verwendung von Permanentmagneten als Flußquellen in den Statoren industrieller dynamo-elektrischer Maschinen. Maschinen mit Permanentmagneten werden oftmals bevorzugt, da durch die Verwendung der Permanentmagnete keine ununterbrochene Energiezufuhr zur Erregung der Feldspulen notwendig ist, wie bei elektromagnetischen Maschinen und darüber hinaus wird durch die Verwendung der Permanentmagnete als Flußquellen erreicht, daß kein möglicherfc weise gefährlicher unmittelbarer Flußverlust auftritt, der entstehen kann, wenn die Felderregung in einer elektro-magnetischen Maschine ausfällt.

Trotz der Vorteile, die durch die Verwendung von Permanentmagneten als Flußquellen von dynamo-elektrischen Maschinen gewonnen werden können, war die Verwendung ganz auf industrielle Maschinen begrenzt. Einer der Gründe für diese begrenzte Anwendung besteht darin, daß die Stärke des Permanentmagneten nach einer gewissen Benutzungszeit abnimmt. Wie bereits oben ausgeführt wurde, neigt die Ausgangsleistung dieser Maschinen unter Belastung dazu, sich bei abnehmender Stärke des permanentmagnetischen Flusses zu verringern. Permanentmagnetmotoren r müssen dann übererregt werden, um ein vorgegebenes Ausgangsdrehmoment zu erzeugen, die dann dazu neigen, mit höheren Geschwindigkeiten zu laufen, während Permanentmagnetgeneratoren dann bei höheren Geschwindigkeiten laufen massen, um eine ^!" vorgegebene Ausgangsleistung zu erzeugen.

- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine dynamoelektrische Maschine zu schaffen, die einen Aufbau besitzt, der die Tendenz des permanent-magnetischen Flusses während der Benutzung in der Stärke abzunehmen, verhindert. -

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Vorteile eines Aufbaues anzuwenden, der normalerweise bei industriellen permanent-magnet!sehen dynamo-elektrischen Maschinen zur

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Verhlnderung der Entmagnetisierung des Pepmanentmagneten, der In den Statoren dieser Maschinen verwendet wird, vorliegt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besitzt eine dynamoelektrische Gleichstrommaschine ein Joch, einerJRotor und mehrere Hauptpolelemente3 die in dem Joch befestigt sind, wobei jedes Hauptpolelement eine Achse besitzt, die sich radial zum Rotor erstreckt. Jedes der Hauptpolelemente umfaßt eine permanent-magnetisehe Flußquelle für die dynamo-elektrische Maschine und besitzt einen kurzgeschlossenen elektrischen Leiter in dem Flußpfad, der dazu neigt, die Magnete zu entmagnetisieren. Die kurzgeschlossenen Leiter können beispielsweise aus einer elektrischen Spule bestehen, die in axialer Richtung um mindesten» einen der Hauptpolelemente gewickelt, ist und deren Enden kurzgeschlossen sind, so daß durch ein oder ,mehrere Drahtwindungen Strom fließen kann. Der kurzzeitige Fluß, der dazu neigt, die Permanentmagnete der Hauptpole zu entmagnetisieren, fließt durch die Spule in eine Richtung, die in der Spule ein magnetisches Feld erzeugt, das dem kurzzeitigen entmagnetisierenden Fluß entgegengerichtet ist, wodurch die Entmagnetisierung der Permanentmagnete abnimmt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Spule eine getrennte Spule von prahtwindungen, die um jeden der .Permanentmagnete gewickelt 1st, die auch dazu verwendet wird, die Permanentmagnete nach einer langen Benutzungsdauer zu remagnetisieren oder die Permanentmagnete zu entmagnetisieren, wenn die dynamo-elektrische Maschine auseinander genommen werden soll.

Die,Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung.1st ein teilweise schematisches Diagramm des magnetischen Kreises einer dynamo-elektrlschen Maschine mit den...Merkmalen derErfindung wiedergegeben, bei der ein Rotor .der dyn^mo-elektrischen Maschine in einem Stator 12 befestigt ist. Zum ,Zwecke der Beschreibung sei angenommen₃ daß die dar-

gestellte Maschine ein Gleichstrommotor mit einem Permanent-' magneten ist. Der Rotor 10 wird in herkömmlicher Weise aus einem magnetisch permeablen Material hergestellt, der eine Anzahl Rotorschlitze 11 besitzt, in denen die Ankerleiter befestigt sind.

Der Stator 12 selbst besitzt ein Joch 14 und mehrere Hauptpolelemente, die auf der Innenseite des Joches 14 befestigt sind und von denen zwei als Hauptpolelemente 16 und 18 dargestellt fc sind. Das Joch 14 wird normalerweise aus einem magnetisch permeablen Material, wie beispielsweise ein ferro-magnetisches Material, hergestellt.

Die Hauptpolelemente 16 und 18 besitzen grundsätzlich permanentmagnetische Flußquellen 20 und entsprechend 22, von denen jede ein oder mehrere Permanentmagnete hat, die eine Achse besitzen, welche sich vom Joch 14 radial nach innen erstrecken. Die Hauptpolelemente 16 und 18 umfassen auch Polschuhe 24 und 26, die zwischen den Permanentmagneten und dem Rotor 10 angeordnet sind, um den magnetischen Fluß zum Rotor 10 zu verteilen. Die Struktur der Hauptpolelemente l6 und 18 wird durch Ausgleichsstücke 28 (shims) vervollständigt, die aus magnetisch-permeab- W lein Material bestehen und die zwischen dem Permanentmagneten 20 und 22 und dem Joch I¹I eingesetzt sind. Bolzen 30, die mit einem Ende in eine Gewindebohrung (nicht dargestellt) in den Polschuhen 24 und 26 eingesetzt sind, dienen dazu, die Hauptpolelemente l6 und 18 mit dem Joch 14 zu befestigen.

Gemäß der Erfindung befindet sich ein kurzgeschlossener elektrischer Leiter in dem magnetischen Fluß, der dazu neigt, die Permanentmagnete zu entmagnetisieren. Als Beispiel sind elektrische Spulen 32 und 34, von denen jede mindestens eine Windung eines elektrischen Leiters besitzt, die in axialer Richtung um die Permanentmagnete 20 und 22 der Hauptpolelemente l6 und 18 gewiekelt. Die Enden jeder Spule sind miteinander

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verbunden, so daß die Spulen Drahtkurzschlußwindungen bilden, in denen ein Stromfluß den kurzzeitigen Fluß, der in^tm^oi&r^' induziert wird. Dieser kurzzeitige Fluß wird als Hauptursache der Entmagnetisierung der Permanentmagnete 20 und 22 während des Betriebes des Motors angesehen. Wie weiter unten näher erläutert wird, erzeugen die induzierten Strömen selbst einen Fluß, der dem Fluß,der tatsächlich den StromrBewirkt, nämlich der entmagnetisierende Fluß, entgegengerichtet ist, wodurch die Entmagnetisierung der Permanentmagnete verhindert wird.

Man nimmt an, daß eine Anzahl der kurzzeitig vorkommenden Flußarten, wie beispielsweise wellige Schlitzflüsse, wellige Gleichrichterflüsse und Querflüsse, die Ursache für'die Entmagnetisierung der Permanentmagnete in der permanent-magnetischen Maschine sind. Der wellige Schlitzfuß besteht aus einem pulsierenden Magnetfluß, der von dem Hauptpol 16 über den Anker 10 zum Hauptpol 18 fließt. Während des Betriebes des Motors, bei dem der Anker 10 in eine Richtung rotiert, die durch den Pfeil 36 angedeutet ist, rotieren die Ankerschlitze 11 an den Hauptpolelementen l6 und 18 des Motors vorbei. Da die Schlitze normalerweise elektrische Leiter tragen, die aus einem geeigneten leitenden Material, wie z.B. Kupfer oder Aluminium, bestehen,- während die übrigen Teile des Ankers und des Ankerkerns normalerweise aus ferro-magnetischem Material bestehen, kommen Schwankungen in der magnetischen Permeabilltäit des Flußpfades zwischen den Hauptpölelementen 16 und 18 vor. Diese Schwankungen der magnetischen Permeabilität verursachen den durchgehenden welligen Schlitzfuß, der dazu neigt, die permanent-magnetisehe Flußquelle zu entmagnetisieren.

Da ferner der Strom, der durch den Leiter fließt, welcher sich in den Schlitzen 11 befindet, wegen der Belastung und Entlastung des Motors von Übergangsströmen überlagert wird, kommen auch in dem Querfluß, der durch den Stromfluß durch die Leiter erzeugt wird, entsprechende Flüsse vor. Dieser kurzzeitige Querfluß ist den Übergangsströmen, die in dem elektrischen

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Strom vorkommen, angenähert proportional. Der Fluß wird in einer Richtung erzeugt, die dem magnetischen Fluß entgegengesetzt ist, der durch die Permanentmagnete 20 und 22 hervorgerufen wird, der dazu neigt, diese Magnete zu entmagnetisieren.

Dort wo Gleichrichter verwendet werden, um einen Wechselstrom in einen Gleichstrom zur Verwendung im Anker des Motors gleichzurichten, stellte die wellige Gleichrichterkomponente des sich ergebenden Gleichstromes eine weitere Quelle eines Flusses, der im Motor erzeugt wird, dar. Der wellige Strom erzeugt eine ^ vergleichbare Welligkeit in dem magnetischen Fluß, der durch den Strom erzeugt wird, welcher durch die rotierenden Ankerwicklungen fließt, wodurch die Magnetisierungsgröße des Permanentmagneten beeinflußt wird. Es wurde festgestellt, daß das wiederholte Vorkommen der kurzzeitigen welligen Schlitzflüsse, Querflüsse und welligen Verstärkerflüsse die Permanentmagnete in den Statoren der dynamo-elektrischen Maschine entmagnetisieren.

Ein kurzzeitiger entmagnetisierender Fluß bewirkt in der Spule 32j die um den Permanentmagneten 20 gewickelt ist, einen Stromfluß in eine Richtung, die durch den Pfeil 38 angedeutet ist. Die Anwendung der bekannten "Rechten Hand Regel" zeigt, daß " der Fluß, der durch den Strom erzeugt wird, welcher durch die Spule 32 fließt, um die Leiter dieser Spule im Uhrzeigersinn kreist, wie in der Zeichnung dargestellt ist. Dieser Fluß ist dem kurzzeitigen Fluß entgegengerichtet, der den Stromfluß in der Spule 32 erzeugt, wodurch die Entmagnetisierung des Permanentmagneten 20 verhindert wird.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Spule 32 nicht nur zum Zwecke der Verhinderung der Entmagnetisierung des Permanentmagneten verwendet werden, sondern auch für die Remagnetisierung des Magneten, nach einer langen Benutzungszeit und für eine vollständige Entmagnetisierung des Permanentmagneten, wenn der Motor auseinandergenommen wird. ,

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Während der Motor betrieben wird,, kann ein Anschlußpaar 40 und 42 auf der Spule 32 kurzgeschlossen werden, beispielsweise mit Hilfe einer Nut und einem Bolzen, um eine kurzgeschlossene Spule herzustellen, die gemäß der Erfindung verwendet wird. Ein ähnliches Anschlußpaar 41 und 43 der Spule 34 kann auch zusammengeschlossen werden, um diese Spule kurzzuschließen.

Wenn es nach einiger Zeit erforderlich ist, die Permanentmagnete zu remagnetisieren oder zu entmagnetisieren, um sie auseinander zu nehmen, werden die Anschlüsse voneinander getrennt und werden in einer Position mit einer Gleichstromleitung beaufschlagt, die durch die Anschlüsse. 40' und 42' angedeutet 1st. Die Spulen, die zur Magnetisierung oder Entmagnetisierung: von Permanentmagneten in dieser Weise verwendet werden, besitzen eine große Anzahl von Windungen. Es ist jedoch augenscheinlich, daß eine Spule, die eine oder eine geringe Anzahl Windungen aus einem Material mit einem geringen Leitungswiderstand besitzt, verwendet werden kann, um die Entmagnetisierung von Permanentmagneten während des Betriebes einer permanentmagnetischen dynamo-elektrischen Gleichstrommaschine gemäß der Erfindung zu verhindern.

Der Motor, der in der Figur dargestellt 1st, besitzt einen Kommutatorpol 44, der zwischen den Hauptpolelementen 16 undl8 befestigt ist. Die dynamo-elektrische Maschine gemäß der Erfindung kann jedoch mit oder ohne Kommutatorpole hergestellt werden.

Diese Erfindung ist nicht auf das bevorzugte Äusführungsbeispiel gemäß der Figur begrenzt. So kann z.B. eine Kurzschlußwindung in dem Pfad des entmagnetisierenden Flusses in irgendeiner Weise untergebracht werden. Die Kurzschlußwindung kann aus einem plattierten Streifen rund um die Polschuhe-hergestellt werden oder in dem eine feste Platte eines elektrisch-leitfähigen Materials, wie z.B. Kupfer oder Aluminium, zwischen..den ..Polschuhen und den Magneten befestigt wird. Eine andere Alternative

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besteht darin, daß eine Kurzschlußwindung aus leitfähigem Material um die Polschuhe angebracht wird. ■';

Selbst die Struktur der dynamo-elektrischen Maschine kann von der gezeigten abgewandelt werden. Zum Beispiel können entweder die Shims zwischen den Permanentmagneten und dem Joch oder die Polschuhe oder beide fortgelassen werden. Die Pole selbst können auf dem Joch in irgendeiner herkömmlichen Art befestigt werden.

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Claims (4)

1. Ansprüche

   ζΤΛ Dynamo-elektrische Gleichstrommaschine, bestehend aus einem Joch, einem Rotor und mehreren Hauptpolelementen, die auf der Innenseite des Jochs angeordnet sind und die eine Achse besitzen, die sich vom Rotor aus radial erstreckt und wobei jedes Hauptpolelement Permanentmagnete als Flußquelle für die dynamoelektrische Maschine aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Spule für mindestens ein Polelement vorgesehen ist, die mindestens eine Windung eines elektrischen Leiters besitzt und die in axialer Richtung um ein entsprechendes Hauptpolelement gewickelt ist, wobei die Spulenenden miteinander verbunden sind, um eine kurzgeschlossene Spule zu bilden, in der ein Strom entsprechend eines kurzzeitigen Flusses, der zur Entmagnetisierung des Permanentmagneten der entsprechenden Hauptpolelemente neigt, in eine Richtung fließt, die bewirkt, daß dieser Strom ein Magnetfeld erzeugt, das dem kurzzeitigen entmagnetisierenden Fluß entgegengerichtet ist, wodurch die Entmagnetisierung der Permanentmagnete verhindert wird,
2. 2. Dynamo-elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Spule eine Spule mit mehreren Windungen enthält, die ebenfalls dazu verwendet werden kann, die Permanentmagnete zu remagnetisieren und/oder zu entmagnetisieren.
3. 3. Dynamo-elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Spule eine Spule mit mehreren Windungen enthält und daß diese Spule um jeden Hauptpol gewickelt ist.
4. 4. Dynamo-elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t, daß die kurzgeschlossene Spule eine getrennte elektrische Spule besitzt, die in axialer Richtung um mindestens einen der Hauptpole gewickelt ist.

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   5- Dynamo-elektrische Maschine nach Anspruch U₃ dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Spulen um jeden Hauptpol gewickelt sind und daß jede elektrische Spule mehrere Windungen besitzt, deren Enden zusammen verbunden sind.

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