DE19711750A1 - Klauenpolmaschine - Google Patents

Description

Klauenpolmaschinen sind Synchronmaschinen, bei denen man nur eine Polradspu­ le benötigt, um sämtliche Erregerpole elektrisch mit der für das Luftspaltfeld nötigen magnetischen Erregung zu versorgen. Sie sind vor allem für höhere Polpaarzahlen p geeignet, weil die andernfalls erforderliche Schenkelpolausführung zu wenig Platz für die Einzelpolspulen bietet.

Klauenpol-Synchronmaschinen sind bewährte Maschinen zur Stromerzeugung im Bereich kleiner Leistungen. Die einzige Erregerspule 1 erzeugt ein Magnetfeld in axialer Richtung 2, das sich auf die Klauenpole am Rotorumfang aufteilt und infolge der abwechselnd ineinandergreifenden Klauenpole im Luftspalt als Magnetfeld mit wechselnder Polarität erscheint (s. Fig. 1).

Aus der europäischen Patentschrift EP 0 394 528 B1 ist bekannt, zwecks Verhinde­ rung der magnetischen Streuung zwischen den Klauenpolfingern und den Polen des Klauenpolzahnrads tangential wirkende Dauermagnete anordnen, die das Luftspaltfeld der Erregerspulen bei entsprechender Auslegung noch unterstützen. Bei abgeschalteter elektrischer Erregung schließt sich das Dauermagnetfeld über Klauenpolzahnrad, Klauenpolfingersysteme und Erregerjoche magnetisch kurz, d. h. trotz Dauermagneterregung ist das Gesamt-Luftspaltfeld voll stellbar.

Bei höheren Leistungen ist die Klauenpolausführung jedoch problematisch, weil die magnetisch axial wirkende Erregerspule den gesamten Erregernutzfluß und den Streufluß aller p Rotorpole einer Klauenseite umfassen muß. Infolgedessen muß das durch die Erregerspule axial hindurchgehende zylindrische Erregerjoch einen durch die zumutbare magnetische Sättigung bedingten Mindestdurchmesser haben der den Raum für die Erregerspule radial stark einengt, es sei denn, man be­ schränkt sich auf axial kurze Statoren. Das hat dann hohe Polzahlen zur Folge, was bei gegebener Drehzahl die Ummagnetisierungsfrequenz hochtreibt. Diese verursacht höhere Verluste, besonders in den Eisenteilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Verluste herabzusetzen, ohne die mechanische Stabilität der Polanordnung zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Klauenpolanordnung,

Fig. 2 den Aufbau eines Klauenpols im Längsschnitt,

Fig. 3 den Aufbau eines Klauenpols im Querschnitt,

Fig. 4 die Anordnung von Permanentmagneten zwischen den Klauenpolen und

Fig. 5 die Klauenpolanordnung einer langgestreckten Maschine.

Das vom Strom in der Erregerspule 1 erzeugte Magnetfeld hat in der Spule selbst einen axialen Verlauf 2. Es geht dann an der Stirnseite 3, 3a der Spule über in ei­ nen radialen Verlauf 4, 4a und wird außen auf die Klauenpole 5, 5a aufgeteilt und dabei wiederum in axialer Richtung 6 in diese Klauenpole hineingeführt, von wo es radial 7 in den Luftspalt 8 übertritt. Durch den Ständer 9 hindurch verläuft es zum benachbarten Rotor-Klauenpol 5a entgegengesetzter Polarität und von dort über den Schenkel 3a analog zurück zum Kern 10 der Erregerspule 1. Wegen dieser mehrfachen Axial-Radial-Feldumlenkung sind die feldführenden Eisenteile des Pol­ rades, d. h. Spulenkern 10, Stirnscheiben 3, 3a und Klauenpole 5, 5a aus massivem Eisen hergestellt. Für das zeitlich allenfalls langsam veränderliche Erregerfeld ist dies kein Problem. Auf den Klauenpolmantelflächen 11 wird dieses Feld jedoch durch die Nutung des Stators schnell moduliert, so daß in den massiven Klauenpo­ len Wirbelstromverluste auftreten. Um diese zu begrenzen, macht man den Luftspalt 8 zwischen Polrad und Stator größer, als es von der Leistungsfähigkeit her gesehen wünschenswert wäre.

Erfindungsgemäß lassen sich diese durch die Feldpulsation im Luftspalt bedingten Eisenverluste in den massiven Klauenpolen deutlich reduzieren, wenn man die Klauenpole nur im Inneren, d. h. die Kerne, massiv ausführt und sie im Außenbe­ reich mit Blechen ausstattet. Fig. 2 und 3 zeigen dies im einzelnen in Längs- und Querschnitt eines Klauenpols 5. Dieser ist im schraffiertem Bereich massiv und wird an der Mantel- und den Seitenflächen von etwa U-förmigen Blechen 12 umfaßt, die schon vor der Befestigung auf dem Klauenpol als gestanzte Bleche zu einem Paket als Polabschluß zusammengefaßt werden können. Die Klauenpole weisen über ihre axiale Länge gleichmäßige Breite auf.

Die Bleche greifen krallenförmig um den massiven Klauenpolkern, so daß sie den Fliehkräften nicht folgen können. Sie können an den Enden 13 auch mit dem Klau­ enpolkern verschweißt werden. Zusätzlich werden die Bleche durch Träufeln oder Tränken nachträglich untereinander und mit dem Klauenpolkern verklebt.

In den entlang dem Umfang verlaufenden Blechabschnitt können eine oder mehre­ re Aussparungen 14 gestanzt werden. Dies erlaubt eine bessere Anpassung der Blech-Innenkontur an den Klauenpolen, ermöglicht aber vor allem eine Behinde­ rung des Ankerquerfeldes.

Mit der durch die Blechung des Klauenpol-Außenbereichs erreichten Wirbelstrom­ verlustminderung ist eine Verminderung des Luftspalts auf etwa die Hälfte möglich. Die Parallelflankigkeit der Klauenpole, die sonst meist etwa sinusförmig angespitzt ineinandergreifen, sorgt für eine Minderung der Eisenverluste im Ständer 9, weil der bei axial "angespitzten" Polen auftretende magnetische Axialfluß im Ständer vermieden wird. Der infolgedessen nichtsinusförmige Zeitverlauf der induzierten Spannung in der Ständerwicklung ist bei offener Schaltung der Wicklung und an­ schließender Gleichrichtung funktionell ein weiterer Vorteil. Hierdurch und durch den reduzierten Luftspalt erhöhen sich die Luftspaltfeld-Selbst- und -Gegenindukti­ vitäten und damit der gewünschte Generatorstrom. Der Wirkungsgrad steigt deut­ lich.

Man kann natürlich die äußere Mantelkontur des Blechpakets mittels des Stanzwerkzeugs auch so gestalten, daß sich ein "Sinus-Pol" ergibt, d. h. eine Luftspalterweiterung zu den tangentialen Polseiten hin mit der Folge sinusförmige­ rer Spannung.

Fig. 4 zeigt die Kombination obiger Merkmale mit einer unterstützenden Dauerma­ gneterregung mittels tangential wirkender Dauermagnete 15 zwischen den parallel­ flankigen Klauenpolen. Die Dauermagnete werden zwischen die Seitenflanken der U-Bleche 12 eingesteckt. Sie werden durch Klebung befestigt (etwa zusammen mit der Verklebung der Bleche). Die Dauermagnete werden in radialer Richtung durch die Nasen 16 gesichert. Die Dauermagnete hindern die seitlichen Enden der U- Bleche daran, sich infolge der Fliehkraft seitlich aufzubiegen. Wenn die gewünsch­ te Pollückenweite nicht mit der (tangentialen) Magnetdicke übereinstimmt, muß die äußere Blechkontur geeignet angepaßt werden. Vorzugsweise wird ein Absatz in der Kontur vorgesehen. Auch "Sinus-Pol"-Ausgestaltung ist möglich.

Ähnlich wie bei der üblichen Klauenpolausführung ist auch eine schleifringlose Ausführung mit stillstehenden Erregerspulen durchführbar. Dann müssen allerdings beide Klauenpolfingersysteme ihr Magnetfeld über ein stillstehendes ringzylinder­ artiges Leitstück und zwei zusätzliche Luftspalte zugeführt erhalten. In diesem Fall ist eine Unterstützung durch Dauermagnete der vorgenannten Art besonders wert­ voll.

Da bei höheren Leistungen, wie einleitend bereits erwähnt, die magnetisch axial wirkende Erregerspule den gesamten Erregernutzfluß und den Streufluß aller p Rotorpole einer Klauenseite umfaßt, muß das durch die Erregerspule axial hin­ durchgehende Erregerjoch einen durch die magnetische Sättigung bedingten Min­ destdurchmesser haben, der den Raum für die Erregerspule radial stark einengt, wenn man nicht zu einem größerem Rotordurchmesser übergeht.

Bei größerem Durchmesser wird eine höhere Polpaarzahl nötig. Dies führt bei ge­ gebener Drehzahl zu einer erhöhten Ummagnetisierungsfrequenz und höheren Verlusten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung läßt sich diese Problematik dadurch umgehen, daß man die Klauenpole anders erregt. Man läßt hierzu nicht mehr zwei ähnliche Klauenpolfingersysteme (eines liefert p Nordpole, das andere p Südpole) mit den Polfingern ineinandergreifen, so daß sie innerhalb der Bohrung des Sta­ torblechpakets in Umfangsrichtung abwechselnd Nord- und Südpole bilden, son­ dern man ordnet axial in der Ebene des Statorblechpakets 9 ein Klauenpolzahnrad 5 mit p Polzähnen an, in dessen Lücken axial von beiden Seiten je ein Klauenpol­ fingersystem 3, 3a mit p/2 Fingern abwechselnd hineingreift. Die entsprechende An­ ordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Auf den axialen Stirnseiten des p/2 Klauenpolzahn­ rads sind Erregerspulen 1, 1a vorzusehen, deren Erregerjoch 18, 18a nur den Fluß von den p/2 Polen des daneben anschließenden Klauenpolfingersystems zu führen hat. Infolgedessen kann man die Blechpaket-Länge des Stators bei vorgegebenem Durchmesser deutlich vergrößern, woraus sich vorteilhafte Konsequenzen für den für eine gewünschte Leistung erforderlichen radialen Bauraum und die Ummagne­ tisierungsverluste ergeben. Die magnetischen Erregungen der Spulen wirken ge­ geneinander, so daß das in der Mitte liegende Klauenpolzahlrad p Nordpole aufweist und die beiden Klauenpolfingersysteme zusammen p Südpole in den Lücken des Klauenpolzahnrads 5 liefern.

Wichtig ist, daß die magnetischen Widerstände in den äußeren Jochen der Klau­ enpole 3, 3a sich nicht zu sehr von denen im Klauenpolzahnrad 5 unterscheiden.

Dieses Prinzip der axialen Flußaufteilung kann auf mehr als zwei nebeneinander­ liegende Einheiten, die auf der gleichen Achse sitzen, erweitert werden.

Das Klauenpolrad läuft in Lagern 17, 17a wobei die Lagerschilde 19, 19a das Sta­ torblechpaket 9 stützen. Zur Stromzuführung sind die üblichen Schleifringe 20 vor­ gesehen.

Claims (9)

1. Klauenpolmaschine mit einem Stator und einem Rotor und einer auf einen massiven Kern im Rotor gewickelte Erregerspule (1), wobei sich der massive Kern in zwei Klauenpolsternen (5, 5a) in radialer Richtung fortsetzt, die in axial sich abwechselnd von zwei Seiten ausgehenden Klauenpolfingern en­ den, dadurch gekennzeichnet, daß auf den massiven, radial nach außen gekehrten Teilen der Klauenpol­ finger U-förmige Bleche aufgebracht sind, wobei die Bleche in axialer Rich­ tung aufeinander geschichtet sind, um Wirbelströme zu verhindern.

2. Klauenpolmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gestanzten Bleche die tangentialen Seitenflächen der Polfinger keilförmig umgreifen, so daß sie den Fliehkräften nicht folgen können.

3. Klauenpolmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (12) an den Enden (13) mit dem Klauenpolkern verschweißt sind.

4. Klauenpolmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (12) untereinander und mit dem Klauenpolkern (5) verklebt sind.

5. Klauenpolmaschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Bleche (12) eine Aussparung (14) gestanzt ist.

6. Klauenpolmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zum Eisen des Ständers (9) konstante Weite aufweist.

7. Klauenpolmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt von den Klauenpolen zum Ständer (9) so gestaltet ist, daß sich ein Sinus-Pol ergibt.

8. Klauenpolmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß tangential wirkende Dauermagnete mechanisch als Sicherung gegen das Aufbiegen der U-Blech-Schenkel dienen.

9. Klauenpolmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung axial in magnetisch gegeneinander wirkender Wei­ se aufgeteilt ist, daß zwischen den Erregerwicklungen ein Polzahnrad mit p Polzähnen gleicher Polarität vorhanden ist und an den äußeren Enden mit je einem Klauenpolrad mit entweder p/2 Klauenfingern mit ganzer magnetisch aktiver Länge oder p Klauenfingern mit halber magnetischer Länge ausge­ stattet ist, die sämtlich gleiche Polarität aufweisen.