DE19820475A1 - Elektrische Maschine mit einem spulenerregten Läufer - Google Patents

Abstract

Um bei einer einen spulenerregten Läufer (2) mit ausgeprägten Polen (3) umfassenden elektrischen Maschine einerseits die wirksame Kühlfläche (14) der Spulen (9) zu vergrößern, und andererseits den für die Spulenbewicklung erforderlichen Materialeinsatz besonders gering zu halten, wird ein Läufer (2) vorgeschlagen, dessen Magnetkreis (1) jeweils zwischen zwei Polen (3) eine um das Joch (4) gewickelte Spule (9) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und mit einem in diesem angeordneten rotierenden Läu­ fer, welcher eine Anzahl von ausgeprägten Polen und elektri­ schen Spulen zur Erzeugung von zwischen dem Läufer und dem Ständer wirkenden Magnetfeldwirbeln aufweist.

Die Maschine ist insbesondere zum Einsatz mit einer hochpoli­ gen Läuferanordnung geeignet. Eine solche wird üblicherweise in einem mit niedriger Umfangsgeschwindigkeit betriebenen Ge­ nerator, z. B. bei einer Windkraftanlage, eingesetzt.

Aus Bödefeld/Sequenz: Elektrische Maschinen, 1971 (Springer), S. 373-395, ist eine derartige, dort als Schenkelpolmaschine bezeichnete elektrische Maschine bekannt. Bei der bekannten Maschine sind die Spulen jeweils um den radial nach außen ra­ genden Polschaft der Pole gewickelt. Eine solche, im folgen­ den als Polspule bezeichnete Spule weist eine gegenüber ihrem Spulenquerschnitt vergleichsweise geringe Spulenlänge auf. Um bei einer Polspule eine genügend große Windungszahl zu errei­ chen, muß die Wicklung der Spule deshalb in einer vergleichs­ weise hohen Anzahl von übereinanderliegenden Wicklungslagen erfolgen. Daraus ergibt sich ein Wicklungsquerschnitt, dessen radiale Breite in der gleichen Größenordnung wie die Spulen­ länge liegt. Ein Großteil der Windungen liegt also im Inneren des Wicklungspakets und kann daher nicht effektiv gekühlt werden. Infolge der kleinen wirksamen Kühlfläche an der Au­ ßenseite der Wicklung treten hohe Läuferspulentemperaturen auf, die die Funktion und die Lebensdauer der Maschine in un­ nötiger Weise beeinträchtigen.

Ein weiterer Nachteil der bekannten elektrischen Maschine ist der für die Spulenbewicklung erforderliche hohe Materialein­ satz. Dieser beruht auf dem vergleichsweise großen Quer­ schnitt der Polspule, der eine entsprechend große Drahtlänge pro Windung erfordert. Zudem vergrößert sich die durch­ schnittlich pro Windung erforderliche Drahtlänge mit der An­ zahl der Wicklungslagen, da eine außengelegene Wicklungslage eine gegenüber dem Spulenquerschnitt vergrößerte Fläche auf­ spannt. Zumal die Anzahl der Spulen der Anzahl der Pole ent­ spricht, trägt insbesondere bei einer hochpoligen Läuferan­ ordnung das für die Spulen eingesetzte Material in entschei­ dendem Maße zur gesamten Masse des Läufers bei. Ein hoher Ma­ terialeinsatz für die Spulenbewicklung führt also zu einem schweren und damit verlustreichen Läufer. Des weiteren führt ein hoher Materialaufwand für eine Spulenbewicklung auch zu hohen Herstellungskosten für die elektrische Maschine.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektri­ sche Maschine mit einem ausgeprägte Pole aufweisenden Läufer anzugeben, bei der der Materialeinsatz für die Läuferspulen besonders gering ist. Außerdem soll die wirksame Kühlfläche jeder Spule besonders groß sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach wird jede Spule jeweils zwischen zwei Pole als Jochspule um das Joch des Läufers gewickelt.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß eine ei­ nen Magnetfeldwirbel erzeugende Leiterschleife oder Spule an einer beliebigen Stelle entlang des Magnetfeldwirbels ange­ ordnet sein kann. Erkanntermaßen ist eine Spule mit einem großen Spulenquerschnitt und einer demgegenüber geringen Länge ungünstig hinsichtlich der zur Wicklung der Spule benö­ tigte Materialmenge sowie hinsichtlich der wirksamen Kühlflä­ che an der Außenseite der Spule. Zu bevorzugen wäre vielmehr eine dünne und lange Spule, die bei gleicher Windungszahl mit vergleichsweise geringem Materialaufwand herstellbar ist und die eine große wirksame Kühlfläche aufweist. Da, verglichen mit einem Pol, der zwischen zwei Polen liegende Bereich des Joches eine im Vergleich zur Polschafthöhe große Jochbreite sowie weiterhin im Vergleich zum Polschaft eine vergleichs­ weise geringe Querschnittsfläche aufweist, entsteht bei einer Wicklung einer Spule um diesen Jochbereich eine im Vergleich zu einer Polspule dünne und lange Spule.

Vorzugsweise erstreckt sich dabei eine Spule jeweils über die gesamte isolierte Jochbreite. Darunter wird die zwischen zwei Polen freigelassene Strecke entlang des Jochs abzüglich der von einer Spulenisolierung eingenommenen Strecke verstanden. Auf diese Weise entsteht eine besonders lange Spule. Die An­ zahl der übereinanderliegenden Wicklungslagen wird somit be­ sonders gering gehalten. Dies ermöglicht eine effektive Küh­ lung der Spule. Außerdem wird die durchschnittliche Windungs­ länge auf diese Weise besonders klein gehalten. Besonders gute Kühleigenschaften ergeben sich, wenn die Spulenlänge die Wicklungsbreite übersteigt.

Vorteilhafterweise ist der Polschaft jedes Pols mit einer konvexen Stirnfläche versehen. Auf diese Weise wird in dem zwischen einem Pol und der Innenfläche des Ständers gebilde­ ten Luftspalt eine besonders günstige Induktionsverteilung erzielt. Dadurch wird wiederum die Einkopplung des Magnet­ feldwirbels vom Pol in den darüberliegenden Bereich des Stän­ ders begünstigt. Gemäß dem Stand der Technik nach Böde­ feld/Sequenz sind zu diesem Zweck auf dem Polschaft ange­ brachte Poldächer vorgesehen, die über die Stirnfläche des Polschaftes hinausragen und dadurch gleichzeitig die Polspule am Polschaft halten. Kostensparenderweise kann ein solches Poldach nunmehr entfallen. Die an den Ständer angepaßte Form des Poldaches kann vielmehr direkt auf den Polschaft aufge­ bracht werden. Der Polschaft weist dabei bevorzugt eine kon­ stante Querschnittsfläche auf. Diese ist fertigungstechnisch besonders einfach herzustellen und erleichtert das Einbringen der Spule auf das Joch.

Vorzugsweise ist der die Pole tragende Läufermagnetkreis als geschlossener Ring aufgeführt. Dies gewährleistet eine hohe Stabilität des Läufers. Alternativ dazu kann der Läuferma­ gnetkreis auch aus einzelnen Kreissegmenten zusammengesetzt sein. Zwei benachbarte Segmente stoßen dabei jeweils in einem Pol aufeinander. Insbesondere bei Großanlagen ist ein aus Segmenten zusammengesetzter Läufermagnetkreis vergleichsweise einfach zu realisieren.

Zweckmäßigerweise sind die Spulen als direkt bewickelte Spu­ len ausgeführt.

Aufgrund der hohen Anzahl der benötigten Spulen ist die Ver­ wendung von Jochspulen infolge der sich addierenden Materi­ aleinsparung besonders vorteilhaft bei einer hochpoligen An­ ordnung. Die Anzahl der auf einem Läufer vorgesehenen Pole beträgt z. B. zwischen 30 und 60.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine Teilansicht eines mit Jochspulen bewickelten Läufers einer elektrischen Maschine,

Fig. 2 einen schematisch vereinfachten Querschnitt durch ei­ nen Läufer gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Schema gemäß Fig. 2 mit einer Darstellung der Spu­ lengeometrie und

Fig. 4 eine Teilansicht eines hochpoligen Läufers in einer Draufsicht entlang der Läuferachse.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Teilansicht des Magnetkreises 1 eines Läu­ fers 2 mit ausgeprägten Polen 3. Die Pole 3 sind verteilt über den Umfang eines hohlzylindrischen Jochs 4 angeordnet, welches eine Läuferachse 5 koaxial umgibt. Jeder Pol 3 ist mit seinem annähernd quaderförmigen Polschaft 6 auf die Man­ telfläche 7 des Jochs 4 aufgesetzt. Dabei sind die sich in Umfangsrichtung erstreckende Breite A des Polschafts 6 sowie die sich parallel zur Läuferachse 5 erstreckende Länge C des Polschafts 6 groß gegenüber der radialen Polschafthöhe D. Die Länge C des Polschafts 6 ist identisch mit der Länge C des Jochs 4, so daß das Joch 4 mit jedem Pol 3 eine gemeinsame Stirnfläche 8 ausbildet. Die zwischen zwei benachbarten Po­ len 3 in Umfangsrichtung freigelassene Strecke des Jochs 4 entspricht der Jochbreite E. Diese Jochbreite E ist wiederum groß gegenüber der radialen Jochhöhe B. Als Querschnittsflä­ che des Polschafts 6 wird die von der Breite A und der Länge C aufgespannte Fläche bezeichnet, während die Quer­ schnittsfläche des Jochs 4 durch die Länge C und die Joch­ höhe B bestimmt ist. Jeder zwischen zwei Polen 3 liegende Be­ reich des Jochs 4 mit der Jochbreite E ist dabei mit einer Spule 9 umwickelt.

Das magnetische Zusammenwirken eines Läufers 2 mit einem den Läufer 2 koaxial umgebenden Ständer 10 ist in Fig. 2 schema­ tisch veranschaulicht. In dieser schematischen Darstellung ist die kreisförmige Geometrie sowohl des Läufers 2 als auch des Ständers 10 vernachlässigt. Weiterhin sind die Spulen 9 schematisch als Leiterschleifen dargestellt und entsprechend der Richtung des durch die Spulen 9 fließenden Stroms gekenn­ zeichnet.

Die um das Joch 4 gewickelten Spulen 9 (Jochspulen) weisen einen alternierenden Windungssinn auf. Auf diese Weise werden Magnetfeldwirbel H erzeugt. Die Feldlinien jedes Magnetfeld­ wirbels H treten dabei in einem Pol 3 vom Läufer 2 in den Ständer 10 und von dort über einen benachbarten Pol 3 wie­ derum in den Läufer 2 über. Um eine günstige Induktionsver­ teilung im Luftspalt 11 zwischen einem Pol 3 und dem Stän­ der 10 zu erreichen, ist die Stirnfläche 12 jedes Pols 3 mit einer konvexen Wölbung versehen.

Gemäß Fig. 3 weisen die von einer Isolierung 13 gegen den Läu­ fer 2 elektrisch abgeschirmten Spulen 9 eine vergleichsweise langgestreckte Spulengeometrie auf. Dabei ist das Verhältnis der Spulenlänge L zum Spulenquerschnitt M besonders groß. Un­ ter dem Spulenquerschnitt M wird hierbei der Querschnitt der Durchführung der Spule 9 verstanden. Der Wicklungsquer­ schnitt N weist annähernd die Form eines von der Spulen­ länge L und der Wicklungsbreite O aufgespannten Rechtecks auf, wobei die Spulenlänge L die Wicklungsbreite O über­ steigt.

Der Vorteil der Spule 9 gegenüber einer gemäß Böde­ feld/Sequenz um den Polschaft 6 gewickelten Polspule liegt insbesondere darin, daß die Jochhöhe B etwa halb so groß wie die Polschaftbreite A ist. Die für eine Windung benötigte Drahtlänge ist bei der Spule 9 somit um den Betrag der Pol­ schaftbreite A kleiner als bei einer Polspule. Da die Spulen­ länge L der Spule 9 durch die gegenüber der Jochschafthöhe B vergleichsweise große Jochbreite E bestimmt ist, weist die Spule 9 eine vergleichsweise große wirksame Kühlfläche 14 auf, die in Kontakt mit einem Kühlluftstrom 15 steht.

Gemäß Fig. 4 ist der Magnetkreis 1 mittels zwei zueinander parallel liegenden Tragsternen 16 an einer um die Läu­ ferachse 5 rotierenden Läuferwelle 17 angebracht. Die beiden Tragsterne 16 sind dabei in Umfangsrichtung versetzt zuein­ ander angeordnet. Dabei erfolgt die mechanische Ankopplung des Magnetkreises 1 an die Tragsterne 16 stets im Bereich ei­ nes Pols 3. Jeder Tragstern 16 ist wiederum mittels eines Flansches 18 an der Läuferwelle 17 angebracht.

Claims (9)

1. Elektrische Maschine mit einem Ständer (10) und mit einem in diesem angeordneten rotierenden Läufer (2), welcher mit einer Anzahl von ausgeprägten Polen (3) und elektrischen Spu­ len (9) zur Erzeugung von zwischen dem Läufer (2) und dem Ständer (10) wirkenden Magnetfeldwirbeln (H) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (9) zwischen zwei benachbarten Polen (3) um das Joch (4) des Läufers (2) gewickelt ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Spule (9) jeweils über die gesamte isolierte Jochbreite (E) erstreckt.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spu­ lenlänge (L) jeder Spule (9) die Wicklungsbreite (O) über­ steigt.

4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirn­ fläche (12) des Polschafts (6) jedes Pols (3) eine konvex ge­ wölbte Form aufweist.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pol (3) eine konstante Querschnittsfläche (A, C) aufweist.

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen als geschlos­ senen Ring ausgeführten Läufermagnetkreis (1).

7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen aus Ringseg­ menten zusammengesetzten Läufermagnetkreis (1), wobei benach­ barte Ringsegmente jeweils im Bereich eines Pols (3) aneinan­ dergrenzen.

8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spu­ le (9) als direkt bewickelte Spule ausgeführt ist.

9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Pole (3) zwischen 30 und 60 beträgt.