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Permanentmagneterregte elektrische Maschine Die Erfindung bezieht
sich auf elektrische Maschinen, die mittels im Läufer angeordneter Permanentmagnete
erregt sind. Maschinen dieser Art sind insbesondere als bürstenlose Synchrongeneratoren
und -motoren von Bedeutung und weisen infolge des wicklungslosen Läufers fertigungs--
und betriebstechnische Vorteile auf. Ein Nachteil ist jedoch dadurch gegeben, daß
man bei den üblichen Ausführungen im Gegensatz zu elektrisch erregten Maschinen
nicht die Möglichkeit hat, die Erregerdurchflutung und damit das Hauptfeld der Maschine
von außen zu beeinflussen.
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Zur Beeinflussung des im Läufer permanent erregten Magnetflusses wurde
daher bereits vorgeschlagen (P 1 488 353.5-32), parallel zu den Magneten ruhende
gesteuerte magnetische Nebenschlußpfade anzuordnen. Je nach Größe und Richtung der
Steuerdurchflutung wird dem Permanentmagnetfluß ein beliebig veränderbarer Teilfluß
entzogen bzw. hinzugefügt und damit der den Ständer durchsetzende Nutzfluß geschwächt
bzw. verstärkt.
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Ein anderer Vorschlag (US Patentschrift 2 564 320) geht dahin, den
magnetischen Nutzfluß durch Vormagnetisierung des Ständerjoches mittels einer gleichstromdurchflossenen
Ringwicklung veränderbar zu machen. Wenn dabei auch die Steuerwicklung teilweise
mit der Arbeitswicklung vereinigt werden kann, so ist eine Ringwicklung um das Ständerjoch
sehr aufwendig, kommt fertigungstechnisch teuer und hat hohen Kupferbedarf sowie
relativ hohe Steuerleistung zur Folge.
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Vorliegende Erfindung beschreitet zur Lösung des gleichen Problems
einen grundsätzlich anderen Weg. Sie get dabei aus von einer permanentmagneterregten
elektrischen Maschine mit derart im Läufer angeordneten Dauermagnetblöcken, daß
innerhalb eines Läuferpaketes alle Pole der einen Polarität einen zusammenhängenden,
auf der Welle befestigten Polstern bilden, von welchem die Einzelpole der anderen
Polarität durch die Magnetblocke getrennt sind. Gemäß der Erfindung ist zwecks Steuerung
des Anagnetischen Nutzflusses mindestens eine gleichstromgespeiste S-teuerwicklung
im Ständer angeordnet, welche einen sowohl den zusammenhängenden Polstern als auch
die damit korrespondierenden Ständerteile durchsetzenden homopolaren Steuerfluß
bewirkt. Dem permanent erregten Wechselpolfluß wird also ein homopolarer Steuerfluß
überlagert, der infolge der besonderen Magnetanordnung praktisch nur jeden zweiten
Pol durchsetzt und damit einen zusätzlichen, je nach Richtung positiven oder negativen
Nutzfluß ergibt. Durch Aufteilung des Aktivteiles in zwei oder mehrere axial hinter
einanderliegende Teilpakete können Hilfsluftspalte und besondere magnetische Xückschlußkörper
vermieden werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Steuerung kann der den Ständer durchsetzende
Nutzfluß in weiten Grenzen variiert werden. Die Wirkungsweise entspricht in etwa
der Ineinanderschachtelung einer permanenterregten Wechselpolmaschine und einer
steuerbar fremder regten homopolaren Reluktanzmaschine. Daß der Nomopolarfluß innerhalb
eines Läuferpaketes, praktisch nur durch den zusammenhängenden Polstern verlauft
und nicht auch die Einzelpole durchsetzt, erklärt sich durch den relativ hohen magnetischen
Innenwiderstand der dazwischenliegenden Hagnetblöcke. Auf diese Weise wirkt der
homopolare Steuerfluß fast zur Gänze als Nutzfluß.
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Bei einer Unterteilung des Läufers in Teilpakete tritt ein axialer
Streufluß auf, der seinen Verlauf über die läuferseitigen Zwischenräume der Teilpakete
nimmt. Durch zusätlich angeordnete Längsbolzen, -nieten u.dgl. aus magnetisierbarem
Material läßt sich der magnetische Widerstand der Streupfade noch wesentlich herabsetzen.
Dadurch wiid zwar die läuferseitige
Magnetstreuung entsprechend
erhöht, gleichzeitig jedoch wird auch ein zusätzlicher:: Pfad für den erfindungsgemäßen
homopolaren Steuerfluß geschaffen. Der Steuerfluß läuft dann nicht mehr fast ausschließlich
über die zusammenhängenden Polsterne, sondern er weicht zu einem gewissen Anteil
auch auf die axial benachbarten Einzelpols aus.Die erfindungsgemäße Nutzflußsteuerung
hat nun eine zweifache Wirkung: 1. Direkte Flußänderung durch jenen Teil des Steuerflusses,
der innerhalb der täuferteilpakete nur über die Polsterne verläuft.
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2. Indirekte Beeinflussung des Nutzflusses über die ferromagnetischen
Läuferstreupfade. Wird nämlich ein nach 1) nutzflußverstärkender Steuerfluß erregt,
so ergibt sich gleichzeitig eine Flußverstärlung über den Läuferstreupfad. der dadurch
geänderte Bättigungszustand bedeutet eine Erhöhung des magnetischen Widerstandes
im Läuferstreukreis , so daß der vom Magneten herrührende Streufluß verkleinert
und somit der Nutzfluß weiter erhöht wird.
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Beide Wirkungen überlagern sich somit gleichsinnig. Der unter 2) genannte
Effekt hängt natürlich sehr stark von der Dimenb sionierung der ferroriagnetisehen
Läuferstreupfade ab und kann auch völlig unterdrückt werden. Auf diese Weise ist
es jedenfalls möglich, die Maschinecharakteristiken sehr verschiedenartig zu beeinflussen.
Die axiale Ständerdurchflutung kann parallel zur erfindungsgemäß angestrebten Wirkung
als unangenehme Nebenerscheinung einen holsopolaren Fluß über Lagerschilde und Lager
treiben und so das Zustandekommen gefährlicher Lagerströme bewirken. Zur Vermeidung
solcher empfiehlt sich daher eine magnetisch isolierte Lagerung Diese an sich bekannte
maßnahme ist z.B. durch amagnetische Buchsen, Lagerschilde aus Leichtmetall, isolierende
Zwischenringe im Gehäuse, amagnetische Wellenstümpfe od. dgl. einfach realisierbar.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung dienen die in den Figuren 1
bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele.
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Fig. 1 zei.gt den Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Maschine
mit je zwei Teilpaketen. Die mechanischen Konstruktionsteile wie Tragscheiben, Durchgangsnioten
u.dgl. wurden der Einfachheit halber weggelassen. Der Ständer ist in ebenso breite
Teilpakete 1, 2 unterteilt, wie der Läufer in die Pakete 3 und 4. Zwischen den Ständerpaketen
1 und 2 ist erfindungsgemäß eine Ringapule 5 angeordnet. Die Arbeitswicklung 6 erstreckt
sich durchgehend über beide Teilpakete 1 und 2.
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Wird die Ringapule von Gleichstrom durchflossen, so erregt sie ein
homopolares Feld, das den in Fig. 1 eingetragenen Verlauf (#st) nimmt. Es durchsetzt
Gehäuse und Welle in axialer Richtung und überlagert sich innerhalb der Blechpakete
in bereits beschriebener Weise dem magnetische Nutzfluß.
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Bevor die weiteren Ausführungsvarianten näher erläutert werden, einige
Bemerkungen bezüglich der Steuerwicklung: Zunächst sei auf eine an sich bekannte
Möglichkeit zur Vermeidung der koaxialen Steuerspulen hingewiesen, die auch bei
vorliegender Erfindung unter Umständen vorteilhaft anwendbar ist. Anstelle der gemeinsamen
Arbeitswicklung (Fig. 1) wird, wie in Fig. 2 dargestellt, jedes Ständerteilpaket
7, 8 mit einer gesonderten Wicklung 9, 10 versehen Speist man nun die Arbeitswicklungen
an potentialmäßig geeigneten Stellen zusätzlich mit Gleichstrom, so ergibt sich
bei entsprechender Schaltung in den Stirnverbindungen die ringsum. gleiche - einen
homopolaren Zusatzfluß erregende -Durchflutung, wie in einer zwischen den Paketen
angeordneten RingsruJe.
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Wird eine laststromproportionale Steuerdurchflutung benötigt, so bietet
sich dazu bei Gleichrichterbetrieb durch Verwendung einer Mehrphasenmittelpunktschaltung
eine sehr einfache Möglichkeit an. Der nrbeitsstrom fließt dann in jedem Wicklungsteil
immer in gleicher Richtung und erregt dadurch selbsttätig in den Stirnverbindungen
die gewünschte Durchflutung Ferner kann sowohl eine Steuerung mit Hilfe der Arbeitewicklung
als
auch eine zusätzliche Ringsteuerspule vorgesehen werden.
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Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die resultierende Steuerdurchflutung
von mehreren Parametern abhängen.soll. Als Beispiel kann die Ringapule konstant
erregt sein, und seitens der Arbeitawicklung wird eine stromabhängige Zusatzdurchflutung
bewirkt, die je nach Bedarf die der Ringspule schwächt oder verstärkt.
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In Fig. 3 ist eine Variante dargestellt, die die erfindungsgemäße
Nutzflußsteuerung ohne unterteilte Läufer- und Ständerpakete ermöglicht. Der homopolare
Zuaatzfluß at wird beispielsweise in zwei parallele Kreise aufgeteilt, beidseitig
über Gehäuse und Lagerschilde geführt und tritt über Hilfsluftspalte wieder in den
Läufer ein. Die Steuerdurchflutung wird entweder in eigenen Ringspulen 11 v.nd/oder
auf die schon beschriebene Weise in den Wicklungsköpfen der Arbeitswicklung erregt.
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Bei entsprechend kleinen Paketbreiten ist der homopolare Steuerfluß
oft sehr gering. Eine Aufteilung in zwei getrennte Magnets kreise ist dann nicht
erforderlich; es genügt vielmehr den gesamten Homopolarfluß nur einseitig über Hilfsluftspalteund
I,agerschild zu führen.
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Bei sehr großen Paketbreiten ist hingegen eine weitere Unterteilung
des Steuerflusses zur Verringerung der erforderlichen axialen Flußdurchtrittsquerschnitte
zweckmäßig. Zum Beispiel wird dazu die Anordnung nach Fig. 2 mit jener der Fig.
3 kombiniert. Der Flußverlauf erfolgt jetzt wie in Fig. 2 zusätzlich.
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gestrichelt angedeutet - auch wem man nur die Arbeitswicklung zur
Steuerung heranzieht - in drei parallelen Kreisen.
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Die Figuren 4 bis 6 betreffen eine Variante, bei der auch eine Beeinflussung
de Magnetstreuung im Läufer erfolgt.
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Fig. 4 zeigt als Beispiel einen Längsschnitt durch die linke Hälfte
des Aktivteils einer erfindungsgemäßen Maschine, deren Magnetanordnung in Fig. 5
dargestellt ist. Jedes Teilpaket 12, 13
des Läufers wird stirnseitig
von amagnetischen Tragscheiben 14 nach Fig. 6 (schraffierte Teile in Fig. 4) begrenzt.
Parallel zur Maschinenachse sind Längsbolzen 15 angeordnet, die mit den erwähnten
Tragscheiben den Läufer mechanisch zusammenhalten. Die Bolzen sind aus magnetisierbarem
Werkstoff ausgeführt und dienen gleichzeitig zur Führung eines Teiles des axialen
Streuflusses Der Ständer ist ebenfalls in Teilpakete 16, 17 unterteilt und trägt
neben der üblichen Arbeitswicklung 18 noch eine oder mehrere Steuerwicklungen 19,
die als koaxiale Ringapulen in den axialen Zwischenräumen der Teilpakete untergebracht
sind.
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Je nach Größe und Vorzeichen der Steuerdurchflutung tritt neben dem
in Pig. 4 nicht eingetragenen Nutzfluß ein Zusatzfluß auf(gestrichelt gezeichnet),
der sich in den Bolzen 15 dem Magnets streufluß ##m überlagert.
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Sobald der Längsbolzen in Sättigung tritt, weist er einen entsprechend
hohen magnetischen Widerstand auf, wodurch eine Verminderung des den Magneten durchsetzenden
Streuflusses bedingt ist. Der gesamte Magnetfluß mM setzt sich aus einem Nutzflußanteil
N und Streuflußanteil ##m zusammen. Seine Abhängigkeit von der Gesamtdurchflutung
ist durch die Magnetcharakteristik gegeben. Wenn nun erfindungsgemäß der Streufluß
m variierbar ist, so bedeutet dies gleichzeitig auch eine Einflußnahme auf den Nutzfluß
der Maschine.
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Wie bereits erwähnt, tritt diese indirekte Nutzflußäanderung durch
Einflußnahme auf den Streupfad immer in Kombination mit einer direkten Flußänderung
(Homopllarsteuerfluß in den Pol sternen) auf, und es hängt von der Bemessung der
Läufer-Streupfade ab, inwieweit dieser Effekt in Erscheinung tritt.
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Neben der ir. Fig. 4. bis s6 skizzierten Anordnung sind zur axialen
Flußführung auch verschiedene andere Konstruktionsvarianten denkbar. So ist z.B.
gemäß Fig. 7 der axiale RQaut 20 zwischen zwei Teilpaketen zur Streuflußführung
durch verlängerte Blechpakete 21 überbrückt. Der axiale Streufluß verläuft dann
quer durch diese Blechpakete. Die eingefügte amagnetische
Tragscheibe
14 - die unter Umständen auch entfallen kann - wirkt wie eine Luftstrecke. Die Anordnung
nach Fig. 7 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn man für den Streufluß große
Durchtrittsquerschnitte benötigt. Zweckmäßig ist es auch, die Konturen der axial
hintereinanderliegenden versetzten Teilpakete nach Fig. 8 einander anzupassen. In
jedem Teilpaket ist dann der gleiche trapezförmige axiale Durchtrittsquerschnitt
vorhanden. Die in Pig. 8 eingezeichneten Ausnehmungcn 22 dienen zur Aufnahme von
zusätzlichen Durchgangabolzen, -nieten od. dgl.
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8 Figuren 12 Ansprüche