DE2331801A1

DE2331801A1 - Wechselstrommaschine

Info

Publication number: DE2331801A1
Application number: DE2331801A
Authority: DE
Inventors: Kenneth John Binns
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1972-06-21
Filing date: 1973-06-22
Publication date: 1974-01-17
Also published as: USRE31950E; GB1437348A; FR2189909B1; DE2331801C2; FR2189909A1

Description

Patentanwälte Ifcfeff. Wilhelm Beich&l BipMng: Wolfcrang Mfcel

6 Frankfurt a. M. 1

Parkstraße 13

7529

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION, London, S.W.1, Großbritannien

Wechselstrommaschine

Die Erfindung betrifft einen Rotor mit Permanentmagneten für Wechselstromgeneratoren oder Motoren einschließlich von Sehrittschaltmotoren.

Es gibt Rotoren mit Permanentmagneten, die einen oder mehrere dünne, im allgemeinen ringförmige Permanentmagnete aufweisen,^ die eine Anzahl von radial herausragenden Polteilen an ihrem Umfang haben. Auf den Polteilen sind Polschuhe angeordnet, und greifen über diese in Ifeifangsrichtung über. Eine MetalJ.-achse ist in der Mitte der Öffnungen der Magnetbauteile angeordnet. Wechselstromgeneratoren mit Rotoren mit Permanentmagneten dieser Art werden besonders als Generatoren für Motorfahrzeuge verwendet·

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Es kann auch ein einziges permanentmagnet!sehes Element "benutzt werden, wodurch die Zahl der Pole begrenzt ist. Manchmal werden auch zwei Magnetbauteile benutzt und sind entlang der Rotorachse im Abstand angeordnet, so daß die Polteile des einen permanentmagnetischen Bauteils in axialer Richtung mit den Spalten zwischen den Polteilen des anderen permanentmagnetischen Bauteiles ausgerichtet sind. In beiden Fällen sind die Magnete in radialer Richtung magnetisiert.

Einen Nachteil dieser bekannten Ausführung ist, daß die Magnete eine komplizierte Form haben und während des Betriebes entmagnetisiert werden können, wenn nicht teure Metallmagnete hoher Koerzitivkraft verwendet werden. Wegen der Zentrifugalkräfte ist die Verwendung von keramischen Permanentmagneten z.B. aus Bariumferrit nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten zu beseitigen.

Die Erfindung geht von einer Wechselstrommaschine aus, die einen Stator aufweist, der an seinem inneren Umfang mit Nuten versehen ist, welche Leiter einer verteilten Wicklung aufnehmen,und die einen Rotor hat, der so angeordnet ist, daß sein äußerer Umfang gegenüber dem inneren Umfang des Stators umläuft, wobei der Rotor eine Anzahl von Permanentmagneten aufweist, die entlang der Drehachse des Motors in Abständen angeordnet sind, so daß die Richtung ihrer Magnetisierung parallel zu der Achse verläuft und wobei eine Anzahl von Polschuhen im Abstand voneinander am Umfang des Rotors angeordnet sind. Gemäß der Erfindung sind mehrere Führungsmittel für den Magnetfluß vorgesehen, welche die Pole der Permanentmagneten mit den Polschuhen magnetisch koppeln, so daß die Polschuhe Polaritäten aufweisen, welche rund um den Umfang des Rotors abwechseln«, die aber in axialer Richtung des Rotors über mehr als die Hälfte der Länge des Außenumfangs des

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Rotors die gleichen sind.

Die permanentmagnetischen Mittel enthalten im allgemeinen scheibenförmige Magnete, die durch im allgemeinen scheibenförmige Elemente der Führungsmittel getrennt sind, welche radial zur Rotorachse verlaufen, wobei die Polschuhe von den Bauteilen getragen werden, welche den Fluß der gewünschten Polarität führen, so daß sich die geforderte Abwechslung der Polschuhpolaritäten ergibt. Andere Ausführungsformen der permanentmagnetischen Mittel sind z.B. Magnete, welche ähnlich wie die scheibenförmigen Magnete in Richtung der magnetischen Achse eine kurze Abmessung haben und eine große Polfläche aufweisen, die aber von der Scheibenform abweichen, oder Gruppen von langgestreckten Magneten, welche um die Rotorachse so angeordnet sind, daß ihre Längs- und magnetischen Achsen parallel zur Rotorachse liegen. Eine andere Ausführungsform der permanentmagnetischen Mittel enthält eine Anzahl von kurzen Magneten, die um die Rotorachse angeordnet sind, wobei ihre magnetischen Achsen parallel zur Rotorachse verlaufen. Eine Gruppe solcher Magnete kann in Kunstharz eingegossen sein, um eine zusammengesetzte Verbundscheibe zu bilden, die dann anstelle eines scheibenförmigen Magneten verwendet werden kann.

Ein Vorteil des Rotors gemäß der Erfindung ist, daß er in der axialen Richtung so lang gemacht werden kann, wie es erforderlich ist, indem scheibenförmige Magnete und radiale Elemente aneinandergefügt werden und indem die axiale Länge der Polschuhe verlängert wird. Infolgedessen kann der Rotor so ausgeführt werden, daß er auf beliebige Statoren von Induktionsmotoren paßt, die eine verteilte Wicklung aufweisen.

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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß magnetische Materialien aus teurem Ausgangsstoff, die sich in radialer Richtung magnetisieren lassen, um eine erforderliche Flußdichte zu erhalten durch die Verwendung von axial gerichteten Magneten ersetzt werden, da auch die Benutzung von anderen Materialien z.B.Bariumferrit für di Magnete möglich ist. Die mit derartigen Magneten erzielte Flußdichte ist nicht so hoch; da jedoch Magnete mit großen Polflächen verwendet werden können und durch die geeignete Wahl der radialen Elemente und der Polschuhabmessungen ergeben sich an den Polen verhältnismäßig hohe Flußdichten.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält der Rotor oder Läufer für einen Wechselstromgenerator oder Motor mit Permanentmagneten mindestens zwei etwa scheibenförmige und axial magnetisierte Permanentmagnete, die je eine Öffnung in der Mitte aufweisen, während zu beiden Seiten der Magnete etwa scheibenförmige Bauteile aus magnetischem Material mit einer mittleren Öffnung angeordnet sind, die eine Anzahl von radial herausragenden Polteilen an ihrem äußeren Umfang enthalten, während Polschuhe radial auf den Polteilen so angeordnet sind, daß sie sich über die Bauteile in axialer Richtung erstrecken, wobei ferner eine metallische Achse, die mindestens am Umfang aus nicht magnetischem Material besteht, durch die Öffnungen in den Magneten und den Bauteilen hindurchgeht, wobei ferner die Bauteile gemäß der Erfindung so angeordnet sind, daß die Polteile der Bauteile neben den permanentmagnetisehen Polen der gleichen Polarität im wesentlichen axial aufeinander ausgerichtet sind und wobei Spalte zwischen den Polteilen der Bauteile neben den permanentmagnet!sehen Polen entgegengesetzter Polarität vorgesehen sind.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden bei Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

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Fig. 1 ist die Stirnanslcht eines Jtotors oder Läufers gemäß der Erfindung» zusammen mit einem scheraatisehen Querschnitt des Stators oder Ständers;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt des Rotors gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht des Rotors der Fig. 1 und und

Fig. 4 ist eine schaubildliche Ansicht einer anderen Ausführungsfora des Rotors.

Der in Fig. 1,2 und 5 dargestellte Rotor hat 16 Pole und enthält drei permanentmagnetisehe Scheiben 1, 2 und 3, die in axialer Richtung magnetisiert sind. Die scheibenförmige Stahlbauteile 4, 5, 6 und 7 zu beiden Seiten 4er Magnete berühren die Magnete an ihren Polflächen und sind auf einer Welle 8 aus rostfreiem Stahl montiert und durch eine Keilverbindung mit ihr verbunden. Die äußeren Stahlscheiben 4 und 7 sind dünner als die Scheiben 5 und 6, da sie nur einen geringeren Magnetfluß tragen. Die Stahlscheiben überlappen die Magnete um einen kleinen Betrag, der aber ausreicht, um die Magnete festzuhalten« Die Polteile 9, 10, ti und 12, welche entweder von den Stahlscheiben herausragen oder Teile von Polschuhen 13, 14 bilden, verbinden die Scheiben mit den Polschuhen in magnetischer Hinsicht. Es werden daher in den Polschuhen Polaritäten entsprechend den magnetischen Scheiben induziert, mit denen sie über die Stahlscheiben gekoppelt sind. Jeder Polschuh ist mit jeder zweiten Stählscheibe entlang dem Rotor verbunden, so daß die Polaritäten auf den Polschuhen rund um den Umfang des Rotors abwechseln. Der Aufbau der Magnetscheiben wird zwischen einem Flansch 15 an eine» Ende der Welle und einer Mutter oder einer anderen Einspannvorrichtung 16 am anderen Ende der Magnetanordnung eingespannt. Die Polschuhe können mit Hilfe von Schrauben 17, 18, 19 und 20 ©4#r Jl»g&JffWPM^sti^mgemitUl befestigt

werden.

Da die Magnete eine verhältnismäßig große kombinierte Polfläche aufweisen und der magnetische Fluß an einer Anzahl von verhältnismäßig kleinflächigen Polteilen austritt, kann ein billiges magnetisches Material, z.B. Bariumferritscheiben benutzt werden.

Die Magnete können in Epoxydkunstharz eingegossen werden, um sie gegenseitig zu verankern. Die Erfindung kann auch bei Rotoren angewendet werden, die eine von 16 Polen abweichende Zahl von Polen aufweisen.

Die Stahlscheiben, Polteile und Polschuhe können auch einstückig ausgebildet werden, vorausgesetzt, daß die Polschuhe entsprechend den gestrichelten Linien 22 unterteilt sind. Jede Scheibe hat dann einstückige Polstücke und Polschuhe in abwechselnder Lage. Der Rotor wird in der bereits beschriebenen Weise zusammengespannt, wobei die Teile der Polschuhe nebeneinander liegen, aber nicht notwendigerweise sich berühren.

Da der Rotor im Bedarfsfall in axialer Richtung verlängert werden kann, indem Magnetscheiben und Stahlscheiben hinzugefügt werden und da er eine Anzahl von permanentmagnet!sehen Polen aufweist, ist es möglich, ihn in Verbindung mit einem Stator eines üblichen Induktionsmotors zu benutzen, der eine verteilte Wicklung aufweist, wobei die Leiter über die gesamte Länge des Rotorumfanges in den Nuten des Statorumfanges angeordnet sind, so daß sich ein Wechselstromgenerator oder ein Synchronmotor ergibt. Ein Teil eines solchen Stators ist schematisch im Querschnitt in Fig.1 bei 25 gezeigt mit Nuten 26 und Leitern 27. Die Statorwicklung sollte natürlich die gleiche Anzahl von Polen wie der Rotor aufweisen.

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Die Wirkungsweise der Maschine entspricht der von Maschinen mit einem Rotor mit Permanentmagneten und wird nicht ausführlicher beschrieben.

Eine in. Übereinstimmung mit den Fig. 1, 2 und 3 aufgebaute Maschine kann als Synchronmotor nicht ohne weiteres anlaufen, sondern nur, wenn sie auf die synchrone Drehzahl gebracht wird oder indem zum Anlassen die Frequenz herabgesetzt wird.

Diese Schwierigkeiten können dadurch überwunden werden, daß die Stahlscheibe 7 Polschuhe an jeder Polstellitng aufweist, wo ein Pol der anderen Scheibe in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise ander Stelle 28 übergreift. Die Scheibe 7 und ihre Polschuhe bilden daher in Wirklichkeit einen festen Stahlrotor, der eine Anlauf wirkung hat, ähnlich wie bei den bekannten Induktionsmotoren mit massivem Läufer. Nach Erreichen der vollen Drehzahl läuft das gezahnte Rad, welches aus den Polschuhen und der Scheibe 7 besteht, mit synchroner Drehzahl in an sich bekannter Weise um. Beim Betrieb wird die Maschine daher als Induktionsmotor angelassen und läuft mit einer Synchrondrehzahl teilweise als Reluktanzmotor und teilweise als Synchronmotor infolge der Verwendung der Permanentmagnete.

Die Hinzufügung des gezahnten Rades stabilisiert auch die Drehzahl des Motors und vermindert Schwankungen des Drehwinkels infolge von Belastungen, wenn sie als Generator arbeitet. Die Ausführungsform nach Fig. 4 kann als Generator mit einem geringen Verlust an Wirkungsgrad benutzt werden und besitzt verbesserte Stabilität.

Die Stahlscheiben können mit Polschuhen einstückig ausgebildet sein und die Polschuhe können an denselben Stellen wie beim Rotor der Fig. 3 getrennt sein.

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Wie aus Fig. 3 und 4 hervorgeht, sind die Polschuhe in bezug auf die Rotorachse geneigt. Hierdurch werden harmonische
Schwingungen in der Statorwicklung vermindert, da diese Maßnahme einer besseren Verteilung der Statorwicklungen analog
Die Erfindung kann auch noch auf andere Weise durchgeführt werden als es in den Beispielen angegeben ist. Z.B. können andere
Formen für den selbst anlaufenden Läufer gefunden werden.Bei einer derartigen Form kann die Scheibe 7 und ihre Polschuhe, die zusammen ein Zahnrad bilden, aus magnetisch hartem Material, z.B. Alniko hergestellt werden und der Rotor läuft dann durch die lästere se-Wirkung an.

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Claims

Patentansprüche

Wechselstrommaschine mit einem Stator, dessen innerer umfang mit Nuten zur Aufnahme von Leitern einer verteilten Wicklung versehen ist, und einem Rotor, dessen äußerer Umfang· in der Nähe des inneren Umfangs des Stators umläuft, wobei der Rotor eine Anzahl von Permanentmagneten aufweist und mit einer Anzahl von Polschuhen versehen ist, die im Abstand voneinander rund um den Umfang dee Rotors liegen, sowie mit Permanentmagneten Mitteln, die entlang der Drehachse des Rotors im Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Richtung der Magnetisierung parallel zur Achse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine Anzahl von Führungsmitteln für den magnetischen Fluß aufweist, die so angeordnet sind, daß sie die Pole der Permanentmagnete mit den Polschuhen magnetisch koppeln, so daß die Polschuhe Polaritäten aufweisen, die rund um den Umfang des Rotors abwechseln , die aber in der axialen Richtung des Rotors über mehr als die Hälfte der Länge des Rotortunfanges die gleichen sind.
2. Maschine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Statorwicklung sich praktisch Über die ganze axiale Länge des äußeren Rotorumfangeβ erstrecken·

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3. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens die Hälfte der Polschuhe sich praktisch über die ganze axiale Länge des äußeren Rotorumfanges erstrecken.
4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Statorwicklung so gewickelt ist, daß sie eine Anzahl von Polen aufweist, die der Zahl der Polschuhe des Rotors entspricht.
5. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die p'ermanentmagnetischen Mittel nebeneinander liegende gleiche Pole, die durch radiale Bauteile der Führungsmittel getrennt sind, aufweisen und daß diese Bauteile sich in radialer Richtung relativ zur Achse ' erstrecken, wobei radiale Bauteile der Führungsmittel an den äußeren Enden der äußeren magnetischen Mittel in dem Rotor angeordnet sind und die Polschuhe eine längliche Form aufweisen, wobei ihre Achsen im allgemeinen parallel zu der Achse liegen und wobei Jeder Polschuh magnetisch mit mindestens einem der Bauteile gekoppelt ist.
6. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die permanentmagnetischen Mittel einen etwa scheibenförmigen Magnet enthalten und die Führungsmittel aus etwa scheibenförmigen Elementen aus magnetischem Material bestehen, wobei radiale Vorsprünge zur Halterung der Polschuhe vorgesehen sind.

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7. Maschine nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Paar von nebeneinanderliegenden Polschuhen der eine Polschuh von jedem zweiten scheibenförmigen Element in axialer Richtung gehalten wird und der andere Polschuh von denübrigen scheibenförmigen Elementen unterstützt wird.
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die permanentmagnet!sehen Mittel eine Anzahl von Magneten aufweisen, die um die Rotorachse so angeordnet sind, daß ihre magnetischen Achsen parallel zur Rotorachse liegen«
9. Maschine nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine axiale Welle aufweist, deren Umfang zumindestens zum Teil aus nicht magnetischem Material besteht und daß die Magnete und die Elemente eine zentrale Öffnung aufweisen, durch die die Welle hindurchgeht.
10. Rotor mit Permanentmagneten für einen Wechselstromgenerator oder Motor nach Anspruch 1 mit einer Anzahl von etwa scheibenförmigen Permanentmagneten, die in axialer Richtung magnetisiert sind, wobei jeder Magnet eine mittlere Öffnung aufweist,und mit etwa scheibenförmigen Elementen aus magnetischem Material zu beiden Seiten der Permanentmagnete, wobei die Elemente ebenfalls eine zentrale Öffnung aufweisen und eine Anzahl von radial herausragenden Polteilen an ihrem äußeren Rand aufweisen und bei dem die Polschuhe radial auf den

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Polteilen so angeordnet sind, daß sie sich über die Elemente in axialer Richtung erstrecken, während der Rotor eine metallische Welle aufweist, die mindestens an einem Teil des Umfanges aus nichtmagnetischem Material besteht und durch die Öffnungen in den Magneten und den Elementen hindurchgeht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente auf den beiden Seiten jedes Magneten so angeordnet sind, daß die Polteile der Elemente neben den permanentmagnetischen Polen der gleichen Polarität im wesentlichen in axialer Richtung aufeinander ausgerichtet sind und daß Spalte zwischen den Polteilen der Elemente neben den permanentmagnetisehen Polen der entgegengesetzten Polarität vorgesehen sind.
11. Rotor nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Polschuhe die im wesentlichen axial ausgerichteten Polteile verbinden.
12. Maschine oder Rotor nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die Magnete aus mindestens einem der folgenden Materialien bestehen:

Bariumferrit, Strontiumferrit, Ticonal, Alnico oder einem Samarium-Kobaltmaterial.
13. Maschine oder Rotor nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Elemente und die Polschuhe aus Stahl bestehen.

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14. Maschine oder Rotor nach einem der Ansprüche 5 oder 6 bzw. 8, 9 oder 10, 12 oder 13,

dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element mit einem Teil jedes benachbarten Polschuhes aus einem Stück besteht und daß mindestens jeder zweite Polschuh mindestens zwei der genannten Teile enthält.
15. Maschine oder Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor einen derart ausgebildeten Teil enthält,daß durch Zusammenwirkung mit einem entsprechend erregten Wechselstromstator aus der Ruhe anzulaufen beginnt ohne Verminderung der· Frequenz.
16. Maschine oder Rotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite Polschuh nur über einen Teil des Rotorumfanges in axialer Richtung verläuft und daß Hilfspolschuhe auf dem Rotorumfang angeordnet sind, die im wesentlichen in axialer Richtung mit jedem zweiten Polschuh ausgerichtet sind,und daß die Hilfspolschuhe von einem der Elemente getragen werden, die auch die benachbarten Polschuhe voller Länge tragen.
17. Maschine oder Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe in axialer Richtung langgestreckte Formen aufweisen und etwas schräg zur Rotorachse geneigt sind.

Re/Pi.

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