DE2507911A1 - Generator mit variablem magnetischem widerstand - Google Patents

Description

Patentanwälte

DiPL.-InG. Γ. WE I CICM ANN, 2507911

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K.Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber·

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Maremont Corporation

168 North Michigan Avenue

Chicago, Illinois, V.St.A.

Generator mit variablem magnetischem Widerstand

Die Erfindung betrifft einen Generator mit einer Induktivität mit variablem magnetischem Widerstand, insbesondere Verbesserungen in der Arbeitsweise, der Vielseitigkeit der Konstruktion sowie der verbesserten Herstellung.

Ein Generator nach der Erfindung basiert ganz allgemein auf Anordnungen, wie sie beispielsweise durch die US-Patentschriften 515 386, 567 423, 2 976 439, 3 179 825, 3 219 859. 3 312 844 und 3 140 413 bekannt sind. Ein derartiger Generator hat einen Ständer aus einem mit Magnetfluß durchsetzten Material, welcher einen ringförmigen Hohlraum zur Aufnahme einer Feldwicklung und eines ringförmigen Kerns bildet, der Generatorwicklungen trägt. Ferner ist ein Läufer mit einem einen Läuferpol bildenden Kern vorgesehen, der freischwebend in den Ständerhohlraum

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hineinragt und in Wechselwirkung mit dem Ständerkern steht, so daß der magnetische Widerstand des Flußweges durch die Generatorwicklungen und damit der mit diesen verkettete magnetische Fluß veränderbar ist, wenn sich der Läufer dreht.

Durch die US-Patentschrift j5, l4O,4lj5 ist beispielsweise ein Läufer mit relativ großem Durchmesser bekannt, der teilweise ein ziemlich großes Trägheitsmoment verursacht. Ein derart relativ großer Läufer hat auch elektrische und auf elektrische Größen bezogene mechanische Vorteile. Beispielsweise erfordern die großflächigen Luftspalte durch den großen Durchmesser eine minimale magnetomotorische Kraft zur Übertragung eines Magnetflusses. Viele derartige Veröffentlichungen zeigen, daß die bekannten Konstruktionen ein hohes mechanisches Trägheitsmoment anstreben, um einen Schwungradeffekt bei einem derartigen Antrieb zu erzielen. Dieses Prinzip kann für direkt gekoppelte und relativ kleine Antriebe vorteilhaft sein, das hohe Trägheitsmoment hat sich jedoch insbesondere bei indirekter Koppelung (d.h. über Riemen, Getriebe usw.) und/oder relativ großen Antrieben als nachteilig erwiesen.

Ferner benötigen die nach innen gerichteten Ständerpolkonstruktionen bekannter Art ziemlich komplizierte Wickelmaschinen bei der Herstellung. Solche Wickelmaschinen verursachen nicht nur einen hohen Kosten- und Zeitaufwand, sondern sie setzen auch der für solche Ständerwicklungen verwendbaren Drahtdicke eine Grenze, da die zur automatischen Wicklung von Polspulen auf der Innenseite einer runden Ständerkonstruktion geeigneten Maschinen in praktischer Hinsicht keine größeren und damit steiferen Drahtdurchmesser verarbeiten können, die im Hinblick auf höhere Leistungen und niedrigere ohmsche Verluste günstig wären. Ferner begrenzt die Geometrie der Anordnung von Wicklungen an nach innen gerichteten Polen den Nutzen eines nachträglichen Einsetzens vorgewickelter Spulen.

Die bekannten Konstruktionen haben ferner konstruktive Grenzen,

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die zumindest teilweise auf den parasitären Luftspalt zurückzuführen sind. Dies bedeutet, daß die den parasitären Luftspalt bildenden Elemente normalerweise zuerst innerhalb des Magnetkreises gesättigt werden. Jede in konstruktiver Hinsicht angestellte Überlegung (beispielsweise im Hinblick auf Drahtdurchmesser, Windungszahl, Polabmessungen, Nutzleistung, Größe, Gewicht usw.) konnte deshalb nur innerhalb der Grenzen eines relativ hohen magnetischen Widerstandes im parasitären Luftspalt und im Hinblick auf die Tendenz einer frühzeitigen Sättigung dieser Elemente vor anderen Teilen des Magnetkreises angestellt werden.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die elektrisch-mechanischen Vorteile eines Läufers mit großem Durchmesser bei minimalem mechanischen Trägheitsmoment beibehalten werden können, wenn nach außen weisende Ständerzähne vorgesehen sind, die das Bewickeln mit Draht jeder gewünschten Dicke erleichtern, wobei gleichzeitig der parasitäre Luftspalt als wichtigster einschränkender Paktor vermieden wird. Dies wird durch die Erfindung möglich.

Verglichen mit den bisher bekannten Generatoren hat eine Anordnung nach der Erfindung eine höhere konstruktive Vielseitigkeit, höheren Wirkungsgrad, längere Lebensdauer und/oder weitere Verbesserungen. Insbesondere wird ein Abfall der magnetomotorischen Kraft an den Luftspalten und ein Verlust an Magnetfluß von den Läufer- und Ständerpolen minimal gehalten, indem der magnetische Widerstand der parasitären und der aktiven Luftspalte relativ zu vergleichbar bemessenen bekannten Einrichtungen verringert ist und gewährleistet ist, daß der magnetische Widerstand des parasitären Luftspaltes immer viel kleiner als der minimale magnetische Widerstand im aktiven Luftspalt ist, so daß eine Setzung von Grenzen konstruktiver Art durch den parasitären Luftspalt verhindert

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ist. Bei einem noch zu beschreibenden Ausführungsbeispiel liegt der magnetische Widerstand des parasitären Luftspaltes in der Größenordnung von l/lO oder weniger des entsprechenden minimalen Wertes für den aktiven Luftspalt. Ferner schafft die Erfindung eine Konstruktion, bei der die den aktiven Luftspalt bildenden Elemente vor den den parasitären Luftspalt bildenden Elementen gesättigt sind, wodurch der Einfluß des parasitären Luftspaltes als eine die konstruktiven Eigenschaften einschränkende Größe weiter verringert ist. Es hat sich ferner gezeigt, daß diese günstigen Ergebnisse durch eine Anordnung von Einzelteilen erreicht werden können, bei denen der parasitäre und der aktive Luftspalt an Stellen großen Durchmessers vorgesehen sind und der parasitäre Luftspalt radial außerhalb des aktiven Luftspaltes liegt. Die Anordnung kann ferner so getroffen werden, daß der Ständerkern und die Feldwicklung auf einer rohrförmigen Hülse zunächst separat vom Ständerrahmen hergestellt werden können, so daß eine Vorfertigung der Ständerwicklung, des Ständerkerns, der Generatorwicklungen und der Hülse vor dem Zusammenbau mit dem übrigen Teil der Ständerkonstruktion möglich ist.

Die Luftspalte sind bei einer Maschine nach der Erfindung an Stellen relativ großen Durchmessers angeordnet, so daß der Läufer notwendigerweise gleichfalls einen relativ großen Durchmesser hat. Trotzdem sind das Betriebsgeräusch und. das Trägheitsmoment auf annehmbare Werte begrenzt. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist. die leichte Zuordnung eines Gehäuses für Gleichrichter und/oder andere elektrische Komponenten, die gemeinsam mit dem Generator eingesetzt werden.

Die durch die Erfindung vergrößerte Vielseitigkeit der Konstruktion ermöglicht viele unterschiedliche Ausführungsformen zur Erfüllung jeweils eines besonderen Zwecks. Beispielsweise kann mehr Raum zur Ausnutzung dickerer Drähte verfügbar sein,

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ferner können billigere Drahtmaterialien, mehr Windungen usw. vorgesehen sein. Andererseits können die Gesamtgröße, das Gewicht usw. für einen Generator vorgegebener Leistung verringert sein. Somit ergibt sich eine praktisch nicht endende Reihe unterschiedlicher Möglichkeiten durch die Erfindung.

Ein vorzugsweises Ausführungsbeispiel der Erfindung hat einen Ständer aus einem mit Magnetfluß durchsetzten Material, der ein zylindrisches Gehäuse oder Rahmen bildet und einseitig geschlossen ist (Draht- und Luftdurchgänge sind vorgesehen). Die andere Seite ist geöffnet. Ein ringförmiger und vormontierter Kern aus magnetischem Material ist in dem Gehäuse angeordnet. Die Vormontage führt zu einer Anordnung, die mit radial abstehenden Zähnen zur Haltung der Generatorwicklungen versehen ist, wobei die Zahnflächen radial nach außen gerichtet sind. Ein ringförmiger Läuferkern mit relativ kleinem Radius, der gleichfalls aus einem den Magnetfluß führenden Material besteht, ist radial außerhalb die Ständerzähne umgebend angeordnet. Der Läufer hat radial stehende Pole mit radial nach innen gerichteten Polflächen, die mit den Zahnflächen des Ständerkerns in Wechselwirkung stehen und eine ringförmige Reihe aktiver Luftspalte in dem Magnetkreis bilden, der durch den Magnetfluß im Ständer und im Läufer gebildet ist. Die aktiven Luftspalte ändern ihren magnetischen Widerstand während der Drehung des Läufers. Es sei bemerkt, daß der Magnetfluß.nur durch einen kleinen radial verlaufenden Teil des Läufers geführt wird, so daß der übrige Teil des Läufers aus einem nichtmagnetischen, leichten Material bestehen kann, wodurch das Trägheitsmoment minimal gehalten wird. Der Läuferkern hat ferner eine zylindrische Außenfläche, die mit einer komplementären zylindrischen Innenfläche des Standergehäuses in Wechselwirkung steht und. so einen ringförmigen Übertragungs- oder parasitären Luftspalt mit konstantem magnetischen Widerstand bildet. Der Durchmesser und. damit die Fläche des parasitären Luftspaltes wird durch die Anordnung radial außer-

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halb der aktiven Luftspalte maximal gehalten, zumal an dieser Stelle praktisch derselbe Durchmesser wie an der Stelle größten Durchmessers der Innenseite des Ständergehäuses vorliegt. Ferner sind die Läufer- und Ständerflächen, die den parasitären Luftspalt bilden, so angeordnet, daß sie innerhalb enger Abmessungstoleranzen leicht gefertigt werden können, so daß die Länge oder die radiale Abmessung des Spalts sehr klein ist. Durch diese Maximierung der Flächen des parasitären Luftspaltes und durch minimale Luftspaltlänge wird, der Abfall der magnetomotorischen Kraft an diesem Luftspalt minimal gehalten, so daß der Gesamtwirkungsgrad und die Leistung des Generators verbessert sind. Die aktiven Luftspalte sind längs eines Kreises relativ großen Durchmessers angeordnet, und die sie bildenden Flächen können daher gleichfalls leicht bearbeitet werden, so daß auch hier enge Toleranzen eingehalten werden können. Die aktiven Luftspalte haben also auch eine relativ große Fläche und eine geringe Länge, so daß auch hier ein minimaler Abfall der magnetomotorischen Kraft auftritt. Ferner wird, der Abstand zwischen den Ständerpolen und der Abstand zwischen den Läuferpolen in Umfangsrichtung maximal gehalten, wodurch Nebenflußwege wesentlich verlängert werden und. ein Verlust an Magnetfluß von den Polkonstruktionen und/oder den Luftspalten verringert ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind eine ringförmige Feldwicklung und der ringförmige Ständerkern an einer in axialer Richtung zylindrischen Halterung befestigt und umgeben diese. Die Halterung ist zunächst separat vom Ständergehäuse gefertigt und wird während des Zusammenbaus des Generators an diesem befestigt. Dadurch ist es möglich, die Feldwicklung, den Ständerkern, die Generatorwicklungen und. die Halterung getrennt von dem übrigen Teil des Ständergehäuses vor dem Zusammenbau zu montieren. Die Halterung wird, an dem Gehäuse mit Schrauben oder anderen entfernbaren Befestigungs-

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elementen gehalten, so daß danach die vorgefertigte Einheit zur Überprüfung, Reparatur oder anderen Zwecken aus dem Gehäuse entfernt werden kann. Dadurch muß auch kein besonderer zustäzlicher Raum im Bereich der Feldwicklung und des Ständerkerns vorgesehen werden, wie er bisher zu Montagezwecken erforderlich war. Ein Verfahren zur Herstellung eines Generators bildet deshalb einen Teil der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt einen Läuferkern mit einer Schichtung ringförmiger Bleche innerhalb einer rohrförmigen Hülse. Die Bleche dieser Schichtung sind in geeigneter Weise aneinander befestigt. Eine zuvor separat angefertigte Nabe bildet einen Teil des Läufers und dient zur Montage des Läufers auf einer Welle. Der übrige Teil des Läufers besteht aus Aluminium oder einem anderen leichten Material, welches die Umfangskante der Nabe umschließt und von der Außenkante der Kernhülse ausgeht und so geformt ist, daß es Flügel bildet, die zur Einführung von Kühlluft in den Generator dienen.

Das Ausführungsbeispiel-umfaßt eine Ständerkonstruktion mit einem rohrförmigen Wellenhalter, der durch die Mitte des Ständergehäuses und außerhalb über dessen Abschlußwand hinausgeführt ist. Der Halter nimmt eine Welle zur Lagerung des Läufers auf, diese ist in zwei Lagern an den beiden Enden des Halters gelagert. Der Läufer ist auf der Welle an der offenen Seite des Ständergehäuses montiert, so daß nur eine einzige dynamische Abdichtungsfläche erforderlich ist, um ein Schmiermittel in dem Halter dicht zu halten. Eine solche Fläche kann durch eine Einzeldichtung oder durch eine Mehrfachdichtung gebildet sein, so daß das Schmiermittel während der gesamten Lebensdauer der Anordnung abgedichtet gehalten wird. Eine schalenförmige und dünnwandige Abdeckung ist an der geschlossenen Seite des Gehäuses befestigt und schließt zusätzlich den Teil des Wellenhalters ein, der über die Ge-

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häusewandung hinausragt. Zusammen mit der Seitenwand bildet diese Abdeckung eine Kammer zur Aufnahme eines Gleichrichters und/oder anderer Schaltungskomponenten, die zusammen mit einem Generator eingesetzt werden. Solche Komponenten sind vorzugsweise an der Seitenwand befestigt, so daß sie frei zugänglich sind und doch an ihrer Stelle gehalten werden, wenn die Abdeckung entfernt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand, der Eigurgen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Generators nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Vorderansicht des Generators nach Fig. 1, Fig. 3 eine Rückansicht des Generators nach Fig. 1, Fig. 4 den Längsschnitt 4-4 des Generators nach Fig. 2, Fig. 5 einen Querschnitt 5-5 des Generators nach Fig. 4, Fig. 6 einen Querschnitt 6-6 des Generators nach Fig. 4, Fig. 7 den Querschnitt 7-7 des Generators nach Fig. 4, Fig. 8 einen Längsschnitt 8-8 des Generators nach Fig. 7> Fig. 9 eine perspektivische Darstellung des Läufers eines

Generators nach Fig. 1,
Fig. 10 eine teilweise geschnitte^xplosionsdarstellung der

Hauptteile des Generators nach Fig. 1 und. Fig. 11 einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform eines Generators nach der Erfindung.

In den Figuren 1, 2 und 5 sind Außenansichten eines vorzugsweisen Ausführungsbeispiels eines Generators 20 nach der Erfindung dargestellt. Dieser Generator kann über einen.-Riemen angetrieben werden und wird beispielsweise zusammen mit einer Maschine als elektrische Stromquelle für ein Fahrzeug wie zum Beispiel ein Automobil oder ein Lastkraftfahrzeug eingesetzt. Er hat eine mit Nuten versehene Riemenscheibe 24, die

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auf einer Welle 26 befestigt ist, auf der ferner ein Läufer," 28 sitzt. Als Befestigungselemente für den Generator können verschiedene Vorrichtungen vorgesehen sein, im dargestellten Fall dient hierzu eine Anordnung, wie sie in Kraftfahrzeugen bzw. beim Antrieb durch Riemen normalerweise eingesetzt wird. Diese Vorrichtung besteht aus zwei in axialem Abstand zueinander angeordneten Befestigungslaschen 30 und 3I, die aufeinander ausgerichtete Öffnungen 32, 32 haben, sowie einer dritten, diametral gegenüberliegenden Lasche J>h mit einer öffnung 36.

Der freiliegende Teil des Läufers 28, der in Pig. 1 und 2 zu erkennen ist, bildet ein Gebläse zur Führung von Kühlluft durch den Generatorköcfrer. Die Konstruktion des Läufers wird, im folgenden noch genauer beschrieben. Zunächst sei jedoch bemerkt, daß seine freiliegenden Flächen glatt und frei von scharfen Kanten und. Vorsprüngen sind, so daß während, der Rotation die erforderliche Sicherheit gewährleistet ist.

Zusätzlich zum Läufer 28 umfaßt der Generator 20 eine Ständerkonstruktion, die grundsätzlich aus einem mit Magnetfluß durchsetzten Gehäuse oder Rahmen 38 und einer schalenförmigen Abdeckung 40 aus dünnwandigem Material gebildet ist. Die Abdeckung 40 bildet gemeinsam mit der zugeordneten Seitenwand des Gehäuses 38 eine Kammer zur Aufnahme verschiedener Komponenten des elektrischen Systems, in dem der Generator eingesetzt wird. Die Außenseite der Abdeckung 40, die in Fig. 1 und 3 zu erkennen ist, hat Öffnungen, durch die hindurch beispielsweise elektrische Anschlüsse 4l, 4l geführt sind. Ferner ist ein länglicher Schlitz 42 zum Eintritt von Kühlluft vorgesehen. Die Abdeckung 40 ist an dem Gehäuse durch mehrere Schrauben 43, 43 gehalten, nach deren Entfernung die Abdeckung vom Gehäuse 38 abgenommen werden kann.

In den Fig. 4, 5 und 6 sind, weitere konstruktive Einzelheiten

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des Generators 20 dargestellt. Die Ständerkonstruktion umfaßt ein Ständergehäuse 38 in der Form eines Hohlzylinders, welcher an einer Seite offen, an der anderen Seite geschlossen ist und ein zentrales Lager aufweist, welches axial von der geschlossenen Seite zur offenen Seite hin verläuft, so daß innerhalb des Gehäuses eine ringförmige Kammer 44 gebildet ist. Um diese Form zu verwirklichen, kann das Gehäuse, falls gewünscht, einstückig ausgeführt sein. Wie dargestellt, besteht es aus mehreren Teilen einschließlich einer rohrförmigen Außenhülse 46, einer scheibenförmigen Seitenwand 48, eines länglichen, rohrförmigen Wellenhalters 50 und einer rohrförmigen Halterung 52, die auf den Wellenhalter aufgeschoben ist. Die Hülse 46, die Seitenwand 48 und der Wellenhalter 50 sind aneinander befestigt, so daß sie eine einheitliche starre Struktur bilden. Die Halterung 52 ist in engem Sitz auf den Halter 50 aufgeschoben, so daß sie genau durch den Halter 50 zentriert und fest an der Seitenwand 48 gehalten ist. Hierzu dienen auch beispielsweise vier Schrauben 54", 54" (Fig. 6 und 10), die durch die Seitenwand hindurchgeführt und in die Halterung eingeschraubt sind. Die Hülse 46, die Seitenwand 48 und die Halterung 52 bilden gemeinsam den bereits erwähnten ringförmigen Raum 44, der durch die Seitenwand 48 an seiner rechten Seite praktisch verschlossen ist, während er an der linken Seite, wie in Fig. 4 gezeigt, offen ist.

An der geschlossenen Seite des Ständerhohlraums 44 ist eine ringförmige Feldwicklung 53 vorgesehen, die in den Magnetkreisen des Generators in noch zu beschreibender Weise eine stationäre magnetomotorische Kraft erzeugt. In dem Ständerhohlraum ist an der offenen Seite ferner ein ringförmiger Ständerkern 54 vorgesehen, der aus geschichtetem magnetischem Material besteht. Die Feldwicklung 53 füllt den größten Teil der geschlossenen Seite des Hohlraums 44 aus. Ihre Außenseite ist jedoch mit Abstand zur Hülse 46 angeordnet, so daß ein ringförmiger Raum zur Strömung von Kühlluft gebildet ist und die Leitungen von den Generatorwicklungen 65,

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65 und dem Ständerkern 54 zu der von der Abdeckung 40 gebildeten Kammer geführt werden können. Der Ständerkern 54 enthält einen radial nach innen gerichteten kontinuierlichen ringförmigen Teil 60 und hat eine mit gegenseitigem Winkelabstand zueinander angeordnete Reihe von radial nach außen ragenden Zähnen 62, 62 mit radial nach außen weisenden Zahnflächen 64 an den Außenenden. Diese Zahnflächen 64 bilden in Umfangsrichtung eine Reihe, die auf einem gemeinsamen imaginären Kreis liegt. An jedem Ständerzahn 62 ist eine Generatorwicklung 65 vorgesehen. Diese Wicklungen werden an den Zähnen durch geeignete mechanische Befestigungen gehalten. Der Ständerkern selbst ist an der rohrförmigen Halterung durch Aufstecken befestigt.

An der offenen Seite des Ständerhohlraums 44 hat die Außenhülse 46 des Ständergehäuses 38 eine radial nach innen weisende zylindrische Fläche 72, die eine Oberfläche eines parasitären Luftspaltes 100 bildet, durch die hindurch der Magnetfluß zwischen Laufer-und Ständergehäuse passiert.

Der Wellenhalter 50 ragt durch die Länge des ringförmigen Ständerhohlraums 44 sowie um einen gewissen Betrag au&h außerhalb über die Seitenwand 48 hinaus. Die Welle 26 verläuft über die gesamte Länge des Halters 50 und ist an ihrem rechten Ende (Fig. 4) durch eine Lageranordnung 73 und an ihrem linken Ende durch eine Lageranordnung 74 gehalten. Ferner hat der Innenraum des Halters 50 einen wesentlich größeren Durchmesser als die Welle 26, so daß ein großer Vorratsraum für eine ausreichende Menge Schmiermittel mindestens für die zu erwartende Lebensdauer des Generators gebildet ist. Im Zusammenhang damit sei ferner bemerkt, daß die Welle 26 nicht über das rechte Ende des Halters hinausragt, so daß eine nicht drehbare Dichtung wie zum Beispiel eine Kappe 75 zur Abdichtung- dieses Endes des Wellenhalters verwendet werden kann. Am anderen Ende ist der Wellenhalter durch ane dynamische Abdichtung 76 abgedichtet.

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Die schalenförmige Abdeckung 4O, die in Fig. 4 dargestellt ist, schließt denjenigen Teil des Wellenhalters 50 ein, der über die rechte Seite der Seitenwand 48 hinausragt. Sie bildet zusammen mit dem Wellenhalter 50 und der Seitenwand 48 eine ringförmige Kammer 77> die Anschlüsse und verschiedene Komponenten des elektrischen Systems aufnimmt, bei dem der Generator eingesetzt wird. Beispielsweise enthält diese Kammer im dargestellten Fall einen Hauptgleichrichter 78 und einen Spannungsregler 79 zur Gleichrichtung der in den Generatorwicklungen 65* 65 induzierten Wechselspannungen zu einem Gleichstrom sowie zur Regelung der abgegebenen Spannung. Ferner ist ein weiterer Gleichrichter (nicht dargestellt) und ein Entkopplungstransformator 80 vorgesehen, so daß der Generator für ein elektrisches Doppelbatterie-Fahrzeugsystem eingesetzt werden kann, wie es beispielsweise durch die US-Patentschrift 3,816,805 bekannt ist. Diese Komponenten stellen jedoch lediglich Beispiele dar, die Kammer 77 kann auch zur Aufnahme anderer Elemente dienen, die dem jeweiligen Einsatzzweck des Generators angepaßt sind. In jedem Falle sind diese Einzelteile vorzugsweise an der Seitenwand 48 befestigt, beispielsweise mit den dargestellten Schrauben 82, 82, so daß bei Entfernen der Abdeckung diese Teile zur Überprüfung freiliegen, jedoch an der Ständerkonstruktion gehalten sind.

Wie bereits ausgeführt, wird Kühlluft durch den Generator mittels der in dem Läufer gebildeten Flügel geführt. Um den Durchgang zwischen den Kammern 77 und 44 des Ständergehäuses zu ermöglichen, hat die Seitenwand 48, wie in Fig. 6 gezeigt, eine Reihe von öffnungen 86, 86 an ihrem Außenumfang. Eine dieser öffnungen dient auch zur Durchführung mehrerer Leitungen 87, 87 von den Generatorwicklungen 65* 65 und der Feldwicklung zu den in der Kammer 77 angeordneten Einzelteilen.

In den Fig. 4, 5, 7, 8 und 9 ist die Konstruktion des Läufers

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28 dargestellt. Der Kern des Läufers bzw. der Teil mit variablem magnetischem Widerstand ist innerhalb des Ständergehäuses 48 angeordnet und hat eine rohrförmige Außenhülse 88 sowie eine Packung 90 aus Blechen, die innerhalb dieser Hülse angeordnet ist. Der Läuferkern umgibt den Ständerkern 54 und. ist innerhalb des ringförmigen Raums zwischen den Ständerpolflächen 64, 64 und der zylindrischen Fläche 72 der Gehäusehülse angeordnet. Die Packung 90 hat einen äußeren ringförmigen Teil 92 und eine Reihe mit Winkelabstand zueinander angeordneter Pole 94, 94, deren radial nach innen gerichtete Polflächen 96, 96 aktive Luftspalte mit den Ständerzahnflächen 64, 64 bilden. Diese Luftspalte ändern ihre Querschnittsfläche bei Drehung des Läufers. Die Außenfläche 98 der Hülse 88 ist zylindrisch und steht mit der zylindrischen Ständerfläche 72 in Wechselwirkung, so daß damit der bereits erwähnte parasitäre Luftspalt 100 gebildet wird. Der parasitäre Luftspalt ist kontinuierlich dargestellt. Er kann Jedoch auch entsprechend den Läuferpolen unterbrochen sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ständerteil des parasitären Luftspalts trotzdem kontinuierlich, so daß der magnetische Widerstand des parasitären Luftspalts konstant bleiben wird.

Wenn die Feldwicklung 53 gespeist wird, so wird ein Magnetfluß längs der Hauptflußwege erzeugt, die in Fig. 4 durch gestrichelte Linien 102, 102 dargestellt sind. Ein solcher Flußweg umfaßt den parasitären Luftspalt 100 und die aktiven Luftspalte, die zwischen den Standerζahnen und den Läuferpolen erzeugt sind. Durch die Bewegung der Läuferpole relativ zu den Ständerzähnen werden in den Magnetflußkreisen variierende magnetische Widerstände erzeugt, wodurch sich ein variierender Magnetfluß mit den individuellen Standerζahnen verkettet und Spannungen in den Generatorwicklungen 65* 65 induziert

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werden. Im dargestellten AusfUhrungsbeispiel erzeugen die acht Läuferpole 9k, 94 und die zwölf Ständerzähne 62, 62 bei geeigneter Schaltung der Wicklungen 65, 65 einen Dreiphasenstrom. Dies ist jedoch für die Erfindung nicht wesentlich. Es können hingegen, falls erwünscht, auch andere Verhältnisse von Ständer- und Läuferpolen und entsprechende andere Schaltungen der Generatorwieklungen vorgesehen sein, so daß entweder ein Einphasenstrom oder eine andere Art eines Mehrphasenstroms erzeugt wird. Allgemein wird vorzugsweise ein Verhältnis 3!2 von Ständer- zu Läuferpolen eingesetzt, um einen Dreiphasenstrom zu erzeugen.

Es sei bemerkt, daß nur ein Teil des Hauptmagnetkreises eine geschichtete Struktur hat. Allgemein ist eine solche Konstruktion im Bereich des aktiven Luftspaltes günstig, wo beachtliche Plußänderungen und somit möglicherweise Wirbelströme erzeugt werden können. Da jedoch die Gesamtsumme der aktiven Luftspaltquerschnitte praktisch unabhängig von der Rotation ist, bleibt der Magnetfluß in den größten Teil des restlichen Flußweges praktisch konstant, so daß somit auch eine nicht geschichtete Konstruktion möglich ist.

Der Kernteil des Läufers ist mit der Welle 25 durch weitere Teile verbunden, die außerhalb des Standergehäuses angeordnet sind und gleichfalls ein Gebläse zur Bewegung von Kühlluft durch den Generator bilden. Diese äußeren Teile umfassen eine Nabe 124, die auf der Welle 26 befestigt ist und. aus Stahl oder einem ähnlichen Material besteht. Die Nabe 124 wird zunächst als separates Teil hergestellt und auf die gewünschte Form gebracht und hat eine kreisrunde Umfangskante 127. Ausgehend, von dieser Umfangskante der Nabe zur rohrförmigen Hülse 88 hat der Läufer einen plattenförmigen Teil 126 aus Aluminium oder einem anderen leichten, nicht magnetischen Material. Dieser plattenförmige Teil ist an der Umfangs-

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kante 127 der Nabe befestigt und umgibt diese. Ein Rand 128 der Hülse 88 ragt um einen geringen Betrag vom Ständergehäuse ausgehend nach außen.

Wie in Fig. 7, 8 und 9 dargestellt, ist der plattenförmige Teil 126 des Läufers auf seiner nach innen weisenden Seite so ausgebildet, daß mehrere radial verlaufende Flügel I30, 130 gebildet sind, die mit einer gleichen Anzahl radialer Schlitze I32, 132 abwechseln. Die Schlitze sind auf Nuten 134, 134 in der rohrförmigen Hülse ausgerichtet, so daß sie nicht durch die Hülse unterbrochen werden. Wenn der Läufer sich dreht, drücken die Flügel daher Luft aus dem Generator heraus, so daß eine Strömung durch den Generator von rechts nach links (Fig. 4) erzeugt wird. Es können auch andere Konvektions- oder Leitungskühlmittel vorgesehen sein, und zwar gemeinsam mit oder anstelle der vorstehend, beschriebenen Flügel I30, 130.

Die vorstehend beschriebene Konstruktion des Generators 20 ermöglicht auch einen einfachen Zusammenbau. In Fig. 10 ist dargestellt, daß die Ständerkonstruktion aus zwei Grundeinheiten oder Teileinheiten besteht, die separat hergestellt werden können. Die erste. Einheit ist das Standergehäuse. Die andere Einheit ist eine Untereinheit 136, die aus der rohrförmigen Halterung 52, der Feldwicklung 53* dem Ständerkern 5^ und den Generatorwicklungen 65, 65 besteht. Zur Herstellung der endgültigen Anordnung des Generators wird die Einheit in das Ständergehäuse 38 eingeschoben, wobei die rohrförmige Halterung der Einheit über den Wellenhalter 50 geschoben wird. Die rohrförmige Halterung wird dann an dem Gehäuse mit Schrauben 54', 54' befestigt. In jeder gewünschten Folge wird, dann, abgesehen von unwichtigeren Einzelheiten, der Läufer auf der Welle 26 zusammen mit der Riemenscheibe 24 und der zugeordneten Haltemutter 25 befestigt. Die Welle 26 und die Lager

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und 74 werden in den Wellenhalter 50 geschoben, und die zugeordneten elektrischen Einzelteile (in Pig. Il nicht dargestellt) werden auf der freiliegenden Fläche der Seitenwand 48 befestigt. Dann werden die elektrischen· Verbindungen hergestellt, und die Abdeckung 40 wird, schließlich an dem Ständergehäuse befestigt.

Fig. 11 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Generator 1^8 mit einem Läufer 28, der an dem Ende einer unabhängig gelagerten Welle 142 befestigt ist. Diese kann beispielsweise eine Kurbelwelle oder eine Nockenwelle sein. Der Generator 138 ist in vieler Hinsicht ähnlich dem in Fig. 1 bis 10 dargestellten Generator 20 aufgebaut, einige Teile stimmen mit den entsprechenden Teilen des zuvor beschriebenen AusfUhrungsbeispiels überein, weshalb sie mit Fig. 1 bis 10 übereinstimmende Bezugszeichen haben und nicht weiter erläutert werden. Der Generator I38 hat ein Ständergehäuse 144 aus einer zylindrischen rohrförmigen Hülse 146, einer scheibenförmigen Seitenwand 148 und einer zylindrischen zentralen Halterung I50. Ein ringförmiger Befestigungsflansch 154 hat eine ringförmige Kante I56, die einer komplementären Kante in der Maschinenkonstruktion I58 angepaßt ist, so daß das Ständergehäuse relativ zur Achse der Welle 142 genau zentriert ist.

Die zentrale Halterung 150 trägt die Feldwicklung 53 und den Ständerkern 54 mit seinen Generatorwicklungen 65* 65· Daher bilden diese Teile eine Untereinheit ähnlich der Untereinheit 36 nach Fig. 10, die getrennt von dem Ständergehäuse 144 hergestellt und. danach mit diesem mittels der Schrauben 152, 152 zusammengebaut werden kann. Der dargestellte Generator 138 hat keine Abdeckung ähnlich der Seitenabdeckung 40 des Generators 20, und die verschiedenen Leitungen I60 sind durch eine öffnung· 162 geführt. Die dem Generator zugeord-

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neten elektronischen Elemente (d.h. Gleichrichter, Spannungsregler usw.) können ähnlich wie in Fig. 1 bis 10 gezeigt integral montiert sein, oder sie sind an einer anderen Stelle angeordnet und über Leitungen l60 angeschlossen. Die Seitenwand 148 kann eine oder mehrere Ventilationsöffnungen aufweisen, um den Durchgang von Kühlluft in den Innenraum des Ständergehäuses zu ermöglichen, wenn entsprechende Flügel an dem Läufer 28 vorgesehen sind. Andererseits können auch in einigen Fällen Luftöffnungen und Ventilatorflugel beim Läufer fehlen, und die Wärmeableitung kann d.urch andere Mittel als durch Konvektion oder Leitung erfolgen. Beispielsweise können Kühlrippen an der Außenfläche der Hülse 146 und. an der Seitenwand 148 vorgesehen sein. In solchen Fällen einer hermetischen Konstruktion kann auch die Öffnung Ιβ2, durch die die Leitungen ΐβΟ geführt sind, hermetisch mit einem geeigneten Dichtungsmittel verschlossen sein, so daß sich ein insgesamt verschlossener und explosionssicherer Generator ergibt.

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Claims (16)

1. Patentansprüche

   /1. !Elektrischer Generator mit variablem magnetischem Widerstand,

   V / relativ großem Durchmesser, großflächigen Luftspalten, einem

   Ständer mit einem den Magnetfluß leitenden Material sowie einem Läufer mit einem den Magnetfluß leitenden Material, der relativ zum Ständer drehbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer und. der Läufer mindestens einen Hauptflußweg einschließen, in dem erste Elemente zur Bildung zumindest eines parasitären Luftspaltes mit praktisch konstantem magnetischem Widerstand und zweite Elemente zur Bildung zumindest eines aktiven Luftspaltes mit einem abhängig von der Rotationsstellung des Läufers sich ändernden magnetischen Widerstand, eingeschlossen sind, daß die ersten Elemente relativ zu den zweiten Elementen so konstruiert sind, daß für einen vorgegebenen Magnetfluß die Flußdichte in den zweiten Elementen immer die Plußdichte in den ersten Elementen übersteigt, so daß die den aktiven Luftspalt bildenden zweiten Elemente vor den ersten magnetisch gesättigt werden, daß eine einen magnetischen Ruhefluß erzeugende Vorrichtung innerhalb des genannten Flußweges angeordnet ist, wodurch ein variabler Magnetfluß in dem aktiven Luftspalt erzeugt wird, der sich abhängig von der Rotationsstellung des Läufers und umgekehrt proportional zu dem variablen magnetischen Widerstand des aktiven Luftspaltes ändert, und daß dem aktiven Luftspalt eine elektrische Abnahmevorrichtung zugeordnet ist, die eine induzierte elektrische Ausgangsspannung abhängig von dem variablen Magnetfluß im aktiven Luftspalt abgibt.
2. 2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elemente ferner relativ zu den zweiten Elementen so konstruiert sind, daß der magnetische Widerstand des para-

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   sitären Luftspaltes Immer geringer als der minimale magnetische Widerstand des aktiven Luftspaltes ist,
3. 3· Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Widerstand des parasitären Luftspaltes geringer als ein Zehntel des minimalen magnetischen Widerstand des aktiven Luftspaltes ist.
4. 4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Elemente so angeordnet sind, daß von ihnen ausgehende Streuflußwege vergrößert sind, so daß der Anteil an Streufluß für eine vorgegebene gesamte mittlere Flußlänge verringert ist.
5. 5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den parasitären Luftspalt bildenden ersten Elemente eine ringförmige, radial nach innen gerichtete Fläche des Ständergehäuses und eine radial nach außen gerichtete Fläche des Läufers sind, und daß die zweiten, den aktiven Luftspalt bildenden Elemente eine radial nach innen gerichtete Polfläche im Läufer und eine radial nach außen gerichtete Zähnfläche des Ständers sind, wobei die ersten Elemente radial außerhalb der zweiten Elemente angeordnet sind.
6. 6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer ein Ständergehäuse mit einer radial außen angeordneten Hülse und einer eine Seite dieser Hülse magnetisch verschließenden Seitenwand umfaßt, daß in der rohrförmigen Hülse ein zentraler Teil ausgehend, von der Seitenwand zur gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, der einen ringförmigen Gehäusehohlraum mit einem geschlossenen und einem offenen Ende bildet und nahe dem offenen Ende einen ring-

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   förmigen Ständerkern sowie eine ringförmig angeordnete Reihe mit Winkelabstand zueinander vorgesehener Ständerzähne mit radial nach außen gerichteten Zahnflächen umfaßt, daß der Läufer einen ringförmigen Läuferkern aufweist, der den ringförmigen Ständerkern umgibt und relativ zum Ständergehäuse drehbar gelagert ist, daß der Läuferkern eine zylindrische, radial nach außen weisende Fläche aufweist, die einen ringförmigen parasitären Luftspalt mit der rohrförmigen Hülse bildet und ferner eine ringförmig angeordnete Reihe mit Winkelabstand zueinander angeordneter Läuferpole mit radial nach innen gerichteten Polflächen aufweist, die mit den Ständerzahnflächen aktive Luftspalte bilden, deren Fläche sinM. bei Drehung des Läufers relativ zum Ständergehäuse ändert, daß die den Magnetfluß erzeugende Vorrichtung eine ringförmige Feldwicklung ist, die auf dem zentralen Teil zwischen dem Ständerkern und der Seitenwand angeordnet ist, und daß die elektrische Abgabevorrichtung mehrere Generatorwicklungen umfaßt, die die Ständerzähne umgebend angeordnet sind.
7. 7. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkern eine radial außen angeordnete rohrförmige Hülse und. eine ringförmige Schichtung von Blechen umfaßt, die innerhalb der Hülse an dieser befestigt sind und daß die ringförmige Schichtung einen radial äußeren, an der Hülse anliegenden Teil aufweist und ferner die Läuferpole umfaßt, die ausgehend von dem ringförmigen Teil radial nach innen verlaufen.
8. 8. Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer eine separat gefertigte Nabe zur Befestigung auf einer Welle aufweist, von der radial ein plattenförmiger Teil aus nicht magnetischem Material bis zur rohrförmigen

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   Hülse ausgeht, der die Nabe mit der Hülse verbindet.
9. 9· Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Hülse eine Außenkante aufweist, die aus dem ringförmigen Hohlraum des Ständergehäuses vorsteht und daß der plattenförmige Teil des Läufers aus einem gegossenen Material besteht, und die Umfangskante der Nabe sowie die Außenkante der rohrförmigen Hülse einschließt.
10. 10. Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförmige Teil des Läufers eine auf den Gehäusehohlraum gerichtete Innenfläche aufweist, die so ausgebildet ist, daß sie eine ringförmige Reihe radial verlaufender Gebläseflügel bildet, welche mit einer ringförmigen Reihe radialer Luftdurchtrittsschlitze abwechseln.
11. 11. Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Hülse eine aus dem ringförmigen Hohlraum des Ständergehäuses herausragende Außenkante aufweist, daß der plattenförmige Teil des Läufers aus einem gegossenen Material besteht und die Umfangskante der Nabe sowie die Außenkante der rohrförmigen Hülse einschließt und daß die Außenkante der rohrförmigen Hülse eine Reihe von Nuten aufweist, die auf die Luftdurchtrittschlitze, ausgerichtet sind.
12. 12. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Teil des Standergehäuses einen radial innen angeordneten und dauernd an der Seitenwand befestigten Teil, eine diesen Teil in einem Gleitsitz umgebende rohrförmige Halterung und eine lösbare, die rohrförmige Halterung an dem inneren Teil haltende Befestigungsvorrichtung umfaßt, daß die Feldwicklung und der Ständerkern an der rohrförmigen Halterung befestigt sind, so daß die rohrförmige Halterung, die Feldwicklung, der Ständerkern und. die Generatorwicklungen

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    eine Untereinheit bilden, die von dem Ständergehäuse bei Lösung der Befestigungsvorrichtung abgenommen werden kann.
13. 13· Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil des zentralen Teils des Ständergehäuses ein rohrförmiger Wellenhalter ist, der an der Seitenwand befestigt ist und in asialer Richtung des ringförmigen Gehäusehohlraums sowie über die Seitenwand, hinausragend angeordnet ist, daß in dem Wellenhalter eine Welle angeordnet ist, die durch zwei an den Enden des Wellenhalters vorgesehene Lager drehbar gelagert ist und an ihrem der offenen Seite des Gehäusehohlraums zugewandten Ende einen aus dem Wellenhalter herausragenden Außenteil aufweist, und daß der Läuferkern ein Teil des an dem Außenteil der Welle befestigten Läufers ist.
14. 14. Generator nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle einen gegenüber der Innenabmessung des Wellenhalters wesentlich geringeren Durchmesser hat, so daß ein Vorratsraum für Schmiermittel zwischen der Welle und dem Wellenhalter gebildet ist, daß die Welle an ihrem der offenen Seite des Gehäusehbhlraums abgewandten Ende vollständig in dem Wellenhalter angeordnet ist und. daß an dem Wellenhalter eine sein diesem Wellenende zugeordnetes Ende verschließende Kappe befestigt ist, die den Austritt von Schmiermittel verhindert .
15. 15. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine schalenförmige Abdeckung lösbar an dem Standergehäuse nahe dessen Seitenwand befestigt ist und mit der Seitenwand eine Kammer bildet, die zur Aufnahme eines Gleichrichters zur Gleichrichtung von Wechselströmen in einen abzugebenden Gleichstrom dient, und daß Befestigungselemente zur Halterung

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    des Gleichrichters an der Seitenwand vorgesehen sind.
16. 16. Verfahren zur Montage eines Generators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ständergehäuse mit einem ringförmigen Hohlraum und einer geschlossenen Seite hergestellt wird, dessen Hohlraum teilweise durch einen zentralen Teil mit einer zylindrischen Außenfläche gebildet ist, daß eine rohrförmige Halterung mit einer zylindrischen Innenfläche eines solchen Durchmessers hergestellt wird, daß sie auf den zentralen Teil aufschiebbar ist, daß auf der rohrförmigen Halterung zuerst ein ringförmiger Ständerkern mit einer ringförmig angeordneten Reihe radial nach außen weisender Ständerp&e, dann eine ringförmige Feldwicklung und danach mehrere Generatorwicklungen angeordnet werden, die jeweils auf einem der Ständerpole vorgesehen sind, daß die so gebildete Untereinheit aus Halterung, Kern, Feldwicklung und Generatorwicklungen auf den zentralen Teil und. in den Gehäusehohlraum geschoben wird und daß danach diese Untereinheit an der Gehäusekonstruktion befestigt wird.

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