DE2541694A1

DE2541694A1 - Electric motor with axial airgap - has annular armature stack with toroidal winding with excitation system opposite armature end face

Info

Publication number: DE2541694A1
Application number: DE19752541694
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Volkrodt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1975-09-18
Publication date: 1977-03-24

Abstract

Electric motor having an axial air-gap and d.c. flux field excitation is fitted with a rotatable annular armature stack having a toroidal winding and made of a ferromagnetic material. At least one excitation system is arranged opposite one end face of the armature to create a d.c. flux field that enters the armature stack in an axial direction. The toroidal wound wires only be immediately adjacent or contiguous to one another on the outer periphery or on the end-face of the armature and their surface is bared to form a commutator against which the carbon brushes are located in the zones of the pole-changes or reversals.

Description

Elektrische Maschine mit axialem LuftspaltElectric machine with axial air gap

Die Erfindung betrifft eine Kommutatormaschine mit Gleichflußerregung. Die herkömmlichen elektrisch oder dauermagneterregten Gleichstrommaschinen mit radialem Luftspalt benötigen einen gesonderten Kommutator und weisen große Wickelköpfe auf. Insgesamt sind diese Maschinen relativ voluminös und erfordern einen hohen Fertigungsaufwand. Bekannt sind auch Gleichstrommaschinen mit Dauermagneterregung und axialem Luftspalt, wobei der Anker aus einer Isolierstoffscheibe mit flachen, blanken Leitern besteht, die zugleich den Kommutator bilden, auf dem in axialer Richtung die Kohlebürstm aufliegen. Diese räumlich zwar günstigeren Scheibenmaschinen haben jedoch eine nur geringe mechanische Stabilität und ihre Wärmekapazitat ist ebenfalls gering (Gefahr der Stoßstromüberlastung).The invention relates to a commutator machine with constant flux excitation. The conventional electric or permanent magnet excited DC machines with radial Air gaps require a separate commutator and have large winding heads. Overall, these machines are relatively bulky and require a lot of manufacturing effort. DC machines with permanent magnet excitation and an axial air gap are also known, where the anchor consists of an insulating disk with flat, bare conductors, which at the same time form the commutator on which the carbon brush in the axial direction rest. These spatially cheaper disc machines only have one low mechanical stability and their heat capacity is also low (danger the surge current overload).

Ferner ist diese Ausführung sehr werkzeugintensiv.Furthermore, this version is very tool-intensive.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Kommutatormaschine mit Gleichflußerregung, die besonders wirtschaftlich herstellbar ist und zugleich eine gute Modell ausnutzung durch ein großes Drehmoment bei verhaltnismäßig kleiner Bauweise erlaubt. Sie geht von einer elektrischen Maschine mit axialem Luftspalt aus, die erfindungsgemäß ein umlaufendes, mit einer Ringwicklung versehenes ringförmiges Ankerpaket aus ferromagnetischem Material, sowie wenigstens ein gegenüber einer Ankerstirnseite angeordnetes, einen axial in das Ankerpaket eintretenden Gleichfluß erzeugendes Erregersystem aufweist, wobei am Außenumfang oder an der Stirnseite des Ankers die Wicklungsdrähte nur nebeneinander liegen, ihre Oberfläche einen Kommutator bildend blank geschliffen ist und gegen diese in den Zonen des Polwechsels angeordnete Kohlebürsten anliegen.The invention aims to create a commutator machine Constant flow excitation, which is particularly economical to produce and at the same time a good model utilization due to a large torque with a relatively small design permitted. It is based on an electrical machine with an axial air gap, which according to the invention a circumferential ring-shaped one provided with a ring winding Armature package made of ferromagnetic material, as well as at least one opposite one Arranged at the armature face, a constant flow axially entering the armature package having generating excitation system, on the outer circumference or on the front side of the armature the winding wires just lie next to each other, their surface a commutator is ground to form bright and arranged against this in the zones of the pole change Carbon brushes.

Der von dem Erregersystem kommende, axial in das Ankerpaket eintretende Gleichfluß verläuft in diesem in Umfangsrichtung weiter und tritt bei der entgegengesetzten Polarität des Erregersystems stirnseitig wieder aus. In der Ringwicklung des Ankers werden Spannungen induziert, die bei Generatorbetrieb von den Kohlebürsten abgegriffen werden bzw. wird über diese Bürsten bei Motorbetrieb der zur Drehmomentbildung notwendige Strom zugeführt.The one coming from the excitation system and entering the armature package axially Constant flow continues in this in the circumferential direction and occurs in the opposite direction Polarity of the excitation system off again at the front. In the ring winding of the armature voltages are induced that are generated by the carbon brushes when the generator is in operation tapped are or becomes the necessary for torque generation via these brushes during motor operation Electricity supplied.

Besonders zweckmäßig ist es, gegenüber beiden Stirnseiten des Ankerpaketes je ein Erregersystem anzuordnen, wobei die Erregung entweder durch Dauermagnete oder durch elektrisch erregte Pole erfolgen kann. Bei der erfindungsgemäßen Maschine wird zunächst ein gesonderter Kommutator erspart und durch die Ringwicklung ergibt sich eine nicht unwesentliche Kupfereinsparung, da große Wickelköpfe entfallen. Ferner erfordert die Maschine eine nur einfache Fertigungstechnik. Weiterhin sind große Luftspaltdurchtrittsflächen vorhanden, die wiederum einen großen Fluß und damit ein ebenfalls großes Drehmoment ergeben. Aufgrund der kompakbn Bauweise ist eine gute Modellausnutzung gegeben.It is particularly useful opposite both end faces of the anchor assembly each to arrange an excitation system, the excitation either by permanent magnets or by electrically excited poles. In the machine according to the invention a separate commutator is initially saved and is provided by the ring winding There is a not inconsiderable copper saving, since large winding heads are not required. Furthermore, the machine only requires simple manufacturing technology. Furthermore are large air gap passage areas available, which in turn have a large flow and thus also result in a large torque. Due to the compact design given a good model utilization.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit einer sehr einfachen Drehzahlregelung. Zu diesem Zweck wird das oder werden die Erregersysteme axial verschiebbar ausgeführt, so daß sich der aus spalt zwischen Anker und Erregersystem wahlweise vergrößern läßt, wodurch eine Feldschwächung und damit eine stufenlose Erhöhung der Drehzahl erfolgt. Eine andere Ausführung besteht darin, daß man zur Erregung sowohl Dauermagnete als auch elektrisch erregte Pole vorsieht, wobei die elektrisch erregten Pole von der Magnetisierung in Flußrichtung zum Luft spalt hin in die entgegengesetzte Richtung ummagnetisiert werden können. Dabei kommt der Dauermagnetfluß von einer anfänglichen Parallelschaltung zum elektrisch erregten Fluß in eine Reihenschaltung zu letzterem, wodurch sich im Grenzfall die in den Windungen der Ringwicklung induzierten Spannungen Ui gegenseitig aufheben. Bei Betrieb als Motor läßt sich somit die Drehzahl stufenlos sehr hoch einstellen, während bei Betrieb als Generator die Spannung gegen 0 abfällt.Another advantage is the possibility of a very simple one Speed control. For this purpose, the excitation system or systems become axial Executed movable, so that the gap between the armature and the excitation system can optionally increase, whereby a field weakening and thus a stepless The speed is increased. Another implementation is that one to Excitation provides both permanent magnets and electrically excited poles, the electrically excited poles from the magnetization in the direction of flow to the air gap can be remagnetized in the opposite direction. This is where the permanent magnetic flux comes in from an initial parallel connection to the electrically excited flux to a series connection to the latter, which in the limit case induces in the turns of the ring winding Tensions Ui cancel each other out. When operated as a motor, the speed Set continuously very high, while when operating as a generator the voltage is against 0 drops.

Die erfindungsgemäße Maschine ist anhand der Zeichnungen in einigen Ausführungsbeispielen beschrieben.The machine according to the invention is based on the drawings in some Embodiments described.

Fig. 1 zeigt - rein schematisch - den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Maschine, während die Fig. 2 und 3 Schnitte gemäß den Linien A-A und B-B in Fig. 1 sind. Auf der Welle 1 sitzt fest ein scheibenförmiger Tragkörper 2, der unter Zwischenfügung einer Isolierung das ringförmige Ankerpaket 3 trägt. Dieses Ankerpaket kann aus Eisenblech oder Eisendraht gewickelt sein und ist mit einer Ringwicklung 4 versehen. Zu beiden Seiten des Ankerpaketes ist e ein Erregersystem 5 und 6 an den Lagerschilden 7 und 3 befestigt. Die Erregersysteme erzeugen einen Gleichflu(3, der axial in das Ankerpaket eintritt, in diesem in Umfangsrichtung weiter verl-iuft und bei der entgegengesetzten Polarität der Erregersysteme stirnseitig wieder austritt. Am Außenumfang des Ankers sind die Drähte 4' der Ringwicklung 4 so angeordnet, daß sie nur nebeneinander liegen und ihre Oberflachen sind blank geschliffen, um einen Kommutator zu bilden. In in neutralen Zonen 9 zwischen den Polen der Erregersysteme sind Brstenhalter 10 so angeordnet, daß die Kohlebürsten gegen die blanken Leiter 4' der Ringwicklung anliegen. Über diese Bürsten wird der Ringwicklung der zur Drehmomentbildung notwendige Strom zugeführt bzw. wird bei Generatorbetrieb die in der RingwidQung induzierte Spannung abgegriffen.Fig. 1 shows - purely schematically - the basic structure of the invention Machine, while Figs. 2 and 3 sections according to the lines A-A and B-B in Fig. 1 are. Sitting on shaft 1 firmly a disk-shaped support body 2, which carries the annular armature package 3 with the interposition of insulation. This anchor package can be wound from sheet iron or iron wire and is with a ring winding 4 is provided. There is an excitation system on both sides of the armature package 5 and 6 attached to the end shields 7 and 3. The excitation systems generate one Constant flow (3, which enters axially into the armature package, in this in the circumferential direction continues and with the opposite polarity of the excitation systems on the face side exits again. The wires 4 ′ of the ring winding 4 are on the outer circumference of the armature arranged so that they just lie next to each other and their surfaces are bare ground to form a commutator. In in neutral zones 9 between the Poles of the excitation systems, brush holders 10 are arranged so that the carbon brushes against the bare conductor 4 'of the ring winding. The Ring winding the current necessary for torque generation is supplied or is at Generator operation tapped the voltage induced in the ring circuit.

Sieht man nur auf einer Seite des Ankers ein Erregersystem voretwa bei Maschinen kleiner Leistung -, dann können die KohlebUrsten auf der entgegengesetzten Seite angeordnet werden,und die entsprechenden seitlichen Wicklungsdrähte bilden den Kommutator.If you only see an excitation system on one side of the anchor, for example with machines of low power - then the carbon brushes can be on the opposite side Side are arranged, and form the corresponding side winding wires the commutator.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Erregersystems mit Dauermagneten. Dabei sind mit 11 weichmagnetische Polstücke und mit 12 zwischen diesen und dem Rückschluß.ioch 13 angeordnete, radial magnetisierte Magnetblöcke bezeichnet. Zur Erhöhung der Luft spaltinduktion sind zusätzliche, tangential magnetisierte Dauermagnetblöcke 14 zwischen den Polen 11 eingebracht. Die weichmagnetischen Rückschlüsse 13 des Erregersystems können hochgesättigt sein, so daß sie magnetische Engpässe bilden. Dadurch wird der Temperaturgang von beispielsweise Barkun- Ferritmagne ten weitgehend kompensiert.Fig. 4 shows an embodiment of an excitation system with permanent magnets. Here are with 11 soft magnetic pole pieces and with 12 between these and the Rückschluss.ioch 13 referred to arranged, radially magnetized magnet blocks. To the Additional, tangentially magnetized permanent magnet blocks increase the air gap induction 14 introduced between the poles 11. The soft magnetic conclusions 13 of the Excitation systems can be highly saturated, so that they form magnetic bottlenecks. As a result, the temperature drift of, for example, Barkun ferrite magnets is largely compensated.

Statt eines Erregersystems mit Dauermagneten kann auch ein solches mit elektrisch erregten Polen Verwendung finden, wie dies die Fig.Instead of an excitation system with permanent magnets, one can also use one with electrically excited poles are used, as shown in Fig.

5 a und b zeigen. Dabei sind mit 15 die Pole des Systems und mit 16 die diese umgebenden Erregerspulen bezeichnet.5 a and b show. With 15 the poles of the system and with 16 which denotes these surrounding excitation coils.

In Fig. 6 sind die Erregersysteme 17 und 18 an Platten 19 und 20 angeordnet, die ihrerseits axial verschiebbar auf Bolzen 21 sitzen.In Fig. 6, the excitation systems 17 and 18 are arranged on plates 19 and 20, which in turn sit axially displaceably on bolts 21.

Die Platten 19 und 20 stehen unter der Wirkung von Federn 22 und können mit Hilfe eines Seilzuges 23 vom Anker 3 wegbewegt werden.The plates 19 and 20 are under the action of springs 22 and can be moved away from the armature 3 with the aid of a cable pull 23.

Auf diese Weise läßt sich der Luftspalt 8 vergrößern, wodurch eine Feldschwächung eintritt. Dadurch wiederum ist eine stufenlose Drehzahlerhöhung des Motors möglich. Bei Verwendung des Motors fUr den Antrieb eines Elektrofahrzeugs kann der Seilzug von einem FuEpedal 24 betätigt werden.In this way, the air gap 8 can be enlarged, whereby a Field weakening occurs. This in turn enables the speed to be increased continuously Motor possible. When using the motor to drive an electric vehicle the cable can be operated by a FuEpedal 24.

Eine weitere Ausführungsform zur Drehzahlregelung bzw. Spannungsregelung der erfindungsgemäßen Maschine zeigen die Fig. 7 a und b.Another embodiment for speed regulation or voltage regulation the machine according to the invention is shown in FIGS. 7 a and b.

Hier werden gemischt erregte Systeme verwendet, d.h. auf der einen Stirnseite des Ankerpaketes 3 ist ein Erregersystem 25 mit Dauermagneten und auf der anderen Stirnseite ein Erregersystem 26 mit elektrisch erregten Polen vorgesehen. Die elektrisch erregten Pole sind zunächst so magnetisiert, daß der Fluß in Richtung zum Luftspalt hin verlauft. Dauermagnetfluß und elektrisch erregter Fluß sind parallel geschaltet, so daß sich die in den Windungen der Ringwicklung induzierten Spannungen Ui addieren. Es ergibt sich somit ein hoher Fluß und eine kleine Drehzahl. Bei Ummagnetisierung der elektrisch erregten Pole in entgegengesetzte Richtung, also vom Luftspalt weg, verläuft der magnetisch Fluß nur in eine Richtung (Fig. 7 b), so daß der Dauermagnetfluß in Reihenschaltung zum elektrisch erregten Fluß kommt. Im Grenzfall heben sich dabei die in der RingwicWLzng induzierten Spannungen Ui gegenseitig auf und man erhält eine hohe Drehzahl bzw. bei Generatorbetrieb fällt die Spannung gegen 0 ab.Mixed excitation systems are used here, i.e. on the one hand The end face of the armature package 3 is an excitation system 25 with permanent magnets and on the other end face an excitation system 26 with electrically excited poles is provided. The electrically excited poles are initially magnetized so that the flux in the direction runs towards the air gap. Permanent magnetic flux and electrically excited flux are parallel switched so that the voltages induced in the turns of the ring winding Add Ui. This results in a high flow and a low speed. In case of magnetization reversal of the electrically excited poles in the opposite direction, i.e. away from the air gap, the magnetic flux runs only in one direction (Fig. 7 b), so that the permanent magnetic flux comes in series connection to the electrically excited flow. In the borderline case they stand out the voltages Ui induced in the ring winding are mutually increased and one obtains a high speed or with generator operation, the voltage drops to 0.

7 Figuren 3 Ansprüche7 figures 3 claims

Claims

Claims i Electrical machine with axial air gap, characterized by a circumferential, ring-shaped armature package provided with a ring winding (4) (3) made of ferromagnetic material, as well as at least one opposite an armature face arranged, an axially entering the armature package generating constant flux Excitation system (5, 6), on the outer circumference or on the face of the armature Winding wires (4 ') just lie next to each other, their surface a commutator is ground to form bright and arranged against this in the zones (9) of the pole change Carbon brushes (10) are in contact.

2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that opposite both ends of the armature package (3) e a exciter system (5, C, 17,18,25,26) is arranged.

3. Electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that that the excitation takes place by permanent magnets (12).

4. Electrical machine according to claim 1 or 2, characterized by electrically excited poles (15, 16).

5. Electrical machine according to claim 3, characterized in that to increase the air gap induction between the pole pieces more pronounced ferromagnetic Poles (11) additional, tangentially and radially magnetized permanent magnets (14) are provided are.

6. Electrical machine according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that the WeicEmagnetischen conclusions (13) of the excitation systems are highly saturated are.

7. Electrical machine according to one of claims 1 to 6, characterized characterized, that for the speed setting by changing the air gap, the excitation system or systems (17, 18) are arranged to be axially displaceable.

3. Electrical machine according to claim 2, characterized in that that both permanent magnets (25) and electrically excited poles (26) are provided for excitation are, the electrically excited poles of the magnetization in the flow direction towards the air gap can be reversed in the opposite direction.