DE3007759A1 - Elektrischer generator mit keramischen dauermagneten sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

• B e s c h r e i b u n g
• Die Erfindung bezieht sich auf einen mit keramischen Dauermagneten bestückten Wechselstromgenerator mit außenliegendem Induktor. Derartige Generatoren haben gewöhnlich einen Außenring oder ein Gehäuse aus magnetischem Material, z.B. aus Weicheisen, welcher bzw. welches den von einer Anzahl von keramischen Dauermagneten ausgehenden Magnetfluß nach außen begrenzt.
• Die Magnete sind an der Innenseite des Rings befestigt, und der Magnetfluß wird, vorzugsweise über entsprechend geformte Polschuhe, zu dem der anderen Seite der Magnete gegenüberliegenden Läufer geleitet.
• In einer solchen Anordnung sind die Magnete in bezug auf die Magnetflußlinien paarweise in Reihe angeordnet.
• Im Falle von keramischen Dauermagneten, welche insbesondere wegen der relativ niedrigen Materialkosten zunehmend verwendet werden, ergeben sich gewisse Schwierigkeiten wegen der besonderen Abmessungen der Magneten, welche zur Einhaltung gewisser Standart-Gesamtabmessungen notwendig sind. Diese Abmessungen ermöglichen kaum die Erzielung von hohen Magnetflußwerten, begünstigen dagegen jedoch das Entstehen von starken Eurzschlußströmen. Diese Eigenschaften bekannter Generatoren mit keramischen Dauermagneten bewirken starke Schwankungen des erzeugten Stroms bei Drehzahländerungen des rotierenden Teils des Generators, gewöhnlich des Induktors.
• Die starken Leistungsschwankungen des Generators wirken sich nicht nur bei der Abnahme von Wechselstrom nacht ein lig aus, sondern auch bei der Speisung eines Gleichstromverbrauchers, z.B. beim Laden von Batterien, da in diesem Falle ziemlich komplizierte Einrichtungen, beispielsweise Brückengleichrichter, zum Gleichrichten der Speisespannung erforderlich sind.
• Ein wichtiges Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines mit keramischen Dauermagneten bestückten elektrischen Generators, welcher bei einfachem Aufbau auch bei veränderlichen Drehzahlen eine keinen stärkeren Schwankungen unterworfene Leistung abgibt.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines Generators der genannten Art, welches einfach durchführbar ist und für industrielle Anwendung eine weitgehende Automatisierung erlaubt.
• Bei einem elektrischen Generator mit einem Induktor und einem Anker, welche relativ zueinander drehbar sind, sowie mit keramischen Dauermagneten, welche mit einander abwechselnd entgegengesetzter Polarität an den dem LBufer zugewandten Seiten in gegenseitigen Abständen entlang dem Umfang des Induktors angeordnet sind, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Induktor Pol schuhe aufweist, welche sich zwischen die einander zugewandten Seiten gleicher Polarität der einander benachbarten Magnete hinein erstrecken.
• Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Generators der vorstehend beschriebenen Art ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß man aus magnetischen Blech eine Anzahl von Zuschnitten stanzt, welche jeweils ein ringförmiges Teil aufweisen, von welchem eine Anzahl von zur Bildung der Polschuhe bestimmten Armen ausgeht, daß man die Zuschnitte zu einem Paket stapelt und befestigt und daß man das aus den Zuschnitten gebildete Paket zum EntSernen der ringförmigen Teile abdreht, um die Polschuhe voneinander zu trennen und die dem Anker zugewandte Oberfläche des Induktors zu formen.
• Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Xeilschnittansicht eines Generators in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 eine grafische Darstellung zum Vergleich der Leistungs-Kennlinien von. verschiedenen Generatoren, Fig. 3 ein Teil des Generators nach Fig. 1, Fig. 4 eine Teilansicht eines Generators in einer gegenüber-Fig. 1 abgewandelten Ausführungsform und Fig. 5 eine Fig. 1 entsprechende Teilansicht eines Generators in einer anderen Ausführungsform.
• Ein in Fig. 1 dargestellter Generator hat einen Induktor 6 und einen (lediglich angedeuteten) Anker 7, welche relativ zueinander drehbar sind. Der Induktor 6 enthält eine Anzahl von parallelepipedförmigen Dauermagneten 8 aus keramischem Material, Die Magnete 8 sind in gleichen gegenseitigen Abständen entlang dem Umfang des Induktors 6 angeordnet, so daß ihre größeren Oberflächen mit abwechselnd entgegengesetzter Polarität dem Anker 7 zugewandt sind. In der Ausführung nach Fig. 1 sind die Magnete 8 einander im wesentlichen paarweise gegenüberliegend angeordnet.
• Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung enthält der Induktor 6 eine Anzahl von Polschuhen 9, welche sich im wesentlichen in tangentialer Richtung zwischen die die gleiche Polarität aufweisenden Seiten jeweils zweier benachbarter Magnete 8 erstrecken. Wie man anhand der in Fig. 1 dargestellten Magnetflußlinien erkennt, ist auf diese Weise jeweils ein geschlossener Magnetstromkreis für die einzelnen Magnete 8 gebildet, so daß diese. im wesentlichen unabhangig voneinander wirksam sind. Die Magnete sind somit als parallele Magnetflußerzeuger wirksam, so daß bei gleichen Abmessungen beträchtlich stärkere Nagnetströme ersielbar sind als bei den vorstehend genannten bekannten Generatoren. Daher kann der erfindungsgemäße Generator bei gegebener Nennleistung mit höheren Spannungen im Leerlauf und mit niedrigeren Kurzschlußströmen arbeiten.
• Eine solche elektrische Leistungscharakteristik ermöglicht bekanntlich die Speisung eines Verbrauchers, welche bei Drehzahländerungen des Generators kaum irgendwelchen Schwankungen unterworfen ist. Fig. 2 zeigt in der Kurve A den Verlauf der Ausgangs spannung V in Abhängigkeit von der Drehzahl n eines bekannten Generators.
• Die Kurve B zeigt die Ausgangs spannung eines idealen Generators, und die Kurve C zeigt den in Untersuchungen ermittelten Verlauf der Ausgangs spannung eines Generators gemaß der Erfindung mit im wesentlichen gleichen Abmessungen und unter den gleichen Arbeitsbedingungen wie der vorstehend genannte Generator bekannter Ausführung.
• Die sehr flach verlaufende Kurve C ist dem idealen Verlauf der Kurve B weitgehend angenähert. Aus der Kurve C ist zu erkennen, daß-der erfindungsgemäße Generator bereits bei niedrigen Drehzahlen eine relativ hohe Leistung abgibt. Daraus ergibt sich, daß bei Verwendung eines Gleichstromverbrauchers ein einfacher und allgemein bekannter Gegentaktgleichrichter anstelle eines sehr viel aufwendigeren Brückengleichrichters verwendet werden kann, um den erzeugten Strom gleichzurichten.
• Andersherum wird der erfindungsgemäße Generator bei gleichbleibender Drehzahl kaum von Anderungen der Belastung beeinflußt.
• Die in Fig. 1 dargestellten Polschuhe 9 sind aus übereinander gestapelten Magnetblechen gebildet und haben einen in Abhängigkeit von der Größe des Magnetflusses im Induktor zwischen zwei benachbarten Magneten 8 veränderlichen Querschnitt. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß jeder Polschuh 9 den die gleiche Polarität aufweisenden Magnetfluß er beiden benachbarten Magnete 8 sammelt und dem Anker 7 zuleitet. Der veränderliche Querschnitt der Pakete oder Polschuhe 9 bewirkt eine optimale leitung des Magnetflusses, da weder Einschnürungen noch übermäßig große Querschnitte vorhanden sind, welche. anderenfalls zu unerwünschten Verlusten führen würden. Im Gegensatz dazu ist der Magnetfluß bei bekannten Generatoren der genannten Art nach außen durch den Ring aus magnetischem Material abgeschlossen. Da dieser einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist, findet die veränderliche Größe des Magnetflusses hier keine Berücksichtigung. Der Magnetstromkreis des Induktors 6 kann in einem nicht magnetischen Material z.3. Zamac oder Aluminium, eingebettet, etwa eingegossen oder eingeformt sein.
• In diesem Falle hat der Induktor 6 einen besonders steifen Aufbau, da die Polschuhe 9 sicher in dem nicht magnetischen Material 10 eingebettet und dadurch festgehalten sind.
• Der Induktor 6 mit den Polschuhen 9 ist vorzugsweise aus einer Vielzahl von Belchzuschnitten 12 zusammengesetzt, welche jeweils ein inneres ringförmiges Teil 11 aufweisen, an welchem eine Anzahl von für die Bildung der Polschuhe 9 bestimmten Armen 91 hervorsteht. Ein solcher, in Fig. 3 dargestellter Zuschnitt 12 hat somit etwa die Borm eines Kreissägeblatts mit einander teilweise überlappenden Zähnen bzw. Armen 91. Die Zuschnitte 12 2 werden in bekannter Weise übereinandergestapelt und miteinander zu einem Paket verbunden. In die Zwischenräume zwischen den einander überlappenden Teilen der Arme 91 bzw. Polschuhe 9 werden dann die Magnete 8 eingesetzt, so daß sie ohne irgendwelche zusätzliche Befestigung allein aufgrund der Elastizität des aus den Zuschnitten gebildeten Pakets festgehalten werden.
• Dieses einfache Verfähren für den Zusammenbau ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung von keramischen Magneten, welche bekanntlich sehr spröde sind und bei der Befestigung auf bekannte Weise, z.B. durch Nieten, leicht brechen können. Außerdem ermöglicht dieses Verfahren eine sehr genaue Einhaltung der Abstände 14 zwischen den einzelnen Magneten 8 (Fig. 1), was für den optimalen Betrieb des Generators von großer Bedeutung ist. Die besondere Form des Induktors 6 ermöglicht insbesondere auch im Hinblick auf die begrenzten Abmessungen die Verwendung von Magneten 8 von äußerst einfacher Form, einer größeren Dicke und insgesamt kleinerem Querschnitt-als in herkömmlichen Ausführungen. Die Magnete weisen daher eine höhere Festigkeit auf und erleichtern die Einhaltung von Maßtoleranzen.
• Nach dem Einsetzen der Magnete 8 in das aus den Zuschnitten 12 gebildete Paket wird dieses gegebenenfalls in das nicht magnetische Material 10 eingebettet und kann dann an der Innenseite abgedreht werden, um die ringförmigen Teile 11 zu entfernen und die Innenseite des Induktors 6 entsprechend der gestrichelten Linie 13 in Fig. 3 zu formen. Nach dem Abdrehen sind die Polschuhe 9 dann voneinander getrennt, und der Induktor hat die in Fig. 1 dargestellte Form.
• Um eine besonders sichere Befestigung der Magnete 8 zu erzielen, können diese ein besonderes Profil erhalten, beispielsweise an einer Seite gewölbt sein, wie in Fig. 4 d'argestellt, wobei die entsprechenden Angriffsflächen der Polschuhe 9 ebenfalls gewölbt sind, um einen festen Sitz der Magnete zu gewährleisten.
• Eine weitere Ablachung der in Fig. 2 gezeigten Kurve C ist dadurch erzielbar, daß wenigstens ein Polschuh 9 mit wenigstens einer Eurzschlußwindung 15 versehen wird (Fig. 1). Die Windung 15 braucht dabei nicht besonders befestigt zu werden, daß sie vom jeweiligen Magnet 8 am Abgleiten gehindert ist.
• Aus der vorstehenden Beschreibung sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Generators selbst sowie des Verfahrens zu seiner Herstellung ersichtlich.
• Die erzielbaren starken Magnetströme ermöglichen die Erzeugung hoher Spannungen in jeder Windung des Ankers 7, so daß für dessen (nicht dargestellte) Wicklung eine verringerte Kupfermenge notwendig ist. Der von dem erfindungsgemäßen Generator erzeugte sehr niedrige Kurzschlußstrom verringert darüber hinaus die thermische Belastung der Wicklung, wodurch sich die Betriebssicherheit des Generators erhöht.
• Der vorstehend beschriebene Generator kann im Rahmen der Erfindung auf verschiedene Weise abgewandelt werden.
• So können die Pol schuhe 9 des Induktors 6 aus einzelnen Blechteilen geformt sein, wie in Fig. 5 dargestellt.
• In diesem Falle können die Blechteile 9 zunächst an einzelnen Punkten 17 an der Außenseite eines Metallrings 16 angeschweißt werden. Nach dem Einsetzen der Magnete 8 zwischen die einander übergreifenden Teile der Polschuhe 9 und gegebenenfalls Einbetten des Induktors in einem nicht magnetischen Material kann der Ring 16 dann wie vorstehend beschrieben durch Abdrehen entfernt werden.
• Anderenfalls können die Pol schuhe 9 auch zunächst an einzelnen Punkten 18 an der Innenseite eines (gestrichelt dargestellten) Außenrings 20 angeschweißt werden, welcher gegebenenfalls aus einem nicht magnetischen Material sein kann und dann nicht entfent zu werden braucht.
• Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, daß der Induktor 6 als das innere Element eines Generators ausgebildet und von einem als ringförmiges äußeres Element ausgebildeten Anker 7 umgeben ist.
• Leerseite

Claims (10)

1. Elektrischer Generator mit keramischen Dauermagneten sowie Verfähren zu seiner Herstellung P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Elektrischer Generator mit einem Induktor und einem relativ zu diesem drehbaren Läufer sowie mit keramischen Dauermagneten, welche mit einander abwechselnd entgegengesetzten Polaritäten an den dem Läufer zugewandten Seiten in gegenseitgen Abständen entlang dem Umfang des Induktors angeordnet sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Induktor (6) Polschuhe (9) aufweist, welche sich zwischen die einander zugewandten Seiten gleicher Polarität der einander benachbarten Magnete (8) erstrecken.
2. 2. Generator nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß sich der Querschnitt der Polschuhe (9) in Abhängigkeit von der Größe des Magnetflusses im Induktor zwischen benachbarten Magneten (8) ändert.
3. 3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Magnete (8) im wesentlichen Parallelepipedform haben.
4. 4. Generator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß jeweils wenigstens eine der mit den Polschuhen (9) in Berührung stehenden Seiten der Magnete (8) eine nicht ebene Form aufweist und daß die entsprechende Berührungsfläche des betreffenden Polschuhs komplementär geformt ist.
5. 5. Generator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß wenigstens ein Polschuh (9) wenigstens eine Eurzschlußwicklung (15) trägt.
6. 6. Generator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Polschuhe (9) an einem Außenring (20) aus nicht magnetischem Werkstoff angeschweißt sind.
7. 7. Verfahren zum Herstellen eines Generators nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß man aus magnetischem Blech eine Anzahl von Zuschnitten stanzt, welche jeweils ein ringförmiges Teil aufweisen, von welchem eine Anzahl von zur Bildung der Polschuhe bestimmten Armen ausgeht, daß man die Zuschnitte zu einem Paket stapelt und befestigt und daß man das aus den Zuschnitten gebildete Paket zum Entfernen der ringförmigen Teile abdreht, um die Polschuhe voneinander zu trennen und die dem Läufer zugewandte Oberfläche des Induktors zu formen.
8. 8. Verfahren zum Herstellen eines Generators nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Polschuhe an einem metallenen Innenraing angeschweißt oder -gelötet werden1 und daß der Innenring anschließend durch Abdrehen entfernt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Magnete vor dem Abdrehen in die Zwischenräume zwischen benachbarten Polschuhen eingesetzt und federnd darin festgehalten werden, um eine Versteifung zu erhalten.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Induktor nach dem Einsetzen der Magnete und vor dem Abdrehen in ein vorzugsweise schmelzflüssiges nicht magnetisches Material eingebettet wird, so daß die Polschuhe und Magnete dann in dem Material festgehalten sind.