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Elektrische Maschine mit einem Klauenpolläufer
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Klauenpolläufer,
bei dem die mit zwei auf einer aus amagnetischem Material bestehenden Welle gegenüberliegend
angeordneten Klauenträgern verbundenen Klauen axial ineinandergreifen, wobei sowohl
in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Klauen als auch in axialer Richtung jeweils
zwischen den mit dem einen Klauenträger verbundenen Klauen und dem jeweils anderen,
gegenpoligen Klauenträger Zwischenräume gebildet sind.
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Eine solche Maschine ist durch die DE-AS 19 23 586 bekannt.
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Derartige Maschinen weisen, unabhängig davon, ob sie durch koaxial
angeordnete Spulen oder Permanentmagnete erregt sind, wegen der großen Begrenzungsflächen
der benachbarten Klauen eine sehr hohe Läuferstreuung auf. Dies bewirkt einerseits
ein sehr weiches Belastungsverhalten und verringert andererseits durch Sättigung
den nutzbaren, die Ständerwicklung induzierenden Polfluß. Dies bedingt eine sehr
kurze Bauweise der Maschinen und beschränkt die Ausnutzung, was zu großem Raumbedarf
und hohem Leistungsgewicht führt. Der nutzbare Polfluß der permanentmagneterregten
Maschinen ist außerdem nicht steuerbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zumindest teilweise
permanentmagneterregte Maschine der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die
die Nachteile hoher Läuferstreuung vermeidet und auch hinsichtlich ihres nutzbaren
Polflusses steuerbar ist.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch,
daß in zumindest einem Teil der Zwischenräume zwischen benachbarten Klauen und/oder
zwischen den Klauen
und dem jeweiligen gegenpoligen Klauenträger
Permanentmagnete angeordnet sind.
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Dadurch, daß sich die einzelnen Klauen in radialer Richtung bis zur
Maschinenwelle erstrecken, steht ein sehr großes Volumen für die Permanentmagnete
zur Verfügung.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung sind die einen Permanentmagneten
einschließenden Flächen der Klauenpole bzw. der Klauenpole und des betreffenden
Klauenträgers planparallel ausgebildet, was die Verwendung plattenförmiger Magnete
begünstigt.
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Zumindest ein Teil der Permanentmagnete kann aus einem Gemisch von
aushärtbarem Kunststoff und darin eingebetteten Teilchen aus Magnetwerkstoff bestehen.
Werden solche Magnete vor dem Aushärten des Kunststoffes, also in zähflüssigem oder
teigigem Zustand, in den Läufer eingebracht, so ist damit Unabhängigkeit von der
geometrischen Gestalt der betreffenden Zwischenräume gegeben.
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Um den nutzbaren Polfluß steuerbar zu machen, sind den Klauenträgern
durch Luftspalte von ihnen getrennte, ruhende, magnetisch leitfähige Teile zugeordnet,
über die dem Läufer ein magnetischer Absatz- oder Zusatzfluß entnehmbar bzw.
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zuführbar ist.
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Ein Absatzfluß wird von dem von den Permanentmagneten erzeugten Gesamtfluß
abgezweigt, wodurch der nutzbare Polfluß vermindert wird. Umgekehrt addiert sich
ein Zusatzfluß zum Fluß der Permanentmagnete, was eine Zunahme des nutzbaren Polflusses
ergibt. Die Größe und Richtung des Absatz- bzw.
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Zusatzflusses ist durch zumindest eine gleichstromgespeiste und diesen
Fluß umfassende Wicklung steuerbar.
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Der Absatz- bzw. Zusatzfluß kann über die Lagerschilde und das Gehäuse
der Maschine geführt und damit sein-magnetischer Kreis geschlossen sein.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird
die Erfindung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Maschine
mit einem Klauenpolläufer, der zumindest teilweise durch Permanentmagnete erregt
ist, Fig. 2 einen Längsschnitt durch diese Maschine und Fig. 3 einen Schnitt durch
den Läufer entlang der Linie 111-111 in Fig. 1.
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Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, ist in einem magnetisch leitfähigen
Gehäuse 1 ein Ständerblechpaket 2 mit einer Wicklung 3 untergebracht. Der Läufer
der Maschine besteht aus eisernen Klauenträgern 5 und 7, mit denen je vier Klauen
6 bzw. 8 verbunden sind. Die Klauenträger 5 und 7 und ihre Klauen 6 und 8 sitzen
auf einer amagnetischen Welle 4. Zwischen je zwei benachbarten Klauen 6 und 8, die
Gegenpole bilden, sind gemäß Fig. 1 plattenförmige Permanentmagnete 9 angeordnet
und durch Keile 10 festgehalten.
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Damit derartige, leicht herstellbare Magnete zwecks ungehinderter
Wirksamkeit an den sie einschließenden Klauenflächen satt anliegen, sind diese Flächen
planparallel ausgebildet. Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt des Läufers durch die
Mittelebene eines Permanentmagneten 9. Der ihn haltende Keil 10 erstreckt sich nur
über die Länge des Permanentmagneten 9. Die Ausnehmungen der Klauen 6 und 8, in
denen der Keil verankert ist (Fig. 1), müssen daher nicht bis zu den Stirnseiten
der Klauenträger 5 und 7 durchgefräst werden.
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Damit werden, wie aus Fig. 3 hervorgeht, Unterbrechungen an den Stirnflächen
der Klauenträger 5 und 7, die in gegenüber den Stirnflächen ruhend angeordneten
Teilen 12 und 15 Wirbelströme ergeben würden, vermieden.
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Die an den Flanken einer Klaue 6 anliegenden, tangential wirkenden
beiden Permanentmagnete 9 erzeugen zusammen den die Ständerwicklung 3 induzierenden
nutzbaren Polfluß des durch die Klaue 6 gebildeten Poles sowie den im Nebenschluß
zu diesem Fluß verlaufenden gesteuerten Fluß dessen Weg in Fig. 2 aufgezeigt ist.
Der gesteuerte Fluß vereinigt sich im Klauenträger 5 mit den gesteuerten Flüssen
G der drei anderen Klauen 6, tritt dann stirnseitig aus diesem Klauenträger 5 aus
und über einen kleinen Luftspalt in den magnetisch leitfähigen ruhenden Teil 12
und den zweiteiligen Lagerschild 11 ein, wird von diesem an das magnetisch leitfähige
Gehäuse 1 abgegeben, von dem er über den zweiteiligen Lagerschild 14 und den magnetisch
leitfähigen, ruhenden Teil 15 sowie einen kleinen Luftspalt zum Klauenträger 7 verläuft.
Die beiden von den steuerten Flüssen G axial durchsetzten, mit dem Lagerschild verbundenen
ruhenden Teile 12 und 15 tragen gleichstromgespeiste Wicklungen 13 und 16, mit deren
Durchflutung die Flüsse nach Größe und Richtung gesteuert werden. Bei den in den
Fig. 1 und 2 eingezeichneten Richtungen des Polflusses und des gesteuerten Flusses
G wirkt der gesteuerte Fluß als Absatzfluß, d.h. er verringert den nutzbaren Polfluß
Mit zunehmender Durchflutung der Wicklungen 13, 16 wird dieser gesteuerte Fluß Gs
d.h. der Absatzfluß, vermindert, um dann, durch Null gehend, seine Richtung umzukehren
und als wachsender Zusatzfluß zu wirken, also den nutzbaren Polfluß N zu verstärken.
ber den durch die Wicklungsdurchflutung unmittelbar gesteuerten Fluß G wird somit
auch der nutzbare Polfluß N - mittelbar - gesteuert.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, reichen die Stirnflächen der ruhenden
Teile 12 und 15 bis zur Welle 4, damit die gesamte Stirnfläche der Klauenträger
5, 7 für den Durchtritt der gesteuerten Flüsse G wirksam und somit der magnetische
Widerstand für diese Flüsse möglichst klein ist. Um nun für einen Ausbau des Läufers
oder der Wicklungen 13, 16 nicht die Wälzlager von der Welle 4 abziehen zu müssen,
sind die
Lagerschilde 11 und 14- zweiteilig ausgeführt. Nach Lösen
der in der Zeichnung nicht dargestellten Verbindung der ruhenden Teile 12 und 15
mit den Lagerschilden 11 und 14 können die Hälften der Lagerschilde 11 und 14 sowie
die auf den ruhenden Teilen 12 und 15 angeordneten Wicklungen 13 und 16 abgenommen
werden. Danach kann der Läufer mit den auf der Welle verbleibenden Lagern einschließlich
der ruhenden Teile 12 und 15 ausgebaut werden.
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Um die permanentmagnetische Erregung zu verstärken und gleichzeitig
die Läuferstreuung weiter zu verringern, können auch in den Zwischenräumen zwischen
den Klauen 6, 8 und den gegenpoligen Klauenträgern 5, 7 - in Fig. 2 ist dies der
hier leer gelassene Raum zwischen Klaue 6 und Klauenträger 7 - Permanentmagnete
angeordnet werden.
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Um schwierig herzustellende Magnetformen oder eine aufwendige Bearbeitung
der sie einschließenden Flächen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, Permanentmagnete
vorzusehen, die aus einem Gemisch von aushärtbarem Kunststoff und darin eingebetteten
Teilchen aus Magnetwerkstoff bestehen und vorzugsweise noch vor dem Aushärten des
Kunststoffes, d.h. in zähflüssigem oder teigigem Zustand, eingebracht werden. Im
letztgenannten Fall können die die Permanentmagnete einschließenden Flächen der
Klauen 6 und 8 und der Klauenträger 5 und 7 nicht nur unbearbeitet bleiben, sondern
auch so gestaltet werden, daß sie eine Verankerung der ausgehärteten Permanentmagnete
ergeben und damit besondere Befestigungselemente entbehrlich machen. In der vorstehend
beschriebenen Art können sämtliche Permanentmagnete des Läufers ausgeführt sein.
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Bei Läufern niedriger Polzahl und mit axial sehr kurzen Klauen, deren
Stirnflächen wesentlich größer als ihre Seitenflächen sind, kann es auch genügen,
nur zwischen diesen Stirnflächen und den gegenüberliegenden Flächen der gegenpoligen
Klauenträger Permanentmagnete anzuordnen.
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9 Patentansprüche
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