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Elektrische Maschine mit permanentmagnetischer
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Läufererregung Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit
permanentmagnetischer Läufererregung.
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Es besteht in der Praxis vielfach das Bedürfnis, die permanentmagnetischen
Nutzflüsse dieser Maschinen im Betrieb veränderbar zu schwächen, um damit die von
ihnen in der Ständerwicklung induzierte Spannung zu steuern.
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Es ist bekannt, diese Flußschwächung durch eine gleichstromgespeiste
Ringwicklung zu bewirken, die dem Ständerjoch eine über dessen ganzen Umfang erstreckte
Vormagnetisierung erteilt und damit für die Nutzflüsse einen veränderbaren magnetischen
Widerstand ergibt (US-PS 25 64 320). Eine Ringwicklung erfordert jedoch einerseits
einen kostspieligen Fertigungsaufwand, andererseits- erhöht sie in den Nuten der
Arbeitswicklung, die sie zusätzlich ausfüllt, die Wärmeentwicklung wesentlich, was
die Ausnutzung der Maschine stark verringert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwächung der im Läufer
permanentmagneterregten Nutzflüsse durch veränderbare magnetische Sättigung im Ständerblechpaket
der Maschine zu ermöglichen, die die Nachteile einer Ringwicklung vermeidet.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung durch
eine als Trommelwicklung ausgeführte gleichstromgespeiste Steuerwicklung, deren
Polzahl von der des Läufers abweicht und die im Ständer der Maschine derart angeordnet
ist, daß ihre Leiter zwischen den Stirnebenen des Ständerblechpaketes allseits von
Eisen umschlossen sind.
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Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele
wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es zeigt Fig. 1 in abgewickelter Darstellung einen Teilquerschnitt
einer Maschine, bei der die Polzahl der Steuerwicklung gleich der Ständernutenzahl
ist und diese Wicklung sich in den einzelnen Nuten zugeordneten Fenstern befindet,
die in einem etwa der Ständerzahnbreite entsprechenden Radialabstand vom Ständernutgrund
im Ständerblechpaket vorgesehen sind, Fig. 2 eine Teilansicht der Maschine im Schnitt
entlang der Linie II-II in Fig. 1, aus dem der mäanderartige Verlauf der in die
Fenster eingefädelten Steuerwicklung hervorgeht, Fig. 3 einen Teilquerschnitt einer
Maschine, bei der die Polzahl der Steuerwicklung gleich der Ständernutenzahl ist,
mit einem Ständerblechpaket, das aus zwei konzentrisch ineinandergefügten Teilpaketen
besteht, derart, daß die Steuerwicklung vor dem Zusammenbau der Teilpakete eingelegt
werden kann, Fig. 4 einen Teilquerschnitt einer Maschine mit einem Ständerblechpaket,
das aus zwei konzentrisch ineinandergefügten Teilpaketen besteht und bei der die
einlegbare Steuerwicklung in einer Reihe von Fenstern angeordnet ist, die in etwa
halber Ständerjochhöhe vorgesehen sind, Fig. 5 einen Teilquerschnitt einer Maschine,
bei der die Steuerwicklung und eine Dämpferwicklung in am Außenumfang des Ständerblechpaketes
vorgesehenen Nuten angeordnet sind, Fig. 6 eine Schaltung einer als "Dahlanderwicklung"
bekannten Drehstromwicklung für eine Polzahl 4p und Fig. 7 eine Schaltung der gleichen
Wicklung für die Polzahl 2p, aus der im Vergleich mit Fig. 6 hervorgeht, daß hierbei
gleichzeitig eine Kurzschlußwicklung für die Polzahl 4p vorliegt,
Fig.
8 eine Schaltung zur Speisung der Steuerwicklung aus dem Arbeitsstromkreis der Maschine.
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Bei einer Maschine nach Fig. 1 sind Permanentmagnete 2 am Umfang eines
Läufers 1 angeordnet. Ihr Nutzfluß N verläuft über den Luftspalt und die Ständerzähne
3 eines Ständerblechpaketes 4. Eine vom Nutzfluß induzierte Arbeitswicklung 5 ist
in Ständernuten 6 untergebracht. In einem Radialabstand vom Nutgrund, der etwa der
Breite der Ständerzähne 3 entspricht, sind gleichachsig mit diesen Zähnen Fenster
7 im Ständerblechpaket 4 vorgesehen, in denen eine Steuerwicklung8 angeordnet ist.
Die Stege 9 zwischen den Fenstern 7 weisen etwa die Breite der Ständerzähne 3 auf.
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Ein die Steuerwicklung 8 speisender Gleichstrom IS verläuft in benachbarten
Fenstern 7 gegensinnig, wie es durch Pfeilsymbole in Fig. 2 angedeutet ist. Demgemäß
bildet jeder Steg 9 zwischen den Fenstern 7 einen Pol der Steuerwicklung 8, deren
Polzahl somit gleich der Zahl der Ständernuten 6 bzw.
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Ständerzähne 3 ist. Der Verlauf der von der Steuerwicklung 8 erzeugten
Steuerflüsse S ist in Fig. 1 durch gestrichelte Pfeile angegeben. Je nach der Stärke
der vom steuernden Gleichstrom IS erzeugten Durchflutung der Steuerwicklung 8 werden
die Stege 9 und teilweise auch die Zonen zwischen den Fenstern 7 und den Ständernuten
6 mehr oder weniger durch die Steuerflüsse S gesättigt, was einen veränderbaren
magnetischen Widerstand für den Nutzfluß N (ausgezogene Pfeile in Fig. 1) ergibt.
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Da die Ständerjochhöhe einer Maschine normalerweise ein Mehrfaches
der Ständerzahnbreite beträgt und die Stege 9 etwa die Breite der Ständerzähne 3
aufweisen, erzeugen die die Stege 9 sättigenden Steuerflüsse S im Ständerjoch keine
nennenswerte zusätzliche Sättigung. Daher weist die hier beschriebene Anordnung
gegenüber der bekannten Jochsättigung durch eine Ringwicklung den Vorteil auf, daß
keine zusätzlichen Streuflüsse aus dem Ständerblechpaket in
das
Gehäuse der Maschine eintreten und dort erhöhte Wirbelstromverluste hervorrufen.
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Wie der in Fig. 2 dargestellte Schnitt zeigt, ist die Steuerwicklung
8 gemäß dem Richtungswechsel des Gleichstromes in benachbarten Fenstern 7 mit mäanderartigen
Verlauf angeordnet, der sich zweckmäßig über alle Fenster 7, d.h. den gesamten Ständerumfang,
erstreckt. Gegenüber einer Anordnung mit getrennten, die einzelnen Stege 9 gefädelt
umfassenden Spulen wird auf diese Weise der Herstellungsaufwand auf einen Bruchteil
vermindert. Es braucht nämlich bloß eine der Windungszahl entsprechende Anzahl von
Leitern in einem, d.h. als offenes Bündel mäanderartig durch alle Fenster 7 gefädelt
werden, um dann durch Verlöten der einzelnen Leiterenden die Windungen herzustellen.
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Fig. 3 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. Der
beispielsweise vierpolige Läufer 1 ist am Umfang mit den Permanentmagneten 2 bestückt.
Ebenso wie in Fig. 1 wechselt die Stromrichtung der Steuerwicklung 8 in benachbarten
Fenstern 10. Diese Fenster 10 sind hier gleichachsig mit eine Arbeitswicklung 11
enthaltenden Nuten 12 angeordnet, die mit ebenem Nutgrund ausgebildet sind, so daß
die Zonen 13 zwischen den Nuten 12 und den Fenstern 10 einen gleichbleibenden Querschnitt
aufweisen. Dieser Querschnitt entspricht dem Querschnitt der zwischen den Fenstern
10 liegenden Stege 14, die als Fortsetzung der Zähne 15 mit deren Breite vorgesehen
sind. Die gestrichelt eingezeichneten Steuerflüsse S sättigen somit nicht nur die
Stege 14, sondern auch die Zonen 13, was den Steuerungseffekt für den Nutzfluß verstärkt.
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Um das aufwendige Fädeln der Steuerwicklung 8 zu vermeiden, besteht
nach Fig. 3 das Ständerblechpaket aus konzentrisch ineinandergefügten Teilpaketen
16 und 17. Das innere Teilpaket 16 weist am äußeren Umfang Nuten 18 auf, in die
die Steuerwicklung 8 eingelegt wird. Beim nachfolgenden Einfügen
des
so bewickelten inneren Teilpaketes 16 in das äußere Teilpaket 17 schließt dieses
die Nuten 18 zu den Fenstern 10.
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Das äußere, von den Steuerflüssen S ungesättigt bleibende und das
Ständerjoch bildende Teilpaket 17 ist in einem Gehäuse 19 angeordnet.
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Die Stoßfugen zwischen den Enden der Stege 14 und dem äußeren Teilpaket
17 müssen einerseits dem inneren Teilpaket 16 einen festen Halt vermitteln und sollen
andererseits einen geringen magnetischen Widerstand aufweisen. Ein metallischer
Kontakt ist an diesen Stoßfugen jedoch unzulässig, da er Dberbrückungen der Isolation
benachbarter Bleche und dadurch hohe Wirbelstromverluste ergeben könnte. An den
Stoßfugen ist daher eine möglichst dünne elektrisch isolierende Zwischenschicht
vorzusehen, die z.B. aus einem Lackfilm bestehen kann. Ein mit enger Passung an
den Stoßfugen erfolgendes axiales Einschieben des Teilpaketes 16 in das Teilpaket
17 würde jedoch die isolierende Schicht wegscheuern. Um dies zu vermeiden, sind
gemäß Fig. 3 die Endflächen der Sege 14 von der tangentialen Richtung abweichend
schräg und die Innenkontur des Teilpaketes 17 sägezahnartig ausgebildet, so daß
beim Einschieben des inneren Teilpaketes 16, das in einer gegen die endgültige Anordnung
im Uhrzeigersinn verdrehten Lage erfolgt, keine Stoßfugenberührung stattfindet und
die isolierende Schicht daher keiner Scheuerbeanspruchung ausgesetzt wird. Nach
dem Einschieben wird das innere Teilpaket 16 gegen den Uhrzeigersinn bis zum satten
Kontakt an den Stoßfugen (gezeichnete Lage) zurückgedreht, was ohne Abscheuern der
isolierenden Schicht einen festen Sitz im Teilpaket 17 ergibt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Steuerwicklung 8 in einer
Reihe von Fenstern 20 angeordnet, die sich in etwa halber Ständerjochhöhe befinden.
Der Jochquerschnitt für den Nutzfluß N ist dadurch in zwei Hälften innerhalb und
außerhalb dieser Fensterreihe unterteilt. Um die Steuerwicklung 8 nicht einfädeln
zu müssen, sondern einlegen zu können, sind
analog Fig. 3 konzentrisch
ineinandergefügte Teilpakete 21 und 22 vorgesehen, wobei jedoch, von Fig. 3 abweichend,
am inneren Umfang des äußeren Teilpaketes 22 Nuten 23 angeordnet sind, die nach
der Bewicklung durch Einfügen des inneren Teilpaketes 21 zu den Fenstern 20 geschlossen
werden. Die Endflächen der zwischen den Fenstern liegenden Stege 24 sind auch hier
von der tangentialen Richtung abweichend schräg ausgebildet, was zusammen mit der
sägezahnartig gestalteten Außenkontur des inneren Teilpaketes 21 wie die Anordnung
nach Fig. 3 den Zusammenbau der beiden Teilpakete 21 und 22 ohne Beschädigung der
an den Stoßfugen vorzusehenden isolierenden Schicht ermöglicht.
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In Fig. 4 ist ein mit den Permanentmagneten 2 vierpolig bestüskter
Läufer 1 vorgesehen, von dessen Nutzflüssen N eine Arbeitswicklung 25 induziert
wird. Die Steuerwicklung 8 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine einsträngige
sechspolige Trommelwicklung, die gemäß dieser Polzahl vom vierpoligen Läuferfeld
nicht induziert wird. Die zwei mittleren Nuten 23 jedes Poles der Steuerwicklung
8 sind unbewickelt.
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Die von dieser Wicklung erzeugten Steuerflüsse S sättigen veränderbar
etwa zwei Drittel sowohl des inneren Joches im Teilpaket 21 als auch des äußeren
Joches im Teilpaket 22 in je sechs Teilabschnitten, wodurch die Nutzflüsse pN steuerbar
sind.
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Um den Eintritt von Streuanteilen der rotierenden Nutzflüsse aus den
Sättigungszonen des äußeren Teilpaketes 22 in das dieses Teilpaket umgebende Gehäuse
26 zu beschränken, besteht dieses aus amagnetischem Werkstoff, vorzugsweise Leichtmetall,
und ist mit Innenrippen 27 versehen, die das äußere Teilpaket 22 halten. Dadurch
verbleibt über einen Großteil des Umfanges ein Abstand zwischen Gehäuseinnenwand
und Teilpaket 22, der zum Durchströmen von Kühlluft genutzt werden kann.
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Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, das vorzugsweise für Maschinen
mit größerer Läuferpolzahl, also geringer Ständerjochhöhe, geeignet ist. Ein Läufer
28 ist am Umfang mit zwölf Permanentmagneten 29 bestückt, die eine Arbeitswicklung
30 im Ständer induzieren. Ein Ständerblechpaket 31 ist am Außenumfang mit Nuten
versehen, die durch ein aus magnetisierbarem Werkstoff bestehendes Gehäuse 32 zu
Fenstern 33 ergänzt sind. Die Steuerwicklung 8 wird vor dem Einschieben des Ständerblechpaketes
31 in das Gehäuse 32 eingelegt. Sie ist eine Trommelwicklung mit sechs Polen und
wird daher vom zwölfpoligen Läuferfeld nicht induziert. Die einsträngige Steuerwicklung
8, bei der die mittleren zwei Nuten jedes der sechs Pole unbewickelt sind, erzeugt
Steuerflüsse S die sechs Jochabschnitte im Ständerblechpaket 31 veränderbar sättigen
und sich über die zwischen den Fenstern 33 liegenden Stege 34 im Gehäuse 32 schließen.
Entsprechend der aufgrund der hohen Läuferpolzahl geringen Jochhöhe im Ständerblechpaket
31 genügt eine mäßige Gehäusewandstärke, um magnetische Sättigungen im Gehäuse 32,
die einen nutzlosen Mehraufwand an Steuerwicklung 8 bedingen würden, zu vermeiden.
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Auch der Umstand, daß die axiale Breite des Gehäuses 32 normalerweise
beträchtlich größer ist als die des Ständerblechpaketes 31 wirkt einer Sättigung
in diesem Gehäuse entgegen.
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Um zu vermeiden, daß Teile der rotierenden Nutzflüsse N in das Gehäuse
32 ausweichen, was hohe Wirbelstromverluste zur Folge hätte, ist in den Fenstern
33 noch eine kurzgeschlossene zwölfpolige Dämpferwicklung 35 angeordnet. Sie kann
auch durch einen Dämpferkäfig ersetzt werden.
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Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Möglichkeit, die Steuerwicklung 8 mit
der Dämpferwicklung 35 CFig. 5) zu vereinigen. In Fig. 6 ist eine Schaltung einer
im Polzahlverhältnis 2 : 1 umschaltbaren Drehstromwicklung - als "Dahlanderwicklung"
bekannt -für die höhere Polzahl 4p dargestellt. R, S und T bezeichnen die Drehstrom-Anschlußklemmen.
Fig. 7 zeigt die Schaltung der gleichen Wicklung für die Polzahl 2p. Ein Vergleich
mit Fig. 6
ergibt, daß in der Schaltung für 2p Pole die Wicklung
für ein 4p-poliges Feld kurzgeschlossen ist. Ist die Polzahl 2p = 6 und wird die
Wicklung gemäß Fig. 7 geschaltet und über einen veränderbaren Widerstand 36 an eine
Gleichstromquelle 37 angeschlossen, so kann sie als Steuerwicklung 8 bei einer Maschine
gemäß der Fig. 5 eingesetzt werden. Sie wirkt dann gleichzeitig als kurzgeschlossene
Dämpferwicklung 35 der Läuferpolzahl 4p = 12.
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Fig. 8 stellt eine Schaltung dar, die eine Batterie zur Speisung der
Steuerwicklung 8 vermeidet. Ein Gleichrichter 38 ist an die Klemmen einer Arbeitswicklung
39 angeschlossen und speist die Steuerwicklung 8 über einen veränderbaren Widerstand
40. Um die Steuerwicklung 8 mit geringer Windungszahl auszuführen, was insbesondere
für eine Maschinenausführung nach den Fig. 1 und 2 vorteilhaft ist, kann der Gleichrichter
38 auch an passende Anzapfungen der Arbeitswicklung 39 angeschlossen sein.
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1 2 Patentansprüche 8 Figuren
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